基于声光信号的雷电通道三维定位算法研究

《雷声三维定位监测系统技术规范》中国标准化协会团体标准（征求意见稿）编制说明一、工作简况1.任务来源《雷声三维定位监测系统技术规范》团体标准由中国标准化协会批准立项(中国标协〔2018〕233号）,由国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司提出，由中国标准化协会归口。

2.协作单位本标准起草单位为：国网电力科学研究院武汉南瑞有限责任公司等。

3.编制背景、必要性及意义雷电是发生于大气中的一种具有大电流、高电压、强电磁辐射特征的放电现象，常引起严重的人员伤亡和经济损失，特别是随着近年来电子设备的大量采用，其造成的经济损失越来越大，雷电灾害已经被联合国有关部门列为“最严重的10种自然灾害之一”。

快速精准的雷电监测是雷电灾害事后分析、雷电灾害防护及预警的基础。

雷电发生时伴随着强烈的声、光、电磁信号，通过实时监测定位雷电电磁信号和雷声信号可以获得雷电的发生时间和位置，目前，基于电磁信号探测的雷电定位技术及系统已经形成了成熟的产品并广泛应用于气象、电力、交通、石油石化等行业。

众所周知，雷电发生时其通道的急剧升温会造成热膨胀，从而产生巨大的雷声信号，基于单个声信号探测阵列对雷声的声源进行监测定位不仅可以获取雷电的发生时间和发生位置，还能刻画出雷电的发生发展三维通道。

近几年，雷声三维定位监测技术及系统得到了研究人员越来越多的关注，其提供的雷电三维定位信息不仅可用于雷击事故监测定位，还能够辅助区域性雷电灾害预警。

另外，系统在推广应用过程中不断累积的原始数据能够丰富雷电放电过程的物理研究资料，这对雷电防护系统的设计和研究具有重要意义。

目前，国内外已有多家研究机构开展了雷声三维定位监测技术研究及系统研发工作，但是，针对雷声定位技术及系统依然存在方法参数不一、系统设计缺失、技术要求不全等问题，对该系统的优化设计和推广应用形成了一定的制约，因此有必要开展雷声三维定位监测系统技术规范标准制定工作，重点针对系统的技术参数、系统设计、安装环境与施工等关键内容进行研究确定，为其后续推广应用及建设工作提供必要的技术支撑。

