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改进的互功率谱相位法在雷声声源定位中的应用

杨了 吕伟涛 张阳 罗红艳 刘华楠 高彦 张义军

杨了, 吕伟涛, 张阳, 等. 改进的互功率谱相位法在雷声声源定位中的应用. 应用气象学报, 2014, 25(2): 193-201..
引用本文: 杨了, 吕伟涛, 张阳, 等. 改进的互功率谱相位法在雷声声源定位中的应用. 应用气象学报, 2014, 25(2): 193-201.
Yang Liao, Lü Weitao, Zhang Yang, et al. Application of improved cross power spectrum phase method to acoustic source localization of thunder. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(2): 193-201.
Citation: Yang Liao, Lü Weitao, Zhang Yang, et al. Application of improved cross power spectrum phase method to acoustic source localization of thunder. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(2): 193-201.

改进的互功率谱相位法在雷声声源定位中的应用

资助项目: 

国家自然科学基金项目 41205002

国家自然科学基金项目 41030960

国家自然科学基金项目 41075003

中国气象科学研究院基本科研业务费专项资金 2010Z004

详细信息
    通信作者:

    杨了, email: 511487523@qq.com

Application of Improved Cross Power Spectrum Phase Method to Acoustic Source Localization of Thunder

  • 摘要: 互相关函数法是一种常用的时延估计方法,但在低信噪比和闪电存在多分叉的情况下,该方法的效果不理想。针对这一问题,该文选取广州地区2009年8月24日19:08:04和2012年5月5日08:01:00的两次闪电过程的雷声记录,结合高速摄像资料,比较了互相关函数法和改进的互功率谱相位法在雷声声源定位中的应用效果。首先,利用互相关函数法和改进的互功率谱相位法计算声源点的方向信息,定位结果与高速摄像照片对比具有较好的一致性,证明了定位方法的可靠性,对比结果表明:在低信噪比环境和多分叉闪电情况下,改进的互功率谱相位法能够获得比互相关函数法更好的定位效果。最后给出了综合利用改进的互功率谱相位法计算得到的方向信息和声源点与观测点的距离信息得到的雷声声源三维定位结果。
  • 图  1  多分叉闪电通道导致的雷声重叠现象示意图

    Fig. 1  Schematic of the thunder overlapping caused by multi-branch lightning channel

    图  2  互功率谱相位法时延估计原理框图

    Fig. 2  Block diagram of the time delay estimation using cross-power spectrum phase method

    图  3  模拟的两段多频率声音信号 (a) 及其中截取的一段信号 (b)

    Fig. 3  Two simulated sound signals with multiple frequency (a) and a section of the signal (b)

    图  4  信噪比为-10 dB时3种方法对干扰的抑制能力

    Fig. 4  Three methods for interference suppression ability at signal to noise ratio of-10 dB

    图  5  麦克风探测到的F1203雷声信号 (a) 和经过滤波之后的信号 (b)

    Fig. 5  The original thunder signal of lightning flash F1203 obtained by a microphone (a) and the filtered signal (b)

    图  6  闪电F1203的定位结果 (a) 高速摄像拍摄到的图像 (镜头焦距14 mm),(b) 高速摄像拍摄到的图像 (镜头焦距24 mm),(c) 两种方法定位的声源点与二维闪电通道的对比

    Fig. 6  The location results of lightning flash F1203(a) the high speed images of lightning F1203 (lens focal length is 14 mm), (b) the high speed images of lightning F1203(lens focal length is 24 mm), (c) the comparison between thunder source locations using two methods and two-dimensional channels

    图  7  闪电F0904的高速摄像照片

    Fig. 7  A high speed image of lightning flash F0904

    图  8  麦克风1实测得到的F0904雷声信号

    Fig. 8  The thunder record of Microphone 1 for F0904

    图  9  闪电F0904的定位结果 (a) 两种方法定位的声源点与二维闪电通道的对比, (b) 雷声声源点的三维定位结果

    Fig. 9  The location results of lightning flash F0904 (a) the comparison between thunder source locations using two methods and two-dimensional lightning channels, (b) three-dimensional locations of entire thunder sources

    表  1  常用的加权函数

    Table  1  Common weighting functions

    编号 名称 加权函数
    1 互相关函数法 (CCF) 1
    2 互功率谱相位法 (CSP) Ψ12(ω)=1
    3 幅度平方加权互功率谱相位法 (ASW-CSP) Ψ12(ω)=|G12(ω)|2
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-05-26
  • 修回日期:  2014-01-17
  • 刊出日期:  2014-03-31

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