一种电离层高度的反演方法技术

本公开提供了一种电离层高度的反演方法，观测子站获取闪电放电事件的特征参数并将特征参数实时发送给中心站；中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数解算出闪电源的位置；中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数判断出闪电的类型；中心站根据闪电源的位置和和闪电的类型，反演出电离层高度。

An inversion method for ionospheric height

The present disclosure provides an inversion method for ionospheric height, in which the observation substation obtains the characteristic parameters of lightning discharge events and sends them to the central station in real time; the central station receives the characteristic parameters sent by each observation substation and calculates the position of the lightning source based on the characteristic parameters; and the central station receives the characteristics transmitted by each observation substation. Characteristic parameters are used to determine the type of lightning, and the ionospheric height is retrieved from the center station according to the location of the lightning source and the type of lightning.

【技术实现步骤摘要】
一种电离层高度的反演方法
本公开涉及气象-闪电
，尤其涉及一种电离层高度的反演方法。
技术介绍
地球电离层D层通常是指距离地面50km-90km高度的大气等离子体层。D层电子浓度较低，中性粒子丰富，对电磁波中短波有强烈的吸收作用，反射波段主要集中在100kHz以下。该层不仅受到来自空间太阳活动以及宇宙射线的调制，还受到来自地球近地面的各种自然(比如雷暴放电，自然地震)和人类活动(比如无线电发射)的扰动影响，其物理特性时空变化特征是空间物理学科的重要研究内容之一。由于电离层严重影响无线电通信，因此现代生产、生活活动的正常开展也需要对电离层进行监测与预报。经典的电离层测高仪实质上是一台短波脉冲雷达，通常由发射机、接收机、天线、频率合成器、显示记录器、程序控制器等组成。其工作频率可在整个短波波段的频率范围(0.5～30兆赫)内连续改变。电离层测高仪进行探测时，测高仪从地面垂直向上发射脉冲调制的高频无线电波，并在同一地点接收它的反射信号，测量出频率连续改变的电波来回传播的时间(称为时延)，从而获得反射高度与频率的关系曲线，这种曲线称为频高图或垂测电离图，从而获得电离层电子密度的高度分布。公开内容(一)要解决的技术问题有鉴于此，本公开提供了一种电离层高度的反演方法。该方法基于自然界发生的闪电信息，利用固定安装在地面的VLF/LF闪电探测网络，所探测、识别、定位到的闪电资料，可实现白天电离层D层及夜间电离层E层高度的广域反演。(二)技术方案本公开提供了一种电离层高度的反演方法，包括以下步骤：步骤S1：观测子站获取闪电放电事件的特征参数并将特征参数实时发送给中心站；步骤S2：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数解算出闪电源的位置；步骤S3：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数判断出闪电的类型；步骤S4：中心站根据闪电源的位置和和闪电的类型，反演出所述闪电源对应的电离层高度。在本公开的一些实施例中，在步骤S3中，中心站分析闪电波形的时域特征参数，分别对不同的时域特征参数值取不同的权重，确认闪电的类型。在本公开的一些实施例中，时域特征参数包括部分或全部以下参数：脉冲的上升时间、初始峰宽度、初始峰半宽、脉冲的下降时间、拐点、波形持续时间、峰值频率、前向信噪比、后向信噪比。在本公开的一些实施例中，在步骤S4中，联立下述方程组，计算出所述闪电源对应的电离层高度H：其中，ta为S1与S2路径的时间差，tb为S1与S3路径的时间差，S1为所述闪电源与观测子站之间的直线路径长度，S2为所述闪电源经电离层反射至观测子站的路径长度，S3为所述闪电源向下经地面反射、再经电离层反射至观测子站的路径长度，h为所述闪电源的高度，根据闪电类型确定；r为所述闪电源与另一闪电源的距离。在本公开的一些实施例中，对于地闪，所述闪电源的高度h取1km；对于云闪，所述闪电源的高度h取6km；对于正极性NPE，所述闪电源的高度h取9.9km；对于负极性NPE，所述闪电源的高度h取16km。在本公开的一些实施例中，步骤S1具体包括：各观测子站独立获取并存储各次闪电放电事件的闪电波形，生成闪电放电事件的到达时间和参数；观测子站将所述闪电波形、到达时间和参数作为闪电放电事件的特征参数实时发送给中心站。在本公开的一些实施例中，步骤S2具体包括：子步骤S2a：中心站接收特征参数；子步骤S2b：中心站利用到达时间差方法对到达时间进行处理，解算出闪电源的位置。在本公开的一些实施例中，子步骤S2b具体包括：中心站利用至少四个观测子站发送的第一到达时间，得到闪电源到至少四个观测子站之间的距离，根据几何原理建立方程组并求解，从而求得闪电源的位置。在本公开的一些实施例中，闪电放电事件的第一到达时间为：其中，(x，y)为闪电源的位置；(xsi，ysi)为第i个观测子站的坐标，(xsj，ysj)为第j个闪电观测站的坐标；c为光速，Dis((x，y)，(xsi，ysi))为闪电源(x，y)与第i个观测子站的距离，Dis((x，y)，(xsj，ysj))为闪电源(x，y)与第j个观测子站的距离。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本公开具有以下有益效果：(1)不需要布置发射端，可以采用自然界发生的闪电作为信号源，完成电离层高度的探测；(2)在监测区域内，可以利用历史数据进行多点的高度反演，而不需要对设备进行二次安装或者变更观测地点。(3)快速观测，可以根据观测数据实时生成电离层高度信息。附图说明图1是VLF/LF闪电探测网络的结构示意图。图2是本公开实施例电离层高度的反演方法流程图。图3是负地闪的首次回击波形图。图4是一次NPE事件和负地闪事件的波形图，(a)为NPE的波形图，(b)为负地闪的波形图。图5是反演电离层高度的几何关系图。具体实施方式本公开提供了一种电离层高度的反演方法，利用固定安装在地面的VLF/LF闪电探测网络，以及所探测、识别、定位到的闪电资料，实现了白天电离层D层及夜间电离层E层高度的反演。所述的电离层高度，考虑到观测闪电数量较多，分布广，可以对观测区域上方的电离层高度多点取样，可实现观测区域内电离层D层水平方向上高度变化的观测。下面将结合实施例和实施例中的附图，对本公开实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。本公开实施例的电离层高度的反演方法，是利用如图1所示的VLF/LF闪电探测网络来执行。本实施例中所采用的VLF/LF闪电探测网络为江淮天电阵列。江淮天电阵列在网络拓扑结构上包括：多个观测子站和中心站。观测子站独立获取闪电放电事件的原始VLF/LF波形并存档，同时生成各次放电事件的到达时间、峰值电流等参数，实时发送到中心站。中心站负责调度各观测子站实时发送的闪电放电事件特征，并经由到达时间差算法对放电事件实时定位，并面向授权用户发布实时定位资料。同时中心站定期对各观测子站的原始波形资料存档，提供原始波形时候查询需求。观测子站的磁场与电场天线安装在建筑楼顶或者野外空旷场地，天线顶部安装有一路垂直电场、两路水平正交磁场信号及GPS授时模块，可以实现同步连续输出单观测子站的电场、磁场及时间信息。当磁场与电场天线采集到信号时，该信号与GPS时间共同通过屏蔽电缆传送到安装在观测子站室内的工控机内。工控机内安装有高速数据采集卡、GPS授时卡及信号采集显示软件，其中采集卡的采样频率为5MHz。当观测子站触发后，采集程序将与GPS时间进行匹配，并实时向中心站上传。各观测子站所采集的闪电信号数据格式为(Z，E，T，L，N)，其中Z为站点名称，E为所采集VLF/LF信号强弱，T为系统所对应的GPS时间，L为站点经度，N为站点纬度。例如数据串(HF2037140806012738.8619433.6300011118.25)为合肥站14年8月6日12时7分在合肥站所采集到的一次闪电辐射的数据，辐射相对强度为2037，合肥站经纬度为(E118.25,N33.63)。观测子站包括：天线和接收装置，接收装置包括处理器。观测子站用于独立获取并存储各次闪电放电事件的原始本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电离层高度的反演方法，包括以下步骤：步骤S1：观测子站获取闪电放电事件的特征参数并将特征参数实时发送给中心站；步骤S2：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数解算出闪电源的位置；步骤S3：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数判断出闪电的类型；步骤S4：中心站根据闪电源的位置和和闪电的类型，反演出所述闪电源对应的电离层高度。

