CN108549114A - 一种电离层高度的反演方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种电离层高度的反演方法，观测子站获取闪电放电事件的特征参数并将特征参数实时发送给中心站；中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数解算出闪电源的位置；中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数判断出闪电的类型；中心站根据闪电源的位置和和闪电的类型，反演出电离层高度。

Description

一种电离层高度的反演方法

技术领域

本公开涉及气象-闪电技术领域，尤其涉及一种电离层高度的反演方法。

背景技术

地球电离层D层通常是指距离地面50km-90km高度的大气等离子体层。D层电子浓度较低，中性粒子丰富，对电磁波中短波有强烈的吸收作用，反射波段主要集中在100kHz以下。该层不仅受到来自空间太阳活动以及宇宙射线的调制，还受到来自地球近地面的各种自然(比如雷暴放电，自然地震)和人类活动(比如无线电发射)的扰动影响，其物理特性时空变化特征是空间物理学科的重要研究内容之一。由于电离层严重影响无线电通信，因此现代生产、生活活动的正常开展也需要对电离层进行监测与预报。

经典的电离层测高仪实质上是一台短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率合成器、显示记录器、程序控制器等组成。其工作频率可在整个短波波段的频率范围(0.5～30兆赫)内连续改变。电离层测高仪进行探测时，测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率连续改变的电波来回传播的时间(称为时延)，从而获得反射高度与频率的关系曲线，这种曲线称为频高图或垂测电离图，从而获得电离层电子密度的高度分布。

公开内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本公开提供了一种电离层高度的反演方法。该方法基于自然界发生的闪电信息，利用固定安装在地面的VLF/LF闪电探测网络，所探测、识别、定位到的闪电资料，可实现白天电离层D层及夜间电离层E层高度的广域反演。

(二)技术方案

本公开提供了一种电离层高度的反演方法，包括以下步骤：步骤S1：观测子站获取闪电放电事件的特征参数并将特征参数实时发送给中心站；步骤S2：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数解算出闪电源的位置；步骤S3：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数判断出闪电的类型；步骤S4：中心站根据闪电源的位置和和闪电的类型，反演出所述闪电源对应的电离层高度。

在本公开的一些实施例中，在步骤S3中，中心站分析闪电波形的时域特征参数，分别对不同的时域特征参数值取不同的权重，确认闪电的类型。

在本公开的一些实施例中，时域特征参数包括部分或全部以下参数：脉冲的上升时间、初始峰宽度、初始峰半宽、脉冲的下降时间、拐点、波形持续时间、峰值频率、前向信噪比、后向信噪比。

在本公开的一些实施例中，在步骤S4中，联立下述方程组，计算出所述闪电源对应的电离层高度H：

其中，t_a为S1与S2路径的时间差，t_b为S1与S3路径的时间差，S1为所述闪电源与观测子站之间的直线路径长度，S2为所述闪电源经电离层反射至观测子站的路径长度，S3为所述闪电源向下经地面反射、再经电离层反射至观测子站的路径长度，h为所述闪电源的高度，根据闪电类型确定；r为所述闪电源与另一闪电源的距离。

在本公开的一些实施例中，对于地闪，所述闪电源的高度h取1km；对于云闪，所述闪电源的高度h取6km；对于正极性NPE，所述闪电源的高度h取9.9km；对于负极性NPE，所述闪电源的高度h取16km。

在本公开的一些实施例中，步骤S1具体包括：各观测子站独立获取并存储各次闪电放电事件的闪电波形，生成闪电放电事件的到达时间和参数；观测子站将所述闪电波形、到达时间和参数作为闪电放电事件的特征参数实时发送给中心站。

在本公开的一些实施例中，步骤S2具体包括：子步骤S2a：中心站接收特征参数；子步骤S2b：中心站利用到达时间差方法对到达时间进行处理，解算出闪电源的位置。

在本公开的一些实施例中，子步骤S2b具体包括：中心站利用至少四个观测子站发送的第一到达时间，得到闪电源到至少四个观测子站之间的距离，根据几何原理建立方程组并求解，从而求得闪电源的位置。

