CN108957145A - 局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统及方法 - Google Patents

Abstract

一种局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出的系统及方法，该系统包括：寻峰模块，寻找甚低频/低频频段的电场原始数据中的各个波峰及对应的峰值；特征参数模块，根据所述电场原始数据，确定各波峰脉冲波形的特征参数；判断模块，根据峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，确定各测站探测到的脉冲的类型；综合判断模块，根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定脉冲的最终类型。通过分析各波峰脉冲波形的特征参数，以及区分正、负极性脉冲，能够识别出脉冲的类型，实现对数据的并行处理，同时还具有处理效率高和识别准确率高的优点。

Description

局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统及方法

技术领域

本发明涉及闪电识别领域，尤其涉及一种局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统及方法。

背景技术

自然界中的闪电类型按闪电通道是否接地可分为两种，地闪和云闪。两种不同的放电类型会在快电场天线上产生不同的信号变化。早在上世纪八十年代，Lin et al.(1979)详细分析了美国佛罗里达州的闪电产生的快电场波形，分别给出了在不同距离范围内的首次回击与继后回击的典型垂直电场。随后又有许多学者研究了不同地区的回击波形特征(Cooray and Lunquist，1982，1985；Krider et al.，1996；郄秀书等，1998，2001；张其林等，2003；张义军等，2003)以及近距离的人工触发闪电的电磁场波形特征(Schoene etal.，2003；Qie et al.，2014)。这些特征一般包括：10％-90％上升沿时间，慢前沿持续时间，快变化时间，过零时间，反极性过冲与回击峰值比，半峰值宽度以及回击电流强度。Krider et al.(1980)首次应用了一种波形识别算法将地闪回击信号与探测器测量到的其他信号区分开来。Johannsdottir(1993)和Soerensen(1995)对波形识别算法分别进行了回顾和总结。

实际应用中的闪电定位系统一般给出地闪回击或全闪(云闪+地闪)的定位结果，这就需要定位系统能够对采集到的地闪放电过程产生的电场或磁场信号具备较好的识别能力，将其与云闪脉冲加以区分。而虽然三维闪电定位系统能给出放电脉冲所在高度，但对于较低高度的脉冲(如：2km以下)，国际上暂时无合适的标准进行区分，地闪识别稳定性较差，不适合实际应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的在于提供一种局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统及方法，以解决上述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

本发明的一方面，提供了一种局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统，包括：

寻峰模块，用于寻找甚低频/低频电场原始数据中的各个波峰及对应的峰值；

特征参数模块，用于根据所述电场原始数据，确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数；

判断模块，用于根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型；

综合判断模块，用于根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型。

在本发明的一些实施例中，所述特征参数模块确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数指，所述特征参数模块确定在1ms内采样点为5000的脉冲识别窗口中的十二项特征参数：

上升沿持续时间t_r＝T_P1-T_a1，为脉冲上升部分的10％幅度位置a1点到脉冲的最高峰值点P1的时间差；

下降沿持续时间t_f＝T_b1-T_P1，为P1到脉冲下降部分10％幅度位置b1的时间差；

脉冲中位宽度t_w＝T_b2-T_a2，为脉冲上升部分50％幅度位置a2到下降部分50％幅度位置b2的时间差；

脉冲的峰值点P1与脉冲前同一极性的小脉冲的峰值点P0间的时间间隔t₁₀＝T_P1-T_P0；

脉冲的峰值点P1与次峰点P2间的时间间隔t₂₁＝T_P2-T_P1；

次峰电场强度E_p2与脉冲电场强度E_p1间的比值

R₂₁＝(E_p2-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)，E_baseline为从脉冲识别窗口开始直到第1950个采样点，所有采样点幅值的平均值；

脉冲前同一极性的小脉冲的电场强度E_p0与脉冲电场强度E_p1间的比值R₀₁＝(E_p0-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)；

脉冲前最大波形波动幅度与脉冲的峰峰值之比R_ab＝(E_p0-E_V0)/(E_p1-E_V1)，E_V0是a1之前的采样点幅值中的最小值；E_V1为P1之后的采样点幅值的最小值；

