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专利名称：一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202410342291.6

专利申请（专利权）人：武汉大学
权利人地址：湖北省武汉市武昌区八一路299号

专利发明（设计）人：倪彬彬,马文琛,顾旭东,徐未,王市委,胡孟尧,王庆山,程雯,冯靖媛,潘宇頔,徐皓天

专利摘要：本发明公开了一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，构建包括至少四个甚低频闪电磁场探测站的甚低频观测网络，以实时采集甚低频电磁波信号；通过甚低频观测网络得到闪电事件特征参数，以及吱声信号特征参数；基于闪电事件特征参数，构建闪电事件匹配查找表；通过时间匹配窗口的筛。焖饔胫ㄉ藕畔喙氐纳恋缡录，进而确定吱声信号源的发生位置；基于吱声信号的特征参数进行反演电离层的参数，以得到吱声信号源传播路径中点处的电离层的有效反射高度#imgabs0#及电离层等效电子密度#imgabs1#；综合甚低频观测网络多站电离层反演结果，扩大探测范围，实现广域低电离层探测。

主权利要求：
1.一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建包括至少四个甚低频闪电磁场探测站的甚低频观测网络；
步骤2、通过所述甚低频观测网络得到闪电事件特征参数和吱声信号特征参数；
步骤3、基于所述闪电事件特征参数，构建闪电事件匹配查找表；
步骤4、以预设时间匹配窗口为索引，在所述闪电事件匹配查找表中检索吱声信号源；
步骤5、基于所述吱声信号特征参数进行低电离层参数反演，得到吱声信号源传播路径中点处的低电离层有效反射高度及低电离层等效电子密度；
步骤6、联合各所述甚低频闪电磁场探测站的低电离层参数反演结果，扩大探测范围，实现广域低电离层探测；
步骤6的实现，包括：
通过自然临点插值得到各探测站所覆盖的区域低电离层反演结果；
按照预设步长将0°360°方位角划分为若干单站方位角区域，统计各单站方位角区域~内的吱声信号数量；
根据各单站方位角区域内的吱声信号统计结果，计算各单站方位角区域内的低电离层反演置信度 ，具体公式为：,
其中，e为自然常数， 为单站方位角区域内吱声数量， 为预设参数；
根据低电离层反演置信度，联合多站区域低电离层探测结果，实现广域低电离层探测，具体公式为：，
，
其中， 、 为广域低电离层探测结果， 、 为各单站方位角区域低电离层探测结果， 为该区域内的低电离层反演置信度。
2.根据权利要求1所述的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，其特征在于，步骤2的实现，包括：监测闪电事件，使用 （信号群到达时间方法）进行联合闪电定位，实时获取所述闪电事件特征参数，包括闪电事件发生时间 ，以及闪电事件发生位置坐标，其中， 为经度坐标， 为纬度坐标；
基于吱声频域特征提取吱声信号，获取所述吱声信号特征参数，包括吱声信号到达时间，吱声信号一阶色散截止频率 ，以及电子回旋频率 。
3.根据权利要求2所述的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，其特征在于，步骤3的实现，包括：计算得到闪电事件发生位置到闪电事件接收位置的大圆路径距离 ；
计算得到闪电事件到达接收位置的闪电事件到达时间 ；
构建闪电事件匹配查找表，其中包括闪电事件到达时间 ，以及闪电事件发生位置坐标 。
4.根据权利要求3所述的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，其特征在于，步骤4的实现，包括：预设时间匹配窗口 为索引；
构建循环判断单元，以检索出所述吱声信号源。
5.根据权利要求4所述的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，其特征在于，构建循环判断单元，以检索出所述吱声信号源，包括：判断与吱声信号相关的闪电事件数量 ；
若 ，结束检索；
若 ，则按步长增大 ，并进行二次检索；
