专利名称：一种多站闪电甚高频辐射源三维定位方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及雷电探测技术领域，具体涉及一种多站闪电甚高频辐射源三维定位方法和系统。
背景技术：
雷电灾害是联合国有关部门公布的最严重的十种自然灾害之一。据有关资料统计，全世界每年因雷击造成的经济损失达10亿美元以上。特别是近年来，受全球气候变暖的大背景影响，强对流天气频繁发生，局地的、极端的天气事件发生的几率大大增加。与此同时，高精度集成电路的广泛使用极大增加了高新技术设备对雷电电磁辐射脉冲防护需求。因此随着国家经济与社会的发展，对闪电灾害预警和防御提出了更高、更广泛的要求。利用闪电探测和定位系统能对雷电活动进行预警，从而减小闪电所导致的灾害。利用全闪电三维定位网络可对地区闪电进行连续不间断地监测，不仅能够为雷电的防灾减灾提供重要帮助，而且能为强对流天气的预报提供指示性帮助。因此，发展新的全闪定位方法具有非常重要的意义。闪电多站定位系统近年来发展迅速，按照工作频段的不同，可分为甚低频(VLF/LF)定位系统与甚高频(VHF)定位系统。其中，甚低频(VLF/LF)定位系统包括磁定向跟踪法、时间到达(TOA)定位法、MDF和TOA综合探测技术。甚低频(VLF/LF)定位系统发展较早，探测范围大，技术较为成熟，但是只能探测到闪电的二维位置，无法实现闪电发生高度定位，且无法对闪电通道的发生发展过程进行定位。相对LF频段而言，VHF频段的闪电信息更为丰富，覆盖了整个闪电放电过程。甚高频多站定位技术主要包括长基线时差法(TOA)与干涉法(ITF)。长基线VHF/T0A技术以长基线时差定位系统LMA (Lightning Mapping Array)为代表,实验中共设有GPS同步的测站13个，中心频率63MHz，带宽6MHz，单站探测距离为 300km，系统能以50ns的时间分辨率和50 IOOm的空间定位精度展现闪电起电放电的三维时空演变过程。甚高频TOA技术探测范围较大，能够反映闪电通道三维时空分布特征，但是其要求测站多(至少5个)，对时间同步性要求高。VHF干涉仪闪电定位技术以测量同一信号达到天线阵列的不同天线的相位差为基础，进而通过相位差计算辐射信号入射角，最终得到辐射源的空间定位。单站的干涉仪便能实现闪电的二维定位(方位角与仰角)，多站联合能实现三维闪电定位于闪电通道辐射源定位。VHF干涉法又可分为窄带干涉仪与宽带干涉仪，早期的干涉仪仅作为研究工具使用。20世纪90年代，DMENS10N公司基于窄带干涉仪技术研制的SAFIR系统是目前多站组网实现应用的代表。一个SAFIR系统由至少2个探测站和一个中心处理站构成，系统工作频段110 118MHz,使用方位角和仰角交汇的方法实现三维定位,单站探测范围IOOkm 200km,定位精度在几百米到5公里之间，得到了较为广泛的应用。然而，该系统使用水平天线阵列，单个测站天线数量必须至少达到三个，硬件结构复杂、安装难度大。最重要的是，受水平天线阵列的影响，单站对于距离越远的闪电，其仰角测量精度越低，严重降低了其对远距离闪电的探测精度。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明要解决的技术问题是如何提供一种利用多个单站测量的仰角交汇以实现闪电辐射源三维定位方法和系统。(二)技术方案为解决上述技术问题，本发明一方面提供一种多站闪电甚高频辐射源三维定位系统定位方法，具体包括:步骤1、设置至少三个单站站点，每个单站站点构成竖直基线的双天线阵列，通过测量闪电电磁辐射信号达到单站站点的相位差关系
权利要求
1.一种多站闪电甚高频辐射源三维定位方法，其特征在于，具体包括: 步骤1、设置至少三个单站站点，每个单站站点构成竖直基线的双天线阵列，通过测量闪电电磁辐射信号达到单站站点的相位差关系
