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CN113639970B - 一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法 - Google Patents

一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法 Download PDF

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Abstract

本申请的一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法，涉及卫星闪电成像仪探测能力评估技术领域。本申请包括获取闪电的多站三维闪电探测网数据；计算闪电的每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间；根据每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间计算闪电的闪击stroke数量；利用风云四号卫星闪电成像仪采集闪电的卫星group数量；根据闪击strock数量与卫星group数量进行比对结果，确定卫星闪电成像仪的探测能力。本申请方法通过分析每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间计算闪电的闪击stroke数量，克服了闪击stroke数量与卫星闪电成像仪探测的group数量存在的空间、时间上的不一致的问题，更加科学的对卫星闪电成像仪探测地面定标能力进行评估。

Description

一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法
技术领域
本申请涉及卫星闪电探测能力评估技术领域，尤其涉及一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法。
背景技术
我国于2016年12月11日发射的新一代静止气象卫星风云四号FY4卫星，其搭载的卫星闪电成像仪(LMI)首次实现了对亚洲大洋洲区域的静止轨道闪电持续监测。卫星闪电成像仪采用电荷耦合器件探测阵列CCD和光学成像技术，通过光谱滤波、空间滤波、时间滤波、帧背景去除结合的途径实现对监测区域内包括云闪、云间闪、云-地闪在内总闪的凝视观测。
卫星闪电成像仪进行闪电光学探测时，由于恶劣的外太空环境和探测仪器内部本身等原因，使得卫星闪电成像仪探测到大量虚假信号，虚假信号也严重影响了卫星闪电成像仪的探测结果。因此，有必要对卫星闪电成像仪探测结果的正确性进行评估。
现有技术多采用将三维闪电定位系统探测的闪击stroke数量与卫星闪电成像仪探测的group数量直接进行对比的评估方法，该方法并未考虑到二者在时间上和空间上的不一致性，因此，这种直接将闪击stroke数量与组group数量进行比对的方法是无法正确评估风云四号卫星闪电成像仪探测地面定标能力。
发明内容
针对现有技术并未考虑三维闪电定位系统探测的闪击stroke数量与卫星闪电成像仪探测的group数量存在的空间、时间上的不一致性，本申请提供了一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法，能够克服现有技术的上述不足。
为实现上述技术目的，本申请采用的技术方案如下：
一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法，包括以下步骤：
获取闪电的多站三维闪电探测网数据；
计算所述闪电的每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间；
根据所述每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间计算所述闪电的闪击stroke数量；
利用风云四号卫星闪电成像仪采集所述闪电的卫星group数量；
对所述闪击strock数量与所述卫星group数量进行比对，评估所述卫星闪电成像仪的探测地面定标能力。
进一步地，将空间位置在预设区域内的、且发生时间的时间间隔在预设时间内的两个及以上的所述辐射脉冲等效为一个闪击stroke。
进一步地，所述预设区域的空间分辨率为9.2km；所述预设时间为2ms。
采用本申请的技术方案的有益效果如下：
本申请提供的评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法，包括获取闪电的多站三维闪电探测网数据；计算闪电的每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间；根据每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间计算闪电的闪击stroke数量；利用风云四号卫星闪电成像仪采集闪电的卫星group数量；根据闪击strock数量与卫星group数量进行比对结果，确定卫星闪电成像仪的探测能力。本申请方法通过分析每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间计算闪电的闪击stroke数量，克服了闪击stroke数量与卫星闪电成像仪探测的group数量存在的空间、时间上的不一致的问题，更加准确地对卫星闪电成像仪探测地面定标能力进行评估。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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。
图1为本申请实施例所提供的一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法的示意图；
图2为本申请实施例所提供的风云四号卫星闪电成像仪的CCD相机探测的event与group之间的关系。
具体实施方式
下面将详细地对实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下实施例中描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。仅是与权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的系统和方法的示例。
参见图1，为一风云四号卫星闪电成像仪的探测评估方法的示意图；参见图2，为风云四号卫星闪电成像仪的CCD相机探测的event与group之间的关系。
本申请提供的一种风云四号卫星闪电成像仪的探测评估方法，包括以下步骤：
步骤一：获取闪电的多站三维闪电探测网数据。多站三维闪电探测网数据是利用多站三维定位系统采集得到的。
步骤二：根据多站三维闪电探测网数据，利用TOA时差定位算法，计算闪电的每个辐射源脉冲的空间位置(x,y,z)和发生时间t，具体包括：
基于波形互相关技术，得到了闪电的辐射源脉冲到达不同观测子站的时间差，若大于5个观测子站同步接收到磁信号，则可采用到达时间差方法对辐射源脉冲在三维空间进行定位。从所述多站三维闪电探测网数据中采集所述辐射源脉冲的辐射源信号到达观测子站i的时间ti与观测子站间的距离；所述辐射源脉冲的辐射源信号到达观测子站i的时间ti与观测子站间的距离用式(1)表示：
其中i＝1,2,…,N,所述N为观测子站的数量；t为所述辐射源脉冲在空间位置(x,y,z)处时的时间；(xi,yi,zi)为第i个观测子站的空间位置信息；c为光速。
利用从5个及以上观测子站获取的ti代入式(1)可以得到5个及以上如式(1)的方程，得到4个及以上的达到时间差，组成非线性方程组。求解得到的闪电脉冲辐射源发生位置和时间(x,y,z,t)应当满足各观测子站间的到达时间差测量值和方程ti＝f(xi,yi,zi,x,y,z,t)给出的达到时间差/>之间差异最小，其中j＝1,2,…,N-1。
采用Levenberg-Marquardt非线性最小二乘拟合算法对式(2)进行拟合，计算拟合优度χ2：
其中，N-4为自由度，表示冗余观测子站数；σ为各观测子站的时间测量精度，GPS时钟授时精度、闪电信号传播路径上的地形地貌、观测子站所在场地的电磁噪声等因素将影响σ的大小，通常取150ns；为所述辐射源脉冲的辐射源信号到达各观测子站间的到达时间差；/>为方程ti＝f(xi,yi,zi,x,y,z,t)给出的达到时间差；j＝1,2,…,N-1。根据相关研究可知，χ2值越大，环境噪声的干扰越严重，观测子站接收到的辐射源脉冲的功率越小，观测子站的时间测量误差增大，相应地辐射源脉冲的定位误差增大。当χ2值大于5时，实际辐射源脉冲发热定位数据较理论求解方程得到的χ2分布偏差较大，合理的χ2值应当小于5。
所以本申请在所述拟合优度χ2取极小值，计算得到所述辐射源脉冲的空间位置和时间信息(x,y,z,t)。
步骤三：计算所述闪电的闪击stroke数量。
分析所述每个辐射源脉冲的空间位置(x,y,z)和发生时间t，将空间位置在预设区域内的、且发生时间的时间间隔在预设时间内的两个及以上的所述辐射脉冲等效为一个闪击stroke。进而将闪电产生的若干个、磁感应强度不同的脉冲等效为多个闪击stroke数量。
预设区域的空间分辨率为9.2km。风云四号卫星闪电成像仪的CCD相机每一帧的曝光时间为2ms，所以本申请实施例将预设时间设置为2ms。
步骤四：利用风云四号卫星闪电成像仪采集所述闪电的卫星group数量。
风云四号卫星闪电成像仪的CCD相机每一帧的曝光时间为2ms。参见图2，为风云四号卫星闪电成像仪的CCD相机探测的event(事件)与group(组)之间的关系。在2ms以内，很多像素点CCD发亮了，将每个发亮的CCD称之为event，再将相邻的event等效为一个group，如此获得闪电的卫星group数量。
步骤五：根据所述闪击strock数量与所述卫星group数量进行比对结果，确定所述卫星闪电成像仪的探测能力。
本申请的一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法，获取闪电的多站三维闪电探测网数据；计算闪电的每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间；根据每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间计算闪电的闪击stroke数量；利用风云四号卫星闪电成像仪采集闪电的卫星group数量；根据闪击strock数量与卫星group数量进行比对结果，确定卫星闪电成像仪的探测能力。本申请方法通过分析每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间计算闪电的闪击stroke数量，克服了闪击stroke数量与卫星闪电成像仪探测的group数量存在的空间、时间上的不一致的问题，更加科学的对卫星闪电成像仪探测地面定标能力进行评估。
本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (2)

