闪电电场波形脉冲序列极性变化及成因

地基闪电探测站记录的闪电电场信号普遍存在极性反转现象,不同测站的极性反转时刻不同,目前对该现象没有较清晰的认识。本文详细阐述了闪电放电引起的电场变化信号的测量原理,在此基础上,利用宽带电场和甚高频辐射数据,结合闪电甚高频辐射源的定位结果,分析了闪电电场脉冲极性反转现象的特征和原因。对比基站间距为5 km量级的多站数据,发现不同测站数据电场极性反转并不同时发生,并且极性反转常伴随着脉冲幅值的降低,因此常常导致定位时脉冲提取缺失或到达时间提取的误差增大。利用宽带电场定位和甚高频辐射源定位相互补充,在获得闪电精细化三维定位基础上分析发现,闪电主通道头部的发展方向改变,是导致地面探测站的垂直电场出现极性反转现象的可能原因,主通道头部携带的大量电荷靠近或远离是地面垂直电场变化测量装置脉冲波动的主要原因。对于不同方位的探测站,闪电主通道头部相对运动是导致不同探测站出现脉冲极性反转时刻不同的主要原因。针对极性反转现象造成定位效率下降问题,本文提出了希尔伯特能量谱的解决方案,定位出的闪电辐射源数量提高约9%。     

基于EMD与分形理论的闪电电场信号识别研究

基于经验模态分解(EMD)和分形理论对闪电电场信号的不同放电类型进行了识别研究.对闪电信号进行EMD分解后,用相关系数选取其优势分量并计算出相应的盒分形维数,将这些优势分量的盒维数、闪电信号的多重分形谱参数以及优势分量盒维数与多重分形谱参数的融合分别作为闪电信号的有效特征值,采用支持向量机对云、地闪不同放电类型的闪电信号进行识别研究.结果表明,单一分形特征与多重分形谱参数的融合特征,能够更精确地表征闪电信号的鉴别性特征,会获得更高的识别率,研究成果对闪电类型的识别有一定的参考价值.     

甚高频闪电辐射源的定位与同步观测试验

闪电宽带干涉仪是一种新型的辐射源定位系统.该系统实现了电场变化、辐射源位置和辐射频谱等多个闪电物理参量的同步观测.利用人工放电源对该系统的测试和误差标定发现定位角度均方根误差小于1°.对闪电的实际观测结果表明该系统能够较好地再现闪电通道时空演变特征,并能在空中不同位置有多个辐射源同时出现的情况下进行有效定位.该系统结构简单、容易实现,它不仅适应于闪电观测,也可对其他快速运动的甚高频辐射源进行追踪定位.     

采用EMD和奇异值分解子空间重构的信号降噪新方法

传统的奇异值降噪法对适合奇异值分解的矩阵构造及信号重构时有效秩阶次的选取缺乏具有物理意义的依据.提出一种采用EMD和奇异值分解子空间重构的信号降噪新方法,通过对EMD方法得到的各阶IMF分量构造时频矩阵进行奇异值分解,将信号的特征信息分解到各个不同的时频子空间中,根据时频子空间的特征变化,选择相应的子空间进行奇异值分解逆变换,从而实现信号降噪.对仿真合成电信号及实测机械振动信号的降噪应用,表明该方法能有效地从原始信号中提取所需的信号特征成分,具有直观的物理意义.     

基于经验模式分解的齿轮箱振动辨识

论述了一种新的针对非线性非平稳信号的经验模式分解（EMD）方法，使用EMD方法对齿轮箱振动信号进行了辨识，并且与离散小波分解方法进行了对比，结果表明，通过EMD分解获得的齿轮箱振动内在模式分量（IMFs）能很好地辨识出齿轮的啮合振动模式，且比离散小波方法的分解效率更高；EMD分解的第3个IMF－IMF3清晰地表示出齿轮箱的第一级齿轮的216Hz的啮合振动模式。     

基于EMD的语音信号压缩感知算法

文中将压缩感知理论和经验模态分解方法(empirical mode decomposition,EMD)相结合,用于语音信号压缩上,提出了一种基于EMD的语音信号压缩感知算法。首先用EMD将语音信号分解,可得语音信号的本征模函数信号分量。然后仿真实验模拟EMD分解的过程,并验证本征模函数信号分量的稀疏性。最后结合压缩感知理论基础分别对各个信号分量进行观测抽样,以实现语音信号的压缩。由仿真实验结果可知,语音信号经EMD分解后得到的信号分量在DCT域上较原始语音信号有更好的稀疏性,并且将该算法压缩重构还原出的信号与常规的基于DCT的压缩感知算法以及基于近似KLT的压缩感知算法相比较有更高的平均信噪比,重构性能更佳。     

信息熵与经验模态分解集成的转子故障信号量化特征提取

针对转子振动信号的非线性、非平稳性造成的故障状态难以定量准确描述问题,提出一种基于信息熵和经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)的转子振动信号量化特征提取方法.该方法通过对比转子故障信号EMD分解后各内禀模态分量(intrinsic mode function,IMF)的能量状态及其与原始信号间的相关性程度,在确定出包含主要故障信息的分量基础上,分别对其进行时域、频域及时频域内4种信息熵熵值的计算,从而建立起一种信息熵熵带特征量.实验信号的分析结果表明,该方法能够较好地实现对转子系统故障信号的量化特征提取,所提取出的特征集合具有能够使典型故障特征量之间存在显著差异的性能.     

