（大气物理学与大气环境专业论文）gis在雷电业务系统中的应用.pdf

摘要 随着雷电业务的发展及地理信息系统( o i s ) 的广泛应用，建立一个基于地理信息系统 的雷电业务平台为防雷建设工程服务，是十分必要且可行的。g i s 和 y s q l 技术的引入， 使防雷检测服务工作进入了信息化、数字化时代，成为空间分布广、时间序列长的闪电资 料数据和防雷检测数据集成管理和应用的强有力工具。本研究针对闪电资料数据和防雷检 测数据的特点以及雷电业务系统的需求及发展的趋势，阐述了建立基于g i s 的雷电业务系 统的基本技术方法和实际意义，并从系统的开发环境、开发模式、开发方法、数据库设计 和系统的设计与实现，介绍了系统的整个开发过程。 系统总体设计思路是采用集成二次开发方式，主要采用d e l p h i7 作为开发语言，以 m y s q l 作为数据库平台，并且采用t a t u k g i sd e v e l o p e rk e r n e l ( d k ) 作为辅助平台实现了 g i s 的功能。系统采用了面向对象机制原理，用系统软件工程的思想和方法，将整个系统 结构化、模块化，从系统的设计和实现，分阶段、分步骤地进行。系统由防雷检测业务模 块、闪电资料检索和雷达强度图和闪电密度图在电子地图上的叠加三部分组成。各功能模 块相互独立，信息共享，具有较强的可移植性。提供了一个功能实用、运行稳定，用户界 面友好、便于操作的雷电业务系统。同时为系统将来的升级、功能扩展、完善提供了方便。 最终实现雷电业务的信息化、网络化和多用户共享。 本系统的开发、研制和面向对象的使用，达到了预期要求，初步满足了雷电业务应用 的需要，具有很强的实用性和应用潜力。为高效利用g i s 新技术服务于雷电防护提供了一 个有效的窗口。本论文由以下章节组成： 第一章，前言。首先介绍闪电的特点和雷电的危害，以及建立雷电业务系统的意义， 最后简单介绍了江苏省防雷中心设计的雷电业务系统的组成。+ 第二章，雷电的相关的理论基础。介绍了雷电产生的物理模型、雷电探测方法及设备 以及闪电数据处理中的理论模型。 第三章，地理信息和日晷投影的理论基础。介绍了地理信息系统和日晷投影的基本理 论。 第四章，基于g i s 的雷电业务系统的总体设计。介绍了系统的软硬件环境，系统的开 t 发方案，开发方案的选择，系统的开发平台。 第五章，江苏省雷电业务系统在g i s 中的实现。介绍了数据库的建立以及系统的开发 和功能。 第六章，结语和展望。首先对本课题进行了总结，然后提出了下一步工作的设想。 关键词：地理信息，雷电业务系统，系统开发 i i a b s t r a c t w i t ht h ew i d e l y a p p l i c a t i o n o fg i sa n dt h e d e v e l o p i n g o ft h e l i g h t n i n g o p e r a t i o ns y s t e m ，i ti sn e c e s s a r ya n dv i a b l et o e s t a b l i s hal i g h t n i n go p e r a t i o n p l a t f o r mb a s e do ng i st o s e r v et h ep r o j e c to fl i g h t n i n g p r o t e c t i o n w i t ht h e a p p l i c a t i o no fg i sa n dm y s q l a st h ep o w e r f u lt o o l sf o ri n t e g r a t e dm a n a g e m e n ta n d a p p l i c a t i o no ft h es p a t i a li t e r a t i v es e l f - o r g a n i z i n ga n du n s u p e r v i s e dc l a s s i f i c a t i o no f f l a s hd a t aa n dd e t e c t i o nd a t ao fl i g h t h i n g p r o t e c t i o n ，l i g h t n i n gp r o t e c t i o na n d