（大气物理学与大气环境专业论文）触发闪电放电过程的光电同步观测与分析.pdf

摘要 摘要 闪电通道亮度的强弱和通道中电流的大小息息相关，闪电通道电流的增大和 减小会引起亮度相应的增强和减弱。相对于较难实现的闪电通道电流的直接测 量，闪电通道的光学测量更容易实现。如何根据闪电通道的高速光学观测资料分 析闪电电流的变化特征、光电观测资料之间有何种关系、能否由闪电光学资料定 量分析闪电电流的大小等等。这些问题都还需要开展观测和研究来加以揭示。 本研究设计了一套由光学观测子系统和电磁场变化观测子系统构成的闪电 光电同步自动观测系统。该系统采用光学观测子系统得到的光信号作为触发源， 只对视野内的闪电事情进行响应，保证整套系统获取到的每一次闪电观测记录不 仅包含闪电引起的电磁场变化资料，还拥有包括先导发展过程在内的完整闪电过 程的高速光学资料。在广东闪电综合观测试验中，我们利用该系统对人工触发闪 电进行了多次综合观测和记录。为了便于对闪电高速摄像资料进行处理和分析， 开发了一款基于v c + + 的高速摄像数字图像处理软件，该软件能够计算积分亮度 随时间的变化和触发闪电上行先导的二维速度随高度的变化等功能。 利用一次包含有八次回击的人工触发负极性闪电的高速摄像和电流的同步 观测资料，本研究对其初始连续电流过程和回击之后的延续电流过程( 通称为连 续电流过程) 中通道底部的电流和两种不同性质通道( 空气离化通道和钢丝气化 通道) 的积分亮度进行了相关性分析。对于空气离化通道，根据电流增大或减小 的变化趋势以及高速摄像资料得到的积分亮度是否主要由饱和像素贡献，将连续 电流过程分为饱和上升部分( p a r t a ) 、饱和下降部分( p a r t b ) 和非饱和下降部分 ( p a r t c ) 。对于钢丝气化通道，本文不按上述分类而是统一处理。 分析结果表明：在任一电流脉冲过程中，同样大小的电流所对应两种不同性 质的通道其下降段的积分亮度都高于上升段的。对于空气离化通道，饱和部分 ( p a r t a 和p a r t 1 3 ) 的积分亮度跟电流的对数均呈线性相关；统计得到的积分亮度 与电流的拟合模型中，非饱和下降部分( p a r t - c ) 的拟合效果最佳，该部分积分亮 度的平方根与电流呈显著的线性相关，并且这种相关特征与积分亮度阈值、通道 范围的选取等因素无显著关系；三个部分的拟合效果与积分亮度的阂值选取呈显 著正相关，且选择的二维闪电通道与地面越垂直，拟合效果越好。对于钢丝气化 通道，连续电流过程的积分亮度和电流的拟合模型与空气离化通道的p a r t - c 相 同，其拟合效果却不如空气离化通道。因此，在人工触发闪电的过程中，相对于 钢丝气化通道，空气离化通道的反演效果要更佳，其亮度特性更能真实地体现闪 电通道中电流的变化特性。 摘要 关键词：触发闪电，连续电流，高速摄像，积分亮度，线性同归，拟合优度 i i a b s t r a c t a b s t r a c t l i g h t n i n gc h a n n e lb r i g h t n e s s h a sc l o s er e l a t i o nw i t hc h a n n e l - b a s ec u r r e n t c o m p a r e dw i t ht h ec u r r e n td i r e c tm e a s u r e m e n to fl i g h t n i n gc h a n n e l ，w h i c hi su s u a l l y h a r d l yp e r f o r m e dd u et o t h es p a t i a la n dt e m p o r a lr a n d o m i c i t yo fn a t u r a ll i g h t n i n g e v e n t s ，l i g h t n i n go p t i c a lm e a s u r e m e n ti se a s i l ya c h i e v e d t oo b t a i nm o r ei n f o r m a t i o n o fl i g h t n i n gc h a n n e l - b a s ec u r r e n tf r o mo p t i c a lm e a s u r e m e n td a t a ，t h ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h ee l e c t r i c a lc u r r e n ta n dt h el i g h ti n t e n s i t yo fl i g h t n i n gd i s c h a r g e ss h o u l db e r e v e a l e dv i aq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so