CN116148784A - 一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法。本发明通过发射系统发射脉冲电磁波，数字接收系统通过信号检测和回波参数提取后处理得到多个回波目标，通过互相关信号处理后得到特定通道间的相位差矩阵；根据特定通道间的相位差矩阵计算得到伽马参数矩阵；结合伽马参数矩阵的参数作直方图得到参数的分布曲线，通过高斯曲线拟合得到参数分布的方差，进一步计算系统噪声分布的方差；构建相位差偏移模型确定相位差偏移值，结合确定相位差偏移值对特定通道间的相位差矩阵分别进行系数校正得到校正后特定通道间的相位差矩阵。本发明解决了传统方法未考虑天线及其反馈带来的相位误差的问题，提高了相位偏移误差校准的准确性以及灵活性。

Description

一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法

技术领域

本发明属于闪电定位技术领域，尤其涉及一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法。

背景技术

相位干涉法在主动式闪电雷达定位系统中被广泛使用，其原理是利用各个通道间的相位差来实现对目标的定位，所以在采用相位干涉法来正确估计来波的AOA(Angle ofArrival，到达角)之前，必须要对雷达系统的各个天线接收通道做相位校准，以确保各个天线的相位差处于相同的计算基准。

通常情况下，在雷达建站之初，一般会对雷达系统各通道硬件电路做相位差延迟测量，根据测量结果进行相位差延迟校正，校正原理为：使用信号源产生多路同相的模拟信号，再将模拟信号直接输入到雷达系统中接收机的各个输入端，然后再在接收机的输出端进行测量，将输出端的信号与模拟信号的相位进行比对即可以得到接收机的相位差。但是，该方法并未考虑天线及其馈线电缆带来的相位偏差，导致测量结果不够准确；且测量相位误差使用的是模拟信号，并不能真实模拟雷达的实际工作条件，导致现有的相位差校正的准确性较低。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种单站闪电定位系统相位自动校准系统及方法，以获取相位差偏差值，提高了雷达系统相位差校正的准确性。

本发明系统的技术方案为一种单站闪电定位系统相位自动校准系统，包括：

发射系统、数字信号接收系统、L型干涉阵列、电场仪；

所述L型干涉阵列由第一条天线基线与第二条天线基线构成；

所述第一条天线基线、第二条天线基线相互正交；

所述第一条天线基线由公共偶极子天线Ant0、第一基线的第1个偶极子天线Ant1和第一基线的第2个偶极子天线Ant2依次排列构成；

所述第二条天线基线由公共偶极子天线Ant0、第二基线的第1个偶极子天线Ant3和第二基线的第2个偶极子天线Ant4依次排列构成；

所述数字信号接收系统分别与所述的电场仪、L型干涉阵列连接；

所述发射系统用于实时发射电磁波信号至等离子体；

所述L型干涉阵列用于实时接收等离子体信号，通过公共偶极子天线Ant0、第一基线的第1个偶极子天线Ant1、第一基线的第2个偶极子天线Ant2、第二基线的第1个偶极子天线Ant3、第二基线的第2个偶极子天线Ant4输入至所述数字信号接收系统；

通过发射系统发射脉冲电磁波，由L型干涉阵列接收回波信号，数字接收系统通过信号检测和回波参数提取后处理得到多个回波目标，多个回波目标通过互相关信号处理后得到特定通道间的相位差矩阵；根据特定通道间的相位差矩阵计算得到伽马参数矩阵；结合伽马参数矩阵的参数作直方图得到参数的分布曲线，对所述参数的分布曲线作高斯曲线拟合得到参数分布的方差，根据所述参数分布的方差计算系统噪声分布的方差；构建相位差偏移模型确定相位差偏移值，结合确定相位差偏移值对特定通道间的相位差矩阵分别进行系数校正得到校正后特定通道间的相位差矩阵。

本发明方法的技术方案为一种单站闪电定位系统相位自动校准方法，包括以下步骤：

步骤1：单站闪电定位系统工作在设定的校准探测模式，通过发射系统发射脉冲电磁波，由L型干涉阵列接收回波信号，数字接收系统通过信号检测和回波参数提取后处理得到多个回波目标，多个回波目标通过互相关信号处理后得到特定通道间的相位差矩阵；

