CN110488165A - 一种雷击放电综合分析方法、装置、终端设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种雷击放电综合分析方法、装置、终端设备及存储介质，采集来自定点近区观测系统的雷击放电过程中的光学图像、光辐射信号、电场信号、磁场信号、雷声信号和拍照起始信号的相对时间关系，以及来自广域雷电监测系统的雷电电磁波特性参数；根据光辐射信号、光学图像和拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征；根据雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征；对雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数，能实现掌握雷击放电过程中的电、磁、光、声等物理参量的变化规律，能有效提高电网雷电过电压计算准确性。
Description
技术领域
本发明涉及雷电观测技术领域，尤其涉及一种雷击放电综合分析方法、装置、终端设备及存储介质。
背景技术
雷电是自然界中频繁发生的一种瞬时放电现象，其放电过程伴随着强电场、强磁场、大电流、强亮光、强冲击波和强电磁辐射等效应，可对广域分布的电力设施造成严重的损害，长期威胁着电网的安全稳定运行。近年来，随着发电厂、变电站、电力调度通讯大楼等场所的微电子设备数量激增，雷电的电磁破坏作用愈显严重。目前我国电力系统已采取了多种雷电保护技术和措施，取得了显著的效果，但是随着电网的快速发展和电网结构的日趋复杂以及近年来气候环境的变化异常，雷害问题仍然没有得到彻底解决，并且传统的电网分析计算方法和模型在面对新的情况时也不断呈现出其不适应性，究其原因，主要是由于长期以来一直缺乏对雷电基础问题研究的投入，从而对雷电的发生机制、物理过程及其基本参量认识不足，在防雷分析方法中多采用粗略的雷电物理参数或假设的物理模型，直接影响了电网防雷设计的效果和针对性。
发明内容
本发明实施例提供一种雷击放电综合分析方法、装置、终端设备及存储介质，能有效解决现有技术对雷电的发生机制、物理过程及其基本参量认识不足导致电网防雷设计的效果不佳和缺乏针对性的问题，能实现掌握雷击放电过程中的电、磁、光、声等物理参量的变化规律，为雷电防护技术理论研究提供基础性的试验数据，进而能有效提高电网雷电过电压计算准确性。
本发明一实施例提供一种雷击放电综合分析方法，包括：
采集来自定点近区观测系统的雷击放电过程中的光学图像、光辐射信号、电场信号、磁场信号、雷声信号和拍照起始信号的相对时间关系，以及来自广域雷电监测系统的雷电电磁波特性参数；
根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征；
根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征；
对所述光辐射信号、所述电场信号和所述磁场信号进行对比分析，得到光学与电磁场综合特征；
对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数；
根据所述光学信号特征、所述声学信号特征、所述光学与电磁场综合特征及所述雷击放电工程化参数，得到雷击放电综合分析结果。
作为上述方案的改进，通过如下步骤对所述光辐射信号进行分析：
根据所述光辐射信号，得到雷电回击产生的光辐射波形曲线；
获取当所述光辐射波形曲线出现首次回击的线性上升部分时对应的第一持续时间和第一幅值，出现继后回击的线性上升部分时对应的第二持续时间和第二幅值，以及达到峰值时对应的峰值时间和峰值幅值；
分别将所述第一持续时间和所述第一幅值占所述峰值时间和所述峰值幅值的比例与所述第二持续时间和所述第二幅值占所述峰值时间和所述峰值幅值的比例进行比较，得到雷电回击电流与光辐射信号波形之间的相关性。
作为上述方案的改进，通过如下步骤分析所述雷击放电的先导发展特征：
预先获取所述定点近区观测系统中高速摄像系统的系统参数，从所述光学图像中获取放电过程图像；
根据所述系统参数，结合地闪与观测点的距离，计算所述放电过程图像中地闪放电图像的每个像素对应的先导尺寸；
根据两幅相邻所述放电过程图像与拍照起始信号的相对时间关系，得到两幅相邻所述放电过程图像的时间间隔，并根据两幅相邻所述放电过程图像中同一先导头部的像素位置、所述时间间隔及所述先导尺寸，计算雷击放电的先导发展速度；
根据所述光学图像，对梯级先导的分支的特征进行分析，并对梯级先导发展的走向和速度进行分析，得到梯级先导发展特征；
根据所述先导发展速度和所述梯级先导发展特征，得到所述雷击放电的先导发展特征。
作为上述方案的改进，所述根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征，具体包括：
对所述光学图像的逐帧、逐行的亮度值进行积分，得到相对积分亮度随时间变化的波形图；
获取所述相对积分亮度随时间变化的波形图中将回击后微秒量级上闪电通道出现的相对积分亮度突变作为M分量，将回击之后通道持续发亮的时间作为连续电流持续时间；
根据所述相对积分亮度随时间变化的波形图，分析M分量特征；
根据所述雷电回击电流与光辐射信号波形之间的相关性、所述先导发展特征、所述相对积分亮度随时间变化的波形图及所述M分量特征，得到所述光学信号特征。