ft h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h eo p t i c a la n de l e c t r i c d a t a t h i sr e s e a r c hd e s i g n e das y n c h r o n o u so p t i c a la n de l e c t r i c a lo b s e r v a t i o n ss y s t e m ， w h i c hc a nr e c o r de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dc h a n g ed a t aa n do p t i c a ld a t ai n c l u d i n gt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s o fl e a d e rs y n c h r o n o u s l y t h i ss y s t e m w a si n s t a l l e di i l g u a n g d o n gc o m p r e h e n s i v e o b s e r v a t i o n e x p e r i m e n t o f l i g h t n i n gd i s c h a r g e ( g c o e l d ) ，a n ds e v e r a lr o c k e t t r i g g e r e dl i g h t n i n gf l a s h e sw e r eo b s e r v e d i no r d e r t o f a c i l i t a t et h em a s s i v eh i g h s p e e di m a g e sp r o c e s s i n ga n da n a l y s i s ，w ed e v e l o p e da v c + + b a s e dd i g i t a li m a g ep r o c e s s i n gs o f t w a r ew h i c hc a nc a l c u l a t et h ei n t e g r a t e d l u m i n o s i t y ( i l ) o fl i g h t n i n gc h a n n e la n d i t sv a r i a t i o nw i t ht i m e ，2 - dv e l o c i t yo fl e a d e r a n di t sv a r i a t i o nw i t hh e i g h t ，e t c t h ec o r r e l a t i o n sb e t w e e nc h a n n e l b a s ec u r r e n ta n di lo ft w oc h a n n e lp a r t s ( a i r - i o n i z e dp a r ta n dm e t a l v a p o r i z e dp a r t ) f o ri n i t i a lc o n t i n u o u sc u r r e n t ( i c c ) p r o c e s s a n dc o n t i n u i n gc u r r e n t ( c c ) p r o c e s s e sa r ea n a l y z e db yu s eo ft h es i m u l t a n e o u s h i g h s p e e di m a g e sa n dc u r r e n tr e c o r d si na l la r t i f i c i a l l yt r i g g e r e dn e g a t i v el i g h t n i n g f o ra i r - i o n i z e dp a r t ，d e p e n d i n go nw h e t h e rt h ec u r r e n ti sa s c e n d i n go rd e s c e n d i n ga n d w h e t h e rt h em a j o rc o n t r i b u t i n gp i x e l si nc a l c u l a t i o no fi lf r o mh i g h 。