CN107356948A - 一种基于瞬时点源化学云团的陆基遥测定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于瞬时点源化学云团的陆基遥测定位方法，通过两套红外遥测装置定点扫描获得角度参数，运用前方交会法确定化学云团的中心点位置，利用两个不同时刻的观测数据，结合瞬时点源扩散原理，反算出瞬时点源的源强和化学云团的生成时间、相对距离、云团半径。本发明综合运用扩散理论和前方交会原理，弥补了红外光谱对云团的定位难题，提供了一种瞬时点源化学云团定点遥测定位的新方法，为红外遥测装置运用提供技术支持。

Description

一种基于瞬时点源化学云团的陆基遥测定位方法
技术领域
本发明是一种基于扩散理论和前方交会原理的瞬时点源化学云团遥测定位方法，它与红外遥测装置运用有关，属于化学侦察技术领域。
背景技术
有毒有害物质通常以分散或蒸发的方式形成化学云团，并随大气向下风方向扩散，以达成毒害效应。瞬时点源，是瞬间完成有毒有害物质施放的点源，如单个化学反应罐爆炸；由于瞬时点源化学云团形成时间、运动方向难以监测，且云团半径较小，监测定位困难，是目前化学监测急需解决的关键技术难题。
化学侦察装备大多基于化学反应和分子电离迁移原理研发的，不适用于化学云团的监测。随着红外遥测技术的完善，化学遥测装置大量生产，用于非接触式远距离监测化学云团扩散与传播情况。但从使用实际情况看，红外遥测装置仅用作化学监测报警，效能没有充分发挥。
国内主要有几家单位等进行了相关研究，主要集中在红外光谱识别技术、红外成像检测技术方面。如何利用红外遥测技术进行化学云团定位研究，尚未展开，且急需确定化学云团的具体位置，为防护决策提供关键信息和宝贵的预警时间。
由于瞬时点源化学云团存在时间短，受气象等因素影响大，现有的化学侦察与分析难以对瞬时点源化学云团进行定位，目前主要通过光学仪器和目测进行概略方向判断。本发明，能有效解决瞬时点源化学云团的快速定位和实时跟踪问题。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于瞬时点源化学云团的陆基遥测定位方法，它综合运用扩散理论和前方交会原理，弥补了红外光谱对化学云团的定位难题，为红外遥测装置运用提供技术支持，与现有的现场侦察、化学观测相比，容易实现对瞬时点源类型化学云团的快速定位和运动轨迹跟踪。
本发明技术解决方案：一种基于瞬时点源化学云团的陆基遥测定位方法，通过两套红外遥测装置定点红外扫描获得的参数，运用前方交会法确定化学云团的中心点位置，利用两套红外遥测装置两个不同时刻的观测数据，结合瞬时点源扩散原理，反算出瞬时点源的源强和化学云团的生成时间、相对距离、云团半径。
具体步骤如下：
步骤一：相关参数的获取
通过集群北斗或GPS定位模块，确定红外遥测装置的位置参数(经纬度)，将两套红外遥测装置位置方位坐标变换成平面距离坐标，计算出两套红外遥测装置之间的距离；记录气温等气象参数。查找红外遥测装置对某化学云团的报警浓度阈值(通常的红外遥测装置内均带有这个报警浓度阈值，如果不带可以提前预先设定后输入即可)，记录为C0。
根据气象数据计算湍流水平扩散系数K0、湍流垂直扩散系数K1。
步骤二：红外遥测装置观测数据的获取
两套红外遥测装置(假设分别位于坐标E、F点)同时360度全域扫描监测化学云团，发生报警t0时，通过定向仪自动记录方向角，将两套红外遥测装置扫描化学云团发出报警的方向角记为θA0、θB0、θC0、θD0，扫描射线与化学云团边界线的切点分别记为A0、B0、C0、D0点，见图3所示。
步骤三：化学云团中心位置与半径的计算
见图2所示，计算两套红外遥测装置经过化学云团中点的角度EOF，OEF：
前方交会法求解化学云团中心距离两套红外遥测装置的距离，即计算出OF、EF长度。然后利用三角关系，计算该时刻的化学云团半径r0，即图2中的AF长度。
步骤四：化学云团中心位置与半径的计算
重复步骤二，将再一次扫描报警t1时刻两套红外遥测装置扫描化学云团的方向角记为θA1、θB1、θC1、θD1，见图3所示。在t1时刻两套红外遥测装置扫描化学云团发出报警的扫描角度与x轴分别成θA1、θB1、θC1、θD1，假设扫描射线与化学云团边界线的切点分别为A1、B1、C1、D1点(扫描期间化学云团半径变化可以忽略)。
重复步骤三，计算图3中⊿EFG的EF、EG长度(化学云团中心点到两套红外遥测装置的距离)；计算t1时刻的化学云团半径r1，即图3中的A1E长度。
步骤五：瞬时点源源强和化学云团形成时间的计算
计算两次观测时间差，w＝t1-t0。
利用瞬时点源扩散原理建立方程组：
方程组中变量为瞬时点源源强Q和化学云团形成时间t，通过计算机快速反算出瞬时点源化学云团的相关参数，即瞬时点源源强Q和化学云团形成时间t；
Q——为瞬时点源源强，即从瞬时点源进入空气中的化学物质量，g；
K0——湍流水平扩散系数，m2/s；
Z1——参照物的固定参考高度，m；
K1——Z1高处的湍流垂直扩散系数，m2/s；
n——大气垂直稳定度的特性系数；
t——化学云团形成时间，s；
Γ(1+1/n)是随n而变的伽玛函数。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明直接利用红外遥测装置观测数据，计算出瞬时点源化学云团的相关参数，数据自动获取，计算速度快，计算结果准确可信。该方法适用性强，可直接作为红外遥测装置运用的理论依据。