经验模态分解和魏格纳-维利分布在往复泵泵阀振动信号特征提取中的应用

将经验模态分解(EMD)和魏格纳一维利分布(WVD)两种方法应用于往复泵泵阀振动信号特征的提取.首先对现场采集的振动信号进行EMD分解,再对分解得到的同有模态函数(IMF)分量进行WVD分析后叠加,最终得到的信号Wigner-Viile分布可以有效抑制由于干扰项引起的频率混叠和干扰问题,有助于将原始信号在时间历程、频率成分和幅值大小三个方面的特征信息同时进行准确提取.试验结果表明,该方法能够全面、有效地表征出振动信号中所蕴含的泵阀状态信息,为后续进行泵阀状态识别和故障诊断奠定基础.     

一种基于经验模态分解和流形学习的滚动轴承故障诊断方法

提出一种基于经验模态分解(EMD)和流形学习(LTSA)的滚动轴承故障诊断方法。首先,利用EMD对滚动轴承振动信号进行自适应分解,计算IMF分量的协方差矩阵特征值,组成滚动轴承状态原始特征集;然后利用LTSA对原始特征集进一步的融合提取;将所得新特征输入到K-means分类器中进行故障识别与聚类。实验分析结果表明:该方法可以有效地对滚动轴承的工作状态和故障类型进行识别。     

基于经验模态分解空域相关滤波的脉冲星信号消噪

针对脉冲星信号信噪比极低,且信号中有色噪声成分远大于高斯白噪声的特点,提出了一种基于经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)的脉冲星信号空域相关滤波消噪方法。首先建立脉冲星信号的分形高斯噪声模型,根据双对数功率谱密度估计分形高斯噪声的Hurst参数值;然后,结合脉冲星累积信号的窗口辐射特性和分形高斯噪声经EMD分解后的噪声分布特点,估计脉冲星信号各层内蕴模态函数(intrinsic mode function,IMF)中噪声的方差;最后,以IMF噪声方差为基础,建立EMD空域相关滤波方法并应用于脉冲星累积轮廓消噪。实验结果表明,与经典的平移不变小波阈值消噪法、平移不变小波空域相关滤波消噪法以及EMD模态单元比例萎缩消噪法相比,改进的EMD空域相关滤波消噪法在抑制脉冲信号中的噪声和保留更多的微脉冲特征细节信息方面更加有效。     

Spatial and temporal characteristics of VHF radiation source produced by lightning in supercell thunderstorms

The three-dimensional temporal and spatial characteristics of VHF radiation events produced by lightning discharges in three supercell thunderstorms have been analyzed based on the data measured by the lightning mapping array system with high time and space resolution. The results indicate that lightning hole (lighting free region) with about 5-6km in diameter or lighting ring (annular lighting free region) is associated with the strong updraft in thunderstorm.The lasting time of lightning holes is either short or long, being about 20min in a tornado-producing thunderstorm. The lightning holes appear before the occurrence of tornado.The lightning hole is the most obvious during the occurrence of tornado and some self-existent lighting radiation events appear at a height of 15-16km. The lightning channels of inter-cloud (IC) lightning discharge exhibit clockwise rotary structures and do not have clear bilevel structures in the vicinity of the tornado.The lightning holes are corresponding to the strong updraft region.The temporal and spatial distribution of lightning radiation events reveals the structure of strong updraft in supercell thunderstorms.Positive cloud-to-ground (CG) lightning discharges dominate in these thunderstorms and the peak of positive CG lightning flash rate appears, with the maximum of 6 per minute,after or before the occurrence of tornado.     

EMD去噪法在FMCW雷达信号处理中的应用

针对调频连续波(frequency modulated continuous wave,FMCW)雷达信号在传播过程中会受到各种噪声影响的情况,提出了一种新型的基于自相关函数能量特性的经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)降噪算法。该算法首先对差频信号进行EMD分解,得到包含原信号不同尺度信息的本征模态函数(intrinsic mode function,IMF)分量;其次对每一IMF分量进行无偏自相关运算,并计算其能量;第三,根据IMF分量的自相关函数能量变化曲线,确定出有用信号贡献率最大的IMF分量;最后进行EMD重构。实验结果表明:该方法在各种信噪比条件下,能够准确判断出有用信号主导的IMF分量,对差频信号具有良好的去噪效果,同时该方法具有自适应性,不受主观因素的影响,适合应用在FMCW雷达系统中。     

