闪电信号的特征分析与LabVIEW实现*

刘银萍，李紫珣，董 洋，严 飞

(1.南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 信息与控制学院，江苏 南京 210044)



闪电信号的特征分析与LabVIEW实现*

刘银萍1，李紫珣2，董 洋1，严 飞2

(1.南京信息工程大学 大气物理学院，江苏 南京 210044；2.南京信息工程大学 信息与控制学院，江苏 南京 210044)

针对闪电定位仪系统对闪电信号分析不足的缺陷，提出一种基于LabVIEW平台对闪电信号分析和处理的方案。方案以真实闪电源数据作为输入，首先实现波形再现，提取出波形的峰值信息，采用相邻点斜率最值法获取陡点信息；其次，根据设置的触发阈值，进一步分析过阈值数据的极值信息；最后，分析信号频谱特性以确定闪电信号的频率范围。在某次感应到的闪电信号中，若将阈值设为0.09，可提取出4个过阈值的极值点，分别为0.090 2、0.090 8、0.090 7和0.091 1；陡点位置为第164个采样点，斜率为3.28；从频谱上看，该闪电电磁脉冲的能量主要集中在80 kHz以下。实验表明，该闪电脉冲信号分析系统稳定可靠，扩展性较好，可应用于批量闪电波形的大数据分析和闪电定位仪的硬件算法改进中。

LabVIEW；闪电信号；特征点

0 引言

闪电的发生对森林、火工品、人身安全等产生巨大的威胁，对航天、航空、电力、通讯、建筑等国防和国民经济的许多部门都有着很重大的影响。为了降低雷电灾害造成的损失，开展雷电机理和雷电探测方法的研究具有重要的应用价值[1]。闪电的发生一般伴随着雷鸣和闪电，同时会放出巨大的电流[2]。对于闪电脉冲信号的分析方法和闪电定位技术，国内外已有不少的研究项目和成果以供参考，如基于时差技术的雷电定位系统的研究[3]、闪电雷暴的仿真研究[4]、雷电流陡度与幅值的相关性研究[5]、借助于分布式光纤温度传感器对雷击位置的实验性研究[6]等。

目前国家闪电定位网采用的是ADTD型闪电定位仪。该闪电定位仪采用的是模拟信号处理方法，波形处理比较复杂，且随着电阻、电容等器件的老化，采集到的特征点信号误差会逐渐变大。仪器一旦出现故障而得不到及时解决将会给用户造成很大的经济损失。在原有的采集板上，很难进行特征提取算法的升级工作。ADTD 闪电定位探测系统通过多个子站数据进行运算得到闪电定位数据，子站出现故障，不仅影响当地的探测资料，周围其他站点的数据也受到影响[7]。因此，ADTD型闪电定位仪在闪电信号的特征分析上还存有一些不足。

而作为现代计算机技术和测试技术紧密结合的产物，虚拟仪器已成为当今计算机辅助测试领域的一项重要技术[8]，基于LabVIEW平台对感应到的闪电波形进行分析和处理成为一种趋势。本系统利用LabVIEW强大的信号分析功能[9-10]，提取峰值、陡点、波峰、波谷的二阶导数等特征点，并进行波形和功率谱的显示。这些特征点可以帮助研究人员更为方便地对闪电信号进行鉴别，而波形和功率谱的显示也使信号变得更加直观。

根据中国气象局《VLF/LF雷电探测仪功能规格需求书》的要求，探测闪电的信息通常要包含南北和东西的峰值磁场、峰值电场、各峰值时间点、陡点(斜率最大值的位置)等信息。有别于实际设备中的硬件特征点提取，本系统实现的可视化界面将有利于全局信号对比分析，交互性更强。同时，它还拥有较好的可扩展性，基于LabVIEW的闪电分析系统也可用于实际雷电波形的鉴别，有利于提升开发速度和鉴别算法的改进。

图2 数据处理

1 系统整体编程框架的分析

本系统基于LabVIEW编程，整体流程如图1所示。首先，对采集来的闪电信号数据文件进行读取来获取原始数据，这些数据是以文本形式保存的。同时，对这些原始数据进行预处理，使其变成处理较为方便的十进制数值。然后通过不同的算法模块来处理这些数据，分别获取不同的特征点，同时显示波形和频谱图。

