CN116773921A - 一种基于闪电传播时延修正的闪电定位装置 - Google Patents
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Abstract
一种基于闪电传播时延修正的闪电定位装置，属于闪电定位技术领域，解决由闪电传播时延导致的闪电定位出现偏差的问题；包括：多个天线单元、观测站，中心站；天线单元用于接收闪电电磁波信号，并将接收到的闪电电磁波信号送入对应的观测站进行处理，观测站将处理后的数据再传送到中心站，中心站根据接收到的数据进行闪电定位，并将对闪电的波形与触发时间同步后进行压缩存储；通过计算出闪电传播时延，使用一次线性回归对闪电传播时延随传播距离的变化特征进行拟合，从而获取闪电传播时延修正因子，对闪电传播时延进行修正，得到修正后的闪电传播时延对闪电进行定位，装置通过对传播时延进行修正之后，大大减小定位偏差，实现了闪电的精确定位。
Description
技术领域
本发明属于闪电定位技术领域，涉及一种基于闪电传播时延修正的闪电定位装置。
背景技术
1、闪电定位技术
闪电是自然界中一种宏伟壮观的放电现象，具有放电强度大、范围广、时间长等特点，其放电机理十分复杂。研究闪电定位对于天气预报、森林防火等方面都有重要意义。
到达时间差法(TOA)闪电定位技术是目前闪电定位主流的一种定位算法，TOA闪电定位技术的原理如图7所示，对于到达时间差的闪电定位装置，两个独立的闪电观测站通过到达时间差的原理，可以获得一条双曲线，三个独立的闪电观测站可以获得两条独立的双曲线，其交点即为闪电源的位置。三个独立的闪电观测站时间差可以通过双曲线法计算得到辐射源点的二维经纬坐标，四个独立的闪电观测站时间差可以通过双曲面法计算得到辐射源点的三维空间坐标，对于五个独立的闪电观测站时间差数据，通过求解非线性方程组计算得到辐射源点的三维空间坐标及发生时刻。
TOA闪电定位技术的主要误差来自于电磁波自闪电源传输到观测站的达到时间的测量精度。到达时间测量的误差主要来自以下几个方面：1)地形高程变化引起的到达时间延迟；2)电磁波在有限导电性土壤构成的下垫面下传播，高频成分的更快衰减导致的波形展宽带来的测时误差；3)对闪电发生时间估计的误差。在实际应用中，为了获得更高的定位精度，需要对定位系统的时间测量误差进行精确校准和补偿，从而提高闪电定位装置的定位准确性。
2、闪电定位装置
闪电在剧烈放电过程中产生了频谱极宽的电磁辐射，加热空气产生雷声以及电离空气分子产生光辐射，这些闪电的物理效应特征都可以用来对闪电进行探测定位。上世纪七十年代开始发展了使用干涉技术对雷声进行定位，但是因为雷声很难远距离传播限制了该技术的大范围推广。由于云层的遮挡以及白天太阳辐射的污染，对闪电放电的光学观测几乎一直停留在科学研究层面，近年来一些国家和地区开始发展基于卫星平台的全球闪电活动的光学成像观测，中国也发展了基于风云4号静止气象卫星平台的闪电图像仪。基于闪电云内局地击穿产生的射频辐射的干涉探测技术自20世纪80年代成熟以来即显现出独特的优势，可以对雷暴云内闪电通道发展的细节特征进行“透视”观测。但是由于射频辐射的视距传播局限性，这一技术也很难实现真正意义上的地基大范围观测。
闪电放电产生的低频/甚低频电磁脉冲可以在地表和电离层之间的波导空腔内远距离传播，毫无疑问成为地基大范围闪电探测的主要对象。值得指出，在闪电探测定位系统的发展过程中，各类探测定位技术受制于当时的电子技术水平，在揭示闪电放电物理放电过程的特征同时虽然不可避免也存在着一定的局限，但是也推动着闪电探测技术的不断进步。
目前全球典型的闪电探测定位系统主要有：美国国家闪电定位网(NLDN)、美国阿拉莫斯国家实验室的闪电定位网(LASA)、欧洲闪电探测网(EUCLID)、德国的闪电定位网(LINET)、雅典国家天文台的ZEUS系统、美国华盛顿大学主导建立的WWLLN系统、日本的闪电定位网(JLDN)。国内气象和电力部门建设了业务闪电定位网，基于科研目的中科院大气所建立了北京闪电综合探测网(BLNET)，中国科学技术大学建立的江淮混合长基线天电阵列(JASA)。
