一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法与流程

本发明涉及闪电辐射源特征参量反演领域，尤其是一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法。

背景技术：

1、目前，地基闪电定位系统一般通过获取脉冲辐射源到达相应观测子站间的时间差，再通过非线性最小二乘拟合算法等得到脉冲辐射源的三维特征参量；静止卫星闪电成像仪等探测设备则通过探测777.4nm红外光辐射监测云顶光斑变化，得到一系列闪电相关信息，再利用静止卫星闪电组（group）信息来反演出对应时间的闪电辐射源特征，从而实现从二维光斑图像得到三维的闪电辐射源特征参量。然而，由于现有工作忽略了雷暴云的云体形态以及云内水成物粒子的时空特征等因素对卫星观测到的云顶光斑的特征参量（空间尺度、强度和形态等）的影响，导致利用卫星数据的反演出的辐射源水平位置可能存在较大偏差。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，利用静止卫星多源数据实现闪电三维辐射源位置反演，包括：

3、步骤1，利用选取的静止卫星气象观测数据以及相互匹配的组多维度特征数据和三维辐射源位置数据建立地基/卫星同步观测数据集；

4、步骤2，将步骤1中地基/卫星同步观测数据集按7:3分为训练集和验证集，基于机器学习算法，进行训练，选择误差最小的模型作为最终的闪电三维辐射源位置反演模型；

5、步骤3，将和模型训练中采用的特征量对应的静止卫星新数据输入到步骤2所得的闪电三维辐射源位置反演模型，得到闪电三维辐射源位置。

6、上述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，所述步骤1中三维辐射源位置数据包括：

7、步骤a，通过地基三维雷电探测网获取三维辐射源位置；

8、步骤b，将多个三维辐射源的空间位置和强度进行加权处理，等效为一个点源。

9、上述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，所述步骤a包括：建立地基三维雷电探测网，每个地基三维雷电探测网覆盖100 km×100 km，包含7-8个三维探测站，不同探测子站之间通过高精度gps时钟实现时间同步；通过不同探测站探测到的同步梯级先导脉冲时间差，利用时间到达方法，采用最小二乘迭代算法求解，获取三维辐射源位置。

10、上述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，所述步骤b包括：利用强度和空间位置计算公式将多个三维辐射源合并为一个点源，其计算公式为：

11、；

12、其中，j表示光辐射能量的总和，i表示脉冲数，qi表示各辐射源的电荷矩，k表示电-光转换系数；(x,y,h)表示点源的空间位置坐标。

13、上述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，所述步骤1中静止卫星气象观测数据选取过程包括：

14、步骤a，建立可以同时考虑闪电光源结构和云的不规则形状与不均匀特性的闪电光辐射传输优化模型；

15、步骤b，通过步骤a中优化后的闪电光辐射传输模型提取影响闪电光辐射特征的因素，按因素确定静止卫星气象观测数据。

16、上述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，所述步骤a具体包括：闪电光辐射传输模型采用monte carlo方法，对闪电光源释放的每一个光子在云中与云粒子多次碰撞散射的全过程进行模拟，不断重复直到达到设定好的模拟光子数；

17、其中对单个光子的模拟过程为：赋予光子一个初始权重值，根据光子所在位置的特性计算其下一步的散射方向和距离，逐步跟踪其散射路径，并在每次散射发生之前产生一个0到1之间的随机数与单次散射反照率ω0进行比较，当随机数小于1-ω0时认为光子被吸收；当光子被吸收或从云中逸出时模拟过程终止，记录光子的位置及状态信息后开始对下一个光子的模拟；通过下式计算光子每次的散射方向和距离，散射方向由散射相函数确定：

18、；

19、其中，g表示不对称因子,是所有散射角的平均值，与波长和云粒子的大小相关；，α表示光子传输的散射角；

20、；

21、其中，α表示光子传输的散射角；r表示均匀分布在0到1之间的随机数；

22、；

23、其中，s表示光子在两次散射过程间行进的距离；表示光子在云中的平均自由程；

24、；

25、其中，a表示云中粒子平均半径，n表示粒子平均数浓度；

26、为考虑闪电光源结构，让闪电光辐射传输模型可加载的光源形式包括点光源和线光源；其中线光源为一系列的点光源间隔一定距离组成，组成线光源的每个点光源平分发射的总光子，从而实现光源在空间上的延伸；