图1 整体编程框架

通过LabVIEW编程，使编程的框架非常清晰，每个模块中都有一些主要的函数节点，如峰值提取模块中的波峰检测节点、频谱图模块中的功率谱密度节点等。这些算法的实现主要靠函数节点的支撑，编程时重点考虑整体的数据流向和每个部分所要进行的数据操作，可大大提高编程效率。

2 闪电信号分析系统的具体设计

本系统主要对采集的闪电信号进行文本数据提取及处理，包括显示波形，提取峰值点、峰值个数、峰值间隔、最大值、最小值、峰峰值、陡点、波峰和波谷的二阶导数等特征值。同时，也可以显示功率谱，并提取幅度、相位、频率等特征值。LabVIEW在信号处理子模板中提供了与信号处理有关的函数供设计者调用[11]。

总体程序分为数据获取部分和数据处理部分。数据获取部分是为了获取原始数据，将14位AD采集的十六进制源数据转换为系统便于处理的十进制数，同时去除无效数据；数据处理部分主要对预处理后的数据进行进一步处理，提取出各个特征点并进行显示，如图2所示。

2.1 获取数据、显示波形

通过“读取文本文件”节点来获取采集到的闪电信号文本数据，由于读取到的数据是字符型的(以ASCII码表示)，每2 B表示一个数据，故需要转换成十进制整型数据，通过循环执行“十六进制字符串至数值转换”节点，可实现这一目的。同时，这样也可获取数组大小，而数组大小也就是采样点的个数。由于每两个数据组成一个点，故需要将数据进行重排，其中横坐标为采样点，纵坐标为归一化的幅值。经过预处理后的数据更易于进行进一步的分析和处理，也使数据变得更加直观，数据预处理的流程图如图3所示。将预处理后的数据与波形图控件相连，便可将波形显示出来。通过波形的显示，可以更加直观地分析数据，为后面闪电信号判定和分析打下了基础。

图3 预处理流程图

2.2 提取峰值信息

闪电回击判定的关键在于峰值的正确提取，如果得到了峰值数据，其他的就迎刃而解了[12]。峰值信息包括提取波形的最大值、最小值、峰峰值、峰值点数量、峰值间隔等。

首先，通过“数组最大值和最小值”节点，可以提取数组中，也就是闪电信号中的最大值和最小值，将这两个值相减，就可以得到峰峰值。峰峰值是指一个周期内信号最大值和最小值之间差的值，它描述了信号值的变化范围的大小。

其次，通过“波峰检测”节点来设置阈值，并提取峰值点、峰值个数及波峰和波谷的二阶导数。该VI利用二次多项式依次拟合数据点中的各组数据，拟合中使用的数据点的数量由宽度指定。对于每个波峰或波谷，二次拟合可与阈值进行比较。忽略低于阈值的波峰和高于阈值的波谷。只有在VI处理波峰或波谷之外大约(宽度)/2个数据点后，才可能检测到波峰或波谷。阈值可以使VI忽略过小的波峰和波谷。然后，将之前提取出的峰值间隔(也就是峰值对应的横坐标)组成的数组数据传给循环结构的移位寄存器，其中，循环次数为峰值个数减1，通过对数组中相邻两个数据的循环相减，得到峰值之间的间隔。

2.3 提取陡点

陡点是一组信号中斜率最大的点，由于无法求得闪电信号的函数表达式，故无法通过求导的方法获得。可以将信号的两个相邻采样点近似为直线，求其斜率，找出斜率最大值即可。在程序中，将闪电信号数据(数组)传递到一个循环结构及其移位寄存器中，其中循环次数为采样个数减1，在循环结构中，通过移位寄存器实现数组相邻元素相减，将相减的结果再除以时间间隔，即可得到这两个数据的斜率，循环完成后，将所有的斜率值组成的数组通过“数组最大值和最小值”函数即可求出斜率的最大值以及它的位置，从而求出陡点。