步骤2：根据特定通道间的相位差矩阵计算得到伽马参数矩阵；

步骤3：对伽马参数矩阵的参数作直方图得到参数的分布曲线，对所述参数的分布曲线作高斯曲线拟合得到参数分布的方差，根据所述参数分布的方差计算系统噪声分布的方差；

步骤4：结合系统噪声分布的方差构建相位差偏移模型，根据相位差偏移模型确定相位差偏移值，对特定通道间的相位差矩阵分别进行系数校正得到校正后特定通道间的相位差矩阵。

作为优选，步骤1中所述的所述校准探测模式为：

是根据单站闪电定位系统的工作特性，单站闪电定位系统工作频率为VHF甚高频，在无雷暴天气时利用发射系统发射甚高频脉冲电磁波，通过L型干涉阵列可以接收得到流星余迹反射的回波，最终通过数字信号接收系统探测得到的流星余迹回波目标的数据集，并根据数据集的统计特性，可以用于校准系统的相位差；

所述每个回波目标的数据包含5个通道的幅度数据，通道0到通道4分别对应于L型天线阵的5根偶极子天线的序号Ant0-Ant4；

所述特定通道间的相位差矩阵，具体如下：

分别是四组特定通道间的第一相位差矩阵PhaseDiff_0,1、第二相位差矩阵PhaseDiff_0,2、第三相位差矩阵PhaseDiff_0,3、第四相位差矩阵PhaseDiff_0,4；

第一相位差矩阵PhaseDiff_0,1，是由N个回波目标的通道0和通道1之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,1＝[phasediff_0,1(1),phasediff_0,1(2),...,phasediff_0,1(N)]

其中，phasediff_0,1(k)表示第一相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道1之间的相位差；

第二相位差矩阵PhaseDiff_0,2，是由N个回波目标的通道0和通道2之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,2＝[phasediff_0,2(1),phasediff_0,2(2),...,phasediff_0,2(N)]

其中，phasediff_0,2(k)表示第二相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道2之间的相位差；

第三相位差矩阵PhaseDiff_0,3，是由N个回波目标的通道0和通道3之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,3＝[phasediff_0,3(1),phasediff_0,3(2),...,phasediff_0,3(N)]

其中，phasediff_0,3(k)表示第三相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道3之间的相位差；

第四相位差矩阵PhaseDiff_0,4，是由N个回波目标的通道0和通道4之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,4＝[phasediff_0,4(1),phasediff_0,4(2),...,phasediff_0,4(N)]

其中，phasediff_0,4(k)表示第四相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道4之间的相位差。

作为优选，步骤2所述伽马参数矩阵的计算方法，具体如下：

第一个伽马参数矩阵Gamma1：Gamma1＝A*PD

其中，A＝[-d₂/d₁，-1]是1×2的参数矩阵，d₁为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant1的间距，d₂为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant2的间距；PD＝[PhaseDiff_0,1；PhaseDiff_0,2]，为2×N的相位差矩阵；

基于天线0、天线1和天线2计算得到第一个伽马参数矩阵Gamma1；

所述第一个伽马参数矩阵Gamma1定义为：

Gamma1＝[γ₁(1),γ₁(2),...,γ₁(N)]为1×N矩阵，其中γ₁(k)为第k个回波目标，γ₁(k),k∈[1,N]统称为γ₁参数，γ₁参数的范围为[-45°，45°]，利用天线0、天线1和天线2计算得到的伽马参数；

第二个伽马参数矩阵Gamma2：Gamma2＝A*PD2

其中，A＝[-d₂/d₁，-1]是1×2的参数矩阵，d₁为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant1的间距，d₂为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant2的间距；PD2＝[PhaseDiff_0,3；PhaseDiff_0,4]，为2×N的相位差矩阵；

基于天线0、天线3和天线4计算得到第二个伽马参数矩阵Gamma2；

所述第二个伽马参数矩阵Gamma2定义为：

Gamma2＝[γ₂(1),γ₂(2),...,γ₂(N)]为1×N矩阵；其中γ₂(k)为第k个回波目标，γ₂(k),k∈[1,N]统称为γ₂参数，γ₂参数的范围为[-45°，45°]，利用天线0、天线3和天线4计算得到的伽马参数。

