CN109143218A - 一种基于vhf雷达的闪电定位系统及闪电定位方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及闪电探测技术领域，具体涉及一种基于VHF雷达的闪电定位系统及闪电定位方法，该系统包括：位于同一站点内的VHF雷达发射系统和雷达接收系统，其中，雷达接收系统包括：干涉接收天线含有至少两个长基线天线阵列和至少两个短基线天线阵列；长基线天线阵列与短基线天线阵列均含有至少两副接收天线；且长基线天线阵列的端点与短基线天线阵列的端点设有公共的接收天线；长基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距大于短基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距；且接收天线的尺寸与VHF雷达发射系统发射的VHF雷达波的波长相匹配。该定位系统能够实现对闪电进行三维定位和对闪电的单站定位。

Description

一种基于VHF雷达的闪电定位系统及闪电定位方法
技术领域
本发明属于闪电探测技术领域，尤其涉及一种基于VHF雷达的闪电定位系统及闪电定位方法。
背景技术
闪电是一种特殊的天气现象，它是指由强积雨云引起的伴有闪电活动及短暂降水的局地天气；在地面观测中则是指伴随有闪电和雷鸣的天气现象作为局地性强对流天气，常常造成人员和经济财产方面的损失。闪电灾害已成为联合国公布的十种最严重的自然灾害之一，它带有半随机性、分散性、局域性、瞬时性、突发性及三维性等特点。
目前，常用闪电VHF(Very High Frequency，甚高频)辐射探测系统对闪电进行定位。在几乎整个闪电放电过程都伴随着VHF辐射，同时有较高的辐射强度，因而可以实现一定距离内云闪和地闪的辐射脉冲进行高时间分辨率和高精度的探测和定位；另一方面，VHF辐射是视距内直线传播，受地面传导率、地形变化以及电离层影响小，在定位精度上较高。正是由于这些优点，近些年来利用VHF辐射探测和定位闪电已逐渐成为闪电研究的主要方向。常见的被动式闪电定位方法主要以多个接收站组网方式接收电磁辐射信号的时差测向混合法和相位差法。
时差测向混合法是在磁定向和时差法两种定位方法结合的基础上发展形成的，它的定位原理是：每个雷达回波接收站既探测回击发生的方位角，又探测回击产生的电磁脉冲到达的准确时间。当只有两个雷达回波接收站接收到信号时，采用一条时差双曲线和测得的两个方向角使用混合算法计算位置。当有三个接收站接收到数据时，在非双解区域，采用时差算法；在双解区域，先采用时差算法得出初步结果，然后利用测向数据剔除其中的错误结果。当有四个及四个以上接收站接收到数据时，先釆用三站算法进行定位，然后再利用最小二乘法优化结果以提高精度，据国内外资料表明采用该方法定位精度优于500m。由于时差测向混合法闪电定位系统定位精度高，又可与原有的时差法及磁定向探测系统联网，因此具有良好的兼容性，可用于原有系统升级。时差测向混合法定位系统在雷达回波接收站数目较少的前提下，保证了较高的定位精度，是目前比较实用的闪电监测定位系统。
相位差法依靠闪电电磁辐射波到达短距离天线阵列不同天线的相位差来反演其方位角和仰角，进而描绘出闪电放电的二维发展结构。若多个台站干涉仪同步测量，则可以对辐射源进行三维定位。窄带干涉仪技术对孤立脉冲和连续脉冲均能很好定位，尤其对连续脉冲更有效，特别是对快速发展的负极性击穿放电过程。在多个辐射源情况下，窄带干涉技术定位效果差强人意；宽带干涉仪技术虽然可以对多个辐射源定位，但系统测量精度相对较低。
综上可以看出，现有的基于时间差和相位差的这两种VHF辐射源定位技术进行闪电定位都需要采用多站形式，即多个雷达回波接收站的形式，而两个或者两个以上的接收站进行闪电的定位，会带来在选点布站建设、高精度时间同步、设备量的投入与运行管理上的诸多不便，进而导致闪电定位系统的适应性不强。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够利用单站进行闪电定位的闪电定位系统，同时还提供该闪电定位系统的定位方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于VHF雷达的闪电定位系统，包括位于同一站点内的VHF雷达发射系统和雷达接收系统；
VHF雷达发射系统包括发射机、天线模块和控制模块；发射机用于产生VHF雷达信号；天线模块包括至少一个发射天线，用于发射VHF雷达信号；控制模块用于控制发射机和天线模块；
雷达接收系统包括干涉接收天线、接收机和数据处理模块；干涉接收天线包含至少两个长基线天线阵列和至少两个短基线天线阵列；长基线天线阵列包含至少两副接收天线；短基线天线阵列包含至少两副接收天线；且长基线天线阵列的端点与短基线天线阵列的端点设有公共的接收天线；长基线天线阵列中相邻的两副接收天线的间距大于短基线天线阵列中相邻的两副接收天线的间距；且接收天线的尺寸与VHF雷达信号波长相匹配；接收机包括射频接收单元、数字接收单元、频率综合器和信号处理器；射频接收单元用于将天线阵接收到的信号下变频至中频；数字接收单元用于模拟信号到数字信号的转换、数字下变频以及正交检波；频率综合器用于为雷达提供符合要求的各类宽带信号和窄带信号；信号处理器采用FPGA芯片对量化的数字中频信号进行处理；数据处理模块通过干涉接收天线接收的雷达回波定位闪电的位置。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统中，定位闪电的位置包括确定闪电相对于接收天线的高度角、方位角、闪电至接收天线的斜距中的至少一种。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统中，长基线天线阵列中的各接收天线，以阵列的方式设置在同一条直线上，短基线天线阵列中的各接收天线阵列设置在同一条直线上；长基线天线阵列中的各接收天线之间的间距大于短基线天线阵列中的各接收天线之间的间距。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统中，各个长基线天线阵列与各个短基线天线阵列之间具有预设夹角，预设夹角为30度，或60度，或90度；每一个长基线天线阵列均与短基线天线阵列中的一个共线设置。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统中，长基线天线阵列中包含的接收天线数量与短基线天线阵列中包含的接收天线数量相同。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统中，长基线天线阵列中相邻两副接收天线的间距为VHF雷达信号波长的第一预设数量倍；短基线天线阵列中相邻两副接收天线的间距为VHF雷达信号波长的第二预设数量倍；且第二预设数量小于第一预设数量，第一预设数量大于1；第二预设数量小于1。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统中，发射天线的指向垂直于发射天线所在地的地球磁场线的走向。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统中，数据处理模块为高频窄带数据处理模块，且数据处理模块的通道数量与干涉接收天线中接收天线的数量相同。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统中，发射机包括直流电源、射频功率组合器和功放模块，直流电源含有第一预设数量个整流单元，用于提供电源；射频功率组合器用于射频控制；功放模块包括第二预设数量个功率放大单元，用于对VHF雷达信号进行功率放大。
