本申請涉及雷電定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于雷電多元數(shù)據(jù)自相關(guān)時差算法的雷電定位方法。

背景技術(shù)：

雷電的發(fā)生可能會產(chǎn)生諸多的危害，如可能會造成電網(wǎng)輸電線路的跳閘，調(diào)度中心下達命令,由線路責(zé)任區(qū)的單位出動大批巡線維護人員,根據(jù)人工保護故障測距結(jié)果,沿輸電線路逐桿排查故障點。雷電頻繁區(qū)域通常處于山區(qū)地區(qū),巡線維護人員翻山越嶺,費時費力。對于一些重點線路的故障,可能造成延誤送電、減低電網(wǎng)安全穩(wěn)定水平等嚴(yán)重后果。為提高雷電導(dǎo)致故障的排查效率，減輕雷電帶來的后果，人們不斷對雷電定位進行研究。

現(xiàn)有雷電定位技術(shù)包括磁定向方法、甚低頻時間到達法、甚高頻干涉儀法和雷聲定位法。磁定向法是通過放置南北方向和東西方向的正交環(huán)形磁場天線，接收雷電發(fā)生產(chǎn)生的電磁波信號，從而判斷出雷電發(fā)生的方位。這種方法誤差較大，對天線的安裝要求也比較高，距離越遠，誤差越大。甚低頻時間到達法分為二維與三維兩種形式，其原理是利用閃電到達不同測站產(chǎn)生的時間差對閃電位置進行定位，一般配合最小二乘法等優(yōu)化方法進行誤差修正，誤差較大。甚高頻干涉儀法是利用干涉儀測點雷電輻射的高頻電磁波進行定位，其原理是采用若干個足夠波程差的天線，當(dāng)雷電產(chǎn)生的電磁波從不同方向傳向天線時，各天線陣子上接收到的信號將產(chǎn)生不同的相位差，通過相位差計算出閃電發(fā)生的位置。這種方法的特點是可以同時定位云閃和地閃，并可了解雷電的大致放電過程，但探測距離較短，難以業(yè)務(wù)化，只可用于科研工作。雷聲定位法利用聲音在空氣中的傳播速度與光在空氣中的傳播速度，觀測者在雷電發(fā)生后會先看到雷電過程后聽到雷聲，利用此時間差估算雷電發(fā)生位置與觀測者間的距離，這種方法僅能用于估算，不能精準(zhǔn)定位。

因此，如何提高雷電的精準(zhǔn)定位是本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本申請?zhí)峁┝艘环N基于雷電多元數(shù)據(jù)自相關(guān)時差算法的雷電定位方法，以進行雷電位置的精準(zhǔn)計算。

本申請?zhí)峁┝艘环N基于雷電多元數(shù)據(jù)自相關(guān)時差算法的雷電定位方法，其特征在于，所述方法包括：

對各個監(jiān)測站監(jiān)測到的電磁波信號進行去噪預(yù)處理；

裁剪出所述各監(jiān)測站的同步數(shù)據(jù)；

求取所述同步數(shù)據(jù)間的自相關(guān)時差t；

根據(jù)時差定位方程進行雷電位置計算；其中，

所述時差定位方程為(x,y,z,t)表示輻射源發(fā)生的位置及發(fā)生時間,(xi,yi,zi)表示第i個觀測站的位置，ti為第i個觀測站測到的信號的時間，c為大氣中電磁波傳播速度。

