專利名稱：雷電的聲光采樣與模擬方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種雷電的聲光采樣與模擬方法，屬于自然現(xiàn)象模擬技術領域。
背景技術：
雷電是一種常見的自然現(xiàn)象，發(fā)生時會產生強大的聲、光、電信號，是伴有閃電和雷鳴的一種雄偉壯觀又令人生畏的放電現(xiàn)象。對雷電的模擬研究在氣象、防災、影視等領域有著實際的應用價值。直到目前，人們尚無法控制雷電的發(fā)生，因此研究雷電發(fā)生的特點和規(guī)律，記錄、統(tǒng)計和模擬雷電的聲光變化，對實現(xiàn)基于物理的高真實感雷電的模擬，并為制定正確的防雷策略、設計可靠有效的防雷工程服務十分重要?，F(xiàn)代雷電探測技術始于二十世紀七十年代，由美國科學家Matin A. Uman和 Ε. Philip Krider教授提出并實現(xiàn)的，隨后各種針對雷電探測的研究在美國、中國、法國、 德國迅速發(fā)展。中國專利文獻200620016492. 4雷電監(jiān)測記錄網(wǎng)系統(tǒng)提出一種雷電監(jiān)測記錄系統(tǒng)，能夠實際并真實記錄雷擊發(fā)生時雷電流實際發(fā)生時的具體情況，找出雷電流釋放的規(guī)律并以此為基礎進行防雷工程的設計和防雷設備的選擇，該文獻只考慮了對放電信號的數(shù)據(jù)獲取，沒有考慮雷聲、三維形態(tài)等數(shù)據(jù)的采集。中國專利文獻200910061599. 9數(shù)字式雷電探測方法及其裝置，在接收雷電放電時產生的電磁信號進行采集，構建數(shù)字化地閃雷電信號識別模型，用數(shù)字化地閃雷電信號識別模型對輸入的數(shù)字信號進行參數(shù)計算及判定，該文獻只針對雷電的電磁信號進行識別，而沒有考慮雷電發(fā)生時的聲光信息。中國專利文獻200910301972. 3光聲雷電探測方法及其探測器，利用向上的攝像機和聲音采集器對定點的雷電圖像和聲音信息進行采集，而沒有考慮對大范圍區(qū)域的雷電信息進行采集。中國專利文獻200920084968. 1數(shù)字式雷電探測裝置，由天線，信號調理器，模數(shù)轉換器，地閃雷電信號識別模型模塊，系統(tǒng)控制管理器，輔助控制管理器，通信接口，外部存儲器及時鐘組成。通過DSP、CPLD和FPGA組合運用實現(xiàn)地閃雷電信號識別模型的完全可編程性，并具有可再配置能力。該文獻只針對雷電的信號進行識別，沒有考慮對雷電多維物理數(shù)據(jù)的采集和一致性處理?，F(xiàn)有的雷電探測方法大多集中在對閃電發(fā)生時的電磁變化的獲取，大多數(shù)方法探測方法是為了氣象觀測與統(tǒng)計，而不是用于對雷電的模擬。雷電的聲光采樣與模擬方法通過對真實雷電的聲光采樣，獲取大量的多維雷電數(shù)據(jù)庫，可生成高真實感的雷電形態(tài)及其聲音的模擬，在未來的虛擬現(xiàn)實、影視特效、災難控制中有著巨大的應用空間。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的是解決雷電的高真實感模擬問題，在進行雷電三維形態(tài)模擬的同時實現(xiàn)對應雷聲的模擬，實現(xiàn)可控的生成數(shù)據(jù)驅動的帶有聲光信息的雷電三維模型。為完成本發(fā)明的目的，本發(fā)明采用的技術方案是(1)設計一種雷電的可移動聲光采樣裝置，利用麥克風陣列、魚眼相機、GPS、車速測量設備和避雷針組成采樣裝置，在測量閃電的全景圖像的同時，可獲取閃電發(fā)生時的雷聲，并可放置車輛上進行移動采樣；(2)車載采樣裝置在雷電發(fā)生區(qū)域進行定點和移動采集，獲取采集雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)；(3)對獲取數(shù)據(jù)進行去噪及一致性處理，實現(xiàn)雷聲、閃電、車速、GPS獲取數(shù)據(jù)的時空一致性標定；(4)利用步驟(3)中標定好的數(shù)據(jù)，提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫；(5)利用步驟中映射數(shù)據(jù)庫可控的生成數(shù)據(jù)驅動帶有雷電聲光信息的閃電模型。