基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法与流程

本申请涉及雷电定位技术领域，尤其涉及一种基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法。

背景技术：

雷电的发生可能会产生诸多的危害，如可能会造成电网输电线路的跳闸，调度中心下达命令,由线路责任区的单位出动大批巡线维护人员,根据人工保护故障测距结果,沿输电线路逐杆排查故障点。雷电频繁区域通常处于山区地区,巡线维护人员翻山越岭,费时费力。对于一些重点线路的故障,可能造成延误送电、减低电网安全稳定水平等严重后果。为提高雷电导致故障的排查效率，减轻雷电带来的后果，人们不断对雷电定位进行研究。

现有雷电定位技术包括磁定向方法、甚低频时间到达法、甚高频干涉仪法和雷声定位法。磁定向法是通过放置南北方向和东西方向的正交环形磁场天线，接收雷电发生产生的电磁波信号，从而判断出雷电发生的方位。这种方法误差较大，对天线的安装要求也比较高，距离越远，误差越大。甚低频时间到达法分为二维与三维两种形式，其原理是利用闪电到达不同测站产生的时间差对闪电位置进行定位，一般配合最小二乘法等优化方法进行误差修正，误差较大。甚高频干涉仪法是利用干涉仪测点雷电辐射的高频电磁波进行定位，其原理是采用若干个足够波程差的天线，当雷电产生的电磁波从不同方向传向天线时，各天线阵子上接收到的信号将产生不同的相位差，通过相位差计算出闪电发生的位置。这种方法的特点是可以同时定位云闪和地闪，并可了解雷电的大致放电过程，但探测距离较短，难以业务化，只可用于科研工作。雷声定位法利用声音在空气中的传播速度与光在空气中的传播速度，观测者在雷电发生后会先看到雷电过程后听到雷声，利用此时间差估算雷电发生位置与观测者间的距离，这种方法仅能用于估算，不能精准定位。

因此，如何提高雷电的精准定位是本领域技术人员亟待解决的技术难题。

技术实现要素：

本申请提供了一种基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法，以进行雷电位置的精准计算。

本申请提供了一种基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法，其特征在于，所述方法包括：

对各个监测站监测到的电磁波信号进行去噪预处理；

裁剪出所述各监测站的同步数据；

求取所述同步数据间的自相关时差t；

根据时差定位方程进行雷电位置计算；其中，

所述时差定位方程为(x,y,z,t)表示辐射源发生的位置及发生时间,(xi,yi,zi)表示第i个观测站的位置，ti为第i个观测站测到的信号的时间，c为大气中电磁波传播速度。

可选的，上述方法中，所述对各个监测站监测到的电磁波信号进行去噪预处理包括：

采用滤波器将所述电磁波信号进行杂波滤除。

可选的，上述方法中，所述对各个监测站监测到的电磁波信号进行去噪预处理包括：

利用50hz的正弦信号对所述电磁波信号进行拟合，将所述电磁波信号减掉拟合出的正弦信号。

可选的，上述方法中，所述裁剪出所述各监测站的同步数据后还包括：

对所述同步数据进行线性插值处理。

可选的，上述方法中，所述求取所述同步数据间的自相关时差t后还包括：

求取所述时差对应的同步数据的相关系数；

如果所述相关系数达到0.5以上，则认为所述时差有效；其中，

所述相关系数的计算公式为

xn和yn表示任意两组同步数据，*表示复共轭，m表示数据移动的位置。

可选的，上述方法中，所述根据时差定位方程进行雷电位置计算具体为：

根据时差定位方程，通过levenberg-marquardt算法来迭代计算所述雷电位置。

本申请提供的基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法，通过对各监测站监测到的电磁波信号数据进行去噪预处理，裁剪出其中的同步数据，计算同步数据的自相关时差，根据自相关时差进行雷电位置的计算，最终获得雷电位置坐标。本申请提供的基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法计算量小，速度快，灵活性高，定位精度高，在雷电研究领域有很强的实用价值。三维定位算法可以反演雷电发生过程及树状结构，对精细化雷电探测有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法的结构流程图；

