CN109061317B - 融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法及系统，该系统包括：一个数据处理中心站、至少五个甚高频探测站和至少一个雷声探测站；所述甚高频探测站用于雷电甚高频信号的探测、采集以及处理；所述雷声探测站用于采集声音信号；所述甚高频探测站和雷声探测站通过网络将数据发送至数据处理中心站；所述数据处理中心站在接收到各个探测站的探测数据后通过甚高频以及雷声三维定位算法和数据聚类融合处理方法，得出闪电发生发展以及击穿全过程通道的三维监测结果。本发明融合了甚高频和雷声探测及定位方法，能够提供雷电初始击穿、梯级先导以及回击等全过程的雷电通道高精度反演通道，便于综合多角度的理解闪电的放电机制。
Description
技术领域
本发明涉及雷电监测技术，尤其涉及一种融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法及系统。
背景技术
众所周知，雷电发生时会产生强烈的声、光、电、磁信号，通过对这些物理信号进行探测并施加特定定位算法可以监测雷电放电过程发生位置和发生时间。当然，根据不同物理信号的特点，相应探测装置和定位算法的复杂性不同，其定位结果的性能指标和适用范围也不同。
利用雷电产生的甚低频/低频电磁波探测雷电，适用于大范围广域(数百km)的闪电监测。《高电压技术》2008年第3期发表的文章《中国电网雷电定位系统与雷电监测网》和中国专利文献《数字式雷电探测方法及其装置》(专利号：ZL200910061599.9)公布了基于低频雷电信号的数字式探测及定位分析方法，建立了一套全自动、大面积、高精度、实时雷电监测系统，但是，该系统只适合探测到地闪回击接地点的二维位置，无法实现闪电发生高度以及闪电通道的发生发展过程的高精度监测。通过接收雷电产生的甚高频电磁波来定位雷电电磁辐射源可以反演雷电发展通道三维结构，由于甚高频电磁波是呈视距传播的空间波，此类甚高频系统适用于中等范围(<50km)的闪电监测。文献《Broadbandinterferometer observations of a triggered lightning》中利用两个天线构成宽带干涉仪来对闪电进行观测，实现了雷电电磁辐射源仰角和方位角的高精度监测。中国专利文献《一种VHF频段云闪雷电探测定位系统》(专利号：ZL201110204820.9)和《宽带干涉仪三维闪电辐射源定位系统》(专利号：ZL200920172913.6)分别利用到达时差法和干涉法实现了基于甚高频电磁信号的雷电三维定位。
雷声是由于雷电放电通道中流过大电流后，导致通道周围空气急剧受热膨胀形成冲击波，冲击波在传播过程中衰减退化而形成的。雷声定位系统是基于单站探测到的雷电声音信号实现闪电三维通道的重建，其系统结构简单，能够仅通过单站实现闪电通道的三维定位，特别适用于小范围(<15km)的闪电监测。中国专利文献《一种雷声定位系统及方法》(ZL201310708104.3)搭建了一套基于十九元十字阵传感器阵列的雷声定位系统，通过单个探测装置实现了雷电发生位置和通道三维定位结果的定位。该方法存在主要问题是雷声信号是由闪电击穿后通道受热迅速膨胀产生的，其反演的通道是有雷电流经过的击穿通道，而不能反映闪电初始的发生发展过程。且目前雷声定位方法普遍存在雷声信号与电磁信号到达时间的匹配错误而引入定位距离的误差，亟需寻找一种将雷声信号与电磁信号合理匹配的方法。
研究表明，雷电甚高频信号是由先导在发展传输过程中，伴随着对未电离空气的击穿而辐射出来的，能够很细致地刻画出闪电发生先导发展的通道结构，但地闪末跃阶段通常辐射的甚高频电磁波很少，利用甚高频定位系统从技术上无法捕捉地闪回击的近地段的通道位置及结构。而雷声定位系统恰好可以对雷电流经过的地闪回击通道进行三维重构。同时，由于定位后的雷电甚高频信号辐射源具有方向性，可以和雷声定位方法中的方向射线做匹配，使得雷声信号能够精确地找出其对应的电磁信号真实发生时间。因此，通过两种探测技术的结合，既可以提升雷声定位方法的定位精度，又可以监测云闪和地闪的雷电先导过程、回击、k过程等电荷转移过程，因而可形成一种高精度的雷电全过程监测系统。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法及系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测系统，由数据处理中心站、甚高频探测站及雷声探测站组成，其特征在于，包括：
一个数据处理中心站、至少五个安装在不同位置的甚高频探测站和至少一个雷声探测站，任意两个相邻的甚高频探测站的距离范围是30至50公里，一个雷声探测站和距其最近的一个甚高频探测站的距离不大于5公里；甚高频探测站和雷声探测站通过网络将数据发送至数据处理中心站。