脉冲峰峰值与所在数据最大值与最小值之差的比值R_m＝(E_p1-E_V1)/(E_max-E_min)，E_min和E_max分别是数据幅值的最小值和最大值；

脉冲负向峰值和正向峰值之比R_b＝(E_baseline-E_V1)/(E_p1-E_baseline)；

波形最大值与脉冲的峰峰值的比值R_f：当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为正时，R_f＝E_max/(E_P1-E_V1)；当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为负时，R_f＝E_min/(E_V1-E_P1)；

脉冲波峰后的波形持续时间t_bp＝T_b0-T_P1。

在本发明的一些实施例中，当该峰值的脉冲为正极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：1μs≤t_r≤15μs；t_f的阈值范围为1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.47且t_f-t_r≥1.05μs；t_w≥3μs；t₁₀≥0.8μs或者不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.5或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.29；R_m＞0.5；0≤R_b≤0.28；0.5＜R_f＜1.4；t_bp＞15μs；

当该峰值的脉冲为负极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：0.2μs≤t_r≤11.4μs；1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.84且t_f-t_r≥1.2μs；t_w≥4μs；t₁₀≥1μs或不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.15或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.33；R_m＞0.6；R_b≤0.3；-1.4＜R_f＜-0.5；t_bp＞15μs。

在本发明的一些实施例中，判断模块，用于根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型，具体为：

当所述峰值的脉冲为正极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为正地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲；

当所述峰值的脉冲为负极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为负地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲。

在本发明的一些实施例中，综合判断模块，用于根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型，具体为：综合判断模块根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，结合少数服从多数的原则，确定该脉冲的最终类型，当判断一脉冲为云闪脉冲的测站与判断该脉冲为地闪脉冲的测站的数目相同时，则确定该脉冲的最终类型为地闪脉冲。

本发明的另一方面，还提供了一种局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出方法，包括：

寻找甚低频/低频电场原始数据中的各个波峰及对应的峰值；

根据所述电场原始数据，确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数；

根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型；

根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型。

在本发明的一些实施例中，所述确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数指，确定在1ms内采样点为5000的脉冲识别窗口中的十二项特征参数：

上升沿持续时间t_r＝T_P1-T_a1，为脉冲上升部分的10％幅度位置a1点到脉冲的最高峰值点P1的时间差；

下降沿持续时间t_f＝T_b1-T_P1，为P1到脉冲下降部分10％幅度位置b1的时间差；

脉冲中位宽度t_w＝T_b2-T_a2，为脉冲上升部分50％幅度位置a2到下降部分50％幅度位置b2的时间差；

脉冲的峰值点P1与脉冲前同一极性的小脉冲的峰值点P0间的时间间隔t₁₀＝T_P1-T_P0；

脉冲的峰值点P1与次峰点P2间的时间间隔t₂₁＝T_P2-T_P1；

次峰电场强度E_p2与脉冲电场强度E_p1间的比值R₂₁＝(E_p2-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)，E_baseline为从脉冲识别窗口开始直到第1950个采样点，所有采样点幅值的平均值；

脉冲前同一极性的小脉冲的电场强度E_p0与脉冲电场强度E_p1间的比值R₀₁＝(E_p0-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)；

脉冲前最大波形波动幅度与脉冲的峰峰值之比R_ab＝(E_p0-E_V0)/(E_p1-E_V1)，E_V0是a1之前的采样点幅值中的最小值；E_V1为P1之后的采样点幅值的最小值；

脉冲峰峰值与所在数据最大值与最小值之差的比值R_m＝(E_p1-E_V1)/(E_max-E_min)，E_min和E_max分别是数据幅值的最小值和最大值；

脉冲负向峰值和正向峰值之比R_b＝(E_baseline-E_V1)/(E_p1-E_baseline)；

波形最大值与脉冲的峰峰值的比值R_f：当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为正时，R_f＝E_max/(E_P1-E_V1)；当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为负时，R_f＝E_min/(E_V1-E_P1)；

脉冲波峰后的波形持续时间t_bp＝T_b0-T_P1。

在本发明的一些实施例中，当该峰值的脉冲为正极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：1μs≤t_r≤15μs；t_f的阈值范围为1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.47且t_f-t_r≥1.05μs；t_w≥3μs；t₁₀≥0.8μs或者不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.5或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.29；R_m＞0.5；0≤R_b≤0.28；0.5＜R_f＜1.4；t_bp＞15μs；

当该峰值的脉冲为负极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：0.2μs≤t_r≤11.4μs；1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.84且t_f-t_r≥1.2μs；t_w≥4μs；t₁₀≥1μs或不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.15或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.33；R_m＞0.6；R_b≤0.3；-1.4＜R_f＜-0.5；t_bp＞15μs。