若 ，则按步长减小 ，并进行二次检索；
以得到所述吱声信号源。
6.根据权利要求4所述的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，其特征在于，步骤5的实现，包括：基于所述吱声信号特征参数及吱声信号源特征参数，计算所述吱声信号源发生位置到接收位置的大圆路径中点处位置坐标 ； 其中， 为经度坐标，为纬度坐标；
反演大圆路径中点处的有效反射高度 ，及低电离层等效电子密度 ，具体公式为：, ,
其中， 为光速， 为吱声信号一阶色散截止频率， 为电子回旋频率。 说明书 : 一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法技术领域[0001] 本发明涉及于电离层探测技术领域，具体涉及一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法。背景技术[0002] 电离层D层（低电离层）为距离地面60 100千米高度部分电离的大气，此空间区域~不仅受到太阳活动自上而下的影响，而且受到大气波动自下而上的影响。电离层D层的电子密度对无线电通信、电波传播、航海导航定位和空间环境监测至关重要。[0003] 电离层D层处于卫星和气球探测的盲区，对于卫星仪器来说太低，对于探空气球来说太高，导致电离层D层是空间探测中的一大难题。目前，常见的探测手段有直接探测和间接探测，直接探测是利用探空火箭进行直接测量，但这种方法在时间和空间覆盖上都很有限，而且成本高昂；间接探测通常为VLF(VeryLowFrequency，VLF)遥感探测以及闪电甚低频信号遥感探测。甚低频波频段范围为3 30kHz，能够在由地面和电离层构成的波导内远距~离传播，具有损耗小、相位稳定的特点，适合作为探测信号对电离层D区进行反演。但是，对于VLF遥感探测中的甚低频人工台站发射站的天线尺寸通：艽，需要依托于山谷或大平原开阔地带假设天线阵列，成本高昂，目前全球范围内已有的人工台站发射机大多用于军事方面，公开有限，以使VLF遥感探测应用受限。而在闪电发生时辐射出的甚低频电磁波大部分通过地球?电离层波导传播到全球各地，在接收机的数据处理中，称为“天电”信号，因此可以利用闪电源的信号，先确定闪电发生位置，再测得接收到的闪电信号时延确定反射点的高度，进而获得电离层信息。然而，对于闪电源的确定技术还较为缺乏，精度较低，虚假点较多。[0004] 基于自然源的闪电信号探测技术中，部分“天电”信号在地球?电离层波导截止频率附近发生了频率色散现象，这些在扬声器上听起来像小鸟吱吱叫的甚低频波被称为“吱声”。因此，本发明旨在提供一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，检索到在地球?电离层波导截止频率附近发生了频率色散现象的“天电”信号，以反演电离层有效反射高度及等效电子密度，并通过多站联合实现广域低电离层探测。发明内容[0005] 为了克服上述现有技术所述的技术问题，本发明的目的在于提供一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法。[0006] 第一方面，本发明提供的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，包括以下步骤：[0007] 步骤1、构建包括至少四个甚低频闪电磁场探测站的甚低频观测网络；[0008] 步骤2、通过所述甚低频观测网络得到闪电事件特征参数和吱声信号特征参数；[0009] 步骤3、基于所述闪电事件特征参数，构建闪电事件匹配查找表；[0010] 步骤4、以预设时间匹配窗口为索引，在所述闪电事件匹配查找表中检索吱声信号源；[0011] 步骤5、基于所述吱声信号特征参数进行低电离层参数反演，得到吱声信号源传播路径中点处的低电离层有效反射高度及低电离层等效电子密度；[0012] 步骤6、联合各所述甚低频闪电磁场探测站的低电离层参数反演结果，扩大探测范围，实现广域低电离层探测。