作为上述方案的改进，所述根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征，具体包括：
对所述定点近区观测系统中雷声监测装置的阵型结构进行系统误差分析；
基于系统误差分析结果，对所述雷声监测装置中的传声器数量进行分析，得到所述雷声声源定位装置的阵列参数；
采用过零率检测法和高斯差分法对所述雷声信号进行检测，以分析识别雷声；
对所述雷声信号的时域和频率进行分析，并选取雷声声源定位的时间间隔参数；
根据所述雷声声源定位装置的阵列参数、所述雷声声源定位的时间间隔参数及雷声识别，得到所述声学信号特征。
作为上述方案的改进，所述方法还包括通过预设的传播特性模型对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数；所述传播特性模型包括雷电电磁场传播特性模型或实测波形传播特性模型；
当所述传播特性模型为所述雷电电磁场传播特性模型时，建立用于仿真计算的雷电流模型；
采用数值分析法，根据所述雷电流模型得到雷电辐射场计算模型；
采用所述雷电辐射场计算模型，计算不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响；
根据所述雷电电磁波特性参数，对所述不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响进行对比，得到雷击放电工程化参数。
作为上述方案的改进，所述对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数，还具体包括：
当所述传播特性模型为所述实测波形传播特性模型时，基于所述雷电电磁波特性参数的单次雷击放电电磁波信号，选取参与定位计算的多个雷电探测站的同收雷电波形，并得到所述同收雷电波形对应的同收雷电电磁波信号；其中，所述广域雷电监测系统包括多个所述雷电探测站；
分析不同直线传播路径上各所述雷电探测站接收到所述同收雷电电磁波信号的幅值变化与所述雷电探测站距离的关系特征以及变化趋势，得到单次雷电电磁波信号的幅值变化特点；
基于所述单次雷电电磁波信号的幅值变化特点，分析同一地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点和不同地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点，得到多次雷电电磁波信号的幅值变化特点；
根据所述单次雷电电磁波信号的幅值变化特点和所述多次雷电电磁波信号的幅值变化特点，得到雷电电磁场信号传播特征；
根据所述雷电电磁场信号传播特征，得到雷击放电工程化参数。
本发明另一实施例对应提供了一种雷击放电综合分析装置，包括：
数据采集模块，用于采集来自定点近区观测系统的雷击放电过程中的光学图像、光辐射信号、电场信号、磁场信号、雷声信号和拍照起始信号的相对时间关系，以及来自广域雷电监测系统的雷电电磁波特性参数；
光学信号特征分析模块，用于根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征；
声学信号特征分析模块，用于根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征；
光学与电磁场综合特征分析模块，用于对所述光辐射信号、所述电场信号和所述磁场信号进行对比分析，得到光学与电磁场综合特征；
雷击放电工程化参数分析模块，用于对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数；
雷击放电综合分析模块，用于根据所述光学信号特征、所述声学信号特征、所述光学与电磁场综合特征及所述雷击放电工程化参数，得到雷击放电综合分析结果。
本发明另一实施例提供了一种雷击放电综合分析终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述发明实施例所述的雷击放电综合分析方法。
本发明另一实施例提供了一种存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述发明实施例所述的雷击放电综合分析方法。
与现有技术相比，本发明实施例公开的一种雷击放电综合分析方法、装置、终端设备及存储介质，具有如下有益效果：
通过采集来自定点近区观测系统的雷击放电过程中的光学图像、光辐射信号、电场信号、磁场信号、雷声信号和拍照起始信号的相对时间关系，以及来自广域雷电监测系统的雷电电磁波特性参数，根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征，根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征，对所述光辐射信号、所述电场信号和所述磁场信号进行对比分析，得到光学与电磁场综合特征，对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数，根据所述光学信号特征、所述声学信号特征、所述光学与电磁场综合特征及所述雷击放电工程化参数，得到雷击放电综合分析结果，能有效解决现有技术对雷电的发生机制、物理过程及其基本参量认识不足导致电网防雷设计的效果不佳和缺乏针对性的问题，能实现掌握雷击放电过程中的电、磁、光、声等物理参量的变化规律，为雷电防护技术理论研究提供基础性的试验数据，进而能有效提高电网雷电过电压计算准确性，提高雷电监测系统的准确性，提高电网雷电监测与防护的理论和技术水平，能够更好地满足电网在快速发展中对提高防雷技术水平的需求。