2.4 显示功率谱

对仿真信号的时域信号进行频谱分析，得到相应的功率谱密度曲线。因此，通过FFT功率谱和PSD节点可以显示信号的功率谱。系统测量的数据是标志信号强度信息的功率值，这个功率值是利用信号的功率谱计算出来的。信号的能量谱密度(Energy Spectrum Density，ESD)和信号的能量谱密度的平均功率谱密度(Power Spectrum Density，PSD)分别描述了信号的总能量和平均功率在各个频率上的分布大小[13]。一般功率谱密度都针对平稳随机过程，由于平稳随机过程的样本函数一般不是绝对可积的，因此不能直接对它进行傅里叶分析。故可以用相关函数的傅里叶变换来定义谱密度以克服上述困难。

3 实验结果及数据分析

本文采用2015年5月17日18时09分在中国气象局南郊观测场感应到的一次闪电数据作为样本，原始数据波形如图4所示。

图4 原始闪电数据波形

现将闪电定位仪采集到的原始数据输入到分析程序中，可以看到程序产生的波形以及得出的各项参数，如图5所示。从图4和图5的对比中可以看出，分析程序获得的波形与原始波形一致性较好，通过波形再现和特征分析，可以更直观提取到闪电信号的峰值、陡点、二阶导和功率谱等信息。若将阈值设为0.09，可提取出4个过阈值的极值点，分别为0.090 2、0.090 8、0.090 7和0.091 1；陡点位置为第164个采样点，斜率为3.28；从频谱上看，该闪电电磁脉冲的能量主要集中在80 kHz以下。该闪电脉冲信号特征点提取系统扩展性较好，可应用于闪电定位仪的硬件算法改进中，也可用于批量闪电波形的大数据分析。

图5 波形及各项参数

4 结束语

本文实现了基于LabVIEW平台开发的闪电信号分析系统。通过该平台来完成闪电信号分析和特征提取工作，是闪电探测领域的一个重要研究方向，而本文开展的工作有望为闪电定位仪的波形分析和硬件算法改进提供一个较为可靠的验证平台。目前，随着闪电定位资料运用的不断深入，全国各地区基于闪电定位仪获取的数据急需深入处理和分析。下一步的工作是对本分析系统继续优化，添加多通道信息提取模块，提高数据计算的精度，完善波形特征库，为更多在本领域的研究人员提供一个较好的闪电信号分析与处理平台。

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Characteristic analysis of lightning signal and LabVIEW realization

Liu Yinping1，Li Zixun2，Dong Yang1，Yan Fei2

(1.School of Atmospheric Physics, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China；2.School of Information and Control, Nanjing University of Information Science & Technology, Nanjing 210044, China)

：Aiming at the defects of lightning signal analysis in lightning location system , this paper presents a solution of lightning signal analysis and processing based on LabVIEW platform. The program uses real lightning source data as input. Firstly, achieving the waveform reproduction, extracting the waveform peak information and using the method of most value of adjacent points slope to obtain steep point information. Secondly, according to the trigger threshold, extreme points over threshold are further analyzed. Finally, the spectral characteristics of the signal are analyzed to determine the frequency range of the lightning signal. In a sensed signal lightning, if the threshold is 0.09, four extreme points over the threshold, respectively 0.090 2, 0.090 8, 0.090 7 and 0.091 1, can be extracted. The steep position is for the first 164 sampling points, which slope is 3.28. From the spectrum point, the lightning electromagnetic pulse energy is concentrated in less than 80 kHz. Experimental results show that the analysis system of the lightning pulse signal is stable and reliable, better scalability. The system can be applied to data analysis for large quantities lightning waveform, and can improve the hardware algorithm effectively.

LabVIEW；lightning signal；characteristic points

江苏省高校自然科学研究面上项目(15KJB170010，16KJB510023)；国家自然科学基金(61605083)

TN713

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.11.025

刘银萍，李紫珣，董洋，等.闪电信号的特征分析与LabVIEW实现[J].微型机与应用，2017,36(11)：85-87,90.

2016-12-14)

刘银萍(1981-)，女，博士，讲师，主要研究方向：电磁场原理与应用。

李紫珣(1994-)，通信作者，男，本科生，主要研究方向：虚拟仪器技术。E-mail:865473233@qq.com。

董洋(1995-)，男，本科生，主要研究方向：安全科学与工程。