作为优选，步骤3所述的对伽马参数矩阵的参数作直方图具体如下：

伽马参数矩阵Gamma1＝[γ₁(1),γ₁(2),...,γ₁(N)]，其中，γ₁(k),k∈[1,N]统称为γ₁参数，γ₁参数值范围为[-45°,45°]，将[-45°,45°]的范围均分为180段，每段间隔0.5°，统计每段参数值范围内的γ₁参数个数，得到直方图曲线步骤1(rk1)；

S1(rk1)＝nk1,rk1∈[1,180]，其中，rk1为分段数，第rk1段表示的值范围是[(rk1-1)*0.5°-45°,rk1*0.5°-45°]，nk1为统计所有γ₁参数中属于第rk1个分段的数量；

伽马参数矩阵Gamma2＝[γ₂(1),γ₂(2),...,γ₂(N)]，其中，γ₂(k),k∈[1,N]统称为γ₂参数，γ₂参数值范围为[-45°,45°]，将[-45°,45°]的范围均分为180段，每段间隔0.5°，统计每段参数值范围内的γ₂参数个数，得到直方图曲线步骤2(rk2)；

S2(rk2)＝nk2,rk2∈[1,180]，其中，rk2为分段数，第rk2段表示的值范围是[(rk2-1)*0.5°-45°,rk2*0.5°-45°]，nk2为统计所有γ₂参数中属于第rk2个分段的数量。

作为优选，步骤3所述对所述参数的分布曲线作高斯曲线拟合得到参数分布的方差，具体如下：

对于步骤2得到的γ₁参数直方图曲线，根据高斯函数方程：

其中，ɑ为高斯函数方程的幅度系数，b为高斯函数方程的均值，c为高斯函数方程的方差，e为指数函数，x为高斯函数方程的变量；

利用最小二乘法对γ₁参数直方图曲线进行多项式拟合，得到高斯函数方程的方差c²，则γ₁参数分布的方差定义为

即得到

对于γ₂参数直方图曲线，根据高斯函数方程：

利用最小二乘法对γ₂参数直方图曲线进行多项式拟合，得到高斯函数方程的方差c₂ ²，则γ₂参数分布的方差定义为

即得到

作为优选，步骤3所述根据所述参数分布的方差计算系统噪声分布的方差，具体如下：

根据γ₁参数分布的方差

和γ₂参数分布的方差

计算系统噪声分布的方差为：

其中，

为γ₁参数分布的方差，

为γ₂的参数分布的方差，

为系统噪声分布的方差。

作为优选，步骤4所述的相位差偏移模型具体如下：

在噪声情况下，系统测量得到的通道间相位差存在两种误差，固定的相位偏移和系统内部的噪声引起的测量误差，表达式为：

φ_meas＝φ_real+α+δ_n

其中，φ_meas为系统测量得到的通道间相位差，φ_real为真实的通道间相位差，α为接收机通道之间存在的固定的相位偏差，δ_n为系统内部的噪声引起的测量误差；

概率分布X的表达式为：X＝A+W，A→u[-π+α，π+α]，

其中，A为范围在[-π+α，π+α]的均匀分布，即相当于真实的通道间相位差和接收机通道之间的相位差，φ_real+α代表的均匀分布，W为方差，即相当于系统内部的噪声引起的测量误差δ_n；

通过LMMSE最小均方根误差估计类推得到通道间相位差偏移估计公式，公式如下：

其中，est_α_i,j为估计的通道i和通道j之间的相位偏移误差，i＝0，j＝[1,4]；

为分布A的标准差，即φ_real+α代表的均匀分布，

为系统噪声分布的方差N为总体数量，

为通道i和通道j之间的测量相位差的平均值，即第一相位差矩阵PhaseDiff_0,1、第二相位差矩阵PhaseDiff_0,2、第三相位差矩阵PhaseDiff_0,3和第四相位差矩阵PhaseDiff_0,4的平均值。