图2为本申请实施例提供的滤波法去噪预处理；

图3为本申请实施例提供的同步数据裁剪；

图4为本申请实施例提供的同步数据的相关时差计算；

图5为本申请实施例提供的时差定位示意图。

具体实施方式

一次雷电放电过程一般可以定位几百个到几千个辐射源，可以得到雷电放电的三维精细结构、雷电vlf辐射源能量，并可反演雷暴云电荷结构等重要的物理特征和物理参量。雷电vlf辐射源三维定位过程实际上是利用分布在同一地区内的各探测天线测到的雷电vlf辐射源到达时间ti，结合利用高精度gps时钟精确定位的各站空间位置坐标(xi、yi、zi)，求解包含四个未知量(t、x、y、z)的超定方程组的过程，其中t为雷电vlf辐射源的开始时间，(x、y、z)是vlf辐射源的时空位置坐标。对雷电的辐射源坐标的计算是对雷电定位的重要组成部分。

参见图1，图1示出了本申请提供的基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法的结构流程图，所述方法具体包括以下步骤：

s100：对各个监测站监测到的电磁波信号进行去噪预处理。

雷电多元数据是指不同雷电探测设备的雷电数据及同一设备接收的不同频段的雷电数据。通过监测站内雷电监测设备对监测站周围的雷电电场信号和磁场信号进行监测。

雷电电磁场测量经常会收到各种因素的干扰，如果干扰源简单而且又有规律，那么采用一定的数字信号处理方法就可以对其进行处理，从而极大地改善数据的质量。对各个监测站监测到的电磁波信号进行去噪预处理，具体的，对于本申请中，数据的去噪主要是用来去除50hz的工频噪声，以及尽可能地去除一些环境噪声，可采用滤波法或拟合法。

滤波法可采用butterworth滤波器来实现，这种方法除了能够去除50hz的工频干扰外，还能对雷电的低频分量滤除，去除波形信号上的隆起波形。拟合法利用一个50hz的正弦信号来对信号的噪声部分进行拟合，并且将拟合的结果拓展到整条数据，将原始数据剪掉拟合出的正弦信号即可得到去除工频噪声后的信号。如图2所示，给出了监测站监测到的原始信号，拟合的工频噪声以及去除噪声后的结果，可以看出，采用拟合法可以很好地去除这种工频噪声的干扰，其中图2中为了更好地区分原始信号和滤波后的信号，对滤波后的信号进行了偏移。

s200：裁剪出所述各监测站的同步数据。

同步数据的裁剪主要是为了便于寻找同步数据之间的时间差。由于仪器采用的是触发式记录，所以各个测站记录到的同一组同步数据的数据范围是不同的，为了进行下面的时差计算，必须对数据进行裁剪，取出这组数据中每个测站收到的信号的公共部分。

如附图3所示，其给出了本申请中同步数据的裁剪实例，为了更好地区分各测站数据，对信号在电压轴方向进行了偏移。其给出了测站1、测站2和测站3的监测数据，同步数据段2为3个测站的同步数据与处理结果。可以看到，对于给定的这三个数据被分为了3段，数据段2为3个测站共有的信号，其余两个数据段可以和其他数据进行比较，来验证是否有别的同步数据。

为提高本申请实施例中时差计算精度，本申请具体实施过程中，对获得的同步数据进行数据差值，进行数据差值可提高时差计算的分辨率，在本申请具体实施方式中通常采用线性差值。同步数据采用线性插值，将数据插值到合适的采样率，计算到的时间差的精度可达到微秒量级。例如，当采样率为1mhz时，相邻数据点之间的时间间隔为1微秒，这就意味着下一步所计算的时间差的分辨率为1微秒，为了提高时间差计算的精确度，需要将处理好的各同步段数据进行插值，本发明中采用线性插值来将数据插值到10mhz的采样率，这样计算到的时间差的精度将达到0.1微秒。

经过上述数据的预处理和裁剪，得到信噪比较好、时间分辨率较高的同步数据段，这些一组一组数据段将被用于后续的时差计算和雷电位置定位。

s300：求取所述同步数据间的自相关时差t。

在同步数据之间的自相关时差计算，需要根据窗口大小和滑动步长来对同步数据段进行分割，可依照300微妙、400微妙、600微妙等进行分割。本申请具体实施方式中采用窗口大小为400微秒，将同步数据段分割为许多段长度为400微秒的小段，这些数据段是时差计算和定位的最小数据单元。将数据单元内的各站数据不断挪动，在将各站数据移动到相匹配度较高的位置，记录对应移动的距离，将移动距离与时间分辨率相乘及可得到同步数据间的自相关时差。

