甚低频/低频雷电探测数字信号处理方法研究设计与实现

摘要

雷电是发生在自然大气中的瞬间放电过程,能够引起严重的自然灾害,分为云闪和地闪,雷击放电过程中所产生的电磁辐射频率可以从甚低频段(VLF)到超高频段(UHF)。
　　地闪是指发生在云层与地面之间的放电过程,其峰值电流可以达到几万至十几万安培,对地面物体会造成很大威胁。地闪放电的同时会辐射出大量的甚低频/低频(VLF/LF)脉冲信号,这些脉冲为地闪雷电信号探测定位提供了条件。
　　本文主要以VLF/LF频段的地闪雷电信号探测定位为背景,研究了其中主要应用到的数字信号处理方法基本理论和设计与实现过程。
　　对于正交环天线和单极子天线组成的VLF/LF接收系统,其模拟信号滤波易受外界干扰而残留带外频率分量,因而在模数转换之后需要对数字信号进行带通滤波。利用线性相位FIR滤波器,同时考虑抽取降速设计,以降低后续数字计算处理的要求。由于模拟前端处理部分无法做到完全相同,还需要对通道幅度不一致性进行校准,从而保证一定的测向精度。实际处理中,对于大数据量的实时接收处理还必须要考虑短时能量检测,只有当检测到包含雷电脉冲信号的数据块时才进行方位角计算和数据上传,以提高系统的处理效率。对于检测到的有效数据块,采用特定的测向计算方法进行方位角估计,最终获得入射信号源的波达方向估计结果。

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1 绪论

1.1 课题研究目的与意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文的主要内容、研究思路与论文结构安排

2 VLF/LF探测系统与数字信号处理关键技术

2.1 VLF/LF探测系统概述

2.2 数字信号处理关键技术

2.3 本章小结

3 数字带通滤波器设计

3.1 引言

3.2 数字采样抽取原理

3.3 数字滤波器实现原理

3.4 数字滤波器设计与FPGA实现

3.5 本章小结

4 通道不一致性校准方法设计

4.1 引言

4.2 正交环天线接收通道幅度不一致性分析

4.3 通道幅度不一致性系数计算方法设计

4.4 通道幅度不一致性校准分析

4.5 本章小结

5 信号短时能量检测方法设计

5.1 引言

5.2 假设检验与判决准则

5.3 短时能量检测设计与实现

5.4 本章小结

6 磁定向法测向技术设计与实现

6.1 引言

6.2 磁定向法测向理论分析

6.3 磁定向法测向设计及硬件实现

6.4 本章小结

7 总结与展望

7.1 全文总结

7.2 进一步工作

致谢

参考文献