基于时域有限差分方法的地铁车站地闪回击电磁场模拟

研究地铁车站中地闪回击电磁场的传播特征有助于其防雷工作更有效地进行。基于闪电探测资料选取了某地铁站附近典型正（104 kA）、负（?14.9 kA）地闪回击,使用二维时域有限差分法在地面无建筑物与真实建筑环境模型中研究了两次回击距车站260 m、200 m、100 m时,站厅层、站台层及左右进站隧道四个区域中央的水平电场、垂直电场、磁场。结果表明：地面无建筑物时最大水平电场、垂直电场峰值始终出现在站厅层中央,真实建筑环境下站厅层中央水平电场峰值仍最大,而左、右进站隧道中央的垂直电场峰值超过站厅层中央,两个模型下的最大磁场峰值均出现在站厅层或左进站隧道中央;对两次回击而言,相较地面无建筑物时模拟结果,真实建筑环境下其距车站260 m、200 m时站内各场分量峰值均衰减,但两次回击距车站100 m时左进站隧道中央垂直电场峰值均增加超过8%。本结果对地铁车站雷击电磁脉冲防护有一定的指导意义。     

基于MEMD的运动想象脑电信号的特征提取与分析

对于传统特征提取算法对运动想象脑电信号识别能力不足的问题,采用多元经验模式分解(multivariate empirical mode decomposition,MEMD)的方法用于分析运动想象的脑电信号.目前此方法主要应用在股票收益与宏观经济关系分析上,MEMD将标准经验模式拓展到多通道信号处理,适合于分析多元时间序列,并能够同时处理多通道的多尺度分解,进而在不同尺度下对多元时间序列的时间频率特性进行比较.通过Emotiv传感器对自定义的左右运动想象任务采集数据,采用MEMD提取相关脑电特征的边际谱,使用支持向量机对相关特征量进行分类.实验表明,此方法增强了定位脑电信号的频率信息的准确性,能够有效地提高对脑电信号的识别能力.     

通信基站雷电电磁脉冲的防护

分析了雷电电磁脉冲特性和频谱,讨论了雷电流的峰值比率以及雷电电磁脉冲的能量比率积累的频率分布范围,尝试采用高通滤波器来实现通信基站信号避雷的方法,2002年起应用于广东强雷区清新县八片山的通信基站取得了较好的效果．     

飞机复合材料结构对雷击附着点的影响

为了确定使用复合材料结构的飞机雷击特性,采用基于传输线矩阵法的数值仿真技术对飞机的雷击附着特性展开研究。以波音777飞机为例,依据SAE-ARP5416和国内相关标准规定的雷击附着点试验方法,对其进行了全尺寸建模仿真,得到了复合材料在不同设置条件下飞机表面感应电场强度大小及雷击附着点分布的特点。仿真结果表明：当机身采用复合材料结构时,飞机表面的感应电场强度值降低,飞机遭雷击的概率下降;复合材料的相对介电常数增高,对飞机表面感应电场的强度值影响很小;飞机表面复合材料的电导率越高,飞机表面感应电场的强度值越大。     

利用地面大气电场和雷达资料进行雷电临近预报方法

 根据雷暴云电场特征,结合雷达等观测资料,本文提出一个利用电场幅值阈值和差分阈值方法,为进行电场测站的首次地闪的雷电临近预报方法。该方法首先判断电场是否达到设定的幅值阈值或者差分阈值。如果电场达设定阈值,认为此时测站周围云中电荷量较大,发生闪电的概率也较大,进而判断该时刻之前的雷达资料是否达到设定的阈值。如果雷达资料达到设定的阈值则发出预警;如果未达要求则继续查看下一体扫的雷达情况,直到发出预警或者电场阈值取消为止。利用此方法对2009年南京周边观测区7个站点数据进行预警检验,得到其探测概率约为80%,平均预警时间约为14min。同时,本文尝试用该预报方法对雷暴云移过测区的整个过程进行区域性雷电临近预报。结果发现区域雷电预警可以直观呈现雷暴云和闪电发生发展情况,对发生闪电潜在区域也能够直观判断,并收到较好的预警效果。区域预警不仅能实现对一个地区的监测预警,而且能对雷暴云的整个过程进行监测预警,具有单站电场所没有的优势。     

基于最大相关波形延拓改进的EEMD方法

针对经验模态分解(empirical mode decomposition,EMD)中出现的端点效应和模态混叠现象问题,提出了利用最大相关波形延拓改进聚合经验模态分解(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)方法.利用最大相关波形法对原始信号的两端进行延拓,实现延拓数据在原信号边界处的平滑过渡,减小端点处包络线的拟合误差.针对EEMD中参数无法自动获取的问题,采用自适应EEMD对新信号进行分解,提高信号的分解精度.通过仿真分析和转子不平衡故障诊断实例研究表明,改进的EEMD方法不仅能够明显减少虚假模态分量、有效抑制模态混叠现象,而且较好地改善了端点效应引起的分解失真问题.同时与基于极值点对称延拓改进方法及基于镜像延拓改进方法相比,所提方法具有较高的分解精度.