[0013] 作为优选的技术方案，步骤2的实现，包括：[0014] 监测闪电事件，使用 （信号群到达时间方法）进行联合闪电定位，实时获取所述闪电事件特征参数，包括闪电事件发生时间 ，以及闪电事件发生位置坐标 ，其中， 为经度坐标， 为纬度坐标；[0015] 基于吱声频域特征提取吱声信号，获取所述吱声信号特征参数，包括吱声信号到达时间，吱声信号一阶色散截止频率 ，以及电子回旋频率 。[0016] 作为优选的技术方案，步骤3的实现，包括：[0017] 计算得到闪电事件发生位置到闪电事件接收位置的大圆路径距离 ；[0018] 计算得到闪电事件到达接收位置的闪电事件到达时间 ；[0019] 构建闪电事件匹配查找表，其中包括闪电事件到达时间 ，以及闪电事件发生位置坐标 。[0020] 作为优选的技术方案，步骤4的实现，包括：[0021] 预设时间匹配窗口 为索引；[0022] 构建循环判断单元，以检索出所述吱声信号源。[0023] 作为优选的技术方案，构建循环判断单元，以检索出所述吱声信号源，包括：[0024] 判断与吱声信号相关的闪电事件数量 ；[0025] 若 ，结束检索；[0026] 若 ，则按步长增大 ，并进行二次检索；[0027] 若 ，则按步长减小 ，并进行二次检索；[0028] 以得到所述吱声信号源。[0029] 作为优选的技术方案，步骤5的实现，包括：[0030] 基于所述吱声信号特征参数及吱声信号源特征参数，计算所述吱声信号源发生位置到接收位置的大圆路径中点处位置坐标 ；其中， 为经度坐标，为纬度坐标；[0031] 反演大圆路径中点处的有效反射高度 ，及低电离层等效电子密度 ，具体公式为：[0032] , ,[0033] 其中， 为光速， 为吱声信号一阶色散截止频率， 为电子回旋频率。[0034] 作为优选的技术方案，步骤6的实现，包括：[0035] 通过自然临点插值得到各探测站所覆盖的区域低电离层反演结果；[0036] 按照预设步长将0°360°方位角划分为若干单站方位角区域，统计各单站方位角~区域内的吱声信号数量；[0037] 根据各单站方位角区域内的吱声信号统计结果，计算各单站方位角区域内的低电离层反演置信度 ，具体公式为：[0038] ,[0039] 其中，e为自然常数， 为单站方位角区域内吱声数量， 为预设参数；[0040] 根据低电离层反演置信度，联合多站区域低电离层探测结果，实现广域低电离层探测，具体公式为：[0041] ，[0042] ，[0043] 其中， 、 为广域低电离层探测结果， 、 为各单站方位角区域低电离层探测结果， 为该区域内的低电离层反演置信度。[0044] 第二方面，本发明基于上述一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法还提供一种探测系统，包括：[0045] 感知模块，用于获取闪电事件特征参数和吱声信号特征参数；[0046] 数据处理模块，用于构建闪电事件匹配查找表，以检索出所述吱声信号源；[0047] 计算分析模块，用于低电离层参数反演，联合各甚低频闪电磁场探测站的低电离层参数反演结果，扩大探测范围，实现广域低电离层探测。[0048] 综上所述，本发明具有如下技术效果：[0049] 本发明的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，构建包括至少四个甚低频闪电磁场探测站的甚低频观测网络；通过所述甚低频观测网络得到闪电事件特征参数和吱声信号特征参数；基于所述闪电事件特征参数，构建闪电事件匹配查找表；以预设时间匹配窗口为索引，在所述闪电事件匹配查找表中检索与吱声信号相关的闪电事件，以确定吱声信号源；基于所述吱声信号特征参数进行低电离层参数反演，以得到吱声信号源传播路径中点处的低电离层有效反射高度及低电离层等效电子密度；联合各所述甚低频闪电磁场探测站的低电离层参数反演结果，扩大探测范围，实现广域低电离层探测。本发明利用闪电信号产生的甚低频电磁波在地球?电离层波导截止频率附近发生了频率色散现象，基于甚低频电磁波在扬声器上产生吱声的现象，以筛选吱声信号源，有效提升了对于吱声信号源的确定技术的精度，减少虚假点。本发明无需依赖已有人工甚低频发射设施，探测灵活，实用性强，所获得广域低电离层参数在电离层空间环境研究中具有重要应用价值。附图说明[0050] 为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。