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1、华中科技大学 硕士学位论文 雷电探测系统信号预处理与定位方法研究 姓名：贺冲 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：马洪 20090525 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 I 摘摘 要要 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 FPG
2、A 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
3、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（Geome
4、tric 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。 关键词：数字下变频；FPGA；到达时间差；到达方位角；数据融合 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 II Abstract The lightning detection system plays a key role in the forecast an
5、d precaution of lightning disaster. However, systematic lightning detecting systems have been monopolized by a few developed countries, such as America and France. This thesis has studied the signal processing flow and the position location method used for VHF cloud-to-cloud lightning detection syst
6、em. The signal preprocessing flow and implementation method of lightning detection system based FPGA platform has been put forward with the help of Software Defined Radio (SDR). The influence of estimation errors of TDOA and DOA on position location accuracy has been studied, and then the data fusio
7、n method that can promote position location performance has been brought forward. At last, the influence of distribution of observation station on position location performance has been discussed. The VHF lightning detection system is based upon the array signal processing platform. The multichannel
8、 signals received by antennas form into high speed bit streams through high speed ADC (Analog-to-Digital Converter). The procedure of data preprocessing includes the detection of whether there is a lightning bolt, the digital down converter (DDC) of high speed multichannel signals and the form of au
9、tocorrection matrix in FPGAs. This thesis has designed the lightning detection module based on power detection in FPGA, in which the method of setting optimized threshold is introduced to reduce the sum of false alarm probability and leakage alarm probability. Then the digital down converter based o
10、n the thinking of software defined radio has been designed. Next the generation module of the estimated value of autocorrection matrix has been implemented. The simulation result proves that the generated autocorrection matrix can be used to estimate the angel of arrival through a lot of DOA estimat
11、ion methods such as classic MUSIC. At the end of data preprocessing part the implementation of FPGA and related hardware circuits has been given. The VHF lightning detection system has used the jointed TDOA and DOA position location methods. The principle and the existing solution methods of TDOA an
12、d DOA have been analyzed respectively. Then the influence of estimation error of TDOA and 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 III DOA on the lightning location precision has been analyzed. And a kind of data fusion method using geometric dilution of precision (GDOP) has been put forward.
13、Then this method has been compared with existing other data fusion methods and the simulation method proved that our method can improve the position location performance effectively using the redundant information. This thesis has also analyzed how the distribution of observation station and the dis
14、tance between stations influences the position location performance, and the optimized distribution of observation station has been brought forward. Keywords: digital down converter; FPGA; TDOA; DOA; data fusion 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过
15、的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密， 在 年解密后适用本授权书。 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期：
16、 年 月 本论文属于 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 1. 绪论绪论 1.1 课题研究目的与意义课题研究目的与意义 本课题的目标是为甚高频段雷电探测系统研制高速的信号采集与预处理平台， 并 为甚高频段雷电定位的定位方程解算、监测站的布置等提供理论方面的指导。 雷电是一种常见的自然现象，雷电过度密集时形成雷暴。雷暴是一种多发的气象 灾害，给人们生产和生活造成极大危害。雷电通过雷电电流脉冲人和物体，造成机 能损坏，并酿成严重的社会和经济后果。雷电已被联合国列为“最为严重的十种自然 灾害之一”1 ，也被我国电工委员会称作“电子时代的一大公害”。Curran E.Brain 对 美国 1959 年至 1994 年由于雷电造成的人身伤害进行了统计，在此期间，雷击共造 成美国 3239 人死亡，9818 人受伤2。D. M. Elsom 对英国 1993 至 1999 年遭受雷击 的人员数据的统计表明： 在英国每年平均有 49 人被雷电击中， 其中一半发生在室内， 而