作为优选，步骤4所述的所述校准后的相位差矩阵为：

Phase_calibrated__0,1＝PhaseDiff_0,1－est_α_0,1

Phase_calibrated__0,2＝PhaseDiff_0,2－est_α_0,2

Phase_calibrated__0,3＝PhaseDiff_0,3－est_α_0,3

Phase_calibrated__0,4＝PhaseDiff_0,4－est_α_0,4

其中，Phase_calibrated__i,j表示校准后的通道i和通道j的相位差，PhaseDiff_0,1表示第一相位差矩阵，PhaseDiff_0,2表示第二相位差矩阵，PhaseDiff_0,3表示第三相位差矩阵，PhaseDiff_0,4表示第四相位差矩阵，est_α_i,j表示估计的通道i和通道j之间的相位偏移误差，i＝0，j∈[1,4]。

本发明优点在于，采用上述单站闪电定位系统相位自动校准方法及系统，实现了相位偏移值的获取，解决了传统方法未考虑天线及其反馈带来的相位误差的缺点。同时，实现了自动校准相位调高了相位偏移误差校准的准确性，提高了校准的灵活性。

附图说明

图1：本发明实施例中偶极子天线L型阵列示意图；

图2：本发明实施例的方法流程示意图；

图3：本发明实施例提供的参数作直方图的结果示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

具体实施时，本发明技术方案提出的方法可由本领域技术人员采用计算机软件技术实现自动运行流程，实现方法的系统装置例如存储本发明技术方案相应计算机程序的计算机可读存储介质以及包括运行相应计算机程序的计算机设备，也应当在本发明的保护范围内。

发射系统的选型为：YR18系列FMCW固态雷达；

数字信号接收系统的选型为：M9203A PXIe数字化仪/宽带数字接收机；

如图1所示，本发明实施例的偶极子天线L型阵列包含了两条天线基线，每一条天线基线均包括了三个直线分布的偶极子天线。第一条天线基线包括公共偶极子天线Ant0，偶极子天线Ant1以及偶极子天线Ant2，且三个天线处于同一条直线上；第二条天线基线包括偶极子天线Ant0，偶极子天线Ant3以及天线Ant4，且三个天线处于同一条直线上。天线Ant0位于第一条天线基线与第二条天线基线的交叉点上。天线Ant0作为公共偶极子天线，且所有的天线均为用于接收甚高频信号的偶极子天线，2λ表示两倍波长的天线间距离，2.5λ表示2.5倍波长的天线间距离；

偶极子天线频率39MHz，天线增益5dB，天线驻波比1.2。

如图2所示，本发明实施例的单站闪电定位系统相位自动校准方法，具体步骤如下：

步骤1：单站闪电定位系统工作在设定的校准探测模式，探测得到N＝10000个回波目标，系统接收得到的每一个回波目标的数据包含5个通道的幅度数据，通道0-通道4分别对应于L型天线阵的5根偶极子天线的序号Ant0-Ant4；多个回波目标通过互相关信号处理后可以得到特定通道间的相位差矩阵,

作为优选，步骤1中所述的所述校准探测模式为：

是根据单站闪电定位系统的工作特性，单站闪电定位系统工作频率为VHF甚高频，在无雷暴天气时利用发射系统发射甚高频脉冲电磁波，通过L型干涉阵列可以接收得到流星余迹反射的回波，最终通过数字信号接收系统探测得到的流星余迹回波目标的数据集，并根据数据集的统计特性，可以用于校准系统的相位差；

所述特定通道间的相位差矩阵，具体如下：

分别是四组特定通道间的第一相位差矩阵PhaseDiff_0,1、第二相位差矩阵PhaseDiff_0,2、第三相位差矩阵PhaseDiff_0,3、第四相位差矩阵PhaseDiff_0,4；

第一相位差矩阵PhaseDiff_0,1，是由N个回波目标的通道0和通道1之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,1＝[phasediff_0,1(1),phasediff_0,1(2),...,phasediff_0,1(N)]

其中，phasediff_0,1(k)表示第一相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道1之间的相位差；

第二相位差矩阵PhaseDiff_0,2，是由N个回波目标的通道0和通道2之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,2＝[phasediff_0,2(1),phasediff_0,2(2),...,phasediff_0,2(N)]

其中，phasediff_0,2(k)表示第二相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道2之间的相位差；

