專利名稱：雷電的聲光采樣與模擬方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雷電的聲光采樣與模擬方法，屬于自然現(xiàn)象模擬技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，發(fā)生時會產(chǎn)生強(qiáng)大的聲、光、電信號，是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀又令人生畏的放電現(xiàn)象。對雷電的模擬研究在氣象、防災(zāi)、影視等領(lǐng)域有著實(shí)際的應(yīng)用價值。直到目前，人們尚無法控制雷電的發(fā)生，因此研究雷電發(fā)生的特點(diǎn)和規(guī)律，記錄、統(tǒng)計和模擬雷電的聲光變化，對實(shí)現(xiàn)基于物理的高真實(shí)感雷電的模擬，并為制定正確的防雷策略、設(shè)計可靠有效的防雷工程服務(wù)十分重要?，F(xiàn)代雷電探測技術(shù)始于二十世紀(jì)七十年代，由美國科學(xué)家Matin A. Uman和 Ε. Philip Krider教授提出并實(shí)現(xiàn)的，隨后各種針對雷電探測的研究在美國、中國、法國、 德國迅速發(fā)展。中國專利文獻(xiàn)200620016492. 4雷電監(jiān)測記錄網(wǎng)系統(tǒng)提出一種雷電監(jiān)測記錄系統(tǒng)，能夠?qū)嶋H并真實(shí)記錄雷擊發(fā)生時雷電流實(shí)際發(fā)生時的具體情況，找出雷電流釋放的規(guī)律并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行防雷工程的設(shè)計和防雷設(shè)備的選擇，該文獻(xiàn)只考慮了對放電信號的數(shù)據(jù)獲取，沒有考慮雷聲、三維形態(tài)等數(shù)據(jù)的采集。中國專利文獻(xiàn)200910061599. 9數(shù)字式雷電探測方法及其裝置，在接收雷電放電時產(chǎn)生的電磁信號進(jìn)行采集，構(gòu)建數(shù)字化地閃雷電信號識別模型，用數(shù)字化地閃雷電信號識別模型對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行參數(shù)計算及判定，該文獻(xiàn)只針對雷電的電磁信號進(jìn)行識別，而沒有考慮雷電發(fā)生時的聲光信息。中國專利文獻(xiàn)200910301972. 3光聲雷電探測方法及其探測器，利用向上的攝像機(jī)和聲音采集器對定點(diǎn)的雷電圖像和聲音信息進(jìn)行采集，而沒有考慮對大范圍區(qū)域的雷電信息進(jìn)行采集。中國專利文獻(xiàn)200920084968. 1數(shù)字式雷電探測裝置，由天線，信號調(diào)理器，模數(shù)轉(zhuǎn)換器，地閃雷電信號識別模型模塊，系統(tǒng)控制管理器，輔助控制管理器，通信接口，外部存儲器及時鐘組成。通過DSP、CPLD和FPGA組合運(yùn)用實(shí)現(xiàn)地閃雷電信號識別模型的完全可編程性，并具有可再配置能力。該文獻(xiàn)只針對雷電的信號進(jìn)行識別，沒有考慮對雷電多維物理數(shù)據(jù)的采集和一致性處理?，F(xiàn)有的雷電探測方法大多集中在對閃電發(fā)生時的電磁變化的獲取，大多數(shù)方法探測方法是為了氣象觀測與統(tǒng)計，而不是用于對雷電的模擬。雷電的聲光采樣與模擬方法通過對真實(shí)雷電的聲光采樣，獲取大量的多維雷電數(shù)據(jù)庫，可生成高真實(shí)感的雷電形態(tài)及其聲音的模擬，在未來的虛擬現(xiàn)實(shí)、影視特效、災(zāi)難控制中有著巨大的應(yīng)用空間。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決雷電的高真實(shí)感模擬問題，在進(jìn)行雷電三維形態(tài)模擬的同時實(shí)現(xiàn)對應(yīng)雷聲的模擬，實(shí)現(xiàn)可控的生成數(shù)據(jù)驅(qū)動的帶有聲光信息的雷電三維模型。為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是(1)設(shè)計一種雷電的可移動聲光采樣裝置，利用麥克風(fēng)陣列、魚眼相機(jī)、GPS、車速測量設(shè)備和避雷針組成采樣裝置，在測量閃電的全景圖像的同時，可獲取閃電發(fā)生時的雷聲，并可放置車輛上進(jìn)行移動采樣；(2)車載采樣裝置在雷電發(fā)生區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)和移動采集，獲取采集雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)；(3)對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪及一致性處理，實(shí)現(xiàn)雷聲、閃電、車速、GPS獲取數(shù)據(jù)的時空一致性標(biāo)定；(4)利用步驟(3)中標(biāo)定好的數(shù)據(jù)，提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫；(5)利用步驟中映射數(shù)據(jù)庫可控的生成數(shù)據(jù)驅(qū)動帶有雷電聲光信息的閃電模型。