在本发明的一些实施例中，根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲和负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型，具体包括步骤：

当所述峰值的脉冲为正极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为正地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲；

当所述峰值的脉冲为负极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为负地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲。

在本发明的一些实施例中，根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型，具体包括步骤：

根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，结合少数服从多数的原则，确定该脉冲的最终类型；当判断一脉冲为云闪脉冲的测站与判断该脉冲为地闪脉冲的测站的数目相同时，则确定该脉冲的最终类型为地闪脉冲。

(三)有益效果

本发明的局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统及方法，相较于现有技术，至少具有以下优点：

1、通过分析甚低频/低频电场原始数据的各波峰脉冲波形的十二项特征参数，以及区分正、负极性脉冲，能够识别出脉冲的类型，实现对数据的并行处理，同时还具有操作简单、结构简洁、处理效率高、识别准确率高的优点。

2、十二项特征参数的选取除了直接由脉冲波形得到，还可在以往的统计值基础上，根据实际探测的回击脉冲波形进行适当调整来提高识别准确率。

3、多个测站的综合判断，有利于避免个别识别错误结果导致的误差。

附图说明

图1为本发明实施例的局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统的结构示意图。

图2为本发明一具体实施例的回击的电场波形及波形特征示意图。

图3为本发明实施例的地闪回击脉冲检出方法的步骤示意图。

图4为本发明实施例的地闪回击脉冲检出流程示意图。

图5为本发明实施例的步骤S4的具体步骤示意图。

具体实施方式

现有技术中，识别算法具有算法单一、不是直接针对地闪波形、判断条件太简单、操作麻烦的缺点，有鉴于此，本发明提供了一种局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统及方法，通过分析甚低频/低频电场原始数据的各波峰脉冲波形的十二项特征参数，以及区分正、负极性脉冲，能够识别出脉冲的类型，实现对数据的并行处理，同时还具有操作简单、结构简洁、处理效率高、识别准确率高的优点。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明实施例的一方面，提供了一种局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统，图1为本发明实施例的地闪回击脉冲检出系统的结构示意图，如图1所示，该装置包括寻峰模块1、特征参数模块2、判断模块3和综合判断模块4。

寻峰模块1，用于寻找甚低频/低频电场原始数据中的各个波峰及对应的峰值。首先，采用Savitzky-Golay滤波方法对采集信号的一阶导数进行平滑滤波，之后，在信号的一阶导数波形中寻找有下降趋势的零交点，然后，选取其斜率大于指定阈值的那些零交点，同时其原始信号的振幅也需要大于指定阈值。通过仔细地调整滤波宽度、斜率阈值和振幅阈值，使得寻峰模块最优化地获取信号波峰和对应的峰值，避免太小、太宽和太窄的一些峰值。请再结合图2，回击脉冲波形的特点是上升快，持续时间在10μs左右，而下降缓慢，大多为几十微秒。

其中，为了测得闪电产生的电场的原始数据，该装置还可以包括地区闪电定位模块，用于对地区及周边进行全闪监测，并获取电场原始数据。在本发明的一些实施例中，对不同类型闪电信号的探测和定位再结合天气雷达探测资料可更好地分析雷暴系统的发展与消亡过程，通过中国科学院大气物理研究所自主开发研制的北京闪电定位网(BeijingLightning NETwork，BLNET)，可以实现对北京及周边地区全闪监测的目标，同时获取甚低频/低频电场原始数据。

特征参数模块2，用于根据所述电场原始数据，确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数。

t_r、t_f、t_w反映了脉冲的上升与下降特征，是回击脉冲区别与云闪脉冲的主要参数。这里采用10％到峰值的上升时间代替了10％～90％的上升时间。通常选取1ms(由于BLNET系统采样率优选为5MHz，所以1ms相当于5000个采样点)的时间窗口进行一次脉冲的识别。通常地闪的首次回击会有明显的次峰甚至有多个次峰，而有时回击之后无明显的次峰或者次峰的幅值会大于回击的峰值，所以与次峰相关的参数t₂₁和R₂₁并不是必要条件；当次峰强度较大时，限定次峰的幅值不能超过回击脉冲峰值的15％。t₁₀、R₀₁和R_ab描述了回击前的较强脉冲与回击脉冲间的相关性。R_b反映了回击脉冲的双向强度特征，对于50km以外的负回击来说，首次回击和继后回击的快电场以辐射场为主，绝大多数的电场波形过冲较为明显，R_b值较大。t_bp类似于过零时间。此外，以上各参数的选取还可在以往的统计值基础上，根据实际探测的回击脉冲波形进行适当调整来提高识别准确率。

