本發(fā)明實施例涉及氣象監(jiān)測技術領域，具體涉及一種目標閃電輻射源定位方法及裝置。

背景技術：

閃電是自然界中的一種超強放電現(xiàn)象，伴隨著瞬間強電流和寬頻帶強電磁輻射，常引起重大的災害事故，造成人員和財產(chǎn)的損失。因此對閃電的研究的意義不僅在于擴展了人類對自然現(xiàn)象及其內在物理規(guī)律的認識，也有助于減少相關災害對人類社會生活帶來的損失。閃電定位系統(tǒng)特別是具備云閃定位能力的高時間分辨率定位系統(tǒng)可以給出閃電的發(fā)生位置和發(fā)展路徑。閃電放電本身是一個超強的寬帶輻射源。一般認為，甚高頻以上頻段的輻射主要對應閃電放電過程中的空氣擊穿過程，而甚低頻和低頻信號主要對應較大尺度的電流變化。但是，不同頻段閃電輻射所對應的放電過程間有怎樣的聯(lián)系，目前都還沒有非常清晰的認識。認識閃電在各個頻段的放電特征與電磁輻射特征有助于防雷技術的發(fā)展，需要用適合的觀測設備進行研究。目前我國的閃電定位系統(tǒng)主要是針對地閃回擊過程的地閃定位系統(tǒng)，已有的科研用時差法VHF定位系統(tǒng)或窄帶干涉儀系統(tǒng)往往針對單一頻段觀測，科研用VHF寬帶干涉儀系統(tǒng)由于基于商用示波器平臺而且采樣率較高很難實現(xiàn)連續(xù)采集，而且垂直分辨率只有8bits對弱信號的分辨能力存在不足。國際上剛剛出現(xiàn)的基于高精度采集卡的連續(xù)干涉儀系統(tǒng)受限于采樣率只能對20～80MHz的頻段進行觀測，很容易受到環(huán)境干擾影響。下放給出了目前主要的個頻段閃電定位系統(tǒng)的簡單介紹?，F(xiàn)有設備都很難完成多頻段高速高精度觀測閃電的需要。

現(xiàn)有的閃電定位系統(tǒng)大多針對某個固定頻段進行觀測。工作在甚低頻(VLF)頻段的閃電定位系統(tǒng)通常是全球或地區(qū)性的覆蓋較大范圍的探測網(wǎng)絡。典型的代表有全球閃電定位網(wǎng)WWLLN。全球閃電定位網(wǎng)WWLLN早期曾叫做TOGA，由美國華盛頓大學發(fā)起并通過廣泛的國際合作構建而成。該系統(tǒng)工作在VLF頻段(3-30kHz)使用鞭狀天線針對地閃產(chǎn)生的輻射進行探測，其探測效率優(yōu)于50％。系統(tǒng)使用TOGA算法對閃電事件進行定位，定位使用的時間信息由GPS提供，定位精度優(yōu)于10km。

甚低頻/低頻段(VLF/LF)閃電定位系統(tǒng)的典型代表是商業(yè)運營的美國國家閃電定位網(wǎng)NLDN。NLDN從1989年初具雛形到2005年共經(jīng)歷了9次升級。在這一過程中，NLDN通過傳感器、算法的升級和網(wǎng)絡技術的應用，從單純使用磁場定向法定位回擊的區(qū)域閃電定位系統(tǒng)逐步變?yōu)槭褂枚ㄏ蚺c時差定位聯(lián)合算法覆蓋全國的國家定位網(wǎng)，并具備了一定的云閃定位能力。NLDN的閃電探測效率接近95％、定位精度優(yōu)于500m、時間精度約1μs，由于使用磁場定位，它還可以給出閃電峰值電流的計算值。這套系統(tǒng)在全世界被廣泛的使用，在我國目前架設的地閃定位系統(tǒng)就屬于此類系統(tǒng)。近來有工作在該頻段的小區(qū)域多站定位系統(tǒng)使用到達時間差法較好的實現(xiàn)了閃電的三維空間定位。

而干涉儀系統(tǒng)和時差法均難以兼顧定位精度和時間分辨率的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明實施例的一個目的是解決現(xiàn)有技術難以同時兼顧定位精度和時間分辨率的問題。