d e t e c t i o ns e r v i c eh a sc o m ei n t oa ni n f o r m a t i o n a la n dd i g i t a le r a a c c o r d i n gt ot h e c h a r a c t e r i s t i co ff l a s hd a t aa n dd e t e c t i o nd a t ao fl i g h t n i n gp r o t e c t i o na n da l s ot h e d e v e l o p i n gt r e n da n dt h er e q u i r e m e n to fl i g h t n i n go p e r a t i o ns y s t e m ，i nt h i sp a p e r , t h e b a s i ct e c h n i c a lm e t h o da n dp r a c t i c a li m p o r t a n c eo fe s t a b l i s h i n gl i g h t n i n go p e r a t i o n s y s t e mb a s e do ng i sw a se x p m i m e d t h eo v e r a l ld e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h i ss y s t e m w a si n t r o d u c e df r o mt h ed e v e l o p i n ge n v i r o n m e n t ，m o d ea n dm e t h o d ，t h ed e s i g n i n g o ft h ed a t a b a s e ，a n dt h ed e s i g n i n g ，p r o g r a m m i n ga n dr u n n i n go ft h ew h o l es y s t e m a sa w h o l e ，t h ed e s i g n i n gt h o u g h to f t h i ss y s t e mw a s ：( 1 ) t a k e nb o f l a n dd e l p h i7 a st h e p r o g r a m m i n gl a n g u a g e ；( 2 ) a p p l i e dm y s q la s at o o lo fd a t a b a s e e s t a b l i s h i n g ；( 3 ) s e tt h et a t u k g i sc o m p o n e n t a st h ea s s i s t a n tp l a t f o r m ；( 4 ) a d o p t e da l l i n t e g r a t e ds e c o n d a r yd e v e l o p i n gm o d e t od e s i g nt h i ss y s t e m b a s e do nt h et h o u g h t a n dm e t h o d o l o g yo fs y s t e m i cs o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，t h es t r u c t u r eo fc sm o d ew a s i n t r o d u c e di n t ot h ed e s i g n i n go ft h i ss y s t e m t h es y s t e mw a sf r a m e da n dm o d u l e d t h ea n a l y s i so fd e v e l o p i n gp r o c e s s e s ，t h ed e s i g n i n g ，p r o g r a m m i n g ，r u n n i n go ft h e s y s t e mw a sc a r r i e do u ts t e pb ys t e p t h es y s t e mw a sc o m p