由于雷电的发生时间是不确定的，而雷电监测站是一直进行探测工作的，因此在不发生雷电时，实测数据不存在雷电信号。为更加精确的计算出自相关时差，在进行自相关时差计算前需要判断同步数据是否有效。具体的，设定电磁波信号阈值，当同步数据中的信号大于所述阈值时，则判定所述同步数据有效，反之则无效，对于无效的数据单元直接舍弃，不参与后续的计算。

通常采用相关系数来判定移动数据的匹配度，相关系数的计算式为xn和yn表示任意两组同步数据，*表示复共轭，m表示数据移动的位置。

将数据单元内的各站数据不断挪动，然后计算挪动后两组数据之间的相关系数，最后，取相关系数最大时候对应的挪动距离，将这个距离乘以数据的时间分辨率即可得到最终的时间差。在实际的计算中，为了保证定位精度，只有当两个数据之间归一化后的相关系数达到0.5以上时，才认为这两个数据是相关的，才会记录这个时间差为自相关时差，用于时差定位计算中。例如，两个监测站的同步数据，当移动数据点数为-19时，一个监测站的同步数据与另一个监测站的同步数据的相关系数达到0.933，计算可得两个数据的时间差为-1.9微秒(-19*0.1微秒)，参见图4，图4中(a)测站1和测站2的同步数据，(b)为测站1和测站2中同步数据的相关系数。

s400：根据时差定位方程进行雷电位置计算。

参照附图5，该图示出了本申请实施例中雷电定位的原理。

时差定位方程为：

其中，(x,y,z,t)表示辐射源发生的位置及发生时间,(xi,yi,zi)表示第i个观测站的位置，它测到的信号到达时间为ti，c为大气中电磁波传播速度。

本发明中主要采用levenberg-marquardt算法来迭代求解辐射源的位置。levenberg-marquardt算法作为一种最小二乘拟合算法，被普遍应用于最优化问题的解决中。为了减少实际定位时的迭代步数，快速求解辐射源的三维位置，一个很好的迭代初值是很必要的，它将节省大量的计算时间和复杂度，提高定位的效率。具体的求初始迭代值的方法如下：

将公式(1)展开，得到公式(2)，

令和r²≡x²+y²+z²，并将它们代入公式(2)，则

将公式(3)系列中的第i个方程和第1个方程相减，可得到：

令ti1≡ti-t1,xi1≡xi-x1,yi1≡yi-y1,zi1≡zi-z1,，那么公式(4)可写为：

公式(5)表示一个关于未知量(x,y,z,t)的线性方程组，通过至少5个观测站就可以对辐射源的位置和发生时间进行求解。

将获取的初值代入levenberg-marquardt迭代算法中求解精确地辐射源位置，迭代的优化目标为：

其中：n为参与定位的测站数量，i为第i个测站，和分别为第i个测站的观测时间和拟合时间，△trms为探测系统的时间测量误差指标。上式也称为拟合优度，可以用来评价每次定位的效果。

迭代求解辐射源位置的levenberg-marquardt算法具体过程如下：

根据公式(6)构造如下表达式：

上式中，x即为所求的四个变量构成的向量，ti为第i个测站收到信号的时间。由于f可导，所以：

f(x+h)＝f(x)+j(x)h+ο(||h||²)(9)

其中，j(x)为雅可比矩阵，该矩阵由fi(x)的一阶导数构成：

根据levenberg-marquardt算法，其迭代步长hlm可以根据下式来求得：

(j^tj+μi)hlm＝-g(11)

其中，g＝j^tf，μ是阻尼系数，并且大于0。该阻尼系数用来调整迭代步的大小和方向，当估计值距离真值很远时，它相当于最速下降法，而当估计值离真值很近时，相当于高斯-牛顿法，所以该方法同时具有这两种方法的优点，能较快快的迭代求解出函数的极值。

本申请提供的基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法，通过对各监测站监测到的电磁波信号数据进行去噪预处理，裁剪出其中的同步数据，计算同步数据的时差，根据时差进行雷电位置的计算，最终获得雷电位置坐标。本申请提供的基于雷电多元数据自相关时差算法的雷电定位方法计算量小，速度快，灵活性高，定位精度高，在雷电研究领域有很强的实用价值。三维定位算法可以反演雷电发生过程及树状结构，对精细化雷电探测有重要意义。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在本文中，诸如术语“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。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。