本發(fā)明涉及雷電監(jiān)測，特別是一種基于光纖傳感器的雷電觀測方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著氣象科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，雷電觀測技術(shù)已成為預(yù)警和防災(zāi)減災(zāi)的重要組成部分，傳統(tǒng)的雷電觀測技術(shù)多基于電磁波和光學(xué)成像原理，通過地面接收裝置探測電場和磁場變化來記錄雷電事件，這些方法雖然在一定程度上可以實(shí)現(xiàn)雷電位置和強(qiáng)度的檢測，但由于受設(shè)備分布密度、環(huán)境噪聲等因素的影響，測量精度和實(shí)時(shí)性方面存在顯著不足，同時(shí)，近年來光纖傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，逐漸使其成為一種新型的雷電觀測手段，光纖傳感器具備耐高壓、抗干擾和高靈敏度的優(yōu)勢，尤其適合在雷電活動(dòng)頻繁和電磁干擾較強(qiáng)的區(qū)域進(jìn)行精確測量，與傳統(tǒng)電磁法相比，光纖傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)更高分辨率的信號采集和更精確的時(shí)序同步，具有廣闊的應(yīng)用前景，然而現(xiàn)有的雷電觀測技術(shù)缺乏高精度的雷電坐標(biāo)定位與強(qiáng)度分析手段，難以全面、有效地實(shí)現(xiàn)雷電事件的精準(zhǔn)識別，難以滿足復(fù)雜雷電事件的精準(zhǔn)觀測需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、鑒于上述現(xiàn)有的基于光纖傳感器的雷電觀測方法和系統(tǒng)中存在的問題，提出了本發(fā)明。

2、因此，本發(fā)明所要解決的問題在于現(xiàn)有的雷電觀測技術(shù)缺乏高精度的雷電坐標(biāo)定位與強(qiáng)度分析手段，難以全面、有效地實(shí)現(xiàn)雷電事件的精準(zhǔn)識別。

3、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：一種基于光纖傳感器的雷電觀測方法，其包括，部署傳感器節(jié)點(diǎn)形成傳感網(wǎng)絡(luò)，并通過傳感節(jié)點(diǎn)收集雷電信號；基于傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建立方程組求解雷電位置和雷電強(qiáng)度，根據(jù)雷電信號和雷電強(qiáng)度識別雷電類型并生成雷電觀測報(bào)告；將雷電觀測報(bào)告進(jìn)行展示并存儲至數(shù)據(jù)庫中。

4、作為本發(fā)明所述基于光纖傳感器的雷電觀測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述部署傳感器節(jié)點(diǎn)形成傳感網(wǎng)絡(luò)指在雷電發(fā)生區(qū)域通過網(wǎng)格化布設(shè)法對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，所述傳感器節(jié)點(diǎn)包括光纖傳感器和數(shù)據(jù)傳輸組件，采用gps時(shí)鐘對光纖傳感器進(jìn)行時(shí)間同步，將所有傳感器節(jié)點(diǎn)通過有線方式與數(shù)據(jù)中心連接形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。

5、作為本發(fā)明所述基于光纖傳感器的雷電觀測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述通過光纖傳感器收集雷電信號指通過分布的光纖傳感器收集雷電的光學(xué)信號和電磁信號，并獲取時(shí)間戳生成雷電信號傳輸至數(shù)據(jù)中心，使用帶通濾波器對雷電信號進(jìn)行噪聲過濾，應(yīng)用卡爾曼濾波算法對噪聲過濾后的雷電信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，對齊各傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)校正后的雷電信號的時(shí)間戳序列。

6、作為本發(fā)明所述基于光纖傳感器的雷電觀測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述基于傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建立方程組求解雷電位置和雷電強(qiáng)度指根據(jù)接收雷電信號的時(shí)間戳從早到遲對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，按排序從前向后選擇節(jié)點(diǎn)，若排序前三的節(jié)點(diǎn)不能夠組成幾何穩(wěn)定的三角形則從前向后更換節(jié)點(diǎn)直至節(jié)點(diǎn)能夠組成三角形，將節(jié)點(diǎn)作為三角形頂點(diǎn)，提取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)作為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向量；

7、設(shè)定雷電位置坐標(biāo)向量為，初始化，分別計(jì)算的距離平方，構(gòu)建cmd矩陣：

8、；

9、其中為cmd矩陣，為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向量之間距離平方；

10、根據(jù)cmd矩陣分別計(jì)算的權(quán)重：

11、；

12、；

13、權(quán)重決定了各個(gè)節(jié)點(diǎn)在雷電位置估算中的影響程度，cmd矩陣和權(quán)重計(jì)算的結(jié)合，確保了三角化定位過程中各節(jié)點(diǎn)的空間位置和影響力得到精確反映，從而提高了雷電定位的解算精度；

14、計(jì)算節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向量到其他節(jié)點(diǎn)的方向向量：

