劉銀萍，李紫珣，董 洋，嚴 飛

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 南京 210044)

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閃電信號的特征分析與LabVIEW實現(xiàn)*

劉銀萍1，李紫珣2，董 洋1，嚴 飛2

(1.南京信息工程大學(xué) 大氣物理學(xué)院，江蘇 南京 210044；2.南京信息工程大學(xué) 信息與控制學(xué)院，江蘇 南京 210044)

針對閃電定位儀系統(tǒng)對閃電信號分析不足的缺陷，提出一種基于LabVIEW平臺對閃電信號分析和處理的方案。方案以真實閃電源數(shù)據(jù)作為輸入，首先實現(xiàn)波形再現(xiàn)，提取出波形的峰值信息，采用相鄰點斜率最值法獲取陡點信息；其次，根據(jù)設(shè)置的觸發(fā)閾值，進一步分析過閾值數(shù)據(jù)的極值信息；最后，分析信號頻譜特性以確定閃電信號的頻率范圍。在某次感應(yīng)到的閃電信號中，若將閾值設(shè)為0.09，可提取出4個過閾值的極值點，分別為0.090 2、0.090 8、0.090 7和0.091 1；陡點位置為第164個采樣點，斜率為3.28；從頻譜上看，該閃電電磁脈沖的能量主要集中在80 kHz以下。實驗表明，該閃電脈沖信號分析系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，擴展性較好，可應(yīng)用于批量閃電波形的大數(shù)據(jù)分析和閃電定位儀的硬件算法改進中。

LabVIEW；閃電信號；特征點

0 引言

閃電的發(fā)生對森林、火工品、人身安全等產(chǎn)生巨大的威脅，對航天、航空、電力、通訊、建筑等國防和國民經(jīng)濟的許多部門都有著很重大的影響。為了降低雷電災(zāi)害造成的損失，開展雷電機理和雷電探測方法的研究具有重要的應(yīng)用價值[1]。閃電的發(fā)生一般伴隨著雷鳴和閃電，同時會放出巨大的電流[2]。對于閃電脈沖信號的分析方法和閃電定位技術(shù)，國內(nèi)外已有不少的研究項目和成果以供參考，如基于時差技術(shù)的雷電定位系統(tǒng)的研究[3]、閃電雷暴的仿真研究[4]、雷電流陡度與幅值的相關(guān)性研究[5]、借助于分布式光纖溫度傳感器對雷擊位置的實驗性研究[6]等。

目前國家閃電定位網(wǎng)采用的是ADTD型閃電定位儀。該閃電定位儀采用的是模擬信號處理方法，波形處理比較復(fù)雜，且隨著電阻、電容等器件的老化，采集到的特征點信號誤差會逐漸變大。儀器一旦出現(xiàn)故障而得不到及時解決將會給用戶造成很大的經(jīng)濟損失。在原有的采集板上，很難進行特征提取算法的升級工作。ADTD 閃電定位探測系統(tǒng)通過多個子站數(shù)據(jù)進行運算得到閃電定位數(shù)據(jù)，子站出現(xiàn)故障，不僅影響當?shù)氐奶綔y資料，周圍其他站點的數(shù)據(jù)也受到影響[7]。因此，ADTD型閃電定位儀在閃電信號的特征分析上還存有一些不足。

而作為現(xiàn)代計算機技術(shù)和測試技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物，虛擬儀器已成為當今計算機輔助測試領(lǐng)域的一項重要技術(shù)[8]，基于LabVIEW平臺對感應(yīng)到的閃電波形進行分析和處理成為一種趨勢。本系統(tǒng)利用LabVIEW強大的信號分析功能[9-10]，提取峰值、陡點、波峰、波谷的二階導(dǎo)數(shù)等特征點，并進行波形和功率譜的顯示。這些特征點可以幫助研究人員更為方便地對閃電信號進行鑒別，而波形和功率譜的顯示也使信號變得更加直觀。

根據(jù)中國氣象局《VLF/LF雷電探測儀功能規(guī)格需求書》的要求，探測閃電的信息通常要包含南北和東西的峰值磁場、峰值電場、各峰值時間點、陡點(斜率最大值的位置)等信息。有別于實際設(shè)備中的硬件特征點提取，本系統(tǒng)實現(xiàn)的可視化界面將有利于全局信號對比分析，交互性更強。同時，它還擁有較好的可擴展性，基于LabVIEW的閃電分析系統(tǒng)也可用于實際雷電波形的鑒別，有利于提升開發(fā)速度和鑒別算法的改進。