雷电电磁脉冲三维磁场测量系统初探李皖;周璧华;马洪亮;刘培山;丁雅菲;徐云【摘要】为了接收雷电放电通道电流产生的磁场分量,搭建了二维和三维雷电电磁脉冲磁场测量系统,系统主要由磁场信号测量装置和磁场信号传输系统等构成.磁场信号测量装置由内外导体双层结构且面积相同的正交正方形环天线组成,经仿真确定了环天线的实际参数.磁场信号传输系统分为光纤传输系统和屏蔽电缆传输系统,对应基于光隔离技术的和不采用光电转换的两套信号处理电路.经实验检验,各系统运行良好,为判定雷击点和雷电流波形反演等提供了手段.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)002【总页数】6页(P267-271,396)【关键词】雷电电磁脉冲;三维磁场;二维磁场;环天线【作者】李皖;周璧华;马洪亮;刘培山;丁雅菲;徐云【作者单位】解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TN011引言磁定向定位法是实现地闪雷击点定位的常用方法[1]. 由于地闪放电通道可近似看作垂直于地面的电偶极子，通过测量电流产生的磁场可判定放电通道的方向[2]. 基于此,采用磁定向定位法的探测站一般配有一副环面与地面垂直的正交环天线，两个或两个以上相距较远的探测站通过测量雷电电磁脉冲(Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP)磁场信号可确定雷击点的位置.但自然界的闪电能够击中地面的地闪不到三分之一，三分之二以上的是发生在雷暴云内、云间以及云与空气中的云闪[1]. 即便是地闪，整个放电通道也非完全与地面垂直[3]，仅通过二维磁场测量获得的信息尚不能完全描述闪电通道的位置.为此，设计研制了三维磁场测量系统，用面积相同且相互正交的正方形环天线同步接收雷电电磁脉冲磁场分量，以期全面测量包括云闪在内的来自任意方向闪电放电通道电流产生的磁场.为了与三维磁场测量结果形成对比，同时研制了二维磁场测量系统.磁场测量系统由前置磁场信号测量装置，磁场信号传输系统及后置磁场信号采集、显示和记录设备等几部分组成. 经实验检验，各系统运行良好，达到了预期效果.1 磁场信号测量装置设计研制首先，设计了两类磁场环天线，均采用内外导体双层结构. 1)采用钢管作为外护套兼支架，内置线径1 mm的硬导线，导线两端通过阻抗匹配电阻(50 Ω)电阻相连，称I型环天线，如图1(a)所示.2)采用聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)管作为外护套兼支架，内置同轴电缆，电缆内外导体间接50 Ω匹配电阻，称Ⅱ型环天线，如图1(b)所示. 两种环天线都绕制成正方形. 为了利用外导体的屏蔽作用降低测点周围电场对测试结果的影响，同时避免外导体形成环路影响内导体对磁场信号的接收，I型环天线在拐角处使用了PVC二通接头，II型环天线在电缆芯线和外导体之间开有1 cm宽的间隙[4].(a) Ⅰ型环天线结构(b)Ⅱ型环天线结构图1 磁场环天线结构图环天线等效电路如图2所示，e(jω)为感应电动势，U(jω)为输出电压，Ri为内阻可以忽略，L为电感[5]，R1和R2为50 Ω匹配电阻.图2 磁场环天线等效电路图设环天线面积为S，匝数为N，穿过环天线的法向磁通密度为B(jω)，系统传递函数及低频截止频率表达式为(1)(2)式中:RL=R1+R2=100 Ω.由公式(1)和(2)可知，环天线的灵敏度及测量带宽与电感L有关，而 L为匝数N和面积S的函数. 因此，为了确定环天线的实际参数，归根到底是要弄清N和S对线圈响应的影响，通过仿真放置在被测磁场中的环天线输出[6]可以实现这一目的.为了与实验结果对照，所选的磁场源时域特性与实验室雷电磁场模拟器产生的脉冲磁场一致，表达式为B(t)= pB0 (e-m t - e-n t )，(3)式中: m=2.0×103s-1；n=1.0×106s-1； p=1.3； B0=200 mT.归一化波形如图3所示.图3 模拟磁场源归一化波形放置环天线使其轴向与磁感应强度方向重合，磁通量完全穿过被测线圈. 对面积S 为0.64 m2和2.56 m2，匝数N从1到3的环天线响应情况做了仿真，波形以图4示意.(a) 环天线响应波形对比源磁场波形(b) S=0.64 m2且N从1到3时的环天线幅频响应(c) N=1且S=0.64 m2和2.56 m2时的环天线幅频响应图4 磁场环天线响应波形由仿真结果可得[6-7]：1) 当线圈面积相同而匝数不同时，随着匝数的增加，环天线低频截止频率减小，通频带变宽. 通频带增益变小，灵敏度降低.2) 当线圈匝数相同而面积不同时，随着面积的增大，环天线低频截止频率减小，通频带变宽. 通频带增益变大，灵敏度提高.3) 环天线响应输出存在低频失真现象。

基于DSP的雷电定位系统设计
闫飞;张海燕;毛云志
【期刊名称】《微计算机信息》
【年(卷),期】2010(026)008
【摘要】结合雷电电磁辐射和雷声能谱的特点,提出以声传感器组成五元十字阵接收雷声实现雷电定向,以声电延时计算雷电距离,以计算雷声能量从而表征雷电能量给出雷电强度的雷电定位方法.并给出了基于DSP的系统设计思路.根据现有资料估计,系统有效探测距离可达20～30km,有望达到±5°的俯仰角估计精度和±2°的方位角估计精度,距离估计精度小于340m.
【总页数】2页(P128-129)
【作者】闫飞;张海燕;毛云志
【作者单位】266110,青岛市,中国海洋大学信息科学与工程学院;266107青岛市,中国电波传播研究所;266110,青岛市,中国海洋大学信息科学与工程学院;266110,青岛市,中国海洋大学信息科学与工程学院;266107青岛市,中国电波传播研究所【正文语种】中文
【中图分类】TP73;TP212
【相关文献】
1.基于ADSP-TS201S的多DSP并行系统设计 [J], 李蛟;杨进;邱兆坤
2.基于ADSP-21369的浮点DSP实验教学系统设计 [J], 韩赛;杜普选
3.基于ADSP2106x的嵌入式多DSP处理系统设计 [J], 王轶群; 方振和
4.基于DSP的矿井采煤机状态监测及故障诊断系统设计 [J], 张晓岚
5.基于DSP的智能电网自动调度实时监控系统设计 [J], 温河;孙林华
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基于DSP的雷电定位系统设计闫飞张海燕毛云志(中国海洋大学信息科学与工程学院,中国电波传播研究所)摘要：结合雷电电磁辐射和雷声能谱的特点，提出以声传感器组成五元十字阵接收雷声实现雷电定向，以声电延时计算雷电距离，以计算雷声能量从而表征雷电能量给出雷电强度的雷电定位方法。

