雷电的声光采样与模拟方法技术

本发明专利技术属于自然现象模拟领域，具体是一种雷电的声光采样与模拟方法。本发明专利技术的技术方案为：(1)设计雷电的可移动声光采样装置，利用麦克风阵列、鱼眼相机、GPS、车速测量设备和避雷针组成采样装置，在测量闪电的全景形态的同时，可获取闪电发生时的雷声，并可放置车辆上进行移动采样；(2)车载采样装置在雷电发生区域进行定点和移动采集，获取采集雷电发生时的声光数据；(3)对获取数据进行时空一致性处理，进行雷声、闪电、车速、GPS获取数据的一致性标定；(4)利用步骤(3)中标定好的数据，提取雷声和闪电形态的映射，生成雷电的声光映射数据库；(5)利用步骤(4)中映射数据库可控的生成声光数据驱动带有雷电声光信息的闪电模型。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于自然现象模拟

技术介绍
雷电是一种常见的自然现象，发生时会产生强大的声、光、电信号，是伴有闪电和雷鸣的一种雄伟壮观又令人生畏的放电现象。对雷电的模拟研究在气象、防灾、影视等领域有着实际的应用价值。直到目前，人们尚无法控制雷电的发生，因此研究雷电发生的特点和规律，记录、统计和模拟雷电的声光变化，对实现基于物理的高真实感雷电的模拟，并为制定正确的防雷策略、设计可靠有效的防雷工程服务十分重要。现代雷电探测技术始于二十世纪七十年代，由美国科学家Matin A. Uman和 Ε. Philip Krider教授提出并实现的，随后各种针对雷电探测的研究在美国、中国、法国、 德国迅速发展。中国专利文献200620016492. 4雷电监测记录网系统提出一种雷电监测记录系统，能够实际并真实记录雷击发生时雷电流实际发生时的具体情况，找出雷电流释放的规律并以此为基础进行防雷工程的设计和防雷设备的选择，该文献只考虑了对放电信号的数据获取，没有考虑雷声、三维形态等数据的采集。中国专利文献200910061599. 9数字式雷电探测方法及其装置，在接收雷电放电时产生的电磁信号进行采集，构建数字化地闪雷电信号识别模型，用数字化地闪雷电信号识别模型对输入的数字信号进行参数计算及判定，该文献只针对雷电的电磁信号进行识别，而没有考虑雷电发生时的声光信息。中国专利文献200910301972. 3光声雷电探测方法及其探测器，利用向上的摄像机和声音采集器对定点的雷电图像和声音信息进行采集，而没有考虑对大范围区域的雷电信息进行采集。中国专利文献200920084968. 1数字式雷电探测装置，由天线，信号调理器，模数转换器，地闪雷电信号识别模型模块，系统控制管理器，辅助控制管理器，通信接口，外部存储器及时钟组成。通过DSP、CPLD和FPGA组合运用实现地闪雷电信号识别模型的完全可编程性，并具有可再配置能力。该文献只针对雷电的信号进行识别，没有考虑对雷电多维物理数据的采集和一致性处理。现有的雷电探测方法大多集中在对闪电发生时的电磁变化的获取，大多数方法探测方法是为了气象观测与统计，而不是用于对雷电的模拟。通过对真实雷电的声光采样，获取大量的多维雷电数据库，可生成高真实感的雷电形态及其声音的模拟，在未来的虚拟现实、影视特效、灾难控制中有着巨大的应用空间。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决雷电的高真实感模拟问题，在进行雷电三维形态模拟的同时实现对应雷声的模拟，实现可控的生成数据驱动的带有声光信息的雷电三维模型。为完成本专利技术的目的，本专利技术采用的技术方案是(1)设计一种雷电的可移动声光采样装置，利用麦克风阵列、鱼眼相机、GPS、车速测量设备和避雷针组成采样装置，在测量闪电的全景图像的同时，可获取闪电发生时的雷声，并可放置车辆上进行移动采样；(2)车载采样装置在雷电发生区域进行定点和移动采集，获取采集雷电发生时的声光数据；(3)对获取数据进行去噪及一致性处理，实现雷声、闪电、车速、GPS获取数据的时空一致性标定；(4)利用步骤(3)中标定好的数据，提取雷声和闪电形态的映射，生成雷电的声光映射数据库；(5)利用步骤中映射数据库可控的生成数据驱动带有雷电声光信息的闪电模型。所述的步骤(1)中雷电的可移动声光采样装置进一步分为以下部分(1. 1)麦克风阵列利用麦克风阵列确定雷声方向并获取雷的声音特性；(1. 2)鱼眼相机利用向上安置的鱼眼相机采集广角范围的闪电形态；(1. 3) GPS 利用GPS对移动采样中的采样位置进行精确定位；(1. 4)车速测量设备对车辆行驶速度进行准确提取；(1. 5)避雷针实现对雷电发生区域进行移动采样时的安全防护。所述的步骤(3)中采样数据的去噪及一致性处理具体分为(3. 