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地闪不规则先导的多尺度熵特征

李婵 张阳 吕伟涛 郑栋 谭涌波

李婵, 张阳, 吕伟涛, 等. 地闪不规则先导的多尺度熵特征. 应用气象学报, 2014, 25(3): 347-353..
引用本文: 李婵, 张阳, 吕伟涛, 等. 地闪不规则先导的多尺度熵特征. 应用气象学报, 2014, 25(3): 347-353.
Li Chan, Zhang Yang, Lü Weitao, et al. The multi-scale entropy feature of the chaotic leader in the cloud-ground lightning. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(3): 347-353.
Citation: Li Chan, Zhang Yang, Lü Weitao, et al. The multi-scale entropy feature of the chaotic leader in the cloud-ground lightning. J Appl Meteor Sci, 2014, 25(3): 347-353.

地闪不规则先导的多尺度熵特征

资助项目: 

科技部科研院所技术开发专项 2011EG137226

国家自然科学基金项目 41030960

中国气象科学研究院基本科研业务费专项 2012Y006

国家自然科学基金项目 41205002

详细信息
    通信作者:

    谭涌波, email: ybtan@ustc.edu

The Multi-scale Entropy Feature of the Chaotic Leader in the Cloud-ground Lightning

  • 摘要: 针对不规则脉冲簇难以判别问题,将多尺度熵应用于不规则先导分析中,探讨闪电信号不规则脉冲分析应用中多尺度熵关键参量的选择方法。在此基础上,将不规则先导与直窜先导及梯级先导闪电信号的多尺度熵进行比较。统计分析表明:不规则先导和直窜先导熵值随尺度先增加后趋于平稳,但熵值有很大差异;梯级先导熵值随尺度变化不明显,整体呈增长趋势,与不规则先导的熵值在大于3的尺度上也有所差异,因此当尺度大于3时可将熵值大于1.5的先导归类为不规则先导,熵值小于1.5的先导归类为梯级先导或直窜先导。不规则先导的特征熵平均值为2.0~2.1,最大值范围为2.6~2.8,最小值范围为1.51~1.59。
  • 图  1  随机信号 (a) 与正弦信号 (b)

    Fig. 1  Random signal (a) and sinusoidal signal (b)

    图  2  不同尺度随机信号和正弦信号的熵

    Fig. 2  The entropy of random signal and sinusoidal signal with different scales

    图  3  直窜先导 (a)、梯级先导 (b) 和不规则先导 (c) 快电场变化波形

    Fig. 3  The fast electric field change waveforms of dart leader (a), stepped leader (b) and chaotic leader (c)

    图  4  梯级先导与不规则先导多尺度熵比较

    Fig. 4  Multi-scale entropy comparison between stepped leader and the chaotic leader

    图  5  直窜先导与梯级先导及不规则先导的多尺度熵

    Fig. 5  Multi-scale entropy statistical analysis and comparison between dart leader, stepped leader and the chaotic leader

    表  1  不规则先导的ESP(m,0.15DSN)

    Table  1  ESP(m, 0.15DS, N) of the chaotic leader

    m 样本1 样本2 样本3
    N=500 N=3000 N=5000 变化率/% N=500 N=3000 N=5000 变化率/% N=500 N=3000 N=5000 变化率/%
    1 0.99 0.99 0.90 8 1.18 1.40 1.23 4 0.77 0.70 0.69 10
    2 0.82 0.82 0.77 5 0.89 1.06 0.90 1 0.61 0.59 0.58 6
    3 0.81 0.80 0.73 9 0.82 0.98 0.80 2 0.60 0.53 0.52 14
    4 0.75 0.77 0.70 7 0.85 0.91 0.74 13 0.52 0.50 0.48 7
    注:变化率指N=5000时相对于N=500时的样本熵的变化。下同。
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    表  2  不规则先导的ESP(2,rN)

    Table  2  ESP(2, r, N) of the chaotic leader

    r 样本1 样本2 样本3
    N=500 N=3000 N=5000 变化率/% N=500 N=3000 N=5000 变化率/% N=500 N=3000 N=5000 变化率/%
    0.1DS 1.06 1.12 1.07 2 1.17 1.36 1.17 0.1 0.74 0.74 0.74 0.4
    0.15DS 0.82 0.83 0.78 5 0.89 1.06 0.91 1 0.62 0.59 0.58 6
    0.2DS 0.67 0.66 0.60 10 0.72 0.88 0.75 4 0.53 0.49 0.47 11
    0.25DS 0.55 0.55 0.49 12 0.62 0.76 0.64 5 0.46 0.41 0.40 13
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    表  3  直窜先导、梯级先导与不规则先导的样本熵特征