在本公开的一些实施例中，闪电放电事件的第一到达时间为：

其中，(x，y)为闪电源的位置；(x_si，y_si)为第i个观测子站的坐标，(x_sj，y_sj)为第j个闪电观测站的坐标；c为光速，Dis((x，y)，(x_si，y_si))为闪电源(x，y)与第i个观测子站的距离，Dis((x，y)，(x_sj，y_sj))为闪电源(x，y)与第j个观测子站的距离。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：

(1)不需要布置发射端，可以采用自然界发生的闪电作为信号源，完成电离层高度的探测；

(2)在监测区域内，可以利用历史数据进行多点的高度反演，而不需要对设备进行二次安装或者变更观测地点。

(3)快速观测，可以根据观测数据实时生成电离层高度信息。

附图说明

图1是VLF/LF闪电探测网络的结构示意图。

图2是本公开实施例电离层高度的反演方法流程图。

图3是负地闪的首次回击波形图。

图4是一次NPE事件和负地闪事件的波形图，(a)为NPE的波形图，(b)为负地闪的波形图。

图5是反演电离层高度的几何关系图。

具体实施方式

本公开提供了一种电离层高度的反演方法，利用固定安装在地面的VLF/LF闪电探测网络，以及所探测、识别、定位到的闪电资料，实现了白天电离层D层及夜间电离层E层高度的反演。

所述的电离层高度，考虑到观测闪电数量较多，分布广，可以对观测区域上方的电离层高度多点取样，可实现观测区域内电离层D层水平方向上高度变化的观测。

下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。

本公开实施例的电离层高度的反演方法，是利用如图1所示的VLF/LF闪电探测网络来执行。本实施例中所采用的VLF/LF闪电探测网络为江淮天电阵列。江淮天电阵列在网络拓扑结构上包括：多个观测子站和中心站。

观测子站独立获取闪电放电事件的原始VLF/LF波形并存档，同时生成各次放电事件的到达时间、峰值电流等参数，实时发送到中心站。中心站负责调度各观测子站实时发送的闪电放电事件特征，并经由到达时间差算法对放电事件实时定位，并面向授权用户发布实时定位资料。同时中心站定期对各观测子站的原始波形资料存档，提供原始波形时候查询需求。

观测子站的磁场与电场天线安装在建筑楼顶或者野外空旷场地，天线顶部安装有一路垂直电场、两路水平正交磁场信号及GPS授时模块，可以实现同步连续输出单观测子站的电场、磁场及时间信息。当磁场与电场天线采集到信号时，该信号与GPS时间共同通过屏蔽电缆传送到安装在观测子站室内的工控机内。工控机内安装有高速数据采集卡、GPS授时卡及信号采集显示软件，其中采集卡的采样频率为5MHz。当观测子站触发后，采集程序将与GPS时间进行匹配，并实时向中心站上传。各观测子站所采集的闪电信号数据格式为(Z，E，T，L，N)，其中Z为站点名称，E为所采集VLF/LF信号强弱，T为系统所对应的GPS时间，L为站点经度，N为站点纬度。例如数据串(HF2037140806012738.8619433.6300011118.25)为合肥站14年8月6日12时7分在合肥站所采集到的一次闪电辐射的数据，辐射相对强度为2037，合肥站经纬度为(E118.25,N33.63)。

观测子站包括：天线和接收装置，接收装置包括处理器。观测子站用于独立获取并存储各次闪电放电事件的原始VLF/LF波形(以下简称闪电波形)，同时生成闪电放电事件的到达时间和参数，将上述闪电波形、到达时间和参数作为闪电放电事件的特征参数实时发送给中心站。上述闪电放电事件的参数包括峰值电流等。

中心站用于调度各观测子站，实时接收各观测子站发送的闪电放电事件的特征参数，利用到达时间差方法实时解算出闪电源的位置，判断闪电的类型，基于闪电源的位置和闪电类型反演出电离层高度。

本实施例的电离层高度的反演方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤S1：观测子站获取闪电放电事件的特征参数并将特征参数实时发送给中心站。

该步骤具体包括：

各观测子站独立获取并存储各次闪电放电事件的闪电波形，生成闪电放电事件的到达时间和参数；观测子站将上述闪电波形、到达时间和参数作为闪电放电事件的特征参数实时发送给中心站。