s p e e di m a g e sa r e s a t u r a t e do ru n s a t u r a t e d ，i c cp r o c e s sa n dc cp r o c e s sa r em a i l yd i v i d e di n t os a t u r a t e d a s c e n d i n gs t a g e ( p a r t a ) 、s a t u r a t e dd e s c e n d i n gs t a g e ( p a r t b ) a n du n s a t u r a t e d a s c e n d i n gs t a g e ( p a r t c ) t h e u n s a t u r a t e d d e s c e n d i n gs t a g e i s n tc o n s i d e r e d s e p a r a t e l yb e c a u s eo fl a c ko fd a t ai nt h i sc a s e f o rm e t a l v a p o r i z e dp a r t ，t h o s es t a g e s a r ec o m b i n e da n dp r o c e s s e dw i t h o u tt h ea b o v ec a t e g o r i e s t h ea n a l y s i ss h o w st h a t ：f o rb o t ht w op a r t s ，i lo fd e s c e n d i n gs t a g ei sh i g h e r t h a nt h a to fa s c e n d i n gs t a g ec o r r e s p o n d i n gt ot h es a m ec u r r e n tv a l u ei i la n yc u r r e n t p u l s e f o ra i r - i o n i z e dp a r t ：f i r s t l y , t h e r ee x i s t s l i n e a r c o r r e l a t i o nb e t w e e ni la n d l o g a r i t h m i cv a l u eo fc u r r e n ti nb o t hp a r t - aa n dp a r t b ，b u tt h er e g r e s s i o np a r a m e t e r s i i i a b s t r a c t ( i n t e r c e p ta n ds l o p e ) f o rp a r t - ba leh i g h e rt h a nt h a tf o rp a r t a ，w h i c hm e a n si lo f p a r t bi sg r e a t e rt h a nt h a to fp a r t - aw i t ht h es a m ec u r r e n tv a l u e ；s e c o n d l y , t h e r ee x i s t s s i g n i f i c a n t l yl i n e a lc o r r e l a t i o nb e t w e e ns q u a r er o o to fi la n dc u r r e n ti np a r t c ，a n d t h ef i t t i n gm o d e lf o rt h er e g r e s s i o no fc u r r e n tf r o mi ld a t ao fp a r t ch a st h em o s t s a t i s f a c t o r ye f f e c t ；f i n a l l y , f o re a c hs t a g e ，t h e r ee x i s t ss i g n i f i c a n tp o s i t i v ec o r r e l a t i o n b e t w e e nt h ef i t t i n ge f f e c ta n dt 1 1 et h r e s h o l dv a l u eo fi l a n di ti ss h o w nt h a tt h em o r e p e r p e n d i c u l a rt h ec h a n n e li st ot h eg r o u n d ，t h eb e t t e rt h ef i t t i n ge f f e c tb e c o m e s m e t a l v a p o r i z e dp a r th a st h es a m ef i t t i n gm o d e la sp a r t co fa i r - i o n i z e dp a r t ，b u th a s ar e l a t i v e l yw o r s ef i t t i