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专利名称：多个声音传感器雷电定位仪及其定位方法
技术领域：
本发明涉及气象探测技术领域，特别是一种雷电的定位方法。
背景技术：
目前被国际上普遍认可的雷电定位方法大致可分为五种。第一种是改进了门控磁 脉冲定向法，如广泛应用的地闪定向仪(DF)，它能识别典型的对地闪电的LF(低频)频段辐 射电磁场波形，测定放电波形的峰值和方位。多站DF布网则可确定闪电发生的位置。第二 种是工作在LF频段的长基线TOA(时间到达法)技术，如闪电定位及跟踪系统(LPATS)。第 三种是工作在VHF(甚高频)频段的干涉仪方法，其特点是可以同时探测云闪和地闪，并可 了解放电的大致过程，但探测距离较短。第四种是工作在VHF频段的TOA技术，如LDAR系 统。第五种是利用雷声差探测闪电通道的技术。从性能看，前两种定位技术可以在较大的 范围内布网，后三种比较适用于特殊用途及闪电物理的研究。目前闪电定位仪的定位原理 主要是根据电磁场的方法进行定位。

发明内容
本发明的目的是提供一种多个声音传感器雷电定位仪及其定位方法，要解决现有 的雷电测量方法原理复杂，设备投资大，功能单一的技术问题。为实现所述目的，本发明采用如下技术方案技术方案一一种多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于步骤如下步骤1，未知的雷电坐标为P点，在四个空间观测点0、A、B、C各布置一个声音传感 器，四个声音传感器与一个四通道数据采集卡的四个信号输入通道连接，四通道数据采集 卡的输出端与数据处理系统的信号输入接口连接；四个空间观测点的坐标分别为0(xo, y0, z0)，A(xa, ya, za)，B(xb, yb, zb)，C(xc, yc, zc)，则A、B、C三个空间观测点分别相对于0点的距离为定值A0、BO、CO ；步骤2，四个空间观测点的四个声音传感器在雷电发生时，分别记录各观测点雷声 到达的时刻t。、ta、tb、t。，四组时间数据经四通道数据采集卡A/D转换后，被传送到数据处 理系统；步骤3，数据处理系统内存储有操作系统、数据处理程序、计算公式和观测数据，将 每个通道的雷声到达时刻，通过逻辑运算，求取A、B、C三个空间观测点分别相对于0点的雷 声到达时间差、、 Λ、、；步骤4，数据处理系统根据声音在空气中传播的速度V，距离D =时间tx速度ν 的公式，计算出A、B、C三个空间观测点分别相对于P点和0点的距离差为D。a、D。b、Doc ；步骤5，数据处理系统根据空间三个双曲面相交可以确定一个点的原理，则四个不 在同一平面的声音传感器就可以确定雷电产生位置P的坐标，根据方程组[ (X-X0)2+ (y-y。)2+ (ζ_ζ。)2]1/2- [ (χ-χ3)2+ (y_ya)2+ (z_za)2]1/2 = Doa[ (x-x0)2+ (y-y。)2+ (z-z。)2]1/2- [ (x_xb)2+ (y-yb)2+ (z~zb)2]1/2 = Dob
[ (X-X0)2+ (y-y0)2+ (z_z。)2]1/2- [ (χ-χε)2+ (y-yc)2+ (z-zc) 2]1/2 = Doc最终解出雷电发生位置P的坐标P(x，y，ζ)，通过显示设备显示数据处理结果。所述步骤5以后利用公式一皿tang)求取雷电发生位置P的方位角。所述步骤5以后利用公式組面(^/― ^^求取雷电发生位置P的仰角。所述声音传感器可以是麦克风或录音机，采样速度> 30微秒。技术方案二 一种多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于步骤如下步骤1，未知的雷电坐标为P点，在四个观测点0、A、B、C布置三个声音传感器和一 个光传感器，三个声音传感器和一个光传感器与一个多通道数据采集卡的三个信号输入通 道连接，多通道数据采集卡的输出端与数据处理系统的信号输入接口连接；四个观测点的坐标分别为，0(xo,y0, z0), A(xa, ya, ζJ , B(xb, yb, zb)，C(xc, yc, zc)， 则A、B、C三个空间观测点分别相对于0点的距离为定值A0、BO、CO ；步骤2，三个空间观测点的三个声音传感器在雷电发生时，分别记录各观测点雷声 到达的时刻，三组时间数据t。