o s e do fal i g h t n i n g p r o t e c t i o nd e t e c t i o no p e r a t i o n a lm o d u l e ，af l a s hd a t as e a r c h i n gm o d u l ea n da o v e r l a p p i n gr a d a rr e f l e c t i v i t yi m a g ew i t hf l a s hi m a g ei nt h ed i g i t a lm a p e a c ho f t h e mw a sm u t u a li n d e p e n d e n ta n de a s yt or e p l a n t i n g ，s h a r i n gu n i f o r md a t ai n t h i s s y s t e m f i n a l l y , t h ep a p e rp r o v i d e daw h o l eo fl i g h t i n go p e r a t i o ns y s t e mb a s e do n l g i s ，w h i c hh a dl o t so fa d v a n t a g e sw i t haf r i e n d l ya n dh a n d yu s e ri n t e r f a c e a tt h e s a m et i m e ，al o to fe x p e r i e n c ew a sg a i n e dd u r i n gt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n t i tw o u l d b ea d v a n t a g e o u st ou p d a t i n go ft h es y s t e m ，t h ee x t e n s i o na n dp e r f e c t i n go fs o f t w a r e f u n c t i o n s a l ld e v e l o p m e n tp r a c t i c ew o u l dc o n t r i b u t em u c ht ot h ed i g i t a ll i g h t n i n g o p e r a t i o ns y s t e ma n dt h es h a r i n g i nn e t w o r kr e s o u r c e so fl i g h t n i n go p e r a t i o n a l i n f o r m a t i o n t h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fl i g h t n i n go p e r a t i o ns y s t e mb a s e do ng i s h a si m p l e m e n t e dt h e d e s i g n e da n t i c i p a t i v e t a s k sa n dc o u l db a s i c a l l ym e e tt h e r e q u i r e m e n to ft h el i g h t n i n go p e r a t i o n a la p p l i c a t i o n w i t hg r e a tp r a c t i c a b i l i t ya n d a p p l i c a t i o np o t e n t i a l s ，i tw i l lp r o v i d ea ne f f e c t i v ew i n d o wt o s e r v et h el i g h t n i n g p r o t e c t i o n k e yw o r d ：g i s ；l i g h t n i n go p e r a t i o ns y s t e m ；s y s t e md e s i g n i v 学位论文独创性声明 本人郑重声明： l 、坚持以“求实、创新”的科学精神从事研究工作。 