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专利号: 2019100263705
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-02-23
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于三维大气电场仪观测视角的雷暴云定位校准方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1、建立雷暴云电场测量空间模型,该模型以N点为坐标原点,建立三维直角坐标系;其中,N(0,0,0)为三维大气电场仪的所在位置;M(x,y,z)为大气电场仪所测量的雷暴云所在位置;M'(x,y,0)为M(x,y,z)在x0y平面上的投影点;h为三维大气电场仪N(0,0,0)与海拔高度之和;所测量的雷暴云M(x,y,z)的方位角和俯仰角分别为α,β;r为所测量的雷暴云M(x,y,z)到三维大气电场仪N(0,0,0)的距离;

步骤2、设所测量的雷暴云M(x,y,z)的点电荷为q,根据镜像法,得到点电荷q关于x0y平面对称的镜像电荷q';

步骤3、根据所测量的雷暴云M(x,y,z)所产生的电场是由点电荷q和它的镜像电荷q'构成,得到所测量的雷暴云M(x,y,z)在大气电场仪N(0,0,0)处的电位分布式中,ε1为空气介电常数,ε2为大气电场仪N(0,0,0)所在地面的介电常数,h为三维大气电场仪N(0,0,0)与海拔高度之和;

步骤4、在大气电场仪N(0,0,0)点测得的雷暴云电场强度E,对E进行正交分解,得到:E=Ex+Ey+Ez  (2)

式中,Ex、Ey、Ez分别为大气电场仪N(0,0,0)点测得x轴、y轴、z轴方向上的雷暴云电场强度,且两两互相垂直;

步骤5、根据雷暴云电场强度Ex、Ey、Ez的电位分布 计算得到基于三维大气电场仪视角的雷暴云定位坐标(r,α,β)为:式中,x、y、z分别为所测量的雷暴云M(x,y,z)的坐标参数;α为所测量的雷暴云M(x,y,z)的方位角;β为所测量的雷暴云M(x,y,z)的俯仰角;r为所测量的雷暴云M(x,y,z)到三维大气电场仪N(0,0,0)的距离;

步骤6、基于步骤1中的雷暴云电场测量空间模型,以观测视角P(X,Y,Z)为坐标原点,建立三维直角坐标系;其中,N(0,0,0)为三维大气电场仪的所在位置;M(x',y',z')为大气电场仪所测量的雷暴云所在位置;θ为所测量的雷暴云M(x',y',z')的方位角;ψ为所测量的雷暴云M(x',y',z')的俯仰角;R为所测量的雷暴云M(x',y',z')到观测视角P(X,Y,Z)的距离;

步骤7、所测量的雷暴云所在位置M(x',y',z')到观测视角P(X,Y,Z)的坐标值,转换为(x'-X,y'-Y,z'-Z),并将其等效为M(X',Y',Z'):式中,R'是雷暴云M(x',y',z')到观测视角P(X,Y,Z)的距离R的反演值;

步骤8、基于步骤6中的观测视角P(X,Y,Z)为原点的坐标系、公式(3)、公式(4),得到基于三维大气电场仪观测视角的雷暴云的定位坐标(R',θ',ψ'):式中,θ'和ψ'分别为雷暴云M(x',y',z')方位角和俯仰角的反演值,R'是雷暴云M(x',y',z')到观测视角P(X,Y,Z)的距离R的反演值。

2.根据权利要求1所述的基于三维大气电场仪观测视角的雷暴云定位校准方法,其特征在于,步骤5的具体步骤如下:步骤5.1、分别对雷暴云电场强度Ex、Ey、Ez的电位分布 进行求导:式中,ε1为空气介电常数,ε2为大气电场仪N(0,0,0)所在地面的介电常数,h为三维大气电场仪N(0,0,0)与海拔高度之和,q为所测量的雷暴云M(x,y,z)的点电荷,q'为点电荷q关于x0y平面对称的镜像电荷,x、y、z分别为所测量的雷暴云M(x,y,z)的坐标参数;

步骤5.2、所测量的雷暴云M(x,y,z)的坐标参数z通常比高度h高出2个数量级,高度h相对于坐标参数z可忽略不计,得出:z≈z-h≈z+h  (5)

式中,z为所测量的雷暴云M(x,y,z)在z轴上的坐标参数,h为三维大气电场仪N(0,0,0)与海拔高度之和;

步骤5.3、所测量的雷暴云M(x,y,z)到大气电场仪N(0,0,0)的距离r为:式中,x、y、z分别为所测量的雷暴云M(x,y,z)的坐标参数;

步骤5.4、将公式(5)、公式(6)代入公式(4),得到:

式中,

步骤5.5、根据公式(7),计算得到反演的雷暴云视角定位坐标(r',α',β'):式中,r'为所测量的雷暴云M(x,y,z)到大气电场仪N(0,0,0)的距离r的反演值,α'为所测量的雷暴云M(x,y,z)的方位角α的反演值,β'为所测量的雷暴云M(x,y,z)的俯仰角β的反演值;

步骤5.6、当点电荷q、空气介电常数ε1、大气电场仪N(0,0,0)所在地面的介电常数ε2分别为已知数时,基于步骤1中的雷暴云电场测量空间模型所示矢量关系及公式(8)得到反演的所测量的雷暴云M(x,y,z)坐标:式中,x'、y'、z'分别为所测量的雷暴云M(x,y,z)的坐标参数x、y、z的反演值;

步骤5.7、根据公式(9),计算得到基于三维大气电场仪视角的雷暴云的定位坐标(r,α,β)为:式中,x、y、z分别为所测量的雷暴云M(x,y,z)的坐标参数;α为所测量的雷暴云M(x,y,z)的方位角;β为所测量的雷暴云M(x,y,z)的俯仰角;r为所测量的雷暴云M(x,y,z)到三维大气电场仪N(0,0,0)的距离。

3.根据权利要求2所述的基于三维大气电场仪观测视角的雷暴云定位校准方法,其特征在于:步骤5.6中的点电荷q为5C。

4.根据权利要求3所述的基于三维大气电场仪观测视角的雷暴云定位校准方法,其特征在于:步骤5.6中的空气介电常数ε1为1。

5.根据权利要求4所述的基于三维大气电场仪观测视角的雷暴云定位校准方法,其特征在于:步骤5.6中的大气电场仪N(0,0,0)所在地面介电常数ε2为5。