所述的步驟(1)中雷電的可移動聲光采樣裝置進一步分為以下部分(1. 1)麥克風陣列利用麥克風陣列確定雷聲方向并獲取雷的聲音特性；(1. 2)魚眼相機利用向上安置的魚眼相機采集廣角范圍的閃電形態(tài)；(1. 3) GPS 利用GPS對移動采樣中的采樣位置進行精確定位；(1. 4)車速測量設備對車輛行駛速度進行準確提??；(1. 5)避雷針實現(xiàn)對雷電發(fā)生區(qū)域進行移動采樣時的安全防護。所述的步驟(3)中采樣數(shù)據(jù)的去噪及一致性處理具體分為(3. 1)對魚眼相機的標定、曝光控制及去除噪聲處理方法；(3. 2)對麥克風陣列進行去噪處理方法；(3. 3)定點采集時單個雷電發(fā)生時形態(tài)采樣數(shù)據(jù)與聲音采樣數(shù)據(jù)的時間一致性標定方法；(3.4)定點采集時多個雷電同時發(fā)生時，對各個雷電的發(fā)生位置和其對應形態(tài)的一致性標定方法；(3. 5)移動采樣時獲取數(shù)據(jù)的一致性連續(xù)拼接方法；(3. 6)移動采樣時車輛移動速度與采樣數(shù)據(jù)的一致性標定方法。所述的步驟(5)中數(shù)據(jù)驅動的閃電模擬包括(5. 1)生成聲音數(shù)據(jù)驅動的閃電三維模型方法；(5. 2)生成閃電形態(tài)參數(shù)驅動的雷聲模擬方法；(5. 3)可控的生成聲光數(shù)據(jù)驅動的帶有雷電聲光信息的高真實感雷電模型。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是(1)實現(xiàn)可以同時采集雷電的圖像和聲音屬性；(2)定點采集與移動采集結合實現(xiàn)大范圍雷電數(shù)據(jù)的采集；(3)并利用麥克風陣列確定雷電發(fā)生的位置，利用魚眼相機捕獲天空的全景圖像， 實現(xiàn)同一時刻多個雷電同時發(fā)生時的采集；(4)利用采樣數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫；(5)實現(xiàn)數(shù)據(jù)驅動的帶有聲音信息的雷電真實感模擬。


圖1為本發(fā)明的雷電可移動聲光采樣設備圖；圖2為本發(fā)明的雷電聲光采樣及模擬方法過程示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。對雷電進行數(shù)據(jù)采集和模擬是建立在一個前提之上(1)雷電發(fā)生區(qū)域已知，即對雷電高發(fā)區(qū)域的監(jiān)測得知該區(qū)域雷電頻發(fā)或者通過氣象數(shù)據(jù)得知該區(qū)域即將發(fā)生雷電現(xiàn)象；(2)GPS定位系統(tǒng)覆蓋采樣區(qū)域。在以上兩個前提條件下，對雷電的聲光進行采樣與模擬，實施流程如圖( 所示， 具體步驟如下步驟(1)設計一種雷電的可移動聲光采樣裝置，如圖(1)所示。利用麥克風陣列、 魚眼相機、GPS、車速測量設備和避雷針組成采樣裝置，在測量閃電的全景圖像的同時，可獲取閃電發(fā)生時的雷聲，并可放置車輛上進行移動采樣。其中各設備的作用如下(1. 1)麥克風陣列利用麥克風陣列確定雷聲方向并獲取雷的聲音特性，聲音探測器獲取雷的聲音，并通過對聲音分析確定雷電發(fā)生時的位置。采用麥克風陣列來進行雷電聲音的采樣，在獲取雷聲強度的同時，利用基于麥克風陣列的聲源定位算法判斷雷電發(fā)生的起始位置。閃電雷聲信號集中在頻率低于100HZ的可聞區(qū)和次聲區(qū)，其聲強的峰值位于40HZ附近，可探測距離在25Km以內；(1. 2)魚眼相機利用向上安置的魚眼相機采集廣角范圍的閃電形態(tài)；(1. GPS:利用GPS對移動采樣中的采樣位置進行精確定位。利用衛(wèi)星和GPS定位器對固定采集節(jié)點和移動采集結果進行定位，尤其是對移動采樣節(jié)點的定位，可以精確獲得每次采樣時的位置，通過GPS的定位實現(xiàn)在傳感網(wǎng)絡中的任意位置進行采樣，并可通過GPS的信息對不同采樣點的采樣結果進行一致性標定處理；(1. 4)車速測量設備對車輛行駛速度進行準確提?。?1. 5)避雷針實現(xiàn)對雷電發(fā)生區(qū)域進行移動采樣時的安全防護。