一种光电信号同步监测的闪电数据处理方法

摘要

本发明涉及一种光电信号同步监测的闪电数据处理方法。它通过网络接收多个闪电探测站点采集并发送的闪电数据，其中闪电数据包括闪电光信号数据、电磁信号数据、电磁脉冲峰值到达探测站点的时间以及探测站点所在位置的三维坐标值；通过闪电光信号和电磁信号的同步对比分析，滤除干扰的噪声信号，实现闪电识别；利用时间差定位法，计算出闪电发生的时间和三维空间位置；建立闪电信息数据库，包含闪电的序号、发生时间、发生位置和数据存储位置，将新定位出的闪电信息添入数据库。本发明构思新颖、设计合理、性能稳定，可以实现闪电的三维定位监测，适用于闪电监测领域。

权利要求

1.一种光电信号同步监测的闪电数据处理方法，其特征在于包含以下步骤：

1)采用网络传输的方式，接收多个闪电探测站点采集并发送的闪电数据，其中闪电数据包括闪电光信号数据、电磁信号数据、电磁脉冲峰值到达探测站点的时间以及探测站点所在位置的三维坐标值，并将闪电数据保存至本地硬盘；

2)采用光信号和电磁信号同步对比分析的方式，滤除闪电数据中的噪声信号，实现闪电识别；

3)利用时间差定位算法，计算出闪电发生的时间和三维空间位置；

4)建立闪电信息数据库，包含闪电的序号、发生时间、发生位置和数据存储位置，将新定位出的闪电信息添入数据库；

所述的采用光信号和电磁信号同步对比分析的方式，滤除闪电数据中的噪声信号，实现闪电识别，实现闪电识别的规则为：

1)闪电的光信号波形和电磁信号波形都应具有明显的上升沿，当采集到的某一闪电的光信号或电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

2)闪电的光信号脉冲发生时间滞后于电磁信号的脉冲发生时间，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

3)闪电的光信号脉冲峰值到达时间滞后于电磁信号的脉冲峰值到达时间，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

4)闪电的光信号脉冲上升沿宽度比电磁信号的脉冲上升沿宽度大，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

5)闪电的光信号脉冲宽度比电磁信号的脉冲宽度大，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号。

2.如权利要求1所述的一种光电信号同步监测的闪电数据处理方法，其特征在于所述的利用时间差定位算法，计算出闪电发生的时间和三维空间位置，实现的步骤为：

1)利用高斯-克里格投影，将探测站点所在位置的地理坐标 转换为空间直角坐标(x，y，z)；

2)对于每一个探测站点，都存在一个方程：(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝C2·(t-ti)2，其中t代表闪电发生的时间，(x，y，z)代表闪电发生的三维空间位置，而ti代表闪电发生时辐射的电磁信号脉冲到达探测站点i的时间，(xi，yi，zi)代表探测站点i所在的三维空间位置，C代表光速常数；

3)假设有n个探测站点探测到闪电，可以得到一个含有n个方程的方程组：

4)采用迭代法解此方程组，可以得到闪电发生的时间t和三维空间位置(x，y，z)；

5)利用高斯-克里格投影的反方向近似逼近方法，将求得的闪电的三维直角空间位置(x，y，z)转化为地理坐标位置

说明书

一种光电信号同步监测的闪电数据处理方法

技术领域

[0001] 本发明涉及闪电监测领域，尤其涉及一种光电信号同步监测的闪电数据处理方法。

背景技术

[0002] 闪电是自然大气中的超强、瞬间放电现象，是联合国“国际减灾十年”公布的最严重的十种自然灾害之一，一直对人类的生产生活构成严重危害。经常受到闪电影响的领域包括建筑、电网、通讯、林业、交通、军事设置等，尤其现在广泛使用的微电子技术、信息网络、无线通信设备，遭受闪击并造成重大损失的可能性愈来愈大。因此，如何准确地监测和预报闪电，已日益成为人类急需解决的问题。

[0003] 闪电是发生在自然大气中的瞬间放电过程，同时伴有声、光、电磁等信号的出现。当前，最适合大范围探测的信号是电磁脉冲信号，而利用声学、光学进行闪电监测的用途有限。因此，当前的闪电探测设备主要通过探测闪电回击辐射的电磁脉冲信号来遥测闪电回击放电参数、确定闪电的时间和位置(一般为二维位置，用经纬度表示)，其相应的处理软件也仅仅利用电磁脉冲信号实现闪电识别，采用磁方向定位法或者时间差定位法完成闪电的二维定位。

