閃電定位演算法研究

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姓名

柯景元(Ching-Yuan Ko) 查詢紙本館藏

畢業系所

太空科學與工程研究所

論文名稱

閃電定位演算法研究

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摘要(中)

利用中壢特高頻雷達觀測大氣閃電已有將近30年的歷史，但過去所發展的閃電回波訊號分析方法與閃電定位的雷達干涉法，並不完善，導致所獲得的閃電特性不是很精確。本研究利用2012年所增設的干涉天線陣列，推導出閃電發生次數的理論統計模型，可以精確地描述背景雜訊與階梯先導(Step Leader)雷達回波的功率分布。為了使雷達閃電資料有更快的自動化演算法，使用DBSCAN（Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise）依照階梯先導雷達回波將閃電事件分類，加速找尋主動式觀測閃電回波的方法。在定位上解決雷達回波的相位混淆(Phase Ambiguity)問題，並針對定位方法的誤區做進一步討論，且利用空拍機與民航機的廣播式自動相關監視（Automatic Dependent Surveillance-Broadcast, ADS-B）計算出系統相位偏差Δϕ_12=-3.9817°、Δϕ_13=-5.2656°、Δϕ_14=67.9898°、Δϕ_15=-54.019°，得以精確的定位出閃電在三維空間中的位置，並進而辨識出雲閃(Cloud-to-cloud Lightning)與地閃(Cloud-to-ground Lightning)的類別，最後與氣象局的閃電落雷系統即時觀測系統定位結果比較，探討兩系統之差異與過去研究之異同。

摘要(英)

The Chung-Li VHF radar Station has been used to observe atmospheric lightning for nearly 30 years, but the lightning echo signal analysis method and the radar interferometry method for lightning location developed in the past are not perfect, resulting in inaccurate lightning characteristics. In this study, an interferometric antenna arrays was set up in the Republic of China in 2012 to derive a theoretical statistical model for the number of lightning occurrences, which can accurately describe the power distribution of background noise and step leader radar echoes. To enable faster automatic algorithms for radar lightning data, DBSCAN (Density-Based Spatial Clustering of Applications with Noise) was used to classify lightning events according to step leader radar echoes, accelerating the search for active lightning methods. In terms of positioning, the phase ambiguity problem of lightning echoes was solved, and further discussions were conducted on the error region of the positioning method, enabling the precise positioning of lightning in three-dimensional space and identifying the categories of intra-cloud lightning and cloud-to-ground lightning. Finally, compare the differences between the two systems and the similarities and differences of previous studies with the real-time observation system positioning results of the lightning strike system of the CWB.

關鍵字(中)

★ 雷達訊號處理

關鍵字(英)

論文目次

目錄
摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
目錄 v
圖目錄 viii
表目錄 xii
第一章、前言 1
1.1 研究動機與文獻回顧 1
1.2 閃電成因 3
1.3 雷達回波理論與閃電回波雷達方程式 6
第二章、閃電系統介紹 10
2.1 中壢特高頻雷達簡介 10
2.2 氣象局定位系統簡介 15
第三章、雷達干涉法 19
3.1 干涉方程式推導 19
3.2 相位混淆處理 26
3.3 干涉方程式誤差 29
3.4 系統相位偏差 36
第四章、閃電回波訊號分析與處理 43
4.1 背景雜訊統計方法 43
4.1.1 被動式訊號門檻制定 45
4.1.2 回波SNR強度 46
4.1.3 強度發生次數 47
4.2 DBSCAN分類法 50
4.3 瑞利分布與韋伯分布 54
4.4 被動式訊號統計 60
4.5 主動式訊號門檻制定 62
4.5.1 韋柏分布之累計密度分布 62
4.5.2飛機、低層大氣訊號門檻制定 63
4.6 閃電事件分析 65
第五章、定位結果與討論 69
5.1 自動化演算法與人工判讀之差異 69
5.2 中壢特高頻相位雷達定位系統與氣象局定位系統結果比較 74
第六章、結論與未來展望 79
6.1 結論 79
6.2 未來展望 80
第七章、參考文獻 82
附錄 84

參考文獻

1. Albert Wallace Hull, The Effect of Electrolytes on the Rectifying Properties of the Oxide Films on Aluminum, 1927.
2. Clifford, D. W., Crouch, K. E., & Schulte, E. H. (1982). Lightning simulation and testing. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, (2), 209-224.
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4. Takahashi, T. (1984). Thunderstorm electrification—A numerical study. Journal of the Atmospheric Sciences, 41(17), 2541-2558.
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6. 雷の科学 http://fnorio.com/0089thunderbolt1/thunderbolt1.html#5
7. 朱延祥. (1998). MST 雷達回波機制的研究 (Doctoral dissertation, 博士論文, 國立中央大學).
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10. 曾子弋（2014）。閃電之定位與誤差模擬:雷達干涉法與時間差法之分析與研究。﹝碩士論文。國立中央大學﹞臺灣博碩士論文知識加值系統。 https://hdl.handle.net/11296/zk757h。
11. 韓劍（2015）。同相散射雷達觀測雲對地閃電與地面電場關聯性之研究。﹝碩士論文。國立中央大學﹞臺灣博碩士論文知識加值系統。 https://hdl.handle.net/11296/57k672。
12. 江健瑋（2018）。特高頻雷達閃電回波訊號特性分析。﹝碩士論文。國立中央大學﹞臺灣博碩士論文知識加值系統。 https://hdl.handle.net/11296/s5w9dx。
13. 吳鎮宇（2018）。閃電定位系統誤差模擬與比對。﹝碩士論文。國立中央大學﹞臺灣博碩士論文知識加值系統。 https://hdl.handle.net/11296/2z9r2r。
14. 2021年氣象局產品說明文件。
https://www.cwb.gov.tw/Data/data_catalog/3-1-1.pdf
15. 107年第1學期中央大學太空測計及操作I-中壢特高頻雷達107-10-08太空測計.pdf

指導教授

朱延祥(Yen-Hsyang Chu)

審核日期

2023-7-25

推文