到达时间包括：第一到达时间、第二到达时间和第三到达时间。第一到达时间对应闪电源与观测子站之间的直线路径长度；第二到达时间对应闪电源经电离层反射至观测子站的路径长度；第三到达时间对应闪电源向下经地面反射、再经电离层反射至观测子站的路径长度。

步骤S2：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数解算出闪电源的位置。

该步骤具体包括：

子步骤S2a：中心站接收特征参数，滤波器对特征参数滤波，触发时间同步模块对闪电波形与触发时间进行同步，存储器存储滤波及同步后的特征参数。之后由广域闪电识别与定位模块执行下面的各个处理步骤。

子步骤S2b：中心站利用到达时间差方法对第一到达时间进行处理，解算出闪电源的位置。

具体来说，闪电放电事件的第一到达时间为：

其中，(x，y)为闪电源的位置；(x_si，y_si)为第i个观测子站的坐标，(x_sj，y_sj)为第j个闪电观测站的坐标；c为光速，Dis((x，y)，(x_si，y_sj))为闪电源(x，y)与第i个观测子站的距离，D_is((x，y)，(x_sj，y_sj))为闪电源(x，y)与第j个观测子站的距离。

中心站首先利用至少四个观测子站发送的第一到达时间，由得到闪电源到该至少四个观测子站之间的距离，然后根据几何原理建立方程组并求解，从而求得闪电源的位置。

步骤S3：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数判断出闪电的类型。

该步骤具体包括：

中心站根据特征参数中的闪电波形和参数，分析闪电波形的时域特征参数，闪电波形中包含了闪电源所发出的脉冲的上升/下降时间、峰值等时域特征参数，通过获取脉冲的上升时间、初始峰宽度、初始峰半宽、下降时间、拐点和持续时间等多个时域特征参数值，分别对不同的时域特征参数值取不同的权重，可以确认闪电的类型，闪电类型例如是：正地闪、负地闪、云闪，双极性窄脉冲事件(NBE)等。如图3所示，其显示了负地闪的首次回击波形。Tr表示上升时间，是脉冲上升沿10％幅度位置到峰值点的时间差；Tf表示下降时间，是脉冲峰值点到下降沿10％幅度位置的时间差；Tw表示初始峰宽度；Td表示持续时间。

例如，当时域特征参数值及其对应的权重为：

初始峰宽度10.0μs-50.0μs、权重值为1，上升时间≤8.0μs、权重值为1，初始峰半宽≥4.0μs、权重值为1，波形持续时间≥20.0μs、权重值为1，峰值频率≤10.0kHz、权重值为1，前向信噪比≥18.0、权重值为2，以及后向信噪比≤21.0、权重值为2时，判断该闪电为正地闪或负地闪。

当时域特征参数值及其对应的权重为：

初始峰宽度3.0μs-10.0μs、权重值为1，上升时间≤4.0μs、权重值为1，初始峰半宽≤5.0μs、权重值为1，波形持续时间≤40.0μs、权重值为1，峰值频率≥17.0kHz、权重值为1，前向信噪比≥23.0、权重值为2，以及后向信噪比≥18.0、权重值为2时，判断该闪电为NPE。

如图4所示，(a)为NBE的波形图，(b)为负地闪的波形图，均为150km左右的电场波形图。由此可以看出其宏观特征，负地闪波形的上升阶段连贯并斜率趋于无穷大，回击之后电磁场变化还存在一个肩状变化A和几个次峰值等。

步骤S2和步骤S3为互不依赖的两个步骤，对其执行先后顺序并无限制。

步骤S4：中心站根据闪电源的位置和和闪电的类型，反演出所述闪电源对应的电离层高度。

该步骤具体包括：联立下述方程组，计算出该闪电源对应的电离层高度H：

其中，t_a为S1与S2路径的时间差，即第一到达时间与第二到达时间的时间差；t_b为S1与S3路径的时间差，即第一到达时间与第三到达时间的时间差；h为闪电源高度，根据闪电类型确定。r表示该闪电源与另一个闪电源的距离。

如图5所示，S1为闪电源与观测子站之间的直线路径长度，S2为闪电源经电离层反射至观测子站的路径长度，S3为闪电源向下经地面反射、再经电离层反射至观测子站的路径长度，r为闪电源1与闪电源2的距离。

