一种基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位方法与流程
本发明属于雷暴云监测技术领域，具体涉及一种基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位方法。
背景技术：
雷暴云是闪电的主要产生源，而闪电是一种重大的自然灾害，严重威胁人类的正常活动，尤其是建筑物、输电线网等遭其袭击，可能造成巨大损失。如果建筑物遭到雷电感应，其内部构架与接地不良的金属装置容易出现火花，甚至会引起爆炸。自然界每年都有几百万次闪电，雷电灾害是“联合国国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一。最新统计资料表明，雷电造成的损失已经上升到自然灾害的第三位。全球每年因雷击造成人员伤亡、财产损失不计其数。因此，雷暴云监测手段对防雷减灾有重要作用。如今，大气电场测量广泛应用于航空、气象等诸多领域，科研人员也积极参与到大气电场探测技术的研究中。长期研究发现，大气电场的垂直分量和水平分量都是存在的。研究三维电场分量，对进一步探索大气电场至关重要。现有技术中已经通过分析电场与地表相对介电常数之间的关系，计算了介电常数，建立了有效的三维测量模型，设计了用于大气电场测量的三维电场系统。然而，这些研究在实现三维大气电场分量测量的同时，无法利用电场分量得到雷暴云视角位置，不利于实际的工程应用。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种能够准确获得雷暴云所在方位，有效提高雷暴云定位的精确度和稳定性的基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位方法。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：
一种基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位方法，包括如下步骤：步骤1、建立雷暴云电场测量空间模型，该模型以n点为坐标原点，建立三维直角坐标系；其中，n(0,0,0)为三维大气电场仪的所在位置；m(x,y,z)为大气电场仪所测量的雷暴云所在位置；m'(x,y,0)为m(x,y,z)在x0y平面上的投影点；h为三维大气电场仪n(0,0,0)与海拔高度之和；所测量的雷暴云m(x,y,z)的方位角和俯仰角分别为α，β；r为所测量的雷暴云m(x,y,z)到三维大气电场仪n(0,0,0)的距离；
步骤2、设所测量的雷暴云m(x,y,z)的点电荷为q，根据镜像法，得到点电荷q关于x0y平面对称的镜像电荷q'；
步骤3、根据所测量的雷暴云m(x,y,z)所产生的电场是由点电荷q和它的镜像电荷q'构成，得到所测量的雷暴云m(x,y,z)在大气电场仪n(0,0,0)处的电位分布
式中，ε1为空气介电常数，ε2为大气电场仪n(0,0,0)所在地面的介电常数，h为三维大气电场仪n(0,0,0)与海拔高度之和；
步骤4、在大气电场仪n(0,0,0)点测得的雷暴云电场强度e，对e进行正交分解，得到：
e＝ex+ey+ez(2)
式中，ex、ey、ez分别为大气电场仪n(0,0,0)点测得x轴、y轴、z轴方向上的雷暴云电场强度，且两两互相垂直；
步骤5、根据雷暴云电场强度ex、ey、ez的电位分布
式中，x、y、z分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数；α为所测量的雷暴云m(x,y,z)的方位角；β为所测量的雷暴云m(x,y,z)的俯仰角；r为所测量的雷暴云m(x,y,z)到三维大气电场仪n(0,0,0)的距离。
作为本发明的优选技术方案：步骤5的具体步骤如下：步骤5.1、分别对雷暴云电场强度ex、ey、ez的电位分布
式中，ε1为空气介电常数，ε2为大气电场仪n(0,0,0)所在地面的介电常数，h为三维大气电场仪n(0,0,0)与海拔高度之和，q为所测量的雷暴云m(x,y,z)的点电荷，q'为点电荷q关于x0y平面对称的镜像电荷，x、y、z分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数；
步骤5.2、所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数z通常比高度h高出2个数量级，高度h相对于坐标参数z可忽略不计，得出：
z≈z-h≈z+h(5)
式中，z为所测量的雷暴云m(x,y,z)在z轴上的坐标参数，h为三维大气电场仪n(0,0,0)与海拔高度之和；
步骤5.3、所测量的雷暴云m(x,y,z)到大气电场仪n(0,0,0)的距离r为:
式中，x、y、z分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数；
步骤5.4、将公式(5)、公式(6)代入公式(4)，得到：
式中，
步骤5.5、根据公式(7)，计算得到反演的雷暴云视角定位坐标(r',α',β')：
式中，r'为所测量的雷暴云m(x,y,z)到大气电场仪n(0,0,0)的距离r的反演值，α'为所测量的雷暴云m(x,y,z)的方位角α的反演值，β'为所测量的雷暴云m(x,y,z)的俯仰角β的反演值；