更具体地，所述特征参数模块确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数指，所述特征参数模块确定在1ms内采样点为5000的脉冲识别窗口中的十二项特征参数：

(1)上升沿持续时间t_r：t_r＝T_P1-T_a1，为脉冲上升部分的10％幅度位置a1点到脉冲的最高峰值点P1的时间差；

(2)下降沿持续时间t_f：t_f＝T_b1-T_P1，为P1到脉冲下降部分10％幅度位置b1的时间差；

(3)脉冲中位宽度t_w：t_w＝T_b2-T_a2，为脉冲上升部分50％幅度位置a2到下降部分50％幅度位置b2的时间差；

(4)脉冲的峰值点P1与脉冲前同一极性的小脉冲的峰值点P0间的时间间隔t₁₀：t₁₀＝T_P1-T_P0；

(5)脉冲的峰值点P1与次峰点P2间的时间间隔t₂₁：t₂₁＝T_P2-T_P1；

(6)次峰电场强度E_p2与脉冲电场强度E_p1间的比值R₂₁：R₂₁＝(E_p2-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)，E_baseline为从脉冲识别窗口开始直到第1950个采样点，所有采样点幅值的平均值；

(7)脉冲前同一极性的小脉冲的电场强度E_p0与脉冲电场强度E_p1间的比值R₀₁：R₀₁＝(E_p0-E_baseline)/(E_p1-Eb_aseline)；

(8)脉冲前最大波形波动幅度与脉冲的峰峰值(波峰到波谷的差值)之比R_ad：R_ab＝(E_p0-E_V0)/(E_p1-E_V1)，E_V0是a1之前的采样点幅值中的最小值；E_V1为P1之后的采样点幅值的最小值；

(9)脉冲峰峰值与所在数据最大值与最小值之差的比值R_m：R_m＝(E_p1-E_V1)/(E_max-E_min)，E_min和E_max分别是数据幅值的最小值和最大值；

(10)脉冲负向峰值和正向峰值之比R_b：

R_b＝(E_baseline-E_V1)/(E_p1-E_baseline)；

(11)波形最大值与脉冲的峰峰值的比值R_f：当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为正时，R_f＝E_max/(E_P1-E_V1)；当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为负时，R_f＝E_min/(E_V1-E_P1)；

(12)脉冲波峰后的波形持续时间t_bp：t_bp＝T_b0-T_P1。

判断模块3，用于根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型。

由于，峰值的脉冲极性不同，所应该采用的特征参数不同，因此，当该峰值的脉冲为正极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：1μs≤t_r≤15μs；t_f的阈值范围为1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.47且t_f-t_r≥1.05μs；t_w≥3μs；t₁₀≥0.8μs或者不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.5或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.29；R_m＞0.5；0≤R_b≤0.28；0.5＜R_f＜1.4；t_bp＞15μs；

当该峰值的脉冲为负极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：0.2μs≤t_r≤11.4μs；1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.84且t_f-t_r≥1.2μs；t_w≥4μs；t₁₀≥1μs或不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.15或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.33；R_m＞0.6；R_b≤0.3；-1.4＜R_f＜-0.5；t_bp＞15μs。

判断模块3判断完峰值的脉冲极性之后，确定地区脉冲的类型的操作具体为：

当所述峰值的脉冲为正极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为正地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲；

当所述峰值的脉冲为负极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为负地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲。

综合判断模块4，用于根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型。

这是因为综合探测到同一个脉冲的所有测站的脉冲识别结果，类似于少数服从于多数(因为有个别测站可能识别有误，例如将地闪脉冲识别为云闪脉冲)，最终给出该脉冲的类型。还需说明的是，当判断一脉冲为云闪脉冲的测站与判断该脉冲为地闪脉冲的测站的数目相同时，则确定该脉冲的最终类型为地闪脉冲。