[0051] 图1为本发明实施例提供的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法的流程示意图之一；[0052] 图2为本发明实施例提供的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法的流程示意图之二；[0053] 图3为本发明实施例提供的甚低频观测网络示意图；[0054] 图4为本发明实施例提供的闪电信号与吱声信号数据图；[0055] 图5为通过本发明方法探测得到的低电离层有效反射高度图；[0056] 图6为通过本发明方法探测得到的低电离层等效电子密度数据图。具体实施方式[0057] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。[0058] 在介绍本发明的技术方案之前，有必要阐述下本发明的发明创造的创立背景。已为普遍存在的是，闪电发生时辐射出的甚低频电磁波大部分通过地球?电离层波导传播到全球各地，在接收机的数据处理中，称为“天电”信号，因此可以利用闪电源的信号，先确定闪电发生位置，再测得接收到的闪电信号时延确定反射点的高度，进而获得电离层信息。然而，对于闪电源的确定技术还较为缺乏，精度较低，虚假点较多。因此，本发明旨在提供一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法，以准确检索到吱声信号的闪电信号源，以准确进行低电离层反演。[0059] 基于上述难题，本发明示例性实施例，首先提供一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法。[0060] 图1为本发明的一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测方法的流程示意图，如图1所示，该方法包括以下步骤：[0061] 步骤1、构建包括至少四个甚低频闪电磁场探测站的甚低频观测网格。应当理解的是，对于步骤1中的甚低频闪电磁场探测站，其设有频闪电磁场探测设备，该设备能够将读取每个探测站触发时GPS记录下的时间，即闪电事件发生时间 ，同时该设备能够读取探测站的所在位置的坐标，即接收位置坐标 。另外，如图2所示，其为本实施例的甚低频观测网格的各探测站分布位置示意图，本发明对探测站的具体数量不做限定，只需满足不少于四个探测站即可。[0062] 步骤2、通过所述甚低频观测网格得到闪电事件特征参数和吱声信号特征参数。[0063] 需要说明的是，步骤2的实现包括以下步骤：[0064] 步骤2.1、监测闪电事件，使用 （信号群到达时间方法）方法进行联合闪电定位，实时获取所述闪电事件特征参数，包括闪电事件发生时间 ，以及闪电事件发生位置坐标 ，其中， 为经度坐标， 为纬度坐标；[0065] 其中， （信号群到达时间方法）方法的引入是为了修正得到更精确的信号到达时间，将多站的 结果用于计算闪电定位的时间差。[0066] 步骤2.2、基于吱声频域特征提取吱声信号，获取所述吱声信号特征参数，包括吱声信号到达时间 ，吱声信号一阶色散截止频率 ，以及电子回旋频率 。[0067] 步骤3、基于闪电事件特征参数，构建闪电事件匹配查找表。应当理解的是，该闪电事件匹配查找表应当记录有闪电事件到达接收位置的时间 ，以及 为闪电事件发生位置坐标。[0068] 需要说明的是，步骤3的实现包括以下步骤：[0069] 步骤3.1、计算得到闪电事件发生位置到闪电事件接收位置的大圆路径距离 ；[0070] 具体公式为：[0071] ，[0072] 其中， 为地球半径， 为闪电事件发生位置坐标， 为接收位置坐标， 、 为经度坐标， 、 为维度坐标；[0073] 步骤3.2、计算得到闪电事件到达接收位置的闪电事件到达时间 ；[0074] 具体公式为：[0075] ，[0076] 其中， 为闪电事件发生时间， 为大圆路径距离， 为光速；[0077] 步骤3.3、构建闪电事件匹配查找表，其中包括闪电事件到达时间 ，以及闪电事件发生位置坐标 。[0078] 步骤4、以预设时间匹配窗口为索引，在所述闪电事件匹配查找表中检索与吱声信号相关的闪电事件，以确定吱声信号源。