可選的，上述方法中，所述對各個監(jiān)測站監(jiān)測到的電磁波信號進行去噪預(yù)處理包括：

采用濾波器將所述電磁波信號進行雜波濾除。

可選的，上述方法中，所述對各個監(jiān)測站監(jiān)測到的電磁波信號進行去噪預(yù)處理包括：

利用50hz的正弦信號對所述電磁波信號進行擬合，將所述電磁波信號減掉擬合出的正弦信號。

可選的，上述方法中，所述裁剪出所述各監(jiān)測站的同步數(shù)據(jù)后還包括：

對所述同步數(shù)據(jù)進行線性插值處理。

可選的，上述方法中，所述求取所述同步數(shù)據(jù)間的自相關(guān)時差t后還包括：

求取所述時差對應(yīng)的同步數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)；

如果所述相關(guān)系數(shù)達到0.5以上，則認為所述時差有效；其中，

所述相關(guān)系數(shù)的計算公式為

xn和yn表示任意兩組同步數(shù)據(jù)，*表示復(fù)共軛，m表示數(shù)據(jù)移動的位置。

可選的，上述方法中，所述根據(jù)時差定位方程進行雷電位置計算具體為：

根據(jù)時差定位方程，通過levenberg-marquardt算法來迭代計算所述雷電位置。

本申請?zhí)峁┑幕诶纂姸嘣獢?shù)據(jù)自相關(guān)時差算法的雷電定位方法，通過對各監(jiān)測站監(jiān)測到的電磁波信號數(shù)據(jù)進行去噪預(yù)處理，裁剪出其中的同步數(shù)據(jù)，計算同步數(shù)據(jù)的自相關(guān)時差，根據(jù)自相關(guān)時差進行雷電位置的計算，最終獲得雷電位置坐標(biāo)。本申請?zhí)峁┑幕诶纂姸嘣獢?shù)據(jù)自相關(guān)時差算法的雷電定位方法計算量小，速度快，靈活性高，定位精度高，在雷電研究領(lǐng)域有很強的實用價值。三維定位算法可以反演雷電發(fā)生過程及樹狀結(jié)構(gòu)，對精細化雷電探測有重要意義。

附圖說明

為了更清楚地說明本申請的技術(shù)方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員而言，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本申請實施例提供的基于雷電多元數(shù)據(jù)自相關(guān)時差算法的雷電定位方法的結(jié)構(gòu)流程圖；

圖2為本申請實施例提供的濾波法去噪預(yù)處理；

圖3為本申請實施例提供的同步數(shù)據(jù)裁剪；

圖4為本申請實施例提供的同步數(shù)據(jù)的相關(guān)時差計算；

圖5為本申請實施例提供的時差定位示意圖。

具體實施方式

一次雷電放電過程一般可以定位幾百個到幾千個輻射源，可以得到雷電放電的三維精細結(jié)構(gòu)、雷電vlf輻射源能量，并可反演雷暴云電荷結(jié)構(gòu)等重要的物理特征和物理參量。雷電vlf輻射源三維定位過程實際上是利用分布在同一地區(qū)內(nèi)的各探測天線測到的雷電vlf輻射源到達時間ti，結(jié)合利用高精度gps時鐘精確定位的各站空間位置坐標(biāo)(xi、yi、zi)，求解包含四個未知量(t、x、y、z)的超定方程組的過程，其中t為雷電vlf輻射源的開始時間，(x、y、z)是vlf輻射源的時空位置坐標(biāo)。對雷電的輻射源坐標(biāo)的計算是對雷電定位的重要組成部分。

參見圖1，圖1示出了本申請?zhí)峁┑幕诶纂姸嘣獢?shù)據(jù)自相關(guān)時差算法的雷電定位方法的結(jié)構(gòu)流程圖，所述方法具體包括以下步驟：

s100：對各個監(jiān)測站監(jiān)測到的電磁波信號進行去噪預(yù)處理。

雷電多元數(shù)據(jù)是指不同雷電探測設(shè)備的雷電數(shù)據(jù)及同一設(shè)備接收的不同頻段的雷電數(shù)據(jù)。通過監(jiān)測站內(nèi)雷電監(jiān)測設(shè)備對監(jiān)測站周圍的雷電電場信號和磁場信號進行監(jiān)測。

雷電電磁場測量經(jīng)常會收到各種因素的干擾，如果干擾源簡單而且又有規(guī)律，那么采用一定的數(shù)字信號處理方法就可以對其進行處理，從而極大地改善數(shù)據(jù)的質(zhì)量。對各個監(jiān)測站監(jiān)測到的電磁波信號進行去噪預(yù)處理，具體的，對于本申請中，數(shù)據(jù)的去噪主要是用來去除50hz的工頻噪聲，以及盡可能地去除一些環(huán)境噪聲，可采用濾波法或擬合法。

濾波法可采用butterworth濾波器來實現(xiàn)，這種方法除了能夠去除50hz的工頻干擾外，還能對雷電的低頻分量濾除，去除波形信號上的隆起波形。擬合法利用一個50hz的正弦信號來對信號的噪聲部分進行擬合，并且將擬合的結(jié)果拓展到整條數(shù)據(jù)，將原始數(shù)據(jù)剪掉擬合出的正弦信號即可得到去除工頻噪聲后的信號。如圖2所示，給出了監(jiān)測站監(jiān)測到的原始信號，擬合的工頻噪聲以及去除噪聲后的結(jié)果，可以看出，采用擬合法可以很好地去除這種工頻噪聲的干擾，其中圖2中為了更好地區(qū)分原始信號和濾波后的信號，對濾波后的信號進行了偏移。

s200：裁剪出所述各監(jiān)測站的同步數(shù)據(jù)。

同步數(shù)據(jù)的裁剪主要是為了便于尋找同步數(shù)據(jù)之間的時間差。由于儀器采用的是觸發(fā)式記錄，所以各個測站記錄到的同一組同步數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)范圍是不同的，為了進行下面的時差計算，必須對數(shù)據(jù)進行裁剪，取出這組數(shù)據(jù)中每個測站收到的信號的公共部分。

