同步双成像闪电定位方法
专利名称：同步双成像闪电定位方法
技术领域：
本发明涉及一种闪电的定位方法。
背景技术：
当闪电发生时，会产生巨大的回击电流及电脉冲辐射。因此，闪电定位探测直接关系着 空中飞行器的安全，是飞机飞行及航天器升空的重要参考数据。传统的闪电定位设备有磁方 向探测仪和时差法探测仪，能够记录闪电发生的时间、位置、强度、极性等指标，但上述测 量方法均需设置多台仪器才能完成测量，所需设备复杂，测量成本较高，且定位精度有限。
发明内容
本发明提供一种同步双成像闪电定位方法，要解决以简单、精度高、成本低的方法进行 闪电定位的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 这种同步双成像闪电定位方法，其特征在于测量步骤如下
步骤l:将两图像采集器相隔一距离设置，使两图像采集器能拍摄到闪电的同一区域， 并得到图像采集器1的焦点B与图像采集器2的焦点C之连线为基线BC，两图像采集器镜头垂直 对天，图像采集器的成像平面长轴或短轴与基线平行；
步骤2:当发生闪电时，图像采集器1和图像采集器2同时拍摄闪电，并分别得到照片P1 和照片P2;
步骤3:在P1和P2上找到闪电的一系列相同特征点A1、 A2、……An，在照片P1和照片P2 中分别找到A1点在图像采集器1和图像采集器2所在焦平面的垂直投影点D，分别测量D点和B 点连线与基线BC的夹角ZDBC，以及D点和C点连线与基线BC的夹角ZDCB;
步骤4: A与图像采集器1焦点B和图像采集器2焦点C构成了三角形ABC， A的垂直投影点D 与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，并从图像采集器l和图 像采集器2的照片上测出ZDBC和ZDCB，通过几何公式计算出BD和CD;
步骤5:计算出A点分别在X轴、Y轴的横向及纵向坐标，
X=BDXsin(DBC)，
Y=BD X COS(DBC);
步骤6:以直角三角形ABD为基准平面，找到A点在照片P1上的投影点D'，在图像采集器1光轴上取E点，使AE平行BD， E点的像点E'至I」B点的距离，即焦距E'B已知，再从图像采集 器1的相片上测得D' E'，由于三角形ABD和三角形B D'E'为相似三角形，以B点为坐标原 点，得到闪电上A点在Z轴的高度坐标，即Z二AD二 BDX E'B /D' E';
步骤7:按上述步骤1 6中的方法，得到闪电上A2……An点的坐标X、 Y、 Z，即得到闪电 在空中的位置。
上述云图像采集器可以是可见光图像采集器或是红外成像装置。
上述可见光图像采集器可为相机或摄像机。
上述步骤4中可通过如下几何公式计算出BD和CD，
BD X COS(DBC)+DC X COS(DCB) =BC;
BD X sin(DBC)=DC X sin(DCB)。
本发明的有益效果如下
本发明的同步双成像闪电定位方法是采用两个图像采集器相隔一定距离(基线)，同时 摄取天空图像资料，在闪电发生时，两个图像采集器得到同一时刻两张有闪电的图像资料 P1和P2 ，在P1和P2上找到一系列相同特征点(A1、 A2、 An)。以A1为例，分别在P1、 P2上 测量照片中心(相机光轴)到A1的距离以及与基线的夹角，通过立体三角的原理计算A1在空 中的位置，即X、 Y、 Z坐标。同样方法可以得到其他特征点的空间位置。本方法的测量步骤 较为简单，且测量结果准确，两图像采集器可相隔2000米设置。以较低的成本解决了闪电定 位问题，可广泛应用于航空、航天、气象等领域。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 图1是实施例一步骤1和步骤2的示意图。 图2是实施例一步骤3、步骤4、步骤5的示意图。 图3是实施例一步骤6的示意图。
附图标记l一图像采集器l、 2 —图像采集器2、 3 —云底、4一成像平面、