基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法，包括以下步骤：
步骤1、向闪电发出VHF雷达波，接收闪电所在等离子体表面反射的VHF雷达回波；测量VHF雷达回波到达每一副接收天线的相位；
步骤2、根据长基线天线阵列和短基线天线阵列上的各接收天线所测量的VHF雷达回波的相位，获取各接收天线对应的VHF雷达回波的相位差；
步骤3、根据VHF雷达回波的波长与VHF雷达回波的相位差的积，计算各接收天线到闪电的距离；
步骤4、根据VHF雷达回波的波长与接收天线到闪电的距离差，计算闪电相对于接收天线的高度角、方位角。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法中，利用国际地磁参考模型，对VHF雷达发射系统进行雷达相位校正。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法中，步骤1的实现包括以下步骤：
步骤1.1、至少两次向闪电发出VHF雷达波，并接收闪电所在等离子体表面每一次反射的VHF雷达回波，且每一次发射的VHF雷达波的功率均不相同；
步骤1.2、根据VHF雷达回波与闪电辐射电磁波之间的功率差识别VHF雷达回波，测量VHF雷达回波到达每一副接收天线的相位。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法中，步骤3的实现包括：
通过公式
计算各接收天线到闪电的距离；其中，φij为第i接收天线与第j接收天线之间的相位差，i＝1，j＝1，2，3，4，5，…n，n为正整数；λ为VHF雷达波的波长；Ri为第i接收天线到闪电的距离；Rj为第j接收天线到闪电的距离。
在上述的基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法中，步骤4的实现包括：
利用公式(1')，通过十字阵或L字阵计算闪电相对于公共接收天线的高度角、方位角以及公共接收天线到闪电的距离。
本发明的有益效果：通过向雷暴区主动发射VHF电磁波，并利用含有至少两个长基线天线阵列和至少两个短基线天线阵列的干涉接收天线接收闪电回波实现对闪电进行三维定位，可以实现对闪电的单站定位，提高了闪电定位系统的适应性。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中的干涉接收天线的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中的发射天线的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中的功率放大器的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中的干涉接收天线的另一种结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中的接收机的系统框图；
图6为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中数字接收单元的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中信号处理器的工作流程图；
图8为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中控制模块的运行过程流程图；
图9为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中数据存储系统的工作流程示意图；
图10为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法的流程示意图；
图11为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法中采用十字阵求解任意目标物与各天线距离示意图；
图12为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法中采用L字阵求解任意目标物与各天线距离示意图；
图13为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法中闪电相对于接收天线的相对位置的示意图；
图14为本发明实施例提供的另一种基于VHF雷达的闪电定位方法的流程示意图；
图15为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法中相位差判断示意图；
图16为本发明实施例提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法中相位差分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。
下面的实施例是通过以下技术方案来实现的，一种基于VHF雷达的闪电定位系统，闪电定位系统包括：
位于同一站点内的VHF雷达发射系统和雷达接收系统，其中，
VHF雷达发射系统，用于发射VHF雷达信号；雷达接收系统包括：干涉接收天线、接收机和数据处理模块；干涉接收天线含有至少两个长基线天线阵列和至少两个短基线天线阵列；长基线天线阵列含有至少两副接收天线；短基线天线阵列含有至少两副接收天线，且长基线天线阵列的端点与短基线天线阵列的端点设有公共的接收天线；长基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距大于短基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距；且接收天线的尺寸与VHF雷达发射系统发射的VHF雷达波的波长相匹配。
数据处理模块，用于根据干涉接收天线接收的雷达回波定位闪电的位置。
本实施例还提供了一种基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法，包括：
A：向闪电发出VHF雷达波，接收闪电所在等离子体表面反射的VHF雷达回波；测量VHF雷达回波到达每一副接收天线的相位；
B：根据长基线天线阵列和短基线天线阵列上的各接收天线所测量的VHF雷达回波的相位，获取各接收天线对应的VHF雷达回波的相位差；