1)对鱼眼相机的标定、曝光控制及去除噪声处理方法；(3. 2)对麦克风阵列进行去噪处理方法；(3. 3)定点采集时单个雷电发生时形态采样数据与声音采样数据的时间一致性标定方法；(3.4)定点采集时多个雷电同时发生时，对各个雷电的发生位置和其对应形态的一致性标定方法；(3. 5)移动采样时获取数据的一致性连续拼接方法；(3. 6)移动采样时车辆移动速度与采样数据的一致性标定方法。所述的步骤(5)中数据驱动的闪电模拟包括(5. 1)生成声音数据驱动的闪电三维模型方法；(5. 2)生成闪电形态参数驱动的雷声模拟方法；(5. 3)可控的生成声光数据驱动的带有雷电声光信息的高真实感雷电模型。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是(1)实现可以同时采集雷电的图像和声音属性；(2)定点采集与移动采集结合实现大范围雷电数据的采集；(3)并利用麦克风阵列确定雷电发生的位置，利用鱼眼相机捕获天空的全景图像， 实现同一时刻多个雷电同时发生时的采集；(4)利用采样数据进行统计分析，生成雷电的声光映射数据库；(5)实现数据驱动的带有声音信息的雷电真实感模拟。附图说明图1为本专利技术的雷电可移动声光采样设备图；图2为本专利技术的雷电声光采样及模拟方法过程示意图。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术作进一步的描述。对雷电进行数据采集和模拟是建立在一个前提之上(1)雷电发生区域已知，即对雷电高发区域的监测得知该区域雷电频发或者通过气象数据得知该区域即将发生雷电现象；(2)GPS定位系统覆盖采样区域。在以上两个前提条件下，对雷电的声光进行采样与模拟，实施流程如图( 所示， 具体步骤如下步骤(1)设计一种雷电的可移动声光采样装置，如图(1)所示。利用麦克风阵列、 鱼眼相机、GPS、车速测量设备和避雷针组成采样装置，在测量闪电的全景图像的同时，可获取闪电发生时的雷声，并可放置车辆上进行移动采样。其中各设备的作用如下(1. 1)麦克风阵列利用麦克风阵列确定雷声方向并获取雷的声音特性，声音探测器获取雷的声音，并通过对声音分析确定雷电发生时的位置。采用麦克风阵列来进行雷电声音的采样，在获取雷声强度的同时，利用基于麦克风阵列的声源定位算法判断雷电发生的起始位置。闪电雷声信号集中在频率低于100HZ的可闻区和次声区，其声强的峰值位于40HZ附近，可探测距离在25Km以内；(1. 2)鱼眼相机利用向上安置的鱼眼相机采集广角范围的闪电形态；(1. GPS:利用GPS对移动采样中的采样位置进行精确定位。利用卫星和GPS定位器对固定采集节点和移动采集结果进行定位，尤其是对移动采样节点的定位，可以精确获得每次采样时的位置，通过GPS的定位实现在传感网络中的任意位置进行采样，并可通过GPS的信息对不同采样点的采样结果进行一致性标定处理；(1. 4)车速测量设备对车辆行驶速度进行准确提取；(1. 5)避雷针实现对雷电发生区域进行移动采样时的安全防护。利用麦克风阵列确定多个雷电的发生位置，利用向上安置的鱼眼相机采集广角范围的多个闪电形态；GPS实现采样位置的定位，三种设备的标定实现多个雷电同时发生时的数据获取。步骤( 在雷电发生区域进行定点和移动采集，获取采集雷电发生时的声光数据。通过对定点位置进行雷电声光信息采集可获取该区域发生的雷电数据，车载移动采样可以获取大范围雷电发生区域的采样数据。步骤C3)对获取数据进行去噪及一致性处理，进行雷声、闪电、车速、GPS的获取数据的标定。具体包本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种雷电的声光采样与模拟方法，其特征在于包括步骤：（１）利用麦克风阵列、鱼眼相机、ＧＰＳ、车速测量设备和避雷针组成雷电的可移动声光采样装置，在测量闪电的全景图像的同时，获取闪电发生时的雷声，所述雷电的可移动声光采样装置放置在车辆上进行移动采样；（２）在雷电发生区域进行定点和移动采集，获取雷电发生时的声光数据；（３）对获取的数据进行去噪及一致性处理，进行雷声、闪电、车速、ＧＰＳ的获取数据的标定；（４）利用步骤（３）中标定好的数据，提取雷声和闪电形态的映射，生成雷电的声光映射数据库；（５）利用步骤（４）中映射数据库生成由声光数据驱动的带有雷电声光信息的闪电模型。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：吴威，伍朝辉，周忠，赵沁平，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11