利用麥克風陣列確定多個雷電的發(fā)生位置，利用向上安置的魚眼相機采集廣角范圍的多個閃電形態(tài)；GPS實現(xiàn)采樣位置的定位，三種設備的標定實現(xiàn)多個雷電同時發(fā)生時的數(shù)據(jù)獲取。步驟( 在雷電發(fā)生區(qū)域進行定點和移動采集，獲取采集雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)。通過對定點位置進行雷電聲光信息采集可獲取該區(qū)域發(fā)生的雷電數(shù)據(jù)，車載移動采樣可以獲取大范圍雷電發(fā)生區(qū)域的采樣數(shù)據(jù)。步驟C3)對獲取數(shù)據(jù)進行去噪及一致性處理，進行雷聲、閃電、車速、GPS的獲取數(shù)據(jù)的標定。具體包括以下方法(3. 1)對魚眼相機的標定、曝光控制及去除噪聲處理方法；(3. 2)對麥克風陣列進行去噪處理方法；(3. 3)定點采集時單個雷電發(fā)生時形態(tài)采樣數(shù)據(jù)與聲音采樣數(shù)據(jù)的時間一致性標定方法，光的傳播速度是3X 108m/s，聲音的傳播速度340m/s，通過對兩種不同傳播速度的信息進行同步，實現(xiàn)閃電發(fā)生形態(tài)與聲音信息的對應；(3.4)定點采集時多個雷電同時發(fā)生時，對各個雷電的發(fā)生位置和其對應形態(tài)的一致性標定方法，魚眼鏡頭捕獲超過180度廣角的閃電圖像信息，通過對捕獲圖像中的閃電區(qū)分確定同時發(fā)生的雷電的個數(shù)，利用聲音獲取設備中對多個聲源點的區(qū)分，實現(xiàn)閃電和聲音的一致匹配；(3. 5)移動采樣時獲取數(shù)據(jù)的一致性連續(xù)拼接方法，車輛在移動過程中不斷對閃電形態(tài)和雷聲采樣，得用車速儀上獲取的信息及GPS的定位信息，可以獲得車輛在以一定車速移動時對雷電傳播過程的觀測值；(3. 6)移動采樣時車輛移動速度與采樣數(shù)據(jù)的一致性標定方法，車輛在移動過程中，聲音、圖像的傳播速度是不一致的，通過GPS、車速儀的獲取數(shù)據(jù)，可以對采樣得到的各組數(shù)據(jù)實現(xiàn)一致性標定。步驟(4)利用步驟(3)中標定好的數(shù)據(jù)，提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫。對數(shù)據(jù)庫中雷電的采樣數(shù)據(jù)進行基于統(tǒng)計的對比分析，提取雷電聲音與閃電形態(tài)的映射，生成帶有映射關系的雷電聲光數(shù)據(jù)庫。步驟( 利用步驟(4)中映射數(shù)據(jù)庫可控的生成聲光數(shù)據(jù)驅動帶有雷電聲光信息的閃電模型。具體包括(1)生成聲音數(shù)據(jù)驅動的閃電三維模型方法；(2)生成閃電形態(tài)參數(shù)驅動的雷聲模擬方法；(3)實現(xiàn)對雷電傳播過程的模擬；(4)可控的生成聲光數(shù)據(jù)驅動的帶有雷電聲光信息的高真實感雷電模型，實現(xiàn)基于物理雷電模擬。本發(fā)明未詳細闡述的部分屬于本領域的技術人員公知技術。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1.一種雷電的聲光采樣與模擬方法，其特征在于包括步驟(1)利用麥克風陣列、魚眼相機、GPS、車速測量設備和避雷針組成雷電的可移動聲光采樣裝置，在測量閃電的全景圖像的同時，獲取閃電發(fā)生時的雷聲，所述雷電的可移動聲光采樣裝置放置在車輛上進行移動采樣；(2)在雷電發(fā)生區(qū)域進行定點和移動采集，獲取雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)；(3)對獲取的數(shù)據(jù)進行去噪及一致性處理，進行雷聲、閃電、車速、GPS的獲取數(shù)據(jù)的標定；(4)利用步驟(3)中標定好的數(shù)據(jù)，提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫；(5)利用步驟中映射數(shù)據(jù)庫生成由聲光數(shù)據(jù)驅動的帶有雷電聲光信息的閃電模型。