【技术特征摘要】
1.一种电离层高度的反演方法，包括以下步骤：步骤S1：观测子站获取闪电放电事件的特征参数并将特征参数实时发送给中心站；步骤S2：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数解算出闪电源的位置；步骤S3：中心站接收各观测子站发送的特征参数，基于特征参数判断出闪电的类型；步骤S4：中心站根据闪电源的位置和和闪电的类型，反演出所述闪电源对应的电离层高度。2.如权利要求1所述的反演方法，在步骤S3中，中心站分析闪电波形的时域特征参数，分别对不同的时域特征参数值取不同的权重，确认闪电的类型。3.如权利要求2所述的反演方法，时域特征参数包括部分或全部以下参数：脉冲的上升时间、初始峰宽度、初始峰半宽、脉冲的下降时间、拐点、波形持续时间、峰值频率、前向信噪比、后向信噪比。4.如权利要求1所述的反演方法，在步骤S4中，联立下述方程组，计算出所述闪电源对应的电离层高度H：其中，ta为S1与S2路径的时间差，tb为S1与S3路径的时间差，S1为所述闪电源与观测子站之间的直线路径长度，S2为所述闪电源经电离层反射至观测子站的路径长度，S3为所述闪电源向下经地面反射、再经电离层反射至观测子站的路径长度，h为所述闪电源的高度，根据闪电类型确定；r为所述闪电源与另一闪电源的距离。5.如权利要求4所述的反演方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：祝宝友，王文伟，马明，刘非凡，秦子龙，陈燕玲，彭长志，沈鹏，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34