本發(fā)明實施例提出了一種目標閃電輻射源定位方法，包括：

獲取天線陣列中各天線感應到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號；

對各天線感應到的電場變化信號進行兩兩組合，獲取多個兩路電場變化信號；

分別對所述多個兩路電場變化信號進行時間延遲估算，獲取各兩路電場變化信號的時間延遲數(shù)據(jù)；

根據(jù)各兩路電場變化信號對應的互功率譜對所述時間延遲數(shù)據(jù)進行修正；

根據(jù)各兩路電場變化信號的修正后的時間延遲數(shù)據(jù)獲取所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角和仰角；

根據(jù)各站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角、仰角獲取所述目標閃電的所在區(qū)域。

可選的，所述根據(jù)各兩路電場變化信號對應的互功率譜對所述時間延遲數(shù)據(jù)進行修正的步驟具體包括：

對各兩路電場變化信號進行分析，獲取各兩路電場變化信號的互功率譜；

根據(jù)所述時間延遲數(shù)據(jù)對所述互功率譜進行解模糊運算，獲取各兩路電場變化信號對應頻點的相位差；

將所述相位差中功率強度滿足預設強度閾值的相位差轉換為時間差，獲取修正后的各兩路電場變化信號的時間延遲數(shù)據(jù)。

可選的，所述根據(jù)各站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角、仰角獲取所述目標閃電的所在區(qū)域的步驟具體包括：

根據(jù)各站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的信號強度從各站點中選取出第一站點；

根據(jù)所述第一站點的位置信息和所述第一站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的到達時間，從各站點中篩選出符合預設條件的站點；

根據(jù)所述第一站點和篩選出的站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角、仰角構建空間網(wǎng)格；

對所述空間網(wǎng)格進行最優(yōu)解處理，以獲取所述目標閃電所在的區(qū)域位置。

可選的，若檢測站點數(shù)量大于預設閾值時，則獲取各檢測站點檢測到的到達時間信息；

根據(jù)入射方位角和仰角，從各站點檢測到的電場變化信號中篩選出入射方向相匹配的所述目標閃電輻射源組合；

根據(jù)所述到達時間信息，采用測向與到達時差結合的定位法，對所述目標閃電輻射源組合進行定位，獲取所述目標閃電的所在區(qū)域。

可選的，還包括：

獲取所述目標閃電產(chǎn)生的地面電場變化信號；

根據(jù)所述地面電場變化信號，獲取所述目標閃電放電過程的電荷量和閃電類型。

本發(fā)明還提出了一種目標閃電輻射源定位裝置，包括：

第一獲取模塊，用于獲取天線陣列中各天線感應到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號；

組合處理模塊，用于對各天線感應到的電場變化信號進行兩兩組合，獲取多個兩路電場變化信號；

延遲估算模塊，用于分別對所述多個兩路電場變化信號進行時間延遲估算，獲取各兩路電場變化信號的時間延遲數(shù)據(jù)；

延遲修正模塊，用于根據(jù)各兩路電場變化信號對應的互功率譜對所述時間延遲數(shù)據(jù)進行修正；

第二獲取模塊，用于根據(jù)各兩路電場變化信號的修正后的時間延遲數(shù)據(jù)獲取所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角和仰角；

第三獲取模塊，用于根據(jù)各站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角、仰角獲取所述目標閃電的所在區(qū)域。

可選的，所述延遲修正模塊，具體用于對各兩路電場變化信號進行分析，獲取各兩路電場變化信號的互功率譜；根據(jù)所述時間延遲數(shù)據(jù)對所述互功率譜進行解模糊運算，獲取各兩路電場變化信號對應頻點的相位差；將所述相位差中功率強度滿足預設強度閾值的相位差轉換為時間差，獲取修正后的各兩路電場變化信號的時間延遲數(shù)據(jù)。