A:云底一点、B:图像采集器l焦点、C:图像采集器2焦点、D: A点在图像采集器l和图 像采集器2所在焦平面的垂直投影点、D' : A点在照片P1上的投影点，E:图像采集器l光轴上 一点，使AE平行BD; E' : E点在成像平面上所在点；
图l中W为图像采集器1和图像采集器2共同成像范围。
图2中X、 Y、 Z为坐标轴。
具体实施方式
实施例一
这种同步双成像闪电定位方法的测量步骤如下
步骤l:将两图像采集器相隔一距离设置，使两图像采集器能拍摄到闪电的同一区域， 并得到图像采集器1的焦点B与图像采集器2的焦点C之连线为基线BC， BC二2000米，两图像采 集器镜头垂直对天，图像采集器的成像平面长轴或短轴与基线平行；
步骤2:当发生闪电时，图像采集器1和图像采集器2同时拍摄闪电，并分别得到照片P1 和照片P2;
步骤3:在P1和P2上找到闪电的一系列相同特征点(Al、 A2、……An)，在照片P1和照 片P2中分别找到A1点在图像采集器1和图像采集器2所在焦平面的垂直投影点D，分别测量D点 和B点连线与基线BC的夹角ZDBC，以及D点和C点连线与基线BC的夹角ZDCB;
步骤4: A与图像采集器1焦点B和图像采集器2焦点C构成了三角形ABC， A的垂直投影点D 与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，并从图像采集器l和图 像采集器2的照片上测出ZDBC和ZDCB，通过几何公式计算出BD和CD;
BD X COS(DBC)+DC X COS(DCB) =BC;
BD X sin(DBC)=DC X sin(DCB)。
步骤5:计算出A点分别在X轴、Y轴的横向及纵向坐标， X=BDXsin(DBC)， Y=BD X COS (DBC);
步骤6:以直角三角形ABD为基准平面，找到A点在照片P1上的投影点D'，在图像采集 器1光轴上取E点，使AE平行BD， E点的像点E'至I」B点的距离，即焦距E'B已知，再从图像采集 器1的相片上测得D' E'，由于三角形ABD和三角形B D'E'为相似三角形，以B点为坐标原 点，得到闪电上A点在Z轴的高度坐标，即Z二AD二 BDX E'B /D' E';
步骤7:按上述步骤1 6中的方法，得到闪电上A2……An点的坐标X、 Y、 Z，即得到闪电 在空中的位置。
上述云图像采集器是可见光图像采集器或是红外成像装置。可见光图像采集器可为相机 或摄像机。
实施例二与实施例一不同的是，上述两图像采集器镜头光轴还可水平平行设置，图像 采集器成像平面长轴或短轴与基线平行。
实施例三与实施例一不同的是，上述两图像采集器成像平面还可同时垂直一个平面，
两镜头光轴成一定交角。
权利要求
权利要求1一种同步双成像闪电定位方法，其特征在于测量步骤如下步骤1将两图像采集器相隔一距离设置，使两图像采集器能拍摄到闪电的同一区域，并得到图像采集器1的焦点B与图像采集器2的焦点C之连线为基线BC，两图像采集器镜头垂直对天，图像采集器的成像平面长轴或短轴与基线平行；步骤2当发生闪电时，图像采集器1和图像采集器2同时拍摄闪电，并分别得到照片P1和照片P2；步骤3在P1和P2上找到闪电的一系列相同特征点A1、A2、……An，在照片P1和照片P2中分别找到A1点在图像采集器1和图像采集器2所在焦平面的垂直投影点D，分别测量D点和B点连线与基线BC的夹角∠DBC，以及D点和C点连线与基线BC的夹角∠DCB；步骤4A与图像采集器1焦点B和图像采集器2焦点C构成了三角形ABC，A的垂直投影点D与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，并从图像采集器1和图像采集器2的照片上测出∠DBC和∠DCB，通过几何公式计算出BD和CD；步骤5计算出A点分别在X轴、Y轴的横向及纵向坐标，X＝BD×sin(DBC)，Y＝BD×COS(DBC)；步骤6以直角三角形ABD为基准平面，找到A点在照片P1上的投影点D’，在图像采集器1光轴上取E点，使AE平行BD，E点的像点E’到B点的距离，即焦距E’B已知，再从图像采集器1的相片上测得D’E’，由于三角形ABD和三角形BD’E’为相似三角形，以B点为坐标原点，得到闪电上A点在Z轴的高度坐标，即Z＝AD＝BD×E’B/D’E’；步骤7按上述步骤1～6中的方法，得到闪电上A2……An点的坐标X、Y、Z，即得到闪电在空中的位置。
