CN116755005A - 一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法及系统，该方法包括：获取探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量；根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量，分别计算大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量；设置磁场监测模型，根据大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，以完成发生雷电时磁场的监测。

Description

一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法及系统
技术领域
本发明属于发生雷电时磁场监测技术领域，更具体地，涉及一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法及系统。
背景技术
归纳现有文献，针对雷电探测的方法包含有：目测、照相、电场仪、闪电计数器、光谱仪、脉冲电压记录仪、卫星闪电探测、声探测、雷达探测以及电磁场探测等。而广泛用于雷电定位的电磁场探测方法可分为：单站雷电探测和多站雷电探测。
但是现有技术中对于雷电特性的分析不够准确，导致依靠雷电特性数据的雷电预警和安全生产误差太大。
发明内容
为解决以上技术特征，本发明提出一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，包括：
获取探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量；
根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量，分别计算大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量；
设置磁场监测模型，根据大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，以完成发生雷电时磁场的监测。
进一步的，所述磁场监测模型为：
，
其中，为地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间/>的变化量，为大气感应磁场随时间/>变化的分量，/>为辐射场随时间/>变化的分量。
进一步的，计算大气感应磁场随时间变化的分量包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
进一步的，计算辐射场随时间变化的分量/>包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
进一步的，还包括根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量计算大气磁感应强度，具体为：
，
其中，为时间/>时的大气磁感应强度，/>为自由空间的介电常数，/>为时间，为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
本发明一种基于模型的发生雷电时磁场监测系统，包括：
获取数据模块，用于获取探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量；
计算模块，用于根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量，分别计算大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量；
监测模块，用于设置磁场监测模型，根据大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，以完成发生雷电时磁场的监测。
进一步的，所述磁场监测模型为：
，
其中，为地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间/>的变化量，为大气感应磁场随时间/>变化的分量，/>为辐射场随时间/>变化的分量。
进一步的，计算大气感应磁场随时间变化的分量/>包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
进一步的，计算辐射场随时间变化的分量/>包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
进一步的，还包括根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量计算大气磁感应强度，具体为：
，
其中，为时间/>时的大气磁感应强度，/>为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下有益效果：
本发明中获取探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量；根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量，分别计算大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量；设置磁场监测模型，根据大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，以完成发生雷电时磁场的监测。本发明通过以上技术方案，能够对由雷电引起的磁场进行监测，提供准确的雷电特性数据，从而为雷电预警及安全生产提供数据保障。
附图说明
图1是本发明实施例1的方法的流程图；
图2是本发明实施例2的系统的结构图；
图3是20km处云闪和地闪产生的电场随时间和频率的变化图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案做详细的说明。
本发明提供的方法可以在如下的终端环境中实施，所述终端可以包括一个或多个如下部件：处理器、存储介质和显示屏。其中，存储介质中存储有至少一条指令，所述指令由处理器加载并执行以实现下述实施例所述的方法。
处理器可以包括一个或者多个处理核心。处理器利用各种接口和线路连接整个终端内的各个部分，通过运行或执行存储在存储介质内的指令、程序、代码集或指令集，以及调用存储在存储介质内的数据，执行终端的各种功能和处理数据。
存储介质可以包括随机存储介质(Random Access Memory，RAM)，也可以包括只读存储介质(Read-Only Memory，ROM)。存储介质可用于存储指令、程序、代码、代码集或指令。
显示屏用于显示各个应用程序的用户界面。
本发明公式中所有下角标只为了区分个参数，并没有实际含义。
除此之外，本领域技术人员可以理解，上述终端的结构并不构成对终端的限定，终端可以包括更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。比如，终端中还包括射频电路、输入单元、传感器、音频电路、电源等部件，在此不再赘述。
实施例1
