專利名稱：一種估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于雷電監(jiān)測預警技術研究領域，涉及一種在由多個探測站和一個中心站組成的云閃雷電探測定位系統(tǒng)中，在中心站精確計算雷電脈沖信號到達任意兩個探測站的時間差(TDOA)的方法。
背景技術：
基于信號來波方向(DOA)對雷電輻射源進行定位，其定位精度與空間分辨力將隨著雷電輻射源與探測站之間距離的增大而降低。相比之下，基于信號到達時間差(Time Difference Of Arrival, TDOA)的雷電輻射源定位技術，其定位精度與空間分辨力則將隨著輻射源與探測站間距的增加而得到提高(當定位雙曲面相互正交時為最佳)，但當輻射源非?？拷硞€探測站時，TDOA定位的空間分辨力也將急劇下降。獲取輻射源發(fā)射信號到達兩個探測站的時間差有兩種方法(1)將兩個接收站得到的信號到達時間(TOA)測量值作差；(2)利用互相關技術，計算一個探測站的接收信號與另一個探測站的接收信號之間的互相關函數(shù)，然后進行峰值搜索。前一種方法不僅要求各探測站之間保持嚴格的時鐘同步，而且還須知道發(fā)射信號波形的先驗知識，因而多用于規(guī)則脈沖信號情形。采用互相關技術直接計算信號到達時間差，可以完全擺脫對發(fā)射信號波形的限制，可用于對雷電脈沖到達時間差的估計，其應用的前提條件依然是各探測站之間必須保持高精度的時鐘同步。目前常用的時延估計方法有廣義相關時延估計法，如以P. R. Roth命名的ROTH加權廣義相關法，以J. C. Hassab和R. E. Boucher命名的HB加權法；用三階累積量或三階矩的傅立葉變換的廣義雙譜時延估計法；利用功率譜與相關函數(shù)互為傅立葉變換的廣義相位譜時延估計法；以自適應濾波或自適應迭代為特征的自適應時延估計法；基于子空間分解的超分辨時延估計法。在廣義相關時延估計法中，在對兩個探測站的信號進行相關處理前，先對其進行預濾波，相當于在頻域進行加權，有利于增強接收信號的譜分量，提高信噪比，從而獲得較高的時延估計精度。這些方法若直接用來求取雷電脈沖的TD0A，其缺點是需要遍歷各探測站接收到的所有雷電脈沖信號，運算量非常大，且由于相關峰判決門限不易確定， 導致出現(xiàn)許多虛假估計值。目前，尚未發(fā)現(xiàn)對云閃雷電輻射源進行定位時，具備高精度、魯棒性雷電脈沖信號到達時間差估計的完整方法和實現(xiàn)流程。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，該方法無需遍歷兩個探測站接收到的所有雷電脈沖，其計算量和虛假估計結果明顯減少，估計精度得到提高，且同時也獲得了配對的TDOA信息。本發(fā)明提供一種估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，該方法包括下述步驟
第1步對上傳到中心站的雷電波形數(shù)據(jù)塊進行拼接和波形還原，得到一個個完整的雷電脈沖，形成雷電脈沖簇；第2步中心站根據(jù)設定的時間區(qū)間提取位于該時間區(qū)間內的各探測站雷電脈沖簇；第3步針對用戶輸入時間區(qū)間內、各探測站的雷電脈沖簇，中心站統(tǒng)計分屬于每個探測站的雷電脈沖簇中的脈沖個數(shù)，由此計算出這些脈沖所對應的原始雷電波形數(shù)據(jù)塊的總個數(shù)，并將該總個數(shù)最多的那個探測站作為該時間區(qū)間內進行到達時間差計算的參考
探測站，命名為A站，其它探測站稱之為一般探測站，命名為B站、C站、D站.......，設一