C：根据VHF雷达回波的波长与VHF雷达回波的相位差的积，计算各接收天线到闪电的距离；
D：根据VHF雷达回波的波长与接收天线到闪电的距离差，计算闪电相对于接收天线的高度角、方位角。
实施例1
具体实施时，如图1所示，为本实施例1提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中的干涉接收天线的结构示意图。干涉接收天线含有至少两个长基线天线阵列和至少两个短基线天线阵列；长基线天线阵列含有至少两副接收天线；短基线天线阵列含有至少两副接收天线，且长基线天线阵列的端点与短基线天线阵列的端点设有公共的接收天线。
长基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距大于短基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距；且接收天线的尺寸与VHF雷达发射系统发射的VHF雷达波的波长相匹配。
数据处理模块用于根据干涉接收天线接收的雷达回波定位闪电的位置，其中，闪电的位置包括：闪电相对于接收天线的高度角、方位角、闪电至接收天线的斜距中的至少一种。
以下首先就本实施例1所使用的VHF雷达发射系统进行介绍。如图2所示，本实施例1使用的雷达发射系统中的控制处理计算机将控制指令通过以太网集线器发送至发射机，产生雷达基带信号，并经过调制上变频至所需发射频率，同时通过功率放大器达到功率要求并传输至天线。发射机是VHF主动雷达闪电定位成像系统的重要组成部分，其作用是使用峰值功率为24kW的固态发射机发射占空比为10％的单脉冲和12％的调相脉冲，且脉冲重复周期则由脉冲宽度和占空比共同决定。雷达可调节输出功率等级范围为：0-100％。
图2为本实施例1提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中发射天线的结构示意图，如图2所示，在本实施例1中使用的是12组发射天线阵列，每一组发射天线阵列中包含两个发射天线单元，且每个发射天线单元为一根5单元八木天线，长度为2.326m的第一金属棒、长度为2.667m的第二金属棒以及长度为2.816m的第三金属棒作为引向器，长度为2.895m的第四金属棒为有源振子，长度为3.062m的第五金属棒为反射器；五根金属棒平行设置，且由外径为50mm的第六金属棒穿过第一、二、三、四、五金属棒的中点将引向器、有源振子和反射器连接在一起。第一金属棒与第五金属棒之间的间距为3.534m，第二金属棒与第五金属棒之间的间距为2.037m，第三金属棒与第五金属棒之间的间距为0.914m，第四金属棒与第五金属棒之间的间距为0.610m。为了实现全空域雷电定位，5单元八木天线波束指向为全向，辐射功率峰值为12kW。
需要强调的是，整个发射天线阵列采用半分布式馈电方式进行馈电，即由六个固态射频功率放大器模块将12kW峰值功率的信号经由两级功分器和波束控制单元馈送至发射天线，可发射占空比为10％的单脉冲和12％的调相脉冲，脉冲重复周期则由脉冲宽度和占空比共同决定。雷达可调节输出功率等级范围为：0-100％。表1为本发明实施例1提供的VHF雷达发射系统的整体技术指标。
表1
另外，在实际应用中，发射机可以包括：直流电源供应、射频功率组合器、功率放大器、本地振荡器、断路器、交换机和中功率射频分配器等。
图3为本发明实施例1提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中的功率放大器的结构示意图，如图3所示，本实施例1所用功率放大器采用模块化设计，由6个射频功率放大器模块，射频功率放大驱动器、控制器以及散热模块构成。此外直流电源供应也是由控制模块和4个整流器模块构成。模块化的特征使得整个系统更加便于维护，升级和扩展。
如图3所示，功率放大器的输入为PEP(Peak Envelope Power，射频输出峰值包络功率)值为100mW的RF(Radio Frequency，射频)输入。然后输入信号由功放驱动放大成PEP为1kW的信号，进而由1分6分离器分离成6路信号，分别有6个功放模块进行放大，每一路功放模块的输出均为PEP值为4kW的RF输出。在实际应用中，各个功放模块，还受到功放控制器的控制，功放控制器中含有直流电源转换模块、RF调制器、用户控制器和可编程逻辑器件；且功放控制器具有Aux(Auxiliary，音频输入接口)、控制接口、RF驱动接口、RF输入接口、触发输出接口、触发输入接口、以太网接口以及调试接口。
以下对本实施例1的雷达接收系统中的干涉接收天线进行介绍。干涉接收天线含有至少两个长基线天线阵列和至少两个短基线天线阵列；长基线天线阵列含有至少两副接收天线；短基线天线阵列含有至少两副接收天线，且长基线天线阵列的端点与短基线天线阵列的端点设有公共的接收天线；
长基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距大于短基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距；且接收天线的尺寸与VHF雷达发射系统发射的VHF雷达波的波长相匹配。
在实际应用中，干涉接收天线中可以含有2个长基线天线阵列、或者3个长基线天线阵列、或者4个长基线天线阵列或者4个以上的长基线天线阵列；类似的，干涉接收天线中可以含有2个短基线天线阵列、或者3个短基线天线阵列、或者4个短基线天线阵列或者4个以上的短基线天线阵列。
需要强调的是，长基线天线阵列中包含的各个接收天线，以阵列的方式设置在同一条直线上，短基线天线阵列中包含的各个接收天线阵列设置在同一条直线上。长基线天线阵列中的各个接收天线之间的间距大于短基线天线阵列中的各个接收天线之间的间距。长基线天线阵列中的各个接收天线之间的间距可以为：0.8λ、1.5λ、2λ、5λ，对应的短基线天线阵列中的各个接收天线之间的间距可以为：0.5λ、1.2λ、1.7λ、2.5λ，其中λ为闪电的雷达回波。
另外，所有的长基线天线阵列和短基线天线阵列具有共同的端点，且在该端点设置有公共的接收天线。为了便于干涉数据的计算，每一个长基线天线阵列均与短基线天线阵列中的一个相互垂直设置。
为了降低进行干涉计算时的计算量，长基线天线阵列中含有的接收天线数量与所述短基线天线阵列中含有的接收天线数量相同。在实际应用中，干涉接收天线中可以包括两个长基线天线阵列和两个短基线天线阵列，例如，如图1所示，第一接收天线#1和第二接收天线#2，间距1.5λ组成第一长基线天线阵列、第一接收天线#1和第五接收天线#5间距1.5λ组成第二长基线天线阵列；第一接收天线#1和第三接收天线#3间距1λ组成第一短基线天线阵列、第一接收天线#1和第四接收天线#4间距1λ组成第二短基线天线阵列。各个长基线天线阵列与各个短基线天线阵列之间具有预设的夹角，例如，夹角可以为30度、60度、90度等。