2 、本论文是我个人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究 成果。 3 、本论文中除引文外，所有实验、数据和有关材料均是真实的。 4 、本论文中除引文和致谢的内容外，不包含其他人或其它机构 已经发表或撰写过的研究成果。 5 、其他同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了声明并表示 了谢意。 作者签名：卤杰趁 日 期：之固f ：拿 学位论文使用授权声明 本人完全了解南京信息工程大学有关保留、使用学位论文的规 定，学校有权保留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论 文的电子版和纸质版；有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制 并允许论文进入学校图书馆被查阅：有权将学位论文的内容编入有 关数据库进行检索；有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 作者签名：函杰煎作者签名：斛要型 e t 期：塑埠：笪墨 第一章前言 雷电危害在全球范围内普遍存在，由于雷电灾害严重危害人类生命财产安全，被联合 国国际十年减灾委员会列为十大自然灾害。建立一个高效的雷电业务系统可以减少雷电带 来的危害，增强雷电防护能力。 1 1 闪电的特点和危害 闪电是发生在不同符号电荷中心之间的长距离的强放电过程。根据闪电发生的部位， 可以把闪电分为云闪和云地闪。云闪包括云内闪电、云际闪电和云空闪电。云内闪电是同 一雷暴云中不同符号电荷中心之间的闪电，云际闪电是两块雷暴云中不同符号电荷中心之 间的闪电，云空闪电是云中电荷中心与云外不同符号大气电荷之间的闪电。云地闪是发生 在雷暴云中电荷中心与地面物体间的闪电，也可简称为地闪。地闪可分为正地闪( 简称为 正闪) 和负地闪( 简称为负闪) ，正闪是云中正电荷中心与地面物体间的闪电，闪电电流为 正；负闪是云中负电荷中心与地面物体间的闪电，闪电电流为负。 闪电的主要特点是：电流大，电流高达几万至几十万安培：时间短，雷击过程只有几 十微秒：电压高，强大的电流产生强大的磁场，形成很高的感应电压。一次闪电中正电荷 与负电荷中和的数量直接反应一次闪电释放出的能量，也就是一次闪电的破坏力。由于闪 电的放电时间短，在短短的几十微秒内把雷暴云蕴藏的能量释放出来，所以破坏力很强。 雷电的危害主要有两种：直击雷害和间接雷害。直击雷害是指：主要在雷电流通道内 造成的人畜伤亡以及因雷击引起的爆炸、着火造成的。间接雷害：一次对地雷击，由于是 脉冲放电，占有很宽频带的强脉冲电流通过主通道。同时，这个强电流脉冲还必然会产生 其他一些电磁效应，除了静电、磁感应效应外，还有传导效应( 如入地电流引起的电位差 产生的电流) 以及因电荷的加速度造成的电磁辐射。间接雷击对微电子设备，特别是通讯 设备和计算机网络系统的危害最大。虽然间接雷电的能量远小于直接雷电，但它可以波及 雷电源区外几千米甚至更远，所以，间接雷害的范围远大于直接雷害。 雷电灾害波及面广，给人类社会带来极大的危害。其中，地闪对地面上的物体和人类 活动造成的危害最为严重。雷电活动与电子工业、通信行业、航天发射、交通运输以及基 本建设等国民经济建设和国防建设中的实际问题密切相关。 现代社会早已步入信息时代，电子工业、通信行业是现代信息社会的支柱产业，其核 心是微电子技术、通信技术和网络技术。雷电产生的强大辐射场，可在的电子设备、通信 线路中产生致命的电压和电流，造成不可估量的损失。 根据江苏省9 年雷灾资料记录统计，江苏省的雷击年平均密度( 雷击年平均密度是指 区域单位面积上雷击大地的年平均次数) 为2 3 0 次( k m 2 a ) ，雷电灾害频数( 雷电灾 害频数是指区域内发生雷电灾害的年平均次数) 为1 3 2 9 次年，经济损失指标( 经济损失 指标是指一定时期内区域单位面积上的雷灾经济损失数额) 为1 0 1 4 7 万元1 0 0 】锄2 人员 伤亡损失指标( 人员伤亡损失指标是指一定时期内区域单位面积上的雷灾中人员伤亡人数) 为3 8 1 人1 0 0 0 虹2 。从近几年发生的雷击灾害来看，我国广大农村所面临的直击雷的威 胁要远大于城市，而且由于农村的防雷设施非常贫乏，再加上农村群众具有的防雷意识较 为缺乏，所以在农村所发生的雷击事故中，人员伤亡的损失是占绝大部分的。