闪电的分形特征研究及其在自动识别中的应用-物理学报.pdfVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 5 (2013) 059201 闪电的分形特征研究及其在自动识别中的应用* 12† 1 1 2 火元莲 张广庶 吕世华 袁萍 1) ( 中国科学院寒区旱区环境与工程研究所, 兰州 730000 ) 2) ( 西北师范大学物理与电子工程学院, 兰州 730070 ) ( 2012 年8 月1 日收到; 2012 年9 月10 日收到修改稿) 利用2009 年夏季青海地区的快电场变化测量仪的野外观测资料, 对120 例地闪和77 例云闪辐射场信号的分形 特征进行了深入研究, 结果表明地闪辐射场信号的分形维数与云闪辐射场信号的分形维数有明显的差别, 再利用闪 电的分形维特征, 构造了5 个特征值, 将其作为支持向量机的输入进行地闪和云闪不同放电类型的识别, 有效识别 率达到95% 以上; 通过构造地闪辐射场时间序列信号的分形维数轨迹图表明分形维数最低点对应于原时间序列的 回击位置, 利用分形维数轨迹中的最低点的位置能够快速准确地对地闪辐射场信号的回击点进行检测, 检测率可达 到100%. 分形维是闪电的一种具有鉴别性的特征, 可用于闪电的智能分析与自动化处理. 关键词: 闪电信号, 分形维数, 支持向量机, 自动识别 PACS: 92.60.Pw, 64.60.al DOI: 10.7498/aps.62.059201 线资料分析得出负地闪首次回击辐射场信号的分 1 引言 形维数平均为 1.411 . 现有的文献都只讨论闪电具 有分形特征, 但没有进一步研究如何有效利用闪电 闪电是发生于自然界的一种瞬时高电压、大 的分形特征. 电流、强电磁辐射的大气放电现象, 同时也是一种 为了在闪电的防护和应用中更具针对性, 闪 灾害性天气现象. 随着现代化技术的发展和观测手 电放电类型的识别一直被研究者所关注. 早在 段的提高, 如何对更加精细和全面的闪电观测资料 20 世纪70 年代Krider 等 1213 对闪电电场波形 进行有效分析, 如何有效识别不同的闪电放电类型, 特征进行了观测及统计分析, 确立了鉴别正负 如何对地闪的回击做出快速准确地检测等问题的 地闪波形参数, 同时研制了闪电地闪定位系统; 深入研究对认识闪电的物理机制及雷电防护工作 SAFIR14 系统通过低频电场波形特征区分云闪和 具有重要的意义 13 . 近年来对复杂性问题的探 地闪; LASA1518 三维全闪定位系统更是充分利 索和研究使人们认识到像闪电这种短时、突变的 用闪电电场波形的特征, 通过计算电场波形的上升 复杂过程用分形几何学45 的方法研究, 比较符合 时间、下降时间、脉冲宽度等特征, 实现对多种闪 6 19 客观事实. 早在 1987 年, Tsonis 等 就利用照相 电事件的区分; 刘恒毅等 利用闪电快电场变化 资料和数值模拟的方法得出了地闪通道的分形维 资料从电场波形时域特征进行分析, 实现了对地闪 20 数分别为 1.34 和 1.37