本发明实施例的另一方面，还提供了一种地闪回击脉冲检出方法，图3为本发明实施例的地闪回击脉冲检出方法的步骤示意图，图4为本发明实施例的地闪回击脉冲检出流程示意图，如图3和图4所示，该方法包括以下步骤：

S1、寻找甚低频/低频电场原始数据中的各个波峰及对应的峰值。

在一些实施例中，在步骤S1之前还包括步骤S0：对地区及周边进行全闪监测，并获取电场原始数据。在本发明的一些实施例中，对不同类型闪电信号的探测和定位再结合天气雷达探测资料可更好地分析雷暴系统的发展与消亡过程，可以通过中国科学院大气物理研究所自主开发研制的北京闪电定位网(Beijing Lightning NETwork，BLNET)对北京及周边地区的全闪进行监测，从而获取电场原始数据。

S2、根据所述电场原始数据，确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数。

其中，这十二项特征参数指在1ms内采样点为5000的脉冲识别窗口中的十二项特征参数，包括以下：

(1)上升沿持续时间t_r：t_r＝T_P1-T_a1，为脉冲上升部分的10％幅度位置a1点到脉冲的最高峰值点P1的时间差；

(2)下降沿持续时间t_f：t＝T_b1-T_P1，为P1到脉冲下降部分10％幅度位置b1的时间差；

(3)脉冲中位宽度t_w：t_w＝T_b2-T_a2，为脉冲上升部分50％幅度位置a2到下降部分50％幅度位置b2的时间差；

(4)脉冲的峰值点P1与脉冲前同一极性的小脉冲的峰值点P0间的时间间隔t₁₀：t₁₀＝T_P1-T_P0；

(5)脉冲的峰值点P1与次峰点P2间的时间间隔t₂₁：t₂₁＝T_P2-T_P1；

(6)次峰电场强度E_p2与脉冲电场强度E_p1间的比值R₂₁：R₂₁＝(E_p2-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)，E_baseline为从脉冲识别窗口开始直到第1950个采样点，所有采样点幅值的平均值；

(7)脉冲前同一极性的小脉冲的电场强度E_p0与脉冲电场强度E_p1间的比值R₀₁：R₀₁＝(E_p0-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)；

(8)脉冲前最大波形波动幅度与脉冲的峰峰值之比R_ab：R_ab＝(E_p0-E_V0)/(E_p1-E_V1)，E_V0是a1之前的采样点幅值中的最小值；E_V1为P1之后的采样点幅值的最小值；

(9)脉冲峰峰值与所在数据最大值与最小值之差的比值R_m：R_m＝(E_p1-E_V1)/(E_max-E_min)，E_min和E_max分别是数据幅值的最小值和最大值；

(10)脉冲负向峰值和正向峰值之比R_b：

R_b＝(E_baseline-E_V1)/(E_p1-E_baseline)；

(11)波形最大值与脉冲的峰峰值的比值R_f：当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为正时，R_f＝E_max/(E_P1-E_V1)；当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为负时，R_f＝E_min/(E_V1-E_P1)；

(12)脉冲波峰后的波形持续时间t_bp：t_bp＝T_b0-T_P1。

S3、根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型。

更具体地，各特征参数的阈值范围为：

由于，峰值的脉冲极性不同，所应该采用的特征参数不同，因此，当该峰值的脉冲类型为正极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：1μs≤t_r≤15μs；t_f的阈值范围为1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.47且t_f-t_r≥1.05μs；t_w≥3μs；t₁₀≥0.8μs或者不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.5或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.29；R_m＞0.5；0≤R_b≤0.28；0.5＜R_f＜1.4；t_bp＞15μs；

当该峰值的脉冲类型为负极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：0.2μs≤t_r≤11.4μs；1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.84且t_f-t_r≥1.2μs；t_w≥4μs；t₁₀≥1μs或不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.15或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.33；R_m＞0.6；R_b≤0.3；-1.4＜R_f＜-0.5；t_bp＞15μs。

图5为本发明实施例的步骤S3的具体步骤示意图，如图5所示，在一些实施例中，步骤S3可以包括以下具体步骤：对地区及周边进行全闪监测，并获取甚低频/低频电场原始数据。

在本发明的一些实施例中，对不同类型闪电信号的探测和定位再结合天气雷达探测资料可更好地分析雷暴系统的发展与消亡过程，通过中国科学院大气物理研究所自主开发研制的北京闪电定位网(Beijing Lightning NETwork，BLNET)，可以实现对北京及周边地区全闪监测的目标，同时获取电场原始数据。