而在城市中 的防雷设施非常完善，所以雷击导致人员伤亡的数字是非常小的。但近年来电网的飞速建 设和各种电子设备的广泛应用，同时这些设备普遍存在着绝缘强度低，过电压耐受能力差， 对电磁干扰敏感等致命弱点，所以在城市中发生雷击灾害的主要损失集中在这些方面。 1 2 建立雷电业务系统的意义 我们的闪电定位技术从2 0 世纪8 0 年代末得到了迅速发展，目前国内其他专业部门已 经发展了一定规模的闪电定位系统，但全国范围内的闪电站网建设和闪电监测系统尚未形 成。闪电定位系统是用于雷电测量和预警的新型探测设备。国家重点工程项目“大气监测 自动化系统工程”已经于2 0 0 2 年启动，并于2 0 0 3 年底在气象部门建设拥有9 0 个闪电探测 子站的全国闪电监测网。气象部门的闪电监测网的设置，充分考虑了区域中尺度监i f , j s h 预 报服务的要求，定位系统除具有监测地闪活动的功能，还兼顾了云闪的探测。 当代雷电探测和预警现在处于起步阶段，对雷电的防护，今天我们仍然最主要依靠“躲” 雷电防护。雷电防护可分为强电防护和弱电防护。强电防护一般是指高压线、家用电 气中的照明灯具、电热水器等雷电防护。弱电防护般是指信息网络、通讯系统的雷电防 2 护。大型超市、商场是人民密集地，发生雷灾时伤亡往往很大，而发射台和超高建筑则是 雷灾的易发地，而加油站、化工厂和弹药库等易燃易爆场所发生雷灾，后果不堪设想。历 年的雷灾信息表明，大部分弱电系统雷灾的发生，是未安装防雷装置或防雷装置检测不合 格导致。将人民密集地、雷电高发区、易燃易爆场所、防雷装置未安装或不合格建筑等信 息在电子地图上表现出来，不仅能提高防雷中心的工作效率，而且对日益发展的计算机技 术来说，也是十分必要的。 由此可见，建立雷电业务系统，具有巨大的理论价值和经济效益。能促进雷电科学的 发展能指导人们及时有效的做好雷电防护工作，减少雷电危害，为经济和国防建设提供服 务。 1 3 雷电业务系统的基本结构 江苏省防雷中心设计了基于雷电监测定位和g i s 技术的雷电业务系统，它以网络技术 为基础，实现了防雷检测信息查询，雷灾信息显示以及闪电资料检索。目前，该系统已经 在江苏省建成，为江苏省防雷中心防雷检测服务。 雷电业务系统由四部分组成：a d t d 高精度雷电探测仪、雷电定位处理中心站、g i s 平 台和数据库服务器。 1 3 1a d t d 高精度雷电探测仪 a d t d 高精度雷电探测仪是整个系统的重要组成部分，是一个基于嵌入式微处理器的电 磁波探测和数据采集系统，由电场天线、磁场天线、电子线路、g p s 接收机和电源等部分 组成。主要功能是探测闪电回击发生时辐射的电磁波，测量回击电磁波到达的精确时间， 并将数据送往雷电中心定位处理站，并接受来自后者的遥控命令。探测的雷电参量为：测 量地闪每次回击过程的时间、位置、极性、峰值强度、接收点( 陡点、峰点、波形半周过 零点) 波形特征参量、陡点值，通过m a x w e l l 方程组还可导出放电电荷量、峰值辐射功率， 通过归同击的方法，可以得出闪电的回击次数。 1 3 2 雷电定位处理中心站 雷电定位处理中心站是整个系统的神经中枢，装有中心数据处理软件。中心数据处理 3 软件是用v c + + 6 0 ，在w i n d o w sn t 操作系统基础上开发出的大型应用软件。实现五大功能： 实时雷电数据接收及和探测仪的通讯控制，数据排序、分析、定位计算处理与存储管理， 存档数据的回放与查询，雷电数据的统计与分析，整体定位网的系统设计和性能评估。分 为八个子窗口：系统参数设置、实时定位计算、回放数据、系统设计、探测数据统计、雷 电参量统计：系统运行统计、重新定位处理。 1 3 3g i s 平台 系统采用t a t u k g i sd e v e l o p e rk e r n e l ( d k ) 作为开发工具包。t a t u k g i s 是一个功能 强大的面向对象的独立的g i s 开发工具包，与其他g i s 产品和g i s 平台相比，具有不依赖 于特定的g i s 平台、运行速度快、与主流开发工具集成性好等特点。它提供两种版本： b o r l a n dd e l p h i c + + b u i l d e rv c l 和与v i r s u a lb a s i c ，v b n e t ，c # ，v i r s u a lc + + 集成 的a c t i v e x 。