按上述方案，所述甚高频探测站包括甚高频信号接收天线、甚高频信号调理装置和信号采集处理装置，甚高频信号接收天线的输出端连接甚高频信号调理装置的输入端，甚高频信号调理装置的输出端连接甚高频信号采集处理装置的输入端，甚高频信号采集处理装置的输出端通过网络方式与数据处理中心站相连接。
按上述方案，所述甚高频信号接收天线探测频段为0.5MHz-200MHz。
按上述方案，所述雷声探测站包括雷声信号接收天线和信号采集处理装置，所述雷声信号接收天线采用十字型传声器阵列，传感器阵列包含至少五个传声器，雷声信号接收天线的输出端连接雷声信号采集处理装置的输入端，雷声采集处理装置的输出端通过网络方式与数据处理中心站相连接。
按上述方案，所述数据处理中心站包括前置机、数据存储中心、分析机和显示装置，所述数据处理中心站用于分析、存储、展示雷电有效数据和定位结果；
所述前置机用于信号采集和前处理，采集甚高频信号并进行前处理得到雷电甚高频信号峰值时间戳信息，采集声音信号并进行前处理得到有效雷声信号；
所述分析机用于信号定位分析、定位结果聚类和定位结果融合，
所述信号定位分析步骤为：首先，基于雷电甚高频信号峰值时间戳信息采用甚高频信号三维定位方法获得甚高频信号点源的发生时间信息及三维坐标信息，其次，基于有效雷声信号采用波束形成方法获得雷声信号点源的到达时间信息及二维方向信息；最后，对甚高频信号点源信息和雷声信号点源信息进行方向匹配分析获得雷声信号点源的真实发生时间，计算出雷声信号点源的三维坐标信息；
所述定位结果聚类为根据预设的信号点源高度阈值和雷声信号点源的三维坐标信息将甚高频和雷声定位结果分类为云闪事件和地闪事件，针对两种类型的闪电事件分别采用不同空间范围划分的闪电聚类方法得出闪电集合；
所述定位结果融合为采用欧氏距离最小的方法将甚高频闪电集合和雷声闪电集合进行定位结果融合，最终获得雷电通道全过程监测结果；
所述数据存储中心用于存储雷电通道全过程监测结果；
所述显示装置用于根据雷电通道全过程监测结果展示雷电有效数据和定位结果。
本发明还提供一种融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法，该方法对雷电甚高频信号和雷声信号两种闪电特征量进行同步探测分析，实现雷电甚高频信号和雷声信号的三维坐标定位，针对高频和雷声点源的三维坐标信息分别进行数据聚类分析和数据融合处理，获得雷电发生发展通道三维全过程，包括以下步骤：
1)首先进行信号探测，采用甚高频探测站探测至少五路甚高频信号，采用雷声探测站探测至少四路声音信号；
2)其次进行信号前处理，对采集到的甚高频信号进行前处理得到雷电甚高频信号峰值时间戳信息，对采集到的声音信号进行前处理得到有效雷声信号；
3)再进行信号定位分析，首先，基于雷电甚高频信号峰值时间戳信息采用甚高频信号三维定位方法获得甚高频信号点源的发生时间信息及三维坐标信息，其次，基于有效雷声信号采用波束形成方法获得雷声信号点源的到达时间信息及二维方向信息；最后，融合甚高频信号点源信息和雷声信号点源信息，进行方向匹配分析，获得雷声信号点源的真实发生时间并计算出其三维坐标信息；
4)再进行定位结果聚类，根据预设的信号点源高度阈值将甚高频和雷声定位结果分类为云闪事件和地闪事件，针对两种类型的闪电事件分别采用不同空间范围划分的闪电聚类方法得出甚高频云闪集合和雷声云闪集合、甚高频地闪集合和雷声地闪集合；
5)最后进行定位结果融合，将甚高频云闪集合和雷声云闪集合、甚高频地闪集合和雷声地闪集合分别组成云闪集合和地闪集合,采用欧氏距离最小方法将云闪集合和地闪集合进行定位结果融合，最终输出雷电通道全过程监测结果。
按上述方案，所述步骤2)中甚高频信号前处理包括对甚高频信号进行限幅、带通滤波、放大、再滤波、对数变换以及AD采集得到处理后的甚高频信号，然后采用一种基于一阶导数的高频雷电信号快速自适应寻峰方法对甚高频信号峰值加时间戳获得雷电甚高频信号峰值时间戳信息。
按上述方案，所述步骤2)中声音信号前处理包括对采集的声音信号进行滤波、放大以及AD采集得到处理后的声音信号，缓存其中一路声音信号采用一种雷声识别方法进行雷声信号识别，如果识别出有雷声信号，则判定声音信号为有效雷声信号，输出所有采集的有效雷声信号。
按上述方案，所述步骤3)中的方向匹配分析为，将每一个雷声信号点源的到达时间信息和方向信息与转换到相同坐标系下的甚高频信号点源进行方向匹配，具体如下：
第一步，将甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下；
第二步，若雷声信号点源的到达时间为toa1，在toa1-30s至toa1时间范围内，寻找甚高频闪电信号点源；
第三步，将雷声信号点源的方向信息方位角和仰角(θ,φ)与第二步中寻找到的甚高频闪电信号点源做空间方向匹配，如果匹配成功，则雷声信号点源的真实发生时间即为与之匹配的甚高频信号点源的发生时间。
按上述方案，所述步骤3)第一步中的甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下，首先，将甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下，计算公式如下：
