专利名称：一种估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法
技术领域：
本发明属于雷电监测预警技术研究领域，涉及一种在由多个探测站和一个中心站组成的云闪雷电探测定位系统中，在中心站精确计算雷电脉冲信号到达任意两个探测站的时间差(TDOA)的方法。
背景技术：
基于信号来波方向(DOA)对雷电辐射源进行定位，其定位精度与空间分辨力将随着雷电辐射源与探测站之间距离的增大而降低。相比之下，基于信号到达时间差(Time Difference Of Arrival, TDOA)的雷电辐射源定位技术，其定位精度与空间分辨力则将随着辐射源与探测站间距的增加而得到提高(当定位双曲面相互正交时为最佳)，但当辐射源非常靠近某个探测站时，TDOA定位的空间分辨力也将急剧下降。获取辐射源发射信号到达两个探测站的时间差有两种方法(1)将两个接收站得到的信号到达时间(TOA)测量值作差；(2)利用互相关技术，计算一个探测站的接收信号与另一个探测站的接收信号之间的互相关函数，然后进行峰值搜索。前一种方法不仅要求各探测站之间保持严格的时钟同步，而且还须知道发射信号波形的先验知识，因而多用于规则脉冲信号情形。采用互相关技术直接计算信号到达时间差，可以完全摆脱对发射信号波形的限制，可用于对雷电脉冲到达时间差的估计，其应用的前提条件依然是各探测站之间必须保持高精度的时钟同步。目前常用的时延估计方法有广义相关时延估计法，如以P. R. Roth命名的ROTH加权广义相关法，以J. C. Hassab和R. E. Boucher命名的HB加权法；用三阶累积量或三阶矩的傅立叶变换的广义双谱时延估计法；利用功率谱与相关函数互为傅立叶变换的广义相位谱时延估计法；以自适应滤波或自适应迭代为特征的自适应时延估计法；基于子空间分解的超分辨时延估计法。在广义相关时延估计法中，在对两个探测站的信号进行相关处理前，先对其进行预滤波，相当于在频域进行加权，有利于增强接收信号的谱分量，提高信噪比，从而获得较高的时延估计精度。这些方法若直接用来求取雷电脉冲的TD0A，其缺点是需要遍历各探测站接收到的所有雷电脉冲信号，运算量非常大，且由于相关峰判决门限不易确定， 导致出现许多虚假估计值。目前，尚未发现对云闪雷电辐射源进行定位时，具备高精度、鲁棒性雷电脉冲信号到达时间差估计的完整方法和实现流程。

发明内容
本发明的目的在于提供一种估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，该方法无需遍历两个探测站接收到的所有雷电脉冲，其计算量和虚假估计结果明显减少，估计精度得到提高，且同时也获得了配对的TDOA信息。本发明提供一种估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，该方法包括下述步骤
第1步对上传到中心站的雷电波形数据块进行拼接和波形还原，得到一个个完整的雷电脉冲，形成雷电脉冲簇；第2步中心站根据设定的时间区间提取位于该时间区间内的各探测站雷电脉冲簇；第3步针对用户输入时间区间内、各探测站的雷电脉冲簇，中心站统计分属于每个探测站的雷电脉冲簇中的脉冲个数，由此计算出这些脉冲所对应的原始雷电波形数据块的总个数，并将该总个数最多的那个探测站作为该时间区间内进行到达时间差计算的参考
探测站，命名为A站，其它探测站称之为一般探测站，命名为B站、C站、D站.......，设一
般探测站的数量为S ；第4步对所述时间区间内参考探测站雷电脉冲簇中的脉冲个数Q进行统计；第5 步令 q=l，s=l;第6步取参考探测站雷电脉冲簇中的第q个脉冲，与第s个一般探测站的脉冲簇中的各个脉冲进行粗关联、细关联，得到同源脉冲配对结果，再计算同源脉冲之间的到达时间差值，最后形成完整的同源脉冲配对及其对应的到达时间差队列；第7步令s = s+1，判断s > S是否成立，如果成立，转入第8步，否则进入第6步；第8步令q = q+1，判断q > Q是否成立，如果成立，转入第9步，否则令s = 1，转入第6步；第9步改变时间区间，重复前述步骤O) (8)，得到位于该时间区间内的同源脉冲对队列和到达时间差队列。本发明方法鲁棒地估计云闪雷电脉冲信号到达任意两个探测站的时间差，它通过若干预处理和判断过程缩小可能关联的雷电脉冲信号范围直至完成雷电脉冲信号的一一配对(得到同源脉冲对)，再利用广义互相关函数或脉冲的包络能量重心来最终估计出 TD0A，这样可以大幅度减小TDOA估计的计算量及可能出现的虚假结果，并依据云闪雷电脉冲的持续时间长度选择不同的TDOA具体计算方法。