基于Savitzky-Golay滤波的雷暴天气大气电场信号分析.pdf
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1、Microcomputer Applications Vol.39,No.10,2023文章编号:10 0 7-7 57 X(2 0 2 3)10-0 0 14-0 4基于Savitzky-Golay滤波的雷暴天气大气电场信号分析基金项目微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期李卫平,何静,曾祥平,封隆永(重庆市防雷中心,重庆40 1147)摘要:基于重庆市南川区金佛山野外雷电观测场2 0 2 1年大气电场数据及重庆市ADTD闪电定位资料,利用Savitzky-Golay卷积平滑滤波、快速傅里叶变换等信号处理方法对大气电场信号从时域、频域两方面进行分析。分析结果表明:选取窗口宽度n=3
2、3,拟合阶次k=3时,滤波效果较为理想;大气电场信号能量主要存在于0 0.0 5Hz的低频部分;地闪是引起大气电场突变的重要因素,残差信号不能简单地作为噪声予以去除,选取雷暴天气时不同波形的大气电场数据进行滤波得到的残差信号与ADTD定位数据作对比,验证了其中包含较为丰富的闪电信息。关键词:大气电场;S-G滤波;频谱分析;残差中图分类号:TP23文献标志码:AAnalysis of Atmospheric Electric Field Signal in Thunderstorm WeatherBased on Savitzky-Golay FilteringLI Weiping,HE Jin
3、g,ZENG Xiangping,FENG Longyong(Chongqing Lightning Protection Center,Chongqing 401147,China)Abstract:Based on the 2021 atmospheric electric field data of Jinfoshan lightning observation field in Nanchuan District and theADTD data of Chongqing,we analyze the atmospheric electric field signal in time
4、domain and frequency domain by signal pro-cessing methods such as Savitzky-Golay filtering and fast Fourierian transform.The results show that when the window widthn=33 and the fitting order k=3,The filtering effect is relative ideal.The signal energy of atmospheric electric field mainly ex-ists in
5、the low frequency part of 00.05 Hz;CG lightning is an important factor causing sudden change of atmospheric electricfield,and the residual signal can not be simply removed as noise.Compared the residual signal obtained by filtering the atmos-pheric electric field data of different waveforms in thund
6、erstorm weather and the ADTD data,it is proved that the signals con-tain rich information of CG lightning.Key words:atmospheric electric field;S-G filtering;spectrum analysis;residuals卷积平滑滤波(以下简称S-G滤波)分离大气电场信号高频、0引言低频部分,而后使用快速傅里叶变换(FFT)等信号处理方法大气电场是大气电学的一个重要参数。观测和研究表对滤波前后信号及残差信号从时域、频域两方面进行分析,明,在雷暴等天气
7、时大气电场场强受到扰动而剧烈变化,呈并结合当年ADTD闪电定位资料进行对比研究。现出不同于晴天大气电场的显著特征-2。雷雨云内电荷积1资料和方法累、电偶极子形态变化等均会导致地面大气电场场强发生变化,雷电活动时大量电荷在云内、云一空、云一地间转移,也会导致地面大气电场发生突变甚至正负反转。因此,可以通过地面大气电场变化情况来反演雷雨云中电场变化,从而对目标区域的雷电活动进行分析。雷电发生时,由于云内电荷积累变化或云闪、地闪,以及其他电磁干扰等造成地面大气电场场强变化情况非常复杂,单纯地从时域或频域进行分析不能完全掌握其全部情况,为了进一步了解雷暴过程中大气电场变化情况,本文基于重庆市南川区金佛
8、山野外雷电观测场2 0 2 1年312 月大气电场数据,首先利用Savitzky-Golay作者简介:李卫平(198 1一),男,硕士,高级工程师,研究方向为雷电科学与防护技术;曾祥平(197 8 一),男,本科,高级工程师,研究方向为雷电科学与防护技术;封隆永(198 7 一),女,本科,工程师,研究方向为雷电科学与防护技术。通信作者:何静(198 6 一),女,本科,工程师,研究方向为雷电科学与防护技术。141.1大气电场资料大气电场资料来源于重庆市南川区金佛山野外雷电观测场的Pre-storm2.0型场磨式大气电场仪于2 0 2 1年3一12月不间断采集的数据。该电场仪工作基本原理:电机
9、带动屏蔽金属片旋转,使感应金属片交替暴露在电场中或被屏蔽,从而产生与外界电场强度成正比的感应电荷,感应片连接到放大处理电路及波形调整电路,输出电压信号,经过标定,该电压可以表征大气电场的强度以及极性变化。其主要技术参数如表1所示。Microcomputer Applications Vol.39,No.10,20233W采样速率5ms测量范围300kV/m灵敏度5V/m分辨率1 V/m有效探测范围1020km测量误差5%转速误差1%1.2闪电定位数据本文采用重庆市闪电定位系统2 0 2 1年地闪定位资料。闪电定位系统由第二代ADTD闪电定位仪、中心数据处理站、用户数据服务网络及图形显示终端组成
10、,其观测网络由重庆市内的5个监测站和邻近省份的10 个监测站组成。系统实现了对地闪时间、位置(经度、纬度)、雷电流峰值和极性不间断自动监测,探测效率8 5%以上,网内探测定位精度小:(0)1(c)o1:m-11(m-1)1ymL1(m)1其矩阵表达形式:Y(2m+1)x1=X(2m+1)X AkxI+E(2m+1)XIA的最小二乘解A为A=(XT,X)-1.XT.Y经滤波后,输出值或预测值Y为Y=X.A=X.(XT.X)-I.XT.Y=B.Y2分析和检验2.1窗口宽度及k值确定利用S-G卷积平滑方法对大气电场信号进行滤波时,首先要选取合适的滤波窗口宽度及k值。对一段长度为N的大气电场离散序列而
11、言,滤波窗口宽度n及拟合阶次k值大小对滤波效果影响显著,n越大,平滑效果越好;k越大,拟合效果越好,保留的细节信息也越多。但过大的n会导致信号曲线过度平滑,对高频部分去除较多,会导致部分信号的丢失;过大的k值,能保留信号的部分高频特征但平滑效果又较差,同时也大幅增加了计算的复杂度。对窗口宽度与拟合阶次的选取是对保持更多信号有效细节与平滑效果的综合考虑,为了兼顾平滑效果及尽量保留信号特征,随机选取一段长度为N的雷暴天气地面大气电场信号,选取不同的n、k值进行S-G滤波,其效果如图1所示。可以看出,原始大气电场信号由于含有较多的突变尖峰,信号重叠较为严重,很基金项目表1大气电场仪主要技术参数于30
12、 0 m,闪电回击的处理时间在1ms左右。名称主要技术参数电压范围24 V(DC)功耗(-m)1mJm+1:微型电脑应用2 0 2 3年第39 卷第10 期1.3数字滤波方法S-G滤波器又称 S-G卷积平滑器,它是一种特殊的低通滤波器,用来平滑噪声数据。该方法最初由 SAVITZKY A和GOLAYM于19 6 4年提出,而后被广泛地运用于信号去噪,采用在时域内基于多项式最小二乘法及窗口移动实现最佳拟合的方法。与通常的滤波器要经过时域一频域一时域变换不同,S-G滤波直接处理时域数据进行平滑,其平滑效果随窗口宽度不同而不同。相对于均值平滑滤波,S-G滤波更能保留相对极大值、极小值和宽度等分布特征
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