结合雷电业务系统的要求，选择了d e l p h iv c l 版本，利用它提供的2 3 0 0 多 个函数和属性，通过接入a r c m a p 的数据格式( s h p 、e 0 0 ) ，实现对地图的操作乜1 。在空间 数据处理中，包括数据插值，曲线圆滑等计算，都以代码实现了g i s 技术的相关算法，获 得需要的分析数据。 1 3 4 数据库服务器 为了适应日新月异的数据库技术，有相当多的软件工程师逐渐地从桌面数据库软件诸 如m i c r o s o f ta c c e s s 以及s q ls e r v e r ，转到使用m y s q l 。虽然严格说来m y s q l 并t s q ls e r v e r 的对手，但许多服务提供商都支持m y s q l ，并视之为便宜而有效率的替代品。m y s q l 的结 构体系易于定制，而且速度极快。其独特的多存储引擎结构为企业客户提供了广泛的灵活 性，赋予数据库管理系统以卓越的紧致性和稳定性，并且易于部署，同时具有无与匹敌的 速度。雷电业务系统最重要的一部分就是对于防雷检测信息的查询，快捷灵活的查询正是 m y s q l 的最大优势。 4 1 4 课题研究内容 基于g i s 的雷电业务系统，它以数据库技术为基础，实现了闪电资料查询、防雷检测 信息查询、雷灾信息显示以及雷达回波图和闪电密度图在电子地图上的叠加等，能够高效 地为防雷检测工作服务。 本文主要阐述闪电资料数据库的设计和实现，防雷检测信息查询和地址自动匹配和雷 灾信息显示的设计和实现以及闪电资料检索模块的设计和实现。 5 第二章雷电的相关理论基础 本章介绍雷电探测和地理信息系统的部分基本理论，主要介绍了雷电监测定位技术、 大气电场测量技术等。包括雷电发展的理论模型、雷电探测和预警设备及其探测和预警雷 电的工作原理、闪电监测定位方法。 2 1 雷电产生的物理模型 雷电监测定位技术和大气电场预警雷电的方法的提出都是基于雷电发展的物理模型。 下面介绍与雷电发展有关的两个物理模型，一是雷暴云的演变模型，二是闪电的放电过程 模型。 绝大部分闪电发生在积雨云( 雷暴云) 中，积雨云的发展大致经历了三个变化阶段： 初生阶段、成熟阶段和消散阶段。在积雨云的初生阶段，淡积云逐渐发展为浓积云，初生 阶段的主要特点是云体受有组织的上升气流控制，初生阶段的持续时间一般为1 0 - 1 5 分左 右。在积雨云的成熟阶段，浓积云发展为积雨云，成熟阶段的主要特点是云内除了存在有 组织的上升气流以外，同时还存在有组织的下沉气流，并出现降水和雷电等天气现象，成 熟阶段的持续时间一般为1 5 - 3 0 分左右。在积雨云的消散阶段，积雨云渐渐消亡，消散阶 段的主要特点是云体受有组织的下沉气流控制。此时，降水逐渐减弱，云中下沉气流的区 域不断扩大。积雨云的消散阶段一般为3 0 分钟左右。从雷暴过程的角度来看，积雨云的三 个变化阶段只是一个雷暴单体的发展过程。实际上一次雷暴过程可由多个雷暴单体组成， 而且各个雷暴单体往往处于不同的发展阶段，整个雷暴过程的持续时间可为几个小时口3 。 在雷暴云的演变过程中，由于雷暴云中降水粒子之间的相互作用，随着雷暴云的发展， 雷暴云中会形成不同极性的电荷区。雷暴云起电的根本原因是雷暴云中存在强大的垂直运 动的气流，同时有丰富的降水。雷暴云电荷形成电分布是一个动态的过程，包括云中正负 电荷的形成过程以及云中正负电荷分离形成不同极性电荷区的过程，主要发生在雷暴云的 初生阶段和成熟阶段。雷暴云电荷形成电分布开始时，云迅速地向垂直和水平方向发展。 在水平方向雷暴云的长度在几公里至几十公里之间，云的厚度在几公里至十几公里之间。 大气电场发展典型的情况是电场强度随时间按指数增加，大约几分钟增大一倍。雷暴云中 6 的电荷不断积累，当达到一定数值，它所建立的大气电场强度超过空气的击穿电场强度值 时，就会发生闪电。 闪电是不同符号电荷中心之间的强放电过程。研究人员通过闪电的高速摄影，以及闪 电的大气电场和大气电场快速变化的观测，已经确定了闪电的放电过程。下面以负下行云 地闪电为例介绍闪电的放电过程。负下行云地闪电的基本放电过程包括雷暴云电荷形成电 分布、初始击穿、梯级先导、连接过程、第一回击、直窜先导、第二回击等过程。 观测表明，晴天大气中始终存在着方向垂直向下的大气电场。这表明大气带正电荷， 大地带负电荷。在典型的情况下，雷暴云中不同极性电荷区形成的标志是云上和云下的大 气电场由向下的晴天大气电场方向变成相反的方向，这表明雷暴云已大致形成了垂直双极 性电荷分布，在雷暴云的上部为正电荷区，下部为负电荷区。 