附图说明
图1是本发明实施例一提供的一种雷击放电综合分析方法的流程示意图；
图2是本发明实施例二提供的一种雷击放电综合分析装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
参见图1，是本发明实施例一提供的一种雷击放电综合分析方法的流程示意图，所述包括步骤S101至步骤S106。
S101、采集来自定点近区观测系统的雷击放电过程中的光学图像、光辐射信号、电场信号、磁场信号、雷声信号和拍照起始信号的相对时间关系，以及来自广域雷电监测系统的雷电电磁波特性参数。
本实施例中，定点近区观测系统由暂态快慢电场测量仪、磁场测量仪、光辐射信号探测仪、雷声测量装置、高速摄像仪组成。其中，定点近区观测系统工作原理如下：利用光辐射信号探测仪所产生的TTL电平信号触发高速摄像仪，输出高速摄像仪的曝光时钟周期信号(即ETC信号)和拍摄起始信号(即Record信号)。其中，ETC信号用于表征拍摄各张照片的曝光时间，ETC信号为周期性信号，其周期为拍摄速度的倒数，在ETC信号为高电平时，高速摄影仪的电子快门打开，照片持续曝光直至ETC信号变为低电平，Record信号的上升沿对应高速摄像仪开始记录第一帧照片的时刻，第一帧照片的曝光时间即为Record信号上升沿时刻至其后ETC信号的第一个下降沿，其后照片的曝光时间均参考第一帧照片曝光结束时刻，以每张照片曝光时间ΔT的整数倍类推，并由此得到各帧照片与Record信号的相对时间关系。进而，Record信号同步触发高速采集系统，得到电场信号、磁场信号、光强信号、光辐射信号以及雷声信号与Record信号的相对时间关系，通过修正同轴电缆中信号的传输延迟后，最终可以得出各帧照片曝光完成时刻与电学信号之间的精确时间关系，实现光学观测系统与电学测量系统的高精度同步。其次，广域雷电监测系统，即雷电定位系统由雷电探测站、数据处理及系统控制中心站、用户工作站及雷电信息系统构成，用于测量雷电电磁波特性参数，包括雷电辐射电磁波的方向、距离、高度角等诸多物理参数，测量数据经处理可得到闪电发生的地点(坐标)、时间、辐射电磁场强度和雷电流的强度、极性、回击次数等重要雷电特征参量。
S102、根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征。
在一种可选的实施例中，通过如下步骤对所述光辐射信号进行分析：
根据所述光辐射信号，得到雷电回击产生的光辐射波形曲线；
获取当所述光辐射波形曲线出现首次回击的线性上升部分时对应的第一持续时间和第一幅值，出现继后回击的线性上升部分时对应的第二持续时间和第二幅值，以及达到峰值时对应的峰值时间和峰值幅值；
分别将所述第一持续时间和所述第一幅值占所述峰值时间和所述峰值幅值的比例与所述第二持续时间和所述第二幅值占所述峰值时间和所述峰值幅值的比例进行比较，得到雷电回击电流与光辐射信号波形之间的相关性。
需要说明的是，基于雷电回击产生的光辐射波形曲线，雷击放电光辐射信号的特征分析方法为将对首次回击和继后回击的线性上升部分占总峰值的比例做比较，分析雷电回击电流与光辐射信号波形之间的相关性。
在一种可选的实施例中，通过如下步骤分析所述雷击放电的先导发展特征：
预先获取所述定点近区观测系统中高速摄像系统的系统参数，从所述光学图像中获取放电过程图像；
根据所述系统参数，结合地闪与观测点的距离，计算所述放电过程图像中地闪放电图像的每个像素对应的先导尺寸；
根据两幅相邻所述放电过程图像与拍照起始信号的相对时间关系，得到两幅相邻所述放电过程图像的时间间隔，并根据两幅相邻所述放电过程图像中同一先导头部的像素位置、所述时间间隔及所述先导尺寸，计算雷击放电的先导发展速度；
根据所述光学图像，对梯级先导的分支的特征进行分析，并对梯级先导发展的走向和速度进行分析，得到梯级先导发展特征；
根据所述先导发展速度和所述梯级先导发展特征，得到所述雷击放电的先导发展特征。
需要说明的是，开展自然雷电放电过程的光学观测是认识雷击物理过程的最直观手段，通过光学观测获得的雷电先导发展的形态和发展速度等特征量，可为雷击物理过程的分析和仿真提供依据。本实施例中，雷击放电先导发展特征分析方法就是利用由高速摄像仪获得的光学图像，对雷击放电的下行先导和上行先导传输特征进行分析，利用相邻两幅光学图像之间先导发展的距离与相邻两幅光学图像之间的时间间隔，计算下行先导与上行先导的发展速度特征。与此同时，对梯级先导的分支的特征进行分析，对发展的走向和速度进行分析，找出梯级先导发展的特征。
示例性的，对于正地闪观测过程，结合高速摄像系统的系统参数和放电过程图像，对先导发展速度进行近似计算。其中，高速摄像系统物镜焦距f为20mm，感光面元尺寸(d×d)为20μm×20μm，根据三角形相似有以下关系：
其中，Dflash表示地闪与观测点的距离，ΔLleader表示放电过程图像的地闪放电图像中每个像素所对应的先导尺度。若两幅相邻放电过程图像中同一先导头部的像素位置分别为(xi，yi)和(xi+1，yi+1)，那么先导发展速度为：
其中，Δt为两幅相邻放电过程图像的时间间隔。将以上参数代入，可以得到地闪图像上每个像素代表的先导尺度约为2.459m。
在一种可选的实施例中，通过如下步骤分析相对积分亮度及M分量特征：