其中，(Xe,Ye,Ze)为甚高频信号点源坐标，为甚高频坐标系中位置；(x′0,y′0,z′0)为雷声坐标系原点相对甚高频坐标系原点的位移；(Xe′,Ye′,Ze′)为转换后的甚高频信号点源坐标；其次，将转换后的甚高频信号点源三维坐标信息转换为二维方向信息，计算公式如下：
其中，θ′e为甚高频信号点源二维方向信息中的方位角，
为甚高频信号点源二维方向信息中的俯仰角。
按上述方案，所述步骤4)中的闪电聚类方法是以步骤3)中定位分析一次处理的资料条数为单位，对每一批次处理出来的结果进行聚类，聚类按照定位结果的时间先后顺序进行；设定位分析处理的资料按照时间先后顺序是：s1,s2,s3,s4…sn，
第一步，以s1为参考，将s1投影到地面，设s1的定位结果是时间、经度、纬度、高度(t1,lat1,lon1,alt1)，则s1’位置为经度、纬度(lat1,lon1)；
第二步，划分空间范围，以s1’为圆心，r为半径画圆，以h为竖直高度，组成一个圆柱体，对于云闪和地闪事件，则需选取不同的r和h以区分；
第三步，在t1至t1+1s时间范围内，在第二步空间范围内的所有定位结果，即聚类成一次闪电；
第四步，对于以s1为参考聚类后的剩余结果，搜索发生时间最早的定位结果sk，然后以sk为参考，重复上述步骤，直到本批次定位结果处理完毕，最终形成甚高频云闪集合、甚高频地闪集合、雷声云闪集合和雷声地闪集合。
按上述方案，所述步骤5)中欧氏距离最小方法是，在匹配闪电集合内的闪电事件时间后，计算雷声闪电事件通道点源和与之匹配的甚高频闪电事件点源的距离和时间间距系数，取间距系数最小的甚高频闪电事件点源为有雷电流通过的闪电通道。
按上述方案，所述空间方向匹配是，计算出雷声信号点源(θk,φk)与寻找到的甚高频闪电信号点源(θek,φek)的方位差(σ1,σ1,…,σk)，方位差的计算方法是
取方位差最小值组合为成功匹配点源，则雷声信号点源的真实发生时间即为与之匹配的甚高频信号点源的发生时间。
本发明产生的有益效果是：
1、本发明融合了甚高频和雷声探测及定位方法，实现了甚高频和雷声定位结果的数据融合和互为补充，能够提供雷电初始击穿、梯级先导以及回击等全过程的雷电通道高精度反演通道，从而能更直观地展示闪电的放电过程，便于综合多角度的理解闪电的放电机制。
2、本发明明确获取了有雷电流的闪电通道接地过程和位置，对雷电故障查询和雷电风险评估具有更有价值的指导作用。
3、本发明通过利用两种闪电特征量同步定位，可以相互对比印证，减小了仅仅通过单一信号特征量定位的误定位概率，同时，可以基于本发明的定位结果评估现行地闪雷电定位系统的有效性和准确度。
4、由于闪电甚高频信号可用于云内初始放电过程的探测，而雷声定位系统又可以对闪电发生距离进行定位，因而本发明可用于闪电的预警。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例雷电全过程监测系统结构示意图；
图2是本发明实施例探测站网基本单元布置原理图；
图3是本发明实施例探测站网扩展布置原理图；
图4是本发明实施例雷电全过程监测系统数据流程图；
图5是本发明实施例甚高频信号前处理流程图；
图6是本发明实施例声音信号前处理流程图；
图7是本发明实施例雷电全过程通道三维定位结果图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明基于融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测系统，包含至少五个安装在不同位置的甚高频探测站11，…，1N，N≥5、至少一个雷声探测站21，…，2N，N≥1和一个数据处理中心站31，不同的探测子站通过接入广域网或局域网，将数据发送至中心站31，中心站31在接收到甚高频探测站11，…，1N和雷声探测站的探测数据后通过甚高频以及雷声三维定位算法，得出闪电发生发展以及击穿的三维位置。如上所述的甚高频探测站11，…，1N由甚高频信号接收天线101、甚高频信号调理装置102和甚高频信号采集处理装置103组成，用来实现雷电甚高频信号的探测、采集以及处理，甚高频信号接收天线101的输出端连接甚高频信号调理装置102的输入端，甚高频信号调理装置102的输出端连接甚高频信号采集处理装置103的输入端，甚高频信号采集处理装置103的输出端通过TCP/IP、ADSL、3G/4G多种方式与中心站31相连接。如上所述的甚高频信号接收天线101采用一种全向接收天线，主要由四个均匀分布的阵子、支撑杆和外壳罩组成，其中天线探测频段为0.5MHz-200MHz。如上所述的甚高频信号调理装置102，其特征在于：所述甚高频信号调理装置是一种集限幅、滤波、放大和对数变换功能于一体的雷电信号专用调理器件，其中滤波器的3dB频段为55MHz-75MHz。