[发明专利]一种基于三维大气电场仪的雷暴云移动路径跟踪方法

说明书

本发明公开了一种基于三维大气电场仪的雷暴云移动路径跟踪方法，首先，根据镜像法理论，建立跟踪雷暴云移动路径的空间模型，基于模型，定义雷暴云方位的动态参数；然后，利用雷暴云在三维大气电场仪处的电位分布公式，得到三维电场分量；最后，将雷暴云所在方位与时间点进行关联，实现雷暴云移动路径跟踪。给出电场分量测量误差、方位角，俯仰角与路径跟踪精确度的关系，对跟踪性能进行分析。本发明能够准确跟踪雷暴云的移动路径，具有较好的跟踪效果。

技术领域

本发明属于雷暴云预报预警领域，具体涉及一种基于三维大气电场仪的雷暴云移动路径跟踪方法。

背景技术

雷暴云是闪电的主要产生源，而闪电是一种重大的自然灾害，雷电灾害早已被联合国有关部分列为“最严重的十种自然灾害之一”。雷电常常伴有强烈的暴雨和阵风，有时还会伴有龙卷风和冰雹。据有关部门估计，世界各地每分钟大约有1800个雷电交作在进行中。它们每秒钟约发出600次闪电，其中有100次袭击地球。因此，切实有效的雷暴云监测手段对提高防雷减灾能力尤为重要。

当今，大气电场仪广泛应用于航空航天、油田仓储等敏感单位布局，科研人员也积极投身到大气电场测量的研究工作中。研究发现，大气电场是由垂直分量和水平分量组成的。行鸿彦等人采用三维电场传感器和介电常数传感器对空间电场进行了检测，提出了一种适用于大气电场测量的三维电场系统。徐伟等人开发了一种三维大气电场仪，用于同时测量大气电场的水平和垂直分量，并引入粒子群优化算法反演了雷暴云方位。

然而，这些研究在实现大气电场三维分量测量的同时，无法对雷暴云的实时移动路径进行跟踪，达不到真正意义上的雷暴云预报预警，针对雷暴云定位实时性较差、移动路径跟踪无法实现问题。

发明内容

发明目的：本发明提出一种基于三维大气电场仪的雷暴云移动路径跟踪方法，能解决雷暴云定位实时性较差、移动路径跟踪无法实现问题。

技术方案：本发明所述的一种基于三维大气电场仪的雷暴云移动路径跟踪方法，包括以下步骤：

(1)根据镜像法理论，建立跟踪雷暴云移动路径的空间模型，并定义雷暴云方位的动态参数；

(2)利用雷暴云在三维大气电场仪处的电位分布公式，得到三维电场分量，求得雷暴云点S_T随时间T变化的球坐标；

(3)定义雷暴云随时间T变化的动态坐标的集合P，并将雷暴云所在方位与时间点进行关联，实现雷暴云移动路径跟踪。

进一步地，所述步骤(1)的实现过程如下：

以N点为坐标原点，建立三维直角坐标系，其中：N(0,0,0)为三维大气电场仪所在位置，S_T(x_T,y_T,z_T)为雷暴云点S_T随时间T而变化的动态位置，S_T'(x_T,y_T,0)为S_T在x0y平面上的投影；h表示大气电场仪自身高度与其所在位置的海拔之和；雷暴云点S_T的动态水平偏角和俯仰角分别为α_T，β_T,且R_T为雷暴云点S_T到电场仪N的实时距离；在电场仪N处，测得雷暴云点S_T的实时电场强度为E_T。

进一步地，所述步骤(2)包括以下步骤：

(21)根据镜像法中感应电荷与镜像电荷相等理论，将雷暴云区域看做一个点电荷q，得到雷暴云点S_T在三维大气电场仪N处的实时电位分布为：

其中，q'为点电荷q的镜像电荷，ε₁、ε₂分别为空气和三维大气电场仪N所在地面的介电常数；