第三相位差矩阵PhaseDiff_0,3，是由N个回波目标的通道0和通道3之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,3＝[phasediff_0,3(1),phasediff_0,3(2),...,phasediff_0,3(N)]

其中，phasediff_0,3(k)表示第三相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道3之间的相位差；

第四相位差矩阵PhaseDiff_0,4，是由N个回波目标的通道0和通道4之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,4＝[phasediff_0,4(1),phasediff_0,4(2),...,phasediff_0,4(N)]

其中，phasediff_0,4(k)表示第四相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道4之间的相位差。

步骤2：根据步骤1得到的特定通道间的相位差矩阵，计算得到两个伽马参数矩阵，两个伽马参数矩阵分别为Gamma1和Gamma2；

伽马参数矩阵的获取方式如下：

伽马参数矩阵Gamma1：Gamma1＝A*PD

其中，A＝[-d₂/d₁，-1]是1×2的参数矩阵，d₁＝15m为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant1的间距，d₂＝35m为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant2的间距；PD＝[PhaseDiff01；PhaseDiff02]，为2×N的相位差矩阵；基于天线0、天线1和天线2计算得到第一个伽马参数矩阵Gamma1；

伽马参数矩阵Gamma1定义为：Gamma1＝[γ₁(1),γ₁(2),...,γ₁(N)]为1×N矩阵；其中γ₁(k)为第k个回波目标，γ₁(k),k∈[1,N]统称为γ₁参数，γ₁参数的范围为[-45°，45°]，利用天线0、天线1和天线2计算得到的伽马参数；

伽马参数矩阵Gamma2：Gamma2＝A*PD2

其中，A＝[-d₂/d₁，-1]是1×2的参数矩阵，d₁＝15m为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant1的间距，d₂＝35m为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant2的间距；PD2＝[PhaseDiff03；PhaseDiff04]，为2×N的相位差矩阵；基于天线0、天线3和天线4计算得到第二个伽马参数矩阵，Gamma2为1×N矩阵；

伽马参数矩阵Gamma2定义为：Gamma2＝[γ₂(1),γ₂(2),...,γ₂(N)]为1×N矩阵；其中γ₂(k)为第k个回波目标，γ₂(k),k∈[1,N]统称为γ₂参数，γ₂参数的范围为[-45°，45°]，利用天线0、天线3和天线4计算得到的伽马参数。

步骤3：对步骤2中的伽马参数矩阵Gamma1的N＝100000个γ₁参数作直方图，得到本发明实施例的γ₁的分布曲线，如图3所示。对γ₁的分布曲线通过高斯曲线拟合，获取得到γ₁分布的方差

其中，根据高斯函数方程：

利用最小二乘法对γ₁参数进行多项式拟合，得到高斯函数的方差c²＝15，即γ₁参数分布的方差

同理，对步骤2中的伽马参数矩阵Gamma2的N＝100000个γ₂参数作直方图，得到γ₂的分布曲线，对γ₂的分布曲线通过高斯曲线拟合，获取得到γ₂分布的方差

其中，根据高斯函数方程：

利用最小二乘法对γ₂参数进行多项式拟合，得到高斯函数的方差c²＝15，即γ₂参数分布的方差

根据公式计算系统噪声分布的方差，公式如下：

其中，

为γ₁参数分布的方差，

为γ₂的参数分布的方差，

为系统噪声分布的方差。

步骤4：根据相位差偏移模型，确定相位差偏移值，并利用所述相位差偏移值修正系统测量结果；

步骤4所述的相位差偏移模型具体如下：

在噪声情况下，系统测量得到的通道间相位差存在两种误差，固定的相位偏移和系统内部的噪声引起的测量误差，表达式为：

φ_meas＝φ_real+α+δ_n

其中，φ_meas为系统测量得到的通道间相位差，φ_real为真实的通道间相位差，α为接收机通道之间存在的固定的相位偏差，δ_n为系统内部的噪声引起的测量误差；

概率分布X的表达式为：X＝A+W，A→u[-π+α，π+α]，

其中，A为范围在[-π+α，π+α]的均匀分布，即相当于真实的通道间相位差和接收机通道之间的相位差，φ_real+α代表的均匀分布，W为方差，即相当于系统内部的噪声引起的测量误差δ_n；