圖2 數(shù)據(jù)處理

1 系統(tǒng)整體編程框架的分析

本系統(tǒng)基于LabVIEW編程，整體流程如圖1所示。首先，對采集來的閃電信號數(shù)據(jù)文件進行讀取來獲取原始數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)是以文本形式保存的。同時，對這些原始數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，使其變成處理較為方便的十進制數(shù)值。然后通過不同的算法模塊來處理這些數(shù)據(jù)，分別獲取不同的特征點，同時顯示波形和頻譜圖。

圖1 整體編程框架

通過LabVIEW編程，使編程的框架非常清晰，每個模塊中都有一些主要的函數(shù)節(jié)點，如峰值提取模塊中的波峰檢測節(jié)點、頻譜圖模塊中的功率譜密度節(jié)點等。這些算法的實現(xiàn)主要靠函數(shù)節(jié)點的支撐，編程時重點考慮整體的數(shù)據(jù)流向和每個部分所要進行的數(shù)據(jù)操作，可大大提高編程效率。

2 閃電信號分析系統(tǒng)的具體設(shè)計

本系統(tǒng)主要對采集的閃電信號進行文本數(shù)據(jù)提取及處理，包括顯示波形，提取峰值點、峰值個數(shù)、峰值間隔、最大值、最小值、峰峰值、陡點、波峰和波谷的二階導(dǎo)數(shù)等特征值。同時，也可以顯示功率譜，并提取幅度、相位、頻率等特征值。LabVIEW在信號處理子模板中提供了與信號處理有關(guān)的函數(shù)供設(shè)計者調(diào)用[11]。

總體程序分為數(shù)據(jù)獲取部分和數(shù)據(jù)處理部分。數(shù)據(jù)獲取部分是為了獲取原始數(shù)據(jù)，將14位AD采集的十六進制源數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)便于處理的十進制數(shù)，同時去除無效數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)處理部分主要對預(yù)處理后的數(shù)據(jù)進行進一步處理，提取出各個特征點并進行顯示，如圖2所示。

2.1 獲取數(shù)據(jù)、顯示波形

通過“讀取文本文件”節(jié)點來獲取采集到的閃電信號文本數(shù)據(jù)，由于讀取到的數(shù)據(jù)是字符型的(以ASCII碼表示)，每2 B表示一個數(shù)據(jù)，故需要轉(zhuǎn)換成十進制整型數(shù)據(jù)，通過循環(huán)執(zhí)行“十六進制字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換”節(jié)點，可實現(xiàn)這一目的。同時，這樣也可獲取數(shù)組大小，而數(shù)組大小也就是采樣點的個數(shù)。由于每兩個數(shù)據(jù)組成一個點，故需要將數(shù)據(jù)進行重排，其中橫坐標為采樣點，縱坐標為歸一化的幅值。經(jīng)過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)更易于進行進一步的分析和處理，也使數(shù)據(jù)變得更加直觀，數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程圖如圖3所示。將預(yù)處理后的數(shù)據(jù)與波形圖控件相連，便可將波形顯示出來。通過波形的顯示，可以更加直觀地分析數(shù)據(jù)，為后面閃電信號判定和分析打下了基礎(chǔ)。

圖3 預(yù)處理流程圖

2.2 提取峰值信息

閃電回擊判定的關(guān)鍵在于峰值的正確提取，如果得到了峰值數(shù)據(jù)，其他的就迎刃而解了[12]。峰值信息包括提取波形的最大值、最小值、峰峰值、峰值點數(shù)量、峰值間隔等。

首先，通過“數(shù)組最大值和最小值”節(jié)點，可以提取數(shù)組中，也就是閃電信號中的最大值和最小值，將這兩個值相減，就可以得到峰峰值。峰峰值是指一個周期內(nèi)信號最大值和最小值之間差的值，它描述了信號值的變化范圍的大小。