具体而言，本发明具有以下特点(1)采用两级关联进行脉冲配对，方法简单，运算量低，遗漏或虚假配对的情况大幅度减小，方法鲁棒性强；(2)依据云闪雷电脉冲信号的持续时间长短来选择采用不同的TDOA估计方法，兼顾了计算精度、计算量和结果可信度；(3)通过在互相关函数峰值点附近进行插值，在运算量增加较少的前提下，使 TDOA估计的精度突破了整数倍波形采样间隔的限制，实现了连续时差估计；(4)本发明方法可应用于低信噪比、高信噪比环境，可应用于白噪声、色噪声环境， 易于工程实现。本发明专门针对云闪雷电脉冲信号的特点进行设计，给出了波形关联与同源性判定、到达时间差估计的完整过程，可胜任白噪声和色噪声环境下的TDOA估计要求。本发明所指方法，鲁棒性强，简单可靠，计算结果精度高，易于工程实现。


图1是一种估计云闪雷电脉冲到达时间差的计算流程；图2是雷电发生源与两个探测站的空间几何关系；
图3是雷电脉冲信号的包络能量重心示意图；图4是当两个同源脉冲的长度相同时，利用包络能量重心计算TDOA的原理示意图 (情况一)；图5是当两个同源脉冲的长度相同时，利用包络能量重心计算TDOA的原理示意图 (情况二 )；图6是当两个同源脉冲的长度不相同时，利用包络能量重心计算TDOA的原理示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的内容及具体实施方式
作进一步说明。图1给出了一种在由多个探测站和一个中心站组成的云闪雷电定位系统中，形成同源脉冲队列并计算雷电信号到达任意两个探测站的时间差的方法流程，图2给出了在直角坐标系中雷电发生源与两探测站的空间几何关系，图3给出了雷电信号包络能量重心的定义，图4、图5和图6分别给出了依据两个同源脉冲的包络能量重心计算信号到达时间差 (TDOA)的原理示意图。如图1所示，本发明提供一种鲁棒的云闪雷电脉冲到达时间差的估计方法，其步骤包括(1)雷电脉冲数据块拼接、波形还原、形成雷电脉冲簇为了利用各个探测站上传的雷电波形数据块进行TDOA估计，首先需对上传到中心站的雷电波形数据块进行拼接和波形还原，得到一个个完整的雷电脉冲，形成雷电脉冲簇。以同一个探测站上传到中心站的各个雷电波形数据块为例进行说明。首先，查询该探测站上传到中心站的雷电波形数据块的起始时间、终止时间标记，若前后两个数据块的终止时间、起始时间是连续的，则将这两个数据块拼接为一个较长的数据块。依次类推， 完成该探测站上传的所有数据块的起止时间查询和连续数据块的拼接。若前后两个数据块的终止时间、起始时间是不连续的，则停止本个连续数据块的拼接，重新开始下一个新数据块的拼接过程。对各个探测站上传的所有雷电波形数据块，按上述方式完成各自全部数据块的拼接处理。对上述拼接得到的每个数据块内的数据，按下式进行波形还原，形成雷电脉冲信号数据块
权利要求
1.一种估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，该方法包括下述步骤第1步对上传到中心站的雷电波形数据块进行拼接和波形还原，得到一个个完整的雷电脉冲，形成雷电脉冲簇；第2步中心站根据设定的时间区间提取位于该时间区间内的各探测站雷电脉冲簇；第3步针对用户输入时间区间内、各探测站的雷电脉冲簇，中心站统计分属于每个探测站的雷电脉冲簇中的脉冲个数，由此计算出这些脉冲所对应的原始雷电波形数据块的总个数，并将该总个数最多的那个探测站作为该时间区间内进行到达时间差计算的参考探测站，命名为A站，其它探测站称之为一般探测站，命名为B站、C站、D站.......，设一般探测站的数量为S ；第4步对所述时间区间内参考探测站雷电脉冲簇中的脉冲个数Q进行统计；第5步令q= l，s = 1 ；第6步取参考探测站雷电脉冲簇中的第q个脉冲，与第s个一般探测站的脉冲簇中的各个脉冲进行粗关联、细关联，得到同源脉冲配对结果，再计算同源脉冲之间的到达时间差值，最后形成完整的同源脉冲配对及其对应的到达时间差队列；第7步令s = S+1，判断s > S是否成立，如果成立，转入第8步，否则进入第6步；第8步令q = q+Ι，判断q > Q是否成立，如果成立，转入第9步，否则令s = 1，转入第 6步；第9步改变时间区间，重复前述步骤(2) (8)，得到位于该时间区间内的同源脉冲对队列和到达时间差队列。