n ge f f e c t t h e r e f o r e ，f o rr o c k e t t r i g g e r e dl i g h t n i n gf l a s h e s ，t h e l u m i n o s i t yo ft h ea i r - i o n i z e dp a r tc a nr e f l e c tt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ec h a n n e l b a s e c u r r e n tb e t t e rt h a nt h a to ft h em e t a l v a p o r i z e dp a r ti nt h el i g h t n i n gc h a n n e l k e yw o r d s ：t r i g g e r e dl i g h t n i n g ，c o n t i n u o u sc u r r e n t ，h i g h s p e e dp h o t o g r a p h y , i n t e g r a t e dl u m i n o s i t y , l i n e a lr e g r e s s i o n ，a d j u s t e dc o e f f i c i e n to fd e t e r m i n a t i o n i v 图表索引 图表索引 图1 1首次回击和之前梯级先导的条纹照片3 图2 1 光电同步观测系统的结构框图1 0 图2 2 光学观测子系统的结构框图ll 图2 3 数字图像处理软件的运行界面1 2 图2 4 某高度范围的积分亮度随时问变化的算法流程图1 3 图2 5t 2 0 0 8 0 4 始发阶段的高速摄像记录1 5 图2 6t 2 0 0 8 0 4 上行正先导的二维路径和其速度发展_ 1 6 图2 7 高速摄像图的去噪处理1 7 图2 8图2 5 a 、b 在5 0 0 r n 高度处水平方向的灰度值分布1 8 图3 1t 2 0 0 8 0 4 通道电流的原始记录与其分段平均处理的结果2 2 图3 2 1 2 0 0 8 0 4 的通道积分亮度和底部电流的同步观测记录2 3 图3 3t 2 0 0 8 0 4 整个过程的通道积分亮度关于电流的散点分布2 4 图3 4 长c c 过程中通道积分亮度关于电流的散点分布2 5 图3 5电流上升下降段的通道积分亮度和电流的同步观测结果示例2 6 图3 6 长c c 过程各部分的线性回归分析图2 9 图3 7t 2 0 0 8 0 4 i c c 各部分的线性回归残差图3 0 图3 8t 2 0 0 8 0 4 闪电通道图像和不同阈值下的积分亮度随高度的变化3 l 图3 9 不同通道范围的拟合效果随积分亮度阈值的变化3 2 图3 1 0 长c c 过程的积分亮度随电流的变化3 3 图3 n 采用独立关系式反演得到的电流与实测结果的比较3 5 图3 1 2 采用统一关系式反演得到的电流与实测结果的比较3 5 图3 1 3 长c c 过程的均方根反演相对误差分布3 6 图3 1 4 短c c 过程p a r t - c 的线性回归分析图3 7 图3 1 5p a r t - c 的回归参数斜率随相应电流峰值的变化规律3 9 图3 1 6p a r t - c 的回归参数随相应电流平均功率的变化规律3 9 图3 1 7 短c c 过程的积分亮度电流的相关图4 1 图3 1 8 采用独立关系式反演得到的电流与实测结果的对比4 2 图3 1 9 短c c 过程的均方根相对误差分布4 3 图4 1t 2 0 0 8 0 4 的通道积分亮度和电流的同步观测记录4 6 v i i 图表索引 图4 2 电流上升下降段的通道积分亮度和电流的同步观测结果示例4 7 图4 3c c 过程的线性回归分析图4 9 图4 4 回归参数斜率随相应电流峰值的变化规律4 9 图4 5 回归参数随相应电流平均功率的变化规律一5 0 图4 6c c 过程的积分亮度关于电流的散点分布图5 2 图4 7 采用独立关系式反演得到的电流与实测结果的比较。5 3 图4 8c c 过程的均方根反演相对误差分布5 4 表3 1 长c c 过程的【旦i 归方程及统计参数2 8 表3 2c c 过程中各部分的回归参数特征3 0 表3 3 长c c 过程的反演方程和标准误差3 4 表3 4 短c c 过程p a r t c 的回归方程及统计参数3 7 表3 5 短c c 过程的反演方程和标准误差4 l 表4 1 钢丝气化通道和空气离化通道的余晖时间。4 6 表4 2c c 过程中钢丝气化通道的回归方程及统计参数4 8 表4 3c c 过程的反演方程和标准误差5 1 表4 4 积分亮度反演电流的标准误差一5 2 v i l l 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特另t l d n 以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名： 签字日期：迎应! 