、ta、tb经三通道数据采集卡A/D转换后，被传送到数据处理系 统，广角摄像头记录闪电发生时刻，也被传送到数据处理系统；步骤3，数据处理系统内存储有操作系统、数据处理程序、计算公式和观测数据，根 据光和声音传播速度之差可以求出声音的相对距离再根据声音到达地面三点的时间差定 位闪电的方位角和仰角，即利用摄像头拍摄闪电发生时刻，再获取到达地面的雷声，求取闪 电到地面得距离。假设闪电坐标为P(x，y，ζ)，地面三点分别为A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)， C(x。，y。，zc)，闪电到三点的距离分别为:Da, Db, Dc0则方程组为(x-xa)2+ (y-ya)2+ (z~zj2 = Da2(x-xb)2+ (y-yb)2+ (z~zb)2 = Db2(x-xc)2+ (y-yc)2+ (z_zc)2 = Dc2最终解出雷电发生位置P的坐标P(x，y, ζ)，通过显示设备显示数据处理结果。所述观测点A为坐标原点，坐标分别为Β(10，0，0)，C(0,10,0)。由上三式可以解 出点 P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (x2, y2, Z2)的坐标，令 Da = A，Db = B，Dc = C 则X1 = X2 = 5+0. 5A2+0. 5B2I1 = I2 = 5+0. 5A2-0. 5C2 Z1 = 0. 5 (-20000+200B2-2A4+2A2B2-B4+200C2+2A2C2-C4)(1/2)z2 = -0. 5 (-20000+200B2-2A4+2A2B2-B4+200C2+2A2C2-C4)(1/2)。所述三个声音传感器位于同一海拔高度，并且三地连线可以构成一个直角三角 形，光传感器位于直角三角形中任意一地。所述声音传感器可以是麦克风或录音机，采样速度> 30微秒，光传感器是广角摄 像头。步骤5后利用公式0= ^rctan(Z)求取雷电发生位置P的方位角。
JC步骤6后利用公求取雷电发生位置P的仰角。—种多个声音传感器雷电定位仪，包括在四个观测点处布置的四个传感器，其特征在于所述传感器是四个声音传感器或者三个声音传感器和一个光传感器的组合，四个 传感器与一个四通道数据采集卡的四个信号输入端子连接，四通道数据采集卡采集每个传 感器声光到达的时刻，其四个信号输出端子与数据处理系统中的中央处理单元输入接口连 接，中央处理单元内包括有控制器、运算器和寄存器，中央处理单元与存储器、显示器和输 入设备连接，存储器内存入操作系统、数据处理程序、计算公式和观测数据，计算公式包括 求取相应两观测点声光到达时刻的时间差公式、根据声音在空气中传播的速度计算出雷电 到达两地的距离差的公式、求得雷电发生位置的坐标、方位角和仰角的公式。与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果本发明是利用闪电的声光特性进行定位，根据闪电光谱分析在可见光及近红外光谱范围内辐射能量最为集中，闪电的声音信号一般集中在频率低于100HZ的可闻区，和次 声区，声强的峰值集中在40HZ左右。通过测量闪电的声光发生时刻利用其速度差可以定 位。本发明的方案一不需要摄像头只需四个麦克风即可定位，定位方法简单，对硬件 要求较高，要求数据采集卡的响应速度快，在相隔10米情况下，要求能够精确到1厘米，即 采样速度要能达到1/34000秒=30微秒。要求麦克风的一致性，稳定性好，但对其灵敏度 没有要求。方案二，在方案一基础上加上摄像头，降低对硬件的要求，提高定位精度，但定位 方法要求有闪电识别和闪电同步。本发明在保证测量高精度的同时，简化了定位测量方法，降低了硬件的要求，降低 了设备成本，实现了对雷电的准确自动定位，可在气象探测领域广泛应用。


下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。图1是实施例一的传感器布置示意图。图2是实施例一的定位原理示意图。图3是实施例一的设备结构框图。图4是实施例一的定位观测流程图。图5是实施例二的传感器布置示意图。图6是实施例二的定位观测流程图。附图标记1-声音传感器、2-光传感器。