可選的，所述第三獲取模塊，具體用于根據(jù)各站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的信號強度從各站點中選取出第一站點；根據(jù)所述第一站點的位置信息和所述第一站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的到達時間，從各站點中篩選出符合預設條件的站點；根據(jù)所述第一站點和篩選出的站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角、仰角構建空間網(wǎng)格；對所述空間網(wǎng)格進行最優(yōu)解處理，以獲取所述目標閃電所在的區(qū)域位置。

可選的，所述第三獲取模塊，具體用于若檢測站點數(shù)量大于預設閾值，則獲取各檢測站點檢測到的到達時間信息；根據(jù)入射方位角和仰角，從各站點檢測到的電場變化信號中篩選出入射方向相匹配的所述目標閃電輻射源組合；根據(jù)所述到達時間信息，采用測向與到達時差結合的定位法，對所述目標閃電輻射源組合進行定位，獲取所述目標閃電的所在區(qū)域。

可選的，還包括：第四獲取模塊；

所述第四獲取模塊，用于獲取所述目標閃電產(chǎn)生的地面電場變化信號；根據(jù)所述地面電場變化信號，獲取所述目標閃電放電過程的電荷量和閃電類型。

由上述技術方案可知，本發(fā)明實施例提出的目標閃電輻射源定位方法及裝置，基于多站空間教會與到達時間差混合三維定位方式，既具備干涉儀系統(tǒng)的高時間分辨率優(yōu)點，又具備時差法的定位精度高的優(yōu)點。

附圖說明

通過參考附圖會更加清楚的理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點，附圖是示意性的而不應理解為對本發(fā)明進行任何限制，在附圖中：

圖1示出了本發(fā)明一實施例提供的一種觀測站點的目標閃電電場變化信號采集系統(tǒng)的結構示意圖；

圖2示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法的流程示意圖；

圖3示出了基于單個觀測站點的目標閃電輻射源定位方法的流程示意圖；

圖4(a)、圖4(b)、以及圖4(c)為圖3示出的基于單個觀測站點的目標閃電輻射源定位方法中解模糊算法的示意圖；

圖5示出了本發(fā)明另一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法的流程示意圖；

圖6示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法中多站空間交匯三維定位示意圖；

圖7示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法中多站空間交匯輔助時間差混合三維定位的結構示意圖；

圖8示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法中多頻段到達時間差的定位示意圖；

圖9示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法中測向信息結合到達時間差定位的流程示意圖；

圖10示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位裝置的結構示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明實施例的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

圖1示出了本發(fā)明一實施例提供的一種觀測站點的目標閃電電場變化信號采集系統(tǒng)的結構示意圖，參見圖1，該系統(tǒng)包括：天線陣列、下變頻模塊和采集器；

下變頻模塊分別連接天線陣列和采集器；

天線陣列，用于將感應到的目標閃電產(chǎn)生的預設頻率范圍內的電場變化信號傳輸至下變頻模塊；

采集器，用于在接收到外部輸入的啟動采集指令時，生成第一控制指令，并將控制指令發(fā)送至下變頻模塊，以使下變頻模塊根據(jù)第一控制指令對接收到的電場變化信號進行降頻處理；采集并存儲降頻處理后的電場變化信號。

其中，采集器包括：第一采集卡和控制器；

所述第一采集卡，用于根據(jù)第一預設采樣率采集所述下變頻模塊的降頻處理后的電場變化信號，并將采集到的電場變化信號發(fā)送至控制器；

所述控制器，用于對所述下變頻模塊和所述第一采集卡進行運行控制；并對接收到的第一預設頻率范圍內的電場變化信號進行存儲。

在一可行實施例中，該系統(tǒng)還包括：電場變化傳感器組；

所述電場變化傳感器組，用于將感應到的所述目標閃電產(chǎn)生的第二預設頻率范圍內的電場變化信號傳輸至所述控制器；

相應地，所述控制器，還用于對接收到的第二預設頻率范圍內的電場變化信號進行波形分析，以識別閃電放電的類型。

本實施例中，采集器還包括：第二采集卡；

所述第二采集卡，用于根據(jù)第二預設采樣率采集所述電場變化傳感器組輸出的電場變化信號，并將采集獲得的電場變化信號傳輸至控制器。

本實施例中，下變頻模塊包括：接收機組和時鐘源；

所述接收機組分別連接所述天線陣列和所述第一采集卡；所述時鐘源分別連接所述接收機組和所述第一采集卡；

所述接收機組，用于接收所述天線陣列傳輸?shù)碾妶鲎兓盘枺邮盏降碾妶鲎兓盘栠M行降頻處理；

所述時鐘源，用于根據(jù)接收到的衛(wèi)星時間信息生成時鐘信號，并將時鐘信號傳輸至所述接收機組和所述第一采集卡，以使所述接收機組和所述第一采集卡對獲取的信號進行時鐘標定。

