[发明专利]基于频域时间反转的雷电多源定向方法

说明书

本发明公开了一种基于频域时间反转的雷电多源定向方法，通过对阵列接收的时域信号进行离散傅里叶变换后作共轭处理，而后利用原接收阵列将处理后的信号再发射至空间各处，提取各个聚焦点即为对应辐射源的入射方向。本发明的方法区别于时间到达差法和相位干涉法，无需估计阵列接收信号的时间到达差或相位差，克服了同一个时间窗口下无法对多个雷电辐射源同时进行定位的难题，为雷电探测水平的进一步提高提供了可行方案。

技术领域

本发明涉及一种基于频域时间反转的雷电多源定向方法。

背景技术

传统闪电三维定位技术可分为时间到达差(TOA)技术和相位干涉技术。然而无论是TOA技术，还是相位干涉技术，均无法实现同时对多个雷电辐射源进行定位。其中，TOA技术通过提取闪电辐射脉冲到达各个观测站的时间，进而对闪电辐射源进行定位，当多个辐射源的辐射信号同时到达观测站时，TOA技术因无法分辨、提取各个辐射源对应的时间信息，因而无法对多个辐射源进行定位，甚至单源定位也会受影响；相位干涉技术是基于估计任意两个到达信号的在各个频点上的相位差进行定位的，当有多个辐射源时，各频点的相位差叠加，该技术因不能同时估计多个辐射源的到达阵列的相位差而不能进行多源定位。

在VHF闪电辐射源定位或者雷声定位过程中，由于闪电辐射源在空间、时间上分布的复杂性，多个辐射源同时到达观测站的可能性很大，这时传统的雷电定位技术会因多源出现而定位失败或产生误判，从而影响闪电定位的精度和可靠性。

针对以上不足，有必要提出一种基于频域时间反转的雷电多源定向方法。

发明内容

本发明的目的是提供了一种基于频域时间反转的雷电多源定向方法，可实现同一个时间窗下对多个雷电辐射源同时进行定向，其优势在于无需估计到达信号的时间差，摆脱了传统技术必须估计到达信号时间差或相位差的限制，并且时间反转信号能量在各个辐射源入射方向上自动聚焦的功能，从而实现了雷电多源定向的功能。

为实现所述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于频域时间反转的雷电多源定向方法，包括下列步骤：

步骤S1：利用M个雷电信号测量传感器，测量信号包括电磁脉冲辐射信号和雷声信号，按照任意两条基线不共线原则，且基线长度远小于辐射源与阵列的距离，组成信号源定向阵列，接收信号源远场辐射信号；其中辐射源至少包括雷电电磁脉冲辐射源和雷声辐射源，阵列和信号源定向阵列是等价的，都是测量传感器阵列；信号源远 场辐射信号指的是传感器接收的辐射源信号需是雷电辐射源的远场辐射信号；

步骤S2：取出接收信号源远场辐射信号中参与定位的数据段进行离散傅里叶变换后取共轭，设m个阵元V_m接收的信号为s_m(t)，m＝1，2，3，…，M，对阵元接收信号做离散傅里叶变换并取共轭，令频域信号为X_m(f)，得到M组频域信号，令每组频域信号含有的频点数为N，将其按行排列可得一个M×N的矩阵S，如下式所示：

其中所述的数据段是指可用有效的信号段，不包括被噪声淹没的信号段，因为被噪声淹没的信号是无法定位的，阵元就是信号源定向阵列中的一个传感器；所述的频域信号就是共轭之后的信号；f表示频域信号的频点；

步骤S3：对整个空间所有方向的方位角和仰角θ组成的二维平面进行栅格化，每个栅格单元边长为φ，每个栅格单元对应信号入射角参数为i＝1，2，3，…，(360°/φ+1)，j＝1，2，3，…，(90°/φ+1)，选定一个参考点，求取阵列对应每个角度栅格在每个频点上相对于该参考点的方向矢量(1×M的行向量)，n＝1，2，3，…，N，如下式所示：

式中：τ_m为辐射源到达阵元m与参考点的相对时差；