(2)本发明通过选取两套红外遥测装置的位置坐标、扫描报警时间和方向角度参数，采用两套红外遥测装置定点遥测的方法，来计算化学云团的生成时间、相对坐标、云团半径和瞬时点源源强等重要数据，解决化学防护决策的难题。
附图说明
图1为本发明实现的流程图；
图2为本发明中红外遥测装置定点遥测化学云团示意图；
图3为本发明中两套红外遥测装置双时刻定点遥测化学云团示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明。
本发明一种基于瞬时点源化学云团的陆基遥测定位方法，计算所需要的数据全部依靠红外遥测装置自身设备获取，上述步骤的计算均可通过计算程序计算得出，如图1所示，具体步骤如下：
步骤一：相关参数的获取
通过北斗或GPS定位设备，确定红外遥测装置的位置参数(经纬度)，将两套红外遥测装置位置方位坐标变换成平面距离坐标，计算出两套红外遥测装置距离为1000米；
记录气温等气象参数，计算湍流水平扩散系数K0、湍流垂直扩散系数K1，K0＝0.785m2/s；K1＝0.645m2/s；大气垂直稳定度的特性系数n＝1；Γ(1+1/n)＝1。
查找红外遥测装置对某化学云团的报警浓度阈值，记录为C0＝300mg/m2。
步骤二：红外遥测装置观测数据的获取
两套红外遥测装置(假设分别位于坐标F、G点)，两车同时扫描360度全域扫描监测化学云团，发生报警时通过定向仪自动记录方向角。两套红外遥测装置报警时刻t0为某日15时30分00秒，扫描化学云团的方向角为：
6A0＝61.01°、θB0＝58.99°、θC0＝45.82°、θD0＝44.18°。
步骤三：化学云团中心位置与半径的计算
如图3所示，计算角度：OFG＝60.00°、OGF＝45.00°
前方交会法求解化学云团中心距离两套红外遥测装置的距离，即计算出OF＝732.05米、OG＝896.58米。
然后利用三角关系，计算该时刻的化学云团半径r0，即图3中的A0O长度。
步骤四：化学云团中心位置与半径的计算
重复步骤二，将报警t1时刻两套红外遥测装置扫描化学云团的方向角记为θA1、θB1、θC1、θD1，如图3所示。两车报警时刻t1为某日15时30分30秒，扫描化学云团的方向角为：θA1＝56.73°、θB1＝55.47°、θC1＝48.41°、θD1＝47.28°。
重复步骤三，计算图3中⊿EFG的EF、EG长度，EF＝763.82米、EG＝855.20米。
计算t1时刻的化学云团半径r1，即图3中的A1E长度。
步骤五：瞬时点源源强和化学云团形成时间的计算
计算两次观测时间差，w＝t1-t0＝30秒。
利用瞬时点源扩散原理建立方程组：
方程组中变量为瞬时点源源强Q和化学云团形成时间t，解方程组得到Q＝9.99×103克、t＝30.00秒。
化学情况反算：某日15时29分30秒发生化学事件，化学物质释放量9.99×103克；15时30分00秒化学云团半径为12.88米，化学云团中心点距两套红外遥测装置的距离分别为732.05米、896.58米；15时30分30秒化学云团半径为8.41米，化学云团中心点距两辆红外遥测装置的距离分别为763.82米、855.20米。
总之，采用本发明通过红外遥测装置观测数据，可计算出化学袭击时间、瞬时点源化学云团范围和运动轨迹，为指挥员决策和部队防护提供实时、有效信息。

Claims (1)

1.一种基于瞬时点源化学云团的陆基遥测定位方法，其特征在于实现步骤如下：
步骤一：相关参数的获取
通过集群北斗或GPS定位模块，确定红外遥测装置的位置参数，将两套红外遥测装置位置方位坐标变换成平面距离坐标，计算出两套红外遥测装置之间的距离；记录气象参数，查找红外遥测装置对某化学云团的报警浓度阈值，记录为C0；
根据气象数据计算当地地理位置的湍流水平扩散系数K0、湍流垂直扩散系数K1；
步骤二：红外遥测装置观测数据的获取
两套红外遥测装置分别位于坐标E、F点，同时扫描360度全域扫描监测化学云团，发生报警时刻t0时，通过定向仪自动记录方向角，将两套红外遥测装置扫描化学云团发出报警的方向角记为θA0、θB0、θC0、θD0，扫描射线与化学云团边界线的切点分别记为A0、B0、C0、D0点；，
步骤三：化学云团中心位置与半径的计算
计算两套红外遥测装置经过化学云团中点位置O的角度EOF，OEF：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mi>E</mi> <mi>O</mi> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mi>O</mi> <mi>E</mi> <mi>F</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
采用前方交会法求解化学云团中心距离两套红外遥测装置的距离，即计算出OF、EF长度，然后利用三角关系，计算该时刻t0的化学云团半径r0：
<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>O</mi> <mi>F</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mo>|</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mn>0</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>|</mo> <mo>;</mo> </mrow>