其次，通過“波峰檢測”節(jié)點來設(shè)置閾值，并提取峰值點、峰值個數(shù)及波峰和波谷的二階導(dǎo)數(shù)。該VI利用二次多項式依次擬合數(shù)據(jù)點中的各組數(shù)據(jù)，擬合中使用的數(shù)據(jù)點的數(shù)量由寬度指定。對于每個波峰或波谷，二次擬合可與閾值進行比較。忽略低于閾值的波峰和高于閾值的波谷。只有在VI處理波峰或波谷之外大約(寬度)/2個數(shù)據(jù)點后，才可能檢測到波峰或波谷。閾值可以使VI忽略過小的波峰和波谷。然后，將之前提取出的峰值間隔(也就是峰值對應(yīng)的橫坐標)組成的數(shù)組數(shù)據(jù)傳給循環(huán)結(jié)構(gòu)的移位寄存器，其中，循環(huán)次數(shù)為峰值個數(shù)減1，通過對數(shù)組中相鄰兩個數(shù)據(jù)的循環(huán)相減，得到峰值之間的間隔。

2.3 提取陡點

陡點是一組信號中斜率最大的點，由于無法求得閃電信號的函數(shù)表達式，故無法通過求導(dǎo)的方法獲得?？梢詫⑿盘柕膬蓚€相鄰采樣點近似為直線，求其斜率，找出斜率最大值即可。在程序中，將閃電信號數(shù)據(jù)(數(shù)組)傳遞到一個循環(huán)結(jié)構(gòu)及其移位寄存器中，其中循環(huán)次數(shù)為采樣個數(shù)減1，在循環(huán)結(jié)構(gòu)中，通過移位寄存器實現(xiàn)數(shù)組相鄰元素相減，將相減的結(jié)果再除以時間間隔，即可得到這兩個數(shù)據(jù)的斜率，循環(huán)完成后，將所有的斜率值組成的數(shù)組通過“數(shù)組最大值和最小值”函數(shù)即可求出斜率的最大值以及它的位置，從而求出陡點。

2.4 顯示功率譜

對仿真信號的時域信號進行頻譜分析，得到相應(yīng)的功率譜密度曲線。因此，通過FFT功率譜和PSD節(jié)點可以顯示信號的功率譜。系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)是標志信號強度信息的功率值，這個功率值是利用信號的功率譜計算出來的。信號的能量譜密度(Energy Spectrum Density，ESD)和信號的能量譜密度的平均功率譜密度(Power Spectrum Density，PSD)分別描述了信號的總能量和平均功率在各個頻率上的分布大小[13]。一般功率譜密度都針對平穩(wěn)隨機過程，由于平穩(wěn)隨機過程的樣本函數(shù)一般不是絕對可積的，因此不能直接對它進行傅里葉分析。故可以用相關(guān)函數(shù)的傅里葉變換來定義譜密度以克服上述困難。

3 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

本文采用2015年5月17日18時09分在中國氣象局南郊觀測場感應(yīng)到的一次閃電數(shù)據(jù)作為樣本，原始數(shù)據(jù)波形如圖4所示。

圖4 原始閃電數(shù)據(jù)波形

現(xiàn)將閃電定位儀采集到的原始數(shù)據(jù)輸入到分析程序中，可以看到程序產(chǎn)生的波形以及得出的各項參數(shù)，如圖5所示。從圖4和圖5的對比中可以看出，分析程序獲得的波形與原始波形一致性較好，通過波形再現(xiàn)和特征分析，可以更直觀提取到閃電信號的峰值、陡點、二階導(dǎo)和功率譜等信息。若將閾值設(shè)為0.09，可提取出4個過閾值的極值點，分別為0.090 2、0.090 8、0.090 7和0.091 1；陡點位置為第164個采樣點，斜率為3.28；從頻譜上看，該閃電電磁脈沖的能量主要集中在80 kHz以下。該閃電脈沖信號特征點提取系統(tǒng)擴展性較好，可應(yīng)用于閃電定位儀的硬件算法改進中，也可用于批量閃電波形的大數(shù)據(jù)分析。

圖5 波形及各項參數(shù)

4 結(jié)束語

本文實現(xiàn)了基于LabVIEW平臺開發(fā)的閃電信號分析系統(tǒng)。通過該平臺來完成閃電信號分析和特征提取工作，是閃電探測領(lǐng)域的一個重要研究方向，而本文開展的工作有望為閃電定位儀的波形分析和硬件算法改進提供一個較為可靠的驗證平臺。目前，隨著閃電定位資料運用的不斷深入，全國各地區(qū)基于閃電定位儀獲取的數(shù)據(jù)急需深入處理和分析。下一步的工作是對本分析系統(tǒng)繼續(xù)優(yōu)化，添加多通道信息提取模塊，提高數(shù)據(jù)計算的精度，完善波形特征庫，為更多在本領(lǐng)域的研究人員提供一個較好的閃電信號分析與處理平臺。

[1] 李云敏, 孫秀斌, 楊崧令, 等. 云閃定位算法及誤差分析[J]. 電子測量與儀器學(xué)報, 2012, 26(10): 917-922.