二； 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名： 口保密( 年) 碰 签字日期弹纽么： 翮躲澎。石 签字日期： i o 6 多 第一。章绪论 1 1 引言 第一章绪论 闪电，俗称雷电，是自然大气中一种随机发生并具有强烈破坏性的放电现象。 闪电在放电过程中能够产生瞬时高电压、大电流和强电磁脉冲辐射，并伴随着强 烈的发光和发声等现象，由此可能会引起物理燃烧、爆炸、腐蚀、变形或其他因 强电流磁力( 电动力) v 2 及高电压冲击波引起的结构性破坏等( 刘欣生，1 9 9 9 ) ，每年 都给全球造成严重的人员伤亡和经济损失，特别是随现代高科技的发展及其在各 个领域( 如微电子技术等领域) 的广泛应用，闪电所造成的财产损失显著增大。据 统计，1 9 9 7 2 0 0 6 年我国雷电灾情的时间特征与人们的作息时间相关( 马明等， 2 0 0 8 a ) 。正由于闪电给国民经济建设带来较大的危害，因此，迫切需要我们深入 地研究闪电物理过程，揭示其物理规律，为探索有效的防雷技术手段提供理论依 据。 根据发生部位的不同，自然闪电可分成云闪和地闪两大类：不与大地和地物 发生接触的闪电称为云闪，云内电荷中心与大地和地物之间的放电过程称为地闪 ( 陈渭民，2 0 0 6 ) 1 4 4 j 4 5 。通常情况下，一次完整的地闪放电过程其持续时间约为 2 0 0 m s 3 0 0 m s ( r a k o va n du m a n 2 0 0 3 ) 7 ，地闪回击阶段的电流峰值为数十k a ，亦 可超过数百k a ，其瞬时功率可达到1 0 1 1 w 以上( 王道洪等，2 0 0 0 ) 1 2 m 1 2 1 。由于自 然闪电的发生具有随机性和瞬时性，这给闪电近距离的综合测罱和雷电物理过程 的研究带来了一定的困难。因此，人工触发闪电( 俗称人工引雷) 技术给人们研究 闪电提供了良好的观测手段。常用的人工触发闪电技术是指在一定的雷暴条件下 利用快速上升并拖曳导线的火箭诱发上行先导的产生和发展，由此将闪电人工引 发至指定区域的技术。根据所中和电荷的极性，人工触发闪电可分为正极性人工 触发闪电( 中和了云中正电荷) 和负极性人工触发闪电( 中和了云中负电荷) ；根据 火箭拖曳的导线是否直接接地，人工触发闪电又可分为地面( 经典) 触发闪电和空 中( 高度) 触发闪电( 王道洪等，2 0 0 0 ) 1 7 仉1 7 1 。随着微电子技术和光电技术的发展， 特别是光学感应器件和高速大容量记录技术，使得我们对雷电的声、光、电、磁 等观测能够逐步向精细化发展，这些为我们对雷电开展系统性的多参数同步观 测，深入研究雷电放电过程的精细结构奠定了基础。 第一章绪论 1 2 国内外相关研究进展 1 2 1 闪电的光学观测研究进展 在对闪电的各种观测手段中，光学摄像方法是研究闪电的重要手段之一。迄 今为止，除了静态成像外，研究人员还曾利用条纹相机、a l p s ( a u t o m a t i c l i g h t n i n gp r o g r e s s i n gf e a t u r eo b s e r v a t i o ns y s t e m ) 和高速摄像等光学设备对闪电 毫秒、微秒甚至亚微秒的发展过程进行观测和研究。 早在1 9 世纪后期，人们利用水平快速移动的相机对自然闪电进行拍摄，发 现闪击是带有分枝的，并且闪击之间存在连续发光的现象，但对两次闪击之间时 间间隔的测量并不精确( h o f f e r t ，1 8 8 9 ；w e b e r , 1 8 8 9 ) 。到2 0 世纪初，有研究者 ( w a l t e r , 1 9 0 2 ；w a l t e r , 1 9 0 3 ；l a r s e n 1 9 0 5 ) 开始利用一由时钟控制的可移动照相机 精确地测出了闪击之间的时间间隔，并且拍摄到首次闪击的先导，但并没有发现 先导是梯级的。直至1 9 2 6 年，b o y s 设计了一种旋转式条纹相机，后来称为b o y s 相机，其时间分辨率可以达到微秒量级，并成功获取了大量地闪结构的照片，揭 示了地闪发展过程由先导和回击等构成( b o y s ，1 9 2 6 ) 。早期机械式条纹相机是利 用镜头的高速旋转对闪电进行拍摄，改进后的b o y s 相机将镜头固定不动而照相 底片作快速旋转，由此提高了观测的稳定性和精度( b o y s ，1 9 2 9 ；m a l a n ，1 9 5 0 ； m a l a n 1 9 5 7 ) 。b o y s 相机的发明和改进促进了雷电物理研究的进一步深入，如 s c h o l a n d 和m a l a n 等研究人员在南非利用b o y s 相机对闪电进行观测，研究表明 负极性( 中和了云中负电荷) 地闪是由向下发展的先导和向上发展的同击构成，并 指出首次同击之前的先导是梯级的。