专利名称：雷电的声光采样与模拟方法
技术领域：
本发明涉及一种雷电的声光采样与模拟方法，属于自然现象模拟技术领域。
背景技术：
雷电是一种常见的自然现象，发生时会产生强大的声、光、电信号，是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观又令人生畏的放电现象。对雷电的模拟研究在气象、防灾、影视等领域有着实际的应用价值。直到目前，人们尚无法控制雷电的发生，因此研究雷电发生的特点和规律，记录、统计和模拟雷电的声光变化，对实现基于物理的高真实感雷电的模拟，并为制定正确的防雷策略、设计可靠有效的防雷工程服务十分重要。现代雷电探测技术始于二十世纪七十年代，由美国科学家Matin A. Uman和 Ε. Philip Krider教授提出并实现的，随后各种针对雷电探测的研究在美国、中国、法国、 德国迅速发展。中国专利文献200620016492. 4雷电监测记录网系统提出一种雷电监测记录系统，能够实际并真实记录雷击发生时雷电流实际发生时的具体情况，找出雷电流释放的规律并以此为基础进行防雷工程的设计和防雷设备的选择，该文献只考虑了对放电信号的数据获取，没有考虑雷声、三维形态等数据的采集。中国专利文献200910061599. 9数字式雷电探测方法及其装置，在接收雷电放电时产生的电磁信号进行采集，构建数字化地闪雷电信号识别模型，用数字化地闪雷电信号识别模型对输入的数字信号进行参数计算及判定，该文献只针对雷电的电磁信号进行识别，而没有考虑雷电发生时的声光信息。中国专利文献200910301972. 3光声雷电探测方法及其探测器，利用向上的摄像机和声音采集器对定点的雷电图像和声音信息进行采集，而没有考虑对大范围区域的雷电信息进行采集。中国专利文献200920084968. 1数字式雷电探测装置，由天线，信号调理器，模数转换器，地闪雷电信号识别模型模块，系统控制管理器，辅助控制管理器，通信接口，外部存储器及时钟组成。通过DSP、CPLD和FPGA组合运用实现地闪雷电信号识别模型的完全可编程性，并具有可再配置能力。该文献只针对雷电的信号进行识别，没有考虑对雷电多维物理数据的采集和一致性处理。现有的雷电探测方法大多集中在对闪电发生时的电磁变化的获取，大多数方法探测方法是为了气象观测与统计，而不是用于对雷电的模拟。雷电的声光采样与模拟方法通过对真实雷电的声光采样，获取大量的多维雷电数据库，可生成高真实感的雷电形态及其声音的模拟，在未来的虚拟现实、影视特效、灾难控制中有着巨大的应用空间。
发明内容
本发明的目的是解决雷电的高真实感模拟问题，在进行雷电三维形态模拟的同时实现对应雷声的模拟，实现可控的生成数据驱动的带有声光信息的雷电三维模型。为完成本发明的目的，本发明采用的技术方案是(1)设计一种雷电的可移动声光采样装置，利用麦克风阵列、鱼眼相机、GPS、车速测量设备和避雷针组成采样装置，在测量闪电的全景图像的同时，可获取闪电发生时的雷声，并可放置车辆上进行移动采样；(2)车载采样装置在雷电发生区域进行定点和移动采集，获取采集雷电发生时的声光数据；(3)对获取数据进行去噪及一致性处理，实现雷声、闪电、车速、GPS获取数据的时空一致性标定；(4)利用步骤(3)中标定好的数据，提取雷声和闪电形态的映射，生成雷电的声光映射数据库；(5)利用步骤中映射数据库可控的生成数据驱动带有雷电声光信息的闪电模型。所述的步骤(1)中雷电的可移动声光采样装置进一步分为以下部分(1. 1)麦克风阵列利用麦克风阵列确定雷声方向并获取雷的声音特性；(1. 2)鱼眼相机利用向上安置的鱼眼相机采集广角范围的闪电形态；(1. 3) GPS 利用GPS对移动采样中的采样位置进行精确定位；(1. 4)车速测量设备对车辆行驶速度进行准确提取；(1. 5)避雷针实现对雷电发生区域进行移动采样时的安全防护。所述的步骤(3)中采样数据的去噪及一致性处理具体分为(3. 1)对鱼眼相机的标定、曝光控制及去除噪声处理方法；(3. 2)对麦克风阵列进行去噪处理方法；(3. 3)定点采集时单个雷电发生时形态采样数据与声音采样数据的时间一致性标定方法；(3.4)定点采集时多个雷电同时发生时，对各个雷电的发生位置和其对应形态的一致性标定方法；(3. 5)移动采样时获取数据的一致性连续拼接方法；(3. 6)移动采样时车辆移动速度与采样数据的一致性标定方法。所述的步骤(5)中数据驱动的闪电模拟包括(5. 1)生成声音数据驱动的闪电三维模型方法；(5. 2)生成闪电形态参数驱动的雷声模拟方法；(5. 3)可控的生成声光数据驱动的带有雷电声光信息的高真实感雷电模型。与现有技术相比，本发明的有益效果是(1)实现可以同时采集雷电的图像和声音属性；(2)定点采集与移动采集结合实现大范围雷电数据的采集；(3)并利用麦克风阵列确定雷电发生的位置，利用鱼眼相机捕获天空的全景图像， 实现同一时刻多个雷电同时发生时的采集；(4)利用采样数据进行统计分析，生成雷电的声光映射数据库；(5)实现数据驱动的带有声音信息的雷电真实感模拟。