通过LMMSE最小均方根误差估计类推得到通道间相位差偏移估计公式，公式如下：

其中，est_α_i,j为估计的通道i和通道j之间的相位偏移误差，i＝0，j＝[1,4]，

est_α_0,1＝16.5°，est_α_0,2＝8.1°，est_α_0,3＝5.2°，est_α_0,4＝16.3，

为分布A的标准差，即φ_real+α代表的均匀分布，

为系统噪声分布的方差N为总体数量，

为通道i和通道j之间的测量相位差的平均值，即第一相位差矩阵PhaseDiff_0,1、第二相位差矩阵PhaseDiff_0,2、第三相位差矩阵PhaseDiff_0,3和第四相位差矩阵PhaseDiff_0,4的平均值。

步骤4所述的所述校准后的相位差矩阵为：

Phase_calibrated__0,1＝PhaseDiff_0,1－est_α_0,1

Phase_calibrated__0,2＝PhaseDiff_0,2－est_α_0,2

Phase_calibrated__0,3＝PhaseDiff_0,3－est_α_0,3

Phase_calibrated__0,4＝PhaseDiff_0,4－est_α_0,4

其中，Phase_calibrated__i,j表示校准后的通道i和通道j的相位差，PhaseDiff_0,1表示第一相位差矩阵，PhaseDiff_0,2表示第二相位差矩阵，PhaseDiff_0,3表示第三相位差矩阵，PhaseDiff_0,4表示第四相位差矩阵，est_α_i,j表示估计的通道i和通道j之间的相位偏移误差，i＝0，j∈[1,4]。

尽管本发明较多地使用了发射系统、数字信号接收系统、L型干涉阵列、电场仪等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (9)

1.一种单站闪电定位系统相位自动校准系统，其特征在于：包括：

发射系统、数字信号接收系统、L型干涉阵列、电场仪；

所述L型干涉阵列由第一条天线基线与第二条天线基线构成；

所述第一条天线基线、第二条天线基线相互正交；

所述第一条天线基线由公共偶极子天线Ant0、第一基线的第1个偶极子天线Ant1和第一基线的第2个偶极子天线Ant2依次排列构成；

所述第二条天线基线由公共偶极子天线Ant0、第二基线的第1个偶极子天线Ant3和第二基线的第2个偶极子天线Ant4依次排列构成；

所述数字信号接收系统分别与所述的电场仪、L型干涉阵列连接；

所述发射系统用于实时发射电磁波信号至等离子体；

所述L型干涉阵列用于实时接收等离子体信号，通过公共偶极子天线Ant0、第一基线的第1个偶极子天线Ant1、第一基线的第2个偶极子天线Ant2、第二基线的第1个偶极子天线Ant3、第二基线的第2个偶极子天线Ant4输入至所述数字信号接收系统。

2.一种应用于权利要求1所述的单站闪电定位系统相位自动校准系统的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：单站闪电定位系统工作在设定的校准探测模式，通过发射系统发射脉冲电磁波，由L型干涉阵列接收回波信号，数字接收系统通过信号检测和回波参数提取后处理得到多个回波目标，多个回波目标通过互相关信号处理后得到特定通道间的相位差矩阵；

步骤2：根据特定通道间的相位差矩阵计算得到伽马参数矩阵；

步骤3：对伽马参数矩阵的参数作直方图得到参数的分布曲线，对所述参数的分布曲线作高斯曲线拟合得到参数分布的方差，根据所述参数分布的方差计算系统噪声分布的方差；

步骤4：结合系统噪声分布的方差构建相位差偏移模型，根据相位差偏移模型确定相位差偏移值，对特定通道间的相位差矩阵分别进行系数校正得到校正后特定通道间的相位差矩阵。

3.根据权利要求2所述的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于：

步骤1中所述的所述校准探测模式，是根据单站闪电定位系统的工作特性，单站闪电定位系统工作频率为VHF甚高频，在无雷暴天气时利用发射系统发射甚高频脉冲电磁波，通过L型干涉阵列可以接收得到流星余迹反射的回波，最终通过数字信号接收系统探测得到的流星余迹回波目标的数据集，并根据数据集的统计特性，可以用于校准系统的相位差；