首次同击之前的梯级先导是地闪放电的始发 阶段，先导过程在闪电物理和雷电防护中的重要性不容忽视，图1 1 给出了首次 回击之前的梯级先导及首次回击发展过程的条纹照片( b e r g e ra n dv o g e l s a n g e r , 1 9 6 6 ) 。为提升显示效果，图像中红线左侧部分经过亮度增强，并对整体图像进 行了反相处理。s c h o l a n d ( 1 9 5 6 ) 总结了研究人员在南非的主要成果，包括他们当 时提出的至今仍被使用的许多闪电术语。随后美国、俄国、法国、日本以及瑞士 陆续利用b o y s 相机对闪电进行了观测，证实了在南非取得的诸多研究结果并对 其进行了扩展。虽然b o y s 相机能够较好地观测闪电在垂直方向上的发展过程， 但是并不能很好地体现闪电在水平方向的发展变化。为更好地观测回击闪电通道 径向的快速变化，t a k a g i 等( 1 9 9 8 ) 研制了高速线扫描照相机h s l s c ( h i g hs p e e d l i n es c a n n i n gc a m e r a ) ，扫描帧速度约7 8 0 0 帧秒，能够对某一高度上闪道亮区 宽度的快速变化进行观测。 2 第章绪论 图1 1 旨7 戈同击和之前梯级先导的条纹照j ( b e r g e 和v o g e l s a n g e r 拍摄) a l p s 是专门为记录闪电发展过程而设计的一套闪电发展特征自动观测系统 f y o k o y a m ae ta 1 1 9 9 0 ) ，其图像采样率高达1 07 帧秒，凭其板高的采样率在对闪 电的始发过程、直窜先导和碍击过程等的研究中发挥了重要的怍i 。主要体现以 下几个方而；其一在先导的梯级发展过程中发现传播速度堪比回击的先导光脉 冲，其传播方向与先导相反( w a n ge ta l ，1 9 9 9 b ；c h e ne ta l ，1 9 9 9 ) ；其。，在连接过 程巾发现回击前都会出现上行的迎面先导( w a n ge ta l ，1 9 9 9 a ，w a n g e ta l ，2 0 0 1 ) ；萁 三，在回击过程巾发现随着回击的向卜传播，回击通道亮度逐渐减小，传播速度 逐渐降低的现象( w a n g e ta l ，1 9 9 9 b ；w a n g 越a i ，2 0 0 4 a ) ；其四，m 过程主要南多个 击穿波形所组成，不同的波形之间会相互影响( w 锄g 髓a l ，2 0 0 4 b ) 。其五，自然闪 电下行梯级先导的卡通道( 最终接地的分支) 和l 其他分支i 的梯级光脉冲在 1 0 0 旷9 0 的上升时间和半峰宽度上没有本质差异，其几何平均值均分别为04 9 s 和ll 邮，只是主通道先导的梯级间隔相对较d , ( l uw e ta l ，2 0 0 8 a ) 。但a l f s 的 记录托度非常短( 仪为l6 m s ) ，不能记录一次完整的闪电过程，其像素个数也宵 限n 6 1 6 或4 0 4 0 ) 无法在保证足馋大的观j i ! i | 范围的前提下拥有较高的窄间分 辨率，这在定栏度上限制了人们对雷电物理过程的认u i 和研究。 随着经济和科技的发展，数字化高速摄像技术逐渐被引入到雷电物理的观测 研究中。如m o r e a u 等( 1 9 9 2 ) 采j h2 0 0 帧，秒的摄像机观测到飞机引发闪电的过程： m a z u r 等r 1 9 9 5 ) 采用1 0 0 0 帧秒的摄像机并通过抛物而反射镜实现了全方位摄像， 结合硅高频干涉仪等电学观测对自然闪电云中和云f 闪道的发展过程进 r 了分 析。研究者也发现南北方人工触发闪电的特性具冉很大的差异：南方的触发闪电 全是负极性，通常其电流峰值较大( 般超过几于安培) ，放电过挫由几百毫秒幸j j 始连续电流过栏和多个阿击构成( 张义军等，1 9 9 9 ) ；北方的触发闪电都是正极性 的，通常其电流峰值技小r 一般在几千安培以下) ，放电过程仪为几卜毫秒的韧始 第一章绪论 连续电流过程而没有回击产生( 王才伟等，1 9 9 8 b ) 。这很可能是由于南北方雷暴 以及人工触发闪电电特性存在较大差异的缘故。北方雷暴的三极性电荷结构导致 了人工触发闪电的极性为正，并且主要由连续电流和双极性电流脉冲组成，电流 峰值以及中和电量都比较小，其值分别约为l k a 和几库伦；南方雷暴的偶极性 促使人工触发闪电的极性为负，并且主要由连续电流和多次同击组成，电流峰值 一般大于1 0 k a ( 张义军等，1 9 9 7 ) 。 摄像系统的高采样率通常是以感光像元数目的减小或画幅分辨率的降低作 为牺牲代价。随着光电感应技术的突飞猛进，采样速度更快、灵敏度更高、感光 像元更多以及存储速度更快、存储容量更大的高速数字化摄像系统大大丰富了人 们对闪电通道时空发展过程和发光特征的细微物理过程的认识和研究。