闪电到达时间差定位系统的定位精度主要取决于多站之间的时间差测量精度。如今的授时技术普遍可以达到优于20ns的水平，因此影响到达时间差定位系统的定位精度的因素主要取决于站网内各子站的几何布局以及闪电脉冲信号的特征提取技术。受到下地面的影响闪电电磁脉冲在传播一段距离后会出现波形展宽，从而给不同子站的精确到达时间测量带来较大不确定性。因此针对传播时延进行修正是提升闪电到达时间差定位系统的定位性能的重要工作。
3、闪电传输时延
当闪电电磁波沿地球表面传播至数百公里时，大地作为有耗介质通过散射、吸收等方式对闪电电磁波产生损耗，其中闪电电磁波不同频率分量随距离的衰减特性并不一样，高频部分在近距离内最先衰减，低频部分较晚衰减。当电磁场在均匀且有限导电的地面上传播时，场中的高频会被快速衰减，这导致电磁场的幅度减小，并且其上升时间会随着在陆地上传播距离的增加而增加。
地面对电磁场的影响主要体现在两个方面：一是地面的电学特征如电导率等，例如水和湿地等材料对低频和甚低频信号的传输具有很低的衰减率，而沙土等则具有很高的衰减率。在考虑地面电学特征时，前人讨论过当地面分层时，传播效应具体取决于电导率和土壤分层。但是土壤分层主要对于高频分量的影响较为显著，一种效应为土壤对电磁波的反射，另一种是土壤对透射入土壤内部的电磁波的损耗。不同类型的土壤(砂土、黏土等)、土壤含盐量、土壤颗粒半径、有机物含量、水分保持能力等属性均会对土壤电导率构成影响，并进而影响到闪电低频/甚低频传输过程的特性。地面对电磁场的影响的另一个主要因素是地表起伏和不规则性，这主要是因为高山、深谷在电波传输过程中不仅会造成不同程度的障碍，同时会影响实际传输路径长度。
发明内容
本发明的目的在于如何设计一种基于闪电传播时延修正的闪电定位装置，以解决由闪电传播时延导致的闪电定位出现偏差的问题。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
一种基于闪电传播时延修正的闪电定位装置，包括：多个天线单元、多个观测站以及中心站；所述的天线单元用于接收闪电电磁波信号，并将接收到的闪电电磁波信号送入对应的观测站进行处理，观测站将处理后的数据再传送到中心站，中心站根据接收到的数据进行闪电定位，并将对闪电的波形与触发时间同步后进行压缩存储；
所述的闪电定位的方法为：
S1、采用闪电定位装置中多个独立的观测站，获取到闪电传播的多条双曲线，从而确定闪电发生的最优时间T1，以及在闪电发生的最优时间T1条件下第i个观测站理论上观测到闪电的时间T1i，其中i＝1、2、3、…、n；
S2、计算闪电传播时延，具体方法如下：
对于第i个观测站而言，不考虑传播时延时，存在以下关系：
其中，c为光速；Si为闪电发生的位置到第i个观测站的传播距离，通过观测站经纬度及闪电定位装置探测到的闪电定位的经纬度计算所得；
考虑传播时延时，存在以下关系：
T2i-△ti＝T1i
则闪电传播时延为：
其中，T2i为闪电定位装置中第i个观测站实际观测到闪电对应的时间；
S3、采集闪电定位装置的观测数据，基于闪电定位偏差传播距离的增大而增大的特点,使用一次线性回归对闪电传播时延随传播距离的变化特征进行拟合，从而获取闪电传播时延修正因子，采用获取的闪电传播时延修正因子对步骤S2中的闪电传播时延△ti进行修正，得到修正后的闪电传播时延如下式：
其中，修正后的闪电传播时延，δ为闪电传播时延修正因子；
S4、使用对闪电从发生位置传播到达第i个观测站的时间差τ1,i(x,y)进行修正，得到修正后的时间差/>即，
再由公式：
建立方程组，从求解得到闪电源坐标；
其中，(x,y)为闪电发生位置的坐标，(xsi,ysi)为第i个观测站的坐标，Dis((x,y),(xsi,ysi))为闪电发生位置到第i个观测站之间的距离。
本发明的优点在于：
本发明的装置天线单元用于接收闪电电磁波信号，并将接收到的闪电电磁波信号送入对应的观测站进行处理，观测站将处理后的数据再传送到中心站，中心站根据接收到的数据进行闪电定位，并将对闪电的波形与触发时间同步后进行压缩存储；通过计算出闪电传播时延，使用一次线性回归对闪电传播时延随传播距离的变化特征进行拟合，从而获取闪电传播时延修正因子，对闪电传播时延进行修正，得到修正后的闪电传播时延对闪电进行定位，本发明的装置对传播时延进行修正之后，大大减小定位偏差，实现了闪电的精确定位。