闪电源高度h的确定方法如下：

对于地闪，其闪电源高度h取1km。

对于云闪，其闪电源高度h取6km。

对于正极性NPE，部分特殊正极性NBE事件平均发生高度为9.9km，其闪电源高度h取9.9km。

对于负极性NPE，负极性NBE事件(179例)平均发生高度为16.0km，其闪电源高度h取16km。

因此在采用本方法进行电离层高度反演时，应进行闪电类型的判定后进行。

电离层D层主要由太阳的电子风暴形成，因此在夜间消失。本系统白天运行得到的电离层高度H作为电离层D层的高度，夜间电离层D层消失，本系统白天运行得到的电离层高度H作为电离层E层的高度。

由此可见，本公开可以测得不同闪电源对应的电离层高度，即根据闪电源位置的不同，可以测得观测区域内不同位置的电离层高度。如对于图5中的闪电源1，结合其距地面高度h1，可测定出闪电源1对应位置的电离层高度H1；对于闪电源2，结合其距地面高度h2，可测定闪电源2对应位置的电离层高度H2。一次雷暴过程将产生上万例闪电，这些闪电可反演出探测区域内多个电离层高度，反应出电离层在水平方向上的起伏。

至此，已经结合附图对本公开进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围；

(2)上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种电离层高度的反演方法，包括以下步骤：

步骤S1：观测子站获取闪电放电事件的特征参数并将特征参数实时发送给中心站；

步骤S2：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数解算出闪电源的位置；

步骤S3：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数判断出闪电的类型；

步骤S4：中心站根据闪电源的位置和和闪电的类型，反演出所述闪电源对应的电离层高度。

2.如权利要求1所述的反演方法，在步骤S3中，中心站分析闪电波形的时域特征参数，分别对不同的时域特征参数值取不同的权重，确认闪电的类型。

3.如权利要求2所述的反演方法，时域特征参数包括部分或全部以下参数：脉冲的上升时间、初始峰宽度、初始峰半宽、脉冲的下降时间、拐点、波形持续时间、峰值频率、前向信噪比、后向信噪比。

4.如权利要求1所述的反演方法，在步骤S4中，联立下述方程组，计算出所述闪电源对应的电离层高度H：

其中，t_a为S1与S2路径的时间差，t_b为S1与S3路径的时间差，S1为所述闪电源与观测子站之间的直线路径长度，S2为所述闪电源经电离层反射至观测子站的路径长度，S3为所述闪电源向下经地面反射、再经电离层反射至观测子站的路径长度，h为所述闪电源的高度，根据闪电类型确定；r为所述闪电源与另一闪电源的距离。

5.如权利要求4所述的反演方法，

对于地闪，所述闪电源的高度h取1km；

对于云闪，所述闪电源的高度h取6km；

对于正极性NPE，所述闪电源的高度h取9.9km；

对于负极性NPE，所述闪电源的高度h取16km。

6.如权利要求1所述的反演方法，步骤S1具体包括：

各观测子站独立获取并存储各次闪电放电事件的闪电波形，生成闪电放电事件的到达时间和参数；观测子站将所述闪电波形、到达时间和参数作为闪电放电事件的特征参数实时发送给中心站。

7.如权利要求6所述的反演方法，步骤S2具体包括：

子步骤S2a：中心站接收特征参数；

子步骤S2b：中心站利用到达时间差方法对到达时间进行处理，解算出闪电源的位置。

8.如权利要求7所述的反演方法，子步骤S2b具体包括：

中心站利用至少四个观测子站发送的第一到达时间，得到闪电源到至少四个观测子站之间的距离，根据几何原理建立方程组并求解，从而求得闪电源的位置。

9.如权利要求8所述的反演方法，闪电放电事件的第一到达时间为：

其中，(x，y)为闪电源的位置；(x_si，y_si)为第i个观测子站的坐标，(x_sj，y_sj)为第j个闪电观测站的坐标；c为光速，Dis((x，y)，(x_si，y_si))为闪电源(x，y)与第i个观测子站的距离，Dis((x，y)，(x_sj，y_sj))为闪电源(x，y)与第j个观测子站的距离。