一种高精度全闪电定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电气领域，尤其是设及一种高精度全闪电定位方法。
【背景技术】
[0002] 1987年联合国确定的"国际减灾十年"中，雷电为对人类危害最大的十种灾害之 一。长期W来雷电对人类赖W生存的自然资源和人类创造的物质文明构成极大的威胁，尤 其是微电子设备广泛应用的今天，雷电造成的直接和间接灾害日益严重，因此对雷电的研 究也越来越受到重视，我国运行的雷电定位网络LLS覆盖了我国的大部分地区，能够对地 闪进行很好的监测。但是不能提供云闪信息及对云闪等早期雷电电磁福射发展进程不能观 巧。，影响和限制对于雷暴活动丰富性的认识。为了更好的研究雷电的发生发展机理，需要开 展了雷电的=维探测技术研究。
[0003] 雷电的=维探测技术研究的关键技术就是高精度全闪电定位方法的研究。本专利 提出了一种高精度=维全闪电定位方法，该方法可用于对闪电的=维定位，对传统地闪可 W进行定位，也能够对云闪进行定位。该方法采用了五站=维定位算法，将非线性方程组转 化为线性矩阵方程可W得到唯一解，提出了时间窗、波形互相关提取时差法和Levenberg -Marquar化(L-M)最小二乘法优化算法，解决了不同探测站点数据波形自动匹配、时间差精 确提取、非等平面探测站=维定位优化求解问题，得到精确的闪电=维地理信息和时间信 息。
【发明内容】
[0004] 本发明主要是解决现有技术所存在不同探测站点数据波形自动匹配、时间差精确 提取、非等平面探测站=维定位优化求解问题；提供了一种可用于对闪电的=维定位，既能 对云间及云内闪电进行空间位置及高度的高精度定位，也能对地闪进行地面位置高精度定 位的一种高精度全闪电定位方法。
[0005] 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得W解决的：
[0006] 一种高精度全闪电定位方法，其特征在于，包括下述步骤：
[0007] 步骤1 ;将全闪电定位探测站点的福射电场波形数字化，对各站点波形采用波形 互相关算法精确提取各个站点对于相同闪电放电事件在各站的记录时间差，具体方法如 下：
[000引步骤1. 1 ;采用时间窗从时间上甄别波形对相同福射事件的真实响应，各站同时 处于时间窗内的波形才有可能是对同一福射信号的响应。
[0009] 步骤1. 2 ;将原始电场波形通过HUbed快速变化为归一化功率波形，消除了各个 站点由于距离福射源距离的不同而导致的波形极性W及幅度的差别
[0010] 步骤1. 3 ;计算容许窗内可用站点功率波形的线性相关系数，将相关系数大于规 定值的波形作为属于相同事件响应的阔值，取相似度最好、达标最多的组合作为对相同闪 电事件波形的初步匹配结果。
[ocm] 步骤1.4 ;采用互相关法提取各个站点波形时间差，互相关是信号之间的相对时 间函数从波形特征反映出的平均时间延时不是具体某个脉冲的绝对时差，因而消除了不同 站点环境及传播途径导致波形细小差别。
[001引步骤1. 5 ;得到各个站点的时间差后，使用几何模型检测得到的时间差序列是否 合理。
[0013] 步骤2 ;将非线性定位距离算法方程组转换为线性矩阵方程组求得初解，具体方 法如下：
[0014] 步骤2. 1 ;根据波形传输方程，列出每个站点波形传输方程。
[0015]
【主权项】