2.根据权利要求l所述的同步双成像闪电定位方法，其特征在于上 述云图像采集器是可见光图像采集器或是红外成像装置。
3.根据权利要求2所述的同步双成像闪电定位方法，其特征在于上述可见光图像采集器为相机或摄像机。
4.根据权利要求l或2所述的同步双成像闪电定位方法，其特征在 于上述步骤4中可通过如下几何公式计算出BD和CD，BD X COS(DBC)+DC X COS(DCB) =BC;BD X sin(DBC)=DC X sin(DCB)。
全文摘要
一种同步双成像闪电定位方法，测量步骤如下步骤1将两图像采集器相隔一距离设置，步骤2图像采集器1和图像采集器2同时拍摄闪电，并分别得到照片P1和照片P2；步骤3在P1和P2上找到闪电的一系列相同特征点A1、A2、……An；步骤4A的垂直投影点D与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，通过几何公式计算出BD和CD；步骤5计算出A点分别在X轴、Y轴的横向及纵向坐标，步骤6得到闪电上A点在Z轴的高度坐标；步骤7按上述步骤1～6中的方法，得到闪电上A2……An点的坐标X、Y、Z。本方法的测量步骤较为简单，且测量结果准确，可广泛应用于航空、航天、气象等领域。
文档编号G01C11/34GK101545777SQ20091030198
公开日2009年9月30日 申请日期2009年4月29日 优先权日2009年4月29日
发明者马舒庆 申请人:中国气象局气象探测中心
技术领域：
本发明涉及一种闪电的定位方法。
背景技术：
当闪电发生时，会产生巨大的回击电流及电脉冲辐射。因此，闪电定位探测直接关系着 空中飞行器的安全，是飞机飞行及航天器升空的重要参考数据。传统的闪电定位设备有磁方 向探测仪和时差法探测仪，能够记录闪电发生的时间、位置、强度、极性等指标，但上述测 量方法均需设置多台仪器才能完成测量，所需设备复杂，测量成本较高，且定位精度有限。
发明内容
本发明提供一种同步双成像闪电定位方法，要解决以简单、精度高、成本低的方法进行 闪电定位的技术问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是 这种同步双成像闪电定位方法，其特征在于测量步骤如下
步骤l:将两图像采集器相隔一距离设置，使两图像采集器能拍摄到闪电的同一区域， 并得到图像采集器1的焦点B与图像采集器2的焦点C之连线为基线BC，两图像采集器镜头垂直 对天，图像采集器的成像平面长轴或短轴与基线平行；
步骤2:当发生闪电时，图像采集器1和图像采集器2同时拍摄闪电，并分别得到照片P1 和照片P2;
步骤3:在P1和P2上找到闪电的一系列相同特征点A1、 A2、……An，在照片P1和照片P2 中分别找到A1点在图像采集器1和图像采集器2所在焦平面的垂直投影点D，分别测量D点和B 点连线与基线BC的夹角ZDBC，以及D点和C点连线与基线BC的夹角ZDCB;
步骤4: A与图像采集器1焦点B和图像采集器2焦点C构成了三角形ABC， A的垂直投影点D 与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，并从图像采集器l和图 像采集器2的照片上测出ZDBC和ZDCB，通过几何公式计算出BD和CD;
步骤5:计算出A点分别在X轴、Y轴的横向及纵向坐标，
X=BDXsin(DBC)，
Y=BD X COS(DBC);