所述的雷声探测站21，…，2N由雷声信号接收天线201和雷声信号采集处理装置202组成，用来实现雷声信号的探测、采集以及处理，雷声信号接收天线201的输出端连接雷声信号采集处理装置202的输入端，雷声采集处理装置202的输出端通过TCP/IP、ADSL、3G/4G多种方式与中心站31相连接。如上所述的雷声信号接收天线201采用传声器阵列，传感器阵列至少包含四个传声器，传声器采用电容式麦克风且其响应频率为15Hz-20KHz。如上所述的中心站31由前置机301、数据存储中心302、分析机303和应用系统304组成，主要用于分析、存储、展示雷电有效数据和定位结果，前置机301的输出端连接数据存储中心302的输入端，数据存储中心302的输出端连接分析机303的输入端，分析机303的输出端连接数据存储中心302的输入端，数据存储中心302的输出端连接应用系统304的输入端。
如图2所示，图2是实施例探测站网基本单元布置原理图，至少五个甚高频探测站和至少一个雷声探测站的部署方式为，任意两个相邻的甚高频探测站的距离范围是30至50公里，一个雷声探测站和其中一个甚高频探测站的距离不大于5公里，本实施例采用五个甚高频探测站和一个雷声探测站布置形成一套雷电全过程监测系统，其中一个雷声探测站和与之最近的甚高频探测站的距离为2公里。在实际应用过程中，根据探测区域地形和重点关注对象的情况，可以适当增加甚高频探测站和雷声探测站数量，形成探测范围更广的监测系统，如图3所示。
如图4所示，其所描绘的是本发明方法所需要实现的功能框图，主要包括五个步骤：1为信号探测：系统利用至少五个甚高频探测站实现甚高频信号探测11，输出甚高频信号接收天线101探测到的原始甚高频信号；利用至少一个雷声探测站实现声音信号探测12，每个雷声探测站至少探测四路声音信号，输出雷声信号接收天线201探测到的原始声音信号；2为信号前处理：输入的原始甚高频信号前处理21包括甚高频信号的调理以及寻峰处理，输出处理得到的雷电甚高频信号峰值时间戳信息传输至中心站31；输入的原始声音信号前处理22包括对声音信号的滤波以及识别，输出处理得到的有效雷声信号；3为信号定位分析：首先，基于输入的雷电甚高频信号峰值时间戳信息采用甚高频信号三维定位方法31获得并输出了甚高频信号点源的发生时间信息及三维坐标信息(Te,Xe,Ye,Ze)即{(12:56:34.165,265.22,-1787.93,145.87),(12:56:34.165,132.85,-1794.34,159.12),…,(12:56:34.29,1958.45,173.97,2696.31)}，其中，Te代表甚高频信号的发生时间信息；Xe、Ye和Ze分别代表甚高频信号点源的三维坐标信息；其次，基于输入的有效雷声信号采用雷声信号方向定位方法33获得并输出雷声信号点源的到达时间信息及二维方向信息(toa,φ,θ)即
{(12:56:45.341,176,2.2),(12:56:45.349,177,2.2),…,(12:56:47.841,118,34.8)}，其中，toa代表雷声信号的到达时间信息，φ和θ分别代表雷声信号点源俯仰角和方位角；最后，对甚高频和雷声信号点源进行方向匹配34分析获得雷声信号点源的真实发生时间，对雷声信号进行三维定位分析35，算出雷声信号点源的三维坐标信息(toa,x,y,z)即
{(12:56:45.341,265.21,-3787.77,145.86),(12:56:45.349,199.21,-3794.53,145.97),…,(12:56:47.841,3371.43,-1792.36,2653.66)}；4为定位结果聚类：设定信号点源高度阈值H，根据输出的雷电甚高频和雷声信号点源的三维坐标信息，将点源分类为云闪事件和地闪事件，其中，本实施案例中H设定为5km。由于本次过程计算得出的甚高频点源和雷声点源高度信息均小于5km，我们将该次闪电过程定义为地闪事件；5为定位结果融合：采用欧氏距离最小的方法将甚高频闪电集合和雷声闪电集合进行定位结果融合51，最终输出雷电通道全过程监测结果。
如图5所示，是本发明实施例甚高频信号前处理流程图，对甚高频信号进行幅值阈值为5V的限幅、55-75MHz的带通滤波、10-20倍放大、55-75MHz的再次滤波、对数变换以及采样率为250MS/s的AD采集得到预处理后的甚高频信号，采用一种基于一阶导数的高频雷电信号快速自适应寻峰方法对甚高频信号峰值加时间戳获得雷电甚高频信号峰值时间戳信息。
如图6所示，是本发明实施例声音信号前处理流程图，对至少四路声音信号进行15Hz-10KHz的带通滤波、10-20倍放大以及采样率为20KS/s的AD采集得到预处理后的声音信号，缓存其中一路声音信号采用一种雷声识别方法进行雷声信号识别，如果识别出有雷声信号，则输出至少四路的有效雷声信号。
如上所述的信号三维定位分析，针对高频信号的三维定位分析采用到达时间差法，即中心站接收到至少五个甚高频探测站同步探测并处理后的甚高频信号峰值时间戳信息，通过其中一组峰值时间差即可确定一个点源双曲面，理论上三组不平行的基线确定的三个双曲面将交汇于一点，即辐射源发生的位置，该分析方法分为两个步骤，首先计算定位初值，得到近似解，然后通过最小二乘算法对初值进行优化，逐步逼近得到最优解；