本實施例提出的目標閃電電場變化信號采集系統(tǒng)基于可調頻的下變頻模塊，使得系統(tǒng)可以使用有限的采用率即可在超寬頻段內獲取閃電電磁輻射信號，與現(xiàn)有技術相比，具有頻率觀測范圍大、抗環(huán)境電磁干擾能力強的優(yōu)點。

圖2示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法的流程示意圖，參見圖2，該目標閃電輻射源定位方法，包括：

210、獲取天線陣列中觀測站點各天線感應到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號；

220、對各天線感應到的電場變化信號進行兩兩組合，獲取多個兩路電場變化信號；

需要說明的是，以圖1為例，該觀測站點的天線陣列包括四個天線，A1，A2，A3，A4，將四個天線兩兩組合，可獲得6組兩路電場變換信號，分別為：A1A2，A1A3，A1A4，A2A3，A2A4，A3A4。

230、分別對所述多個兩路電場變化信號進行時間延遲估算，獲取各兩路電場變化信號的時間延遲數(shù)據(jù)；

240、根據(jù)各兩路電場變化信號對應的互功率譜對所述時間延遲數(shù)據(jù)進行修正；

250、根據(jù)各兩路電場變化信號的修正后的時間延遲數(shù)據(jù)獲取所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角和仰角；

260、根據(jù)各站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角、仰角獲取所述目標閃電的所在區(qū)域。

本發(fā)明實施例基于多站空間教會與到達時間差混合三維定位方式，既具備干涉儀系統(tǒng)的高時間分辨率優(yōu)點，又具備時差法的定位精度高的優(yōu)點。

下面對本實施例中的部分步驟進行詳細說明：

步驟240具體包括：

對各兩路電場變化信號進行分析，獲取各兩路電場變化信號的互功率譜；

根據(jù)所述時間延遲數(shù)據(jù)對所述互功率譜進行解模糊運算，獲取各兩路電場變化信號對應頻點的相位差；

將所述相位差中功率強度滿足預設強度閾值的相位差轉換為時間差，獲取修正后的各兩路電場變化信號的時間延遲數(shù)據(jù)。

步驟250具體包括：

根據(jù)各站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的信號強度從各站點中選取出第一站點；

根據(jù)所述第一站點的位置信息和所述第一站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的到達時間，從各站點中篩選出符合預設條件的站點；

根據(jù)所述第一站點和篩選出的站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角、仰角構建空間網(wǎng)格；