并给出了基于DSP的系统设计思路。

根据现有资料估计，系统有效探测距离可达20~30km，有望达到±5°的俯仰角估计精度和±2°的方位角估计精度，距离估计精度小于340m。

关键字：雷电定位；DSP应用；声测定位；传感器应用。

中图分类号：TP73；TP212 文献标识号：BDSP-based design of the lightning location systemYanFei ZhangHaiyan MaoYunzhi(College of Information Science and Engineering, Ocean University of China,China Research Institution of Radio wave Propagation)Abstract: Based on the characteristics of thunderbolt which are electromagnetism radicalization and thunder energy spectrum, give an thunderbolt location method which uses five member structured cross array to get elevation and azimuth of thunderbolt, by computing time delay between sound of thunder and light to get the thunderbolt distance , and by computing energy of thunder as intensity of the thunderbolt. And give design way based on DSP. Estimate by information in existence, this system detect distance is 20~30km, and be hopefully reach ±5° elevation precision and ±2° azimuth precision.Keywords: thunderbolt location, DSP application, acoustic localization, sounds sensors using.1.引言雷电是比较常见的天气现象之一，它对变电站、机场、石油钻井平台及仓储基地、海上船只等的安全构成很大威胁。

三维宽带电场定位系统观测分析闪电放电过程和电荷结构分布的开题报告一、研究背景闪电是大气电学中最为重要的现象之一，关于闪电放电机理和闪电放电过程，长期以来引起了人们的广泛关注和深入研究。

随着科技的发展，三维宽带电场定位系统作为一种新型的测量手段，可以有效地用于闪电放电过程的观测和电荷结构分布的分析，因此在研究闪电放电机理和闪电放电过程方面有着广泛的应用场景和研究意义。

二、研究目的本研究旨在利用三维宽带电场定位系统观测理论和实验研究，分析闪电放电过程和电荷结构分布规律，在理论和实践上对三维宽带电场定位系统进行优化和改进，为进一步研究闪电放电机理和应用三维宽带电场定位系统提供可靠、有效的技术手段和支撑。

三、研究内容（1）三维宽带电场定位系统的原理和构成；（2）三维宽带电场定位系统在闪电放电过程中的应用及观测分析；（3）电荷结构分布的分析；（4）三维宽带电场定位系统的实验研究；（5）数据分析和结果讨论。

四、研究方法（1）理论分析：通过文献调研、理论分析等方式，深入探讨三维宽带电场定位系统的原理和构成，及其在闪电放电过程中的应用；（2）实验研究：利用三维宽带电场定位系统进行现场实验，收集和分析闪电放电过程的数据，并通过数据处理和结果分析的方式，总结电荷结构分布规律和三维宽带电场定位系统的优化改进方案。

五、预期成果通过本研究，预期取得以下成果：（1）深入了解三维宽带电场定位系统的原理和构成；（2）分析和总结三维宽带电场定位系统在闪电放电过程中的应用场景和优缺点；（3）探究闪电放电过程中电荷结构分布规律；（4）优化和改进三维宽带电场定位系统，提高其应用效果；（5）论文发表和成果报告。

六、研究意义三维宽带电场定位系统作为一种新型的测量手段，经过本研究的优化改进，将能够更加精确地分析和观测闪电放电过程和电荷结构分布规律，对闪电放电研究和防雷工程等方面将有着广泛的应用价值和实践意义。

基于雷声到达时间差的单站闪电通道三维定位系统
章涵;王道洪;吕伟涛;孟青;张义军
【期刊名称】《高原气象》
【年(卷),期】2012(31)1
【摘要】利用麦克风阵列采集雷声信号,设计了一套由麦克风阵列和便携式数据采集存储设备组成的单站闪电通道三维定位系统,采用CCF相关函数法计算了雷声脉冲信号到达不同麦克风的时间差,通过最小二乘法获得声源的方向角和仰角信息,并结合声源与麦克风阵列的距离定位声源的三维位置。

对一次包括8次回击的人工触发闪电过程进行了观测,得到多个声源点的三维定位信息。

系统的定位结果与高速摄像的观测结果具有较好的一致性,定位方法合理、可行,为进一步研发便携式闪电通道三维定位系统奠定了基础。

【总页数】9页(P209-217)
【作者】章涵;王道洪;吕伟涛;孟青;张义军
【作者单位】中国气象科学研究院雷电物理和防护工程实验室;日本岐阜大学电子与电气工程系
【正文语种】中文
【中图分类】P415.35
【相关文献】
1.基于改进双向测距-到达时间差定位算法的超宽带定位系统
2.井下人员定位系统基于线性调频扩频UWB技术的分析信号传输到达时间差(TDOA)的测距模式
3.基
于声光信号的单站式闪电三维通道定位系统4.基于VLF/LF三维闪电定位系统的广西闪电时空分布特征5.2020年基于VLF/LF三维闪电定位系统的全国闪电数据集
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