对所述光学图像的逐帧、逐行的亮度值进行积分，得到相对积分亮度随时间变化的波形图；
获取所述相对积分亮度随时间变化的波形图中将回击后微秒量级上闪电通道出现的相对积分亮度突变作为M分量，将回击之后通道持续发亮的时间作为连续电流持续时间；
根据所述相对积分亮度随时间变化的波形图，分析M分量特征。
需要说明的是，雷击放电的相对积分亮度特征分析方法为对获取的光学图像进行相对积分亮度计算，绘制相对积分亮度随时间变化的波形特征，即对光学图像的逐帧、逐行的亮度值进行积分，根据每帧的总值绘制相对积分亮度随时间变化的波形图。进一步，由相对积分亮度随时间变化的波形图可知，连续电流过程中包含多个M分量。闪电通道内通道电流的大小是可以用闪电通道的亮度来表征的，根据光学图像的相对积分亮度随时间的变化来划分此次自然闪电的连续电流过程和M分量。因此，将回击后微秒量级上闪电通道出现的相对积分亮度突变划分为M分量，将回击之后通道持续发亮的时间作为连续电流持续时间，即从一次回击之后闪电通道的相对积分亮度出现极小值的时刻开始，到下一次回击之前闪电通道不再发光的时刻之间的这段时间。更进一步的，M分量指在回击过程之后通道微弱发光阶段通道亮度的突然增加，一般可以发现M分量的产生使得闪电通道呈现忽亮忽暗的情况，但是相对回击的亮度变化更小。因此，雷击放电M分量特征分析方法是根据相对积分亮度特征，分析雷击放电的M分量特征。
进一步，根据所述雷电回击电流与光辐射信号波形之间的相关性、所述先导发展特征、所述相对积分亮度随时间变化的波形图及所述M分量特征，得到所述光学信号特征。
S103、根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征。
在一种可选的实施例中，步骤S103包括：
对所述定点近区观测系统中雷声监测装置的阵型结构进行系统误差分析；
基于系统误差分析结果，对所述雷声监测装置中的传声器数量进行分析，得到所述雷声声源定位装置的阵列参数；
采用过零率检测法和高斯差分法对所述雷声信号进行检测，以分析识别雷声；
对所述雷声信号的时域和频率进行分析，并选取雷声声源定位的时间间隔参数；
根据所述雷声声源定位装置的阵列参数、所述雷声声源定位的时间间隔参数及雷声识别，得到所述声学信号特征。
本实施例中，雷声的频率范围一般是在0Hz-5000Hz，由于周围噪声的存在，低频处信噪比比较低，因此应尽量避开低频，在实际计算时选取的频率范围是50Hz-3500Hz。在这个频率范围内阵列的孔径不易过大。在进行声源定位计算时，通常传声器数量越多探测效率以及定位精度越高。示例性的，雷声声源定位装置的阵列参数分析方法为将对19元阵雷声监测装置进行阵型的系统误差分析，后通过传声器数量以及阵型结构优化提高系统的定位精度和探测效率。为了达到最低成本、最优产品、最高收益的目标，还将对阵列中传感器数量选取做了进一步研究。其次，雷声信号的特征识别方法为将通过分析雷声信号的特点，采用过零率检测法和高斯差分法对雷声进行检测，实现分析鉴别雷声。再是，在雷声信号定位计算的过程中，每次选取的信号时间长度对雷声测向的精度有着极为重要的影响，若选取时间过短，则可用的快拍数就很少，导致测向精度变差；若选取时间过长，则这段时间内可能包含多个位置的雷声，因此用该选取的信号时间长度去计算雷声的方向则会导致方向估计错误。因此，选择一个合适的时间长度对于测向结果的准确具有重要的意义。雷声声源定位的时间间隔参数的选取方法为将对雷声信号的时域和频域特征进行分析，后选取雷声时间长度。
S104、对所述光辐射信号、所述电场信号和所述磁场信号进行对比分析，得到光学与电磁场综合特征。
在一种可选的实施例中，所述方法还包括雷击放电电磁场信号特征分析方法。具体为，根据电场信号和磁场信号，针对电网关心的引起雷击断线的连续电流进行分析，首先对电磁场数据进行筛选，逐个找出具有连续电流过程的个例，并分别对个例进行统计分析，找出连续电流特征，以得到电磁场信号特征。
S105、对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数。
优选的，所述方法还包括通过预设的传播特性模型对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数。其中，所述传播特性模型包括雷电电磁场传播特性模型或实测波形传播特性模型。
在一种可选的实施例中，当所述传播特性模型为所述雷电电磁场传播特性模型时，建立用于仿真计算的雷电流模型；
采用数值分析法，根据所述雷电流模型得到雷电辐射场计算模型；
采用所述雷电辐射场计算模型，计算不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响；
根据所述雷电电磁波特性参数，对所述不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响进行对比，得到雷击放电工程化参数。
本实施例中，基于仿真计算的雷电电磁场传播特性研究方法将建立用于仿真计算的雷电流模型，进而采用数值分析方法得出简化的雷电辐射场计算公式，并利用该雷电辐射场计算公式分析并计算不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响，同时采用合理的统计方法深入分析广域雷电监测系统采集到的雷电电磁波特性参数中实测雷电波形沿不同地表的传播特性，总结出雷电电磁波波形幅值与波形变化的广域传播统计规律，进而对比分析雷电监测实际统计规律与仿真计算结果在雷电波形传播特性上的共性与区别，能够对与传播特性相关的雷电监测工程应用提出建议。