如附圖3所示，其給出了本申請中同步數(shù)據(jù)的裁剪實例，為了更好地區(qū)分各測站數(shù)據(jù)，對信號在電壓軸方向進行了偏移。其給出了測站1、測站2和測站3的監(jiān)測數(shù)據(jù)，同步數(shù)據(jù)段2為3個測站的同步數(shù)據(jù)與處理結(jié)果?？梢钥吹?，對于給定的這三個數(shù)據(jù)被分為了3段，數(shù)據(jù)段2為3個測站共有的信號，其余兩個數(shù)據(jù)段可以和其他數(shù)據(jù)進行比較，來驗證是否有別的同步數(shù)據(jù)。

為提高本申請實施例中時差計算精度，本申請具體實施過程中，對獲得的同步數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)差值，進行數(shù)據(jù)差值可提高時差計算的分辨率，在本申請具體實施方式中通常采用線性差值。同步數(shù)據(jù)采用線性插值，將數(shù)據(jù)插值到合適的采樣率，計算到的時間差的精度可達到微秒量級。例如，當(dāng)采樣率為1mhz時，相鄰數(shù)據(jù)點之間的時間間隔為1微秒，這就意味著下一步所計算的時間差的分辨率為1微秒，為了提高時間差計算的精確度，需要將處理好的各同步段數(shù)據(jù)進行插值，本發(fā)明中采用線性插值來將數(shù)據(jù)插值到10mhz的采樣率，這樣計算到的時間差的精度將達到0.1微秒。

經(jīng)過上述數(shù)據(jù)的預(yù)處理和裁剪，得到信噪比較好、時間分辨率較高的同步數(shù)據(jù)段，這些一組一組數(shù)據(jù)段將被用于后續(xù)的時差計算和雷電位置定位。

s300：求取所述同步數(shù)據(jù)間的自相關(guān)時差t。

在同步數(shù)據(jù)之間的自相關(guān)時差計算，需要根據(jù)窗口大小和滑動步長來對同步數(shù)據(jù)段進行分割，可依照300微妙、400微妙、600微妙等進行分割。本申請具體實施方式中采用窗口大小為400微秒，將同步數(shù)據(jù)段分割為許多段長度為400微秒的小段，這些數(shù)據(jù)段是時差計算和定位的最小數(shù)據(jù)單元。將數(shù)據(jù)單元內(nèi)的各站數(shù)據(jù)不斷挪動，在將各站數(shù)據(jù)移動到相匹配度較高的位置，記錄對應(yīng)移動的距離，將移動距離與時間分辨率相乘及可得到同步數(shù)據(jù)間的自相關(guān)時差。

由于雷電的發(fā)生時間是不確定的，而雷電監(jiān)測站是一直進行探測工作的，因此在不發(fā)生雷電時，實測數(shù)據(jù)不存在雷電信號。為更加精確的計算出自相關(guān)時差，在進行自相關(guān)時差計算前需要判斷同步數(shù)據(jù)是否有效。具體的，設(shè)定電磁波信號閾值，當(dāng)同步數(shù)據(jù)中的信號大于所述閾值時，則判定所述同步數(shù)據(jù)有效，反之則無效，對于無效的數(shù)據(jù)單元直接舍棄，不參與后續(xù)的計算。

通常采用相關(guān)系數(shù)來判定移動數(shù)據(jù)的匹配度，相關(guān)系數(shù)的計算式為xn和yn表示任意兩組同步數(shù)據(jù)，*表示復(fù)共軛，m表示數(shù)據(jù)移動的位置。

