新型高频宽带干涉仪,可用来精准预判雷击的时间和位置!

   电子分析员        

近年来,基于垂直交叉基线干涉仪(ITF)技术的闪电测图系统得到了迅速发展。几种处理方法被提出来估计雷击的时间位置和空间地图。本文采用单次甚高频ITF模拟和增强闪电图。研究人员对使用不同的处理技术和程序来增强闪电甚高频辐射的定位和制图进行了比较研究。基准测试环境包括使用不同的降噪和互相关方法。此外,引入插值技术来平滑相关峰,以提高闪电定位的精度。分析了正窄双极事件(NBE)雷击放电,并利用模拟和实测雷击信号确定了绘图程序。结果表明,采用小波去噪和小波域互相关算法可以较好地估计雷电辐射源,误差最小为3.46°。本研究的研究证实,ITF作图系统能够有效地绘制闪电VHF辐射源。


相关论文以题为“Kalman Filter and Wavelet Cross-Correlation for VHF Broadband Interferometer Lightning Mapping”发表在《Applied Sciences》上。


新型高频宽带干涉仪,可用来精准预判雷击的时间和位置!


闪电是一种发生在大气中的自然现象。当产生放电时,会产生不同频率范围的电磁辐射,通常从超低频(ULF)延伸至超高频(UHF)。电磁场从云对地(CG)打击、云内(IC)闪电和一些云内过程中发射。引发闪电的物理学原理表明,当相当多的热空气被上升到一个高度时,极低的温度会导致结冰颗粒产生电荷,断开。


雷击会对人类造成伤害,并对周围环境运行的系统造成影响。如果部署可靠的闪电测绘和定位系统,能够准确预测和探测雷击,这些影响可以最小化。闪电地图提供了在特定频率范围内探测到的CG闪光的充分信息。在过去的四十年中,甚高频(VHF)波段对于闪电制图和闪电过程的研究都是非常重要的。


VHF闪电测绘有两种不同的方式:到达时间(TOA)和到达方向(DOA),也就是通常所说的干涉测量法(ITF)。VHF闪电制图传统上使用TOA方法和窄带ITF系统来定位辐射源。TOA使用到达时差(TDOA)技术,需要至少4到5个天线。另一方面,窄带ITF系统使用密集间隔的多个基线天线(按n个波长,n个波次)来解决辐射测量的模糊性,并获得所需的角分辨率。与窄带ITF不同,宽带ITF使用所有的频率成分,然后用来产生一个更好的分辨率的闪电放电。在创新及科技支援系统的最新发展中,使用密集天线阵列(三个垂直天线)来捕捉闪电辐射,并将其绘制成二维地图。尽管ITF系统在绘制闪电图方面取得了重大改进,但绘制精度仍然是一个挑战。


宽带干涉仪(ITF)


图1显示了闪电测绘的一般程序,包括三个阶段:(1)通过去除噪声成分和进行振幅归一化来评估VHF信号质量的预处理。(2)采用分段方法将雷电信号分割为重叠滑动窗口,进行相互关联,计算重叠VHF信号在各对天线处的相位差和时差。在时域、频域和小波域应用了不同的互相关技术。(3)通过ITF几何图形计算方位角和仰角得到闪电图。


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图1.闪电制图程序。


到达时差(TDOA)


为了计算TDOA和确定闪电VHF辐射源的方向,传统上使用互相关联来估计两个交叉基线(由三个天线组成)之间的相似性。这一过程是通过滑动重叠窗口实现的。此外,广义互相关技术是最经典的时延估计方法之一。


图2说明了二维闪电映射正交基线的基本几何形状。由图2可知,给定的两条基线(BC和BD)间距为d(本研究中为15 m),可以计算出每个基线的TDOAs为:


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其中,rdn和rdn分别为基线BC和基线BD的时间差。Δϕ= 2πfτd是一个遥远的信号的相位差与频率f (Hz)到达两个天线。Δϕ可以隐式地进行互相关过程中找到。


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图2.基本干涉仪几何。


硬件


图3显示了提议的ITF系统的配置图,它由三组天线,两个垂直的基线15米的长度(3英寸),带通滤波器,低噪声放大器(LNA),同轴电缆,和一个示波器。采用尺寸分别为A4和A3的两种平行板天线分别捕捉闪电的VHF e场和Fast e场(10hz至3mhz)。对于VHF e场天线,为了避免VHF传感器的边缘效应,快速e场时两片板之间的间隙约为h = 1cm和3cm。快速e场天线用于确定闪电的类型,甚高频e场天线用于捕获闪电辐射辐射。图3为将实现的天线B、C、D布置在以BC、BD为边的垂直基线中测量相位差。宽带ITF系统安装在马六甲海峡k黎巴嫩海滩,马六甲,马来西亚。


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图3.VHF宽带数字干涉仪数据采集系统。


实验模拟


研究人员使用模拟的VHF-ITF信号进行数值模拟,以评估所提出的映射方法的性能。一个实际测量的信号(来自天线B作为参考来模拟其他垂直天线(C和D)。给定手工制作的方位角和仰角入射角度,天线C和D的信号是天线B的副本,每个时间滑动窗口都有相移。这种模拟可以为估算闪电图提供一种最佳方法。图4说明了模拟闪电映射信号和评估估计方法性能的建议步骤。


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图4.模拟闪电信号的程序。


结论


研究人员利用宽带干涉法对闪电演进的二维制图进行了研究,研究了不同因素对闪电演进图精度的影响。本文比较了各种雷电信号处理方法,包括不同的滤波方法和互相关技术,引入插值有效估计到达时延的分式时间,实现了VHF雷电辐射源的二维定位。在比较估算闪电地图的方法的性能时,进行了模拟以提供足够的分析。综合结果表明,CCWD在估计TDOAs方面优于其他相关方法,而不考虑插值。这是因为小波变换在降低噪声的同时,也减弱了互相关峰值分辨率的影响。该滤波方法与小波去噪具有相当的性能,使用Symlet函数的滤波效果略好。通过引入其他参数,如调整滑动窗口大小、窗口功能、重叠量,可以对当前研究进行一些改进。


论文链接:https://www.mdpi.com/2076-3417/10/12/4238/htm



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