附图说明
图1是本发明实施例的基于闪电传播时延修正的闪电定位装置的示意图；
图2是本发明实施例的基于闪电传播时延修正的闪电定位装置的四个独立的闪电观测站进行闪电示意图；
图3是一次线性回归对传播时延随传播距离的变化特征进行拟合的效果图；
图4是利用HF观测站、JS观测站、FN观测站、HB观测站对安徽地区发生的闪电事件进行定位未进行传播时延修正的定位结果图；
图5是利用HF观测站、JS观测站、FN观测站、HB观测站对安徽地区发生的闪电事件进行定位进行传播时延修正前后的定位结果差异对比图；
图6是传播时延修正前后利用LT观测站组成混合长基线定位网的定位误差的分布图；
图7是使用三个观测站进行闪电定位的到达时间差定位原理图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，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作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。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，本实施例的基于闪电传播时延修正的闪电定位装置包括：多个天线单元、多个观测站以及一个中心站；所述的天线单元用于接收闪电电磁波信号，并将接收到的闪电电磁波信号送入对应的观测站进行处理，观测站将处理后的数据再传送到中心站，中心站根据接收到的数据进行闪电定位，并将对闪电的波形与触发时间同步后进行压缩存储。
所述的闪电定位的方法具体如下：
如图2所示，利用闪电定位装置的四个独立的闪电观测站，获取到闪电电磁波相关的三条双曲线，这三条双曲线由于闪电电磁波在传输过程中受地面粗糙度、电导率等因素的影响，其传输时间存在延时，到达时间差存在误差，三条双曲线的交点一般为一个闪电位置的误差圆；通常这个误差圆的中心应该是闪电源发生最有可能的位置。
对于四个到达时间差闪电定位装置观测站定位到的闪电事件，定义：
T1为闪电定位装置所确定的闪电发生的最优时间；这个最优时间通常由四个观测站所形成的三条双曲线方程所确定；
T1i为闪电定位装置所确定的闪电发生的最优时间条件下，第i个闪电观测站理论上观测到闪电的时间；
T2i为闪电定位装置中第i个闪电观测站实际观测到闪电对应的时间；
Si为闪电到第i个闪电观测站的理想传播距离，它通过观测站经纬度及闪电定位探测到的闪电定位的经纬度计算所得；
在闪电定位装置中，为了进行到达时间差的定位，存在以下假定：
1)闪电电磁波以光速c进行传播；
2)不考虑闪电电磁波在传输过程中，因地面地形及土壤电导率特征等因素产生的时延效应。
因此，对于第i个观测站而言，不考虑传播时延时，存在以下关系：
其中，c为光速；Si为闪电发生的位置到第i个观测站的传播距离，通过观测站经纬度及闪电定位装置探测到的闪电定位的经纬度计算所得；
考虑传播时延时，存在以下关系：
T2i-△ti＝T1i
则闪电传播时延为：
其中，T2i为闪电定位装置中第i个观测站实际观测到闪电对应的时间；
其中闪电传播时延Δti主要与以下因素相关：
1)由于地面电导率、地面起伏等因素的影响，闪电电磁波的实际传输速度可能小于光速c；
2)地球表面不光滑,所以两点之间的实际路径可能会得到比光滑地球表面上的理想距离长；
3)TOA传感器的硬件、软件处理时带来的固有的误差；
4)当距离增加时,闪电电磁波传输时的其场强随距离的增加而减小。由于开始时间的计算算法，开始时间，即报告的到达时间，将随着距离的增加而延迟，所以雷电强度的影响也是一个到达时间延迟的重要原因。
采集闪电定位装置的观测数据，基于闪电定位偏差传播距离的增大而增大的特点，使用一次线性回归对闪电传播时延随传播距离的变化特征进行拟合，从而获取闪电传播时延修正因子，采用获取的闪电传播时延修正因子对闪电传播时延△ti进行修正，得到修正后的闪电传播时延，如下式：