[0004] 在闪电识别方面，单纯地探测闪电发生时辐射的电磁信号或者光信号，难以对闪电进行全面准确的描述，不利闪电信号与噪声信号的分辨，也不利于对闪电物理机制及其微观发展过程的研究。而同时采集记录闪电发生时辐射的光信号和电磁脉冲信号，可以为闪电的物理机制及其微观发展过程研究提供更为充足的数据；通过光信号和电磁信号的同步对比分析，可以有效的进行闪电识别，滤除干扰信号，降低误报率，提高闪电识别的精度。

[0005] 在闪电定位方面，采用二维定位，忽略闪电的高度信息，定位的误差偏大，难以对闪电位置进行准确的判定。而同时采集探测站点所在位置的经度、纬度和高度信息，在空间直角坐标系下，利用时间差定位法，可以实现闪电的三维高精度定位。

[0006] 因此，在闪电监测方面，研究光电信号同步采集的闪电数据处理方法具有重要意义。

发明内容

[0007] 本发明的目的是针对现有技术存在的不足，提供一种光电信号同步监测的闪电数据处理方法。它通过网络接收多个闪电探测站点采集并发送的闪电发生时辐射的光信号数据和电磁信号数据；通过闪电光信号和电磁信号的同步对比分析，滤除干扰的噪声信号，实现闪电识别；利用时间差定位法，计算出闪电发生的时间和三维空间位置；建立闪电信息数据库，将新定位出的闪电数据填入数据库。

[0008] 光电信号同步监测的闪电数据处理方法包含以下步骤：

[0009] 1)采用网络传输的方式，接收多个闪电探测站点采集并发送的闪电数据，其中闪电数据包括闪电光信号数据、电磁信号数据、电磁脉冲峰值到达探测站点的时间以及探测站点所在位置的三维坐标值，并将闪电数据保存至本地硬盘；

[0010] 2)采用光信号和电磁信号同步对比分析的方式，滤除闪电数据中的噪声信号，实现闪电识别；

[0011] 3)利用时间差定位算法，计算出闪电发生的时间和三维空间位置；

[0012] 4)建立闪电信息数据库，包含闪电的序号、发生时间、发生位置和数据存储位置，将新定位出的闪电信息添入数据库。

[0013] 所述的采用光信号和电磁信号同步对比分析的方式，滤除闪电数据中的噪声信号，实现闪电识别，实现闪电识别的规则为：

[0014] 1)闪电的光信号波形和电磁信号波形都应具有明显的上升沿，当采集到的某一闪电的光信号或电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

[0015] 2)闪电的光信号脉冲发生时间滞后于电磁信号的脉冲发生时间，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

[0016] 3)闪电的光信号脉冲峰值到达时间滞后于电磁信号的脉冲峰值到达时间，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

[0017] 4)闪电的光信号脉冲上升沿宽度比电磁信号的脉冲上升沿宽度大，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

[0018] 5)闪电的光信号脉冲宽度比电磁信号的脉冲宽度大，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号。

[0019] 所述的利用时间差定位算法，计算出闪电发生的时间和三维空间位置，实现的步骤为：

[0020] 1)利用高斯-克里格投影，将探测站点所在位置的地理坐标 转换为空间直角坐标(x，y，z)；

[0021] 2)对于每一个探测站点，都存在一个方程：(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝2 2
C·(t-ti)，其中t代表闪电发生的时间，(x，y，z)代表闪电发生的三维空间位置，而ti代表闪电发生时辐射的电磁信号脉冲到达探测站点i的时间，(xi，yi，zi)代表探测站点i所在的三维空间位置，C代表光速常数；

[0022] 3)假设有n个探测站点探测到闪电，可以得到一个含有n个方程的方程组：

[0023]

[0024] 4)采用迭代法解此方程组，可以得到闪电发生的时间t和三维空间位置(x，y，z)；

[0025] 5)利用高斯-克里格投影的反方向近似逼近方法，将求得的闪电的三维直角空间位置(x，y，z)转化为地理坐标位置

[0026] 本发明构思新颖、设计合理、性能稳定，提供了一种光电信号同步监测的闪电数据处理方法。采用网络传输的方式接收探测站点采集并发送的闪电数据，传输高效稳定；通过对闪电光信号和电磁信号的同步分析，可以滤除干扰的噪声信号，降低误报率；利用时间差法，计算出闪电的时间以及三维空间位置，具有定位精度高的特点；闪电信息数据库的建立，有利于对闪电信息的管理。