對所述空間網(wǎng)格進行最優(yōu)解處理，以獲取所述目標閃電所在的區(qū)域位置。

在進行步驟260之前，處理器還需要判斷當前觀測站的站點數(shù)量；若檢測站點數(shù)量大于預設閾值時，則步驟260具體包括：

獲取各檢測站點檢測到的到達時間信息；

根據(jù)入射方位角和仰角，從各站點檢測到的電場變化信號中篩選出入射方向相匹配的所述目標閃電輻射源組合；

根據(jù)所述到達時間信息，采用測向與到達時差結合的定位法，對所述目標閃電輻射源組合進行定位，獲取所述目標閃電的所在區(qū)域。

圖3示出了基于單個觀測站點的目標閃電輻射源定位方法的流程示意圖，下面參見圖3對定位的工作原理進行詳細說明：

當只有一個觀測站運作時，分析程序只進行二維閃電定位計算。

310、獲取與目標閃電對應的原始信號；

320、對四路信號進行濾波，以去除可能的個別頻點或系統(tǒng)白噪聲干擾。四支天線兩兩組合可形成六條不同的基線。

330、對每種天線組合的兩路信號進行插值，然后進行廣義互相關運算獲取兩路信號間的時間延遲。

340、對每種天線組合的兩路信號進行互功率譜計算，然后使用前面獲得的時間延遲信息對互功率譜的相位差譜進行解模糊運算。

350、將解模糊后各個頻點的相位差轉換為時間差，然后統(tǒng)計出各頻點時間差的數(shù)量分布峰值作為最終的時延估計結果。

360、根據(jù)多條基線計算出的入射角進行最優(yōu)化求解，得出信號入射的方位角和仰角。

具體計算過程如下：

單基線入射角測量(兩支天線組成一條基線)是單站二維定位的最基本單元，因為它僅能提供輻射源相對基線方向的夾角。如果采集系統(tǒng)同步采集A、B兩路天線接收的寬帶信號，當采樣間隔為Δt時，兩路天線接收到的信號可表示為兩組離散的時間函數(shù)序列fA(nΔt)和fB(nΔt)，n取整數(shù)。取長度為W(NΔt)的時間窗對天線A、B在一定時間段內(如0－NΔt)接收到的信號fA(nΔt)和fB(nΔt)分別進行離散付里葉變換(DFT)，則有

其中1/NΔt是所求頻譜的基頻，m/NΔt＝fm代表不同頻率分量，m＝0,1,....,N-1。

如果兩路天線的頻響特性完全一致，那么同一信號到達天線B與天線A的時間延遲為kΔt，則有

f_B(nΔt)＝f_A((n+k)Δt) 公式3

由(2)、(3)式可得：

相比于k，如果N能取的足夠大，使得信號fA(nΔt)在DFT時間窗口0到(N-1)Δt和-kΔt到(N-k-1)Δt內包含的能量相等，則有：

從公式1、公式4和公式5可得FA和FB之間的相位差譜

φ(F_A)-φ(F_B)＝2πmk/N＝2πfkΔt 公式6

式中kΔt是信號到達A、B兩路天線的時間差，即：因此有

從公式6和公式7中可以看到兩路信號的相位差和時間差存在對應關系。是相干輻射信號到達兩路天線的相位差譜可使用互功率譜計算得到。兩路信號間的時間差kΔt可由正交相關求時延的方法得到。兩者均可用于求解入射角θ，但也都有各自的局限。對單一頻率分量而言，公式7提供了使用兩天線接收信號相位差求解入射角的方法：對于接收帶寬內的每個頻率分量，使用其相位差，都能得到相應的入射角θ，但為了提高定位精度，實際使用的信號頻率較高，此時需要解模糊運算。

需要說明的是，由于使用FFT求解相位差只能檢測得到[-π,π]之間的角度，所以在理想情況下原本應該呈直線的實際相位差譜也就表現(xiàn)為平行折線，這就是所謂的相位模糊現(xiàn)象。在低頻段內，相位差譜還未發(fā)生模糊，在常規(guī)方法中被用來確定唯一解，這相當于窄帶干涉儀系統(tǒng)中的短基線部分。另外，不管怎樣模糊，相位差譜線性部分的斜率總保持不變，這也可以用于解模糊計算。目前的解模糊方法主要就是按照這兩種思路進行的。為此我們提出一種使用加窗時延估計技術的解模糊方法(圖4)。主要過程是使用加窗時延估計方法求出各通道數(shù)據(jù)間的時間差kΔt，然后利用kΔt估算出相位差譜斜率對相位差譜進行解模糊計算。

圖4(a)、圖4(b)、以及圖4(c)為圖3示出的基于單個觀測站點的目標閃電輻射源定位方法中模糊算法的示意圖，參見圖4(a)、圖4(b)、以及圖4(c)，其中，圖4(a)為使用斜率擬合的模糊效果圖，圖4(b)為使用時延估計方法的解模糊效果圖，圖4(c)為模糊相位差譜；

