1、短基线雷电定位系统的相关分析摘要:本文介绍了一种以雷电的电信号，声信号配合的短基线定位系统。本雷电定位系统根据 PC 机上的数据采集卡（PCI1710HGL）得到的数据，从中提取时间数据，利用 matlab 软件完成定位程序，实现雷电的定位以及相关数据信息的作图与存档。 关键字:雷电 matlab 算法;短基线;定位系统 Abstract: This paper introduces a signal lightning, short baseline positioning system with acoustic signal. The lightning location system
2、based on the PC data acquisition card (PCI1710HGL) on the obtained data, extracting time data from completed localization procedures, using MATLAB software, mapping and archive realize lightning location and related information. Key words: lightning matlab short baseline positioning system; algorith
3、m; 中图分类号：P412.1 1 雷电定位系统的应用 1.1 在气象业务上的应用 1.1.1 强对流天气的监测与预报 1.1.2 超短时天气系统监测与预报 1.1.3 人工影响天气（增雨、防冰雹） 1.1.4 替代现有的雷电日、小时数的眼观、手工记录 1.2 雷电防护方面的应用 1.2.1 防雷工程规划、设计与检测：雷电监测定位系统能统计任意位置的雷电活动参数（雷暴日、雷电密度、雷电强度及波形特征）这些参数能广泛应用于防雷工程的规划、设计与检测。 1.2.2 在工程选址时，可以根据雷电统计规律，将工程位置选在雷电发生频率比较小/强度比较低的区域。 1.2.3 对于已经建成的工程可以通过查对已
4、发生的闪电防护情况，对防雷工程进行检测、评估。 2 短基线雷电定位系统 2.1 测量系统的基本构置和原理 整个测量系统由 4 只麦克风，一只探针和微机三部分组成。闪电声音信号经由麦克风进入数据采集卡 PCI-1710HGL ,进行 A/ D 变换和各种判据后输出闪电信号的数据,该数据进入本站的数据处理设备（微机） 。无源时差定位系统存在的问题是对目标定位时易产生定位模糊。在三维空间，辐射源信号到达两测量站的时间差规定了一对以两站为焦点的双曲面，如果时差定位系统由 4 个观测站构成，则可得到 3 对双曲面，而这 3 对双曲面相交则可能得到 2 个交点，即产生了定位模糊。因此，本系统利用其中一只麦
5、克风与探针配合，由于电磁波和雷声在大气传播速度的差别，一个以近光速（3x108 米/秒）传播，一个以（340 米/秒）传播，所以两者分别到达探针与麦克风存在时间差。如果忽略电磁波信号在大气中的传播时间（如传播 1x105 米距离，光速只需要 0.3x10-3 秒），则可以将其做为雷生信号的产生时刻，那么就可以得到一个球面，半径就是闪电到麦克风的距离。最后利用前面四只麦克风的信号所得的解与求出的距离配合，就可以确定唯一的解（即闪电位置）并将其绘图在微机中保存图象和数据。如图 1 所示：S0,S1,S2,S3 为麦克风，N 为探针。其中 S1,S2,S3 与 S0 相隔 10 米，N 与 S0 位
6、于同一点。图 2 为处理流程图。图 1 系统构置图 图 2 流程图 2.2 软件设计详细过程。 2.2.1 Matlab 符号工具箱介绍。Matlab 符号计算以 Maple 内核为引擎，由基本符号工具箱和扩展符号工具箱两个组件实现。其中，基本符号工具箱提供有 100 多个以 Matlab 语法调用的 Maple 内核函数，并允许直接调用 Maple 的线性代数工具包；扩展符号工具箱则进一步允许调用 Maple 所有的非图形工具包及自定义过程。 符号数学式的基本表示方法符号数学是对符号进行的, 因此Symbolic 工具箱必须要能分析符号的含义, 因此首先要对符号变量作出定义, 格式如表 1
7、所示: 表 1 定义符号变量的方法 Symbolic 工具箱的主要功能：用符号定义各种数学运算和函数(syms,symop)等； 解方程,包括代数方程和微分方程(solve,dsolve)等。2.2.2 Matlab 绘图结果 Matlab 提供了强大的绘图功能。本次程序，重点使用了 plot3 绘图函数，所以下面将介绍 plot3 的有关使用。为了能够在 plot3 函数中控制曲线的样式，Matlab 预先设置了不同的曲线样式属性值，分别控制曲线的色彩，线形和标识符。plot3 使用格式： plot3(xdata,ydata,zdata,clm,) 其中 clm 为标识符。 Matlab 将
8、通过采集卡得到的数据，通过计算得到闪电位置数据，为了便于观察，已经将其经过处理后生成实时图形。如图 3 所示： 图 3 闪电位置示意图 2.2.3 数据与图形的存储 该部分不但可以将 Matlab 求解的数据保存到指定文件中，而且还可以在以前采集基础上保存好新的数据,利用 Matlab 中 fopen()和 saveas()函数完成。之后,用户可以预览数据的图形,并根据需要读取数据。 这里的数据保存不仅包括了在原有数据之后保存新的数据的功能,同时还能保存数据相应的图形,为了方便观察将图片设置为 jpg 的格式。这样就可以在查看数据的同时还可以知道闪电的大致走向情况。同时，还保存了闪电的时间数据
9、。三者结合就可以较完整的记录有关闪电的位置信息了。记录数据的文件名称可由用户根据要求改动，自动生成文件如图 4。 图 4 自动记录数据与图形文件 值得注意的是所保存的图片只是本次一系列的结果显示，在关闭Matlab 图形显示窗口后，保存的图片将被刷新，用以保存下次计算的图形。因此，应该在计算结束后将其另保存备份。而用记事本保存的数据，则是在原有数据后添加数据保存，所以不需要另保存。不过为了数据安全还是建议备份。 参考文献 1 张瑞丰等编著 .精通 MATLAB 6.5 ，2004 2 肖伟 .MATLAB 程序设计与应用.清华大学出版社 ，2005 3 陈永春.MATLAB M 语言高级编程 ，2004 4 R.H. Golde 等著 .雷电 ，1982.5 5 李养成, 郭瑞芝.空间解析几何 ，2004 6 罗树如.可消除定位模糊的无源时差定位算法.北京航空航天大学学报，2005 年 1 月 第 31 卷 第 1 期 No.1 2005 7 郭杰荣.Matlab 符号对象在求解多维非线性方程组中的应用研究.计算机应用与软件，2005 年 5 月 第 22 卷第 5 期 8 高胜东.雷电与现代防雷技术基础.2005.1 9 陈渭民.雷电学原理 ，2003.11