所述的步驟(1)中雷電的可移動聲光采樣裝置進(jìn)一步分為以下部分(1. 1)麥克風(fēng)陣列利用麥克風(fēng)陣列確定雷聲方向并獲取雷的聲音特性；(1. 2)魚眼相機(jī)利用向上安置的魚眼相機(jī)采集廣角范圍的閃電形態(tài)；(1. 3) GPS 利用GPS對移動采樣中的采樣位置進(jìn)行精確定位；(1. 4)車速測量設(shè)備對車輛行駛速度進(jìn)行準(zhǔn)確提取；(1. 5)避雷針實(shí)現(xiàn)對雷電發(fā)生區(qū)域進(jìn)行移動采樣時的安全防護(hù)。所述的步驟(3)中采樣數(shù)據(jù)的去噪及一致性處理具體分為(3. 1)對魚眼相機(jī)的標(biāo)定、曝光控制及去除噪聲處理方法；(3. 2)對麥克風(fēng)陣列進(jìn)行去噪處理方法；(3. 3)定點(diǎn)采集時單個雷電發(fā)生時形態(tài)采樣數(shù)據(jù)與聲音采樣數(shù)據(jù)的時間一致性標(biāo)定方法；(3.4)定點(diǎn)采集時多個雷電同時發(fā)生時，對各個雷電的發(fā)生位置和其對應(yīng)形態(tài)的一致性標(biāo)定方法；(3. 5)移動采樣時獲取數(shù)據(jù)的一致性連續(xù)拼接方法；(3. 6)移動采樣時車輛移動速度與采樣數(shù)據(jù)的一致性標(biāo)定方法。所述的步驟(5)中數(shù)據(jù)驅(qū)動的閃電模擬包括(5. 1)生成聲音數(shù)據(jù)驅(qū)動的閃電三維模型方法；(5. 2)生成閃電形態(tài)參數(shù)驅(qū)動的雷聲模擬方法；(5. 3)可控的生成聲光數(shù)據(jù)驅(qū)動的帶有雷電聲光信息的高真實(shí)感雷電模型。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(1)實(shí)現(xiàn)可以同時采集雷電的圖像和聲音屬性；(2)定點(diǎn)采集與移動采集結(jié)合實(shí)現(xiàn)大范圍雷電數(shù)據(jù)的采集；(3)并利用麥克風(fēng)陣列確定雷電發(fā)生的位置，利用魚眼相機(jī)捕獲天空的全景圖像， 實(shí)現(xiàn)同一時刻多個雷電同時發(fā)生時的采集；(4)利用采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫；(5)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驅(qū)動的帶有聲音信息的雷電真實(shí)感模擬。


圖1為本發(fā)明的雷電可移動聲光采樣設(shè)備圖；圖2為本發(fā)明的雷電聲光采樣及模擬方法過程示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。對雷電進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和模擬是建立在一個前提之上(1)雷電發(fā)生區(qū)域已知，即對雷電高發(fā)區(qū)域的監(jiān)測得知該區(qū)域雷電頻發(fā)或者通過氣象數(shù)據(jù)得知該區(qū)域即將發(fā)生雷電現(xiàn)象；(2)GPS定位系統(tǒng)覆蓋采樣區(qū)域。在以上兩個前提條件下，對雷電的聲光進(jìn)行采樣與模擬，實(shí)施流程如圖( 所示， 具體步驟如下步驟(1)設(shè)計一種雷電的可移動聲光采樣裝置，如圖(1)所示。利用麥克風(fēng)陣列、 魚眼相機(jī)、GPS、車速測量設(shè)備和避雷針組成采樣裝置，在測量閃電的全景圖像的同時，可獲取閃電發(fā)生時的雷聲，并可放置車輛上進(jìn)行移動采樣。其中各設(shè)備的作用如下(1. 1)麥克風(fēng)陣列利用麥克風(fēng)陣列確定雷聲方向并獲取雷的聲音特性，聲音探測器獲取雷的聲音，并通過對聲音分析確定雷電發(fā)生時的位置。采用麥克風(fēng)陣列來進(jìn)行雷電聲音的采樣，在獲取雷聲強(qiáng)度的同時，利用基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位算法判斷雷電發(fā)生的起始位置。閃電雷聲信號集中在頻率低于100HZ的可聞區(qū)和次聲區(qū)，其聲強(qiáng)的峰值位于40HZ附近，可探測距離在25Km以內(nèi)；(1. 2)魚眼相機(jī)利用向上安置的魚眼相機(jī)采集廣角范圍的閃電形態(tài)；(1. GPS:利用GPS對移動采樣中的采樣位置進(jìn)行精確定位。利用衛(wèi)星和GPS定位器對固定采集節(jié)點(diǎn)和移動采集結(jié)果進(jìn)行定位，尤其是對移動采樣節(jié)點(diǎn)的定位，可以精確獲得每次采樣時的位置，通過GPS的定位實(shí)現(xiàn)在傳感網(wǎng)絡(luò)中的任意位置進(jìn)行采樣，并可通過GPS的信息對不同采樣點(diǎn)的采樣結(jié)果進(jìn)行一致性標(biāo)定處理；(1. 4)車速測量設(shè)備對車輛行駛速度進(jìn)行準(zhǔn)確提??；(1. 5)避雷針實(shí)現(xiàn)對雷電發(fā)生區(qū)域進(jìn)行移動采樣時的安全防護(hù)。