w a n g 等 ( 1 9 9 9 ) 利用摄像系统( 1 0 0 0 帧秒) 观测到了空中触发正极性( 中和了云中正电荷) 闪 电的双向先导。q i e 等( 2 0 0 7 ) 禾1 用高速摄像系统0 0 0 0 帧秒) 对一次具有多接地点 闪电的梯级先导进行了分析，研究表明随着先导的向下发展，先导头部的亮度呈 现逐渐增强的趋势。k o n g 等( 2 0 0 8 ) 禾1 1 用高速摄像系统( o o o 帧秒) 对一次正地闪 进行研究分析，得到正地闪下行正先导的速度量级为1 0 a m s 。l u 等( 2 0 0 8 b ) 币l j 用 2 0 0 0 帧秒的摄像系统观测到了空中触发负极性闪电的双向先导过程，对采用不 同触发方式的两次负极性闪电进行了对比分析，结果表明空中触发方式的上行正 先导的起始速度比经典触发方式的低一个量级左右，并且前者的触发高度要比后 者的高。l u 等( 2 0 0 9 a ) 还利用高速摄像系统( 5 0 0 0 帧秒) 拍摄到两高建筑物( 相距 3 7 5 m ) 上产生的两次反极性闪电，分析表明这两次闪电时相关联的，前一次闪电 的放电过程导致了后一次闪电的发生，为高建筑上闪电始发机制的研究提供了观 测证据。 1 2 2 光电同步观测研究进展 光学观测手段能够形象直观地展现闪电几何形状、通道亮度、通道发展等细 微变化特征。与电学观测手段相比，光学观测有自己的特色：不仅可以识别多接 地点闪电中几乎同时发生的多个接地点的同击事件，还可以区分短时间之内发生 的不同闪电事件中的回击事件。当然，同样作为认识闪电放电精细结构的电学观 测手段也有光学观测手段所不能及的优势，如闪电所引起的电流和电场变化能够 反映闪电放电过程中电荷的转移与中和。因此，光学和电学的同步观测资料能够 相互补充，可以全面、准确地对闪电的物理过程进行详细研究和分析。由此容易 看出，光电同步观测将成为研究闪电物理过程的一种观测趋势。 p a r k e r 和k n d e r ( 2 0 0 3 ) 设计了一套基于p c 机的闪电光、电和磁同步观测系统 ( 其中标定的光电二极管是主要的光学器件，同时也是触发源，观测系统的精度 4 第一章绪论 为1 4 位，采样率为2 5 m h z ) ，对获取2 4 9 个地闪的同步观测资料的研究分析表 明，平均每次闪电的接地点数目为1 4 6 个。c u m m i n s 等( 2 0 0 8 ) 碰d n 用相同的高速 摄像( 1 0 0 0 8 0 0 0 帧秒) 系统并结合同步的电场资料研究表明亚利桑那州的负地闪 回击数和回击间隔的特征与巴西对应的特征相似。 不管是在雷电物理研究还是在雷电防护设计中，闪电通道电流波形特征都是 需要知道的重要参数。而自然闪电的随机性给闪电通道电流测量带来相当大的困 难，目前，除了高建筑物上或利用人工触发闪电技术的一些直接测量之夕b ( v i s a c r o e ta l ，2 0 0 5 ；p i n t oe ta l ，2 0 0 5 ；m i k iea l ，2 0 0 5 ) ，只能通过磁场遥测对自然闪电的电 流进行反演和估计，且这些反演往往局限于闪电的回击电流( 杨静等，2 0 0 7 ) 。相 对于较难实现的自然闪电通道电流的直接测量，闪电光学测量相对容易得多。如 果闪电通道电流和通道亮度之间存在某种相关关系，那么就可以通过闪电通道的 亮度变化来估计通道电流的变化。目前对于人工触发闪电的通道电流，可采用同 轴分流器或者罗氏线圈进行直接测量。因此长期以来，很多研究人员对人工触发 闪电通道的亮度和通道底部电流的关系进行了分析研究。张义军等( 1 9 9 8 ) 利用一 次空中触发闪电的高速摄像资料和电流数据研究表明通道电流与其相对光强有 很好的正相关。d i e n d o r f e r 等( 2 0 0 2 ) 曾对5 次闪电的高速摄像数据( 5 0 0 帧秒) 和电 流资料( 2 0 m s s ) 进行相关分析时也得到类似的结论，对于同一次闪电过程，在不 同高度下的亮度随时间变化的函数波形图也非常相似。随后d i e n d o r f e r 等( 2 0 0 3 ) 对九次人工触发闪电资料的初始连续电流过程进一步分析，结果表明通道电流和 亮度之间存在较好的正比例关系，而且有七次触发闪电的通道电流和亮度之间的 相关系数大于0 5 ，还认为因强风引起的闪道偏移、不同的相机镜头以及高速摄 像图的背景亮度噪声都将会影响通道电流和亮度之间的关系，故在数据处理分析 前需要扣除背景亮度噪声、闪道偏移的校正和饱和像素的剔除。w a n g 等( 2 0 0 5 ) 曾研究指出触发闪电通道底部电流和亮度在回击起始电流上升阶段呈正比例关 系，但是在峰值后两者之间失去了线性关系，通常情况下，在峰值后的几个m s 内通道亮度衰减的速度要快于对应电流的下降速度，随后哪怕电流仍处于衰减阶 段而亮度却呈另一种上升趋势。 正是由于闪电通道的亮度与电流息息相关，因此有研究员直接通过闪电通道 亮度的观测来分析雷电物理过程。