模糊計算過程如下：

獲得單基線入射角結果后，就可以使用這些結果進行二維測向計算。為得到輻射源的二維定位結果(方位角和仰角)，系統(tǒng)需要至少三個天線構成兩條不在同一直線上的基線。為便于計算，通常選用沿東西、南北方向的兩條正交等長基線。假定α是指向輻射源的徑向矢量與東西方向基線(X軸)的夾角，在0°到180°范圍變化，β是指向輻射源的徑向矢量與南北方向基線(Y軸)的夾角，在0到180°范圍變化。方位角Az的變化范圍是0～360°，仰角El的變化范圍是0～90°。Az、El和α構成了一個球面直角三角形，90°－Az、El和β構成了另外一個球面直角三角形，應用球面直角三角關系可得：

cosα＝cos(Az)cos(El) 公式8

cosβ＝cos(90°-Az)cos(El)＝sin(Az)cos(El) 公式9

公式8和公式9表示位于單位半徑球面上的輻射源在正交基線所在平面上的投影，方向余弦cos(α)和cos(β)分別是在X和Y軸上的投影，即輻射源在基線平面上投影的位置坐標。通過這兩個方程可求出輻射源的方位角Az繼而求出仰角El完成單站二維定位計算。

當α≠90°時，Az＝tan^-1(cos(β)/cos(α))

El＝cos^-1(cos(α)/cos(Az))

或El＝cos^-1(cos(β)/sin(Az))

當α＝90°時，如果β小于90°，則有仰角El＝β，方位角Az＝90°；如果β大于90°，則有仰角El＝180°-β，方位角Az＝270°。

圖5示出了本發(fā)明另一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法的流程示意圖，參見圖5，在上述閃電輻射源二維測向結果的基礎上，得到三維定位信息的原理如下：

在閃電輻射源二維測向結果的基礎上，要得到三維定位信息需要進行兩站以上的數(shù)據(jù)。

510、獲取各站點二維定位結果；

520、選定信號最強的站點作為參考站；

530、選取一個定位結果，計算信號在以光速傳播時各站點所有合理時差范圍內的入射射線與該結果之間的公垂線長度，在與每個站點的所有計算結果中選取公垂線段最短的射線作為配對項；

540、各站與參考站定位結果間公垂線段最短的定位結果；

550、選擇其中最短一條公垂線的中心為中心，以最優(yōu)角度分辨率與最近觀測站距離的乘積為網(wǎng)格精度，生成邊長兩倍于最長公垂線段的立方體空間網(wǎng)格；

560、遍歷網(wǎng)格選擇信號到達各站時間差測量值偏差最小的位置；

570、輸出三維定位結果。

本系統(tǒng)提出了局部空間網(wǎng)格數(shù)值解法，根據(jù)多站測向結果公垂線的最大空間分布范圍按照上述步驟中空間精度和優(yōu)化規(guī)則生成可能解組成的空間網(wǎng)格(參見圖6示出的定位示意圖，包括：觀測站61、寬帶天線陣列62、立方體空間網(wǎng)格63)。然后從網(wǎng)格中提取任一點(xn，yn，zn)不斷進行逆向計算，尋找到達方向、時差與m個站點的實際測量結果的偏差向量Dn(ΔELm，ΔAZm，Δtm)最為接近的格點作為最終定位結果。

圖7示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法中多站空間交匯輔助時間差混合三維定位的結構示意圖，包括：多個觀測站71、快慢電場變化儀72和寬帶天線陣列73，參見圖7，該方法包括：

S71、基于上述步驟S51-S57的空間教會方法對多個站點獲取的信號進行匹配，選擇出入射方向匹配的輻射源組合；

S72、利用時差定位法尋找最優(yōu)解；

其中，步驟S72的時差定位法的原理包括：

時差定位法主要面對的問題是解含有4個未知數(shù)的方程組源事件發(fā)生的時間t和三個空間坐標(x，y，z)。源位置和發(fā)生時間在幾何上可看作是在四維空間(x,y,z,t)中的超平面交匯問題。與閃電放電有關的各頻段脈沖輻射t時刻發(fā)生在位置(x，y，z)，一些時間延遲后在離真實事件發(fā)生處最近的遙測站點被監(jiān)測到，隨后，其余距輻射源逐漸增加的站點相繼接收到(如圖8所示，包括：觀測站81、快慢變化儀82和多頻段天線組合83)。通過解線性方程組，可獲得位置和時間變量的清楚的解析表達。