S31、当所述峰值的脉冲为正极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为正地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲；

S32、当所述峰值的脉冲为负极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为负地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲。

步骤S4、根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型。

这是因为在对同一个脉冲的所有测站的脉冲识别结果中，个别测站可能识别有误，例如将地闪脉冲识别为云闪脉冲，所以采用少数服从于多数的原则，最终给出该脉冲的类型；当判断一脉冲为云闪脉冲的测站与判断该脉冲为地闪脉冲的测站的数目相同时，则确定该脉冲的最终类型为地闪脉冲。

综上，本发明的局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出装置及方法，通过分析甚低频/低频电场原始数据的各波峰脉冲波形的十二项特征参数，以及区分正、负极性脉冲，能够识别出脉冲的类型，实现对数据的并行处理，同时还具有处理效率高和识别准确率高的优点。

除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本发明的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到“约”的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。

再者，“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出系统，包括：

寻峰模块，用于寻找甚低频/低频电场原始数据中的各个波峰及对应的峰值；

特征参数模块，用于根据所述电场原始数据，确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数；

判断模块，用于根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型；

综合判断模块，用于根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述特征参数模块确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数指，所述特征参数模块确定在1ms内采样点为5000的脉冲识别窗口中的十二项特征参数：

上升沿持续时间t_r＝T_P1-T_a1，为脉冲上升部分的10％幅度位置a1点到脉冲的最高峰值点P1的时间差；

下降沿持续时间t_f＝T_b1-T_P1，为P1到脉冲下降部分10％幅度位置b1的时间差；

脉冲中位宽度t_w＝T_b2-T_a2，为脉冲上升部分50％幅度位置a2到下降部分50％幅度位置b2的时间差；

脉冲的峰值点P1与脉冲前同一极性的小脉冲的峰值点P0间的时间间隔t₁₀＝T_P1-T_P0；

脉冲的峰值点P1与次峰点P2间的时间间隔t₂₁＝T_P2-T_P1；

次峰电场强度E_p2与脉冲电场强度E_p1间的比值R₂₁＝(E_p2-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)，E_baseline为从脉冲识别窗口开始直到第1950个采样点，所有采样点幅值的平均值；

脉冲前同一极性的小脉冲的电场强度E_p0与脉冲电场强度E_p1间的比值R₀₁＝(E_p0-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)；

脉冲前最大波形波动幅度与脉冲的峰峰值之比R_ab＝(E_p0-E_V0)/(E_p1-E_V1)，E_V0是a1之前的采样点幅值中的最小值；E_V1为P1之后的采样点幅值的最小值；

脉冲峰峰值与所在数据最大值与最小值之差的比值R_m＝(E_p1-E_V1)/(E_max-E_min)，E_min和E_max分别是数据幅值的最小值和最大值；

脉冲负向峰值和正向峰值之比R_b＝(E_baseline-E_V1)/(E_p1-E_baseline)；

波形最大值与脉冲的峰峰值的比值R_f：当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为正时，R_f＝E_max/(E_P1-E_V1)；当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为负时，R_f＝E_min/(E_V1-E_P1)；

脉冲波峰后的波形持续时间t_bp＝T_b0-T_P1。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，当该峰值的脉冲为正极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：1μs≤t_r≤15μs；t_f的阈值范围为1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.47且t_f-t_r≥1.05μs；t_w≥3μs；t₁₀≥0.8μs或者不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.5或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.29；R_m＞0.5；0≤R_b≤0.28；0.5＜R_f＜1.4；t_bp＞15μs；

当该峰值的脉冲为负极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：0.2μs≤t_r≤11.4μs；1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.84且t_f-t_r≥1.2μs；t_w≥4μs；t₁₀≥1μs或不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.15或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.33；R_m＞0.6；R_b≤0.3；-1.4＜R_f＜-0.5；t_bp＞15μs。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，判断模块，用于根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型，具体为：

当所述峰值的脉冲为正极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为正地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲；

当所述峰值的脉冲为负极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为负地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，综合判断模块，用于根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型，具体为：综合判断模块根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，结合少数服从多数的原则确定该脉冲的最终类型；当判断一脉冲为云闪脉冲的测站与判断该脉冲为地闪脉冲的测站的数目相同时，则确定该脉冲的最终类型为地闪脉冲。