    Table  3  Entropy features of dart leader stepped leader and the chaotic leader

    尺度 直窜先导 梯级先导 不规则先导
    平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值 平均值 最大值 最小值
    1 0.1202 0.5203 0.0072 0.7060 1.2214 0.4309 1.2021 2.3356 0.7126
    2 0.1985 0.7521 0.0128 0.7498 1.2929 0.3849 1.7055 2.3379 1.1297
    3 0.2599 0.7803 0.0172 0.7616 1.2814 0.3734 1.9150 2.4108 1.3624
    4 0.3145 0.8307 0.0221 0.7875 1.2425 0.4075 2.0139 2.6005 1.5211
    5 0.3557 0.8551 0.0268 0.8111 1.2231 0.4215 2.0532 2.5217 1.5161
    6 0.4122 0.8711 0.0311 0.8549 1.3519 0.4513 2.0956 2.8274 1.5393
    7 0.4440 0.8821 0.0354 0.8822 1.3135 0.4853 2.0894 2.5642 1.5600
    8 0.4732 0.8930 0.0394 0.9156 1.4629 0.4929 2.0826 2.6472 1.5700
    9 0.5027 0.9218 0.0432 0.9645 1.4789 0.5245 2.0175 2.6232 1.5284
    10 0.5138 0.9852 0.0463 0.9620 1.4390 0.5381 2.0728 2.8824 1.5192
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  • [1] 张义军, 周秀骥.雷电研究的回顾和进展.应用气象学报, 2006, 17(6):829-834. doi:  10.11898/1001-7313.20060619
    [2] 李俊, 张义军, 吕伟涛, 等.一次多回击自然闪电的高速摄像观测.应用气象学报, 2008, 19(4):401-411. doi:  10.11898/1001-7313.20080403
    [3] 任晓毓, 张义军, 吕伟涛, 等.闪电先导随机模式的建立与应用.应用气象学报, 2011, 22(2):194-202. doi:  10.11898/1001-7313.20110208
    [4] 李俊, 吕伟涛, 张义军, 等.一次多分叉多接地的空中触发闪电过程.应用气象学报, 2010, 21(1):95-100. doi:  10.11898/1001-7313.20100113
    [5] 张义军, 杨少杰, 吕伟涛, 等.2006—2011年广州人工触发闪电观测试验和应用.应用气象学报, 2012, 23(5):513-522. doi:  10.11898/1001-7313.20120501
    [6] Weidman C D. The Submicrosecond Structure of Lightning Radiation Fields.Arizona:University of Arizona, 1982.
    [7] Willett J C, Bailey J C, Leteinturier C, et al.Lightning electromagnetic radiation field spectra in the interval from 0.2 to 20 MHz.J Geophys Res, 1990, 95(D12):20367-20387. doi:  10.1029/JD095iD12p20367
    [8] Rakov V A, Uman M A.Waveforms of first and subsequent leaders in negative lightning flashes.J Geophys Res, 1990, 95(D10):16561-16577. doi:  10.1029/JD095iD10p16561
    [9] Davis S M.Properties of Lightning Discharges from Multiple-station Wideband Electric Field Measurements.Florida:University of Florida, 1999.
    [10] Gomes C, Cooray V, Fernando M, et al.Characteristics of chaotic pulse trains generated by lightning flashes.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2004, 66(18):1733-1743. doi:  10.1016/j.jastp.2004.07.036
    [11] Mäkelä J S, Edirisinghe M, Fernando M, et al.HF radiation emitted by chaotic leader processes.Journal of Atmospheric and Solar-Terrestrial Physics, 2007, 69(6):707-720. doi:  10.1016/j.jastp.2007.01.003
    [12] Lan Y, Zhang Y J, Dong W S, et al.Broadband analysis of chaotic pulse trains generated by negative cloud-to-ground lightning discharge.J Geophys Res, 2011, 116(D17), doi: 10.1029/2010JD015159.
    [13] 张义军, 孟青, 马明, 等.闪电探测技术发展和资料应用.应用气象学报, 2006, 17(5):611-620. doi:  10.11898/1001-7313.20060504
    [14] Pincus S.Approximate entropy (ApEn) as a complexity measure.Chaos, 1995, 5(1):110-117. doi:  10.1063/1.166092
    [15] Pincus S.Approximate Entropy as a Measure of System Complexity.Proceedings of the National Academy of Sciences, 1991:2297-2301.
    [16] Costa M, Goldberger A L, Peng C K.Multiscale entropy analysis of complex physiologic time series.Physical Review Letters, 2002, 89(6):8102. https://www.researchgate.net/publication/11196730_Multiscale_Entropy_Analysis_of_Complex_Physiologic_Time_Series
    [17] Costa M, Goldberger A L, Peng C K.Multiscale entropy analysis of biological signals.Physical Review E, 2005, 71(2):1906.
    [18] 葛家怡, 周鹏, 赵欣, 等.脑电信号的多尺度熵分析.计算机工程与应用, 2009, 45(10):13-15. doi:  10.3778/j.issn.1002-8331.2009.10.005
    [19] 蔡瑞, 卞春华, 宁新宝.多尺度熵在心率变异信号复杂性分析中的应用.北京生物医学工程, 2007, 26(5):543-544. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-BJSC200705024.htm
    [20] 陈建萍.多尺度熵方法用于电子器件噪声分析.西安:西安电子科技大学, 2007.
    [21] Krider E P, Radda G J.Radiationfield wave forms produced by lightning stepped leaders.J Geophys Res, 1975, 80(18):2653-2657. doi:  10.1029/JC080i018p02653
    [22] Krider E P, Weidman C D, Noggle R C.Theelectric fields produced by lightning stepped leaders.J Geophys Res, 1977, 82(6): 951-960. doi:  10.1029/JC082i006p00951
    [23] Beasley W H, Uman M A, Jordan D M, et al.Simultaneouspulses in light and electric field from stepped leaders near ground level.J Geophys Res, 1983, 88(C13):8617-8619. doi:  10.1029/JC088iC13p08617
    [24] Cooray V, Lundquist S.Characteristics of the radiation fields from lightning in Sri Lanka in the tropics.Journal of Geophysical Research:Atmospheres, 1985, 90(D4): 6099-6109. doi:  10.1029/JD090iD04p06099
    [25] 郄秀书, 张义军, 刘欣生, 等.广东一次雷暴过程负地闪先导的电学特征分析.气象学报, 2001, 59(3):341-351. doi:  10.11676/qxxb2001.036
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-07-02
  • 修回日期:  2013-12-03
  • 刊出日期:  2014-05-31

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