为了提高干涉天线的接收效果，每一个长基线天线阵列均与短基线天线阵列中的一个共线设置；第一接收天线#1和第二接收天线#2，间距1.5λ组成第一长基线天线阵列、第一接收天线#1和第五接收天线#5间距1.5λ组成第二长基线天线阵列；第一接收天线#1和第三接收天线#3间距1λ组成第一短基线天线阵列、第一接收天线#1和第四接收天线#4间距1λ组成第二短基线天线阵列；且第一长基线天线阵列和第一短基线天线阵列位于同一条直线上；第二长基线天线阵列和第二短基线天线阵列位于同一条直线上，两条直线之间的夹角可以为60度、75度、90度、135度等。
干涉接收天线中长基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距为VHF雷达信号波长的第一预设数量倍；干涉接收天线中的短基线天线阵列中的相邻的两副接收天线的间距为VHF雷达信号波长的第二预设数量倍；且第二预设数量小于第一预设数量。并且，第一预设数量大于1；第二预设数量小于1。
如图1所示，接收天线阵为十字干涉阵列，第一接收天线#1和第二接收天线#2，间距1.5λ组成第一长基线天线阵列、第一接收天线#1和第五接收天线#5间距1.5λ组成第二长基线天线阵列；第一接收天线#1和第三接收天线#3间距1λ组成第一短基线天线阵列、第一接收天线#1和第四接收天线#4间距1λ组成第二短基线天线阵列。第一长基线天线阵列和第一短基线天线阵列位于同一条直线上；第二长基线天线阵列和第二短基线天线阵列位于同一条直线上，两条之间的夹角为90度。
图4为本实施例1提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中的干涉接收天线的另一种结构示意图，如图4所示，每副接收天线均为八木天线，接收天线是由三根无源引向器，一根有源振子和一根无源反向器平行排列而构成的端射天线。天线阻抗为50Ω，与馈线阻抗相互匹配，天线的电压驻波比小于1.1。为了保证测量精度，在最后的调试中，每幅天线安装时的水平高度误差小于5mm，天线阻抗测试中的Rx＝50±0.5Ω，Rs＝0±0.5Ω。
以下对本实施例1雷达接收系统中接收机和数据处理模块进行介绍。在实际应用中，由VHF雷达的接收机从干涉接收天线接收闪电的VHF雷达回波，然后将VHF雷达回波发送至数据处理模块。
VHF雷达系统接收机决定着雷达的整体性能，它的主要功能是将雷达天线阵列接收到的闪电微弱散射信号进行放大、滤波、模数转换(数字化)、下变频以及正交检波等处理，在尽可能保留回波信号有用目标信息的同时，抑制从接收机外部引入的干扰、杂波和接收内部产生的噪声，得到基带正交I/Q信号，用以进行后续的信号处理和数据处理。
图5为本实施例1接收机的系统框图，如图5所示，接收机主要由以下四个部分组成，(1)射频接收单元，对应图5中的天线、射频带通滤波器、低噪声射频放大器、混频器以及本地振荡器：主要功能是将天线阵接收到的信号下变频至中频，该部分的性能将会对接收机的灵敏度、噪声系数以及接收机的选择性等产生直接影响。(2)数字接收单元，对应图5中的中频带通滤波器以及ADC(Analog-to-Digital Converter，模/数转换器)：主要功能是完成模拟信号到数字信号的转换、数字下变频以及正交检波等。(3)频率综合器，对应图5中的混频器、本地振荡器以及中频带通滤波器，为雷达提供符合要求的各类宽带信号和窄带信号。(4)信号处理器，对应图5中的基带信号处理器：利用高速FPGA芯片对量化的数字中频信号进行处理。表2为本实施例1提供的雷达接收系统中的接收机的系统参数指标。
表2
以下是对射频接收单元的具体描述。雷达接收机的射频接收单元包含射频前端和本地振荡器，其具体可以由定向耦合器、滤波器、放大器、混频器、控制电路等实现。射频接收单元是一个宽频带的单级的频率转换器：由射频前端从接收天线收到的回波信号经过射频带通滤波器和低噪声放大器，与本地振荡器产生的本地振荡混频后，频率由射频转换至中频。射频频率从30-60MHz被升频转换到80MHz的中频频率，中频信号是一个中心频率为80MHz，带宽为1-2MHz的窄带信号。在实际应用中，射频前端可以有三个功率放大阶段(其中两个中频阶段有增益控制)和两级的窄带滤波。表3为本实施例1射频接收单元参数指标。
表3
以下是对数字接收单元的具体描述。数字接收单元是将雷达的中频回波信号或射频回波信号通过高速模数转换器进行A/D转换，把模拟信号采样为量化的数字信号，然后进行数字正交解调和数字滤波。采用数字接收单元，可以大大避免模拟电路引起的直流电平漂移、增益变化、线性失真以及温度漂移等所带来的影响，其回波信号经过数字域上正交解调和数字滤波后所得到的I/Q信号具有很高的幅度一致性和相位的正交性，以尽可能的保留回波信号的有效信息。
数字接收单元包括中频数字采样和数字下变频两个部分。中频数字采样是指中频模拟信号经由一个16位的模数转换器以90MSPS(Million Samples per Second，每秒百万次采样)的采样率进行A/D转换(模数转换)得到量化的数字信号，该采样过程满足奈奎斯特采样定理；随后中频数字信号经过数字下变频处理，最终得到的I/Q输出信号被传输至信号处理器进行数字信号处理。表4为本实施例1接收机的数字接收单元参数指标。
表4
图6为本实施例1数字接收单元的结构示意图，如图6所示，数字下变频可以由以下三部分组成：
a.数控振荡器，用于产生类似于数字域中的本地振荡，如可控的余弦波和正弦波，其在很大的无杂散范围内都是可编程和切换的。
b.数字混频器由一对乘法器和数控振荡器组成，用于将所需频带转换到基带，另外，信号的采样率被调整到满足通道带宽。
c.数字滤波器，用于对基带信号进行滤波和速率转换，压缩采样的速率从4到4096是可编程控制的，其中，滤波包括：CIC(Cascaded Integrator-Comb，级联积分梳状滤波)滤波以及FIR(Finite Impulse Response，有限长单位冲激响应滤波)滤波。
从频谱上看，数字下变频是将经A/D采样后的信号从中频变换到基带。该过程可分成两个部分：首先是数字控制振荡器产生的正交载波与输入信号相乘，利用数字混频法对数字中频信号进行正交解调；第二部分则是进行数字滤波，滤除不需要的频率分量。该部分主要是进行CIC低通抽取滤波以及滤波等处理。表5为本实施例1数字接收单元中的数字控制振荡器、CIC、FIR参数指标，如表5所示，
表5
以下就频率综合器进行描述。频率综合器是整个雷达系统的频率信号提供者，其提供的频率精度能决定系统的性能。频率综合器模块主要是为数字收发系统提控制信号和射频信号，包括如下部分：
a.FPGA(FieldProgrammable Gate Array，现场可编程门阵列)，用于产生和同步关键的收发机信号。
b.DAC(Digital to Analog Converter，数字模拟转换器)，其具有三级速度和高分辨率的数模转换器被用来产生驱动器、射频本地振荡器和电压控制放大器的控制信号。
c.时钟分配网络，用于将温度补偿晶体振荡器产生的90MHz的参考系统时钟经由该网络传输至数字收发器。
d.本地PSU(Power Supply Unit，电源模块)，用于提供与接收机框架中其它模块间较高的隔离度。