2.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(1)中， 所述麥克風陣列確定雷聲方向并獲取雷的聲音特性；所述魚眼相機向上安置，采集廣角范圍的閃電形態(tài)； 所述GPS對移動采樣中的采樣位置進行精確定位； 所述車速測量設備對車輛行駛速度進行準確提??； 所述避雷針實現(xiàn)對雷電發(fā)生區(qū)域進行移動采樣時的安全防護。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的雷電聲光采樣方法，其特征在于所述采樣裝置在定點采集時可以實現(xiàn)多個雷電同時發(fā)生時的數(shù)據(jù)獲取利用麥克風陣列確定多個雷電的發(fā)生位置，利用向上安置的魚眼相機采集廣角范圍的多個閃電形態(tài)；GPS實現(xiàn)采樣位置的定位，三種設備獲取數(shù)據(jù)的一致性標定實現(xiàn)多個雷電同時發(fā)生時的數(shù)據(jù)獲取。
4.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟O)中在雷電發(fā)生區(qū)域進行定點和移動采集獲取雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)，具體包括通過對定點位置進行雷電聲光信息采集獲取該區(qū)域發(fā)生的雷電數(shù)據(jù)，車載移動采樣獲取大范圍雷電發(fā)生區(qū)域的采樣數(shù)據(jù)。
5.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(3)中對獲取的數(shù)據(jù)的去噪及一致性處理具體包括(1)對魚眼相機進行標定、曝光控制及去除噪聲處理；(2)對麥克風陣列獲取的數(shù)據(jù)進行去噪處理；(3)定點采集時單個雷電發(fā)生時形態(tài)采樣數(shù)據(jù)與聲音采樣數(shù)據(jù)的時間一致性標定；(4)定點采集時多個雷電同時發(fā)生時，對各個雷電的發(fā)生位置和其對應形態(tài)的一致性標定；(5)移動采樣時獲取數(shù)據(jù)的一致性連續(xù)拼接；(6)移動采樣時車輛移動速度與采樣數(shù)據(jù)的一致性標定。
6.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟中提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫具體包括對雷電的采樣數(shù)據(jù)進行基于統(tǒng)計的對比分析，提取雷電聲音與閃電形態(tài)的映射，生成帶有映射關系的雷電聲光映射數(shù)據(jù)庫。
7.根據(jù)權利要求1所述的方法，其特征在于所述的步驟(5)中利用采樣數(shù)據(jù)庫生成由聲光數(shù)據(jù)驅動的帶有雷電聲光信息的閃電模型具體包括(1)生成聲音數(shù)據(jù)驅動的閃電三維模型；(2)生成閃電形態(tài)參數(shù)驅動的雷聲；(3)生成由聲光數(shù)據(jù)驅動的帶有雷電聲光信息的閃電模型。
全文摘要
本發(fā)明屬于自然現(xiàn)象模擬領域，具體是一種雷電的聲光采樣與模擬方法。本發(fā)明的技術方案為(1)設計雷電的可移動聲光采樣裝置，利用麥克風陣列、魚眼相機、GPS、車速測量設備和避雷針組成采樣裝置，在測量閃電的全景形態(tài)的同時，可獲取閃電發(fā)生時的雷聲，并可放置車輛上進行移動采樣；(2)車載采樣裝置在雷電發(fā)生區(qū)域進行定點和移動采集，獲取采集雷電發(fā)生時的聲光數(shù)據(jù)；(3)對獲取數(shù)據(jù)進行時空一致性處理，進行雷聲、閃電、車速、GPS獲取數(shù)據(jù)的一致性標定；(4)利用步驟(3)中標定好的數(shù)據(jù)，提取雷聲和閃電形態(tài)的映射，生成雷電的聲光映射數(shù)據(jù)庫；(5)利用步驟(4)中映射數(shù)據(jù)庫可控的生成聲光數(shù)據(jù)驅動帶有雷電聲光信息的閃電模型。
文檔編號G06F17/30GK102306392SQ20111013003
公開日2012年1月4日 申請日期2011年5月19日 優(yōu)先權日2011年5月19日
發(fā)明者伍朝輝, 吳威, 周忠, 趙沁平 申請人:北京航空航天大學