具体实施例方式一种多个声音传感器雷电定位仪，包括在四个观测点处布置的四个传感器，参见 图1，所述传感器是声音传感器，声音传感器是四个麦克风。参见图5，所述传感器是三个声 音传感器和一个光传感器的组合，例如三个麦克风和一个广角摄像头的组合。参见图3， 四个传感器与一个四通道数据采集卡的四个信号输入端子连接，四通道数据采集卡采集每 个传感器声光到达的时刻，其四个信号输出端子与数据处理系统中的中央处理单元输入接 口连接，中央处理单元内包括有控制器、运算器和寄存器，中央处理单元与存储器、显示器 和输入设备连接，存储器内存入操作系统、数据处理程序、计算公式和观测数据，计算公式包括求取相应两观测点声光到达时刻的时间差公式、根据声音在空气中传播的速度计算出 雷电到达两地的距离差的公式、求得雷电发生位置的坐标、方位角和仰角的公式。四通道数据采集卡采集每个传感器声光到达的时刻，其四个信号输出端子与数据 处理系统中的中央处理单元输入接口连接，中央处理单元内有控制器、计算器、寄存器、计 数器、缓冲器和内部总线，并与外部的显示器、输入设备和存储器连接，存储器内存入操作 系统、数据处理程序、计算公式和观测数据，计算公式包括求取相应两观测点声光到达时刻 的时间差公式、根据声音在空气中传播的速度计算出雷电到达两地的距离差的公式、求得 雷电发生位置的坐标、方位角和仰角的公式。实施例一参见图1-图4所示，这种多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于步骤1，未知的雷电坐标为P点，在四个空间观测点0、A、B、C各布置一个声音传感 器，声音传感器是麦克风或录音机，采样速度> 30微秒，声音传感器1是麦克风或录音机， 采样速度> 30微秒，光传感器2是广角摄像头，四个声音传感器与一个四通道数据采集卡 的四个信号输入通道连接，四通道数据采集卡的输出端与数据处理系统的信号输入接口连 接；四个空间观测点的坐标分另Ij0(xo, y。，ζ。)，A(xa，ya, za)，B(xb，yb, zb)，C(xc，yc, zc)， 则A、B、C三个空间观测点分别相对于0点的距离为定值A0、BO、CO ；步骤2，四个空间观测点的四个声音传感器在雷电发生时，分别记录各观测点雷声 到达的时刻t。、ta、tb、t。，四组时间数据经四通道数据采集卡A/D转换后，被传送到数据处 理系统；步骤3，数据处理系统内存储有操作系统、数据处理程序、计算公式和观测数据，将 每个通道的雷声到达时刻，通过逻辑运算，求取A、B、C三个空间观测点分别相对于0点的雷 声到达时间差、、 Λ、、；步骤4，数据处理系统根据声音在空气中传播的速度V，距离D =时间tX速度ν 的公式，计算出A、B、C三个空间观测点分别相对于P点和0点的距离差为D。a、D。b、Doc ；步骤5，数据处理系统根据空间三个双曲面相交可以确定一个点的原理，则四个不 在同一平面的声音传感器就可以确定雷电产生位置P的坐标，根据方程组[ (x-x0)2+ (y-y0)2+ (ζ_ζ。)2]1/2- [ (χ-χ3)2+ (y-ya)2+ (z-za)2]1/2 = Doa
[ (x-x0)2+ (y-y。)2+ (z-z。)2]1/2- [ (x_xb)2+ (y-yb)2+ (z~zb)2]1/2 = Dob[ (x-x0)2+ (y-y。)2+ (ζ_ζ。)2]1/2- [ (χ-χε)2+ (y-yc)2+ (z-zc)2]1/2 = Doc最终解出雷电发生位置P的坐标P(x，y, ζ)，通过显示设备显示数据处理结果。利用公式求取雷电发生位置P的方位角θ。方位角从观测点的指北方向线起， 依顺时针方向到雷电P目标方向线之间的水平夹角，叫方位角。方位角的取值范围为0-360 度。利用公式O —求取雷电发生位置ρ的仰角ω。观测视线在水平线以上时，
在观测视线所在的垂直平面内，对雷电P处的视线与水平线所成的角叫做仰角。实施例一的原理如下根据几何学原理已知空间任一点到相对俩定点的距离之差 为常数的轨迹为双曲面方程，空间俩双曲面相交为一曲线，空间三双曲面相交可以确定空 间一点。为了能构成三双曲面需要四个空间点。假设空间任一点坐标为P (x, y，ζ)，相对的四个空间定点坐标分别为0 (x。，y。，ζ。)，A(xa，ya，Za), B(xb, yb, zb)，C(xc, yc, zc)。相对 巨离差为D。a，Dob, Doc。其中D。。一定大于零。建立方程组为[ (x-x0)2+ (y-y0)2+ (ζ_ζ。)2]1/2- [ (χ-χ3)2+ (y-ya)2+ (z-za)2]1/2 = Doa[ (x-x0)2+ (y-y。)2+ (z-z。)2]1/2- [ (x_xb)2+ (y-yb)2+ (z~zb)2]1/2 = Dob
