专利名称：单站准三维闪电定位装置和方法
技术领域：
本发明涉及一种闪电定位装置和方法，更具体地，涉及到单站准三维闪电定位系统和方法，适用于单站闪电探测和预警。
背景技术：
闪电是大气中瞬时的强放电过程。根据闪电通道是否接地，可以将闪电分为地闪和云闪。地闪的回击、云闪的K过程等所形成的高功率电磁环境对电气、电子设备和系统的安全运行造成重大威胁。为了研究闪电的毁伤机理、分析闪电的物理过程、有效的对闪电预测预警，不仅需要确定地闪的雷击点(即回击通道与地面的“接触点”)，还需要获取闪电的电通道的三维结构、时空发展过程。美国发明专利No. 4198599和No. 4543580分别利用方向交汇(DF)和到达时间差 (TOA)原理发明了地闪回击的雷击点定位系统，所用的系统均需要多个观测站，并且定位频段为低频(LF)和甚低频(VLF)，定位的主要过程为地闪的雷击点，而不能对闪电的三维空间结构成像。闪电的击穿过程会产生大量的甚高频(VHF)辐射，通过对VHF频段内的闪电辐射定位，可以得到闪电放电通道的空间结构特征。1999年Rison，W在《地球物理研究杂志》 中报道了利用六个或以上工作在VHF频段的天线，通过到达时间差(TOA)定位原理的三维闪电定位系统；2009年中国发明专利200910090115. 3提出了利用两个或以上VHF闪电宽带干涉仪组网实现的三维闪电定位系统。这些系统通过多个观测站组网探测，均可以实现闪电的三维放电通道的定位。然而，不管哪种方法，仅仅通过单个观测站的观测并不能获取闪电的三维通道发展过程。相对单站观测，组网观测对试验成本、场地要求、系统的同步和复杂性以及维护等方面提出了更多要求。电磁波传播速度为3X 108m/s，而大气中的声速在350m/s左右，因而，利用雷声传感器配合雷电电磁脉冲场传感器，通过声-电波的到达时间差可以得到雷击点的距离。美国发明专利No. 6552521B1正是利用这一原理，并配合单站的多个麦克风阵列来实现单站雷击点定位的，其实Few早在1970年便报道了利用雷声传感器阵列进行闪电通道重建的结果。虽然通过雷声传感器克服了多站组网的不便，可以用来单站雷击点定位，却存在以下几个问题一是一次闪电的持续时间一般在Is左右，这意味着首次闻雷和对应的雷电电磁脉冲的时间间隔将会有Is的不确定度，这一不确定因素将会造成350m左右的定距误差；二是专利No. 6552521B1所述系统仅能对雷击点定位，并不能刻画闪电通道的三维结构；三是 Few所述雷声定位系统虽然可以重建三维闪电通道，却不能像VHF定位一样描绘闪电发展的演变过程，即并不能了解在某一时刻对应的哪些闪电通道区域在活跃，相比之下，VHF定位像是一段闪电录像的回放，而雷声定位则是其中一帧图像；四是雷声定位结果一般得到的定位点较少，空间分辨率不足，不容易辨别通道分支等状况
发明内容
本发明的目的是为了提供一种单站准三维闪电定位装置和方法，该系统将闪电产生的声信号和电信号结合，通过设计合理的天线、传感器阵列的配置方式，分析处理方法， 能够仅仅通过单个观测站测量获取闪电放电通道准三维定位结果和时空演变过程，具有包含地闪和云闪的全闪电探测功能，同时提供同步的闪电的声、电综合探测资料。从而克服了多站组网复杂而单站不能三维定位的缺点。本发明的目的可通过如下措施来实现 一种单站准三维闪电定位系统和方法，包括
由三个或以上闪电声-电传感器单元安照一定方式布设，构成传感器阵列，用于获取闪电的声、电磁脉冲信号；
一套数据采集设备，用于完成将上述传感器的模拟量转换为数字量； 一种声、电结合的准三维闪电定位方法，用于将上述数字信号按照指定步骤得到最终闪电放电过程的准三维定位结果。上述的闪电声-电传感器单元构成如