如图1所示，本发明实施例提供一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，包括：
步骤101，获取探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量；
步骤102，根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量，分别计算大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量；
具体的，计算大气感应磁场随时间变化的分量包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
具体的，计算辐射场随时间变化的分量/>包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
与闪电引起的大气电场相类似，闪电引起的大气感应磁场分量正比于闪电电矩对时间的一阶微分，反比于闪电的距离的平方，而地面水平大气磁场随时间变化的辐射分量正比于闪电电矩对时间的二阶微分，反比于闪电距离的一次方。
步骤103，设置磁场监测模型，根据大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，以完成发生雷电时磁场的监测。
具体的，雷电所引起的地面磁场强度的变化称为地面大气磁场变化。大气磁场方向垂直于大气电场方向，所述磁场监测模型为：
，
其中，为地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间/>的变化量，/>为大气感应磁场随时间/>变化的分量，/>为辐射场随时间/>变化的分量。
如图3给出了对于远场情况下的电场变化特点，图3中频率从1~1000Hz时，信号是以静电场为主。当频率为1~100kHz时，信号以电、磁场分量为主，图3中强分立脉冲是回击产生的，而幅度较小的孤立信号则是K过程产生的。频率为1~100MHz时，大多数信号由脉冲序列组成，并且由于脉冲变化太快而连成一片，因此在图中的时间尺度上较难分辨出来。回击之后，脉冲明显猝灭了，K过程之后的猝灭程度要弱一些。在回击和K变化以前，脉冲扰动是逐渐增强的。具体的，还包括根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量计算大气磁感应强度，具体为：
，
其中，为时间/>时的大气磁感应强度，/>为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
当雷电电矩随时间的变化量为地闪雷电电矩随时间的变化量/>时：
，
其中，为地闪所中和负电荷中心的电荷随时间的变化量，/>是负电荷中心的高度。
当雷电电矩随时间的变化量为云闪雷电电矩随时间的变化量/>：
，
其中，为云闪所中和的电荷随时间的变化量，/>是云中正负电荷的垂直间距。
为了实现以上模型，本实施例通过神经网络，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，所述神经网络设置有两个输入，其中，第一输入为探测站离雷电的距离，第二输入为雷电电矩随时间的变化量，所述第二输入为时间序列，并通过卷积或循环神经网络进行处理，进一步的，本实施例设置共享隐藏层，用于共同处理所述第一输入和所述第二输入，并从所述第一输入和所述第二输入中提取共同的特征，并且设置均方误差损失函数，用于来衡量地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量与真实变化量之间的差距。
实施例2
如图2所示，本发明实施例还提供一种基于模型的发生雷电时磁场监测系统，包括：
获取数据模块，用于获取探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量；
计算模块，用于根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量，分别计算大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量；
具体的，计算大气感应磁场随时间变化的分量/>包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
具体的，计算辐射场随时间t变化的分量包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
与闪电引起的大气电场相类似，闪电引起的大气感应磁场分量正比于闪电电矩对时间的一阶微分，反比于闪电的距离的平方，而地面水平大气磁场随时间变化的辐射分量正比于闪电电矩对时间的二阶微分，反比于闪电距离的一次方。
监测模块，用于设置磁场监测模型，根据大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，以完成发生雷电时磁场的监测。
具体的，雷电所引起的地面磁场强度的变化称为地面大气磁场变化。大气磁场方向垂直于大气电场方向，所述磁场监测模型为：
，
其中，为地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间/>的变化量，为大气感应磁场随时间/>变化的分量，/>为辐射场随时间/>变化的分量。
如图3给出了对于远场情况下的电场变化特点，图3中频率从1~1000Hz时，信号是以静电场为主。当频率为1~100kHz时，信号以电、磁场分量为主，图3中强分立脉冲是回击产生的，而幅度较小的孤立信号则是K过程产生的。频率为1~100MHz时，大多数信号由脉冲序列组成，并且由于脉冲变化太快而连成一片，因此在图中的时间尺度上较难分辨出来。回击之后，脉冲明显猝灭了，K过程之后的猝灭程度要弱一些。在回击和K变化以前，脉冲扰动是逐渐增强的。具体的，还包括根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量计算大气磁感应强度，具体为：
，
其中，为时间/>时的大气磁感应强度，/>为自由空间的介电常数，/>为时间，为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
当雷电电矩随时间的变化量为地闪雷电电矩随时间的变化量/>时：
，
其中，为地闪所中和负电荷中心的电荷随时间的变化量，/>是负电荷中心的高度。
当雷电电矩随时间的变化量为云闪雷电电矩随时间的变化量/>：
，
其中，为云闪所中和的电荷随时间的变化量，/>是云中正负电荷的垂直间距。
为了实现以上模型，本实施例通过神经网络，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，所述神经网络设置有两个输入，其中，第一输入为探测站离雷电的距离，第二输入为雷电电矩随时间的变化量，所述第二输入为时间序列，并通过卷积或循环神经网络进行处理，进一步的，本实施例设置共享隐藏层，用于共同处理所述第一输入和所述第二输入，并从所述第一输入和所述第二输入中提取共同的特征，并且设置均方误差损失函数，用于来衡量地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量与真实变化量之间的差距。
实施例3
本发明实施例还提出一种存储介质，存储有多条指令，所述指令用于实现所述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法。