如上所述的方向匹配分析，以甚高频地闪事件{(12:56:34.165,265.22,-1787.93,145.87),(12:56:34.165,132.85,-1794.34,159.12),…,(12:56:34.29,1958.45,173.97,2696.31)}和雷声地闪事件{(12:56:45.341,176,2.2),(12:56:45.349,177,2.2),…,(12:56:47.841,118,34.8)}为例：
第一步，将甚高频信号点源三维坐标信息{(12:56:34.165,265.22,-1787.93,145.87),(12:56:34.165,132.85,-1794.34,159.12),…,(12:56:34.29,1958.45,173.97,2696.31)}进行坐标转换32，转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下的二维方向信息{(12:56:45.341,176,2.2),(12:56:45.349,177,2.2),…,(12:56:47.841,133,45.2)}；
第二步，对于雷声地闪点源(12:56:45.341,176,2.2)，在12:56:15.341～12:56:45.341的时间范围内，寻找甚高频地闪事件中在该时间范围内的点源，寻找到11个甚高频点源符合要求；
第三步，将雷声信号点源的方向信息(176,2.2)与寻找到的11个甚高频闪电点源做空间方向匹配，分别计算出雷声信号点源方位差取方位差最小值组合为成功匹配点源，则雷声信号点源的真实发生时间即为与之匹配的甚高频信号点源的发生时间。
针对雷声信号的三维定位分析采用一种雷声定位系统及方法中所述的方法。
如上所述的闪电聚类方法，以本次实施案例的甚高频地闪事件{(12:56:34.165,265.22,-1787.93,145.87),(12:56:34.165,132.85,-1794.34,159.12),…,(12:56:34.29,1958.45,173.97,2696.31)}为例，聚类按照定位结果的时间先后顺序进行：
第一步：以12:56:34.165为参考，将12:56:34.165对应的点源投影到地面，12:56:34.165的定位结果投影位置为(165,265.22,-1787.93)；
第二步：划分空间范围。以(165,265.22,-1787.93)为圆心，2.5km为半径画圆，以5km为竖直高度，组成一个圆柱体。
第三步：在12:56:34.165～12:56:35.165的时间范围内，在第二步空间范围内的所有定位结果，即聚类成一次闪电；
第四步：对于以12:56:34.165为参考聚类后的结果，重复上述步骤，直到本批次定位结果处理完毕，最终形成甚高频闪电集合。
如上所述的定位结果融合，首先，将两个集合里单个地闪事件中首个点源的时间做匹配，得到的地闪事件分别为{(12:56:45.341,265.21,-3787.77,145.86),(12:56:45.349,199.21,-3794.53,145.97),…,(12:56:47.841,3371.43,-1792.36,2653.66)}和
{(12:56:34.165,265.22,-1787.93,145.87),(12:56:34.165,132.85,-1794.34,159.12),…,(12:56:34.29,1958.45,173.97,2696.31)}；其次，针对匹配好的甚高频地闪事件和雷声地闪事件，针对每个雷声地闪事件的雷声点源，计算其与甚高频地闪事件点源的距离时间相关系数即：
对应的，一种融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法，该方法对雷电甚高频信号和雷声信号两种闪电特征量进行同步探测分析，实现雷电甚高频信号和雷声信号的三维坐标定位，针对高频和雷声点源的三维坐标信息分别进行数据聚类分析和数据融合处理，获得雷电发生发展通道三维全过程，包括以下步骤：
1)首先进行信号探测，采用甚高频探测站探测至少五路甚高频信号，采用雷声探测站探测至少四路声音信号；
2)其次进行信号前处理，对采集到的甚高频信号进行前处理得到雷电甚高频信号峰值时间戳信息，对采集到的声音信号进行前处理得到有效雷声信号；
步骤2)中甚高频信号前处理包括对甚高频信号进行限幅、带通滤波、放大、再滤波、对数变换以及AD采集得到处理后的甚高频信号，然后采用一种基于一阶导数的高频雷电信号快速自适应寻峰方法对甚高频信号峰值加时间戳获得雷电甚高频信号峰值时间戳信息；
步骤2)中声音信号前处理包括对采集的声音信号进行滤波、放大以及AD采集得到处理后的声音信号，缓存其中一路声音信号采用一种雷声识别方法进行雷声信号识别，如果识别出有雷声信号，则判定声音信号为有效雷声信号，输出所有采集的有效雷声信号；