1.一种评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取闪电的多站三维闪电探测网数据；
计算所述闪电的每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间，所述计算方法如下：
根据大于5个观测子站同步获取的磁信号，从所述多站三维闪电探测网数据中采集所述辐射源脉冲的辐射源信号到达所述观测子站i的时间ti与所述观测子站间的距离，方程为：
其中，i＝1,2,…,N,所述N为观测子站的数量；t为所述辐射源脉冲在空间位置(x,y,z)处时的时间；(xi,yi,zi)为第i个所述观测子站的空间位置信息；c为光速；
根据所述大于5个观测子站空间位置信息，建立基于方程(1)的非线性方程组并求解；
计算拟合度χ2，方程为：
其中，N-4为自由度，表示冗余所述观测子站数；σ为各所述观测子站的时间测量精度；为所述辐射源脉冲的辐射源信号到达各所述观测子站间的到达时间差，/>为方程(1)给出的从所述多站三维闪电探测网数据中采集所述辐射源脉冲的辐射源信号到达观测子站i的达到时间差；j＝1,2,…,N-1；
获取计算得到的χ2极小值时，对应的每个所述辐射源脉冲的空间位置(x,y,z)和发生时间t；
根据所述每个辐射源脉冲的空间位置和发生时间计算所述闪电的闪击stroke数量；
利用风云四号卫星闪电成像仪采集所述闪电的卫星group数量；
对所述闪击strock数量与所述卫星group数量进行比对，评估所述卫星闪电成像仪的探测地面定标能力；
将空间位置在预设区域内的、且发生时间的时间间隔在预设时间内的两个及以上的所述辐射源脉冲等效为一个闪击stroke。
2.根据权利要求1所述的评估卫星闪电成像仪探测地面定标能力的方法，其特征在于，所述预设区域的空间分辨率为9.2km；所述预设时间为2ms。
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