利用麥克風(fēng)陣列確定多個雷電的發(fā)生位置，利用向上安置的魚眼相機(jī)采集廣角范圍的多個閃電形態(tài)；GPS實(shí)現(xiàn)采樣位置的定位，三種設(shè)備的標(biāo)定實(shí)現(xiàn)多個雷電同時發(fā)生時的數(shù)據(jù)獲取。步驟( 在雷電發(fā)生區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)和移動采集，獲取采集雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)。通過對定點(diǎn)位置進(jìn)行雷電聲光信息采集可獲取該區(qū)域發(fā)生的雷電數(shù)據(jù)，車載移動采樣可以獲取大范圍雷電發(fā)生區(qū)域的采樣數(shù)據(jù)。步驟C3)對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪及一致性處理，進(jìn)行雷聲、閃電、車速、GPS的獲取數(shù)據(jù)的標(biāo)定。具體包括以下方法(3. 1)對魚眼相機(jī)的標(biāo)定、曝光控制及去除噪聲處理方法；(3. 2)對麥克風(fēng)陣列進(jìn)行去噪處理方法；(3. 3)定點(diǎn)采集時單個雷電發(fā)生時形態(tài)采樣數(shù)據(jù)與聲音采樣數(shù)據(jù)的時間一致性標(biāo)定方法，光的傳播速度是3X 108m/s，聲音的傳播速度340m/s，通過對兩種不同傳播速度的信息進(jìn)行同步，實(shí)現(xiàn)閃電發(fā)生形態(tài)與聲音信息的對應(yīng)；(3.4)定點(diǎn)采集時多個雷電同時發(fā)生時，對各個雷電的發(fā)生位置和其對應(yīng)形態(tài)的一致性標(biāo)定方法，魚眼鏡頭捕獲超過180度廣角的閃電圖像信息，通過對捕獲圖像中的閃電區(qū)分確定同時發(fā)生的雷電的個數(shù)，利用聲音獲取設(shè)備中對多個聲源點(diǎn)的區(qū)分，實(shí)現(xiàn)閃電和聲音的一致匹配；(3. 5)移動采樣時獲取數(shù)據(jù)的一致性連續(xù)拼接方法，車輛在移動過程中不斷對閃電形態(tài)和雷聲采樣，得用車速儀上獲取的信息及GPS的定位信息，可以獲得車輛在以一定車速移動時對雷電傳播過程的觀測值；(3. 6)移動采樣時車輛移動速度與采樣數(shù)據(jù)的一致性標(biāo)定方法，車輛在移動過程中，聲音、圖像的傳播速度是不一致的，通過GPS、車速儀的獲取數(shù)據(jù)，可以對采樣得到的各組數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)一致性標(biāo)定。步驟(4)利用步驟(3)中標(biāo)定好的數(shù)據(jù)，提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫。對數(shù)據(jù)庫中雷電的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行基于統(tǒng)計的對比分析，提取雷電聲音與閃電形態(tài)的映射，生成帶有映射關(guān)系的雷電聲光數(shù)據(jù)庫。步驟( 利用步驟(4)中映射數(shù)據(jù)庫可控的生成聲光數(shù)據(jù)驅(qū)動帶有雷電聲光信息的閃電模型。具體包括(1)生成聲音數(shù)據(jù)驅(qū)動的閃電三維模型方法；(2)生成閃電形態(tài)參數(shù)驅(qū)動的雷聲模擬方法；(3)實(shí)現(xiàn)對雷電傳播過程的模擬；(4)可控的生成聲光數(shù)據(jù)驅(qū)動的帶有雷電聲光信息的高真實(shí)感雷電模型，實(shí)現(xiàn)基于物理雷電模擬。本發(fā)明未詳細(xì)闡述的部分屬于本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知技術(shù)。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種雷電的聲光采樣與模擬方法，其特征在于包括步驟(1)利用麥克風(fēng)陣列、魚眼相機(jī)、GPS、車速測量設(shè)備和避雷針組成雷電的可移動聲光采樣裝置，在測量閃電的全景圖像的同時，獲取閃電發(fā)生時的雷聲，所述雷電的可移動聲光采樣裝置放置在車輛上進(jìn)行移動采樣；(2)在雷電發(fā)生區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)和移動采集，獲取雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)；(3)對獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪及一致性處理，進(jìn)行雷聲、閃電、車速、GPS的獲取數(shù)據(jù)的標(biāo)定；(4)利用步驟(3)中標(biāo)定好的數(shù)據(jù)，提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫；(5)利用步驟中映射數(shù)據(jù)庫生成由聲光數(shù)據(jù)驅(qū)動的帶有雷電聲光信息的閃電模型。