[ (x-x0)2+ (y-y。)2+ (z-z。)2]1/2- [ (x_xc)2+ (y-yc)2+ (z_zc)2]1/2 = Doc为了计算和布局方便使点0为坐标原点A，B, C坐标分别为A(0，10,0)，B(10，0， 0)，C(0，0，2)。由上三式可以解出点卩1&1，71，21)，己(&，72，22)的坐标。令D。a = A，D。b = B，Doc = C，则X1 = -0. 5 (25C2A2+100CA-100A2+10000-B3A+100AB+B2A2-25C3A-100B2-2500C2- (5200 C2B2A2-5000C3BA2-25C4B2A2+20000CBA2-200CB3A2-30400A4-520000C2A2+20000CA3+2040000A2-2 5B4A2C2+400A4B2+100B4A2-25C2A5+50A5C3-25A4C4-B4A4+20000BA3-200B3A3+2B3A5-A5B2-200A5B+10 0A5+50C3B3A2-30400B2A2+5200C2A4+2500C4A2-200CA5-5000C3A3)1/2)) (_100+B2+A2+25C2)x2 = -0. 5 (25C2A2+100CA-100A2+10000-B3A+100AB+B2A2-25C3A-100B2-2500C2+ (5200 C2B2A2-5000C3BA2-25C4B2A2+20000CBA2-200CB3A2-30400A4-520000C2A2+20000CA3+2040000A2-2 5B4A2C2+400A4B2+100B4A2-25C2A6+50A5C3-25A4C4-B4A4+20000BA3-200B3A3+2B3A5-A6B2-200A5B+10 0A6+50C3B3A2-30400B2A2+5200C2A4+2500C4A2-200CA5-5000C3A3)1/2)) / (_100+B2+A2+25C2)Y1 = 0. 5*(100A-B*(25C2A2+100CA-100A2+10000-B3A+100AB+B2A2-25C3A-100B2 -2500C2-(5200C2B2A2-5000C3BA2-25C4B2A2+20000CBA2-200CB3A2-30400A4-520000C2A2+200 00CA3+2040000A2-25B4A2C2+400A4B2+100B4A2-25C2A6+50A5C2-25A4C4-B4A4+20000BA3-200B3A3 +2B3A5-A5B2-200A5B+100A5+50C3B3A2-30400B2A2+5200C2A4+2500C4A2-200CA5-5000C3A3)1/2)/ (-100+B2+A2+25C2) -100B+BA2-B2A) /Ay2 = 0. 5*(100A-B*(25C2A2+100CA-100A2+10000-B3A+100AB+B2A2-25C3A-100B2 -2500C2+(5200C2B2A2-5000C3BA2-25C4B2A2+20000CBA2-200CB3A2-30400A4-520000C2A2+200 00CA3+2040000A2-25B4A2C2+400A4B2+100B4A2-25C2A5+50A5C3-25A4C4-B4A4+20000BA3-200B3A3 +2B3A5-A5B2-200A5B+100A5+50C3B3A2-30400B2A2+5200C2A4+2500C4A2-200CA5-5000C3A3)1/2)/ (-100+B2+A2+25C2) -100B+BA2-B2A) /AZ1 = 0. 25(4A-C(25C2A2+100CA-100A2+10000-B3A+100AB+B2A2-25C3A-100B2-25 00C2-(5200C2B2A2-5000C3BA2-25C4B2A2+20000CBA2-200CB3A2-30400A4-520000C2A2+20000C A3+2040000A2-25B4A2C4+400A4B2+100B4A2-25C2A4+50A5C3-25A4C4-B4A4+20000BA3-200B3A3+2 B3A3-A4B3-200A5B+100A3+50C3B3A2-30400B2A2+5200C2A4+2500C4A2-200CA5-5000C3A3) (1/2))/ (-100+B2+A2+25C2) -100C-AC4+A2C) /Az2 = 0. 