步骤5.6、当点电荷q、空气介电常数ε1、大气电场仪n(0,0,0)所在地面的介电常数ε2分别为已知数时，基于步骤1中的雷暴云电场测量空间模型所示矢量关系及公式(8)得到反演的所测量的雷暴云m(x,y,z)坐标：
式中，x'、y'、z'分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数x、y、z的反演值；
步骤5.7、根据公式(9)，计算得到基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位坐标(r,α,β)为：
式中，x、y、z分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数；α为所测量的雷暴云m(x,y,z)的方位角；β为所测量的雷暴云m(x,y,z)的俯仰角；r为所测量的雷暴云m(x,y,z)到三维大气电场仪n(0,0,0)的距离。
作为本发明的优选技术方案：步骤5.6中的点电荷q为5c。
作为本发明的优选技术方案：步骤5.6中的空气介电常数ε1为1。
作为本发明的优选技术方案：步骤5.6中的大气电场仪n(0,0,0)所在地面介电常数ε2为5。
本发明所述基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位方法，采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明的定位方法精度较高，性能稳定，具有较好的视角定位效果，在仿真实验中，定位结果在雷达图所示监测区域内，与雷达图反馈信息接近，整体定位性能良好，有助于提高雷暴云预警监测的准确性和可靠性。
附图说明
图1为雷暴云电场测量空间模型示意图；
图2为雷暴云到电场仪距离，电场分量测量误差与测距误差的关系示意图；
图3为雷暴云到电场仪距离，俯仰角与方位角测量误差的关系示意图；
图4为雷暴云到电场仪距离，俯仰角与俯仰角测量误差的关系示意图；
图5为电场分量测量误差与测距误差的关系示意图；
图6为电场分量测量误差与方位角测量误差的关系示意图；
图7为电场分量测量误差与俯仰角测量误差的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明：
如图1所示，一种基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位方法，包括如下步骤：步骤1、建立雷暴云电场测量空间模型，该模型以n点为坐标原点，建立三维直角坐标系；其中，n(0,0,0)为三维大气电场仪的所在位置；m(x,y,z)为大气电场仪所测量的雷暴云所在位置；m'(x,y,0)为m(x,y,z)在x0y平面上的投影点；h为三维大气电场仪n(0,0,0)与海拔高度之和；所测量的雷暴云m(x,y,z)的方位角和俯仰角分别为α，β；r为所测量的雷暴云m(x,y,z)到三维大气电场仪n(0,0,0)的距离；步骤2、设所测量的雷暴云m(x,y,z)的点电荷为q，根据镜像法，得到点电荷q关于x0y平面对称的镜像电荷q'；步骤3、根据所测量的雷暴云m(x,y,z)所产生的电场是由点电荷q和它的镜像电荷q'构成，得到所测量的雷暴云m(x,y,z)在大气电场仪n(0,0,0)处的电位分布
式中，ε1为空气介电常数，ε2为大气电场仪n(0,0,0)所在地面的介电常数，h为三维大气电场仪n(0,0,0)与海拔高度之和；
步骤4、在大气电场仪n(0,0,0)点测得的雷暴云电场强度e，对e进行正交分解，得到：
e＝ex+ey+ez(2)
式中，ex、ey、ez分别为大气电场仪n(0,0,0)点测得x轴、y轴、z轴方向上的雷暴云电场强度，且两两互相垂直；
步骤5、根据雷暴云电场强度ex、ey、ez的电位分布
式中，x、y、z分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数；α为所测量的雷暴云m(x,y,z)的方位角；β为所测量的雷暴云m(x,y,z)的俯仰角；r为所测量的雷暴云m(x,y,z)到三维大气电场仪n(0,0,0)的距离。
其中，步骤5的具体步骤如下：步骤5.1、分别对雷暴云电场强度ex、ey、ez的电位分布
式中，ε1为空气介电常数，ε2为大气电场仪n(0,0,0)所在地面的介电常数，h为三维大气电场仪n(0,0,0)与海拔高度之和，q为所测量的雷暴云m(x,y,z)的点电荷，q'为点电荷q关于x0y平面对称的镜像电荷，x、y、z分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数；
步骤5.2、所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数z通常比高度h高出2个数量级，高度h相对于坐标参数z可忽略不计，得出：
z≈z-h≈z+h(5)
式中，z为所测量的雷暴云m(x,y,z)在z轴上的坐标参数，h为三维大气电场仪n(0,0,0)与海拔高度之和；
步骤5.3、所测量的雷暴云m(x,y,z)到大气电场仪n(0,0,0)的距离r为:
式中，x、y、z分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数；
步骤5.4、将公式(5)、公式(6)代入公式(4)，得到：
式中，
步骤5.5、根据公式(7)，计算得到反演的雷暴云视角定位坐标(r',α',β')：
