基于HHT和量子遗传算法的大气电场信号分析与应用研究

发布时间：2023-11-12 15:52

　　大气电场是大气电学的基本参数,晴天时地面具有垂直向下的大气电场,雷暴天气时地面大气电场显著增强。大气电场信号的特征研究对雷电预警、闪电机理分析、保障航空航天活动顺利进行等具有重要的意义。大气电场信号具有非平稳信号的特征。利用现代非平稳信号处理手段分析雷暴电场,为雷电预警和雷暴云荷电结构研究提供新的思路。本文的主要研究内容和结论包括:(1)以新型FPGA器件Artix-7为核心,结合传感和调理、宽带放大、单端转差分、高速采集、北斗定位等模块设计了大气电场探测系统。软核Microblaze实现数据处理和控制;(2)研究非平稳信号处理手段分析大气电场信号特征的方法,采用Hilbert-Huang变换分别提取了晴天和雷暴天气的固有模态分量和Hilbert二维谱,发现晴天的电场IMF分量振荡均匀且幅值较小,以长振荡周期为主,频率稳定;雷暴天气的IMF分量幅值出现脉冲状的变化,以短周期振荡为主。基于此,提出基于大气电场幅值和Hilbert能量谱的联合雷电预警方法,结合江苏省闪电定位系统的监测数据,进行了实验分析,结果表明预警概率有一定提高,雷电提前预警时间约31min。(3)针对目前雷暴云荷电模型...

【文章页数】：70 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
Abstract
第一章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 研究现状
        1.2.1 大气电场测量系统的研究现状
        1.2.2 雷电预警研究现状
        1.2.3 雷暴云电荷结构的反演研究现状
    1.3 问题的提出及研究内容
    1.4 论文组织结构
第二章 大气电场的基本概念和测量原理
    2.1 大气电场的基本概念
    2.2 电场测量原理
        2.2.1 静电场的测量原理
        2.2.2 闪电电场的测量原理
    2.3 闪电定位仪的测量原理
第三章 电场测量电路设计
    3.1 系统总体方案
    3.2 系统硬件设计
        3.2.1 平板天线及宽带积分电路
        3.2.2 低失真全差分高速采样电路
        3.2.3 VGA驱动电路
        3.2.4 北斗定位模块
    3.3 FPGA内部实体电路设计
        3.3.1 感应电压测量实体
        3.3.2 时间参数测量实体
        3.3.3 VGA显示实体
        3.3.4 时钟管理及Microblaze控制
    3.4 大气电场的观测实验
    3.5 小结
第四章 基于HHT的大气电场信号分析
    4.1 HHT的理论知识
        4.1.1 固有模态函数(IMF)
        4.1.2 经验模态分解(EMD)
        4.1.3 多元经验模态分解(MEMD)
    4.2 HHT的仿真研究
        4.2.1 经验模态分解实例
        4.2.2 大气电场时间序列分析
    4.3 基于大气电场HHT变换的雷电预警
        4.3.1 雷电预警方法步骤
        4.3.2 实验分析
        4.3.3 预警效果对比
    4.4 小结
第五章 利用量子遗传算法反演雷暴云荷电模型参数
    5.1 球对称电荷模型
    5.2 基于三维电场序列的参数模型的建立
    5.3 量子遗传算法反演电荷参数(QGA)
        5.3.1 量子比特编码
        5.3.2 量子旋转门
        5.3.3 反演电荷结构模型参数的步骤
        5.3.4 实验分析
    5.4 混合算法(QGA_fmincon)反演电荷参数
        5.4.1 fmincon函数
        5.4.2 实验分析
    5.5 小结
第六章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 主要创新点
    6.3 前景展望
致谢
参考文献
作者简介
    基本情况
攻读硕士学位期间的成果
    发表或录用的相关论文
    已授权或申请的相关专利
    攻读硕士学位期间获得的奖项
    攻读硕士学位期间参加项目情况



本文编号：3863467