表6为本实施例1的频率综合器的参数指标，如表6所示，
表6
以下是就信号处理器进行的描述。通常情况下，经雷电后向散射的雷达回波非常微弱，信号处理器必须具备捕捉微弱回波能量和高估算精度的能力。因此信号处理器是雷达的一个关键部分，它的能力直接反映出雷达的整体探测性能。VHF主动雷达高精度闪电定位成像系统采用了特殊的数字信号处理器，I/Q信号经由数字信号处理器完成一系列的处理：波束控制、中频采样、脉冲压缩、时域累积、滤波处理、FFT(Fast Fourier Transform，快速傅里叶变换)、杂波抑制以及频域累积后，最后将所得的功率谱数据通过PCI(PeripheralComponent Interconnect，数据总线)总线传输至数据处理系统进行相应的处理。信号处理器主要由FPGA芯片构成。图7为本发明实施例1提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中信号处理器的工作流程图，如图7所示，量化的数字中频信号经由一系列的高速FPGA处理模块进行速率变换和滤波处理。然后处理过的输出数据经由PCI总线或者带宽为1GHz的以太网被传输至雷达主机。
最后需要强调的是，单站是指单个雷达回波接收站，而不是指闪电探测雷达使用的基地的数量；类似的，多站是指具有多个雷达回波接收站。
应用本实施例1图1所示实施例1提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统，通过向雷暴区主动发射VHF电磁波，并利用含有至少两个长基线天线阵列和至少两个短基线天线阵列的干涉接收天线接收闪电回波实现对闪电进行三维定位，可以实现对闪电的单站定位。
另外，现有技术中采用两个或者两个以上的接收站进行闪电的定位，会带来在选点布站建设、高精度时间同步、设备量的投入与运行管理上的诸多不便，进而导致闪电定位系统的适应性不强。应用图1所示实施例1，使用单站进行闪电的定位，相对于现有技术，提高了闪电定位系统的适应性。
在本实施例1的具体实施方式中，VHF雷达发射系统包括：发射机、天线模块和控制模块；
发射机，用于产生VHF雷达信号；天线模块包括至少一个发射天线，用于发射VHF雷达信号；控制模块，用于控制所述发射机和所述天线模块。
在实际应用中，发射机还用于产生VHF雷达基带信号，并对基带信号进行调制；将调制后的VHF雷达基带信号上变频至预设频率；对变频后的VHF雷达基带信号进行功率放大，并将功率放大后的VHF雷达基带信号传输至所述天线模块。
而且，发射机包括：直流电源、射频功率组合器和功放模块，其中，直流电源，含有第一预设数量个整流单元，用于为发射机提供电源；射频功率组合器，用于对发射机的进行射频控制；功放模块，包括第二预设数量个功率放大单元，用于对发射机的VHF雷达信号进行功率放大。
为了便于接收闪电的VHF雷达回波，发射天线的指向垂直于发射天线所在地的地球磁场线的走向。
为了提高信号处理速度，数据处理模块为高频窄带数据处理模块，且数据处理模块的通道数量与干涉接收天线中的接收天线的数量相同。
以下对本实施例1雷达接收系统中控制模块进行介绍。VHF雷达闪电定位系统的控制和数据处理均由一台控制处理计算机完成。它主要负责整个雷达系统的控制和状态监控以及雷达回波数据的采集、处理和存储。该雷达控制系统有两类基本的工作方式，一类是通过控制终端计算机雷达控制软件，利用提供的人机交互式界面来输入选择雷达的探测模式和工作参数，以人机交互的方式来控制操纵雷达的工作状态；另一类是将所需的工作过程写入程序并输入到控制计算机中，由计算机执行程序来控制雷达的整个工作过程。为了更加方便雷达的系统控制和状态监控，雷达系统配置了带宽为1GHz的以太网接入端，用户不仅可以在站点对雷达进行操作，也可以远程控制雷达以及实时获取雷达的实验数据。
VHF雷达的控制以及状态监测均是由交互界面来配置和显示，其最重要的控制交互控件分别为：雷达配置主窗口、雷达序列编辑器和实验编辑器，其中，雷达配置主窗口用来控制雷达探测的开始、结束以及显示雷达的当前状态和探测进程；雷达序列编辑器主要是为用户提供配置实验所需序列的交互界面，同时也方便用户自定义新的实验；雷达序列编辑器会利用计算机中的控制代码来控制与时间有关的操作，如控制探测进程间的时间间隔，控制代码确定直到下一个控制代码的时间、采样门、收发开关状态、脉冲校准、RF脉冲和天线波瓣数的选择。通常情况下，最小传输间隔和两次控制代码之间的间隔分别为10us和100-200us。控制代码通常由相应的软件根据输入的雷达工作参数来定义。实验编辑器主要是用来根据探测的需要选择系统默认的探测参数，或者依照探测需求预先设定所需的探测参数，如脉冲重复频率、相干累积、采样距离间隔等。
图8为本实施例1提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中控制模块的运行过程流程图，如图8所示，首先，通过雷达控制软件所提供的人机交互式界面来设定探测模式、探测时间序列以及实验参数；然后雷达按照相应的程序开始工作，如按照配置的探测模式对电离层进行连续扫描或者在指定的方向上连续探测，然后，雷达继续以多脉冲模式按一定的累积时间进行探测。完成上述步骤后，雷达接收数据按照从低到高的顺序被记录在存储器中，并会按照预先定义的格式显示在监控显示器上。一次探测进程结束后，计算机软件系统会检索设定的时间序列来判断探测是否结束，若未结束则进行下一次探测，并重复上述工作过程，直至完成整个探测过程，在雷达探测过程中，用户可以利用雷达配置界面，采用终端中断的方式人为地中断探测过程或者配置新的实验参数重新开始运行。
下面对本实施例1的雷达数据存储及显示系统进行说明。图9为本实施例1提供的一种基于VHF雷达的闪电定位系统中数据存储系统的工作流程示意图，如图9所示，箭头上的编号代表工作流程的执行顺序。
当VHF雷达开机时候，操作人员通过人机交互界面输入控制参数或者硬件控制设备从参数列表中读取控制参数。然后，硬件控制设备根据控制参数控制码发生器和激励源，发射机、接收模块以及DSP(Digital Signal Processor，数字信号处理)模块进行相应操作。发射机将反馈信号发送至硬件控制设备，硬件控制设备将返回参数列表中的参数先显示在人机交互界面上。DSP模块将反馈信息发送给硬件控制设备。硬件控制设备将相关数据发送给数据处理设备，数据处理设备将处理后的数据显示在人机交互界面上，最后人机交互界面上的数据通过显示器显示出来。
实施例2
实施例2提供了一种基于VHF雷达的闪电定位方法。图10为本实施例2提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法的流程示意图，如图10所示，该方法包括：
S1101：向闪电发出VHF雷达波，接收所述闪电所在等离子体表面反射的VHF雷达回波；测量所述VHF雷达回波到达每一个接收天线的相位。
具体的，可以至少两次向闪电发出VHF雷达波，并接收闪电所在等离子体表面每一次反射的VHF雷达回波，且每一次发射的VHF雷达波的功率均不相同；根据VHF雷达回波与闪电辐射电磁波之间的功率差识别出VHF雷达回波，测量VHF雷达回波到达每一个接收天线的相位。