步骤6:以直角三角形ABD为基准平面，找到A点在照片P1上的投影点D'，在图像采集器1光轴上取E点，使AE平行BD， E点的像点E'至I」B点的距离，即焦距E'B已知，再从图像采集 器1的相片上测得D' E'，由于三角形ABD和三角形B D'E'为相似三角形，以B点为坐标原 点，得到闪电上A点在Z轴的高度坐标，即Z二AD二 BDX E'B /D' E';
步骤7:按上述步骤1 6中的方法，得到闪电上A2……An点的坐标X、 Y、 Z，即得到闪电 在空中的位置。
上述云图像采集器可以是可见光图像采集器或是红外成像装置。
上述可见光图像采集器可为相机或摄像机。
上述步骤4中可通过如下几何公式计算出BD和CD，
BD X COS(DBC)+DC X COS(DCB) =BC;
BD X sin(DBC)=DC X sin(DCB)。
本发明的有益效果如下
本发明的同步双成像闪电定位方法是采用两个图像采集器相隔一定距离(基线)，同时 摄取天空图像资料，在闪电发生时，两个图像采集器得到同一时刻两张有闪电的图像资料 P1和P2 ，在P1和P2上找到一系列相同特征点(A1、 A2、 An)。以A1为例，分别在P1、 P2上 测量照片中心(相机光轴)到A1的距离以及与基线的夹角，通过立体三角的原理计算A1在空 中的位置，即X、 Y、 Z坐标。同样方法可以得到其他特征点的空间位置。本方法的测量步骤 较为简单，且测量结果准确，两图像采集器可相隔2000米设置。以较低的成本解决了闪电定 位问题，可广泛应用于航空、航天、气象等领域。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 图1是实施例一步骤1和步骤2的示意图。 图2是实施例一步骤3、步骤4、步骤5的示意图。 图3是实施例一步骤6的示意图。
附图标记l一图像采集器l、 2 —图像采集器2、 3 —云底、4一成像平面、
A:云底一点、B:图像采集器l焦点、C:图像采集器2焦点、D: A点在图像采集器l和图 像采集器2所在焦平面的垂直投影点、D' : A点在照片P1上的投影点，E:图像采集器l光轴上 一点，使AE平行BD; E' : E点在成像平面上所在点；
图l中W为图像采集器1和图像采集器2共同成像范围。
图2中X、 Y、 Z为坐标轴。
具体实施方式
实施例一
这种同步双成像闪电定位方法的测量步骤如下
步骤l:将两图像采集器相隔一距离设置，使两图像采集器能拍摄到闪电的同一区域， 并得到图像采集器1的焦点B与图像采集器2的焦点C之连线为基线BC， BC二2000米，两图像采 集器镜头垂直对天，图像采集器的成像平面长轴或短轴与基线平行；
步骤2:当发生闪电时，图像采集器1和图像采集器2同时拍摄闪电，并分别得到照片P1 和照片P2;
步骤3:在P1和P2上找到闪电的一系列相同特征点(Al、 A2、……An)，在照片P1和照 片P2中分别找到A1点在图像采集器1和图像采集器2所在焦平面的垂直投影点D，分别测量D点 和B点连线与基线BC的夹角ZDBC，以及D点和C点连线与基线BC的夹角ZDCB;
步骤4: A与图像采集器1焦点B和图像采集器2焦点C构成了三角形ABC， A的垂直投影点D 与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，并从图像采集器l和图 像采集器2的照片上测出ZDBC和ZDCB，通过几何公式计算出BD和CD;
BD X COS(DBC)+DC X COS(DCB) =BC;
BD X sin(DBC)=DC X sin(DCB)。
步骤5:计算出A点分别在X轴、Y轴的横向及纵向坐标， X=BDXsin(DBC)， Y=BD X COS (DBC);
步骤6:以直角三角形ABD为基准平面，找到A点在照片P1上的投影点D'，在图像采集 器1光轴上取E点，使AE平行BD， E点的像点E'至I」B点的距离，即焦距E'B已知，再从图像采集 器1的相片上测得D' E'，由于三角形ABD和三角形B D'E'为相似三角形，以B点为坐标原 点，得到闪电上A点在Z轴的高度坐标，即Z二AD二 BDX E'B /D' E';