在一种可选的实施例中，当所述传播特性模型为所述实测波形传播特性模型时，基于所述雷电电磁波特性参数的单次雷击放电电磁波信号，选取参与定位计算的多个雷电探测站的同收雷电波形，并得到所述同收雷电波形对应的同收雷电电磁波信号；其中，所述广域雷电监测系统包括多个所述雷电探测站；
分析不同直线传播路径上各所述雷电探测站接收到所述同收雷电电磁波信号的幅值变化与所述雷电探测站距离的关系特征以及变化趋势，得到单次雷电电磁波信号的幅值变化特点；
基于所述单次雷电电磁波信号的幅值变化特点，分析同一地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点和不同地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点，得到多次雷电电磁波信号的幅值变化特点；
根据所述单次雷电电磁波信号的幅值变化特点和所述多次雷电电磁波信号的幅值变化特点，得到雷电电磁场信号传播特征；
根据所述雷电电磁场信号传播特征，得到雷击放电工程化参数。
需要说明的是，不同的地形地貌对雷电电磁波传播影响较大，故以直线传播路径上多个探测站同收雷电波形作为具体分析对象，针对同收的雷电原始数据，提取电磁场峰值，根据雷电信号磁场峰值的变化来研究雷电波磁场幅值变化规律和变化的影响因素。对于单次雷击过程，选取参与定位计算的多个雷电探测站同收雷电波形，按照直线传播路径分析单次雷击在不同传播路径上电磁波信号幅值变化特点，按照探测站分布的直线路径将电磁波传播路径分为路径1、路径2、路径3，分析每条路径上各雷电探测站接收到同收雷电电磁波信号的幅值变化与距雷击点距离关系及变化趋势。
进一步，在基于单次雷击放电电磁信号数据可得出单个雷击点产生的磁场波在不同地形沿不同传播路径情况下的幅值变化趋势。进而，针对多次地闪雷击放电电磁信号数据进行幅值规律统计，分别针对同一地点多次雷击放电重复传播路径的传播特性和不同雷击点不同传播路径的传播特性得出一定的统计规律。其中，在同一地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点的分析中，多次地闪雷击放电发生在不同时刻相隔距离很近的区域，在广域地面范围可以近似为同一地点，统计分析时选取了大量类似这样发生在同一地点的原始雷电数据，由于雷击放电电磁波均被多个探测站同收，从而分析所有同收波形幅值得出其与探测站距离关系特征。在不同地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点的分析中，基于同一地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点，更有利于发现统一的变化规律，但各雷电探测站固有测量误差也会使统计结果趋于一致，造成统计结果有所偏差不能完全反应真实的变化情况，为了避免这种误差，可对不同雷击地点不同传播路径的同收雷电数据进行类似统计分析。因此，根据所述雷电电磁场信号传播特征，以优化雷击放电工程化参数，由于广域雷电监测系统在电网中的广泛应用，能提高电网的雷击预警与应急处理能力，保障了电网的安全运营，同时广域雷电监测系统作为雷电科学研究的基础技术平台，也为雷电物理特性基础研究提供了大量的数据支持。
S106、根据所述光学信号特征、所述声学信号特征、所述光学与电磁场综合特征及所述雷击放电工程化参数，得到雷击放电综合分析结果。
本发明实施例提供的一种雷击放电综合分析方法，通过采集来自定点近区观测系统的雷击放电过程中的光学图像、光辐射信号、电场信号、磁场信号、雷声信号和拍照起始信号的相对时间关系，以及来自广域雷电监测系统的雷电电磁波特性参数，根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征，根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征，对所述光辐射信号、所述电场信号和所述磁场信号进行对比分析，得到光学与电磁场综合特征，对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数，根据所述光学信号特征、所述声学信号特征、所述光学与电磁场综合特征及所述雷击放电工程化参数，得到雷击放电综合分析结果，能有效解决现有技术对雷电的发生机制、物理过程及其基本参量认识不足导致电网防雷设计的效果不佳和缺乏针对性的问题，能实现掌握雷击放电过程中的电、磁、光、声等物理参量的变化规律，为雷电防护技术理论研究提供基础性的试验数据，进而能有效提高电网雷电过电压计算准确性，提高雷电监测系统的准确性，提高电网雷电监测与防护的理论和技术水平，能够更好地满足电网在快速发展中对提高防雷技术水平的需求。
实施例二
参见图2，是本发明实施例二提供的一种雷击放电综合分析装置的结构示意图，包括：
数据采集模块201，用于采集来自定点近区观测系统的雷击放电过程中的光学图像、光辐射信号、电场信号、磁场信号、雷声信号和拍照起始信号的相对时间关系，以及来自广域雷电监测系统的雷电电磁波特性参数；
光学信号特征分析模块202，用于根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征；
