[发明专利]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

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＝E_x+E_y+E_z (2)

式中，E_x、E_y、E_z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E_x、E_y、E_z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；

步骤5的具体步骤如下：步骤5.1、分别对雷暴云电场强度E_x、E_y、E_z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。