25(4A-C(25C2A2+100CA-100A2+10000-B3A+100AB+B2A4-25C5A-100B2-25 00C2+(5200C2B2A2-5000C3BA2-25C4B2A2+20000CBA2-200CB3A2-30400A4-520000C2A2+20000C A3+2040000A2-25B4A2C2+400A4B2+100B4A2-25C2A5+50A5C3-25A4C4-B4A4+20000BA3-200B3A3+2 B3A5-A5B2-200A5B+100A5+50C3B3A2-30400B2A2+5200C2A4+2500C4A2-200CA5-5000C3A3) (1/2))/ (-100+B2+A2+25C2) -100C-AC2+A2C) /A根据实际情况排除其中一个点，再利用公式Θ= arctan(^)求取方位角，f attianc^plj)求取仰角。
实施例二参见图5、图6所示，这种多个声音传感器雷电定位方法，步骤1，未知的雷电坐标为P点，在四个观测点0、A、B、C布置三个声音传感器和一个光传感器，三个声音传感器位于同一海拔高度，并且三地连线可以构成一个直角三角形， 光传感器位于直角三角形中任意一地，三个声音传感器和一个光传感器与一个多通道数据 采集卡的三个信号输入通道连接，多通道数据采集卡的输出端与数据处理系统的信号输入 接口连接；四个观测点的坐标分别为0(xo, y。，z0)，A(xa，ya, za)，B(xb，yb, zb)，C(xc，yc, zc)，则 A、B、C三个空间观测点分别相对于0点的距离为定值A0、BO、CO。步骤2，三个空间观测点的三个声音传感器在雷电发生时，分别记录各观测点雷声 到达的时刻，三组时间数据t。、ta、tb经三通道数据采集卡A/D转换后，被传送到数据处理系 统；广角摄像头记录闪电发生时刻，也被传送到数据处理系统；步骤3，数据处理系统内存储有操作系统、数据处理程序、计算公式和观测数据，根 据光和声音传播速度之差可以求出声音的相对距离再根据声音到达地面三点的时间差定 位闪电的方位角和仰角，即利用摄像头拍摄闪电发生时刻，再获取到达地面的雷声，求取闪 电到地面得距离。假设闪电坐标为P(x，y，z)，地面三点分别为，闪电到三点的距离分别为 A(xa, ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc, y。，zc)，闪电到三点的距离分别为:Da, Db, D。。则方程组为(x-xa)2+ (y-ya)2+ (z~zj2 = Da2(x-xb)2+ (y-yb)2+ (z~zb)2 = Db2(x-xc)2+ (y-yc)2+ (z_zc)2 = Dc2最终解出雷电发生位置P的坐标P(x，y，ζ)，通过显示设备显示数据处理结果。所述观测点A为坐标原点，坐标分别为Β(10，0，0)，C(0,10,0)。由上三式可以解 出点 P1 (X1, Y1, Z1)，P2 (x2, y2, Z2)的坐标，令 Da = A，Db = B，Dc = C 则X1 = X2 = 5+0. 5A2+0. 5B2I1 = I2 = 5+0. 5A2-0. 5C2Z1 = 0. 5 (-20000+200B2-2A4+2A2B2-B4+200C2+2A2C2-C4)(1/2)z2 = -0. 5 (-20000+200B2-2A4+2A2B2-B4+200C2+2A2C2-C4)(1/2)。利用公式^rctan(I)求取雷电发生位置P的方位角θ。利⑴公式0尸咖<求取雷电发生位置P的仰角ω。实施例二的原理如下根据光和声音传播速度之差可以求出声音的相对距离再根据声音到达地面三点 的时间差定位闪电的方位角和仰角，即利用摄像头拍摄闪电发生时刻，再获取到达地面的 雷声，求取闪电到地面得距离。假设闪电坐标为P(x，y，Ζ)，地面三点分别为A (xa，ya，za), B(xb, yb，zb)，C(xc, y。，zc)，闪电到三点的距离分别为Da，Db, D。。则方程组为(x-xa)2+ (y-ya)2+ (z~zj2 = Da2(x-xb)2+ (y-yb)2+ (z~zh)2 = Db2(x-xc)2+ (y-yc)2+ (z_zc)2 = Dc2为了计算和布局方便使点为A坐标原点坐标分别为B(10，0，0)，C(0，10，0)。由上 三式可以解出 AP1 (X^y1, Z1KP2O^y2, Z2)的坐标。令03 = A，Db = B，DC = C 则:
X1 = x2 = 5+0. 5A2+0. 5B2I1 = I2 = 5+0. 5A2-0. 5C2Z1 = 0. 5 (-20000+200B2-2A4+2A2B2-B4+200C2+2A2C2-C4)(1/2)z2 = -0. 5 (-20000+200B2-2A4+2A2B2-B4+200C2+2A2C2-C4)(1/2)(舍)再利用公式<formula>formula see original document page 10</formula>求取方位角，<formula>formula see original document page 10</formula>求取仰角。
权利要求
一种多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于步骤如下步骤1，未知的雷电坐标为P点，在四个空间观测点O、A、B、C各布置一个声音传感器，四个声音传感器与一个四通道数据采集卡的四个信号输入通道连接，四通道数据采集卡的输出端与数据处理系统的信号输入接口连接；四个空间观测点的坐标分别为，O(xo，yo，zo)，A(xa，ya，za)，B(xb，yb，zb)，C(xc，yc，zc)，则A、B、C三个空间观测点分别相对于O点的距离为定值AO、BO、CO；步骤2，四个空间观测点的四个声音传感器在雷电发生时，分别记录各观测点雷声到达的时刻totatbtc，四组时间数据经四通道数据采集卡A/D转换后，被传送到数据处理系统；步骤3，数据处理系统内存储有操作系统、数据处理程序、计算公式和观测数据，将每个通道的雷声到达时刻，通过逻辑运算，求取A、B、C三个空间观测点分别相对于O点的雷声到达时间差toatobtoc；步骤4，数据处理系统根据声音在空气中传播的速度v，距离D＝时间t×速度v的公式，计算出A、B、C三个空间观测点分别相对于P点和O点的距离差为DoaDobDoc；步骤5，数据处理系统根据空间三个双曲面相交可以确定一个点的原理，则四个不在同一平面的声音传感器就可以确定雷电产生位置P的坐标，根据方程组[(x-xo)2+(y-yo)2+(z-zo)2]1/2-[(x-xa)2+(y-ya)2+(z-za)2]1/2＝Doa[(x-xo)2+(y-yo)2+(z-zo)2]1/2-[(x-xb)2+(y-yb)2+(z-zb)2]1/2＝Dob[(x-xo)2+(y-yo)2+(z-zo)2]1/2-[(x-xc)2+(y-yc)2+(z-zc)2]1/2＝Dx最终解出雷电发生位置P的坐标P(x，y，z)，通过显示设备显示数据处理结果。
2.根据权利要求1所述多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于所述步骤5以后利用公式0= axtaflg)求取雷电发生位置P的方位角。
3.根据权利要求1所述多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于所述步骤5以后 利用公式<formula>formula see original document page 2</formula> 求取雷电发生位置P的仰角。
4.根据权利要求1所述多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于所述声音传感器 是麦克风或录音机，采样速度> 30微秒。