3)再进行信号定位分析，首先，基于雷电甚高频信号峰值时间戳信息采用甚高频信号三维定位方法获得甚高频信号点源的发生时间信息及三维坐标信息，其次，基于有效雷声信号采用波束形成方法获得雷声信号点源的到达时间信息及二维方向信息；最后，融合甚高频信号点源信息和雷声信号点源信息，进行方向匹配分析，获得雷声信号点源的真实发生时间并计算出其三维坐标信息；
步骤3)中的方向匹配分析为，将每一个雷声信号点源的到达时间信息和方向信息与转换到相同坐标系下的甚高频信号点源进行方向匹配，具体如下：
第一步，将甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下；
第二步，若雷声信号点源的到达时间为toa1，在toa1-30s至toa1时间范围内，寻找甚高频闪电信号点源；
第三步，将雷声信号点源的方向信息方位角和仰角(θ,φ)与第二步中寻找到的甚高频闪电信号点源做空间方向匹配，如果匹配成功，则雷声信号点源的真实发生时间即为与之匹配的甚高频信号点源的发生时间。
其中，步骤3)第一步中的甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下，首先，将甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下，计算公式如下：
其中，(Xe,Ye,Ze)为甚高频信号点源坐标，为甚高频坐标系中位置；(x′0,y′0,z′0)为雷声坐标系原点相对甚高频坐标系原点的位移；(Xe′,Ye′,Ze′)为转换后的甚高频信号点源坐标；其次，将转换后的甚高频信号点源三维坐标信息转换为二维方向信息，计算公式如下：
其中，θ′e为甚高频信号点源二维方向信息中的方位角，
为甚高频信号点源二维方向信息中的俯仰角。
第三步中，空间方向匹配是，计算出雷声信号点源(θk,φk)与寻找到的甚高频闪电信号点源(θek,φek)的方位差(σ1,σ1,…,σk)，方位差的计算方法是
取方位差最小值组合为成功匹配点源，则雷声信号点源的真实发生时间即为与之匹配的甚高频信号点源的发生时间。
4)再进行定位结果聚类，根据预设的信号点源高度阈值将甚高频和雷声定位结果分类为云闪事件和地闪事件，针对两种类型的闪电事件分别采用不同空间范围划分的闪电聚类方法得出甚高频云闪集合和雷声云闪集合、甚高频地闪集合和雷声地闪集合；
步骤4)中的闪电聚类方法是以步骤3)中定位分析一次处理的资料条数为单位，对每一批次处理出来的结果进行聚类，聚类按照定位结果的时间先后顺序进行；设定位分析处理的资料按照时间先后顺序是：s1,s2,s3,s4…sn，
第一步，以s1为参考，将s1投影到地面得到s1’，设s1的定位结果是时间、经度、纬度、高度(t1,lat1,lon1,alt1)，则s1’位置为经度、纬度(lat1,lon1)；
第二步，划分空间范围，以s1’为圆心，r为半径画圆，以h为竖直高度，组成一个圆柱体，对于云闪和地闪事件，则需选取不同的r和h以区分；
第三步，在t1至t1+1s时间范围内，在第二步空间范围内的所有定位结果，即聚类成一次闪电；
第四步，对于以s1为参考聚类后的剩余结果，搜索发生时间最早的定位结果sk，然后以sk为参考，重复上述步骤，直到本批次定位结果处理完毕，最终形成甚高频云闪集合、甚高频地闪集合、雷声云闪集合和雷声地闪集合。
5)最后进行定位结果融合，将甚高频云闪集合和雷声云闪集合、甚高频地闪集合和雷声地闪集合分别组成云闪集合和地闪集合,采用欧氏距离最小方法将云闪集合和地闪集合进行定位结果融合，最终输出雷电通道全过程监测结果。
步骤5)中欧氏距离最小方法是，在匹配闪电集合内的闪电事件时间后，计算雷声闪电事件通道点源和与之匹配的甚高频闪电事件点源的距离和时间间距系数，取间距系数最小的甚高频闪电事件点源为有雷电流通过的闪电通道。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (11)
1.一种融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测系统，包括数据处理中心站、甚高频探测站及雷声探测站，其特征在于，包括：
一个数据处理中心站、至少五个安装在不同位置的甚高频探测站和至少一个雷声探测站，任意两个相邻的甚高频探测站的之间的距离为30至50公里，一个雷声探测站和距其最近的一个甚高频探测站的距离不大于5公里；甚高频探测站和雷声探测站通过网络将数据发送至数据处理中心站；
所述数据处理中心站包括前置机、数据存储中心、分析机和显示装置，所述数据处理中心站用于分析、存储、展示雷电有效数据和定位结果；
所述前置机用于信号采集和前处理，采集甚高频信号并进行前处理得到雷电甚高频信号峰值时间戳信息，采集声音信号并进行前处理得到有效雷声信号；
所述分析机用于信号定位分析、定位结果聚类和定位结果融合，
