CN102680939A - 一种基于声光电同步观测的雷电定位方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及雷电监测领域，尤其涉及一种新型的雷电定位方法。本发明提出了一种基于声光电同步观测的新型雷电定位方法及装置，实现了仅用单站资料获取近距离内雷电事件的发生位置、发生时间以及三维通道结构。

Description

一种基于声光电同步观测的雷电定位方法及装置

技术领域

本发明涉及雷电监测领域，尤其涉及一种新型的雷电定位方法和装置。

技术背景

雷电会引起森林、油库火灾，造成供电、通信系统故障或损坏，对航空航天、矿山及一些重要而敏感的高技术装备造成重大威胁。雷电具有瞬时性和随机性，这增加了雷电防护工程设计和雷电事故分析的难度，雷电定位技术为解决这一难题提供了支撑。雷电定位系统可以实时获得雷电的发生时间、发生位置以及雷电流强度等有效信息，这些资料对雷灾事故查询和雷电灾害评估至关重要。

目前国内外广泛应用的雷电定位系统主要采用基于雷电电磁信号的多站定位技术，该方法侧重于实现广域的雷电观测，其局限性在于系统布站范围广且需要综合多站数据，这对探测站的选址、安装以及通信都提出了更高的要求；而且，现有系统的定位精度为500m左右，对于监测变电站、油库、煤矿、机场等重点区域小范围内的雷击事故仍显不足。

基于雷声信号的雷电定位技术能够满足重点区域对小范围内雷电定位更高精度的需求。中国发明专利《多个声音传感器雷电定位仪及其定位方法》（申请号：CN200910310395.4）提出了两套技术方案：方案一利用四个麦克风传感器获得雷声信号到达时间，由此算出雷声信号间的到达时差，再根据双曲线方法获得雷声声源的发生位置。但该方案存在依然存在如下问题：首先，装置利用声音传感器实现系统触发，而实际环境中存在多种复杂的噪音源，会导致系统误触发而使得定位结果错误；其次，雷声信号在空气中传播受到诸多干扰，系统仅利用雷声信号进行定位将导致定位精度不高。方案二利用三个麦克风传感器和一个广角摄像头获得三组雷电声光信号到达时差，由此估算出声源到三个传感器的距离最终获得声源的发生位置。该方案同样存在不足：在强烈的雷暴天气过程中，短时间内强雷暴区域雷电的发生频率极高，此时，广角摄像头将同时或者连续地接收到多个发生在不同方位的雷电事件，会导致雷声信号与光信号难以匹配，影响定位系统正常运行。同样，《微计算机信息》2010年第8期上发表的文章“基于DSP的雷电定位系统设计”中利用雷声信号测向、声电信号测距的方法也存在这一问题，尽管这种定位技术在理论上可行，但实际过程中雷电事件繁发的情况将给系统的定位分析带来难题。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明提出了一种基于声光电同步观测的新型雷电定位方法及装置，实现了仅用单站资料获取近距离内雷电事件的发生位置、发生时间以及三维通道结构。

本发明的技术方案是：一种基于声光电同步观测的雷电定位装置，包括麦克风阵列、光敏阵列、数据采集模块和数据处理模块；麦克风阵列由四个麦克风传感器组成，四个传感器安装在钢制支架上形成一个空间直角坐标系形状；光敏阵列是由八个雷电光信号探测器排列而成的圆形阵列，安装于麦克风阵列之上，用于探测雷电的光信号；数据采集模块包括触发模块、雷声信号预处理模块以及雷电光信号预处理模块，用于采集麦克风阵列、光敏阵列的信号，并对信号进行预处理；数据处理模块包括数据处理软件和结果显示界面，用于分析数据采集模块预处理后的信号，以获得雷电定位信息并且为用户显示定位结果。其有益效果是：与现有基于雷电电磁信号的雷电定位系统相比，该装置对于近距离的闪电事件探测精度更高；仅用单站资料获取近距离内雷电事件的发生位置、发生时间以及三维通道结构；主体探测设备结构小巧，方便携带，首次实现了可移动式的闪电监测手段；同时，装置中所利用的探测设备价格较低，大大降低了定位系统成本。

