[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

说明书

本发明属于闪电定位技术领域，具体为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。本发明结合干涉仪的超短基线优势和多站到达时间差技术的三维定位能力，设计超短基线多站闪电观测布局，摒弃传统的“质心法”技术路线，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。本发明可以实现对闪电放电过程超高分辨率的三维定位，定位闪电放电事件的时间分辨率可以达到纳秒量级，空间误差的理论分辨率提升到分米量级。

技术领域

本发明属于闪电定位技术领域，具体涉及一种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。

背景技术

闪电发生时放射的不同频段的电磁信号均可用于闪电定位。根据探测系统的差异和定位方法的不同，闪电定位方法主要分为三类：磁定向法(Magnetic DirectionFinding,MDF)、到达时间差法(Time of Arrival,TOA)和干涉法(Interferometry)。

到达时间差的定位技术是通过测量特定频段闪电辐射的电磁信号到达不同辐射接收天线的时间差来计算辐射源发生的位置信息，根据接收天线布设距离可大致分为三类：(1)超短基线(几十到几百米)、(2)短基线(几公里至几十公里)、(3)长基线(几十至几百公里)。短基线探测系统接收闪电VHF频段(30-300MHz)信号；长基线系统接收闪电VLF和LF频段(3-300KHz)信号。目前国际上相关研究领域应用最广、影响最大的运行在VHF频段的TOA辐射定位系统是美国(New Mexico Institute of Mining and Technology)发展的闪电VHF辐射源定位系统(Lightning Mapping Array,LMA)(Thomasand Ronald,2004),通常由10个左右工作在60-66MHz的辐射接收天线组网观测，闪电辐射源定位的时间分辨率在几十微秒量级，空间定位误差为几十米。长基线定位系统与LMA的定位原理相似，特点是站网覆盖范围更广，但是时空分辨率通常都不高(Shao et al.,2006)。

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。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，即由三个VHF辐射接收天线构成两条正交的基线，基线长度一般几十米到上百米，天线的工作频带较宽，通常在几十MHz到几百MHz之间。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。这类系统由于基线非常短，通常采用单个高性能采集卡对三个天线数据同步采集，采样率高达几百兆，采样点的时间分辨率高达纳秒量级，定位得到的辐射源的时间分辨率可以达到亚微秒量级(Stocket al.,2014)。

但无论是目前主流的到达时间差法(TOA)还是干涉仪闪电定位系统，都有各自的优缺点：干涉仪的基线很短，不同天线间的信号非常容易被匹配求取时间差，因而定位结果的时间分辨率非常高，现有技术水平下可以达到亚微秒量级，不足之处在于干涉仪仅能获取闪电放电事件的二维信息(方位角和仰角)，并且由于采用平面波近似，其定位理论本身存在非常显著的系统误差；基于TOA的LMA类似的闪电定位系统虽然能够获得闪电放电过程的三维信息，但是由于基线长度相对较长，不同天线上的信号差异会很大，因而信号匹配的难度较大，准确率较低，这类系统目前能够达到的对闪电放电事件的时间分辨率最高为几十微秒量级，空间误差为几十米；此外，目前主流的干涉仪和三维闪电定位系统均普遍采用“质心法(centroid method)”来匹配信号求取时间差，这个技术实际上限制了VHF观测信号潜力的充分挖掘。