一种基于大气电场背景噪声自动追踪的雷电预警方法

摘要

本发明公开了一种基于大气电场背景噪声自动追踪的雷电预警方法，主要包括：S1：输入关注区域实测的大气电场数据；S2：等时间间隔截取输入数据后进行分帧处理；S3：以帧为单位求取每一时间段大气电场的功率谱；S4：根据所求大气电场功率谱的特征估算背景噪声功率谱；S5：计算每一帧大气电场功率与背景噪声功率的比值进行雷电预警。该方法可自动追踪非雷暴时刻变化缓慢的背景电场，消除了噪声对雷暴前期电场突变判断的影响，为电场环境复杂、气候差异较大的区域提供了一种适应性强、实用性高的雷电预警方法。

说明书

技术领域

本发明属于雷电预警技术领域，尤其涉及一种基于大气电场背景噪声自动追踪的雷电预警方法。

背景技术

雷电是自然界中频繁发生的一种剧烈放电现象，给人类的劳动生产以及生命安全带来了极大的危害。据统计，我国每年雷击次数高达1000万余次，因雷击造成的人员伤亡3000~4000人，直接经济损失约100亿元人民币。现有的防雷措施有多种，如安装避雷器（针、线）、降低接地电阻等，但这些被动式的雷电防护措施已无法满足人类生产提出的防雷新要求。因此，有必要开拓以雷电预警为基础的主动性雷电防护新思路，在雷暴临近前采取有效的处理措施或制定合理的应急预案以减小户外设施的雷击故障率以及因雷击造成的经济损失和人员伤亡。

国内外研究学者对于雷电预警已开展大量的研究，主要是依据雷暴前大气电场的幅值特征，辅以雷电定位、气象雷达、卫星云图等多维雷电观测资料进行雷电活动预警。如《一种雷电预警装置及雷电预警的实现方法》（201210557928.0）是通过判断雷电波和电场是否均达到预警设定值来启动报警程序；《雷电预警方法及装置》（201010567357.X）公开了一种根据计算得到的雷电源距离及雷电发生的频数进行不同等级雷电报警的方法；《适用于输电线路施工作业的雷电预警系统及预警方法》（201310726107.X）综合了雷达回波、雷电定位以及大气电场信息实现不同等级的雷电预警。上述雷电预警方法通过设置大气电场预警阈值来完成雷暴天气的判断，简单、可行，在工程应用中具有一定的效果。但所设阈值需要前期对雷暴天气与非雷暴天气的大气电场数据进行大量的对比分析，而且预警效果受大气电场仪所处环境较大，导致实际应用中误报、漏报较多。

有鉴于此，有必要提供一种基于大气电场背景噪声自动追踪的雷电预警方法，以解决上述问题。

发明内容

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供一种基于大气电场背景噪声自动追踪的雷电预警方法，依据雷暴天气与非雷暴天气大气电场的变化特征，在求取大气电场功率谱的基础上，采用自适应噪声谱估计方法计算大气电场背景噪声的功率谱，并以大气电场功率与背景噪声功率的比值作为雷电预警的依据。

为实现此目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于大气电场背景噪声自动追踪的雷电预警方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：输入关注区域实测的大气电场数据；

S2：等时间间隔截取输入数据后进行分帧处理；

S3：以帧为单位求取每一时间段大气电场的功率谱；

S4：根据所求大气电场功率谱的特征估算背景噪声功率谱；

S5：计算每一帧大气电场功率与背景噪声功率的比值进行雷电预警。

作为进一步可选的技术方案，上述方案中，步骤S4中根据所求大气电场功率谱的特征，采用自适应噪声谱估计方法估算背景噪声的功率谱，包括：

a) 采用一阶递归公式计算大气电场的平滑功率谱；

b) 计算平滑功率谱中的功率基准值；

c) 计算每一帧平滑功率与功率基准值的比值；

d) 根据上述比值计算背景噪声的平滑系数；

e) 根据上述系数计算背景噪声功率谱。

作为进一步可选的技术方案，上述方案中，所述的自适应噪声谱估计方法，功率基准值计算方法为：若当前帧的平滑功率小于前一帧的功率基准值，则将当前帧的平滑功率作为当前帧的功率基准值；否则，对前一帧的功率基准值采用一阶函数进行自适应调整，比较调整后功率与当前帧平滑功率的大小，取较小值作为当前帧的功率基准值。

作为进一步可选的技术方案，上述方案中，所述的功率基准值计算方法，实测大气电场在当前时间段内第一帧的功率基准值为上一时间段尾部平滑功率的最小值，若为初次运行雷电预警程序，则将第一帧的平滑功率作为第一帧的功率基准值。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：该方法可自动追踪非雷暴时刻变化缓慢的背景电场，消除了噪声对雷暴前期电场突变判断的影响，为电场环境复杂、气候差异较大的区域提供了一种适应性强、实用性高的雷电预警方法。

附图说明

图1是本发明一种基于大气电场背景噪声自动追踪的雷电预警方法的流程图。

图2是本发明实施例的非雷暴天气雷电预警过程图。

图3是本发明实施例的雷暴天气雷电预警过程图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样在本申请所列权利要求书限定范围之内。

通常情况下，非雷暴天气的大气电场变化缓慢，幅值也较小，其统计变化范围为0.019~0.310 kV/m；然而雷暴发生前，大气电场即开始剧烈抖动，幅值也增大，可达到8kV/m，甚至更高。根据这一特点，再考虑环境中噪声电场的影响，可提出一种基于大气电场背景噪声自动追踪的雷电预警方法。该方法在大气电场的实时监测过程中，依据非雷暴时刻大气电场变化缓慢的特点自动追踪大气环境中的背景电场，再根据雷暴前期大气电场幅值突变的特征进行雷电预警，为电场环境复杂、气候差异较大的区域提供了一种适应性强、实用性高的雷电预警方法。

如图1所示，在本发明的一个具体实施例中，依据关注区域实测的大气电场数据进行雷电预警，具体包括以下步骤：

S1：采用已标定好的大气电场仪实时探测关注区域的大气电场，并将探测到的大气电场数据作为雷电预警程序的输入；

S2：等时间间隔截取输入的实测大气电场数据，对截取后的大气电场数据进行分帧处理；

S3：对分帧处理后的大气电场数据采用傅里叶变换依次求取当前时间段内每一帧大气电场的幅值谱，进而获得当前时间段的大气电场功率谱；

S4：采用自适应噪声谱估计方法估算大气电场背景噪声的功率谱，主要包括：

a) 采用一阶递归公式计算大气电场平滑功率谱P(λ,>)为

b) 计算平滑功率谱中的功率基准值P_ref(λ,>)有

c) 计算每一帧平滑功率与功率基准值的比值S_r(λ,>)有

d) 根据上述比值计算背景噪声的平滑系数α_s(λ,>)的方法为

① 判断是否为雷暴前期的大气电场

② 计算为雷暴前期大气电场的概率S_p(λ,>)

③ 计算背景噪声的更新系数α_s(λ,>)

e) 根据上述系数计算背景噪声功率谱N(λ,>)有

其中，>(λ,>)为傅里叶变换后得到的大气电场幅值谱；λ为分帧后的帧序号；k为傅里叶变换后的频段序号；δ(k)为与频段有关的噪声更新判断阈值；η、γ、β、α_p、α_d为常数。

S5：依次计算每一帧大气电场功率与背景噪声功率的比值，若大于预设阈值，则发出相应的雷电预警信息，否则进行下一帧比值的判断。完成当前时间段最后一帧比值的判断后，等待下一时间段大气电场数据的输入，重复步骤S1~S5。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

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