其中，修正后的闪电传播时延，δ为闪电传播时延修正因子；
使用对闪电从发生位置传播到达第i个观测站的时间差τ1,i(x,y)进行修正，得到修正后的时间差/>即，
再由公式：
建立方程组，从求解得到闪电源坐标；
其中，(x,y)为闪电发生位置的坐标，(xsi,ysi)为第i个观测站的坐标，Dis((x,y),(xsi,ysi))为闪电发生位置到第i个观测站之间的距离。
验证：
采用江淮混合长基线天电阵列(JASA)的采集数据对本发明实施例的方法进行验证。目前，江淮混合长基线天电阵列(JASA)已建设有乐亭观测站、曹妃甸观测站、唐山观测站、城口观测站、金佛山观测站、武汉观测站、合肥观测站、阜南观测站、嘉山观测站、淮北观测站、池州观测站、上海观测站、赣州观测站、广州观测站及海口观测站，共计17个观测站。
表12021年江淮混合长基线天电阵列观测站
为了评估传播对于闪电脉冲测时的影响，采集2019年8月26日至2019年8月29日江淮混合长基线天电阵列(JASA)对雷暴的观测数据，根据系统记录的闪电波形，通过HF观测站(合肥观测站)、JS观测站(嘉山观测站)、FN观测站(阜南观测站)、HB观测站(淮北观测站)的定位值为基准，即假定上述四站的定位时间为闪电发生的最优时间T1，计算闪电传播到LT观测站(乐亭观测站)的理论传输时间，并与LT观测站记录的波形提取的到达时间进行对比，得到各次闪电事件相对LT观测站的闪电传播时延，如图2所示。由图中可以看出，LT观测站分析得到的闪电传播时延随着距离变化而变化。在东北、华北地区(距离小于500公里时)其时延主要分布在10μs以内，在江淮地区(距离在500-1000公里时)其时延在10-20μs之间，在珠三角地区(距离在1500-2000公里时)时延在20μs以上，闪电传播时延其分布呈现距离LT观测站越远其时间延时愈大，反之愈小。
为了更清晰地表征闪电传播时延与传输距离之间的关系，提取所有闪电事件(剔除海上闪电事件)的闪电传播时延及距离，并作图示于图3。图3显示，随着传播距离的增加，江淮混合长基线天电阵列记录的闪电脉冲波形提取的到达时间也存在一定程度的时延，而且该时延随着传播距离的增加而增加。使用一次线性回归来对传播时延随距离的变化特征进行拟合，得到拟合表达式如下：
y＝x×0.017
其中，x代表闪电事件距离LT观测站的距离，单位为公里，y代表实测脉冲到达时间与理论计算的到达时间之差，即闪电传播时延，单位为μs。上述拟合关系表明，江淮混合长基线天电阵列测量的脉冲传播时延约为1.7微秒每百公里。
如图4所示，HF观测站、JS观测站、FN观测站、HB观测站组成一个覆盖安徽地区的站网，其中HB观测站位于安徽省北部，JS观测站位于安徽省东部，FN观测站位于安徽省西部，HF观测站位于安徽省中部地区，它们的布局和相互距离便于对于江淮地区的闪电探测和定位闪电事件。由于这些闪电事件发生在四站组成的站网内部，定位精度相对较高。这意味着所选取的事件在空间位置上的误差较小，能够较为准确地反映实际闪电事件的发生地点。
为了对比对传播时延进行修正前后的定位结果差异，把上述定位结果叠加在图5中。可以看出由于时延的存在，导致修正前闪电定位结果存在明显的向着西南便宜偏差，这种偏移随着距离的增大而增大。这是由于未对LT观测站传播时延进行修正时，实际测量到的到达时间比真实的到达时间更大，导致在LT观测站看来这些闪电事件好像是从距离LT观测站更远的位置传播过来的。因此，由于时延的存在，导致修正前后闪电定位结果存在明显的偏差，时延使得闪电定位结果向东北偏移(LT观测站的位置)。这种偏移随着距离的增大而增大。