15、；

16、基于三角化定位優(yōu)化公式使用權(quán)重求解新的雷電位置坐標(biāo)向量：

17、；

18、將新的雷電位置坐標(biāo)向量更新cmd矩陣和權(quán)重，并迭代計(jì)算新的雷電位置坐標(biāo)向量，計(jì)算每次迭代后的雷電位置坐標(biāo)向量的變化值，當(dāng)變化值低于設(shè)定閾值時(shí)停止迭代，輸出最終的雷電位置坐標(biāo)向量并提取其中雷電位置；

19、在cmd矩陣提供的初始幾何框架下，使用三角化定位優(yōu)化公式，通過節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)方向向量和權(quán)重求解新的雷電位置坐標(biāo)向量，三角化定位優(yōu)化公式通過多次迭代來逐步逼近雷電事件的真實(shí)位置，每次迭代后，利用新的雷電位置坐標(biāo)更新cmd矩陣和各權(quán)重，并再次應(yīng)用優(yōu)化公式進(jìn)行下一次迭代計(jì)算，直至雷電位置坐標(biāo)的變化值低于設(shè)定的精度閾值時(shí)停止迭代，輸出最終的雷電位置坐標(biāo)向量，此優(yōu)化公式的迭代過程有助于消除位置偏差和系統(tǒng)誤差，實(shí)現(xiàn)高精度的雷電事件定位。

20、計(jì)算雷電位置和任一傳感器節(jié)點(diǎn)之間距離，根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)接收的電磁信號強(qiáng)度計(jì)算雷電強(qiáng)度：

21、；

22、其中為附加噪聲，為信號增益因子；

23、對所有傳感器節(jié)點(diǎn)計(jì)算雷電強(qiáng)度并計(jì)算所有傳感器節(jié)點(diǎn)的雷電強(qiáng)度均值作為最終的雷電強(qiáng)度s。

24、作為本發(fā)明所述基于光纖傳感器的雷電觀測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述根據(jù)雷電信號和雷電強(qiáng)度識別雷電類型并生成雷電觀測報(bào)告包括構(gòu)建svm模型，使用支持向量機(jī)分類器進(jìn)行模型訓(xùn)練，并定義損失函數(shù)對svm模型進(jìn)行迭代優(yōu)化；

25、將雷電信號和雷電強(qiáng)度輸入訓(xùn)練好的svm模型中，輸出雷電類型，根據(jù)雷電信息和雷電類型生成雷電觀測報(bào)告。

26、作為本發(fā)明所述基于光纖傳感器的雷電觀測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述將雷電觀測報(bào)告進(jìn)行展示指將雷電觀測報(bào)告結(jié)合雷電強(qiáng)度進(jìn)行可視化展示，并在地圖上對雷電位置進(jìn)行標(biāo)注，輔助工作人員結(jié)合雷電觀測報(bào)告對雷電災(zāi)害進(jìn)行分析。

27、作為本發(fā)明所述基于光纖傳感器的雷電觀測方法的一種優(yōu)選方案，其中：所述存儲至數(shù)據(jù)庫中指將雷電信息和雷電觀測報(bào)告存儲至數(shù)據(jù)庫中，并按照時(shí)間戳進(jìn)行分類，數(shù)據(jù)庫定期對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢驗(yàn)，同步上傳至云端進(jìn)行存儲數(shù)據(jù)備份。

28、本發(fā)明的另外一個(gè)目的是提供一種基于光纖傳感器的雷電觀測系統(tǒng)，其包括，

29、數(shù)據(jù)收集模塊，用于部署傳感器節(jié)點(diǎn)形成傳感網(wǎng)絡(luò)并收集雷電信號進(jìn)行預(yù)處理；

30、雷電觀測模塊，用于根據(jù)傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)對雷電位置進(jìn)行求解，并基于雷電位置對雷電強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算；

31、識別模塊，用于根據(jù)雷電信息和雷電強(qiáng)度對雷電類型進(jìn)行識別并生成雷電觀測報(bào)告；

32、展示存儲模塊，用于對雷電觀測報(bào)告進(jìn)行展示并存儲至數(shù)據(jù)庫中。

33、一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括：存儲器和處理器；所述存儲器存儲有計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)上述基于光纖傳感器的雷電觀測方法的步驟。

34、一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)上述基于光纖傳感器的雷電觀測方法的步驟。

35、本發(fā)明有益效果為：本發(fā)明通過光纖傳感器收集雷電信息，并根據(jù)光纖傳感器節(jié)點(diǎn)位置和雷電信息求解雷電坐標(biāo)和雷電強(qiáng)度，提高了雷電觀測的精度，實(shí)現(xiàn)了雷電事件的精準(zhǔn)定位，根據(jù)雷電信號和雷電強(qiáng)度識別雷電類型生成雷電觀測報(bào)告實(shí)現(xiàn)了雷電的自動(dòng)識別，為雷電預(yù)警提供了有效支撐。