將數(shù)據(jù)單元內(nèi)的各站數(shù)據(jù)不斷挪動，然后計算挪動后兩組數(shù)據(jù)之間的相關(guān)系數(shù)，最后，取相關(guān)系數(shù)最大時候?qū)?yīng)的挪動距離，將這個距離乘以數(shù)據(jù)的時間分辨率即可得到最終的時間差。在實際的計算中，為了保證定位精度，只有當(dāng)兩個數(shù)據(jù)之間歸一化后的相關(guān)系數(shù)達到0.5以上時，才認為這兩個數(shù)據(jù)是相關(guān)的，才會記錄這個時間差為自相關(guān)時差，用于時差定位計算中。例如，兩個監(jiān)測站的同步數(shù)據(jù)，當(dāng)移動數(shù)據(jù)點數(shù)為-19時，一個監(jiān)測站的同步數(shù)據(jù)與另一個監(jiān)測站的同步數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)達到0.933，計算可得兩個數(shù)據(jù)的時間差為-1.9微秒(-19*0.1微秒)，參見圖4，圖4中(a)測站1和測站2的同步數(shù)據(jù)，(b)為測站1和測站2中同步數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)。

s400：根據(jù)時差定位方程進行雷電位置計算。

參照附圖5，該圖示出了本申請實施例中雷電定位的原理。

時差定位方程為：

其中，(x,y,z,t)表示輻射源發(fā)生的位置及發(fā)生時間,(xi,yi,zi)表示第i個觀測站的位置，它測到的信號到達時間為ti，c為大氣中電磁波傳播速度。

本發(fā)明中主要采用levenberg-marquardt算法來迭代求解輻射源的位置。levenberg-marquardt算法作為一種最小二乘擬合算法，被普遍應(yīng)用于最優(yōu)化問題的解決中。為了減少實際定位時的迭代步數(shù)，快速求解輻射源的三維位置，一個很好的迭代初值是很必要的，它將節(jié)省大量的計算時間和復(fù)雜度，提高定位的效率。具體的求初始迭代值的方法如下：

將公式(1)展開，得到公式(2)，

令和r²≡x²+y²+z²，并將它們代入公式(2)，則

將公式(3)系列中的第i個方程和第1個方程相減，可得到：

令ti1≡ti-t1,xi1≡xi-x1,yi1≡yi-y1,zi1≡zi-z1,，那么公式(4)可寫為：

公式(5)表示一個關(guān)于未知量(x,y,z,t)的線性方程組，通過至少5個觀測站就可以對輻射源的位置和發(fā)生時間進行求解。

將獲取的初值代入levenberg-marquardt迭代算法中求解精確地輻射源位置，迭代的優(yōu)化目標(biāo)為：

其中：n為參與定位的測站數(shù)量，i為第i個測站，和分別為第i個測站的觀測時間和擬合時間，△trms為探測系統(tǒng)的時間測量誤差指標(biāo)。上式也稱為擬合優(yōu)度，可以用來評價每次定位的效果。

迭代求解輻射源位置的levenberg-marquardt算法具體過程如下：

根據(jù)公式(6)構(gòu)造如下表達式：

上式中，x即為所求的四個變量構(gòu)成的向量，ti為第i個測站收到信號的時間。由于f可導(dǎo)，所以：

f(x+h)＝f(x)+j(x)h+ο(||h||²)(9)

其中，j(x)為雅可比矩陣，該矩陣由fi(x)的一階導(dǎo)數(shù)構(gòu)成：

根據(jù)levenberg-marquardt算法，其迭代步長hlm可以根據(jù)下式來求得：

(j^tj+μi)hlm＝-g(11)

其中，g＝j(luò)^tf，μ是阻尼系數(shù)，并且大于0。該阻尼系數(shù)用來調(diào)整迭代步的大小和方向，當(dāng)估計值距離真值很遠時，它相當(dāng)于最速下降法，而當(dāng)估計值離真值很近時，相當(dāng)于高斯-牛頓法，所以該方法同時具有這兩種方法的優(yōu)點，能較快快的迭代求解出函數(shù)的極值。

本申請?zhí)峁┑幕诶纂姸嘣獢?shù)據(jù)自相關(guān)時差算法的雷電定位方法，通過對各監(jiān)測站監(jiān)測到的電磁波信號數(shù)據(jù)進行去噪預(yù)處理，裁剪出其中的同步數(shù)據(jù)，計算同步數(shù)據(jù)的時差，根據(jù)時差進行雷電位置的計算，最終獲得雷電位置坐標(biāo)。本申請?zhí)峁┑幕诶纂姸嘣獢?shù)據(jù)自相關(guān)時差算法的雷電定位方法計算量小，速度快，靈活性高，定位精度高，在雷電研究領(lǐng)域有很強的實用價值。三維定位算法可以反演雷電發(fā)生過程及樹狀結(jié)構(gòu)，對精細化雷電探測有重要意義。

以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。

需要說明的是，在本文中，諸如術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

以上所述僅是本發(fā)明的具體實施方式，使本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠理解或?qū)崿F(xiàn)本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。