为了进一步分析传播时延修正对于到达时间差定位系统的定位结果的影响，图6给出了传播时延修正前后利用LT观测站组成混合长基线定位网的定位误差的分布，其中闪电事件的真实位置是以HF观测站、JS观测站、FN观测站、HB观测站的定位结果为参考，由于这些闪电事件发生在这四个观测站组成的站网的内部，定位精度较高。当用LT观测站取代HB观测站，重新组成一个基线长度300km-1000km的混合基线网络并对上述闪电事件进行定位，二者的位置偏差视作混合长基线组网的定位误差。图6可以看出，在对LT观测站的传播时延进行修正前，定位的闪电事件误差普遍在1km以上，然而在对LT观测站的传播时延进行修正之后，定位误差在1km以内的定位个例超过了84％(未修正前只有24％)，其中200米以内的定位个例超过了37％(未修正前只有16％)。这一结果表明，即使引入了1000km基线，在对闪电脉冲的传播时延进行修正之后，同样可以实现闪电脉冲事件的精确定位。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (1)
1.一种基于闪电传播时延修正的闪电定位装置，其特征在于，包括：多个天线单元、多个观测站以及中心站；所述的天线单元用于接收闪电电磁波信号，并将接收到的闪电电磁波信号送入对应的观测站进行处理，观测站将处理后的数据再传送到中心站，中心站根据接收到的数据进行闪电定位，并将对闪电的波形与触发时间同步后进行压缩存储；
所述的闪电定位的方法为：
S1、采用闪电定位装置中多个独立的观测站，获取到闪电传播的多条双曲线，从而确定闪电发生的最优时间T1，以及在闪电发生的最优时间T1条件下第i个观测站理论上观测到闪电的时间T1i，其中i＝1、2、3、…、n；
S2、计算闪电传播时延，具体方法如下：
对于第i个观测站而言，不考虑传播时延时，存在以下关系：
其中，c为光速；Si为闪电发生的位置到第i个观测站的传播距离，通过观测站经纬度及闪电定位装置探测到的闪电定位的经纬度计算所得；
考虑传播时延时，存在以下关系：
T2i-Δti＝T1i
则闪电传播时延为：
其中，T2i为闪电定位装置中第i个观测站实际观测到闪电对应的时间；
S3、采集闪电定位装置的观测数据，基于闪电定位偏差传播距离的增大而增大的特点,使用一次线性回归对闪电传播时延随传播距离的变化特征进行拟合，从而获取闪电传播时延修正因子，采用获取的闪电传播时延修正因子对步骤S2中的闪电传播时延Δti进行修正，得到修正后的闪电传播时延如下式：
其中，修正后的闪电传播时延，δ为闪电传播时延修正因子；
S4、使用对闪电从发生位置传播到达第i个观测站的时间差τ1,i(x,y)进行修正，得到修正后的时间差/>即，
再由公式：
建立方程组，从求解得到闪电源坐标；
其中，x,y为闪电发生位置的坐标，xsi,ysi为第i个观测站的坐标，Disx,y,xsi,ysi为闪电发生位置到第i个观测站之间的距离。
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| CN202310478325.XA Pending CN116773921A (zh) | 2023-04-28 | 2023-04-28 | 一种基于闪电传播时延修正的闪电定位装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116773921A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116990596A (zh) * | 2023-09-27 | 2023-11-03 | 南京气象科技创新研究院 | 一种基于海上平台的闪电定位探测系统及方法 |
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2023
- 2023-04-28 CN CN202310478325.XA patent/CN116773921A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116990596A (zh) * | 2023-09-27 | 2023-11-03 | 南京气象科技创新研究院 | 一种基于海上平台的闪电定位探测系统及方法 |
| CN116990596B (zh) * | 2023-09-27 | 2023-12-01 | 南京气象科技创新研究院 | 一种基于海上平台的闪电定位探测系统及方法 |
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