基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系统及方法与流程

本发明涉及电离层探测技术领域，尤其涉及一种基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系统及方法。

背景技术：

由于电离层具有反射无线电波的特性，对无线通信具有重要应用。为获取良好的通信效果，需要对电离层进行探测以获取特性参量。目前，受探测手段的限制，对电离层的探测和研究主要集中在E层和F层，而D层的探测研究较少。D层高度大约为50～100km，对于探空气球则太高，对于卫星探测又太低。火箭探测能够获取电离层D层的参量特征，但是存在花费大、探测范围局域性的问题。

在实现本发明实施例的过程中，发明人发现：电离层D层能够反射VLF-LF电磁波，其反射信号包含D层的信息。并且大地-电离层波导之间传输的VLF-LF信号具有较小的传输损耗，因此可采用VLF-LF电磁波遥测电离层D层。

实际应用中，人工产生高功率的VLF-LF电磁波需要消费较多的能源，并且仅能在局部区域应用，无法大范围推广应用。

雷暴中闪电放电是地球上广泛分布且频繁发生的剧烈放电事件(～100次/秒)，具有高功率、大电流等特征，能够产生强烈的电磁辐射(辐射功率达几十GW)，虽然频率分布范围很广(～GHz)，但能量主要集中在VLF-LF波段。考虑到电离层地基遥测对于高强度VLF-LF电磁信号的需求，闪电放电有望为连续大范围的电离层遥测提供一种理想的工具。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系统及方法，用于解决现有技术中人工产生高功率VLF-LF电磁波浪费较多能源且无法大范围推广应用的问题。

第一方面，本发明提供了一种基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系统，所述系统包括：至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置和中心处理装置；所述至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置架设在探测距离范围内的不同位置；所述至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置与所述中心处理装置通信连接；其中，

每个闪电低频脉冲信号探测采集装置用于采集闪电低频脉冲信号进行处理得到天波地波脉冲对及其时间、到达时间差；所述天波地波对包括直接到达每个闪电低频脉冲信号探测采集装置的地波信号、经过电离层D层反射后到达每个闪电低频脉冲信号探测采集装置的第一天波信号和先经大地反射再经过电离层D层反射后到达每个闪电低频脉冲信号探测采集装置的第二天波信号；

所述中心处理装置用于根据所述地波信号、第一天波信号和第二天波信号的到达时间差反演电离层D层的高度。

可选地，所述闪电低频脉冲信号探测采集装置包括：闪电低频脉冲信号传感器、信号采集模块、高精度时钟模块、信号特征提取模块、天波地波脉冲鉴别模块和无线传输模块；其中，

所述闪电低频脉冲信号传感器，用于探测响应范围内的闪电放电产生的闪电低频脉冲信号；

所述信号采集模块与所述闪电低频脉冲信号传感器通信连接，用于按照预设采样频率对所述闪电低频脉冲信号进行采样得到闪电低频脉冲数字信号；

所述高精度时钟模块与所述信号采集模块通信连接，用于为所述闪电低频脉冲数字信号标记时间戳；

所述信号特征提取模块与所述信号采集模块通信连接，用于提取闪电低频脉冲数字信号的波形特征；所述波形特征包括上升沿、下降沿、半峰宽、信噪比、峰值时间和幅度中的一种或多种；

所述天波地波脉冲鉴别模块与所述信号特征提取模块通信连接，用于获取地波、第一天波、第二天波的时间及到达时间差；

所述无线传输模块与所述天波地波脉冲鉴别模块通信连接，用于将地波、第一天波、第二天波的时间及到达时间差发送给所述中心处理装置。

可选地，所述闪电低频脉冲信号传感器为鞭状天线或平板天线，且该闪电低频脉冲信号传感器的灵敏度为0.4V/m，其带宽为10k～500kHz。

第二方面，本发明实施例还提供了一种基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测方法，基于第一方面所述的基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系统实现，所述方法包括：

每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集闪电低频脉冲信号进行处理得到天波地波脉冲对及其时间、到达时间差；所述天波地波对包括直接到达每个闪电低频脉冲信号探测采集装置的地波信号、经过电离层D层反射后到达每个闪电低频脉冲信号探测采集装置的第一天波信号和先经大地反射再经过电离层D层反射后到达每个闪电低频脉冲信号探测采集装置的第二天波信号；

中心处理装置用于根据第一天波、第二天波和地波的到达时间差与路径差的关系反演电离层D层的高度。

可选地，所述每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集闪电低频脉冲信号进行处理得到天波地波脉冲对及其时间、到达时间差的步骤包括：

