[发明专利]一种雷声定位系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及雷电监测领域，尤其涉及一种雷声定位系统及方法，适用于单站雷电探测系统。 

背景技术

雷电发生时瞬间释放的巨大能量将引起闪电通道的迅速膨胀，这种能量的扩散过程会产生冲击波，冲击波在大气中传播的同时其能量会减弱和退化，最终形成听不见的声波和听得见的雷声。为了研究雷电的发生和发展的物理过程，确定雷电的发生位置以及分析雷电所引起的雷击事故的原因，人们在不断的研究过程中，已经获得过一些有关确定雷电的发生时间和确定发生雷电位置的方法。其中，依据雷声信号定位雷声声源位置的方法的研究得到了不断的发展。据申请人所知，依据雷声信号定位雷声声源位置的方法的提出者是Few，Few在依据雷声信号定位雷声声源位置的研究方面取得了让同行的科研人员认可的成就，他利用雷声传感器阵列首次实现了闪电通道的重建；他发现基于雷声信号到达不同雷声传感器的时间差就可以确定雷声的方向射线信息，同时结合雷声信号与雷电电磁信号的时间差能够获取雷电的距离信息，最终能定位雷声声源的位置。 

此外，中国国内出版的《高原气象》杂志在2012年第1期发表的文章《基于雷声到达时间差的单站闪电通道三维定位系统》和中国专利文献《一种基于声光电同步观测的雷电定位装置》（专利号：CN201220453805.8）公开的有关定位雷声声源位置的技术内容，让人们对这方面的研究情况有了进一步的了解。 

申请人通过对上述文章和文献的研究发现，《基于雷声到达时间差的单站闪电通道三维定位系统》的文章和《一种基于声光电同步观测的雷电定位装置》（专利号：CN201220453805.8）的专利文献中所公开的技术各有其独到之处，它们提出的雷声传感器阵列以及探测方法是在现有的技术基础上做的改进和优化的产物，但是二者所采用的雷声定位算法还是沿用了前人的方法。据申请人所知，该雷声定位算法是利用时延估计算法处理多路雷声时域信号，从而获取信号到达不同传感器的时间差。由于雷声信号属于低频连续信号，其在传播过程中必定会受各种因素干扰，包括不同雷声声源信号间的相互干扰，这样就会导致雷声信号的互相关联函数存在很多的不确定性，使得雷声定位算法的可靠性和准确性受到影响。事实上，导致雷声信号的互相关联函数的确存在有多个峰值或者没有明显的峰值的情况，其造成的后果是容易引入较大的定位误差。此外，在上述的已经公开的技术中所涉及的定位系统中采用的雷声传感器阵列是由四个传感器构建而成的，而在垂直方向上仅有一个传感器且在水平方向呈不对称结构，申请人认为，这将会导致该雷声传感器阵列的探测效率和定位精度不够高。 

中国发明专利文献《多个声音传感器雷电定位仪及其定位方法》（专利号：CN200910310395.4）公开的技术内容是，利用四个麦克风传感器获得雷声信号到达时间，由此计算出雷声信号间的到达时差，再根据双曲线方法获得雷声声源的发生位置。申请人通过研究和试验发现，《多个声音传感器雷电定位仪及其定位方法》提出的技术方案存在如下问题：首先，雷声信号在空气中传播受到诸多干扰，其采用的多个声音传感器雷电定位仪（系统）仅只有为数不多的（四个）麦克风传感器，利用四个麦克风传感器获取的四路雷声信号进行定位，其结构过于简单，这将导致定位精度不高；其次，《多个声音传感器雷电定位仪及其定位方法》（专利号：CN200910310395.4）提出的技术方案并未给出获取准确的雷声信号间的到达时差的具体方法。由于实际雷声信号是连续复杂的低频信号，并不是仅仅用原始信号到达时间就能够直接获取实际雷声信号的到达时差。因此，《多个声音传感器雷电定位仪及其定位方法》（专利号：CN200910310395.4）所公开的技术在实际运用中就会碰到一些难以克服的困难和问题。而且依靠现有的技术给出的方法和启示是不能够克服的。 

发明内容

本发明的目的是，针对上述现有技术存在的不足，进行改进，同时克服由各种因素干扰以及不同雷声声源信号间的相互干扰而导致的雷声时域信号时间差获取的困难，还要解决各种因素干扰以及不同雷声声源信号间的相互干扰而导致的容易引入较大定位误差的问题，提出并研究一种雷声定位系统及方法。 

本发明的技术解决方案是：