所述每个回波目标的数据包含5个通道的幅度数据，通道0到通道4分别对应于L型天线阵的5根偶极子天线的序号Ant0-Ant4；

所述特定通道间的相位差矩阵，具体如下：

分别是四组特定通道间的第一相位差矩阵PhaseDiff_0,1、第二相位差矩阵PhaseDiff_0,2、第三相位差矩阵PhaseDiff_0,3、第四相位差矩阵PhaseDiff_0,4；

第一相位差矩阵PhaseDiff_0,1，是由N个回波目标的通道0和通道1之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,1＝[phasediff_0,1(1),phasediff_0,1(2),...,phasediff_0,1(N)]

其中，phasediff_0,1(k)表示第一相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道1之间的相位差；

第二相位差矩阵PhaseDiff_0,2，是由N个回波目标的通道0和通道2之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,2＝[phasediff_0,2(1),phasediff_0,2(2),...,phasediff_0,2(N)]

其中，phasediff_0,2(k)表示第二相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道2之间的相位差；

第三相位差矩阵PhaseDiff_0,3，是由N个回波目标的通道0和通道3之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,3＝[phasediff_0,3(1),phasediff_0,3(2),...,phasediff_0,3(N)]

其中，phasediff_0,3(k)表示第三相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道3之间的相位差；

第四相位差矩阵PhaseDiff_0,4，是由N个回波目标的通道0和通道4之间的相位差组成的1×N矩阵，表示为：

PhaseDiff_0,4＝[phasediff_0,4(1),phasediff_0,4(2),...,phasediff_0,4(N)]

其中，phasediff_0,4(k)表示第四相位差矩阵的第K个回波目标，k∈[1,N]，通过互相关信号处理计算得到的通道0和通道4之间的相位差。

4.根据权利要求3所述的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于：步骤2所述伽马参数矩阵的计算方法，具体如下：

第一个伽马参数矩阵Gamma1：Gamma1＝A*PD

其中，A＝[-d₂/d₁，-1]是1×2的参数矩阵，d₁为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant1的间距，d₂为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant2的间距；PD＝[PhaseDiff_0,1；PhaseDiff_0,2]，为2×N的相位差矩阵；

基于天线0、天线1和天线2计算得到第一个伽马参数矩阵Gamma1；

所述第一个伽马参数矩阵Gamma1定义为：

Gamma1＝[γ₁(1),γ₁(2),...,γ₁(N)]为1×N矩阵，其中γ₁(k)为第k个回波目标，γ₁(k),k∈[1,N]统称为γ₁参数，γ₁参数的范围为[-45°，45°]，利用天线0、天线1和天线2计算得到的伽马参数；

第二个伽马参数矩阵Gamma2：Gamma2＝A*PD2

其中，A＝[-d₂/d₁，-1]是1×2的参数矩阵，d₁为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant1的间距，d₂为偶极子天线Ant0和偶极子天线Ant2的间距；PD2＝[PhaseDiff_0,3；PhaseDiff_0,4]，为2×N的相位差矩阵；

基于天线0、天线3和天线4计算得到第二个伽马参数矩阵Gamma2；

所述第二个伽马参数矩阵Gamma2定义为：

Gamma2＝[γ₂(1),γ₂(2),...,γ₂(N)]为1×N矩阵；其中γ₂(k)为第k个回波目标，γ₂(k),k∈[1,N]统称为γ₂参数，γ₂参数的范围为[-45°，45°]，利用天线0、天线3和天线4计算得到的伽马参数。

5.根据权利要求4所述的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于：

步骤3所述的对伽马参数矩阵的参数作直方图具体如下：

伽马参数矩阵Gamma1＝[γ₁(1),γ₁(2),...,γ₁(N)]，其中，γ₁(k),k∈[1,N]统称为γ₁参数，γ₁参数值范围为[-45°,45°]，将[-45°,45°]的范围均分为180段，每段间隔0.5°，统计每段参数值范围内的γ₁参数个数，得到直方图曲线步骤1(rk1)；

S1(rk1)＝nk1,rk1∈[1,180]，其中，rk1为分段数，第rk1段表示的值范围是[(rk1-1)*0.5°-45°,rk1*0.5°-45°]，nk1为统计所有γ₁参数中属于第rk1个分段的数量；