闪电低频脉冲信号传感器探测响应范围内的闪电放电产生的闪电低频脉冲信号；

信号采集模块按照预设采样频率对所述闪电低频脉冲信号进行采样得到闪电低频脉冲数字信号；

高精度时钟模块为所述闪电低频脉冲数字信号标记时间戳；

信号特征提取模块提取闪电低频脉冲数字信号的波形特征；所述波形特征包括上升沿、下降沿、半峰宽、信噪比、峰值时间和幅度中的一种或多种；

天波地波脉冲鉴别模块获取地波、第一天波、第二天波的时间及到达时间差；

无线传输模块将地波、第一天波、第二天波的时间及到达时间差发送给所述中心处理装置。

可选地，所述中心处理装置用于根据天波和地波的到达时间差与路径差的关系反演电离层D层的高度的步骤包括：

根据每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集的地波与第一天波的到达时间差和光速计算地波与第一天波的第一路径差；所述第一天波为闪电放电闪电低频脉冲信号经过电离层D层反射形成的天波；

根据每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集的地波与第二天波的到达时间差和光速计算地波与第二天波的第二路径差；所述第二天波为闪电放电闪电低频脉冲信号先经大地反射再经过电离层D层反射形成的天波；

根据每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集的地波、第一天波、第二天波、第一路径差和第二路径差反演电离层D层的高度。

可选地，所述地波、所述第一天波、所述第二天波、所述第一路径差和所述第二路径差采用以下计算式计算：

所述地波计算式为：

所述第一天波计算式为：

所述第二天波计算式为：

所述第一路径差计算式为：

P_ib-P_ia＝Ti_ba*c；

所述第二路径差计算式为：

P_ic-P_ia＝Ti_ca*c；

其中，

ri＝Re*arcos[sin(xi)*sin(x)+cos(xi)*cos(x)cos(yi-y)]*pi/180；

Ti_ba，Ti_ca分别表示第i个闪电低频脉冲信号探测采集装置所采集的第一天波、第二天波与地波之间的到达时间差；闪电放电位置为(x,y,hs)x,y为经度和纬度，hs为闪电放电位置高度；第i个闪电低频脉冲信号探测采集装置坐标为(xi,yi,zi)，xi,yi分别为经度和纬度，zi为第i个闪电低频脉冲信号探测采集装置的高度；Re为地球平均半径。

可选地，所述根据每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集的地波、第一天波、第二天波、第一路径差和第二路径差反演电离层D层的高度的步骤中利用以下计算式计算高度：

可选地，利用最小二乘法获取电离层D层的高度的最优解。

由上述技术方案可知，本发明实施例通过设置至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置，由每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集闪电放电信号，然后处理该闪电放电信号得到地波、第一天波、第二天波的到达时间，第一天波与地波、第二天波与地波的到达时间差，然后由中心处理装置根据上述数据反演电离层D层的高度。与现有技术相比较，本发明实施例仅需要在不同位置设置至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集闪电放电低频信号即可，安装简单方便；利用闪电放电作为辐射源，无需人工产生高功率VLF-LF电磁波，极大的节省了能源。另外，由于闪电放电可以发生在不同位置，合理调整闪电低频脉冲信号探测采集装置的位置即可测量不同位置电离层的高度，能够大范围推广应用，提高电离层D层探测系统的适应范围以及使用率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系统的原理示意图；

图2是闪电低频脉冲信号路径示意图；

图3是每个闪电低频脉冲信号探测采集装置接收的闪电低频脉冲信号示意图；

图4是闪电低频脉冲信号探测采集装置结构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测方法的流程示意图；

图6是闪电低频脉冲信号探测采集装置处理闪电低频脉冲信号的流程示意图；

图7是中心处理装置反演电离层D层高度的流程示意图。

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。

图1是本发明实施例提供的一种基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系统的原理示意图。参见图1，该电离层D层探测系统包括：至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置1和中心处理装置2。至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置1与中心处理装置2通信连接。其中，

每个闪电低频脉冲信号探测采集装置1用于采集闪电低频脉冲信号0进行处理得到天波地波脉冲对及其时间、到达时间差。所述天波地波对包括直接到达每个闪电低频脉冲信号探测采集装置的地波信号、经过电离层D层反射后到达每个闪电低频脉冲信号探测采集装置的第一天波信号和先经大地反射再经过电离层D层反射后到达每个闪电低频脉冲信号探测采集装置的第二天波信号；

所述中心处理装置2用于根据所述地波信号、第一天波信号和第二天波信号的到达时间差反演电离层D层的高度。

本发明实施例中采用至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置1，每个闪电低频脉冲信号探测采集装置1设置在不同位置，并且任意两个闪电低频脉冲信号探测采集装置1间隔一定距离，这样可以提高计算精度。实际应用中，上述闪电低频座号采集装置1的数量设置两个即可计算出电离层D层的高度。优选地，本发明实施例中闪电低频脉冲信号探测采集装置1的数量需要超过3个，图1中闪电低频脉冲信号探测采集装置1的数量为4个，利用多余的闪电低频脉冲信号探测采集装置1获取的数据，综合计算电离层高度，能够优化计算结果，从而保证探测精度。

