CN113189391A - 一种地闪回击电流的光学遥测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种地闪回击电流的光学遥测方法，将长期实际观测获得的大量地闪回击电流及其辐射光，进行序列插值或抽取，调整为采样率相同的序列信号后，分别作为带外部输入的非线性自回归模型的输出和输入数据，进行NARX模型训练；利用高速光学观测系统获取新的地闪回击电流的辐射光信号，经过插值或抽取后，调整为与NARX模型训练时的样本数据具有相同采样率的序列信号；将获取的新辐射光信号乘以光强度距离修正因子，进行光信号修正，为训练好的NARX模型提供输入数据；将修正后的新辐射光信号输入训练好的NARX模型，输出即为光学测量的回击电流。该方法无需串联进入电流通道，也无需环绕电流通道，安装调试过程简单，不受外部电磁干扰。
Description
技术领域
本发明应用于雷电特性观测技术领域，特别是一种地闪回击电流的光学遥测方法，可以实现对回击电流的无电磁干扰测量。
背景技术
回击电流是对雷电认知和开展防护的基础，其一般通过峰值、最大电流变化率、波形前沿、持续时间、半峰值宽度、总转移电荷量等参量进行表征。若要实现对电流的精确描述，就必须以大量的观测数据为基础。例如，王飞等人在“地闪回击电流测量综述”一文中指出，地闪回击电流是雷电的重要特征参数，其测量数据的积累对于雷电防护技术的提高具有重要意义。目前，国内外的雷电研究人员主要通过矮塔、高塔及人工引雷对回击电流进行直接观测，或者利用电磁场与电流之间的关联性对回击电流进行间接反演。
对于回击电流的直接观测而言，主要通过在塔顶避雷针或人工引雷引流杆处安装同轴分流器或罗氏线圈实现。然而，同轴分流器需串联进入测量通道，影响高塔结构及回路电气参数；罗氏线圈则需环绕电流通路，安装调试过程复杂，维护难度大。更重要的是，上述两种直接观测的方式均需将传感器暴露于强电流通道附近，信号传输通道或设备易出现强场耦合致损或波形失真，影响对回击电流细节特性的提取与分析。对于回击电流的电磁场间接反演而言，由于电磁场传感器设计的带宽往往是有限的，致使在进行反演时包含的频率信息有所缺失，继而导致电流的反演结果存在一定的偏差，而且通过电磁场对回击电流进行反演，受地表形貌、通道形状以及回击参数的影响也较大。值得注意的是，大量试验结果证实电流与其辐射的光信号之间具有强关联性，如张义军等人在“空中人工触发闪电试验及特性分析”一文中指出，通道电流与其相对光强有很好的正相关；Diendorfer等人在“An attempt to determine currents in lightning channel branches from opticaldata of a high speed video system”一文中也得到了类似的结论，并指出对于同一次闪电过程，在不同高度下的亮度随时间变化的函数波形图也非常相似。显然，利用光信号遥测回击电流是可行的，并且光学遥测还可通过测量不同高度处的光信号推断电流的时空发展特性，这对研究雷电物理和雷电防护而言，至关重要。
因此，发展对电流回路无影响，易于安装调试且不受外部电磁干扰的电流光学遥测技术意义重大。目前，可用于地闪回击电流的光学遥测方法，未见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种地闪回击电流的光学遥测方法，不受外部电磁干扰。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的一种地闪回击电流的光学遥测方法，包括如下步骤：
步骤(10)训练NARX模型：将长期实际观测获得的大量地闪回击电流及其辐射光，进行序列插值或抽取，调整为采样率相同的序列信号后，分别作为带外部输入的非线性自回归(NARX)模型的输出和输入数据，进行模型训练；
所述步骤(10)训练NARX模型的网络节点个数和反馈延迟数的优选值均为n+1。
所述步骤(10)的地闪回击电流及其辐射光信号均来源于长期的自然雷和人工引雷试验观测；观测系统均经过标定。