步骤7:按上述步骤1 6中的方法，得到闪电上A2……An点的坐标X、 Y、 Z，即得到闪电 在空中的位置。
上述云图像采集器是可见光图像采集器或是红外成像装置。可见光图像采集器可为相机 或摄像机。
实施例二与实施例一不同的是，上述两图像采集器镜头光轴还可水平平行设置，图像 采集器成像平面长轴或短轴与基线平行。
实施例三与实施例一不同的是，上述两图像采集器成像平面还可同时垂直一个平面，
两镜头光轴成一定交角。
权利要求
权利要求1一种同步双成像闪电定位方法，其特征在于测量步骤如下步骤1将两图像采集器相隔一距离设置，使两图像采集器能拍摄到闪电的同一区域，并得到图像采集器1的焦点B与图像采集器2的焦点C之连线为基线BC，两图像采集器镜头垂直对天，图像采集器的成像平面长轴或短轴与基线平行；步骤2当发生闪电时，图像采集器1和图像采集器2同时拍摄闪电，并分别得到照片P1和照片P2；步骤3在P1和P2上找到闪电的一系列相同特征点A1、A2、……An，在照片P1和照片P2中分别找到A1点在图像采集器1和图像采集器2所在焦平面的垂直投影点D，分别测量D点和B点连线与基线BC的夹角∠DBC，以及D点和C点连线与基线BC的夹角∠DCB；步骤4A与图像采集器1焦点B和图像采集器2焦点C构成了三角形ABC，A的垂直投影点D与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，并从图像采集器1和图像采集器2的照片上测出∠DBC和∠DCB，通过几何公式计算出BD和CD；步骤5计算出A点分别在X轴、Y轴的横向及纵向坐标，X＝BD×sin(DBC)，Y＝BD×COS(DBC)；步骤6以直角三角形ABD为基准平面，找到A点在照片P1上的投影点D’，在图像采集器1光轴上取E点，使AE平行BD，E点的像点E’到B点的距离，即焦距E’B已知，再从图像采集器1的相片上测得D’E’，由于三角形ABD和三角形BD’E’为相似三角形，以B点为坐标原点，得到闪电上A点在Z轴的高度坐标，即Z＝AD＝BD×E’B/D’E’；步骤7按上述步骤1～6中的方法，得到闪电上A2……An点的坐标X、Y、Z，即得到闪电在空中的位置。
2.根据权利要求l所述的同步双成像闪电定位方法，其特征在于上 述云图像采集器是可见光图像采集器或是红外成像装置。
3.根据权利要求2所述的同步双成像闪电定位方法，其特征在于上述可见光图像采集器为相机或摄像机。
4.根据权利要求l或2所述的同步双成像闪电定位方法，其特征在 于上述步骤4中可通过如下几何公式计算出BD和CD，BD X COS(DBC)+DC X COS(DCB) =BC;BD X sin(DBC)=DC X sin(DCB)。
全文摘要
一种同步双成像闪电定位方法，测量步骤如下步骤1将两图像采集器相隔一距离设置，步骤2图像采集器1和图像采集器2同时拍摄闪电，并分别得到照片P1和照片P2；步骤3在P1和P2上找到闪电的一系列相同特征点A1、A2、……An；步骤4A的垂直投影点D与B点和C点之间构成了三角形DBC，测得两图像采集器之间的距离BC，通过几何公式计算出BD和CD；步骤5计算出A点分别在X轴、Y轴的横向及纵向坐标，步骤6得到闪电上A点在Z轴的高度坐标；步骤7按上述步骤1～6中的方法，得到闪电上A2……An点的坐标X、Y、Z。本方法的测量步骤较为简单，且测量结果准确，可广泛应用于航空、航天、气象等领域。
文档编号G01C11/34GK101545777SQ20091030198
公开日2009年9月30日 申请日期2009年4月29日 优先权日2009年4月29日
发明者马舒庆 申请人:中国气象局气象探测中心
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