27、为考虑云的不规则形状与不均匀特性，利用边长为200m的立方体网格组成任意形状的三维云；每个小立方体内云的性质相同，按照需要给每个小立方体赋予不同参数值来表现云的不均匀性，向小立方体添加的参数来源于对云的实际观测数据，且符合云水粒子通常的分布趋势。

28、上述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，所述步骤b具体包括：在优化的闪电光辐射传输模型中通过控制变量的方法，研究不同的光源的形状、位置、云几何形状、云不均匀性和观测角度对闪电光辐射特征的影响，并对影响程度大的因素进行提取；按照提取的影响因素选择与之相关静止卫星气象观测数据类型；根据匹配的闪电的发生时间和位置以及确定使用的静止卫星气象观测数据类型，选取闪电周围100km*100km范围内同一时间的静止卫星气象观测数据。

29、上述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，所述步骤1中将数据匹配的具体过程包括：将静止卫星闪电探测组数据对应的像元覆盖区域外延一个邻近和对角像素点，以外延后的区域为搜索区域寻找与静止卫星闪电观测数据相匹配的三维辐射源；匹配后得到的闪电发生位置和时间用于寻找静止卫星气象观测数据。

30、上述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，所述步骤2中机器学习算法为极度梯度提升树算法。

31、本发明的有益效果是，本发明克服了目前利用静止卫星数据对闪电三维辐射源位置反演时由于雷暴云对闪电红外辐射光子的吸收散射作用，以及雷暴云几何形态、云顶高度等因素的影响，静止卫星给出的位置和闪电三维辐射源实际水平位置差异较大的问题，实现了对三维辐射源位置更高精度的反演。

技术特征：

1.一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，利用静止卫星多源数据实现闪电三维辐射源位置反演，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，所述步骤1中三维辐射源位置数据包括：

3.根据权利要求2所述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，所述步骤a包括：建立地基三维雷电探测网，每个地基三维雷电探测网覆盖100km×100 km，包含7-8个三维探测站，不同探测子站之间通过高精度gps时钟实现时间同步；通过不同探测站探测到的同步梯级先导脉冲时间差，利用时间到达方法，采用最小二乘迭代算法求解，获取三维辐射源位置。

4.根据权利要求2所述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，所述步骤b包括：利用强度和空间位置计算公式将多个三维辐射源合并为一个点源，其计算公式为：

5.根据权利要求1所述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，所述步骤1中静止卫星气象观测数据选取过程包括：

6.根据权利要求5所述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，所述步骤a具体包括：闪电光辐射传输模型采用monte carlo方法，对闪电光源释放的每一个光子在云中与云粒子多次碰撞散射的全过程进行模拟，不断重复直到达到设定好的模拟光子数；

7.根据权利要求5所述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，所述步骤b具体包括：在优化的闪电光辐射传输模型中通过控制变量的方法，研究不同的光源的形状、位置、云几何形状、云不均匀性和观测角度对闪电光辐射特征的影响，并对影响程度大的因素进行提取；按照提取的影响因素选择与之相关静止卫星气象观测数据类型；根据匹配的闪电的发生时间和位置以及确定使用的静止卫星气象观测数据类型，选取闪电周围100km*100km范围内同一时间的静止卫星气象观测数据。

8.根据权利要求1所述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，所述步骤1中将数据匹配的具体过程包括：将静止卫星闪电探测组数据对应的像元覆盖区域外延一个邻近和对角像素点，以外延后的区域为搜索区域寻找与静止卫星闪电观测数据相匹配的三维辐射源；匹配后得到的闪电发生位置和时间用于寻找静止卫星气象观测数据。

9.根据权利要求1所述的一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，其特征在于，所述步骤2中机器学习算法为极度梯度提升树算法。

技术总结
本发明公开了一种基于静止卫星数据的闪电三维辐射源位置反演方法，涉及闪电辐射源特征参量反演领域，包括利用匹配的组多维度特征数据、三维辐射源位置数据和选取的静止卫星气象观测数据建立地基/卫星同步观测数据集；使用机器学习方法，利用地基/卫星同步观测数据集进行训练，选择误差最小的模型作为最终的闪电三维辐射源位置反演模型；将和模型训练中采用的特征量对应的静止卫星新数据输入到闪电三维辐射源位置反演模型中，得到闪电三维辐射源位置。本发明利用静止卫星数据实现了对三维辐射源位置更高精度的反演。

技术研发人员：宋琳,李杰,戴炳哲,杨俊,孟繁辉
受保护的技术使用者：青岛市生态与农业气象中心（青岛市气候变化中心）
技术研发日：
技术公布日：2024/2/1