2.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述闪电辐射源信号到达单站的仰角通过短基线时差法、宽带干涉法或窄带干涉法进行计算。
3.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，所述步骤3中的根据至少三个或者三个以上的单站测量仰角信息，联立方程组；所述方程组中所述每个单站的三维坐标是已知值，闪电辐射源三维坐标(X，1，Z)以及其在单站构成平面上的投影点位置坐标(X’，y’，Z’)为未知值；通过单站坐标值以及仰角值，得到关于x、y、z、x’，y’，z’的数学模型。
4.如权利要求1所述的定位方法，其特征在于，若所述数学模型中具有多个解，通过电磁波信号达到单站站点的时间关系进行检验，得到唯一解。
5.一种多站闪电甚高频辐射源三维定位系统，其特征在于，所述系统包括至少三个单站站点和数据处理中心； 所述单站站点包括:单站竖直基线的双天线阵列，其包括两个相同的射频天线，所述两个射频天线竖直配置； GPS时钟模块，其包括GPS天线与时钟模块； 所述GPS天线置于双天线阵列的顶端；所述时钟模块，用于提供时间基准，其输入端与GPS天线相连，接收GPS卫星授时信号，将时间基准信号发送至信号采集与处理模块，捕获闪电电磁号到达单站的精确时间息； 信号采集与处理模块，其输入端与双天线阵列连接，用于采集双天线阵列捕获的信号，并对信号进行识别，计算得到闪电辐射源信号达到双天线阵列的仰角，并将仰角数据及闪电辐射源信号到达时间传输至数据处理中心； 数据处理中心，其用于接收各个单站站点得到的仰角和到达时间信息，并计算闪电的三维空间坐标并进行显示。
6.如权利要求5所述的多站闪电甚高频辐射源三维定位系统，其特征在于，还包括所述两个射频天线竖直置于由绝缘且对电磁信号无衰减的材料制成的中空天线架杆内。
7.如权利要求5所述的多站闪电甚高频辐射源三维定位系统，其特征在于，所述信号采集与处理模块包括信号采集单元与微处理器；所述信号采集单元通过同轴电缆连接所述两个射频天线，采集闪电辐射源信号，所述闪电辐射源信号经模数转换后传输至微处理器； 所述微处理器用于计算得到信号达到单站站点的仰角，通过无线或者有线网络将仰角数据及其到达时间传输至数据处理中心。
8.如权利要求7所述的多站闪电甚高频辐射源三维定位系统，其特征在于，所述同轴电缆上可选择性接入射频接收机、信号滤波器或信号放大器。
9.如权利要求7所述的多站闪电甚高频辐射源三维定位系统，其特征在于，还包括设置于天线架杆上的机箱，所述信号采集单元、时钟模块和微处理器均设置于所述机箱中。
10.如权利要求5所述的多站闪电甚高频辐射源三维定位系统，其特征在于，所述仰角通过短基线时差法、宽带干涉法或窄带干涉法进行计 算。
全文摘要
本发明涉及雷电探测技术领域，具体涉及一种多站闪电甚高频辐射源三维定位方法和系统。本发明提供的闪电甚高频辐射源三维定位方法，利用单站竖直设置的双天线阵列，通过该天线阵列得到闪电到达单站的仰角，利用三个及以上的单站仰角信息即可建立方程组，计算得到闪电辐射源发生的三维空间位置。基于上述方法，本发明提供一种闪电甚高频辐射源三维定位系统，包括至少三个单站站点和数据处理中心，每个单站站点由射频天线阵列、GPS时钟模块、信号采集与处理模块组成。与现有同类技术相比，本发明可有效扩大单个测站探测距离，精简天线阵列与数据采集设备、降低设备成本与架设费用。本发明能探测大范围闪电的三维空间演变特征，实现早期闪电警报、评估闪电活动危险区和强雷暴危险性等功能，为预防雷电灾害与强对流天气预警提供有效信息。
文档编号G01S5/16GK103235284SQ20131010839
公开日2013年8月7日 申请日期2013年3月29日 优先权日2013年3月29日
发明者周康辉, 董万胜, 刘恒毅 申请人:中国气象科学研究院