图1，包含接收闪电射频辐射信号的天线1和接收雷声信号的传声器2，以及用于支撑传声器2的水平支架3。上述的传感器阵列的一种基本的布设方式如图2，阵列包含4个上述的闪电声-电传感器单元4-7，放置在同一平面内，4个单元间两两各构成一条基线，形成两条交叉的水平基线，基线间夹角为々。图3为其中一条基线的示意图，基线长度为^ 一般在几米到几十米，可根据场地条件选择，闪电入射方向与基线夹角为〃。图2中代表闪电某时刻位置的点为义S与两条基线间的夹角分别为a、A，S与传感器阵列形成的方位角仰角和径向距离分别为和r。上述的声、电结合的准三维闪电定位方法包含以下步骤
501利用闪电声、电信号求取相对于基线的入射角对于每一条如图2和图3所示的基线，利用不同时刻t的射频和音频信号，通过式(1)获得闪电射频和音频事件相对于基线的夹角的时间序列[〃⑴，A⑴， ⑴]，[〃(j)，A(j)，i(j)]，i，户1，2，3…分别代表射频和音频信号处理结果的时间序列索引。
权利要求
1.一种单站准三维闪电定位装置和方法，包括由三个或以上闪电声-电传感器单元安照一定方式布设，构成传感器阵列，用于获取闪电的声、电磁脉冲信号；一套数据采集设备，用于完成将上述传感器的模拟量转换为数字量；一种声、电结合的准三维闪电定位方法，用于将上述数字信号按照指定步骤得到最终闪电放电过程的准三维定位结果。
2.如权利要求1所述的一种单站准三维闪电定位装置和方法，其特征在于，所述的闪电声-电传感器单元包含接收闪电射频辐射信号的天线、接收雷声信号的传声器，以及用于支撑传声器的水平支架。
3.如权利要求1所述的一种单站准三维闪电定位装置和方法，其特征在于，所述的传感器阵列构成两条交叉基线，基线的夹角任意，基线的长度从几米到几十米范围，可以根据具体的观测环境设置。
4.如权利要求1所述的一种单站准三维闪电定位装置和方法，其特征在于，所述的声、 电结合的准三维闪电定位方法，能够利用所述的闪电的声、电磁脉冲信号，得到闪电放电过程中不同时刻闪电通道的三维定位结果。
5.如权利要求1所述的一种单站准三维闪电定位装置和方法，其特征在于，所述的声、 电结合的准三维闪电定位方法，包含以下步骤S01:利用闪电声、电信号求取相对于基线的入射角；S02:将入射角转化为方位角和仰角；S03:声电方位角仰角匹配；S04:闪电通道三维坐标求取；S05:剩余点的空间坐标插值估计。
6.如权利要求5所述的声、电结合的准三维闪电定位方法，其特征在于，所述的步骤 SOl中，声、电各自信号间的时间差，可由时域相关、频域相位谱等各种时延估计方法获得。
7.如权利要求5所述的声、电结合的准三维闪电定位方法，其特征在于，所述的步骤 S03中，声电方位角仰角匹配的一个实施方法，可以按照时间先后顺序，寻找满足声、电的方位角、仰角相等的序列。
8.如权利要求5所述的声、电结合的准三维闪电定位方法，其特征在于，所述的步骤 S04中，闪电通道三维坐标求取方法中，采用同一闪电事件的声信号和电信号求取径向距离 O
全文摘要
本发明涉及一种单站准三维闪电定位装置和方法，通过将闪电产生的声信号和电信号结合，设计合理的天线和传感器阵列的配置方式，并利用一套声、电结合的准三维闪电定位方法，能够仅仅通过单个观测站测量获取闪电放电通道准三维定位结果和时空演变过程，具有地闪和云闪的全闪电探测功能，同时提供同步的闪电的声、电综合探测资料。本发明适用于对闪电探测精度和定位结果要求较高的气象、航空航天及军事部门的闪电探测和预警，也可作为闪电物理和防护研究的观测手段。
文档编号G01S5/18GK102540145SQ20121000822
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月12日 优先权日2012年1月12日
发明者周璧华, 邱实 申请人:中国人民解放军理工大学