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1、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：
2、TP73；TP212文献标识号：BDSP-baseddesignofthelightninglocationsystemYanFeiZhangHaiyanMaoYunzhi(CollegeofInformationScienceandEngineering,OceanUniversityofChina,ChinaResearchInstitutionofRadiowavePropagation)Abstract:Basedonthecharacteristicsofthunderboltwhicha
3、reelectromagnetismradicalizationandthunderenergyspectrum,giveanthunderboltlocationmethodwhichusesfivememberstructuredcrossarraytogetelevationandazimuthofthunderbolt,bycomputingtimedelaybetweensoundofthunderandlighttogetthethunderboltdistance,andbycompu
4、tingenergyofthunderasintensityofthethunderbolt.AndgivedesignwaybasedonDSP.Estimatebyinformationinexistence,thissystemdetectdistanceis20~30km,andbehopefullyreach±5°elevationprecisionand±2°azimuthprecision.Keywords:thunderboltlocation,DSPapplication,acou
5、sticlocalization,soundssensorsusing.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。对敏感区域进行雷电定位，有利于人们提前做好防范措施，减少经济损失。现有雷电定位仪单站的情况下只能探测雷暴的方向、大致位置、频度，定位误差大、强度无法确定。基于DSP的雷电定位系统采用电、声两种探测手段实现雷电空间定位，并通过计算雷声能量来衡量雷电的强度。2.探测原理雷电表现为强烈的发光（光闪）、发声（雷声）和电磁辐射（电
6、闪）现象。其中声信号作为声测定位的输入信号，实现雷电的定位。根据所用传感器的数目和传感器阵列的形状，声测定位有多种不同的方法（靳莹，2007），我们采用五元十字阵定位方法。资料（陈华伟，2001）表明，它能较好的估计出雷电的方位角和俯仰角，达到±5°的俯仰角估计精度和±2°的方位角估计精度，但测距效果不是很理想。在此仅利用它来获得雷电的方位角和俯仰角。五元十字阵阵形结构如图2所示，分布于平面坐标轴上的4个声传感器距中心传感器的距离均为d，以s0为原点建立直角坐标系。其中,P点为被测声源,其坐标为(r
7、,θ,φ)，r为P点到原点O的距离，si为传感器，v为声速，τi为声波到达O和si的时延。d为传感器与原点O的距离。时延τ可由最小均方自适应滤波时延估计方法（杨亦春等，1999；田亚菲，2009）得到。声源坐标位置计算公式（陈华伟等，2003）如下：τ−τtanφ≈24(1)τ−τ134sinθτ≈−v∑[cos[φ−−(i1)]]π(2)idi=12p(,,)rθφZs3ds4Os0φYdds2dsθ1X图1五元十字阵这里还要指岀，声速v的确定需要考虑阴天时的气象修正。距离一定的情况下，雷声能量的
8、大小与雷电的强度成正比。因此可以用雷声能量的大小表征雷电的强弱。雷声的能量集中在20~400Hz，可以用20~400Hz频段内的能量作为雷声能量。由帕斯瓦尔定律知，同一信号时域频域计算的能量相等。而带通滤波后的序列仍为时域序列，对其进行时域能量计算即为该通带内能量大小。雷声信号能量主要集中在20~400Hz频段内，对雷声信号作20~400Hz带通滤波（时域）后，计算其能量，则可表征雷声能量的大小。6雷电电磁辐射波能量集中在10Hz以下的频段，可以用磁棒天线接收。电信号