5.一种多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于步骤如下步骤1，未知的雷电坐标为P点，在四个观测点0、A、B、C布置三个声音传感器和一个光 传感器，三个声音传感器和一个光传感器与一个多通道数据采集卡的三个信号输入通道连 接，多通道数据采集卡的输出端与数据处理系统的信号输入接口连接；四个观测点的坐标 分别为 0(xo, y。，z0)，A(xa, ya, za)，B(xb, yb, zb)，C(xc, yc, zc)，则 A、B、C 三个空间观测点分 别相对于O点的距离为定值A0、BO、CO ；步骤2，三个空间观测点的三个声音传感器在雷电发生时，分别记录各观测点雷声到达 的时刻，三组时间数据totatb经三通道数据采集卡A/D转换后，被传送到数据处理系统；广 角摄像头记录闪电发生时刻，也被传送到数据处理系统；步骤3，数据处理系统内存储有操作系统、数据处理程序、计算公式和观测数据，根据光 和声音传播速度之差可以求出声音的相对距离再根据声音到达地面三点的时间差定位闪 电的方位角和仰角，即利用摄像头拍摄闪电发生时刻，再获取到达地面的雷声，求取闪电到地面得距离。假设闪电坐标为P (X，y，ζ)，地面三点分别为A (xa, ya，za)，B (xb, yb，zb)，C (xc, yc, zc)，闪电到三点的距离分别为Doa，DobDoc。则方程组为 (x-xa)2+(y-ya)2+(z-za)2 = Da2 (x-xb) 2+(y-yb)2+(z-zb)2 = Db2 (x-xc) 2+(y-yc)2+(z-zc)2 = Dc2最终解出雷电发生位置P的坐标p(x，y, ζ)，通过显示设备显示数据处理结果。
6.根据权利要求5所述多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于所述观测点A为 坐标原点，坐标分别为:Β(10，0，0)，C(0,10，0)。由上三式可以解出点P1 (xi; Y1, Z1)，P1Oc2, I2, Z2)的坐标，令 Da = A，Db = B，Dc = C，则X1 = X2 = 5+0. 5A2+0. 5B2 I1 = I2 = 5+0. 5A2-0. 5C2Z1 = 0. 5 (-20000+200B2-2A4+2A2B2-B4+200C2+2A2C2-C4)(1/2) z2 = -05 (-20000+200B2-2A4+2A2B2-B4+200C2+2A2C2-C4)(1/2)。
7.根据权利要求5所述多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于所述三个声音传 感器位于同一海拔高度，并且三地连线可以构成一个直角三角形，光传感器位于直角三角 形中任意一地。
8.根据权利要求5所述多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于所述声音传感器 是麦克风或录音机，采样速度> 30微秒，光传感器是广角摄像头。
9.根据权利要求5所述多个声音传感器雷电定位方法，其特征在于步骤5后利用公式arctanf^)求取雷电发生位置P的方位角；利用公式 ω: wctm('^T=7)ω=碰喊；^^^求取雷电发生位置ρ的仰角。
10.一种根据权利要求1-9所述方法的多个声音传感器雷电定位仪，包括在四个观测 点处布置的四个传感器，其特征在于所述传感器是四个声音传感器或者三个声音传感器 和一个光传感器的组合，四个传感器与一个四通道数据采集卡的四个信号输入端子连接， 四通道数据采集卡采集每个传感器声光到达的时刻，其四个信号输出端子与数据处理系统 中的中央处理单元输入接口连接，中央处理单元内包括有控制器、运算器和寄存器，中央处 理单元与存储器、显示器和输入设备连接，存储器内存入操作系统、数据处理程序、计算公 式和观测数据，计算公式包括求取相应两观测点声光到达时刻的时间差公式、根据声音在 空气中传播的速度计算出雷电到达两地的距离差的公式、求得雷电发生位置的坐标、方位 角和仰角的公式。
全文摘要
一种多个声音传感器雷电定位仪及其定位方法，其定位仪包括在四个观测点处布置的四个传感器、一个四通道数据采集卡和数据处理系统。在雷电发生时，四个空间观测点的四个声音传感器分别记录各观测点雷声到达的时刻，四组时间数据经四通道数据采集卡A/D转换后，被传送到数据处理系统，数据处理系统通过逻辑运算，求取三个空间观测点雷声到达的时间差，根据声音在空气中传播的速度，计算出三个空间观测点的距离差；根据空间三个双曲面相交可以确定一个点的原理，根据方程组确定雷电产生位置的坐标，本发明在保证测量高精度的同时，简化了定位测量方法，降低了硬件要求和设备成本，实现了对雷电的准确自动定位，可在气象探测领域广泛应用。
文档编号G01W1/00GK101799560SQ20091031039
公开日2010年8月11日 申请日期2009年11月25日 优先权日2009年11月25日
发明者陶法 申请人:中国气象局气象探测中心