2.根据权利要求1所述的估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，其特征在于，第1 步中，按照下述方式对雷电波形数据块进行拼接查询每个探测站上传到中心站的雷电波形数据块的起始时间、终止时间标记，若前后两个数据块的终止时间、起始时间是连续的， 则将这两个数据块拼接为一个较长的数据块；依次类推，完成该探测站上传的所有数据块的起止时间查询和连续数据块的拼接；若前后两个数据块的终止时间、起始时间是不连续的，则停止对本次连续数据块的拼接，重新开始下一个新数据块的拼接过程。
3.根据权利要求1所述的估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，其特征在于，第1 步中，按下式进行波形还原，形成雷电脉冲信号数据块
4.根据权利要求1所述的估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，其特征在于，第6 步中，粗关联是指对两个雷电脉冲的波形相似性进行初步判断，假设、时刻在空间S点处发生雷电，其辐射的雷电脉冲分别于、和、时刻抵达八、 B两站，粗关联判决公式为(τ α- τ s) ·νε-(τΒ-τ5) .Vc| ^ D^Vc · max{Ta, Tb}即
5.根据权利要求4所述的估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，其特征在于，第6 步中，细关联是指对两个雷电脉冲的波形相似性进行最终判断，其过程为从B站潜在同源脉冲簇中，按先后顺序逐次取出各个脉冲并计算其与A站该脉冲的包络互相关系数P i，该计算遍历B站潜在同源脉冲簇队列中的所有脉冲，以此作为雷电脉冲是否真正同源的判决参数，通过与预先设定的互相关系数判决门限进行比较或直接按照取大原则，找出与A站该脉冲真正同源的B站脉冲，形成A、B站同源脉冲对； 其中，雷电脉冲信号的包络为
6.根据权利要求4所述的估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，其特征在于，第5 步中，细关联是指对两个雷电脉冲的波形相似性进行最终判断，其过程为从B站潜在同源脉冲簇中，按先后顺序逐次取出各个脉冲并计算其与A站该脉冲的波形包络归一化均方偏差Ji,该计算遍历B站潜在同源脉冲簇队列中的所有脉冲，以此作为雷电脉冲是否真正同源的判决参数，通过与预设均方偏差门限比较或取小原则，找出与A站该脉冲真正同源的B站脉冲，形成同源脉冲对；其中，雷电脉冲的波形包络归一化均方偏差Ji为
7.根据权利要求4所述的估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，其特征在于，第6 步中，细关联是指对两个雷电脉冲的波形相似性进行最终判断，其过程为从B站潜在同源脉冲簇中，按先后顺序逐次取出各个脉冲并计算其与A站该脉冲的波形包络偏度偏差Si或/和波形包络峰度偏差Ki,该计算遍历B站潜在同源脉冲簇队列中的所有脉冲，以此作为雷电脉冲是否真正同源的判决参数，通过与预设偏度偏差门限或/和峰度偏差门限比较，找出与A站该脉冲真正同源的B站脉冲，形成同源脉冲对，其中，偏度偏差判决门限和峰度偏差判决门限均为0 1. 0之间的一个数值；其中，雷电脉冲的波形包络偏度偏差Si和波形包络峰度偏差Ki分别为
8.根据权利要求6、7或8所述的估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，其特征在于，第6步中，对同源脉冲对进行到达时间差估计过程为当同源脉冲对中的脉冲持续时间较短时，按下式分别计算同源脉冲对中的A站、B站脉冲的包络能量重心八4和ΔΜ
全文摘要
本发明公开了一种估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，步骤为雷电脉冲数据块拼接、波形还原、形成雷电脉冲簇；输入时间区间，提取各站的雷电脉冲簇；确定参考探测站；统计A站雷电脉冲簇中的脉冲个数；雷电脉冲关联与TDOA计算；形成用户指定时间区间内的所有同源脉冲对队列和TDOA队列；改变时间区间，计算并形成新的同源脉冲对队列和TDOA队列。本发明专门针对云闪雷电脉冲信号的特点进行设计，给出了波形关联与同源性判定、到达时间差估计的完整过程，可胜任白噪声和色噪声环境下的TDOA估计要求。本发明方法无需遍历两个探测站接收到的所有雷电脉冲，鲁棒性强，简单可靠，计算结果精度高，易于工程实现。
文档编号G01R29/08GK102298097SQ201110199389
公开日2011年12月28日 申请日期2011年7月15日 优先权日2011年7月15日
发明者罗冶, 郭妩君, 马洪 申请人:华中科技大学