[發明專利]單站準三維閃電定位裝置和方法

無效

• 申請號: 201210008227.1
• 申請日: 2012-01-12
• 公開（公告）號: CN102540145A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: 邱實;周璧華
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍理工大學
• 主分類號: G01S5/18
• 分類號: G01S5/18;G01R29/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種閃電定位裝置和方法，更具體地，涉及到單站準三維閃電定位系統和方法，適用于單站閃電探測和預警。

背景技術

閃電是大氣中瞬時的強放電過程。根據閃電通道是否接地，可以將閃電分為地閃和云閃。地閃的回擊、云閃的K過程等所形成的高功率電磁環境對電氣、電子設備和系統的安全運行造成重大威脅。為了研究閃電的毀傷機理、分析閃電的物理過程、有效的對閃電預測預警，不僅需要確定地閃的雷擊點（即回擊通道與地面的“接觸點”），還需要獲取閃電的電通道的三維結構、時空發展過程。

美國發明專利No.4198599和No.4543580分別利用方向交匯(DF)和到達時間差(TOA)原理發明了地閃回擊的雷擊點定位系統，所用的系統均需要多個觀測站，并且定位頻段為低頻(LF)和甚低頻(VLF)，定位的主要過程為地閃的雷擊點，而不能對閃電的三維空間結構成像。

閃電的擊穿過程會產生大量的甚高頻（VHF）輻射，通過對VHF頻段內的閃電輻射定位，可以得到閃電放電通道的空間結構特征。1999年Rison,?W在《地球物理研究雜志》中報道了利用六個或以上工作在VHF頻段的天線，通過到達時間差(TOA)定位原理的三維閃電定位系統；2009年中國發明專利200910090115.3提出了利用兩個或以上VHF閃電寬帶干涉儀組網實現的三維閃電定位系統。這些系統通過多個觀測站組網探測，均可以實現閃電的三維放電通道的定位。然而，不管哪種方法，僅僅通過單個觀測站的觀測并不能獲取閃電的三維通道發展過程。相對單站觀測，組網觀測對試驗成本、場地要求、系統的同步和復雜性以及維護等方面提出了更多要求。

電磁波傳播速度為3×10⁸m/s，而大氣中的聲速在350m/s左右，因而，利用雷聲傳感器配合雷電電磁脈沖場傳感器，通過聲-電波的到達時間差可以得到雷擊點的距離。美國發明專利No.6552521B1正是利用這一原理，并配合單站的多個麥克風陣列來實現單站雷擊點定位的，其實Few早在1970年便報道了利用雷聲傳感器陣列進行閃電通道重建的結果。雖然通過雷聲傳感器克服了多站組網的不便，可以用來單站雷擊點定位，卻存在以下幾個問題：一是一次閃電的持續時間一般在1s左右，這意味著首次聞雷和對應的雷電電磁脈沖的時間間隔將會有1s的不確定度，這一不確定因素將會造成350m左右的定距誤差；二是專利No.6552521B1所述系統僅能對雷擊點定位，并不能刻畫閃電通道的三維結構；三是Few所述雷聲定位系統雖然可以重建三維閃電通道，卻不能像VHF定位一樣描繪閃電發展的演變過程，即并不能了解在某一時刻對應的哪些閃電通道區域在活躍，相比之下，VHF定位像是一段閃電錄像的回放，而雷聲定位則是其中一幀圖像；四是雷聲定位結果一般得到的定位點較少，空間分辨率不足，不容易辨別通道分支等狀況。

發明內容

本發明的目的是為了提供一種單站準三維閃電定位裝置和方法，該系統將閃電產生的聲信號和電信號結合，通過設計合理的天線、傳感器陣列的配置方式，分析處理方法，能夠僅僅通過單個觀測站測量獲取閃電放電通道準三維定位結果和時空演變過程，具有包含地閃和云閃的全閃電探測功能，同時提供同步的閃電的聲、電綜合探測資料。從而克服了多站組網復雜而單站不能三維定位的缺點。

本發明的目的可通過如下措施來實現：

一種單站準三維閃電定位系統和方法，包括：

由三個或以上閃電聲-電傳感器單元安照一定方式布設，構成傳感器陣列，用于獲取閃電的聲、電磁脈沖信號；

一套數據采集設備，用于完成將上述傳感器的模擬量轉換為數字量；

一種聲、電結合的準三維閃電定位方法，用于將上述數字信號按照指定步驟得到最終閃電放電過程的準三維定位結果。

???????上述的閃電聲-電傳感器單元構成如圖1，包含接收閃電射頻輻射信號的天線1和接收雷聲信號的傳聲器2，以及用于支撐傳聲器2的水平支架3。