图1为本发明的雷电可移动声光采样设备图；图2为本发明的雷电声光采样及模拟方法过程示意图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。对雷电进行数据采集和模拟是建立在一个前提之上(1)雷电发生区域已知，即对雷电高发区域的监测得知该区域雷电频发或者通过气象数据得知该区域即将发生雷电现象；(2)GPS定位系统覆盖采样区域。在以上两个前提条件下，对雷电的声光进行采样与模拟，实施流程如图( 所示， 具体步骤如下步骤(1)设计一种雷电的可移动声光采样装置，如图(1)所示。利用麦克风阵列、 鱼眼相机、GPS、车速测量设备和避雷针组成采样装置，在测量闪电的全景图像的同时，可获取闪电发生时的雷声，并可放置车辆上进行移动采样。其中各设备的作用如下(1. 1)麦克风阵列利用麦克风阵列确定雷声方向并获取雷的声音特性，声音探测器获取雷的声音，并通过对声音分析确定雷电发生时的位置。采用麦克风阵列来进行雷电声音的采样，在获取雷声强度的同时，利用基于麦克风阵列的声源定位算法判断雷电发生的起始位置。闪电雷声信号集中在频率低于100HZ的可闻区和次声区，其声强的峰值位于40HZ附近，可探测距离在25Km以内；(1. 2)鱼眼相机利用向上安置的鱼眼相机采集广角范围的闪电形态；(1. GPS:利用GPS对移动采样中的采样位置进行精确定位。利用卫星和GPS定位器对固定采集节点和移动采集结果进行定位，尤其是对移动采样节点的定位，可以精确获得每次采样时的位置，通过GPS的定位实现在传感网络中的任意位置进行采样，并可通过GPS的信息对不同采样点的采样结果进行一致性标定处理；(1. 4)车速测量设备对车辆行驶速度进行准确提取；(1. 5)避雷针实现对雷电发生区域进行移动采样时的安全防护。利用麦克风阵列确定多个雷电的发生位置，利用向上安置的鱼眼相机采集广角范围的多个闪电形态；GPS实现采样位置的定位，三种设备的标定实现多个雷电同时发生时的数据获取。步骤( 在雷电发生区域进行定点和移动采集，获取采集雷电发生时的声光数据。通过对定点位置进行雷电声光信息采集可获取该区域发生的雷电数据，车载移动采样可以获取大范围雷电发生区域的采样数据。步骤C3)对获取数据进行去噪及一致性处理，进行雷声、闪电、车速、GPS的获取数据的标定。具体包括以下方法(3. 1)对鱼眼相机的标定、曝光控制及去除噪声处理方法；(3. 2)对麦克风阵列进行去噪处理方法；(3. 3)定点采集时单个雷电发生时形态采样数据与声音采样数据的时间一致性标定方法，光的传播速度是3X 108m/s，声音的传播速度340m/s，通过对两种不同传播速度的信息进行同步，实现闪电发生形态与声音信息的对应；(3.4)定点采集时多个雷电同时发生时，对各个雷电的发生位置和其对应形态的一致性标定方法，鱼眼镜头捕获超过180度广角的闪电图像信息，通过对捕获图像中的闪电区分确定同时发生的雷电的个数，利用声音获取设备中对多个声源点的区分，实现闪电和声音的一致匹配；(3. 5)移动采样时获取数据的一致性连续拼接方法，车辆在移动过程中不断对闪电形态和雷声采样，得用车速仪上获取的信息及GPS的定位信息，可以获得车辆在以一定车速移动时对雷电传播过程的观测值；(3. 6)移动采样时车辆移动速度与采样数据的一致性标定方法，车辆在移动过程中，声音、图像的传播速度是不一致的，通过GPS、车速仪的获取数据，可以对采样得到的各组数据实现一致性标定。步骤(4)利用步骤(3)中标定好的数据，提取雷声和闪电形态的映射，生成雷电的声光映射数据库。对数据库中雷电的采样数据进行基于统计的对比分析，提取雷电声音与闪电形态的映射，生成带有映射关系的雷电声光数据库。步骤( 利用步骤(4)中映射数据库可控的生成声光数据驱动带有雷电声光信息的闪电模型。