伽马参数矩阵Gamma2＝[γ₂(1),γ₂(2),...,γ₂(N)]，其中，γ₂(k),k∈[1,N]统称为γ₂参数，γ₂参数值范围为[-45°,45°]，将[-45°,45°]的范围均分为180段，每段间隔0.5°，统计每段参数值范围内的γ₂参数个数，得到直方图曲线步骤2(rk2)；

S2(rk2)＝nk2,rk2∈[1,180]，其中，rk2为分段数，第rk2段表示的值范围是[(rk2-1)*0.5°-45°,rk2*0.5°-45°]，nk2为统计所有γ₂参数中属于第rk2个分段的数量。

6.根据权利要求5所述的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于：

步骤3所述对所述参数的分布曲线作高斯曲线拟合得到参数分布的方差，具体如下：

对于步骤2得到的γ₁参数直方图曲线，根据高斯函数方程：

其中，ɑ为高斯函数方程的幅度系数，b为高斯函数方程的均值，c为高斯函数方程的方差，e为指数函数，x为高斯函数方程的变量；

利用最小二乘法对γ₁参数直方图曲线进行多项式拟合，得到高斯函数方程的方差c²，则γ₁参数分布的方差定义为

即得到

对于γ₂参数直方图曲线，根据高斯函数方程：

利用最小二乘法对γ₂参数直方图曲线进行多项式拟合，得到高斯函数方程的方差c₂ ²，则γ₂参数分布的方差定义为

即得到

7.根据权利要求6所述的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于：

步骤3所述根据所述参数分布的方差计算系统噪声分布的方差，具体如下：

根据γ₁参数分布的方差

和γ₂参数分布的方差

计算系统噪声分布的方差为：

其中，

为γ₁参数分布的方差，

为γ₂的参数分布的方差，

为系统噪声分布的方差。

8.根据权利要求7所述的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于：

步骤4所述的相位差偏移模型具体如下：

在噪声情况下，系统测量得到的通道间相位差存在两种误差，固定的相位偏移和系统内部的噪声引起的测量误差，表达式为：

φ_meas＝φ_real+α+δ_n

其中，φ_meas为系统测量得到的通道间相位差，φ_mreal真实的通道间相位差，α为接收机通道之间存在的固定的相位偏差，δ_n为系统内部的噪声引起的测量误差；

概率分布X的表达式为：X＝A+W，A→u[-π+α，π+α]，

其中，A为范围在[-π+α，π+α]的均匀分布，即相当于真实的通道间相位差和接收机通道之间的相位差，φ_real+α代表的均匀分布，W为方差，即相当于系统内部的噪声引起的测量误差δ_n；

通过LMMSE最小均方根误差估计类推得到通道间相位差偏移估计公式，公式如下：

其中，est_α_i,j为估计的通道i和通道j之间的相位偏移误差，i＝0，j＝[1,4]；

为分布A的标准差，即φ_real+α代表的均匀分布，

为系统噪声分布的方差N为总体数量，

为通道i和通道j之间的测量相位差的平均值，即第一相位差矩阵PhaseDiff_0,1、第二相位差矩阵PhaseDiff_0,2、第三相位差矩阵PhaseDiff_0,3和第四相位差矩阵PhaseDiff_0,4的平均值。

9.根据权利要求8所述的单站闪电定位系统相位自动校准方法，其特征在于：

步骤4所述的所述校准后的相位差矩阵为：

Phase_calibrated__0,1＝PhaseDiff_0,1－est_α_0,1

Phase_calibrated__0,2＝PhaseDiff_0,2－est_α_0,2

Phase_calibrated__0,3＝PhaseDiff_0,3－est_α_0,3

Phase_calibrated__0,4＝PhaseDiff_0,4－est_α_0,4

其中，Phase_calibrated__i,j表示校准后的通道i和通道j的相位差，PhaseDiff_0,1表示第一相位差矩阵，PhaseDiff_0,2表示第二相位差矩阵，PhaseDiff_0,3表示第三相位差矩阵，PhaseDiff_0,4表示第四相位差矩阵，est_α_i,j表示估计的通道i和通道j之间的相位偏移误差，i＝0，j∈[1,4]。

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