声学信号特征分析模块203，用于根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征；
光学与电磁场综合特征分析模块204，用于对所述光辐射信号、所述电场信号和所述磁场信号进行对比分析，得到光学与电磁场综合特征；
雷击放电工程化参数分析模块205，用于对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数；
雷击放电综合分析模块206，用于根据所述光学信号特征、所述声学信号特征、所述光学与电磁场综合特征及所述雷击放电工程化参数，得到雷击放电综合分析结果。
优选的，所述光学信号特征分析模块202包括：
雷电回击产生的光辐射波形曲线获取单元，用于根据所述光辐射信号，得到雷电回击产生的光辐射波形曲线；
曲线分析单元，用于获取当所述光辐射波形曲线出现首次回击的线性上升部分时对应的第一持续时间和第一幅值，出现继后回击的线性上升部分时对应的第二持续时间和第二幅值，以及达到峰值时对应的峰值时间和峰值幅值；
相关性分析单元，用于分别将所述第一持续时间和所述第一幅值占所述峰值时间和所述峰值幅值的比例与所述第二持续时间和所述第二幅值占所述峰值时间和所述峰值幅值的比例进行比较，得到雷电回击电流与光辐射信号波形之间的相关性。
优选的，所述光学信号特征分析模块202包括：
系统参数和放电过程图像获取单元，用于预先获取所述定点近区观测系统中高速摄像系统的系统参数，从所述光学图像中获取放电过程图像；
先导尺寸计算单元，用于根据所述系统参数，结合地闪与观测点的距离，计算所述放电过程图像中地闪放电图像的每个像素对应的先导尺寸；
先导发展速度计算单元，用于根据两幅相邻所述放电过程图像与拍照起始信号的相对时间关系，得到两幅相邻所述放电过程图像的时间间隔，并根据两幅相邻所述放电过程图像中同一先导头部的像素位置、所述时间间隔及所述先导尺寸，计算雷击放电的先导发展速度；
梯级先导发展特征分析单元，用于根据所述光学图像，对梯级先导的分支的特征进行分析，并对梯级先导发展的走向和速度进行分析，得到梯级先导发展特征；
先导发展特征分析单元，用于根据所述先导发展速度和所述梯级先导发展特征，得到所述雷击放电的先导发展特征。
优选的，所述光学信号特征分析模块202包括：
相对积分亮度随时间变化的波形图生成单元，用于对所述光学图像的逐帧、逐行的亮度值进行积分，得到相对积分亮度随时间变化的波形图；
划分单元，用于获取所述相对积分亮度随时间变化的波形图中将回击后微秒量级上闪电通道出现的相对积分亮度突变作为M分量，将回击之后通道持续发亮的时间作为连续电流持续时间；
M分量特征分析单元，用于根据所述相对积分亮度随时间变化的波形图，分析M分量特征；
光学信号特征分析单元，用于根据所述雷电回击电流与光辐射信号波形之间的相关性、所述先导发展特征、所述相对积分亮度随时间变化的波形图及所述M分量特征，得到所述光学信号特征。
优选的，所述声学信号特征分析模块203包括：
雷声监测装置系统误差分析单元，用于对所述定点近区观测系统中雷声监测装置的阵型结构进行系统误差分析；
雷声声源定位装置的阵列参数分析单元，用于基于系统误差分析结果，对所述雷声监测装置中的传声器数量进行分析，得到所述雷声声源定位装置的阵列参数；
雷声识别单元，用于采用过零率检测法和高斯差分法对所述雷声信号进行检测，以分析识别雷声；
雷声声源定位的时间间隔参数选取单元，用于对所述雷声信号的时域和频率进行分析，并选取雷声声源定位的时间间隔参数；
声学信号特征分析单元，用于根据所述雷声声源定位装置的阵列参数、所述雷声声源定位的时间间隔参数及雷声识别，得到所述声学信号特征。
优选的，所述雷击放电工程化参数分析模块205包括：
雷电流模型构建单元，用于当所述传播特性模型为所述雷电电磁场传播特性模型时，建立用于仿真计算的雷电流模型；
雷电辐射场计算模型构建单元，用于采用数值分析法，根据所述雷电流模型得到雷电辐射场计算模型；
不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响计算单元，用于采用所述雷电辐射场计算模型，计算不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响；
第一雷击放电工程化参数分析单元，用于根据所述雷电电磁波特性参数，对所述不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响进行对比，得到雷击放电工程化参数。
优选的，所述雷击放电工程化参数分析模块205包括：
同收雷电电磁波信号获取单元，用于当所述传播特性模型为所述实测波形传播特性模型时，基于所述雷电电磁波特性参数的单次雷击放电电磁波信号，选取参与定位计算的多个雷电探测站的同收雷电波形，并得到所述同收雷电波形对应的同收雷电电磁波信号；其中，所述广域雷电监测系统包括多个所述雷电探测站；
单次雷电电磁波信号的幅值变化特点分析单元，用于分析不同直线传播路径上各所述雷电探测站接收到所述同收雷电电磁波信号的幅值变化与所述雷电探测站距离的关系特征以及变化趋势，得到单次雷电电磁波信号的幅值变化特点；
多次雷电电磁波信号的幅值变化特点分析单元，用于基于所述单次雷电电磁波信号的幅值变化特点，分析同一地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点和不同地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点，得到多次雷电电磁波信号的幅值变化特点；