所述信号定位分析步骤为：首先，基于雷电甚高频信号峰值时间戳信息采用甚高频信号三维定位方法获得甚高频信号点源的发生时间信息及三维坐标信息，其次，基于有效雷声信号采用波束形成方法获得雷声信号点源的到达时间信息及二维方向信息；最后，对甚高频信号点源信息和雷声信号点源信息进行方向匹配分析获得雷声信号点源的真实发生时间，计算出雷声信号点源的三维坐标信息；
所述对甚高频信号点源信息和雷声信号点源信息进行方向匹配分析为，将每一个雷声信号点源的到达时间信息和方向信息与转换到相同坐标系下的甚高频信号点源进行方向匹配，具体如下：
第一步，将甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下；
第二步，若雷声信号点源的到达时间为toa1，在toa1-30s至toa1时间范围内，寻找甚高频闪电信号点源；
第三步，将雷声信号点源的方向信息方位角和仰角(θ,φ)与第二步中寻找到的甚高频闪电信号点源做空间方向匹配，如果匹配成功，则雷声信号点源的真实发生时间即为与之匹配的甚高频信号点源的发生时间；所述空间方向匹配是，计算出雷声信号点源(θk,φk)与寻找到的甚高频闪电信号点源(θek,φek)的方位差(σ1,σ2,…,σk)，方位差的计算方法是
取方位差最小值组合为成功匹配点源，则雷声信号点源的真实发生时间即为与之匹配的甚高频信号点源的发生时间；
其中，θ表示雷声信号点源的方向信息方位角，φ表示雷声信号点源的方向信息仰角；
所述定位结果聚类为根据预设的信号点源高度阈值和雷声信号点源的三维坐标信息将甚高频和雷声定位结果分类为云闪事件和地闪事件，针对两种类型的闪电事件分别采用不同空间范围划分的闪电聚类方法得出闪电集合；
所述定位结果融合为采用欧氏距离最小的方法将甚高频闪电集合和雷声闪电集合进行定位结果融合，最终获得雷电通道全过程监测结果；
所述欧氏距离最小方法是，在匹配闪电集合内的闪电事件时间后，计算雷声闪电事件通道点源和与之匹配的甚高频闪电事件点源的距离和时间间距系数，取间距系数最小的甚高频闪电事件点源为有雷电流通过的闪电通道；
所述数据存储中心用于存储雷电通道全过程监测结果；
所述显示装置用于根据雷电通道全过程监测结果展示雷电有效数据和定位结果。
2.根据权利要求1所述的融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测系统，其特征在于，所述甚高频探测站包括甚高频信号接收天线、甚高频信号调理装置和信号采集处理装置，所述甚高频信号接收天线的输出端连接甚高频信号调理装置的输入端，所述甚高频信号调理装置的输出端连接甚高频信号采集处理装置的输入端，所述甚高频信号采集处理装置的输出端通过网络方式与数据处理中心站相连接。
3.根据权利要求2所述的融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测系统，其特征在于，所述甚高频信号接收天线的探测频段为0.5MHz至200MHz。
4.根据权利要求1所述的融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测系统，其特征在于，所述雷声探测站包括雷声信号接收天线和信号采集处理装置，所述雷声信号接收天线采用十字型传声器阵列，传感器阵列包含至少五个传声器，雷声信号接收天线的输出端连接雷声信号采集处理装置的输入端，雷声采集处理装置的输出端通过网络方式与数据处理中心站相连接。
5.一种融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法，采用甚高频探测方法和雷声探测方法，其特征在于，对雷电甚高频信号和雷声信号两种闪电特征量进行同步探测分析，实现雷电甚高频信号和雷声信号的三维坐标定位，针对甚高频和雷声点源的三维坐标信息分别进行数据聚类分析和数据融合处理，获得雷电发生发展通道三维全过程，包括以下步骤：
1)首先进行信号探测，采用甚高频探测站探测至少五路甚高频信号，采用雷声探测站探测至少四路声音信号；
2)其次进行信号前处理，对采集到的甚高频信号进行前处理得到雷电甚高频信号峰值时间戳信息，对采集到的声音信号进行前处理得到有效雷声信号；
3)再进行信号定位分析，首先，基于雷电甚高频信号峰值时间戳信息采用甚高频信号三维定位方法获得甚高频信号点源的发生时间信息及三维坐标信息，其次，基于有效雷声信号采用波束形成方法获得雷声信号点源的到达时间信息及二维方向信息；最后，融合甚高频信号点源信息和雷声信号点源信息，进行方向匹配分析，获得雷声信号点源的真实发生时间并计算出其三维坐标信息；
步骤3)中的方向匹配分析为，将每一个雷声信号点源的到达时间信息和方向信息与转换到相同坐标系下的甚高频信号点源进行方向匹配，具体如下：
第一步，将甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下；
第二步，若雷声信号点源的到达时间为toa1，在toa1-30s至toa1时间范围内，寻找甚高频闪电信号点源；