示例性的，VHF雷达向闪电的方位发射VHF电磁波，由于闪电的能量很高，会把闪电附近的空气电离成等离子态；而等离子状态的空气可以反射VHF雷达波，形成VHF雷达回波被接收天线接收。接收天线的具体结构如图1所示，第一接收天线#1和第二接收天线#2，间距k1λ组成第一长基线天线阵列、第一接收天线#1和第五接收天线#5间距k1λ组成第二长基线天线阵列；第一接收天线#1和第三接收天线#3间距k2λ组成第一短基线天线阵列、第一接收天线#1和第四接收天线#4间距k2λ组成第二短基线天线阵列；且第一长基线天线阵列和第一短基线天线阵列位于同一条直线上；第二长基线天线阵列和第二短基线天线阵列位于同一条直线上，两条之间的夹角为90度，上述5个接收天线组成干涉接收天线。
S1102：根据长基线天线阵列和短基线天线阵列上的各个接收天线所测量的所述VHF雷达回波的相位，获取各个接收天线对应的VHF雷达回波的相位差。
由于各个接收天线相对于闪电的高度角和方位角具有一定的差别，因此，各个接收天线接收到的VHF雷达回波的相位也会存在差别。
需要强调的是，通常仅获取公共接收天线，即第一接收天线#1与其它接收天线之间的相位差即可。
S1103：根据VHF雷达回波的波长与VHF雷达回波的相位差的积，计算各个接收天线到闪电的距离。
具体的，可以利用天线间相位差定义计算各个所述接收天线到闪电的距离，其中，φij为第i接收天线与第j接收天线之间的相位差，i＝1，j＝1，2，3，4，5，…n，n为正整数；λ为VHF雷达波的波长；Ri为第i接收天线到闪电的距离；Rj为第j接收天线到闪电的距离。
在实际应用中，为了降低计算误差，可以使用相位差表示各个接收天线到闪电的距离。
S1104：根据所述VHF雷达回波的波长与所述接收天线到闪电的距离差，计算闪电相对于接收天线的高度角、方位角。
需要强调的是，可以将S1103步骤中计算的接收天线到闪电的距离中的任意一个作为本步骤中闪电的位置参数中的一种，当然，闪电的高度角以及方位角应当是与该接收天线对应的数据。通常情况下，可以将闪电相对于公共接收天线的高度角、方位角以及闪电与公共接收天线之间的距离作为闪电位置的参数。
采用十字阵(General)求高度角与方位角如图11所示。
其中θ为高度角，为方位角，R为距原点的距离，任意目标物与各天线距离示意图，R1、R2、R3、R4、R5分别为闪电至第一接收天线#1、第二接收天线#2、第三接收天线#3、第四接收天线#4、第五接收天线#5的距离。并以R1为基准，可整理出关系式如下：
R1＝R (4.2a)
天线间相位差定义可定义相位差：
其中，φ12为第一接收天线#1和第二接收天线#2之间的相位差；φ13为第一接收天线#1和第三接收天线#3之间的相位差；φ14为第一接收天线#1和第四接收天线#4之间的相位差；φ15为第一接收天线#1和第五接收天线#5之间的相位差；
φij为第i接收天线和第j接收天线之间的相位差。
将式(4.3)代入(4.2)整理后得：
将式(4.4)消去R、λ并做处理：
(4.4a)&(4.4b):
(4.4c)&(4.4d):
(4.4a)&(4.4c):
(4.4a)&(4.4d):
(4.4b)&(4.4c):
(4.4b)&(4.4d):
再将(4.5)式消去高度角θ，可得到方位角过程如下：
将式(4.6)得到的方位角代回式(4.5a)及(4.5b),可得到高度角θ：
代回式(4.5a)：
代回式(4.5b)：
采用L字阵(General)求高度角与方位角如图12所示。
同样，其中θ为高度角，为方位角，R为距原点的距离，任意目标物与各天线距离示意图，R1、R2、R3、R4、R5分别为目标物至第一接收天线#1、第二接收天线#2、第三接收天线#3、第四接收天线#4、第五接收天线#5的距离。并以R1为基准，可整理出关系式如下：
R1＝R (5.2a)
天线间相位差定义可定义相位差：
将式(5.3)代入(5.2)整理后得：
将式(5.4)消去R、λ并做处理：
(5.4a)&(5.4b)
(5.4c)&(5.4d)
(5.4a)&(5.4c)
(5.4a)&(5.4d)
(5.4b)&(5.4c)
(5.4b)&(5.4d)
再将(5.5)式消去高度角θ，可得到方位角过程如下：
将式(5.6)得到的方位角代回式(5.5a)及(5.5b),可得到高度角θ：代回式(5.5a)：
代回式(5.5b)：
实施例3：
如图13所示，为本实施例3提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法中闪电相对于接收天线的相对位置的示意图，如图13所示，闪电与第一接收天线#1之间的距离为R1；闪电与第二接收天线#2之间的距离为R2；闪电与第三接收天线#3之间的距离为R3；闪电与第四接收天线#4之间的距离为R4；闪电与第五接收天线#5之间的距离为R5。
接收天线的具体结构如图1所示，#1和#2接收天线，间距1.5λ组成长基线天线阵列-1、#1和#5接收天线间距1.5λ组成长基线天线阵列-2；#1和#3接收天线间距1λ组成短基线天线阵列-1、#1和#4接收天线间距1λ组成短基线天线阵列-2；且长基线天线阵列-1和短基线天线阵列-1位于同一条直线上；长基线天线阵列-2和短基线天线阵列-2位于同一条直线上，两条之间的夹角为90度，上述5个接收天线组成干涉接收天线。VHF雷达向闪电的方位发射VHF电磁波，由于闪电的能量很高，会把闪电附近的空气电离成等离子态；而等离子状态的空气可以反射VHF雷达波，形成VHF雷达回波被接收天线接收。
第一步：利用公式4.3(a)-4.3(d)计算相位差表示的各个接收天线到闪电的距离，代入公式4.2a-4.2e中，可以得到如下公式，
其中，R为所述公共接收天线，第一接收天线#1到闪电的距离；θ为闪电的高度角；为闪电的方位角。
第二步：
a.将公式(1)和公式(2)等号左右分别求商，以消去R和λ后得到如下公式：
类似的，
b.将公式(3)和公式(4)等号左右分别求商，以消去R和λ后得到如下公式：
c.将公式(1)和公式(3)等号左右分别求商，以消去R和λ后得到如下公式：
d.将公式(1)和公式(4)等号左右分别求商，以消去R和λ后得到如下公式：
e.将公式(2)和公式(3)等号左右分别求商，以消去R和λ后得到如下公式：
f.将公式(2)和公式(4)等号左右分别求商，以消去R和λ后得到如下公式：
第三步：
再根据步骤a中公式中等号左侧的多项式等于步骤c中公式中等号左侧的多项式与1.5倍的步骤e中公式中等号左侧的多项式之和，因此，步骤a中公式中等号右侧的多项式等于步骤c中公式中等号右侧的多项式与1.5倍的步骤e中公式中等号右侧的多项式之和；
可以运算得到：
类似的，
再根据步骤a中公式中等号左侧的多项式等于步骤d中公式中等号左侧的多项式与1.5倍的步骤f中公式中等号左侧的多项式之和，因此，步骤a中公式中等号右侧的多项式等于步骤d中公式中等号右侧的多项式与1.5倍的步骤f中公式中等号右侧的多项式之和，进而可以运算得到：