技術(shù)特征：

1.一種基于光纖傳感器的雷電觀測方法，其特征在于：包括，

2.如權(quán)利要求1所述的基于光纖傳感器的雷電觀測方法，其特征在于：所述部署傳感器節(jié)點(diǎn)形成傳感網(wǎng)絡(luò)指在雷電發(fā)生區(qū)域通過網(wǎng)格化布設(shè)法對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布設(shè)，所述傳感器節(jié)點(diǎn)包括光纖傳感器和數(shù)據(jù)傳輸組件，采用gps時(shí)鐘對光纖傳感器進(jìn)行時(shí)間同步，將所有傳感器節(jié)點(diǎn)通過有線方式與數(shù)據(jù)中心連接形成傳感器網(wǎng)絡(luò)。

3.如權(quán)利要求2所述的基于光纖傳感器的雷電觀測方法，其特征在于：所述通過光纖傳感器收集雷電信號指通過分布的光纖傳感器收集雷電的光學(xué)信號和電磁信號，并獲取時(shí)間戳生成雷電信號傳輸至數(shù)據(jù)中心，使用帶通濾波器對雷電信號進(jìn)行噪聲過濾，應(yīng)用卡爾曼濾波算法對噪聲過濾后的雷電信號進(jìn)行動(dòng)態(tài)校正，對齊各傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)校正后的雷電信號的時(shí)間戳序列。

4.如權(quán)利要求3所述的基于光纖傳感器的雷電觀測方法，其特征在于：所述基于傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建立方程組求解雷電位置和雷電強(qiáng)度指根據(jù)接收雷電信號的時(shí)間戳從早到遲對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行排序，按排序從前向后選擇節(jié)點(diǎn)，若排序前三的節(jié)點(diǎn)不能夠組成幾何穩(wěn)定的三角形則從前向后更換節(jié)點(diǎn)直至節(jié)點(diǎn)能夠組成三角形，將節(jié)點(diǎn)作為三角形頂點(diǎn)，提取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)作為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)向量；

5.如權(quán)利要求4所述的基于光纖傳感器的雷電觀測方法，其特征在于：所述根據(jù)雷電信號和雷電強(qiáng)度識別雷電類型并生成雷電觀測報(bào)告包括構(gòu)建svm模型，使用支持向量機(jī)分類器進(jìn)行模型訓(xùn)練，并定義損失函數(shù)對svm模型進(jìn)行迭代優(yōu)化；

6.如權(quán)利要求5所述的基于光纖傳感器的雷電觀測方法，其特征在于：所述將雷電觀測報(bào)告進(jìn)行展示指將雷電觀測報(bào)告結(jié)合雷電強(qiáng)度進(jìn)行可視化展示，并在地圖上對雷電位置進(jìn)行標(biāo)注，輔助工作人員結(jié)合雷電觀測報(bào)告對雷電災(zāi)害進(jìn)行分析。

7.如權(quán)利要求6所述的基于光纖傳感器的雷電觀測方法，其特征在于：所述存儲至數(shù)據(jù)庫中指將雷電信息和雷電觀測報(bào)告存儲至數(shù)據(jù)庫中，并按照時(shí)間戳進(jìn)行分類，數(shù)據(jù)庫定期對存儲數(shù)據(jù)進(jìn)行完整性檢驗(yàn)，同步上傳至云端進(jìn)行存儲數(shù)據(jù)備份。

8.一種如權(quán)利要求1-7任一所述的基于光纖傳感器的雷電觀測方法的基于光纖傳感器的雷電觀測系統(tǒng)，其特征在于：包括，

9.一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括：存儲器和處理器；所述存儲器存儲有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于：所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的基于光纖傳感器的雷電觀測方法的步驟。

10.一種計(jì)算機(jī)可讀存儲介質(zhì)，其上存儲有計(jì)算機(jī)程序，其特征在于：所述計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)權(quán)利要求1至7中任一項(xiàng)所述的基于光纖傳感器的雷電觀測方法的步驟。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于光纖傳感器的雷電觀測方法和系統(tǒng)，涉及雷電監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，包括部署傳感器節(jié)點(diǎn)形成傳感網(wǎng)絡(luò)，并通過傳感節(jié)點(diǎn)收集雷電信號；基于傳感器節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)建立方程組求解雷電位置和雷電強(qiáng)度，根據(jù)雷電信號和雷電強(qiáng)度識別雷電類型并生成雷電觀測報(bào)告；將雷電觀測報(bào)告進(jìn)行展示并存儲至數(shù)據(jù)庫中。本發(fā)明通過光纖傳感器收集雷電信息，并根據(jù)光纖傳感器節(jié)點(diǎn)位置和雷電信息求解雷電坐標(biāo)和雷電強(qiáng)度，提高了雷電觀測的精度，實(shí)現(xiàn)了雷電事件的精準(zhǔn)定位，根據(jù)雷電信號和雷電強(qiáng)度識別雷電類型生成雷電觀測報(bào)告實(shí)現(xiàn)了雷電的自動(dòng)識別，為雷電預(yù)警提供了有效支撐。

技術(shù)研發(fā)人員：吳奇生,盧燕宇,張凱迪,華連生,王靜,唐懷甌,周先鋒,王狀
受保護(hù)的技術(shù)使用者：合肥氣象量子技術(shù)創(chuàng)新研究中心
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/17