步骤(20)获取新的辐射光信号：利用高速光学观测系统获取新的地闪回击电流的辐射光信号，经过插值或抽取后，调整为与NARX模型训练时的样本数据具有相同采样率的序列信号；
步骤(30)修正新的辐射光信号：将获取的新辐射光信号乘以光强度距离修正因子，进行光信号修正，为训练好的NARX模型提供输入数据；
步骤(40)测量回击电流：将修正后的新辐射光信号输入训练好的NARX模型，输出即为光学测量的回击电流。
所述步骤(10)训练NARX模型的具体步骤为：
(11)NARX模型初始化：初始设置的NARX网络节点个数和反馈延迟数不低于如图4所示的输入信号波形前沿包含的采样点数(n)；
(12)NARX模型训练：采用弹性后向传播算法优化网络权重和偏置；通过引入正则化技术来避免欠拟合和过拟合的发生；
(13)NARX模型评估：采用回归系数量化训练过程中输出与目标之间的关系强度，并选择特征选择验证技术计算输入数据和验证数据的均方误差以评估模型精度；
(14)训练好的NARX模型：经过不断迭代训练、评估得到训练好的NARX模型。
所述步骤(30)修正新的辐射光信号中的距离因子的计算步骤为：
步骤(31)光强度计算：基于能量守恒定律和光辐射理论，求解观测系统有效感光单元单位面积上的光强度为：
式中：τ和h′分别为时间和高度积分微元；Δt为波形持续时间；c为光速；Pr为单位长度通道的辐射光强度；D为光学观测系统与回击电流通道之间的水平距离；h为光学观测系统观测的电流离地高度；Δh为观测系统有效感光单元单位面积覆盖的电流通道段的长度；θ为离地h+h′处的电流通道与观测系统之间的连线与电流通道的夹角；
所述步骤(31)光强度计算步骤中，单位通道长度的辐射光强度Pr为：
式中：η为辐射光强在总能量中的占比，取值为0.1；tc为光辐射引起的通道冷却速率时间常数，取值为50μs；R为通道单位阻抗；I为回击电流；
步骤(32)基准光强度选取：利用光强度计算公式，计算D＝500m时的辐射光强峰值(PN)为基准，并将此处的光强度距离修正因子记为f＝1；
步骤(33)离散光强度距离修正因子计算：通过变化D得到距电流通道不同距离处的辐射光信号，并计算相应光强峰值(PD)与PN的比值，此比值即为相应距离D处的光强度距离修正因子fD；
步骤(34)光强度距离修正因子曲线拟合：以d＝D/500为变量，以相应的光强度距离修正因子为因变量，拟合得到的不同fD，得到光强度距离修正因子的表达式：
f(d)＝α·eβ.d
式中：α和β均为拟合常数，e为自然常数；
步骤(35)光强度距离修正因子获取：将实际观测时光学观测系统与电流通道之间的距离除以500m代入光强度距离修正因子的表达式，即可得到相应的距离修正因子f(d)；
所述步骤(35)光强度距离修正因子获取步骤中，实际观测时光学观测系统与电流通道之间的距离由雷电定位系统得到。
本发明有以下积极的效果：
1、提供了利用远距离观测的光学信号对回击电流进行遥测的方法；
2、该方法所需的观测系统无需串联进入电流通道，也无需环绕电流通道，安装调试过程简单，不受外部电磁干扰。
附图说明
图1为本发明地闪回击电流的光学遥测方法的主流程图；
图2为NARX开环训练示意图；
图3为图1中训练NARX模型的流程图；
图4为观测信号示意图；
图5为图1中修正新的辐射光信号步骤的流程图；
图6为图5中光强度计算示意图；
图7为NARX闭环预测示意图；
图8为NARX训练的相关系数示例；
图9为NARX训练的均方误差变化曲线示例；
图10为NARX模型的预测输出电流示例。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。
如图1所示，一种地闪回击电流的光学遥测方法，包括如下步骤：
步骤(10)训练NARX模型：将长期实际观测获得的大量地闪回击电流及其辐射光，进行序列插值或抽取，调整为采样率相同的序列信号后，分别作为带外部输入的非线性自回归(NARX)模型的输出和输入数据，进行模型训练；