如上所述的雷电定位装置，其特征在于：所述麦克风传感器为电容式且其响应频率为15Hz-20KHz。其有益效果是：在探测雷声信号的同时能够感应雷电电磁信号。

如上所述的雷电定位装置，其特征在于：所述触发模块由雷电光信号探测电路、触发电平产生电路、数据采集控制电路组成。其有益效果是：可以有效的探测雷电光信号。

如上所述的雷电定位装置，其特征在于：所述雷声信号预处理模块由放大电路、信号平滑电路、低通滤波器组成。其有益效果是：可以有效的探测雷声信号。

如上所述的雷电定位装置，其特征在于：所述雷电光信号预处理模块由放大电路、信号平滑电路、高通滤波器组成。其有益效果是：便于雷电光信号的后续处理。

如上所述的雷电定位装置，其特征在于：它还包括温度测量仪，数据采集模采集温度测量仪信号。其有益效果是：能够获得实时的环境温度以算出声音的实际传播速度。

一种基于声光电同步观测的雷电定位方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1：架设麦克风阵列、光敏阵列探测雷电原始信号，利用麦克风阵列探测雷声信号以及电磁信号，利用光敏阵列探测光信号，利用温度测量仪探测环境温度信息；S2：数据采集模块采集麦克风阵列、光敏阵列及温度测量仪信号，通过对信号的预处理，获得雷声信号的波形数据及到达时刻、电磁信号的到达时刻、雷电光信号的方位及到达时刻；S3：利用数据处理模块实现对信号的分析处理过程；S4：最终获得雷电的发生时间、发生位置以及三维通道结构。其有益效果是：可以确定雷电的发生时间、发生位置以及雷电三维通道结构，实现十公里内的雷电事件高精度监测。

如上所述的雷电定位方法，其特征在于：所述步骤S2的信号预处理包括如下步骤：S201：对获得信号进行放大、数模转换；S202：对麦克风阵列接收的四路信号进行二级处理，主要包括两步：截取有效的雷电电磁信号，并由此得到相应的到达时刻；截取雷声信号并且对其进行平滑、滤波等预处理，进而剔除干扰信号。其有益效果是：可以对麦克风传感器信号进行预处理，便于后续定位分析。

如上所述的雷电定位方法，其特征在于：所述步骤S3信号的分析处理过程具体包括如下步骤：S301：利用雷声信号到达时差确定雷声信号入射射线方位信息；S302：利用雷电光信号进行雷电发生方位辨识；S303：综合声光电信号以及上述结果，计算出雷声声源的位置。其有益效果是：可以方便的获得雷声方位、声源位置等信息。

附图说明：

图1本发明装置结构框图；

图2 本发明探测设备实物图；

图3 本发明的光敏阵列示意图；

图4 本发明雷电定位方法流程图。

具体实施方式

附图标记说明：1—麦克风阵列，11、12、13、14—麦克风传感器，15—钢制阵列，2—光敏阵列，21—光敏元件，22—温度计，23—圆柱形支架，3—数据采集模块，4—数据处理模块。

下面结合附图对本发明做进一步说明。

本具体实施方式所涉及的雷电定位方法应用于雷电定位装置，所述雷电定位装置基于到达时差法的基本原理，通过计算不同麦克风传感器接收雷声信号的到达时差，确定雷声信号相对于探测阵列的入射射线方位信息；同时，通过测量雷声信号与雷电光电信号到达测站的时差，估算雷声声源的距离，最终，获得雷电发生时间、发生位置以及通道三维结构。

如图1所示，所述雷电定位装置包括四大组成部分：

麦克风阵列1，包括四个完全相同的麦克风传感器，传感器优选为电容式麦克风，响应频率优选为15Hz-20KHz，可以同时感应雷声信号和电磁信号；所述四个传感器安装在钢制支架15上，形成空间直角坐标系形状，其中，麦克风12安装在支架中心位置即直角坐标系原点处，麦克风11、麦克风13、麦克风14与麦克风12的距离均为1m。所述支架15均采用不锈钢材料。所述麦克风阵列用于采集近距离区域内雷电事件所产生的雷声信号以及电磁信号，并通过连接线输送到数据采集模块；

如图3所示，光敏阵列2，包括八个完全相同的光敏元件21，所述光敏元件采用高响应度、低噪声的光电二极管，并在前端加装了用于控制进光量的镜头。所述八个光敏元件于钢制圆柱形支架23内，其中，每个光敏元件主要探测空间内八分之一区域的光信号，所述光敏阵列置于钢制支架15上，位于麦克风阵列1之上。所述光敏阵列用于采集近距离区域雷电活动产生的光信号，不仅用于触发整个装置，还可以用于辨识雷电事件发生的方位信息。在光敏阵列中，还设有温度计22，用于实时环境温度的采集。

数据采集模块3，用于对麦克风阵列以及光敏元件所接收到的信号进行采集以及预处理。对于雷声信号，数据采集模块对其进行放大、模数转换、平滑处理以及滤波处理等一系列预处理，输出截取时段的雷声信号及对应到达时间；对于声光信号，数据采集模块将输出信号波形及其到达时间。

数据处理模块4，包括数据处理单元和结果显示界面，数据处理单元用于对输入的信号做进一步处理分析；结果显示界面可以展示雷电的发生位置、发生时间以及雷电的三维通道结构。

本具体实施方式所涉及的雷电定位方法如下步骤，如图4所示：

S1：原始信号探测：架设麦克风阵列以及光敏阵列探测原始信号，利用麦克风阵列探测雷声信号以及电磁信号，同时，利用光敏阵列探测光信号以及环境温度信息。

具体步骤包括：

闪电发生时，其光信号首先被光敏元件感应，当光信号幅值超过触发装置预先设定的阈值时，系统开始对信号进行记录存储，其中，预触发时间为5s，单次采集时间为30s，可以完成十公里内的信号记录。所得信号由连接线传至数据采集模块；