[2] 張靜哲. 淺談閃電監(jiān)測及其預(yù)防[J]. 今日科苑, 2009 (15): 116.

[3] ZHANG G S, WANG Y H, QIE X S, et al. Using lightning locating system based on time-of-arrival technique to study three-dimensional lightning discharge processes[J]. Science China Earth Sciences, 2010, 53(4): 591-602.

[4] Wang Fang, Qie Xiushu,Liu Dongxia , et al. Lightning activity and its relationship with typhoon intensity and vertical wind shear for super typhoon Haiyan (1330)[J]. Journal of Meteorological Research, 2016, 30(1):117-127.

[5] 孫萍, 吳璞三, 周照宗, 等. 雷電流陡度與幅值的相關(guān)性初探[J]. 浙江電力, 2007, 26(1):4-5.

[6] Lu Lidong, Liang Yun, Li Binglin, et al. Experimental study on location of lightning stroke on OPGW by means of a distributed optical fiber temperature sensor[J]. Optics & Laser Technology, 2015, 65(9):79-82.

[7] 黃河. ADTD 閃電定位探測儀常見故障分析[J]. 氣象研究與應(yīng)用, 2012, 33(1): 67-68.

[8] 王塞北. 淺談基于LabVIEW的水電機組振動狀態(tài)監(jiān)測設(shè)計[J]. 黑龍江科技信息, 2015(34):18.

[9] 程雪敏. 基于 LabVIEW 信號分析系統(tǒng)的設(shè)計 [D]. 蘇州: 蘇州大學(xué), 2008.

[10] 張利,卞晨,馬學(xué)森,等.基于小波分析的汽車振動舒適性評價方法[J].電子測量與儀器學(xué)報, 2014,28(4): 352-359.

[11] 張黎, 蔡亮. 基于 LabVIEW 的虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 國外電子測量技術(shù), 2014,33(1): 82-85.

[12] 甘文強, 李性太, 張其林. 閃電通道垂直假定引起回擊輻射場峰值計算誤差分析[J]. 氣象科技, 2009, 37(6):748-752.

[13] 藍渝. 閃電電磁輻射的寬帶觀測及其頻譜特征分析[D]. 北京：中國氣象科學(xué)研究院, 2009.

Characteristic analysis of lightning signal and LabVIEW realization

Liu Yinping1，Li Zixun2，Dong Yang1，Yan Fei2

(1.School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China；2.School of Information and Control, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

：Aiming at the defects of lightning signal analysis in lightning location system , this paper presents a solution of lightning signal analysis and processing based on LabVIEW platform. The program uses real lightning source data as input. Firstly, achieving the waveform reproduction, extracting the waveform peak information and using the method of most value of adjacent points slope to obtain steep point information. Secondly, according to the trigger threshold, extreme points over threshold are further analyzed. Finally, the spectral characteristics of the signal are analyzed to determine the frequency range of the lightning signal. In a sensed signal lightning, if the threshold is 0.09, four extreme points over the threshold, respectively 0.090 2, 0.090 8, 0.090 7 and 0.091 1, can be extracted. The steep position is for the first 164 sampling points, which slope is 3.28. From the spectrum point, the lightning electromagnetic pulse energy is concentrated in less than 80 kHz. Experimental results show that the analysis system of the lightning pulse signal is stable and reliable, better scalability. The system can be applied to data analysis for large quantities lightning waveform, and can improve the hardware algorithm effectively.

LabVIEW；lightning signal；characteristic points

江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項目(15KJB170010，16KJB510023)；國家自然科學(xué)基金(61605083)

TN713

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.025

劉銀萍，李紫珣，董洋，等.閃電信號的特征分析與LabVIEW實現(xiàn)[J].微型機與應(yīng)用，2017,36(11)：85-87,90.

2016-12-14)

劉銀萍(1981-)，女，博士，講師，主要研究方向：電磁場原理與應(yīng)用。

李紫珣(1994-)，通信作者，男，本科生，主要研究方向：虛擬儀器技術(shù)。E-mail:865473233@qq.com。

董洋(1995-)，男，本科生，主要研究方向：安全科學(xué)與工程。