般探測站的數(shù)量為S ；第4步對所述時間區(qū)間內參考探測站雷電脈沖簇中的脈沖個數(shù)Q進行統(tǒng)計；第5 步令 q=l，s=l;第6步取參考探測站雷電脈沖簇中的第q個脈沖，與第s個一般探測站的脈沖簇中的各個脈沖進行粗關聯(lián)、細關聯(lián)，得到同源脈沖配對結果，再計算同源脈沖之間的到達時間差值，最后形成完整的同源脈沖配對及其對應的到達時間差隊列；第7步令s = s+1，判斷s > S是否成立，如果成立，轉入第8步，否則進入第6步；第8步令q = q+1，判斷q > Q是否成立，如果成立，轉入第9步，否則令s = 1，轉入第6步；第9步改變時間區(qū)間，重復前述步驟O) (8)，得到位于該時間區(qū)間內的同源脈沖對隊列和到達時間差隊列。本發(fā)明方法魯棒地估計云閃雷電脈沖信號到達任意兩個探測站的時間差，它通過若干預處理和判斷過程縮小可能關聯(lián)的雷電脈沖信號范圍直至完成雷電脈沖信號的一一配對(得到同源脈沖對)，再利用廣義互相關函數(shù)或脈沖的包絡能量重心來最終估計出 TD0A，這樣可以大幅度減小TDOA估計的計算量及可能出現(xiàn)的虛假結果，并依據(jù)云閃雷電脈沖的持續(xù)時間長度選擇不同的TDOA具體計算方法。具體而言，本發(fā)明具有以下特點(1)采用兩級關聯(lián)進行脈沖配對，方法簡單，運算量低，遺漏或虛假配對的情況大幅度減小，方法魯棒性強；(2)依據(jù)云閃雷電脈沖信號的持續(xù)時間長短來選擇采用不同的TDOA估計方法，兼顧了計算精度、計算量和結果可信度；(3)通過在互相關函數(shù)峰值點附近進行插值，在運算量增加較少的前提下，使 TDOA估計的精度突破了整數(shù)倍波形采樣間隔的限制，實現(xiàn)了連續(xù)時差估計；(4)本發(fā)明方法可應用于低信噪比、高信噪比環(huán)境，可應用于白噪聲、色噪聲環(huán)境， 易于工程實現(xiàn)。本發(fā)明專門針對云閃雷電脈沖信號的特點進行設計，給出了波形關聯(lián)與同源性判定、到達時間差估計的完整過程，可勝任白噪聲和色噪聲環(huán)境下的TDOA估計要求。本發(fā)明所指方法，魯棒性強，簡單可靠，計算結果精度高，易于工程實現(xiàn)。


圖1是一種估計云閃雷電脈沖到達時間差的計算流程；圖2是雷電發(fā)生源與兩個探測站的空間幾何關系；
圖3是雷電脈沖信號的包絡能量重心示意圖；圖4是當兩個同源脈沖的長度相同時，利用包絡能量重心計算TDOA的原理示意圖 (情況一)；圖5是當兩個同源脈沖的長度相同時，利用包絡能量重心計算TDOA的原理示意圖 (情況二 )；圖6是當兩個同源脈沖的長度不相同時，利用包絡能量重心計算TDOA的原理示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發(fā)明的內容及具體實施方式
作進一步說明。圖1給出了一種在由多個探測站和一個中心站組成的云閃雷電定位系統(tǒng)中，形成同源脈沖隊列并計算雷電信號到達任意兩個探測站的時間差的方法流程，圖2給出了在直角坐標系中雷電發(fā)生源與兩探測站的空間幾何關系，圖3給出了雷電信號包絡能量重心的定義，圖4、圖5和圖6分別給出了依據(jù)兩個同源脈沖的包絡能量重心計算信號到達時間差 (TDOA)的原理示意圖。如圖1所示，本發(fā)明提供一種魯棒的云閃雷電脈沖到達時間差的估計方法，其步驟包括(1)雷電脈沖數(shù)據(jù)塊拼接、波形還原、形成雷電脈沖簇為了利用各個探測站上傳的雷電波形數(shù)據(jù)塊進行TDOA估計，首先需對上傳到中心站的雷電波形數(shù)據(jù)塊進行拼接和波形還原，得到一個個完整的雷電脈沖，形成雷電脈沖簇。以同一個探測站上傳到中心站的各個雷電波形數(shù)據(jù)塊為例進行說明。首先，查詢該探測站上傳到中心站的雷電波形數(shù)據(jù)塊的起始時間、終止時間標記，若前后兩個數(shù)據(jù)塊的終止時間、起始時間是連續(xù)的，則將這兩個數(shù)據(jù)塊拼接為一個較長的數(shù)據(jù)塊。