定義t是閃電VHF輻射點源在位置(X,Y,Z)處的發(fā)生時間，第i個傳感器被放置在(X_i,Y_i,Z_i)位置處。VHF輻射到達第i個傳感器的到達時間t_i，可通過簡單的直線路徑傳輸方程獲得：

其中，c是真空中光速(大氣折射指數(shù)為1)。

在(X,Y,Z,t)中的非線性項可通過簡單采用t₁≡0去除，即通過定義定位系統(tǒng)中傳感器1的激發(fā)時間為“0s”。利用這個定義，公式11可寫為：

當i＝2、3……n時，

形式為：

公式(a2)到(an)都與公式(a1)做減法可得

觀察公式b₁、b₂、…b_n-1，可將他們寫成如下形式：

可改寫為矩陣形式

g＝Kf 公式13

記ε_i＝g_i-fK_i,它反映了計算值g與實際值gi產(chǎn)生的偏差。偏差越小越接近實際結果。由于ε_i可正可負，所以用來度量總偏差。于是問題歸結為確定系數(shù)f,使得：

為最小。即最小二乘法求解。系統(tǒng)使用多頻段多站時差定位模式觀測閃電時，就是對選定的多個頻段的信號分別進行時差定位，獲得閃電不同頻段輻射源的定位結果。

在一可行實施例中，本發(fā)明還包括：

獲取快慢電場變化儀82測得的目標閃電產(chǎn)生的地面電場變化信號；

根據(jù)所述地面電場變化信號，獲取所述目標閃電放電過程的電荷量和閃電類型。

圖9示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位方法中測向信息的到達時間差定位的流程示意圖，參加圖9，為了提高時差定位效率，結合測向信息的定位流程包括：

910、獲取各個站點觀測信號的到達時間和到達方向；

920、根據(jù)站網(wǎng)的空間布局所決定的到達時間差最大范圍選取可能的數(shù)據(jù)組合；

930、根據(jù)測向信息對數(shù)據(jù)進行分組；

940、到達時間差定位，并輸出定位結果。

本實施例使用結合測向信息的時差定位模式可以對某個頻段的閃電信號進行多站測向觀測，根據(jù)測向信息，使用前面提到的幾何方法，選定公垂線段長度小于一定值且滿足最大時差條件的時差組合參與計算，大大縮小參與時差定位的時差組合數(shù)量，從而提高時差定位效率。

對于方法實施方式，為了簡單描述，故將其都表述為一系列的動作組合，但是本領域技術人員應該知悉，本發(fā)明實施方式并不受所描述的動作順序的限制，因為依據(jù)本發(fā)明實施方式，某些步驟可以采用其他順序或者同時進行。其次，本領域技術人員也應該知悉，說明書中所描述的實施方式均屬于優(yōu)選實施方式，所涉及的動作并不一定是本發(fā)明實施方式所必須的。

圖10示出了本發(fā)明一實施例提供的一種目標閃電輻射源定位裝置的結構示意圖，參見圖10，該目標閃電輻射源定位裝置，包括：第一獲取模塊101、組合處理模塊102、延遲估算模塊103、延遲修正模塊104、第二獲取模塊105、以及第三獲取模塊106，其中；

第一獲取模塊101，用于獲取天線陣列中各天線感應到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號；

組合處理模塊102，用于對各天線感應到的電場變化信號進行兩兩組合，獲取多個兩路電場變化信號；

延遲估算模塊103，用于分別對所述多個兩路電場變化信號進行時間延遲估算，獲取各兩路電場變化信號的時間延遲數(shù)據(jù)；

延遲修正模塊104，用于根據(jù)各兩路電場變化信號對應的互功率譜對所述時間延遲數(shù)據(jù)進行修正；

第二獲取模塊105，用于根據(jù)各兩路電場變化信號的修正后的時間延遲數(shù)據(jù)獲取所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角和仰角；

第三獲取模塊106，用于根據(jù)各站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角、仰角獲取所述目標閃電的所在區(qū)域。