类似的，
再根据步骤b中公式中等号左侧的多项式等于步骤d中公式中等号左侧的多项式与1.5倍的步骤c中公式中等号左侧的多项式之差，因此，步骤b中公式中等号右侧的多项式等于步骤d中公式中等号右侧的多项式与1.5倍的步骤c中公式中等号右侧的多项式之差，进而可以运算得到：
类似的，
再根据步骤b中公式中等号左侧的多项式等于1.5倍的步骤e中公式中等号左侧的多项式与4.5倍的步骤f中公式中等号左侧的多项式之和，因此，步骤b中公式中等号右侧的多项式等于1.5倍的步骤e中公式中等号右侧的多项式与4.5倍的步骤f中公式中等号右侧的多项式之和，进而可以运算得到：
类似的，
再根据步骤a中公式中等号左侧的多项式等于步骤b中公式中等号左侧的多项式，因此，步骤a中公式中等号右侧的多项式等于步骤b中公式中等号右侧的多项式，进而可以运算得到：
依据上述过程即可计算得到闪电相对于第一接收天线#1的方位角。另外，可以理解的是，可以使用第三步骤中的任何一个方位角计算公式计算闪电相对于第一接收天线#1的方位角，也可以使用至少两个方位角计算公式计算的平均值作为闪电相对于第一接收天线#1的方位角。
第四步：将第三步中计算的闪电相对于第一接收天线#1的方位角，代入上述a中公式中，可以计算闪电相对于第一接收天线#1的高度角如下：
将第三步中计算的闪电相对于第一接收天线#1的方位角，代入步骤b中公式中，可以计算闪电相对于第一接收天线#1的高度角如下：
可以理解的是，可以将第三步骤中计算的闪电相对于第一接收天线#1的方位角代入步骤a-f中公式中的任意一个计算闪电相对于第一接收天线#1的高度角；也可以将第三步骤中计算闪电相对于第一接收天线#1的方位角代入步骤a-f中公式中的两个或者两个以上得到的高度角的平均值作为闪电相对于第一接收天线#1的高度角。
第五步，将第三步中计算的闪电相对于第一接收天线#1的方位角，以及第四步骤中计算的闪电相对于第一接收天线#1的高度角代入到第一步中的公式(1)中，可以计算闪电相对于第一接收天线#1的距离：
类似的，将第三步中计算的闪电相对于第一接收天线#1的方位角，以及第四步骤中计算的闪电相对于第一接收天线#1的高度角代入到第一步中的公式(2)中，可以计算闪电相对于第一接收天线#1的距离：
类似的，将第三步中计算的闪电相对于第一接收天线#1的方位角，以及第四步骤中计算的闪电相对于第一接收天线#1的高度角代入到第一步中的公式(3)中，可以计算闪电相对于第一接收天线#1的距离：
类似的，将第三步中计算的闪电相对于第一接收天线#1的方位角，以及第四步骤中计算的闪电相对于第一接收天线#1的高度角代入到第一步中的公式(4)中，可以计算闪电相对于第一接收天线#1的距离：
可以理解的是，可以利用第五步骤中的任意一个公式计算闪电相对于第一接收天线#1的距离，也可以利用第五步骤中的两个或者以上的公式计算闪电相对于第一接收天线#1的距离。
进而，可以使用空间位置矢量表征闪电相对于第一接收天线#1的位置：
其中，r为闪电相对于#1天线的空间位置矢量；为x轴上的单位矢量；为y轴上的单位矢量；为z轴上的单位矢量。
应用图10所示的实施例3，通过向雷暴区主动发射VHF电磁波，并利用含有至少两个长基线天线阵列和至少两个短基线天线阵列的干涉接收天线接收闪电回波实现对闪电进行三维定位，可以实现对闪电的单站定位。
另外，现有的被动式闪电侦测系统为单纯接收闪电发生时所辐射出的各不同频段电磁波，相对容易受到周围环境和地形地貌的影响，造成闪电定位的误差。本实施例3提供了一种基于VHF雷达的闪电定位方法，利用雷达的时序测距和信号相干积累技术，在天线阵列上采用长短基线结合模式，通过干涉法测量回波相位，不仅观测定位精度高、布站简单，且解决了相位模糊、噪声干扰等问题。
实施例4：
如图14所示，为本实施例4提供的另一种基于VHF雷达的闪电定位方法的流程示意图，图14所示实施例4在图10所示实施例4的基础上增加了S1105：利用国际地磁参考模型，对发射VHF雷达波的雷达进行雷达相位校正。
具体的，由于FAI(Field-aligned Irregularities，电离层场向不规则体)具有高度方向灵敏性。利用IGRF(International Geomagnetic Reference Field，国际地磁参考模型)模型计算出磁力线与VHF雷达波束的正交区域，作为预测回波区域；并利用Es层的场列不规则体回波资料的相位差，和预测回波区的相位差进行校正。
应用图14所示实施例4，可以降低VHF雷达对闪电高度角以及方位角计算的误差。
在本发明实施例4的一种具体实施方式中，可以根据VHF雷达回波到达各个接收天线与所述VHF雷达回波到达公共的接收天线的相位差，获取针对各个接收天线所有可能的相位差的组合；根据VHF雷达回波到达各个接收天线与所述VHF雷达回波到达公共的接收天线的相位差的正负，以及闪电位于所述公共的接收天线的不同方位时对应各个接收天线之间的相位差范围，筛选出目标相位差。
在实际应用中，计算雷达回波的相位差时，由于数学上的限制，计算所得到的相位差会在[-π,π]之间，但R1与R2的最大距离差为1.5λ，代入S1103步骤中的公式后，可发现相位差φ12会落在[-3π,3π]之间；利用S1103步骤中的公式后其他式子，同理可得各相位差的可能范围如下：
|φ12|≤3π、|φ13|≤2π、|φ14|≤2π、|φ15|≤3π。
各相位差皆有±2π的可能，若实际第i个接收天线与第j个接收天线接收的雷达回波的相位差以φij表示、雷达观测所得相位差以表示，可以获得如下公式：
从上述公式可以看出，每一个相位差可能的组合有三种，四个相位差的总共可以有81种可能的组合，但是实际上真实的相位差只有一组。
因为干涉天线阵列为不对称的十字形，所以天线间实际的相位差会因为天线的排列方式，存在一些限制，我们可以利用这些限制条件，找到满足所有限制条件的唯一的一组相位差，即为天线间实际的相位差。另外目标物跟天线阵列的相对位置，也存在几何上的条件限制。
以第二接收天线#2、第一接收天线#1、第三接收天线#3的组成的基线为例，图15为本实施例4提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法中相位差判断示意图，如图15所示，当目标物在第一接收天线#1的右侧时，R1、R2、R3的关系为：R1＞R2＞R3；则有，φ12＞0，且φ13＜0。
相反的，当目标物在第一接收天线#1的右侧时，φ12＜0，且φ13＞0。
因此，可用相位差的正负判断目标物位于第一接收天线#1的哪一侧；同理从第四接收天线#4、第一接收天线#1、第五接收天线#5的基线方向来看，也可利用相位差的正负判断目标物所在的区域。可将两条基线方向的条件结合在一起，以第一接收天线#1为中心将平面分为四个象限，每一个象限都有各自的条件，同理从第四接收天线#4、第一接收天线#1、第五接收天线#5的基线方向来看，也可利用相位差的正负判断目标物所在的区域。将两条基线方向的条件结合在一起，可以第一接收天线#1为中心，将接收天线分布的平面分为四个象限，每一个象限都有各自的条件。图16为本实施例4提供的一种基于VHF雷达的闪电定位方法中相位差分布示意图，如图16所示，若计算的相位差没有满足闪电相对第一接收天线#1的方位角所在象限的正负条件时，可以判断此组相位差不是真实的相位差，进而将其排除。