1. 一种高精度全闪电定位方法，其特征在于，包括下述步骤： 步骤1:将全闪电定位探测站点的辐射电场波形数字化，对各站点波形采用波形互相 关算法精确提取各个站点对于相同闪电放电事件在各站的记录时间差，具体方法如下： 步骤1.1:采用时间窗从时间上甄别波形对相同辐射事件的真实响应，各站同时处于 时间窗内的波形才有可能是对同一福射信号的响应； 步骤1. 2 :将原始电场波形通过Hilbert快速变化为归一化功率波形，消除了各个站点 由于距离辐射源距离的不同而导致的波形极性以及幅度的差别 步骤1. 3 :计算容许窗内可用站点功率波形的线性相关系数，将相关系数大于规定值 的波形作为属于相同事件响应的阈值，取相似度最好、达标最多的组合作为对相同闪电事 件波形的初步匹配结果； 步骤1. 4 :采用互相关法提取各个站点波形时间差，互相关是信号之间的相对时间函 数从波形特征反映出的平均时间延时不是具体某个脉冲的绝对时差，因而消除了不同站点 环境及传播途径导致波形细小差别； 步骤1. 5 :得到各个站点的时间差后，使用几何模型检测得到的时间差序列是否合理； 步骤2 :将非线性定位距离算法方程组转换为线性矩阵方程组求得初解，具体方法如 下： 步骤2. 1 :根据波形传输方程，列出每个站点波形传输方程；
其中c是真空中的光速，（XpypZi)为第i个定位站点坐标，心为闪电到达第i个探测 站的时间； 步骤2. 2 :将步骤2. 1的传输方程进行移项处理，之后将不同站点的传输方程两两相 减，得到线性方程； c2 (t2+ti2-2tti) =x2+xi2-2xxi+y2+yi2-2yyi+z2+zi2-2zzi 其中定义： 1^2= Xi2+yi2+Zi 2 r2=x2+y2+z2 njf#?.ct2+ct^-Y^=r2-2 (xXi+yyi+zZj-cHti) 于第j个站点，同样可得到以下方程：c2t2+c2tj2_rj2=r2_2 (xXj+yyj+zZj_c2ttj) 将两式相减可得： c2 (tj-t/) _ (rj-r/) = _2(x(XfXj)+y(y^yj)+z(ZfZj) _c2t(tftj)) 同样定义： tij-ti_tj,Xjj-xi_Xj,yjj-yi_yj,Zjj-zi_Zj,
得到线性方程xXij+yyij+zZij-c^ttij:bu tij为i、j两个站点达到的时间差 步骤2. 3 :对于任意5站或更多站观测值，用其余4站与其中1站相减，可以得到由4个 类似步骤2. 2的独立线性方程组成的矩阵，其中tij通过步骤1. 4中采用互相关法提取各 个站点波形时间差tij获得；
步骤2. 4 :取任意5站线性组合的形成的矩阵方程中计算辐射源三维位置以及时 间； 步骤3 :根据得到的初解，采用L-M最小二乘法优化算法计算得到精确定位点，具体方 法是： 步骤3. 1 :通过步骤2计算得到的辐射源三维位置以及时间，反演闪电放电事件达到各 个站点的时间，基于如下公式：
是反演在反演位置（xfit，yfit，zfit)的闪电放电事件经过简单路径传输后到达站 点i的拟合到达时间； 步骤3. 2 :确定衡量最优计算因子x2, 5站用步骤2中得到可能的初始估测解析解，冗 余站点用于配合非线性迭代约束得到数值解，最终将x2值最小的解向量当做唯一精确的 解向量；
其中，n为当前可用站点总数，〇为各探测站数据的标准差，为一固定值，:为站点i观测到的到达时间。
【专利摘要】本发明涉及一种高精度全闪电定位方法。该方法可用于对闪电的三维定位，既能对云间及云内闪电进行空间位置及高度的高精度定位，也能对地闪进行地面位置高精度定位。该方法采用了五站三维定位算法，将非线性方程组转化为线性矩阵方程可以得到唯一解，采用了时间窗、波形互相关提取时差法和Levenberg–Marquardt(L-M)最小二乘法优化算法，解决了不同探测站点数据波形自动匹配、时间差精确提取、非等平面探测站三维定位优化求解问题，得到精确的闪电三维地理信息和时间信息。
【IPC分类】G01S5-06
【公开号】CN104569913
【申请号】CN201510047616
【发明人】蔡力, 王建国, 樊亚东, 周蜜, 李显强, 裴立献, 李泉新, 祁汭晗, 郑钟楠
【申请人】武汉大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2015年1月30日