[发明专利]一种基于多时间尺度DBSCAN和样本熵的雷暴云点电荷移动路径成像方法

说明书

本发明针对雷暴云发展过程难以可视化问题，提出一种基于多时间尺度DBSCAN和样本熵的雷暴云点电荷移动路径成像方法；采用CEEMDAN‑SG对时序大气电场信号进行分解后，将重构信号再分解成多组样本数相等的信号分量。根据能反映不同电场信号规则的样本熵，对分量信号进行时序重构，形成多时间尺度电场信号。引入点电荷定位算法，得到对应尺度的点电荷移动路径分支。利用DBSCAN将分支数据进行聚类后，根据原时序进行曲线拟合，实现移动路径成像。结果表明，该方法能够对电场信号进行二次去噪，相比于聚类前，聚类后的成像误差降低了约2.33％。

技术领域

本发明属于雷电探测领域，具体涉及一种基于多时间尺度DBSCAN和样本熵的雷暴云点电荷移动路径成像方法。

背景技术

大气电场是大气物理和空间物理领域的重要物理现象。就全球平均而言，近地面大气电场强度约为0.1kV/m至0.2kV/m，从地面到大气顶部总电势差约为250kV。闪电发生期间地面电场强度峰值可达到达几十千伏/米，呈现脉冲变化特征。一些研究成果还表明大气电场强度与沙尘暴、地震等重大灾害活动有关。基于大气电场测量的雷电预警方法研究，对提高雷电灾害预警防护能力，具有重要的理论和实际应用价值。

近些年，国内外已出现三维大气电场测量的成果。为研究电场信号与雷暴云点电荷方位关系，Xing等人于2019年利用三维大气电场分量，推导出雷暴云点电荷坐标公式，提出了一种点电荷定位算法，取得了一定成果。然而，他们仅利用少量间断时间点的电场数据进行了实验。Tantisattayakul等人设计了能在地面同时测量大气电场垂直和水平分量的混合式大气电场仪，在一次雷暴活动中成功指出闪电密集区域位置，与闪电定位仪数据基本吻合。张星等人研制了由三个正交方向感应片组成的高空三维电场仪，特别设计了保温和电池单元，但主要用于高空三维电场探测。若考虑实际长时序大气电场信号的非线性非平稳特征，这些方法还有待于进一步验证。

发明内容

发明目的：针对以上问题，本发明提出一种基于多时间尺度DBSCAN和样本熵的雷暴云点电荷移动路径成像方法。

技术方案：为实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案是：一种基于多时间尺度DBSCAN和样本熵的雷暴云点电荷移动路径成像方法，包括如下步骤：

步骤1，利用基于互补集合经验模态对原始大气电场信号分解得到模态分量，并根据各模态分量的自相关函数划分白噪声占主导的模态分量和剩余分量，对白噪声占主导的模态分量进行SG滤波，将滤波后的模态分量与剩余分量进行重构，得到预处理后的大气电场信号，包括：

步骤1.1，对原始大气电场信号加入和减去白噪声，得到第i次加入和减去白噪声后的大气电场信号：

式中，x(n)为原始大气电场信号；ω_i(n)为第i次加入和减去的白噪声信号，i＝1,2,…,N；N为加入和减去高斯白噪声的次数；为第i次加入白噪声后的大气电场信号；为第i次减去白噪声后的大气电场信号；

步骤1.2，分别对大气电场信号和进行分解，得到各自对应的模态分量；其中，表示大气电场信号分解得到的第j个模态分量，j＝1,2,…,M，M表示模态分量的数目，其中大气电场信号与大气电场信号分解得到的模态分量的数目可能不同；表示大气电场信号分解得到第j个模态分量；IMF表示固有模态分量；

步骤1.3，将分解后的模态分量进行集成平均，得到新的模态分量；其中，集成平均公式如下：

式中，IMF_j(n)表示集成平均后的第j个模态分量；