第三步，将雷声信号点源的方向信息方位角和仰角(θ,φ)与第二步中寻找到的甚高频闪电信号点源做空间方向匹配，如果匹配成功，则雷声信号点源的真实发生时间即为与之匹配的甚高频信号点源的发生时间；所述空间方向匹配是，计算出雷声信号点源(θk,φk)与寻找到的甚高频闪电信号点源(θek,φek)的方位差(σ1,σ2,…,σk)，方位差的计算方法是
取方位差最小值组合为成功匹配点源，则雷声信号点源的真实发生时间即为与之匹配的甚高频信号点源的发生时间；
4)再进行定位结果聚类，根据预设的信号点源高度阈值将甚高频和雷声定位结果分类为云闪事件和地闪事件，针对两种类型的闪电事件分别采用不同空间范围划分的闪电聚类方法得出甚高频云闪集合和雷声云闪集合、甚高频地闪集合和雷声地闪集合；
5)最后进行定位结果融合，将甚高频云闪集合和雷声云闪集合、甚高频地闪集合和雷声地闪集合分别组成云闪集合和地闪集合,采用欧氏距离最小方法将云闪集合和地闪集合进行定位结果融合，最终输出雷电通道全过程监测结果；
所述步骤5)中欧氏距离最小方法是，在匹配闪电集合内的闪电事件时间后，计算雷声闪电事件通道点源和与之匹配的甚高频闪电事件点源的距离和时间间距系数，取间距系数最小的甚高频闪电事件点源为有雷电流通过的闪电通道。
6.根据权利要求5所述的融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法，其特征在于，所述步骤2)中甚高频信号前处理包括对甚高频信号依次进行限幅、带通滤波、放大、再滤波、对数变换以及AD采集得到处理后的甚高频信号，然后对甚高频信号峰值加时间戳获得雷电甚高频信号峰值时间戳信息。
7.根据权利要求5所述的融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法，其特征在于，所述步骤2)中声音信号前处理包括对采集的声音信号依次进行滤波、放大以及AD采集得到处理后的声音信号，缓存其中一路声音信号采用雷声识别方法进行雷声信号识别，如果识别出有雷声信号，则判定声音信号为有效雷声信号，输出所有采集的有效雷声信号。
8.根据权利要求5所述的融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法，其特征在于，所述步骤4)中的闪电聚类方法是以步骤3)中定位分析一次处理的资料条数为单位，对每一批次处理出来的结果进行聚类，聚类按照定位结果的时间先后顺序进行；设定位分析处理的资料按照时间先后顺序是：s1,s2,s3,s4…sn，
第一步，以s1为参考，将s1投影到地面，设s1的定位结果是时间、经度、纬度、高度(t1,lat1,lon1,alt1)，则s1’位置为经度、纬度(lat1,lon1)；
第二步，划分空间范围，以s1’为圆心，r为半径画圆，以h为竖直高度，组成一个圆柱体，对于云闪和地闪事件，则对应选取不同的r和h以区分；
第三步，在t1至t1+1s时间范围内，在第二步空间范围内的所有定位结果，即聚类成一次闪电；
第四步，对于以s1为参考聚类后的剩余结果，搜索发生时间最早的定位结果sk，然后以sk为参考，重复上述步骤，直到本批次定位结果处理完毕，最终形成甚高频云闪集合、甚高频地闪集合、雷声云闪集合和雷声地闪集合。
9.根据权利要求8所述的融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法，其特征在于，所述第二步中划分空间范围中，对于云闪圆半径r设定为15km，竖直高度h为2km，对于地闪圆半径r设定为2.5km，竖直高度h为5km。
10.根据权利要求5所述的融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法，其特征在于，所述步骤3)第一步中的甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下，具体步骤如下：
首先，将甚高频信号点源三维坐标信息转换到以距离最近的雷声探测站为中心的坐标系下，计算公式如下：
其中，(Xe,Ye,Ze)为甚高频信号点源坐标，为甚高频坐标系中位置；(x′0,y′0,z′0)为雷声坐标系原点相对甚高频坐标系原点的位移；(Xe′,Ye′,Ze′)为转换后的甚高频信号点源坐标；
其次，将转换后的甚高频信号点源三维坐标信息转换为二维方向信息，计算公式如下：
其中，θ′e为甚高频信号点源二维方向信息中的方位角，
为甚高频信号点源二维方向信息中的俯仰角。
11.根据权利要求6所述的融合甚高频和雷声探测的雷电全过程监测方法，其特征在于，所述对甚高频信号峰值加时间戳获得雷电甚高频信号峰值时间戳信息是采用一种基于一阶导数的高频雷电信号自适应寻峰方法对甚高频信号峰值加时间戳获得雷电甚高频信号峰值时间戳信息。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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