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专利号: 2021105562772
申请人: 南京信息工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-30
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于多时间尺度DBSCAN和样本熵的雷暴云点电荷移动路径成像方法,其特征在于,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;

步骤2,参考正弦规则信号熵值,利用样本电场实测数据信息,得到反映不同电场信号规则的样本熵区间,包括规则电场信号熵区间R1、不规则电场信号熵区间R2和介于规则与不规则电场信号熵区间R3;

步骤3,利用反映不同电场信号规则的样本熵区间,对预处理后的大气电场信号进行时序重构,形成多时间尺度的时序分量信号;

步骤3.1,将预处理后的大气电场信号x'(n)以设定采样频率进行分解,得到多组分量信号xm,t(m)'(n),并利用样本熵法计算分量信号xm,t(m)'(n)的熵值;其中,m表示分量信号的编号,t(m)表示第m个分量信号所对应的时间区间;

步骤3.2,根据分量信号xm,t(m)'(n)各自所属的电场信号规则的样本熵区间,将分量信号对应归类至规则电场信号熵值区间R1、不规则电场信号熵值区间R2或介于规则与不规则电场信号熵值区间R3;

步骤3.3,分别判断属于不同电场信号规则的样本熵区间内的分量信号中是否存在连续的时序分量信号,将样本熵区间内的连续的时序分量信号进行时序重构,得到具有多时间尺度的时序分量信号,同时独立时序分量仍然包含在其原本所属的样本熵区间内;

步骤4,利用点电荷定位算法,分别计算反映不同电场信号规则的样本熵区间中的多时间尺度的时序分量信号的点电荷坐标,并根据时序对点电荷坐标进行排列,得到点电荷移动路径的不同分支数据;

步骤5,利用DBSCAN将步骤4所述不同分支数据进行聚类处理后,利用时序进行曲线拟合,实现点电荷移动路径成像。

2.根据权利要求1所述的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,其特征在于,所述步骤1的具体过程如下: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;ωi(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;用表示大气电场信号 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; 表示大气电场信号 分解得到的第j个模态分量;IMF表示模态分量;

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,IMFj(n)表示集成平均后的第j个模态分量;

步骤1.4,分别对集成平均后的模态分量IMFj(n)计算各自的自相关函数IMFj'(n),并根据白噪声与大气电场信号的自相关特性,得到白噪声占主导的模态分量IMF1(n)~IMFk(n);

步骤1.5,对白噪声占主导的模态分量进行SG滤波,得到去噪后的模态分量IMF1”(n)~IMFk”(n);

步骤1.6,将滤波后的模态分量和剩余分量重构,得到预处理后的大气电场信号:式中,x'(n)表示预处理后的大气电场信号。

3.根据权利要求1所述的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,其特征在于,步骤2所述利用样本电场实测数据信息,得到反映不同电场信号规则的样本熵区间,方法如下:以设定时间范围内晴天的垂直大气电场数据信息为样本,计算晴天电场信号的样本熵平均值,设置规则电场信号熵区间R1为(0,晴天电场信号的样本熵平均值);

以设定时间范围内雷暴期间的垂直大气电场数据信息为样本,计算雷暴电场信号的样本熵平均值,设置不规则电场信号熵区间R2为(雷暴电场信号的样本熵平均值,+∞);

设置介于规则与不规则电场信号熵区间R3为:

[晴天电场信号的样本熵平均值,雷暴电场信号的样本熵平均值]。

4.根据权利要求1所述的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,其特征在于,步骤4中利用点电荷定位算法,分别计算反映不同电场信号规则的样本熵区间中的多时间尺度的时序分量信号的点电荷坐标,时序分量信号的点电荷坐标计算方法如下:以大气电场仪为坐标原点,建立三维直角坐标系;

定义点电荷q的水平偏角和仰角分别为α和β,r为点电荷q到坐标原点的距离;

根据电场分量两两正交性,则多时间尺度的时序分量信号xm,t(m)'(n)在方向x、y、z上的电场分量分别为Ex、Ey和Ez;定义正北方向Ex大于0,正东方向Ey大于0,得到点电荷q的坐标(r,α,β)为:式中,A和B为中间变量,且 ε1、ε2分别为空气介电常数、大气电

场仪所在地面的介电常数。