如图2所示，本发明实施例中闪电放电所产生的闪电低频脉冲信号0直接到达闪电低频脉冲信号探测采集装置1的脉冲称为地波(图2中a所示)，上述闪电低频脉冲信号0经过电离层D层反射后到达闪电低频脉冲信号探测采集装置1的脉冲称为第一天波(图2中b所示)，上述闪电低频脉冲信号0先经过大地反射再经过电离层D层反射后到达闪电低频脉冲信号探测采集装置1的脉冲称为第二天波(图2中c所示)。如图3所示，闪电低频脉冲信号探测采集装置1在某一段时间内采集到的脉冲包括地波a、第一天波b和第二天波c，并为其标好到达时间。

实际应用中，如图4所示，本发明实施例中闪电低频脉冲信号探测采集装置1包括：闪电低频脉冲信号传感器M11、信号采集模块M12、高精度时钟模块M13、信号特征提取模块M14、天波地波脉冲鉴别模块M15和无线传输模块M16，并且依次通信连接。其中，闪电低频脉冲信号传感器M11，用于探测响应范围内的闪电放电产生的闪电低频脉冲信号。信号采集模块M12与闪电低频脉冲信号传感器M11通信连接，用于按照预设采样频率对闪电低频脉冲信号M11进行采样得到闪电低频脉冲数字信号。高精度时钟模块M13与信号采集模块M12通信连接，用于为闪电低频脉冲数字信号标记时间戳。信号特征提取模块M14与信号采集模块M12通信连接，用于提取闪电低频脉冲数字信号的波形特征；所述波形特征包括上升沿、下降沿、半峰宽、信噪比、峰值时间和幅度中的一种或多种。天波地波脉冲鉴别模块M15与信号特征提取模块M14通信连接，用于获取地波、第一天波、第二天波的时间及到达时间差。无线传输模块M16与天波地波脉冲鉴别模块M15通信连接，用于将地波、第一天波、第二天波的时间及到达时间差发送给所述中心处理装置2。

实际应用中，上述闪电低频脉冲信号传感器M11可以采用鞭状或平板天线(包括相应的积分调理电路)，其灵敏度需要优于0.4V/m，带宽为10k～500kHz，此闪电低频脉冲信号传感器M11可以探测500km以上范围内的闪电放电所产生的闪电低频脉冲信号。当然，本领域技术人员可以根据具体情况选择合适的闪电低频脉冲信号传感器的电路结构，在满足上述参数的情况下同样可以实现本发明实施例的方案。

实际应用中，上述信号采集模块M12、高精度时钟模块M13、信号特征提取模块M14、天波地波脉冲鉴别模块M15和无线传输模块M16可以在FPGA单板机上实现。

例如，信号采集模块M12在FPGA单板机上系统开发，以预设采样频率不低于1MS/s的速度将闪电低频脉冲信号传感器M11所采集的闪电低频脉冲信号进行模数转换，从而得到闪电低频脉冲数字信号。

上述高精度时钟模块M13采用天线和卫星信号接收芯片实现，可以接收来自GPS卫星信号或北斗卫星信号。该高精度时钟模块M13根据GPS卫星信号或者北斗卫星信号对上述闪电低频脉冲数字信号标记时间戳。实际应用中，该高精度时钟模块M13的时间精度不低于30ns。本领域技术人员可以根据具体场景选择相应的高精度时钟模块M13的实际电路，本发明不作限定。

上述信号特征提取模块M14在FPGA单板机上系统开发，可以提取如图3所示的闪电低频脉冲数字信号的上升沿、下降沿、半峰宽、信噪比、峰值时间和幅度等波形特征。当然，本领域技术人员可以根据具体场景选择不同的波形特征，本发明不作限定。

上述天波地波脉冲鉴别模块M15可以在FPGA芯片上实现，用于根据上述波形特征地波及其对应的第一天波和第二天波，根据波形相关的方法，获取地波、第一天波和第二天波的脉冲峰值的时间，并且得到第一天波和地波的第一到达时间差，第二天波和地波之间的第二到达时间差。上述天波地波脉冲鉴别模块M15将上述时间和第一到达时间差、第二到达时间差发送给上述无线传输模块M16，由后者通过广域网发送给中心处理装置2。

中心处理装置2可以采用单片机、DSP芯片、ARM芯片或FPGA芯片实现。该中心处理装置2根据上述地波、第一天波和第二天波的脉冲峰值的时间，第一到达时间差、第二到达时间差可以反演出电离层D层的高度。本领域技术人员可以根据具体场景选择中心处理装置2的电路结构，本发明不作限定。

为体现本发明实施例提供的基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系统的优越性，本发明实施例提供了一种基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测方法，如图5所示，所述方法包括：