式中，r'为所测量的雷暴云m(x,y,z)到大气电场仪n(0,0,0)的距离r的反演值，α'为所测量的雷暴云m(x,y,z)的方位角α的反演值，β'为所测量的雷暴云m(x,y,z)的俯仰角β的反演值；
步骤5.6、当点电荷q、空气介电常数ε1、大气电场仪n(0,0,0)所在地面的介电常数ε2分别为已知数时，基于步骤1中的雷暴云电场测量空间模型所示矢量关系及公式(8)得到反演的所测量的雷暴云m(x,y,z)坐标：
式中，x'、y'、z'分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数x、y、z的反演值；
步骤5.7、根据公式(9)，计算得到基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位坐标(r,α,β)为：
式中，x、y、z分别为所测量的雷暴云m(x,y,z)的坐标参数；α为所测量的雷暴云m(x,y,z)的方位角；β为所测量的雷暴云m(x,y,z)的俯仰角；r为所测量的雷暴云m(x,y,z)到三维大气电场仪n(0,0,0)的距离。
根据上述方法，以下对基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位方法从多个方面进行性能分析：雷暴云定位性能与电场分量ex、ey、ez的测量误差、电荷量q、空气介电常数ε1以及大气电场仪n所在地面介电常数ε2都有关；当电荷量和两介电常数一定时，电场分量测量精度对定位性能起到关键作用。
根据空中电荷电场分布和雷暴云电荷结构原理，取空气介电常数ε1为1，大气电场仪n所在地面介电常数ε2为5，电荷量q为5c，进而研究雷暴云定位性能。设大气电场测量分量标准偏差均为
(1)雷暴云定位测距测向性能分析：
利用雷暴云m与电场仪n的距离r'，雷暴云方位角α'，雷暴云俯仰角β'的计算公式，由电场分量测量误差
由式(10)可知，测距误差σr仅与距离r'和电场分量测量误差
(1.1)雷暴云定位测距性能分析：利用式(10)，研究距离r'，电场分量测量误差
(1.2)雷暴云定位测向性能分析：研究距离r'，俯仰角β'与方位角测量误差σα的关系，仿真结果如图3所示。图3中，雷暴云方位角测量误差σα均随着距离r'和俯仰角β'的增大而增大；当距离r'在0到0.4km时，方位角测量误差σα受俯仰角β'影响较小，误差σα小于0.15度；当距离r'大于0.4km时，测量误差σα随着俯仰角β'的增加，呈指数型上升，最大达到1.07度。当俯仰角β'处于0到80度时，测量误差σα几乎不受距离r'影响，σα小于0.22度；而当距离r'和俯仰角β'均较大时，测量误差σα随着两者的增大而剧增，误差达到1.07度。
研究距离r'，俯仰角β'与俯仰角测量误差σβ的关系，仿真结果如图4所示。图4中，雷暴云俯仰角测量误差σβ均随距离r'和俯仰角β'的增大而增大；当距离r'在0到0.2km时，俯仰角测量误差σβ受俯仰角β'影响较小，误差σβ小于0.002度；而当距离r'大于0.2km时，随着俯仰角β'的增加，测量误差σβ缓慢爬升到0.0375度。当俯仰角β'小于20度时，误差σβ几乎不受距离r'影响，误差小于0.006度，而当β'大于20度时，随着距离r'的增大，测量误差σβ上升至0.0375度。
(2)电场分量测量误差对雷暴云定位性能的影响：研究电场分量测量误差
研究电场分量测量误差
研究电场分量测量误差
在实际实验中，三维大气电场仪n安装楼顶，设电场仪距离平均海平面约28米，定义电场仪所在三维坐标系x轴正半轴为南，y轴正半轴为东。利用上位机界面记录的三维电场分量值(ex,ey,ez)(单位：kv/m)，得到雷暴云电荷方位s(r',α',β')(单位：km，度，度)，并与雷达数据进行比较分析。
进行2次实验，实验一中大气电场分量为(0.013,0.014,0.233)，所测量的雷暴云位置为(0.941,-132.17,68.12)。实验二中大气电场分量为(0.061,-0.058,0.153)，所测量的雷暴云位置为(0.872,-43.56,19.98)。
从实验一看出，电场仪获得雷暴云方位为(0.941,-132.17,68.12)，雷暴云点电荷大约在北偏西47.83度方向，0.941千米处，而俯仰角较大，达到68.12度，表明在大气电场仪上空区域，有雷暴云区域存在。结合测量结果，在大气电场仪上方雷暴中积累了大量电荷，这与电场仪测得结果一致，说明电场仪上空区域确有雷暴云存在。
从实验二看出，电场仪获得雷暴云方位为(0.872,-43.56,19.98)，雷暴云电荷大约在南偏西43.56度方向，0.872千米处，但俯仰角较小，仅为19.98度，这表明，在大气电场仪上空区域，没有雷暴云存在。结合测量结果，在大气电场仪上方云层中积累了少量电荷，这与电场仪测得结果一致，说明电场仪上空区域没有形成雷暴云。
在实际应用中，基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位方法的测量效果与雷达图反馈信息接近，整体定位性能比较稳定，取得了较好的效果。
以上所述的具体实施方案，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方案而已，并非用以限定本发明的范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。
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