如c a m p o s 等( 2 0 0 9 ) 在通道连续电流和亮度之 间呈正比例的假设基础上，首次利用高速摄像资料统计分析了正地闪连续电流 ( 持续时间大于4 0 m s ) q bm 的分量特征，指出m 分量消逝时间占整个连续电流时 间的百分比与m 分量消逝时间呈指数型衰减( 相关系数为0 8 3 ) ，这与他先前分析 ( c a m p o se ta l ，2 0 0 7 ) 的负地闪相应的特征相c a ( 相关系数为0 9 9 ) 。 5 第- 一章绪论 1 3 论文研究内容 人工触发闪电为人们提供了一种在一定程度上可以控制的自然模拟雷电源， 因此，研究者们可以对闪电的多种物理参量进行观测并深入认识闪电发生、发展 的物理机制。自从最早n e w m a n ( 1 9 6 5 ) 在离佛罗里达海洋上人工触发闪电试验成 功以来，我国在这方面也做了很多工作。但是，迄今为止，对闪电通道亮度和电 流之间的关系还缺乏全面、深入和定量的研究，如回击、连续电流等不同物理过 程的亮度和电流的关系是否一致、能否采用某种关系式通过亮度变化信息来反演 通道的电流等，这对于如何利用光学观测资料来准确地获取雷电流数据、丰富人 们对不同物理过程雷电流特征的认识来讲至关重要。因此，本研究主要针对以上 所述的研究目的展开了工作，其主要工作内容包括硬件系统的搭建、图像处理软 件的开发和触发闪电其通道亮度与电流的相关性研究等三个方面。 1 、利用现有的先进设备和仪器搭建了一套光电同步观测系统( 光学和电学子 系统) ，并在广州野外雷电试验基地对人工触发闪电进行多次观测和记录。整个 观测系统能够同步记录包括先导初始阶段在内的闪电完整过程的光学和电学资 料。 2 、开发一款基于v c + + 的数字图像处理软件。该软件不但具有图像增强、 裁切和反色等基本功能，还针对大量的高速摄像图片实现了多种专业性处理功 能，如触发闪电上行先导的二维速度随高度的发展变化和某高度范围内闪道的积 分亮度随时间的变化等。 3 、利用一次触发闪电的高速摄像资料结合电流的同步观测资料，详细分析 了连续电流过程中不同性质通道( 空气离化通道和钢丝气化通道) 的亮度和电流 之间的相关性，给出了利用高速摄像资料反演连续电流过程闪电通道电流的拟合 模型，并对比分析了选取不同参数计算积分亮度时对拟合效果的影响情况。 本论文共分为五章： 第一章为绪论，重点介绍了本论文的研究背景、光电同步观测与分析的研究 进展以及本论文的研究内容，即硬件系统的搭建、图像处理软件的开发和触发闪 电其通道亮度与电流的相关性研究等三个方面。 第二章介绍了光电同步观测系统硬件部分的结构功能、数字图像处理软件的 功能和原理、同步观测资料以及数据处理方法。 第三章主要详细分析触发闪电空气离化通道的亮度与其底部电流的相关性， 给出了利用高速摄像资料反演连续电流过程闪电通道电流的拟合模型，并对比分 析了选取不同参数计算亮度时对拟合效果的影响情况，还分别指出同归参数和触 发闪电峰值电流或平均功率之间的关系。 第四章主要详细分析触发闪电钢丝气化通道的亮度与其底部电流的相关性， 6 第一章绪论 同样也给出了亮度反演电流的模型和回归参数与触发闪电峰值电流或平均功率 之间的关系。另外，还说明与空气离化通道两者之间相关性的异同。 第五章总结了本论文主要工作内容、研究成果、存在的不足以及未来的展望。 7 第二章试验系统和观测资料 第二章试验系统和观测资料 由于闪电光学和电学同步观测资料能够各取所长、相互补充，闪电的光电同 步观测必将成为研究闪电物理过程的一种观测趋势。本研究搭建了一套光电同步 观测系统来获取触发闪电过程的高速摄像资料和雷电流数据。本章将详细介绍光 电同步观测系统硬件部分的结构功能、数字图像处理软件的功能和原理、同步观 测资料以及数据处理方法。 2 1 硬件系统及试验条件 2 1 1 观测场地 广东省地处低纬( 太阳高度角较大，辐射强度大，气温高) ，东南面临太平洋 和南海，境内多山地丘陵，并且夏半年多吹海陆风，这非常有利于南来暖湿空气 的抬升。正是由于广东地理环境和季风气候的特殊性，广东自然成为我国雷暴天 气的多发区，每年都会出现大量因闪电导致的人员伤亡和财产损失。据统计，1 9 9 7 年2 0 0 6 年我国雷灾多发生在东部沿海地区和南部地区，广东省最为严重( 马明 等，2 0 0 8 b ) 。为了深入研究雷电放电物理过程的精细结构，中国气象科学研究院 雷电物理和防护工程实验室l i p & p ( l a b o r a t o r yo f l i g h t n i n gp h y s i c sa n dp r o t e c t i o n e n g i n e e r i n g ) 联合广东省气象局自2 0 0 6 年起在广州从化进行人工触发闪电和自然 闪电观测试验，其中“中国广州野外雷电试验基地”位于北纬2 3 0 6 3 ，东经1 1 3 0 5 9 ， 海拔高度为6 3 m 。 2 1 2 观测系统 2 0 0 8 年、2 0 0 9 年的5 8 月，实验室l