[发明专利]一种宽带干涉仪闪电定位系统的系统误差模拟和优化方法

说明书

本发明属于闪电定位技术领域，具体涉及一种宽带干涉仪闪电定位系统的系统误差模拟和优化方法。本发明从干涉仪定位原理‑闪电射频信号传输的平面波近似出发，给出了平面波近似下干涉仪定位结果产生的系统误差的几何模型，提出平面波模型近似是干涉仪定位系统误差的主要来源；通过对正交基线布局下的干涉仪模拟定位分析，证明基线布局要形态对定位结果的系统误差有重要影响，即基线布局的对称性有助于优化干涉仪定位中由平面波近似引起的系统误差；进而提出以等边三角形中心为坐标原点的基线布局方案，这种基线布局可以非常有效地改善平面波近似导致的系统误差。

技术领域

本发明属于闪电定位技术领域，具体涉及一种宽带干涉仪闪电定位系统的系统误差的模拟方法，并提出一种通过调整天线布局来优化系统误差的方法。

背景技术

随着各方面技术水平特别是电子和计算机技术的快速发展，促进了基于干涉法的闪电探测系统的发展。基于宽带甚高频信号探测的宽带干涉仪技术和闪电定位方法被Shaoet al.(1996)最早引入到闪电观测和研究领域。与窄带干涉法相比，宽带干涉仪技术大大简化了天线阵列结构和前端射频电子器件，避免了源方向模糊(Shao et al.,2018)，从而被广泛应用并得到了快速发展。目前常见的宽带干涉仪的天线布局继承了窄带干涉仪系统基线间保持垂直的正交基线结构，通过探测闪电射频信号到达天线的时间差来实现对闪电放电过程的二维定位。随着宽带干涉仪定位技术的不断改进，其在闪电观测中的的高精度优势得到凸显，进而在人工触发闪电触发机制、物理特征研究方面发挥了重要作用，也在自然闪电的高精度观测方面不断发展，从而为闪电起始、发展过程中特定物理过程的发生机制和发展特征的深入认识提供了有力的技术支撑。

闪电产生的甚高频(VHF)辐射信号的干涉测量是研究闪电击穿过程的最有效技术之一，随着宽带干涉仪闪电观测研究的不断深入，对闪电放电过程的定位精度和时空分辨率的要求不断提升，因而干涉仪定位结果的不确定性和误差分析就成了一个非常重要的课题。Stock et al.(2014,2017)根据Carter’s(1987)提出的相干时延估计下限不确定度公式，对其干涉仪观测值进行了初始不确定度分析.Shao et al.,(2020)则从宽带干涉仪定位技术的基础—互相关时延估计出发，分析了该方法获取的窗口间的时延对定位结果不确定性的影响，并进而提出了波束控制干涉测量技术，以提高宽带干涉仪对闪电的成像能力，并更可靠地估计每个闪电辐射源的定位不确定性/误差。以上这些工作均未涉及到干涉仪定位的根本——系统误差，即到目前为止，还没有正式文献从干涉仪定位原理-闪电射频信号传输的平面波近似方面做过分析，即闪电射频信号传输的平面波假定是否会对定位结果造成误差？如果会造成误差，那么误差有多大？如果会造成误差的话，有没有什么方法可以有助于改善甚至消除这种误差？毕竟，闪电击穿过程瞬间产生的视频信号的传输更接近球面波，平面波近似只是为了能够以较少的天线数量实现二维定位而做的几何近似。

参考文献：

Carter,G.C.(1987),Coherence and Time Delay Estimation,Proceedings ofthe IEEE,Vol.75,236-255.

Shao,X.M.,Krehbiel,P.R.(1996).The spatial and temporal developmentof intracloud discharges.Journal of Geophysical Research,101(D21),26,641–26,668.https://doi.org/10.1029/96JD01803