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(1)中， 所述麥克風(fēng)陣列確定雷聲方向并獲取雷的聲音特性；所述魚眼相機(jī)向上安置，采集廣角范圍的閃電形態(tài)； 所述GPS對移動采樣中的采樣位置進(jìn)行精確定位； 所述車速測量設(shè)備對車輛行駛速度進(jìn)行準(zhǔn)確提?。?所述避雷針實(shí)現(xiàn)對雷電發(fā)生區(qū)域進(jìn)行移動采樣時的安全防護(hù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的雷電聲光采樣方法，其特征在于所述采樣裝置在定點(diǎn)采集時可以實(shí)現(xiàn)多個雷電同時發(fā)生時的數(shù)據(jù)獲取利用麥克風(fēng)陣列確定多個雷電的發(fā)生位置，利用向上安置的魚眼相機(jī)采集廣角范圍的多個閃電形態(tài)；GPS實(shí)現(xiàn)采樣位置的定位，三種設(shè)備獲取數(shù)據(jù)的一致性標(biāo)定實(shí)現(xiàn)多個雷電同時發(fā)生時的數(shù)據(jù)獲取。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟O)中在雷電發(fā)生區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)和移動采集獲取雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)，具體包括通過對定點(diǎn)位置進(jìn)行雷電聲光信息采集獲取該區(qū)域發(fā)生的雷電數(shù)據(jù)，車載移動采樣獲取大范圍雷電發(fā)生區(qū)域的采樣數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(3)中對獲取的數(shù)據(jù)的去噪及一致性處理具體包括(1)對魚眼相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定、曝光控制及去除噪聲處理；(2)對麥克風(fēng)陣列獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理；(3)定點(diǎn)采集時單個雷電發(fā)生時形態(tài)采樣數(shù)據(jù)與聲音采樣數(shù)據(jù)的時間一致性標(biāo)定；(4)定點(diǎn)采集時多個雷電同時發(fā)生時，對各個雷電的發(fā)生位置和其對應(yīng)形態(tài)的一致性標(biāo)定；(5)移動采樣時獲取數(shù)據(jù)的一致性連續(xù)拼接；(6)移動采樣時車輛移動速度與采樣數(shù)據(jù)的一致性標(biāo)定。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟中提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫具體包括對雷電的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行基于統(tǒng)計的對比分析，提取雷電聲音與閃電形態(tài)的映射，生成帶有映射關(guān)系的雷電聲光映射數(shù)據(jù)庫。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(5)中利用采樣數(shù)據(jù)庫生成由聲光數(shù)據(jù)驅(qū)動的帶有雷電聲光信息的閃電模型具體包括(1)生成聲音數(shù)據(jù)驅(qū)動的閃電三維模型；(2)生成閃電形態(tài)參數(shù)驅(qū)動的雷聲；(3)生成由聲光數(shù)據(jù)驅(qū)動的帶有雷電聲光信息的閃電模型。
全文摘要
本發(fā)明屬于自然現(xiàn)象模擬領(lǐng)域，具體是一種雷電的聲光采樣與模擬方法。本發(fā)明的技術(shù)方案為(1)設(shè)計雷電的可移動聲光采樣裝置，利用麥克風(fēng)陣列、魚眼相機(jī)、GPS、車速測量設(shè)備和避雷針組成采樣裝置，在測量閃電的全景形態(tài)的同時，可獲取閃電發(fā)生時的雷聲，并可放置車輛上進(jìn)行移動采樣；(2)車載采樣裝置在雷電發(fā)生區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)和移動采集，獲取采集雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)；(3)對獲取數(shù)據(jù)進(jìn)行時空一致性處理，進(jìn)行雷聲、閃電、車速、GPS獲取數(shù)據(jù)的一致性標(biāo)定；(4)利用步驟(3)中標(biāo)定好的數(shù)據(jù)，提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫；(5)利用步驟(4)中映射數(shù)據(jù)庫可控的生成聲光數(shù)據(jù)驅(qū)動帶有雷電聲光信息的閃電模型。
文檔編號G06F17/30GK102306392SQ20111013003
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月19日
發(fā)明者伍朝輝, 吳威, 周忠, 趙沁平 申請人:北京航空航天大學(xué)