雷电电磁场信号传播特征分析单元，用于根据所述单次雷电电磁波信号的幅值变化特点和所述多次雷电电磁波信号的幅值变化特点，得到雷电电磁场信号传播特征；
第二雷击放电工程化参数分析单元，用于根据所述雷电电磁场信号传播特征，得到雷击放电工程化参数。
本实施例二提供的所述雷击放电综合分析装置用于执行上述实施例一任意一项所述雷击放电综合分析方法的步骤，两者的工作原理和有益效果一一对应，因而不再赘述。
本发明实施例三提供的一种雷击放电综合分析终端设备。该实施例的雷击放电综合分析终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，例如雷击放电综合分析程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个雷击放电综合分析方法实施例中的步骤，例如图1所示的步骤102。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能，例如光学信号特征分析模块202。
示例性的，所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。所述一个或多个模块/单元可以是能够完成特定功能的一系列计算机程序指令段，该指令段用于描述所述计算机程序在所述雷击放电综合分析终端设备中的执行过程。
所述雷击放电综合分析终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述雷击放电综合分析终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。本领域技术人员可以理解，上述部件仅仅是雷击放电综合分析终端设备的示例，并不构成对雷击放电综合分析终端设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件，例如所述雷击放电综合分析终端设备还可以包括输入输出设备、网络接入设备、总线等。
所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所述处理器是所述雷击放电综合分析终端设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个雷击放电综合分析终端设备的各个部分。
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述雷击放电综合分析终端设备的各种功能。所述存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(SecureDigital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，所述雷击放电综合分析终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
需说明的是，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。另外，本发明提供的装置实施例附图中，模块之间的连接关系表示它们之间具有通信连接，具体可以实现为一条或多条通信总线或信号线。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种雷击放电综合分析方法，其特征在于，包括：
采集来自定点近区观测系统的雷击放电过程中的光学图像、光辐射信号、电场信号、磁场信号、雷声信号和拍照起始信号的相对时间关系，以及来自广域雷电监测系统的雷电电磁波特性参数；
根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征；
根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征；
对所述光辐射信号、所述电场信号和所述磁场信号进行对比分析，得到光学与电磁场综合特征；
对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数；
根据所述光学信号特征、所述声学信号特征、所述光学与电磁场综合特征及所述雷击放电工程化参数，得到雷击放电综合分析结果。
2.如权利要求1所述的雷击放电综合分析方法，其特征在于，通过如下步骤对所述光辐射信号进行分析：
根据所述光辐射信号，得到雷电回击产生的光辐射波形曲线；
获取当所述光辐射波形曲线出现首次回击的线性上升部分时对应的第一持续时间和第一幅值，出现继后回击的线性上升部分时对应的第二持续时间和第二幅值，以及达到峰值时对应的峰值时间和峰值幅值；
分别将所述第一持续时间和所述第一幅值占所述峰值时间和所述峰值幅值的比例与所述第二持续时间和所述第二幅值占所述峰值时间和所述峰值幅值的比例进行比较，得到雷电回击电流与光辐射信号波形之间的相关性。
3.如权利要求2所述的雷击放电综合分析方法，其特征在于，通过如下步骤分析所述雷击放电的先导发展特征：
预先获取所述定点近区观测系统中高速摄像系统的系统参数，从所述光学图像中获取放电过程图像；
根据所述系统参数，结合地闪与观测点的距离，计算所述放电过程图像中地闪放电图像的每个像素对应的先导尺寸；