所述(10)训练NARX模型的输入数据为回击电流的辐射光，输出数据为回击电流，且输入的辐射光信号已经过光强度距离因子修正；
如图2所示，所述(10)训练NARX模型的过程为将实测的光信号和回击电流调整为采样率相同的序列信号后，分别作为NARX模型的输入和输出而进行的开环训练。
如图3所示，所述(10)训练NARX模型的步骤为：
(11)NARX模型初始化：初始设置的NARX网络节点个数和反馈延迟数不低于如图4所示的输入信号波形前沿包含的采样点数(n)；
(12)NARX模型训练：采用弹性后向传播算法优化网络权重和偏置；通过引入正则化技术来避免欠拟合和过拟合的发生；
(13)NARX模型评估：采用回归系数量化训练过程中输出与目标之间的关系强度，并选择特征选择验证技术计算输入数据和验证数据的均方误差以评估模型精度；
(14)训练好的NARX模型：经过不断迭代训练、评估得到训练好的NARX模型。
(20)获取新的辐射光信号：利用高速光学观测系统获取新的地闪回击电流的辐射光信号，经过插值或抽取后，调整为与NARX模型训练时的样本数据具有相同采样率的序列信号；
(30)修正新的辐射光信号：将获取的新辐射光信号乘以光强度距离修正因子，进行光信号修正，为训练好的NARX模型提供输入数据；
如图5所示，所述(30)修正新的辐射光信号中的距离因子的计算步骤为：
(31)光强度计算：基于能量守恒定律和光辐射理论，求解观测系统有效感光单元单位面积上的光强度为：
如图6所示，式中：τ和h′分别为时间和高度积分微元；Δt为波形持续时间；c为光速；Pr为单位长度通道的辐射光强度；D为光学观测系统与回击电流通道之间的水平距离；h为光学观测系统观测的电流离地高度；Δh为观测系统有效感光单元单位面积覆盖的电流通道段的长度；θ为离地h+h′处的电流通道与观测系统之间的连线与电流通道的夹角。
所述(31)光强度计算步骤中，单位通道长度的辐射光强度Pr为：
式中：η为辐射光强在总能量中的占比，取值为0.1；tc为光辐射引起的通道冷却速率时间常数，取值为50μs；R为通道单位阻抗；I为回击电流；
(32)基准光强度选取：利用光强度计算公式，计算D＝500m时的辐射光强峰值(PN)为基准，并将此处的光强度距离修正因子记为f＝1；
(33)离散光强度距离修正因子计算：通过变化D得到距电流通道不同距离处的辐射光信号，并计算相应光强峰值(PD)与PN的比值，此比值即为相应距离D处的光强度距离修正因子fD；
(34)光强度距离修正因子曲线拟合：以d＝D/500为变量，以相应的光强度距离修正因子为因变量，拟合得到的不同fD，得到光强度距离修正因子的表达式：
f(d)＝α·eβ.d
式中：α和β均为拟合常数，e为自然常数；
(35)光强度距离修正因子获取：将实际观测时光学观测系统与电流通道之间的距离除以500m代入光强度距离修正因子的表达式，即可得到相应的距离修正因子f(d)；
所述(35)光强度距离修正因子获取步骤中，实际观测时光学观测系统与电流通道之间的距离由雷电定位系统得到。
(40)测量回击电流：将修正后的新辐射光信号输入训练好的NARX模型，输出即为光学测量的回击电流；
如图7所示，所述(40)测量回击电流的过程为将(30)修正新的辐射光信号后的光信号作为网络输入进行的闭环预测，输出即为测量得到的回击电流。
所述地闪回击电流及其辐射光信号均来源于长期的自然雷和人工引雷试验观测；观测系统均经过标定。
优选的，所述(10)训练NARX模型的网络节点个数和反馈延迟数的优选值均为n+1。
现结合具体试验和说明书附图对本发明作进一步描述和验证。
图8所示为NARX开环训练模型的相关系数R，大于0.99。
图9为训练的均方误差变化曲线，精度好。
图10为利用训练好的NARX模型进行闭环预测的输出电流(Output)与实际电流(Target)的对比图。
由此可见本发明方法可以很好的遥测回击电流。