具体包括(1)生成声音数据驱动的闪电三维模型方法；(2)生成闪电形态参数驱动的雷声模拟方法；(3)实现对雷电传播过程的模拟；(4)可控的生成声光数据驱动的带有雷电声光信息的高真实感雷电模型，实现基于物理雷电模拟。本发明未详细阐述的部分属于本领域的技术人员公知技术。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种雷电的声光采样与模拟方法，其特征在于包括步骤(1)利用麦克风阵列、鱼眼相机、GPS、车速测量设备和避雷针组成雷电的可移动声光采样装置，在测量闪电的全景图像的同时，获取闪电发生时的雷声，所述雷电的可移动声光采样装置放置在车辆上进行移动采样；(2)在雷电发生区域进行定点和移动采集，获取雷电发生时的声光数据；(3)对获取的数据进行去噪及一致性处理，进行雷声、闪电、车速、GPS的获取数据的标定；(4)利用步骤(3)中标定好的数据，提取雷声和闪电形态的映射，生成雷电的声光映射数据库；(5)利用步骤中映射数据库生成由声光数据驱动的带有雷电声光信息的闪电模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(1)中， 所述麦克风阵列确定雷声方向并获取雷的声音特性；所述鱼眼相机向上安置，采集广角范围的闪电形态； 所述GPS对移动采样中的采样位置进行精确定位； 所述车速测量设备对车辆行驶速度进行准确提取； 所述避雷针实现对雷电发生区域进行移动采样时的安全防护。
3.根据权利要求1或2所述的雷电声光采样方法，其特征在于所述采样装置在定点采集时可以实现多个雷电同时发生时的数据获取利用麦克风阵列确定多个雷电的发生位置，利用向上安置的鱼眼相机采集广角范围的多个闪电形态；GPS实现采样位置的定位，三种设备获取数据的一致性标定实现多个雷电同时发生时的数据获取。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤O)中在雷电发生区域进行定点和移动采集获取雷电发生时的声光数据，具体包括通过对定点位置进行雷电声光信息采集获取该区域发生的雷电数据，车载移动采样获取大范围雷电发生区域的采样数据。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(3)中对获取的数据的去噪及一致性处理具体包括(1)对鱼眼相机进行标定、曝光控制及去除噪声处理；(2)对麦克风阵列获取的数据进行去噪处理；(3)定点采集时单个雷电发生时形态采样数据与声音采样数据的时间一致性标定；(4)定点采集时多个雷电同时发生时，对各个雷电的发生位置和其对应形态的一致性标定；(5)移动采样时获取数据的一致性连续拼接；(6)移动采样时车辆移动速度与采样数据的一致性标定。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤中提取雷声和闪电形态的映射，生成雷电的声光映射数据库具体包括对雷电的采样数据进行基于统计的对比分析，提取雷电声音与闪电形态的映射，生成带有映射关系的雷电声光映射数据库。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的步骤(5)中利用采样数据库生成由声光数据驱动的带有雷电声光信息的闪电模型具体包括(1)生成声音数据驱动的闪电三维模型；(2)生成闪电形态参数驱动的雷声；(3)生成由声光数据驱动的带有雷电声光信息的闪电模型。
全文摘要
本发明属于自然现象模拟领域，具体是一种雷电的声光采样与模拟方法。本发明的技术方案为(1)设计雷电的可移动声光采样装置，利用麦克风阵列、鱼眼相机、GPS、车速测量设备和避雷针组成采样装置，在测量闪电的全景形态的同时，可获取闪电发生时的雷声，并可放置车辆上进行移动采样；(2)车载采样装置在雷电发生区域进行定点和移动采集，获取采集雷电发生时的声光数据；(3)对获取数据进行时空一致性处理，进行雷声、闪电、车速、GPS获取数据的一致性标定；(4)利用步骤(3)中标定好的数据，提取雷声和闪电形态的映射，生成雷电的声光映射数据库；(5)利用步骤(4)中映射数据库可控的生成声光数据驱动带有雷电声光信息的闪电模型。
文档编号G06F17/30GK102306392SQ20111013003
公开日2012年1月4日 申请日期2011年5月19日 优先权日2011年5月19日
发明者伍朝辉, 吴威, 周忠, 赵沁平 申请人:北京航空航天大学