依次類推， 完成該探測站上傳的所有數(shù)據(jù)塊的起止時間查詢和連續(xù)數(shù)據(jù)塊的拼接。若前后兩個數(shù)據(jù)塊的終止時間、起始時間是不連續(xù)的，則停止本個連續(xù)數(shù)據(jù)塊的拼接，重新開始下一個新數(shù)據(jù)塊的拼接過程。對各個探測站上傳的所有雷電波形數(shù)據(jù)塊，按上述方式完成各自全部數(shù)據(jù)塊的拼接處理。對上述拼接得到的每個數(shù)據(jù)塊內的數(shù)據(jù)，按下式進行波形還原，形成雷電脈沖信號數(shù)據(jù)塊
權利要求
1.一種估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，該方法包括下述步驟第1步對上傳到中心站的雷電波形數(shù)據(jù)塊進行拼接和波形還原，得到一個個完整的雷電脈沖，形成雷電脈沖簇；第2步中心站根據(jù)設定的時間區(qū)間提取位于該時間區(qū)間內的各探測站雷電脈沖簇；第3步針對用戶輸入時間區(qū)間內、各探測站的雷電脈沖簇，中心站統(tǒng)計分屬于每個探測站的雷電脈沖簇中的脈沖個數(shù)，由此計算出這些脈沖所對應的原始雷電波形數(shù)據(jù)塊的總個數(shù)，并將該總個數(shù)最多的那個探測站作為該時間區(qū)間內進行到達時間差計算的參考探測站，命名為A站，其它探測站稱之為一般探測站，命名為B站、C站、D站.......，設一般探測站的數(shù)量為S ；第4步對所述時間區(qū)間內參考探測站雷電脈沖簇中的脈沖個數(shù)Q進行統(tǒng)計；第5步令q= l，s = 1 ；第6步取參考探測站雷電脈沖簇中的第q個脈沖，與第s個一般探測站的脈沖簇中的各個脈沖進行粗關聯(lián)、細關聯(lián)，得到同源脈沖配對結果，再計算同源脈沖之間的到達時間差值，最后形成完整的同源脈沖配對及其對應的到達時間差隊列；第7步令s = S+1，判斷s > S是否成立，如果成立，轉入第8步，否則進入第6步；第8步令q = q+Ι，判斷q > Q是否成立，如果成立，轉入第9步，否則令s = 1，轉入第 6步；第9步改變時間區(qū)間，重復前述步驟(2) (8)，得到位于該時間區(qū)間內的同源脈沖對隊列和到達時間差隊列。
2.根據(jù)權利要求1所述的估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，其特征在于，第1 步中，按照下述方式對雷電波形數(shù)據(jù)塊進行拼接查詢每個探測站上傳到中心站的雷電波形數(shù)據(jù)塊的起始時間、終止時間標記，若前后兩個數(shù)據(jù)塊的終止時間、起始時間是連續(xù)的， 則將這兩個數(shù)據(jù)塊拼接為一個較長的數(shù)據(jù)塊；依次類推，完成該探測站上傳的所有數(shù)據(jù)塊的起止時間查詢和連續(xù)數(shù)據(jù)塊的拼接；若前后兩個數(shù)據(jù)塊的終止時間、起始時間是不連續(xù)的，則停止對本次連續(xù)數(shù)據(jù)塊的拼接，重新開始下一個新數(shù)據(jù)塊的拼接過程。
3.根據(jù)權利要求1所述的估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，其特征在于，第1 步中，按下式進行波形還原，形成雷電脈沖信號數(shù)據(jù)塊
4.根據(jù)權利要求1所述的估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，其特征在于，第6 步中，粗關聯(lián)是指對兩個雷電脈沖的波形相似性進行初步判斷，假設、時刻在空間S點處發(fā)生雷電，其輻射的雷電脈沖分別于、和、時刻抵達八、 B兩站，粗關聯(lián)判決公式為(τ α- τ s) ·νε-(τΒ-τ5) .Vc| ^ D^Vc · max{Ta, Tb}即