上述具体实施方式不以任何形式限制本发明的技术方案，凡是采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案均落在本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种地闪回击电流的光学遥测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤(10)训练NARX模型：将长期实际观测获得的大量地闪回击电流及其辐射光，进行序列插值或抽取，调整为采样率相同的序列信号后，分别作为带外部输入的非线性自回归(NARX)模型的输出和输入数据，进行模型训练；
步骤(20)获取新的辐射光信号：利用高速光学观测系统获取新的地闪回击电流的辐射光信号，经过插值或抽取后，调整为与NARX模型训练时的样本数据具有相同采样率的序列信号；
步骤(30)修正新的辐射光信号：将获取的新辐射光信号乘以光强度距离修正因子，进行光信号修正，为训练好的NARX模型提供输入数据；
步骤(40)测量回击电流：将修正后的新辐射光信号输入训练好的NARX模型，输出即为光学测量的回击电流。
2.根据权利要求1所述的地闪回击电流的光学遥测方法，其特征在于，
所述步骤(10)训练NARX模型的具体步骤为：
(11)NARX模型初始化：初始设置的NARX网络节点个数和反馈延迟数不低于如图4所示的输入信号波形前沿包含的采样点数(n)；
(12)NARX模型训练：采用弹性后向传播算法优化网络权重和偏置；通过引入正则化技术来避免欠拟合和过拟合的发生；
(13)NARX模型评估：采用回归系数量化训练过程中输出与目标之间的关系强度，并选择特征选择验证技术计算输入数据和验证数据的均方误差以评估模型精度；
(14)训练好的NARX模型：经过不断迭代训练、评估得到训练好的NARX模型。
3.根据权利要求1或2所述的地闪回击电流的光学遥测方法，其特征在于，所述步骤(10)训练NARX模型的网络节点个数和反馈延迟数的优选值均为n+1。
4.根据权利要求1所述的地闪回击电流的光学遥测方法，其特征在于，所述步骤(30)修正新的辐射光信号中的距离因子的计算步骤为：
步骤(31)光强度计算：基于能量守恒定律和光辐射理论，求解观测系统有效感光单元单位面积上的光强度为：
式中：τ和h′分别为时间和高度积分微元；Δt为波形持续时间；c为光速；Pr为单位长度通道的辐射光强度；D为光学观测系统与回击电流通道之间的水平距离；h为光学观测系统观测的电流离地高度；Δh为观测系统有效感光单元单位面积覆盖的电流通道段的长度；θ为离地h+h′处的电流通道与观测系统之间的连线与电流通道的夹角；
所述步骤(31)光强度计算步骤中，单位通道长度的辐射光强度Pr为：
式中：η为辐射光强在总能量中的占比，取值为0.1；tc为光辐射引起的通道冷却速率时间常数，取值为50μs；R为通道单位阻抗；I为回击电流；
步骤(32)基准光强度选取：利用光强度计算公式，计算D＝500m时的辐射光强峰值(PN)为基准，并将此处的光强度距离修正因子记为f＝1；
步骤(33)离散光强度距离修正因子计算：通过变化D得到距电流通道不同距离处的辐射光信号，并计算相应光强峰值(PD)与PN的比值，此比值即为相应距离D处的光强度距离修正因子fD；
步骤(34)光强度距离修正因子曲线拟合：以d＝D/500为变量，以相应的光强度距离修正因子为因变量，拟合得到的不同fD，得到光强度距离修正因子的表达式：
f(d)＝α·eβ.d
式中：α和β均为拟合常数，e为自然常数；
步骤(35)光强度距离修正因子获取：将实际观测时光学观测系统与电流通道之间的距离除以500m代入光强度距离修正因子的表达式，即可得到相应的距离修正因子f(d)；
所述步骤(35)光强度距离修正因子获取步骤中，实际观测时光学观测系统与电流通道之间的距离由雷电定位系统得到。
5.根据权利要求1所述的地闪回击电流的光学遥测方法，其特征在于，所述步骤(10)的地闪回击电流及其辐射光信号均来源于长期的自然雷和人工引雷试验观测；观测系统均经过标定。
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