雷电探测系统信号预处理与定位方法研究

论文摘要

雷电探测系统在雷电灾害的预报和预防,以及灾害重建中发挥着关键作用。但长期以来,成熟的雷电探测系统(尤其是探测甚高频段云间闪电的系统)一直由美、法等少数发达国家垄断。本文对甚高频段云间闪电探测系统的信号处理流程及定位方法进行了研究,利用软件无线电(Software Defined Radio, SDR)的思想提出了基于FPGA平台的雷电探测系统数据预处理的流程和实现方法,研究了到达时间差(Time Difference of Arrival, TDOA)估计和到达方位角(Direction of Arrival, DOA)估计误差对定位精度的影响,提出了能提高定位精度的数据融合方法,并讨论了布站方式对云闪定位性能的影响。甚高频段雷电探测系统基于阵列信号处理平台。天线阵接收的多路信号经过AD转换后变成多通道的高速比特流。数据预处理的过程包括在FPGA中对雷电发生状态的检测、高速多路信号的数字下变频以及用于波达方向估计的协方差矩阵形成。本文在FPGA中设计了基于功率检测的雷电检测模块,采用设置最优门限的方法来降低虚警和漏警概率和。并用软件无线电的思想设计了数字下变频器,接着实现了协方差矩阵的估计值形成模块。仿真表明求得的数字下变频后的阵列信号的协方差矩阵能用于经典MUSIC(Multiple Signal Classification)等DOA估计算法来估计雷电发生的方位角。预处理部分的结尾给出了项目中FPGA及外围硬件电路的实现。甚高频段雷电探测系统联合使用了到达时间差和到达方位角的定位方法。本文分别分析了TDOA和DOA定位方法的原理、现有解算方法,并分析了TDOA和DOA估计误差对雷电定位精度的影响。提出了基于几何精度因子(Geometric Dilution of Precision, GDOP)加权的定位数据融合方法,并与现有的其他数据融合方法进行了比较。仿真结果证明,基于GDOP的数据融合方法能有效的利用冗余的信息来改善定位性能。本文还分析了布站方式和站间距对定位性能的影响,给出了较优的布站策略。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题研究目的与意义
• 1.2 基本原理与国内外研究进展
• 1.3 本文的主要内容、研究思路与结果
• 2 甚高频雷电信号的数字接收
• 2.1 软件无线电中的数字下变频理论
• 2.2 雷电信号的数字下变频理论分析
• 2.3 雷电信号数字下变频在 Matlab 中的仿真实现
• 2.4 雷电信号数字下变频在FPGA 中的实现
• 2.5 本章小结
• 3 数据采集控制与协方差矩阵形成
• 3.1 雷电信号数据采集控制原理流程
• 3.2 数据采集处理过程的有效性仿真
• 3.3 雷电检测方法与其在FPGA 中的实现
• 3.4 雷电阵列信号协方差矩阵形成的FPGA 实现
• 3.5 FPGA 与外围电路硬件设计
• 3.6 本章小结
• 4 基于TDOA 和DOA 的云闪定位算法
• 4.1 定位性能的基本评价方法
• 4.2 基于TDOA 的云闪定位方法
• 4.3 基于DOA 的云闪定位方法与数据融合
• 4.4 布站方式对TDOA 和DOA 定位性能的影响
• 4.5 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 雷电探测数据预处理部分设计小结
• 5.2 雷电探测定位算法部分小结
• 5.3 进一步的工作
• 致谢
• 参考文献