附图说明

[0027] 图1是光电信号同步监测的闪电数据处理方法的流程图。

具体实施方式

[0028] 下面，结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的描述。

[0029] 如图1所示，光电信号同步监测的闪电数据处理方法包含以下步骤：

[0030] 1)采用网络传输的方式，接收多个闪电探测站点采集并发送的闪电数据，其中闪电数据包括闪电光信号数据、电磁信号数据、电磁脉冲峰值到达探测站点的时间以及探测站点所在位置的三维坐标值，并将闪电数据保存至本地硬盘；

[0031] 2)采用光信号和电磁信号同步对比分析的方式，滤除闪电数据中的噪声信号，实现闪电识别；

[0032] 3)利用时间差定位算法，计算出闪电发生的时间和三维空间位置；

[0033] 4)建立闪电信息数据库，包含闪电的序号、发生时间、发生位置和数据存储位置，将新定位出的闪电信息添入数据库。

[0034] 所述的采用光信号和电磁信号同步对比分析的方式，滤除闪电数据中的噪声信号，实现闪电识别，实现闪电识别的规则为：

[0035] 1)闪电的光信号波形和电磁信号波形都应具有明显的上升沿，当采集到的某一闪电的光信号或电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

[0036] 2)闪电的光信号脉冲发生时间滞后于电磁信号的脉冲发生时间，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

[0037] 3)闪电的光信号脉冲峰值到达时间滞后于电磁信号的脉冲峰值到达时间，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

[0038] 4)闪电的光信号脉冲上升沿宽度比电磁信号的脉冲上升沿宽度大，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号；

[0039] 5)闪电的光信号脉冲宽度比电磁信号的脉冲宽度大，当采集到的某一闪电的光信号和电磁信号不具有该特征时，判断该信号为噪声信号。

[0040] 所述的利用时间差定位算法，计算出闪电发生的时间和三维空间位置，实现的步骤为：

[0041] 1)利用高斯-克里格投影，将探测站点所在位置的地理坐标 转换为空间直角坐标(x，y，z)；

[0042] 2)对于每一个探测站点，都存在一个方程：(x-xi)2+(y-yi)2+(z-zi)2＝2 2
C·(t-ti)，其中t代表闪电发生的时间，(x，y，z)代表闪电发生的三维空间位置，而ti代表闪电发生时辐射的电磁信号脉冲到达探测站点i的时间，(xi，yi，zi)代表探测站点i所在的三维空间位置，C代表光速常数；

[0043] 3)假设有n个探测站点探测到闪电，可以得到一个含有n个方程的方程组：

[0044]

[0045] 4)采用迭代法解此方程组，可以得到闪电发生的时间t和三维空间位置(x，y，z)；

[0046] 5)利用高斯-克里格投影的反方向近似逼近方法，将求得的闪电的三维直角空间位置(x，y，z)转化为地理坐标位置

[0047] 实施例子：

[0048] 1.实施例子中包含4个探测站点，表1表示其空间位置分布：

[0049] 表1实施例子中探测站点空间位置分布表

[0050]站点序号 经度 纬度 高度
1 120°05′44″ 30°19′50″ 1160dm
2 120°20′24″ 30°18′50″ 834dm
3 120°26′46″ 30°10′30″ 1224dm
4 120°08′18″ 30°10′27″ 347dm

[0051] 2.通过网络，接收到探测站点采集到的闪电数据，本方法中的闪电数据以.csv文件形式进行保存，文件名主要表示探测站点收到闪电电磁脉冲信号峰值的触发时刻；假设某一个闪电事件，4个探测站点均采集到闪电数据，对于该闪电事件，表2表示的4个站点的闪电数据文件名及探测站点收到闪电信号的时间：

[0052] 表2闪电数据文件名和探测站点收到闪电信号的时间

[0053]站点序号 闪电数据文件名 收到闪电信号的时间
1 1_200909290418471576868_0004.csv 2009年9月29日4时18分47秒157686.8微秒
2 2_200909290418471576646_0007.csv 2009年9月29日4时18分47秒157664.6微秒
3 3_200909290418471576954_0003.csv 2009年9月29日4时18分47秒157695.4微秒
4 4_200909290418471576740_0004.csv 2009年9月29日4时18分47秒157674.0微秒[0054] 3.根据闪电识别的规则，对上述4个闪电数据中的光信号和电磁信号进行对比分析，判断均为闪电信号，数据有效；

[0055] 4.利用时间差定位法，计算出闪电的时间和空间位置，表3为计算出的闪电发生的时间和位置：

[0056] 表3闪电的时间和位置

[0057]时间 经度 纬度 高度
2009年9月29日4时18分47秒157627.8微秒 120°15′14″ 30°14′56″ 8010dm