S2：数据采集模块对信号进行预处理，原始采集信号包括六路：麦克风阵列获得的四路信号、光敏阵列获得的一路雷电光信号以及实测环境温度值，通过信号预处理，最终输出雷声信号的波形及到达时刻、电磁信号的到达时刻、光信号的序号及到达时刻；

具体包括：

S201：利用宽带低噪声放大器对所测信号进行放大，以增大设备的有效探测距离；同时利用模数转换（A/D）模块对放大后的信号进行同步模数转换；

S202：根据光信号记录比较装置找出接收到的光强最大的光敏元件，确定光信号方位信息，最终输出光信号的方位以及到达时刻；

S203：对麦克风阵列接收的四路信号进行二级处理包括两步：

首先，截取有效的电磁信号，并且给出相应的到达时刻；

其次，截取雷声信号并且对其进行平滑处理，初步剔除干扰信号；同时，采用低通滤波器对信号进行滤波，进一步剔除干扰信号，最终输出雷声信号波形以及到达时刻。

S3：利用数据处理模块实现对信号的分析处理过程；

其分析处理过程如下，具体包括：

S301：利用雷声信号到达时差确定雷声信号入射射线方位信息；

首先，利用相关算法估计四列雷声信号间的到达时差；

其次，将到达时差代入计算公式，且采用最小二乘法得出雷声信号入射射线方位信息。

其中，所述获得雷声信号方向射线的计算公式如下：

其中，序号1、2、3、4分别代表四个麦克风，L12、L23、L24分别代表麦克风1与麦克风2、麦克风2与麦克风3、麦克风2与麦克风4之间的距离，v代表雷声在空气中的传播速度，t1、t2、t3、t4分别代表雷声信号到达麦克风1、麦克风2、麦克风3、麦克风4的时间，α和β分别代表雷声信号方向射线的仰角和方位角。

其中，声速v由以下公式获得：

其中，T为实测环境温度，单位为℃。

S302：利用雷电光信号探测装置序号估算光信号的到达方位信息；

S303：综合雷电光信号到达方位信息、雷声信号入射射线方位信息以及电磁信号到达时刻信息，得出雷声信号与光电信号到达时差，即能估算出雷声声源距离。

S4：最后，结合雷声信号入射射线方位信息以及雷声声源的距离，最终获得雷电的发生位置、发生时间以及三维通道结构。

Claims (9)

1.一种基于声光电同步观测的雷电定位装置，包括麦克风阵列、光敏阵列、数据采集模块和数据处理模块；其特征在于：麦克风阵列由四个麦克风传感器组成，四个传感器安装在钢制支架上形成一个空间直角坐标系形状；光敏阵列是由八个雷电光信号探测器排列而成的圆形阵列，安装于麦克风阵列之上，用于探测雷电的光信号；数据采集模块包括触发模块、雷声信号预处理模块以及雷电光信号预处理模块，用于采集麦克风阵列、光敏阵列的信号，并对信号进行预处理；数据处理模块包括数据处理软件部分和结果显示界面，用于分析数据采集模块预处理后的信号，以获得雷电定位信息并且为用户显示定位结果。

2.如权利要求1所述的雷电定位装置，其特征在于：它还包括温度测量仪，数据采集模采集温度测量仪信号。

3.如权利要求1或2所述的雷电定位装置，其特征在于：所述触发模块由雷电光信号探测电路、触发电平产生电路、数据采集控制电路组成。

4.如权利要求1或2所述的雷电定位装置，其特征在于：所述麦克风传感器为电容式且其响应频率为15Hz-20KHz。

5.如权利要求1或2所述的雷电定位装置，其特征在于：所述雷声信号预处理模块由放大电路、信号平滑电路、低通滤波器组成。

6.如权利要求1或2所述的雷电定位装置，其特征在于：所述雷电光信号预处理模块由放大电路、信号平滑电路、高通滤波器组成。

7.一种基于声光电同步观测的雷电定位方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1：架设麦克风阵列、光敏阵列探测雷电原始信号，利用麦克风阵列探测雷声信号以及电磁信号，利用光敏阵列探测光信号，利用温度测量仪探测环境温度信息；S2：数据采集模块采集麦克风阵列、光敏阵列及温度测量仪信号，通过对信号的预处理，获得雷声信号的波形数据及到达时刻、电磁信号的到达时刻、雷电光信号的方位及到达时刻；S3：利用数据处理模块实现对信号的分析处理过程；S4：最终获得雷电的发生时间、发生位置以及三维通道结构。

8.如权利要求7所述的雷电定位方法，其特征在于：所述步骤S2的信号预处理包括如下步骤：S201：对获得信号进行放大、数模转换；S202：对麦克风阵列接收的四路信号进行二级处理，主要包括两步：截取有效的雷电电磁信号，并由此得到相应的到达时刻；截取雷声信号并且对其进行平滑、滤波等预处理，进而剔除干扰信号。

9.如权利要求7所述的雷电定位方法，其特征在于：所述步骤S3信号的分析处理过程具体包括如下步骤：S301：利用雷声信号到达时差确定雷声信号入射射线方位信息；S302：利用雷电光信号进行雷电发生方位辨识；S303：综合声光电信号以及上述结果，计算出雷声声源的位置。

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