一种基于EMD-分解结合Pearson-相关的闪电三维定位算法
王彦辉
雷电辐射源时差三维定位系统为闪电物理学研究、雷电预警预报工作提供了坚实的基础。基于TOA方法的闪电辐射源定位大致分为信号采集、数据预处理、脉冲提取和脉冲匹配、计算辐射源的位置和信号发生时间四个步骤，每一步都对闪电定位的结果至关重要。闪电定位系统包含多个地面基站，每个基站具有不同的低频干扰，使得不同测站的波形差异较大。传统的雷电时差定位算法对雷电波形的取舍主要依赖于波形振幅大小和开窗大小，会不同程度的丢失闪电放电过程中大量的脉冲信息，影响最终雷电定位效果。近年来，研究者使用单脉冲特征匹配和波形互相关匹配方法，这两种方法适用于匹配稀疏的、幅度较大（相对于高斯白噪声）的脉冲匹配。那么，有没有一种方法，能在脉冲丰富、脉冲幅度较小的多站波形中准确地脉冲匹配呢？
我院王彦辉老师团队提出了经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）与皮尔森相关性(Pearson-Correlation)结合的脉冲识别匹配方法，提高了脉冲识别和脉冲匹配的准确性，从而大大提高了可定位出的闪电辐射源数量，进一步提高了闪电精细化定位程度。该方法的定位步骤如图1所示。首先，他们通过EMD-分解将各个基站的波形进行分解，去掉残差分量，剩余的其他分量线性叠加后进行归一化处理，使得多站间的闪电信号波形具有较好的一致性，也使得更多的闪电小脉冲被准确的识别。其次，波形处理完成并识别出主站的闪电脉冲信号后，使用Pearson-相关实现多站的脉冲匹配，并阐述了脉冲匹配过程的具体参数设定。最后，根据脉冲匹配结果，利用时差法定位出闪电的多个辐射源位置。单脉冲特征匹配获得的定位结果如图2所示，EMD-分解与Pearson-相关相结合的脉冲识别匹配方法的定位结果如图3和图4所示，基于相同的闪电电场信号，王彦辉老师提出的方法获得了更好的闪电定位结果。
本研究证明了EMD-分解与Pearson-相关相结合，可获得更好的闪电辐射源定位结果。使用EMD技术对电场信号进行处理后，各个测站的信号干净平稳，为后续识别更多的微弱脉冲创造了条件。Pearson-相关匹配与传统的波形互相关不同之处在于波形匹配时可以设置相似度阈值，即使两组微弱的脉冲进行匹配，仍然可以获得获得较高的相似度，适用于低频信号、宽带信号和VHF辐射信号在内的闪电电磁脉冲匹配。
论文信息：
Wang, Yanhui. Min, Yingchang. Liu, Yali, Zhao, Guo. A New Approach of 3D Lightning Location Based on Pearson Correlation Combined with Empirical Mode Decomposition. Remote Sens. 2021, 13, 3883. (SCI) https://doi.org/10.3390/rs13193883
图1 EMD-Pearson相关方法的定位步骤
图2单脉冲特征匹配的闪电定位结果
图3 EMD-Pearson相关方法的闪电定位结果
图4闪电定位结果的45°俯视图