S1、每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集闪电低频脉冲信号进行处理得到天波地波脉冲对及其时间、到达时间差。如图6所示，步骤S1中进一步包括：

S11、闪电低频脉冲信号传感器探测响应范围内的闪电放电产生的闪电低频脉冲信号；

S12、信号采集模块按照预设采样频率对所述闪电低频脉冲信号进行采样得到闪电低频脉冲数字信号；

S13、高精度时钟模块为所述闪电低频脉冲数字信号标记时间戳；

S14、信号特征提取模块提取闪电低频脉冲数字信号的波形特征；所述波形特征包括上升沿、下降沿、半峰宽、信噪比、峰值时间和幅度中的一种或多种；

S15、天波地波脉冲鉴别模块获取地波、第一天波、第二天波的时间及时间差；

S16、无线传输模块将地波、第一天波、第二天波的时间及时间差发送给所述中心处理装置。

S2、中心处理装置用于根据天波和地波的到达时间差与路径差的关系反演电离层D层的高度。如图7所示，步骤S2中进一步包括：

S21、根据每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集的地波与第一天波的到达时间差和光速计算地波与第一天波的第一路径差；所述第一天波为闪电放电闪电低频脉冲信号经过电离层D层反射形成的天波；

S22、根据每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集的地波与第二天波的到达时间差和光速计算地波与第二天波的第二路径差；所述第二天波为闪电放电闪电低频脉冲信号先经大地反射再经过电离层D层反射形成的天波；

S23、根据每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集的地波、第一天波、第二天波、第一路径差和第二路径差反演电离层D层的高度。

如图2所示，假设电离层高度为Hi；地球半径为Re(认为地球是完美球体，Re已知)；闪电低频脉冲信号0坐标为(x,y,hs)，x，y表示闪电低频脉冲信号的经度和纬度，hs为闪电低频脉冲信号的高度；第i个闪电低频脉冲信号探测采集装置坐标(xi,yi,zi),xi,yi为经度和纬度，zi为高度。

闪电低频脉冲信号直接到第i个闪电低频脉冲信号探测采集装置的距离为P_ia即地波计算式为：

闪电低频脉冲信号经过电离层反射到第i个闪电低频脉冲信号探测采集装置的距离为P_ib即第一天波计算式为：

闪电低频脉冲信号先经大地反射再经电离层反射到第i个闪电低频脉冲信号探测采集装置的距离为P_ic即第二天波计算式为：

其中，

ri＝Re*arcos[sin(xi)*sin(x)+cos(xi)*cos(x)cos(yi-y)]*pi/180。

本发明实施例中采用Ti_ba，Ti_ca分别表示第i个闪电低频脉冲信号探测采集装置所采集的第一天波与地波之间的第一到达时间差、第二天波与地波之间的第二到达时间差；采用c表示光束；

则第i个闪电低频脉冲信号探测采集装置根据上述计算式(1)～(3)，计算第一天波与地波之间的第一路径差，以及第二天波与地波之间的第二路径差：

所述第一路径差计算式为：

P_ib-P_ia＝Ti_ba*c； (4)

所述第二路径差计算式为：

P_ic-P_ia＝Ti_ca*c； (5)

然后将计算式(1)～(3)代入计算式(4)～(5)整理后得到：

可见，本发明实施例中根据计算式(1)～(5)可以构造含有四个未知量的函数f(hi,hs,x,y),四个未知量分别为电离层高度hi，闪电放电位置hs，及其对应的经度和纬度。

由于每个闪电低频脉冲信号探测采集装置可以获得两个方程，理论上采用两个闪电低频脉冲信号探测采集装置即可计算出上述四个未知量。但实际应用中，为了保证探测精度，仅考虑闪电低频脉冲信号探测采集装置数量超过3个的情况，然后利用最小二乘法获取函数f(hi,hs,x,y)＝0的最优解，从而反演出电离层D层的高度。

综上所述，本发明实施例提供的基于多站闪电低频脉冲信号的电离层D层探测系及方法，通过设置至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置，由每个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集闪电放电信号，然后处理该闪电放电信号得到地波、第一天波、第二天波的到达时间，第一天波与地波、第二天波与地波的到达时间差，然后由中心处理装置根据上述数据反演电离层D层的高度。与现有技术相比较，本发明实施例仅需要在不同位置设置至少两个闪电低频脉冲信号探测采集装置采集闪电放电低频信号即可，安装简单方便；利用闪电放电作为辐射源，无需人工产生高功率VLF-LF电磁波，极大的节省了能源。另外，由于闪电放电可以发生在不同位置，合理调整闪电低频脉冲信号探测采集装置的位置即可测量不同区域电离层的高度，能够大范围推广应用，提高电离层D层探测系统的适应范围以及使用率。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各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，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，其本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。