[发明专利]基于宽带甚高频辐射信号探测的超短基线闪电三维定位方法

权利要求书

1.一种基于宽带甚高频辐射信号的超短基线闪电三维定位方法，其特征在于,结合干涉仪的超短基线定位优势和多站到达时间差技术的三维定位能力，采用超短基线多站观测布局；通过对原始信号进行增采样；引入集合经验模态分解技术对增采样信号进行分析和优化；采用基于主窗口与辅助窗口相结合的互相关信号匹配技术,实现对甚高频辐射信号中脉冲信息的充分匹配和提取；利用到达时间差技术进行三维定位；具体步骤为：

(1)超短基线甚高频天线的多站同步观测布局

将闪电宽带干涉仪(INTF)常用的甚高频(VHF)辐射探测天线共七个，作对称的六边形布局，即以天线A作为中心测站和坐标原点，另外6个相同的天线，依次记为天线B-G，围绕天线A布设，天线B-G中两两相邻的天线的距离为L，天线B-G与天线A的距离也为L；这样，7个天线构成一个高度对称的六边形；称L为基线；

(2)信号特征分析

将DBM_EEMD算法用于对闪电产生的甚高频辐射信号进行分析,得到背景噪声信号、含噪的闪电VHF辐射信号的主要成分；这里，DBM_EEMD算法是指基于集合经验模态分解算法(EEMD)，并将待分解信号进行双向双面镜像(DBM)延拓；

(3)信号的增采样

对原始信号进行高倍率增采样的预处理，即使用多相滤波器实现对原始信号进行10倍以上的重新采样，以提升信号的时间精度、改变原始信号的不可导特性，提升对信号用DBM_EEMD分解重构的准确性，提升对不同天线上信号做互相关的准确性；

(4)信号的DBM_EEMD降噪

采用DBM_EEMD构造一个带通滤波器，保留探测信号中40-80MHz的信号分量，以有效提高波形匹配的准确性，获取更为准确的脉冲峰值时间，用于求取不同天线间同一个脉冲信号的时间差，进而实现辐射源的精准定位；

(5)信号的互相关匹配

用广义互相关技术将不同天线上的信号进行匹配，为进一步的脉冲信号识别、匹配做准备；各站的待匹配信号均由主窗口和两个辅助窗口构成，中心站的待匹配信号的两个辅助窗口被赋值为0，以提升窗口信号匹配的准确性；

(6)微尺度窗口下的脉冲提取

在经过步骤(5)初步匹配后的窗口中，以1个宽度为11ns的微尺度窗口进行遍历，找出微窗口内存在脉冲峰数量大于等于5个的组合，以准确提取脉冲峰的时间；

为了将主窗口内不同天线上的脉冲信号准确地进行配对，提取脉冲峰的时间的具体流程为：

(a)首先在中心站天线A的主窗口内找出所有峰值即局部极大值大于阈值的脉冲峰的时刻，记该峰值时刻为T_p；

(b)以T_p为中心，构建一个宽度为11ns的微尺度窗口同时覆盖天线A，天线B，…，天线G，在天线B--天线G上检测是否有脉冲峰出现在窗口范围内，在11ns的窗口内，当同时有至少5个天线的信号上均有脉冲被检测到时，则继续下一步；

(c)对步骤b中初步配对的所有脉冲进行相似性判断，即以配对成功的若干个脉冲各自的峰值时刻T_pA，T_pB，…，T_pG为中心，分别截取宽度为11ns的波形，计算脉冲波形之间的相关系数，只有当它们两两间的相关系数均大于0.8以上时，才认为以上所有脉冲信号来自于同一个“放电”事件；

(d)配对成功的脉冲的峰值时刻分别记为T_pA，T_pB，…，T_pG，对于天线A和天线B，同一个脉冲信号到达A、B天线的时间差为Δt_AB＝T_pA-T_pB，n个天线构成的天线阵列有组时间差τ_ij，其中n为测站个数，m＝2，当天线个数大于等于5时，用到达时间差技术获取脉冲辐射源的三维定位结果；

(7)基于非线性最小二乘算法的辐射源三维定位

包含初始解的求解，利用初始解带入非线性最小二乘法得到精确解，以精确获取闪电辐射信号发生的三维位置和发生的时刻；具体流程为：

在闪电放电事件的定位过程中，需要根据闪电VHF辐射信号到达各个测站的时间差来计算闪电放电事件发生的位置(x,y,z)和时间(t)，共计4个未知参量；在用非线性最小二乘法求解时，要求方程组超解，因此当有5个及以上数量测站成功匹配到同一个闪电放电事件时，可以计算得到这个脉冲峰到达测站的时间差，使用到达时间差法(TOA)计算闪电放电事件的发生位置和时刻，实现三维定位；

设在t₀时刻，当闪电放电事件发生在(x,y,z)处时，闪电辐射信号以光速c传播，那么，位于(x_i,y_i,z_i)的测站i接收到此事件信号的时间为：

公式(1)为非线性方程，将其进行形式转换成为线性方程组，再进行求解；

首先，将式(1)进行形式转换，使之成为如下形式：

令：

r²≡x²+y²+z² (4)

将以上两式带入到(2)中，使其转换为以下形式：

进一步合并同类项后得到：

同样可以给出闪电放电信号到达第j个测站的时间方程，将i站与j站方程相减后得得到：

令：

t_ij≡t_i-t_j x_ij≡x_i-x_j y_ij≡y_i-y_j z_ij≡z_i-z_j (8)

使式(7)的形式转换为：

进一步定义算子：

则有：

xx_ij+yy_ij+zz_ij-c²tt_ij≡q_ij (11)

这时，方程(11)是一个关于(x,y,z,t)的线性方程组，它定义了多个四维空间(x,y,z,t)的平面，方程组的解是这些超平面的交汇点；对于这样的线性方程组，关于(x,y,z,t)的解析解是：

为避免有较大的误差，将求解超平面方程组的方法给出的解仅可以作为一些求解非线性方程组的优化方法的初始解；即：

将求解(12)式,获取初始解,将其作为非线性最小二乘迭代计算的初始估计值，这样有利于得到更为合理的数值解析解(x,y,z,t)，并有效提高迭代过程的收敛速度；对于非线性最小二乘法迭代得到的最优解，以χ²的大小来衡量定位结果的好坏，其中χ²定义为：

其中，N表示参与定位的测站数量，即有N个测站成功匹配了同一个闪电放电事件，表示脉冲峰值时间提取的误差水平，由于时间测量的初始误差为5.5ns-2ns，经过增采样和带通滤波后，时间误差水平显著降低，为方便计算和评价，此处将其设定为1ns；表示第i个测站实际接收到闪电放电事件的时间，是由最小二乘迭代计算得到的闪电VHF辐射信号从发生位置(x^fit,y^fit,z^fit)传输到第i个测站的时间。