各个象限的条件如下：
当闪电相对于#1接收天线位于第一象限内时：
|φ12|≥0&|φ13|≤0&|φ14|≤0&|φ15|≥0。
当闪电相对于#1接收天线位于第二象限内时：
|φ12|≤0&|φ13|≥0&|φ14|≤0&|φ15|≥0。
当闪电相对于#1接收天线位于第三象限内时：
|φ12|≤0&|φ13|≥0&|φ14|≥0&|φ15|≤0。
当闪电相对于#1接收天线位于第四象限内时：
|φ12|≥0&|φ13|≤0&|φ14|≥0&|φ15|≤0。
另外，各个相位差之间还需满足以下条件：
(1)|φ12|≤3π、|φ13|≤2π、|φ14|≤2π、|φ15|≤3π；
(2)|φ12|＞|φ13|、|φ14|＜|φ15|；
(3)|φ12|-|φ13|≤π、|φ15|-|φ14|≤π。
(4)闪电相对于#1接收天线的高度角必须有解。
经由这些条件，可以在81组相位差中，找到唯一一组符合条件的相位差，利用这组相位差，代入S1104步骤中的公式，可得到闪电相对于第一接收天线#1的方位角以及高度角θ，即闪电的位置参数。
应用本发明上述实施例4，可以预先从多种可能的相位差组合中筛选出正确的相位差组合，避免了依据错误的相位差组合进行闪电位置参数的计算，降低了计算量，提高了计算效率，进而提高了进行闪电定位的速度。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (14)

1.一种基于VHF雷达的闪电定位系统，其特征是，包括位于同一站点内的VHF雷达发射系统和雷达接收系统；
VHF雷达发射系统包括发射机、天线模块和控制模块；发射机用于产生VHF雷达信号；天线模块包括至少一个发射天线，用于发射VHF雷达信号；控制模块用于控制发射机和天线模块；
雷达接收系统包括干涉接收天线、接收机和数据处理模块；干涉接收天线包含至少两个长基线天线阵列和至少两个短基线天线阵列；长基线天线阵列包含至少两副接收天线；短基线天线阵列包含至少两副接收天线；且长基线天线阵列的端点与短基线天线阵列的端点设有公共的接收天线；长基线天线阵列中相邻的两副接收天线的间距大于短基线天线阵列中相邻的两副接收天线的间距；且接收天线的尺寸与VHF雷达信号波长相匹配；接收机包括射频接收单元、数字接收单元、频率综合器和信号处理器；射频接收单元用于将天线阵接收到的信号下变频至中频；数字接收单元用于模拟信号到数字信号的转换、数字下变频以及正交检波；频率综合器用于为雷达提供符合要求的各类宽带信号和窄带信号；信号处理器采用FPGA芯片对量化的数字中频信号进行处理；数据处理模块通过干涉接收天线接收的雷达回波定位闪电的位置。
2.如权利要求1所述的基于VHF雷达的闪电定位系统，其特征是，定位闪电的位置包括确定闪电相对于接收天线的高度角、方位角、闪电至接收天线的斜距中的至少一种。
3.如权利要求1所述的基于VHF雷达的闪电定位系统，其特征是，长基线天线阵列中的各接收天线，以阵列的方式设置在同一条直线上，短基线天线阵列中的各接收天线阵列设置在同一条直线上；长基线天线阵列中的各接收天线之间的间距大于短基线天线阵列中的各接收天线之间的间距。
4.如权利要求3所述的基于VHF雷达的闪电定位系统，其特征是，各个长基线天线阵列与各个短基线天线阵列之间具有预设夹角，预设夹角为30度，或60度，或90度；每一个长基线天线阵列均与短基线天线阵列中的一个共线设置。
5.如权利要求3所述的基于VHF雷达的闪电定位系统，其特征是，长基线天线阵列中包含的接收天线数量与短基线天线阵列中包含的接收天线数量相同。
6.如权利要求1所述的基于VHF雷达的闪电定位系统，其特征是，长基线天线阵列中相邻两副接收天线的间距为VHF雷达信号波长的第一预设数量倍；短基线天线阵列中相邻两副接收天线的间距为VHF雷达信号波长的第二预设数量倍；且第二预设数量小于第一预设数量，第一预设数量大于1；第二预设数量小于1。
7.如权利要求1所述的基于VHF雷达的闪电定位系统，其特征是，发射天线的指向垂直于发射天线所在地的地球磁场线的走向。
8.如权利要求1所述的基于VHF雷达的闪电定位系统，其特征是，数据处理模块为高频窄带数据处理模块，且数据处理模块的通道数量与干涉接收天线中接收天线的数量相同。
9.如权利要求6所述的基于VHF雷达的闪电定位系统，其特征是，发射机包括直流电源、射频功率组合器和功放模块，直流电源含有第一预设数量个整流单元，用于提供电源；射频功率组合器用于射频控制；功放模块包括第二预设数量个功率放大单元，用于对VHF雷达信号进行功率放大。
10.如权利要求1至9任一项所述的基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤1、向闪电发出VHF雷达波，接收闪电所在等离子体表面反射的VHF雷达回波；测量VHF雷达回波到达每一副接收天线的相位；
步骤2、根据长基线天线阵列和短基线天线阵列上的各接收天线所测量的VHF雷达回波的相位，获取各接收天线对应的VHF雷达回波的相位差；
步骤3、根据VHF雷达回波的波长与VHF雷达回波的相位差的积，计算各接收天线到闪电的距离；
步骤4、根据VHF雷达回波的波长与接收天线到闪电的距离差，计算闪电相对于接收天线的高度角、方位角。
11.如权利要求10所述的基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法，其特征是，利用国际地磁参考模型，对VHF雷达发射系统进行雷达相位校正。
12.如权利要求10所述的基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法，其特征是，步骤1的实现包括以下步骤：
步骤1.1、至少两次向闪电发出VHF雷达波，并接收闪电所在等离子体表面每一次反射的VHF雷达回波，且每一次发射的VHF雷达波的功率均不相同；
步骤1.2、根据VHF雷达回波与闪电辐射电磁波之间的功率差识别VHF雷达回波，测量VHF雷达回波到达每一副接收天线的相位。
13.如权利要求10所述的基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法，其特征是，步骤3的实现包括：
通过公式
计算各接收天线到闪电的距离；其中，φij为第i接收天线与第j接收天线之间的相位差，i＝1，j＝1，2，3，4，5，…n，n为正整数；λ为VHF雷达波的波长；Ri为第i接收天线到闪电的距离；Rj为第j接收天线到闪电的距离。
14.如权利要求13所述的基于VHF雷达的闪电定位系统的闪电定位方法，其特征是，步骤4的实现包括：
利用公式(1')，通过十字阵或L字阵计算闪电相对于公共接收天线的高度角、方位角以及公共接收天线到闪电的距离。
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