可选地，在本实施例中，上述存储介质可以位于计算机网络中计算机终端群中的任意一个计算机终端中，或者位于移动终端群中的任意一个移动终端中。
可选地，在本实施例中，存储介质被设置为存储用于执行实施例1方法的程序代码。
实施例4
本发明实施例还提出一种电子设备，包括处理器和与所述处理器连接的存储介质，所述存储介质存储有多条指令，所述指令可被所述处理器加载并执行，以使所述处理器能够执行一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法。
具体的，本实施例的电子设备可以是计算机终端，所述计算机终端可以包括：一个或多个处理器、以及存储介质。
其中，存储介质可用于存储软件程序以及模块，如本发明实施例中的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，对应的程序指令/模块，处理器通过运行存储在存储介质内的软件程序以及模块，从而执行各种功能应用以及数据处理，即实现上述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法。存储介质可包括高速随机存储介质，还可以包括非易失性存储介质，如一个或者多个磁性存储系统、闪存、或者其他非易失性固态存储介质。在一些实例中，存储介质可进一步包括相对于处理器远程设置的存储介质，这些远程存储介质可以通过网络连接至终端。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
处理器可以通过传输系统调用存储介质存储的信息及应用程序，以执行实施例1方法步骤；
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本发明所提供的几个实施例中，应所述理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
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单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的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，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者所述技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，所述计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储介质(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储介质(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，其特征在于，包括：
获取探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量；
根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量，分别计算大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量；
设置磁场监测模型，根据大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，以完成发生雷电时磁场的监测。
2.如权利要求1所述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，其特征在于，所述磁场监测模型为：
，
其中，为地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间/>的变化量，/>为大气感应磁场随时间变化的分量，/>为辐射场随时间/>变化的分量。
3.如权利要求2所述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，其特征在于，计算大气感应磁场随时间变化的分量包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，为雷电电矩随时间的变化量。
4.如权利要求2所述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，其特征在于，计算辐射场随时间变化的分量/>包括：
，
其中，为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
5.如权利要求1所述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，其特征在于，还包括根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量计算大气磁感应强度，具体为：
，
其中，为时间/>时的大气磁感应强度，/>为自由空间的介电常数，/>为时间，/>为探测站离雷电的距离，/>为光速，/>为雷电电矩随时间的变化量。
6.如权利要求3-5任意一项所述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，其特征在于，通过神经网络，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量。
7.如权利要求6任意一项所述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，其特征在于，所述神经网络设置有两个输入，其中，第一输入为探测站离雷电的距离，第二输入为雷电电矩随时间的变化量，所述第二输入为时间序列，并通过卷积或循环神经网络进行处理。
8.如权利要求7任意一项所述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，其特征在于，设置共享隐藏层，用于共同处理所述第一输入和所述第二输入，并从所述第一输入和所述第二输入中提取共同的特征。
9.如权利要求8任意一项所述的一种基于模型的发生雷电时磁场监测方法，其特征在于，设置均方误差损失函数，用于来衡量地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量与真实变化量之间的差距。
10.一种基于模型的发生雷电时磁场监测系统，其特征在于，包括：
获取数据模块，用于获取探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量；
计算模块，用于根据探测站离雷电的距离和雷电电矩随时间的变化量，分别计算大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量；
监测模块，用于设置磁场监测模型，根据大气感应磁场随时间变化的分量和辐射场随时间变化的分量，计算地闪或者云闪所引起的地面水平大气磁场随时间的变化量，以完成发生雷电时磁场的监测。
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