[发明专利]一种雷电电磁波传播的群速度提取方法

说明书

本申请提供一种雷电电磁波传播的群速度提取方法，包括：获取降噪处理后的水平磁场波形，所述水平磁场波形的定位条件满足预设雷电超远距离；对所述水平磁场波形进行短时傅里叶变换，得到频域水平磁场波形的信号逐时变化特征；根据所述信号逐时变化特征，计算所述频域水平磁场波形的功率谱，得到不同模态和对应的截止频率；根据各个截止频率，得到不同TM_m模态下雷电电磁波传播的群速度；根据多站时差TOA定位算法和所述群速度进行雷电发生定位；实现超远距离准确雷电时差定位。

技术领域

本申请涉及雷电灾害监测预警领域，尤其涉及一种雷电电磁波传播的群速度提取方法。

背景技术

雷击电磁脉冲(LEMP，Lightning Electromagnetic Pulse)可以沿地表传播，也可在地球和低层电离层腔体内来回反射，以天波的形式传播更远的距离。

在地球-电离层腔体内，在离地表400km以内时，地表与经过电离层反射的天波是完全分开的；当离地表超过1000km时，地波的波尾和天波的波头重叠；由于雷电不同频段的电磁波沿地表传播时的速度不同，从而导致出现明显的色散效应，地面电导率越小，传播距离越远，色散越明显。当1000km的超远距离的雷电，从时域波形特征看，雷电电磁脉冲波形呈现振荡性特征，不同频段的雷电信号逐渐分开，所以出现接近正弦波振荡的变化；从频域特征看，在地球-电离层腔中，由于地球和电离层对雷电不同频段信号的反射影响，使得在腔体中的电磁波和自由空间中的电磁波的不同，自由空间中的电磁波是横电磁波(TEM波)，而在地球-电离层腔体中的雷电电磁波是由不同频段的TEM波、横电波(TEn波)和横磁波(TMm波)组成，其中，n和m整数，是不同阶数的意思，代表的是不同的频率，n和m越小，阶数越低，对应的电磁波的波长越大。

因此，如果雷电定位测站之间的间距超过1000km时，测站收到的雷电电磁脉冲信号存在明显的色散，从而导致波形呈现明显的振荡，这种振荡的时域脉冲波形很难准确识别信号到达时间，从而影响了雷电定位精度。

发明内容

本申请提供了一种雷电电磁波传播的群速度提取方法，以解决准确识别上千米超远距离的雷电位置的技术问题。

为了达到上述目的，本申请实施例采用以下技术方案：

提供一种雷电电磁波传播的群速度提取方法，所述方法包括：

获取降噪处理后的水平磁场波形，所述水平磁场波形的定位条件满足预设雷电超远距离；

对所述水平磁场波形进行短时傅里叶变换，得到频域水平磁场波形的信号逐时变化特征；

根据所述信号逐时变化特征，计算所述频域水平磁场波形的功率谱，得到不同模态和对应的截止频率；

根据各个截止频率，得到不同模态下雷电电磁波传播的群速度；

根据多站时差TOA定位算法和所述群速度进行雷电发生定位。

进一步地，所述群速度，通过如下公式获得：

式中，v_g为群速度，c为真空中的光速，f_cn为截止频率，f是频率。

进一步地，所述预设雷电超远距离大于等于500km。

进一步地，所述获取降噪处理后的水平磁场波形，包括：

通过二维时域有限差分算法，获取不同位置雷电发生到达多个测量点的时域脉冲波形；

对所述时域脉冲波形进行滤波处理，得到水平磁场波形。

进一步地，在所述二维时域有限差分算法中对不规则地形进行网格化处理。

进一步地，所述滤波处理根据雷电探测设备带宽；