基于空间谱估计的闪电定位算法研究与分析-论文.pdf

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1、第29卷第3期成都信息工程学院学报V01．29No．32014年6月JOURNALOFCHENGDUUNIVERSITYOFINFORMATIONTECHNOLOGYJun．2014文章编号：1671—1742(2014)03—0232．06基于空间谱估计的闪电定位算法研究与分析卢舟，孙秀斌1'2，刘洋，王少娟(1．成都信息工程学院电子工程学院，四川成都610225；2．中国气象局大气探测重点实验室，四川成都610225)摘要：为了减少闪电对人类生命财产和各种电子设备造成的损失，同时研究雷暴活动的形成机制，并为闪电监测预警提供技术支持，

2、开展闪电定位算法研究具有重要意义。闪电发生时辐射从极低频到甚高频范围的电磁脉冲，通过闪电定位系统获取闪电辐射源脉冲信号参数便可定位闪电。概述了闪电定位原理及基本方法，比较了基于空间谱估计的Capon算法、MUSIC算法及2种改良算法，介绍了基于均匀圆阵的二维MUSIC算法。采用Mat．1ab分析了这几种闪电定位算法的性能，最后提出二维修正MUSIC算法，为闪电定位系统提供坚实的理论依据。关键词：信号与信息处理；闪电定位；均匀圆阵；MUSIC；DOA中图分类号：TN911．72文献标志码：A0引言雷电是发生于大气中的一种灾害性天气现象，整

3、个过程产生大电流、高电压、强电磁辐射等物理效应，常常造成严重的人身伤亡和经济损失_1J。特别是20世纪以来，随着大量微电子设备的使用、通信、电力以及航空航天技术的发展，闪电引起的灾害在不断增多J。因此，研究更先进有效的闪电监测系统就成了当务之急。而在整个闪电监测系统中最关键的技术就是闪电定位技术，即定位算法的研究。为了减少雷电灾害对人类的影响，世界各地先后开展了闪电定位技术的研究。但是由于闪电发生的瞬间性和剧烈性，准确监测和定位闪电仍然有较大的误差。众多研究人员正在努力研究有效提高闪电定位准确性和实时性的方法。近年来，随着高速数字信号处

4、理技术和高速大容量数据采集技术的不断发展，闪电定位技术也得到进一步发展和成熟，一些以前难以工程实现的算法也逐渐成为现实。对闪电定位算法的研究是基于信号接收天线、前端调理电路、A／D采样电路和DSP数据处理电路等硬件完成【33。闪电电磁脉冲信号被天线接收后，通过前端调理电路滤波、放大送往AD器件采样，最后通过DSP实现闪电定位算法解算出闪电信号的方位角和俯仰角。所以，主要是通过对多种定位算法进行分析，并在Matlab仿真的基础上，比较各算法的优缺点，从而获得更优的算法对闪电方向信息进行解算。闪电定位原理和方法闪电定位主要是通过监测闪电发生

5、时辐射的声、光、电信号，然后经过进一步处理确定闪电的空间位置及相关参数_4J。闪电根据发生的部位分为云闪和地闪2大类l_5J，云闪定位是利用闪电的甚高频信号对云闪电磁辐射源进行定位，地闪定位是利用闪电低频低频电磁波的到达时间差和到达方位角进行定位。目前闪电定位技术分2种：地基闪电定位技术和卫星闪电定位技术。地基闪电定位又分单站闪电定位和多站闪电定位。文中讨论的闪电定位算法主要应用于地基闪电定位系统。闪电定位原理主要基于定向法、时差法及测向测时差综合定位图1多站闪电定位系统空间模型法J。定向法(I)是通过采集闪电发生时产生的电磁脉冲信号，

6、收稿日期：2014—03．25基金项目：四川省教育厅成果转化重大培育资助项目(13CZ0011)第3期卢舟等：基于空间谱估计的闪电定位算法研究与分析233获取其中包含的方位信息进行闪电定位。时差法(T0A)是一种利用电磁波到达各个闪电探测站点的时间差对闪电定位的多站式闪电定位方法。测向测时差联合定位法(T1)OA)则是通过2个或者更多探测站采集的辐射源信号到达时间差和入射方向信息定位闪电空间位置。采用了TDOA法的多站闪电定位系统空间模型如图1所示。测向定位法对闪电辐射源定位只需要2站就能获取其空间位置，系统对探测子站之间的时间同步要求

7、不高，但缺点是定位误差较大；而到达时间差法则至少需要使用4个及以上的探测子站才能得到闪电信号的空间位置，虽然定位精度较高，但其对各探测子站的时间同步要求很高，系统相对复杂j。而且在某些情况下，这2种方法都定位误差较大。所以获取更高测向精度的定位算法成为研究的问题。2DOA估计算法原理为了更准确的获取闪电信号方位信息，采用空间谱估计方法解算闪电发生时辐射源的方位角和俯仰角等闪电参数，然后再结合到达时间差法估计闪电信号的空间位置具有很大的优势。传统的DOA估计方法主要有Capon最小方差法；而在高分辨DOA估计算法中，比较突出的是基于特征分

8、解的多重信号分类(MultipleSignalClassification)算法。MUSIC算法具有高分辨力、高精度、能多信号同时测向等优点。而且只要已知天线阵的布阵形式，无论是均匀线阵还是均匀圆阵，都可以