6.一种局域全闪定位网的地闪回击脉冲检出方法，包括：

寻找甚低频/低频电场原始数据中的各个波峰及对应的峰值；

根据所述电场原始数据，确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数；

根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型；

根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述确定各波峰脉冲波形的十二项特征参数指，确定在1ms内采样点为5000的脉冲识别窗口中的十二项特征参数：

上升沿持续时间t_r＝T_P1-T_a1，为脉冲上升部分的10％幅度位置a1点到脉冲的最高峰值点P1的时间差；

下降沿持续时间t_f＝T_b1-T_P1，为P1到脉冲下降部分10％幅度位置b1的时间差；

脉冲中位宽度t_w＝T_b2-T_a2，为脉冲上升部分50％幅度位置a2到下降部分50％幅度位置b2的时间差；

脉冲的峰值点P1与脉冲前同一极性的小脉冲的峰值点P0间的时间间隔t₁₀＝T_P1-T_P0；

脉冲的峰值点P1与次峰点P2间的时间间隔t₂₁＝T_P2-T_P1；

次峰电场强度E_p2与脉冲电场强度E_p1间的比值R₂₁＝(E_p2-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)，E_baseline为从脉冲识别窗口开始直到第1950个采样点，所有采样点幅值的平均值；

脉冲前同一极性的小脉冲的电场强度E_p0与脉冲电场强度E_p1间的比值R₀₁＝(E_p0-E_baseline)/(E_p1-E_baseline)；

脉冲前最大波形波动幅度与脉冲的峰峰值之比R_ab＝(E_p0-E_V0)/(E_p1-E_V1)，E_V0是a1之前的采样点幅值中的最小值；E_V1为P1之后的采样点幅值的最小值；

脉冲峰峰值与所在数据最大值与最小值之差的比值R_m＝(E_p1-E_V1)/(E_max-E_min)，E_min和E_max分别是数据幅值的最小值和最大值；

脉冲负向峰值和正向峰值之比R_b＝(E_baseline-E_V1)/(E_p1-E_baseline)；

波形最大值与脉冲的峰峰值的比值R_f：当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为正时，R_f＝E_max/(E_P1-E_V1)；当脉冲前最大脉冲的前半周期峰值为负时，R_f＝E_min/(E_V1-E_P1)；

脉冲波峰后的波形持续时间t_bp＝T_b0-T_P1。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，当该峰值的脉冲为正极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：1μs≤t_r≤15μs；t_f的阈值范围为1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.47且t_f-t_r≥1.05μs；t_w≥3μs；t₁₀≥0.8μs或者不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.5或者下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.29；R_m＞0.5；0≤R_b≤0.28；0.5＜R_f＜1.4；t_bp＞15μs；

当该峰值的脉冲为负极性脉冲时，所述特征参数的阈值范围具体为：0.2μs≤t_r≤11.4μs；1μs≤t_f≤500μs且t_f/t_r≥1.84且t_f-t_r≥1.2μs；t_w≥4μs；t₁₀≥1μs或不存在前一峰值，此时无须考虑该参数；t₂₁≥0.4μs或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₂₁≤1.15或下降沿上无次峰，此时无须考虑该参数；R₀₁≤0.3；R_ab≤0.33；R_m＞0.6；R_b≤0.3；-1.4＜R_f＜-0.5；t_bp＞15μs。

9.根据权利要求6所述的方法，其中，根据所述峰值的正负判断该波峰的脉冲极性即正极性脉冲或负极性脉冲，并根据所述脉冲极性判断所述特征参数是否满足各特征参数的阈值范围，从而确定各测站探测到的脉冲的类型，具体包括步骤：

当所述峰值的脉冲为正极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为正地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲；

当所述峰值的脉冲为负极性脉冲时，若所述特征参数满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为负地闪回击脉冲；若所述特征参数不满足各特征参数的阈值范围，则该测站探测到的脉冲的类型为云闪脉冲。

10.根据权利要求6所述的方法，其中，根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，确定该脉冲的最终类型，具体包括步骤：

根据判断模块中至少一个测站对同一脉冲的类型判断结果，结合少数服从多数的原则，确定该脉冲的最终类型；当判断一脉冲为云闪脉冲的测站与判断该脉冲为地闪脉冲的测站的数目相同时，则确定该脉冲的最终类型为地闪脉冲。