步骤四：化学云团中心位置与半径的计算
重复步骤二，将再一次报警t1时刻的两套红外遥测装置扫描化学云团的方向角记为θA1、θB1、θC1、θD1，扫描射线与化学云团边界线的切点分别为A1、B1、C1、D1点；
重复步骤三，再一次计算化学云团中心点到两套红外遥测装置的距离EF、EG；再计算t1时刻的化学云团半径r1：
<mrow> <msub> <mi>r</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mi>E</mi> <mi>F</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mo>|</mo> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>A</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mrow> <mi>B</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>|</mo> </mrow>
步骤五：瞬时点源源强和化学云团形成时间的计算
计算两次观测时间差，w＝t1-t0；
利用瞬时点源扩散原理建立方程组：
<mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>Q</mi> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>&amp;pi;K</mi> <mn>0</mn> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <msup> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msup> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mi>n</mi> </mrow> </msup> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>r</mi> <mn>0</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>K</mi> <mn>0</mn> </msub> <mi>t</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </msup> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>C</mi> <mn>0</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mi>Q</mi> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>&amp;pi;K</mi> <mn>0</mn> </msub> <msup> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>K</mi> <mn>1</mn> </msub> <msup> <mi>n</mi> <mn>2</mn> </msup> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mrow> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mi>n</mi> </mrow> </msup> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mn>1</mn> <mo>/</mo> <mi>n</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <msup> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <msubsup> <mi>r</mi> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </msubsup> <mrow> <mn>4</mn> <msub> <mi>K</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>w</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </msup> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
方程组中变量为瞬时点源源强Q和化学云团形成时间t，通过计算机快速反算出瞬时点源化学云团的相关参数，即瞬时点源源强Q和化学云团形成时间t；
Q——为瞬时点源源强，即从瞬时点源进入空气中的化学物质量，g；
K0——湍流水平扩散系数，m2/s；
Z1——参照物的固定参考高度，m；
K1——Z1高处的湍流垂直扩散系数，m2/s；
n——大气垂直稳定度的特性系数；
t——化学云团形成时间，s；
Γ(1+1/n)是随n而变的伽玛函数。
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