[发明专利]一种估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法

说明书

技术领域

本发明属于雷电监测预警技术研究领域，涉及一种在由多个探测站和一个中心站组成的云闪雷电探测定位系统中，在中心站精确计算雷电脉冲信号到达任意两个探测站的时间差(TDOA)的方法。

背景技术

基于信号来波方向(DOA)对雷电辐射源进行定位，其定位精度与空间分辨力将随着雷电辐射源与探测站之间距离的增大而降低。相比之下，基于信号到达时间差(Time Difference Of Arrival，TDOA)的雷电辐射源定位技术，其定位精度与空间分辨力则将随着辐射源与探测站间距的增加而得到提高(当定位双曲面相互正交时为最佳)，但当辐射源非常靠近某个探测站时，TDOA定位的空间分辨力也将急剧下降。

获取辐射源发射信号到达两个探测站的时间差有两种方法：(1)将两个接收站得到的信号到达时间(TOA)测量值作差；(2)利用互相关技术，计算一个探测站的接收信号与另一个探测站的接收信号之间的互相关函数，然后进行峰值搜索。前一种方法不仅要求各探测站之间保持严格的时钟同步，而且还须知道发射信号波形的先验知识，因而多用于规则脉冲信号情形。采用互相关技术直接计算信号到达时间差，可以完全摆脱对发射信号波形的限制，可用于对雷电脉冲到达时间差的估计，其应用的前提条件依然是各探测站之间必须保持高精度的时钟同步。

目前常用的时延估计方法有：广义相关时延估计法，如以P.R.Roth命名的ROTH加权广义相关法，以J.C.Hassab和R.E.Boucher命名的HB加权法；用三阶累积量或三阶矩的傅立叶变换的广义双谱时延估计法；利用功率谱与相关函数互为傅立叶变换的广义相位谱时延估计法；以自适应滤波或自适应迭代为特征的自适应时延估计法；基于子空间分解的超分辨时延估计法。在广义相关时延估计法中，在对两个探测站的信号进行相关处理前，先对其进行预滤波，相当于在频域进行加权，有利于增强接收信号的谱分量，提高信噪比，从而获得较高的时延估计精度。这些方法若直接用来求取雷电脉冲的TDOA，其缺点是需要遍历各探测站接收到的所有雷电脉冲信号，运算量非常大，且由于相关峰判决门限不易确定，导致出现许多虚假估计值。

目前，尚未发现对云闪雷电辐射源进行定位时，具备高精度、鲁棒性雷电脉冲信号到达时间差估计的完整方法和实现流程。

发明内容

本发明的目的在于提供一种估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，该方法无需遍历两个探测站接收到的所有雷电脉冲，其计算量和虚假估计结果明显减少，估计精度得到提高，且同时也获得了配对的TDOA信息。

本发明提供一种估计云闪雷电脉冲信号到达时间差的方法，该方法包括下述步骤：

第1步对上传到中心站的雷电波形数据块进行拼接和波形还原，得到一个个完整的雷电脉冲，形成雷电脉冲簇；

第2步中心站根据设定的时间区间提取位于该时间区间内的各探测站雷电脉冲簇；

第3步针对用户输入时间区间内、各探测站的雷电脉冲簇，中心站统计分属于每个探测站的雷电脉冲簇中的脉冲个数，由此计算出这些脉冲所对应的原始雷电波形数据块的总个数，并将该总个数最多的那个探测站作为该时间区间内进行到达时间差计算的参考探测站，命名为A站，其它探测站称之为一般探测站，命名为B站、C站、D站、......，设一般探测站的数量为S；

第4步对所述时间区间内参考探测站雷电脉冲簇中的脉冲个数Q进行统计；

第5步令q＝1，s＝1；

第6步取参考探测站雷电脉冲簇中的第q个脉冲，与第s个一般探测站的脉冲簇中的各个脉冲进行粗关联、细关联，得到同源脉冲配对结果，再计算同源脉冲之间的到达时间差值，最后形成完整的同源脉冲配对及其对应的到达时间差队列；

第7步令s＝s+1，判断s＞S是否成立，如果成立，转入第8步，否则进入第6步；

第8步令q＝q+1，判断q＞Q是否成立，如果成立，转入第9步，否则令s＝1，转入第6步；

第9步改变时间区间，重复前述步骤(2)～(8)，得到位于该时间区间内的同源脉冲对队列和到达时间差队列。

本发明方法鲁棒地估计云闪雷电脉冲信号到达任意两个探测站的时间差，它通过若干预处理和判断过程缩小可能关联的雷电脉冲信号范围直至完成雷电脉冲信号的一一配对(得到同源脉冲对)，再利用广义互相关函数或脉冲的包络能量重心来最终估计出TDOA，这样可以大幅度减小TDOA估计的计算量及可能出现的虚假结果，并依据云闪雷电脉冲的持续时间长度选择不同的TDOA具体计算方法。具体而言，本发明具有以下特点：