根据两幅相邻所述放电过程图像与拍照起始信号的相对时间关系，得到两幅相邻所述放电过程图像的时间间隔，并根据两幅相邻所述放电过程图像中同一先导头部的像素位置、所述时间间隔及所述先导尺寸，计算雷击放电的先导发展速度；
根据所述光学图像，对梯级先导的分支的特征进行分析，并对梯级先导发展的走向和速度进行分析，得到梯级先导发展特征；
根据所述先导发展速度和所述梯级先导发展特征，得到所述雷击放电的先导发展特征。
4.如权利要求3所述的雷击放电综合分析方法，其特征在于，所述根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征，具体包括：
对所述光学图像的逐帧、逐行的亮度值进行积分，得到相对积分亮度随时间变化的波形图；
获取所述相对积分亮度随时间变化的波形图中将回击后微秒量级上闪电通道出现的相对积分亮度突变作为M分量，将回击之后通道持续发亮的时间作为连续电流持续时间；
根据所述相对积分亮度随时间变化的波形图，分析M分量特征；
根据所述雷电回击电流与光辐射信号波形之间的相关性、所述先导发展特征、所述相对积分亮度随时间变化的波形图及所述M分量特征，得到所述光学信号特征。
5.如权利要求1所述的雷击放电综合分析方法，其特征在于，所述根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征，具体包括：
对所述定点近区观测系统中雷声监测装置的阵型结构进行系统误差分析；
基于系统误差分析结果，对所述雷声监测装置中的传声器数量进行分析，得到所述雷声声源定位装置的阵列参数；
采用过零率检测法和高斯差分法对所述雷声信号进行检测，以分析识别雷声；
对所述雷声信号的时域和频率进行分析，并选取雷声声源定位的时间间隔参数；
根据所述雷声声源定位装置的阵列参数、所述雷声声源定位的时间间隔参数及雷声识别，得到所述声学信号特征。
6.如权利要求1所述的雷击放电综合分析方法，其特征在于，所述方法还包括通过预设的传播特性模型对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数；所述传播特性模型包括雷电电磁场传播特性模型或实测波形传播特性模型；
当所述传播特性模型为所述雷电电磁场传播特性模型时，建立用于仿真计算的雷电流模型；
采用数值分析法，根据所述雷电流模型得到雷电辐射场计算模型；
采用所述雷电辐射场计算模型，计算不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响；
根据所述雷电电磁波特性参数，对所述不同土壤电导率对雷电辐射磁场的影响进行对比，得到雷击放电工程化参数。
7.如权利要求6所述的雷击放电综合分析方法，其特征在于，所述对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数，还具体包括：
当所述传播特性模型为所述实测波形传播特性模型时，基于所述雷电电磁波特性参数的单次雷击放电电磁波信号，选取参与定位计算的多个雷电探测站的同收雷电波形，并得到所述同收雷电波形对应的同收雷电电磁波信号；其中，所述广域雷电监测系统包括多个所述雷电探测站；
分析不同直线传播路径上各所述雷电探测站接收到所述同收雷电电磁波信号的幅值变化与所述雷电探测站距离的关系特征以及变化趋势，得到单次雷电电磁波信号的幅值变化特点；
基于所述单次雷电电磁波信号的幅值变化特点，分析同一地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点和不同地点多次雷电电磁波信号的幅值变化特点，得到多次雷电电磁波信号的幅值变化特点；
根据所述单次雷电电磁波信号的幅值变化特点和所述多次雷电电磁波信号的幅值变化特点，得到雷电电磁场信号传播特征；
根据所述雷电电磁场信号传播特征，得到雷击放电工程化参数。
8.一种雷击放电综合分析装置，其特征在于，包括：
数据采集模块，用于采集来自定点近区观测系统的雷击放电过程中的光学图像、光辐射信号、电场信号、磁场信号、雷声信号和拍照起始信号的相对时间关系，以及来自广域雷电监测系统的雷电电磁波特性参数；
光学信号特征分析模块，用于根据所述光辐射信号、所述光学图像和所述拍照起始信号的相对时间关系，分析雷击放电的先导发展特征、相对积分亮度及M分量特征，得到光学信号特征；
声学信号特征分析模块，用于根据所述雷声信号，分析雷声声源定位装置的阵列参数、雷声识别及雷声声源定位，得到声学信号特征；
光学与电磁场综合特征分析模块，用于对所述光辐射信号、所述电场信号和所述磁场信号进行对比分析，得到光学与电磁场综合特征；
雷击放电工程化参数分析模块，用于对所述雷电电磁波特性参数进行分析，得到雷击放电工程化参数；
雷击放电综合分析模块，用于根据所述光学信号特征、所述声学信号特征、所述光学与电磁场综合特征及所述雷击放电工程化参数，得到雷击放电综合分析结果。
9.一种雷击放电综合分析终端设备，包括处理器、存储器以及存储在所述存储器中且被配置为由所述处理器执行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至7中任意一项所述的雷击放电综合分析方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至7中任意一项所述的雷击放电综合分析方法。
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