5.根據(jù)權利要求4所述的估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，其特征在于，第6 步中，細關聯(lián)是指對兩個雷電脈沖的波形相似性進行最終判斷，其過程為從B站潛在同源脈沖簇中，按先后順序逐次取出各個脈沖并計算其與A站該脈沖的包絡互相關系數(shù)P i，該計算遍歷B站潛在同源脈沖簇隊列中的所有脈沖，以此作為雷電脈沖是否真正同源的判決參數(shù)，通過與預先設定的互相關系數(shù)判決門限進行比較或直接按照取大原則，找出與A站該脈沖真正同源的B站脈沖，形成A、B站同源脈沖對； 其中，雷電脈沖信號的包絡為
6.根據(jù)權利要求4所述的估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，其特征在于，第5 步中，細關聯(lián)是指對兩個雷電脈沖的波形相似性進行最終判斷，其過程為從B站潛在同源脈沖簇中，按先后順序逐次取出各個脈沖并計算其與A站該脈沖的波形包絡歸一化均方偏差Ji,該計算遍歷B站潛在同源脈沖簇隊列中的所有脈沖，以此作為雷電脈沖是否真正同源的判決參數(shù)，通過與預設均方偏差門限比較或取小原則，找出與A站該脈沖真正同源的B站脈沖，形成同源脈沖對；其中，雷電脈沖的波形包絡歸一化均方偏差Ji為
7.根據(jù)權利要求4所述的估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，其特征在于，第6 步中，細關聯(lián)是指對兩個雷電脈沖的波形相似性進行最終判斷，其過程為從B站潛在同源脈沖簇中，按先后順序逐次取出各個脈沖并計算其與A站該脈沖的波形包絡偏度偏差Si或/和波形包絡峰度偏差Ki,該計算遍歷B站潛在同源脈沖簇隊列中的所有脈沖，以此作為雷電脈沖是否真正同源的判決參數(shù)，通過與預設偏度偏差門限或/和峰度偏差門限比較，找出與A站該脈沖真正同源的B站脈沖，形成同源脈沖對，其中，偏度偏差判決門限和峰度偏差判決門限均為0 1. 0之間的一個數(shù)值；其中，雷電脈沖的波形包絡偏度偏差Si和波形包絡峰度偏差Ki分別為
8.根據(jù)權利要求6、7或8所述的估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，其特征在于，第6步中，對同源脈沖對進行到達時間差估計過程為當同源脈沖對中的脈沖持續(xù)時間較短時，按下式分別計算同源脈沖對中的A站、B站脈沖的包絡能量重心八4和ΔΜ
全文摘要
本發(fā)明公開了一種估計云閃雷電脈沖信號到達時間差的方法，步驟為雷電脈沖數(shù)據(jù)塊拼接、波形還原、形成雷電脈沖簇；輸入時間區(qū)間，提取各站的雷電脈沖簇；確定參考探測站；統(tǒng)計A站雷電脈沖簇中的脈沖個數(shù)；雷電脈沖關聯(lián)與TDOA計算；形成用戶指定時間區(qū)間內的所有同源脈沖對隊列和TDOA隊列；改變時間區(qū)間，計算并形成新的同源脈沖對隊列和TDOA隊列。本發(fā)明專門針對云閃雷電脈沖信號的特點進行設計，給出了波形關聯(lián)與同源性判定、到達時間差估計的完整過程，可勝任白噪聲和色噪聲環(huán)境下的TDOA估計要求。本發(fā)明方法無需遍歷兩個探測站接收到的所有雷電脈沖，魯棒性強，簡單可靠，計算結果精度高，易于工程實現(xiàn)。
文檔編號G01R29/08GK102298097SQ201110199389
公開日2011年12月28日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權日2011年7月15日
發(fā)明者羅冶, 郭嫵君, 馬洪 申請人:華中科技大學