本發(fā)明實施例基于多站空間教會與到達時間差混合三維定位方式，既具備干涉儀系統(tǒng)的高時間分辨率優(yōu)點，又具備時差法的定位精度高的優(yōu)點。

下面對本實施例中的部分模塊進行詳細說明：

延遲修正模塊104，具體用于對各兩路電場變化信號進行分析，獲取各兩路電場變化信號的互功率譜；根據(jù)所述時間延遲數(shù)據(jù)對所述互功率譜進行解模糊運算，獲取各兩路電場變化信號對應頻點的相位差；將所述相位差中功率強度滿足預設強度閾值的相位差轉換為時間差，獲取修正后的各兩路電場變化信號的時間延遲數(shù)據(jù)。

第三獲取模塊106，具體用于根據(jù)各站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的信號強度從各站點中選取出第一站點；根據(jù)所述第一站點的位置信息和所述第一站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的到達時間，從各站點中篩選出符合預設條件的站點；根據(jù)所述第一站點和篩選出的站點檢測到的所述目標閃電產(chǎn)生的電場變化信號的入射方位角、仰角構建空間網(wǎng)格；對所述空間網(wǎng)格進行最優(yōu)解處理，以獲取所述目標閃電所在的區(qū)域位置。

第三獲取模塊106于若檢測站點數(shù)量大于預設閾值，則獲取各檢測站點檢測到的到達時間信息；根據(jù)入射方位角和仰角，從各站點檢測到的電場變化信號中篩選出入射方向相匹配的所述目標閃電輻射源組合；根據(jù)所述到達時間信息，采用測向與到達時差結合的定位法，對所述目標閃電輻射源組合進行定位，獲取所述目標閃電的所在區(qū)域。

在一可行實施例中，本裝置還包括：第四獲取模塊；

第四獲取模塊，用于獲取所述目標閃電產(chǎn)生的地面電場變化信號；根據(jù)所述地面電場變化信號，獲取所述目標閃電放電過程的電荷量和閃電類型。

對于裝置實施方式而言，由于其與方法實施方式基本相似，所以描述的比較簡單，相關之處參見方法實施方式的部分說明即可。

應當注意的是，在本發(fā)明的裝置的各個部件中，根據(jù)其要實現(xiàn)的功能而對其中的部件進行了邏輯劃分，但是，本發(fā)明不受限于此，可以根據(jù)需要對各個部件進行重新劃分或者組合。

本發(fā)明的各個部件實施方式可以以硬件實現(xiàn)，或者以在一個或者多個處理器上運行的軟件模塊實現(xiàn)，或者以它們的組合實現(xiàn)。本裝置中，PC通過實現(xiàn)因特網(wǎng)對設備或者裝置遠程控制，精準的控制設備或者裝置每個操作的步驟。本發(fā)明還可以實現(xiàn)為用于執(zhí)行這里所描述的方法的一部分或者全部的設備或者裝置程序(例如，計算機程序和計算機程序產(chǎn)品)。這樣實現(xiàn)本發(fā)明的程序可以存儲在計算機可讀介質上，并且程序產(chǎn)生的文件或文檔具有可統(tǒng)計性，產(chǎn)生數(shù)據(jù)報告和cpk報告等，能對功放進行批量測試并統(tǒng)計。應該注意的是上述實施方式對本發(fā)明進行說明而不是對本發(fā)明進行限制，并且本領域技術人員在不脫離所附權利要求的范圍的情況下可設計出替換實施方式。在權利要求中，不應將位于括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞“包含”不排除存在未列在權利要求中的元件或步驟。位于元件之前的單詞“一”或“一個”不排除存在多個這樣的元件。本發(fā)明可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于適當編程的計算機來實現(xiàn)。在列舉了若干裝置的單元權利要求中，這些裝置中的若干個可以是通過同一個硬件項來具體體現(xiàn)。單詞第一、第二、以及第三等的使用不表示任何順序?？蓪⑦@些單詞解釋為名稱。

雖然結合附圖描述了本發(fā)明的實施方式，但是本領域技術人員可以在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下做出各種修改和變型，這樣的修改和變型均落入由所附權利要求所限定的范圍之內。