[0079] 需要说明的是，步骤4的实现包括以下步骤：[0080] 步骤4.1、预设时间匹配窗口 为索引，具体公式为：[0081] ，[0082] 其中， 为时间匹配窗口， 为吱声信号到达时间， 为闪电事件到达时间；[0083] 步骤4.2、构建循环判断单元，以检索出所述吱声信号源。[0084] 应当理解的是，该循环判断单元，请参阅图2，具体为如下：[0085] 判断与吱声信号相关的闪电事件数量 ；[0086] 若 ，结束检索；[0087] 若 ，则按步长增大 ，回到步骤4.1并进行二次检索；[0088] 若 ，则按步长减小 ，回到步骤4.1并进行二次检索；[0089] 如图3所示，其为闪电信号与吱声信号数据图，以精准检索到吱声信号源。[0090] 步骤5、基于所述吱声信号特征参数进行低电离层参数反演，以得到吱声信号源传播路径中点处的低电离层有效反射高度及低电离层等效电子密度。[0091] 需要说明的是，步骤5的实现包括以下步骤：[0092] 步骤5.1、基于所述吱声信号特征参数及吱声信号源特征参数，计算所述吱声信号源发生位置到接收位置的大圆路径中点处位置坐标 ；具体公式为：[0093] ， ，[0094] 其中， 、 、 为中间过程参数， 为吱声信号源发生位置坐标，为接收位置坐标， 、 、 为经度坐标， 、 、 为纬度坐标；[0095] 步骤5.2、反演计算大圆路径中点处吱声的有效反射高度 ，及低电离层等效电子密度 ，具体公式为：[0096] , ,[0097] 其中， 为光速， 为吱声信号一阶色散截止频率， 为电子回旋频率。[0098] 步骤6、联合各所述甚低频闪电磁场探测站的低电离层参数反演结果，扩大探测范围，实现广域低电离层探测。[0099] 需要说明的是，步骤6的实现包括以下步骤：[0100] 步骤6.1、通过自然临点插值得到各探测站所覆盖区域低电离层反演结果；[0101] 步骤6.2、按照预设步长将0°360°方位角划分为若干单站方位角区域，统计各单~站方位角区域内的吱声信号数量；[0102] 步骤6.3、根据各单站方位角区域内的吱声信号统计结果，计算各单站方位角区域内的低电离层反演置信度 ，[0103] 具体公式为：[0104] ,[0105] 其中， 为单站方位角区域内的吱声数量， 为预设参数；[0106] 步骤6.4、根据低电离层反演置信度，联合多站区域低电离层探测结果，实现广域低电离层探测。[0107] 具体公式为：[0108] ，[0109] ，[0110] 其中， 、 为广域低电离层探测结果， 、 为各单站方位角区域低电离层探测结果， 为该区域内的低电离层反演置信度。[0111] 本发明示例性实施例，还提供一种基于闪电吱声信号的广域低电离层探测系统，包括：[0112] 感知模块，用于获取闪电事件特征参数和吱声信号特征参数；[0113] 数据处理模块，用于构建闪电事件匹配查找表，以检索出所述吱声信号源；[0114] 计算分析模块，用于低电离层参数反演，联合各甚低频闪电磁场探测站的低电离层参数反演结果，扩大探测范围，实现广域低电离层探测。[0115] 实际应用中，请参阅图5和图6，图5是利用位于随州（31.72°N,113.37°E）的探测站通过本发明方法探测得到的低电离层有效反射高度图，图6是用位于随州（31.72°N,113.37°E）的探测站通过本发明方法探测得到的等效电子密度数据图。具体的，采样频率为250kHz，检索与其中吱声信号匹配的闪电事件，对低电离层进行探测。首先，基于闪电信号特征参数，构建闪电匹配查找表；然后，检索该查找表，寻找与吱声信号匹配的闪电事件。本次应用中，时间匹配窗口 ；根据吱声信号源判断单元，根据时间匹配窗口 ，以精准检索到与吱声信号匹配的闪电事件，本次应用中，时间匹配窗口 调整步长为 ，以检索到吱声信号源；根据吱声信号源特征参数，反演计算大圆路径中点处吱声的有效反射高度 ，及低电离层等效电子密度 ；最后通过联合多站电离层区域探测结果，扩大探测范围，实现广域低电离层探测。[0116] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

专利地区：湖北

专利申请日期：2024-03-25

专利公开日期：2024-11-29

专利公告号：CN118191952B