[发明专利]采用GPU的闪电实时定位方法

说明书

本发明公开了一种采用GPU的闪电实时定位方法，包括：利用安装在不同地区的闪电观测站捕捉闪电所激发的电磁场信号的触发时间；由中心站根据站网覆盖范围及定位精度要求，开辟一个N×N的数组对，每个单元格内对应1个位置点；并由中心站采用GPU的CUDA并行运算方式，利用一个线程独立的采用TOA算法计算一个位置点到各个闪电观测站的时差，然后与其他线程计算的时差进行比较，选择时差最小对应的位置点作为定位点。该方法可以提升闪电数据处理数度，实现实时闪电定位功能。

技术领域

本发明涉及气象-闪电技术领域，尤其涉及一种采用GPU的闪电实时定位方法。

背景技术

雷电作为十大自然灾害之一，其发生过程产生的强大电流以及电磁脉冲对人员生命和财产带来了极大的破坏，日益被人们所重视。特别是随着社会经济的发展和科学技术的进步，微电子技术和大规模集成电路广泛应用于国民经济生活的方方面面，雷击灾害造成的间接损失甚至远远超过被损坏的电子设备本身的价值。同时雷电作为一种重要的天气现象，认识雷电现象本身的物理本质也具有重要的科学意义。对雷电的认识以及研究离不开对这一现象的实验观测。一百多年前富兰克林的风筝实验标志着科学意义上的闪电观测研究的开始，一百多年来人类不断探索闪电观测技术手段，基于雷电过程产生的音频信号、电学信号、光学信号发展了不同的闪电定位技术。这些定位技术受制于当时的电子技术水平，在揭示闪电放电物理放电过程的特征同时虽然不可避免也存在着一定的局限，但是也推动着闪电探测技术的不断进步。

基于闪电云内局地击穿产生的射频辐射的干涉技术自20世纪80年代成熟以来即显现出独特的优势，可以对雷暴云内闪电通道发展的细节特征进行‘透视’观测，尤其是现代的宽带干涉仪技术具备了对空间多源VHF辐射的同步定位能力，在雷电物理研究中具有重要的作用。由于闪电VHF信号的视距传播特征，虽然基于多地的窄带干涉仪组网的VHF观测系统可以实现局地的闪电定位观测，但是这类系统仍面临大范围观测的困境，闪电VHF定位技术则随着时间同步和测量技术的进步获得飞越的发展。如果说VHF干涉仪技术通过同源信号到达不同空间分布传感器相位差测量来规避时间测量，那么随着高精度GPS技术的出现以及高速信号采样技术的进步，基于闪电VHF脉冲的多站达到时间差定位技术天然具有组网方面的优势，甚至可以实现VHF源的三维定位。这类系统在揭示雷暴闪电放电细节方面具有独特的作用，但是也有较为明显的缺点就是观测的空间尺度比较局限，较难开展大范围组网观测。

闪电放电VLF/LF频段的电磁波可以沿地表远距离传播，或者在地表-电离层波导中以天波的形式传播，因此基于闪电VLFLF辐射的大空间范围组网观测甚至可以实现全球范围的雷电定位。这类系统都是基于闪电的VLF/LF电磁波波形特征，基于特定的算法实现闪电类型分类和事件定位。其典型系统主要有：美国国家闪电定位网(NLDN)、美国阿拉莫斯国家实验室的LASA系统、欧洲闪电探测网(EUCLID)、德国的LINET系统、雅典国家天文台的ZEUS系统、美国华盛顿大学主导建立的WWLLN系统等。值得指出，随着GPS时间同步技术的普及，基于TOA技术可以方便组建覆盖任何目标区域的局地定位系统，而且可以方便扩展。美国国家雷电定位网络(NLDN)典型刻画了这一类系统的特征。

但是闪电观测系统其最大的问题来自于庞大的数据量，夏季中一次大型的雷暴，系统可能将采集到上G的数据，这给系统数据的储存、传输及处理带来了极大的挑战。因此为实现闪电观测系统定位的实时性，应对数据处理方式进行研究。

《甚低频全闪电定位系统》其发明是一种甚低频全闪电定位系统，该系统包括至少四个闪电定位监测站点，所述闪电定位监测站点内设有甚低频闪电辐射接收机、计算机、GPS时钟模块，所述站点连续无间隔捕获闪电脉冲波形及其到达绝对时间，通过互联网实现各站点数据的传输，利用闪电电场变化辐射脉冲到达各站点的时间差，通过用于分析、处理所述脉冲的计算机软件，对闪电放电事件进行二维、三维定位，并识别放电类型。在上述硬件与软件的配合下，该系统可用于确定区域内发生闪电的数量、放电类型，以及闪电参数的统计特征，并能对雷电活动进行预警。但是基于这个方法，计算机依然难以实现大规模雷暴所产生的大数据的实时处理。