由于在雷暴云的底部存在一个负电荷中心，雷暴云与地面这个大导体形成一个近似的 巨大平板电容，这个电容之间的电场垂直地面。当负电荷中心附近局部地区的大气电场达 到1 0 4 v c m - 1 左右时，大气就会被击穿而形成流光，这称为初始击穿过程。这时有一条较暗 的光柱像梯级一样逐级伸向地面，这称为梯式先导。当梯式先导到达地面附近，距离地面 大约5 5 0 米时，近地面会形成很强的大气电场，同时从地面产生流光向上发展并且与梯式 先导会合，这个过程称为连接过程。上述两种流光会合后形成了一股明亮的光柱，光柱立 刻沿着梯式先导形成的电离通道由地面高速驰向云中，这就是回击。由梯式先导和回击组 成的放电过程称为第一闪击。紧接着第一闪击之后，几十毫秒的时间间隔，形成第二闪击。 这时又有一道流光沿着第一闪击的路径由云中电荷中心直达地面，这是直窜先导。当直窜 先导到达地面附近时，从地面产生的向上发展的流光又与其连接，随即产生向上回击。由 直窜先导到回击这一完整的放电过程成为第二闪击。由一次闪击构成的地闪称为单击闪地 闪，由多次闪击构成的地闪称为多闪击地闪h 5 1 。 闪电放电过程中致灾的最重要的过程是回击过程，因为雷电危害主要是由回击引起的。 回击的特点是电流大、时间短和辐射电磁场强。为了监测回击放电参数，产生了雷电监测 定位技术，它是利用闪屯回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数的技术。 例如，二十世纪九十年代，美国n a s a 相继发射卫星探测器光学瞬态探测器( 0 t d ) 和闪电 7 成像传感器( l i s ) ，利用光学探测雷电。高精度雷电探测仪通过实时接收闪电的电磁辐射 脉冲，结合g p s 定位技术确定闪电回击时间、位置、极性、强度、波形等放电参量。 2 2 雷电探测方法及设备 探测大气雷电过程、介析雷电机制是现代防雷技术的基础，雷电机理的研究是建立在 实验及外场探测的基础上。对雷电的早期研究始于十七世纪的欧美，并作为一门科学逐渐 发展起来。美国著名科学家富兰克林在1 7 5 2 年前后首次通过实验证实了天电和地电的同一 性，把雷电和普通电统一起来，为雷电科学的发展奠定了基础。十九世纪末二十世纪初大 气电学的发展为定量研究雷电提供了条件。二十世纪初期，电力和通信等部门的发展受到 了雷电灾害的影响，雷电防护引起人们的重视。二十世纪五十年代后，受第二次世界大战 的影响，出现了雷达技术和航空航天技术，为雷电科学提供了多种现代化的测量技术。二 十世纪七十年代以来，随着尖端科技的发展，航天等部门的高科技设备常常受到雷击，造 成巨大损失，这促使雷电的监测和预报取得了很大的发展。 雷电探测技术是雷电科学的重要研究领域。雷电探测的主要内容有测量大气电场、闪 电时间、闪电位置、闪电电流、回击峰值电流、闪电计数和地面电流。 当前国内外主要雷电探n 预警设备有：高精度雷电探测仪、气象卫星、多普勒天气雷 达、地面电场仪、空中电场探测仪。 2 2 1 高精度雷电探测仪 地闪和云闪均可产生电磁辐射脉冲，地闪主要产生甚低频电磁辐射脉冲，云闪主要产 生甚高频屯磁辐射脉冲。雷电探测仪通过实时接收闪电的电磁辐射脉冲，结合g p s 定位技 术确定闪电回击时间、位置、极性i 强度、陡度、波形、放电量及辐射功率。闪电监测定 位技术的核心问题是如何鉴别闪电脉冲波形形成的电磁波信号，以及寻找波形在传输过程 中的变化。通过地闪的移动趋势，可以明显地看出雷暴云的移动方向和速度，因此可以预 报防护区内雷暴的发生。 为了提高探测效率、扩大探测范围，常常由高精度雷电探测仪组网形成高精度雷电监 测系统，采用多站定位算法计算。根据雷电探测仪接收电磁波的频谱范围的不同，可以把 8 目前的多站定位算法归为两大类：针对甚低频的多站定位有测向法，时差法，时差测向混 合法；针对甚高频的多站定位有干涉法等。 中国科学院空间中心研制的a d t d 高精度雷电探测仪、美国g a i 公司研制的i m p a c t 探 测仪的磁场天线都使用正交环磁场天线，监测闪电回击产生的甚低频电磁辐射脉冲，来计 算闪电发生的位置。 测向法，又称为磁定向法，源于无线电测向技术。当发生闪电回击时，向空间辐射很 强的电磁波，采用南北、东西方向正交放置的两个环形磁场天线分别探测同击电磁场信号 在两个方向上的分量，可以根据这两个分量可以计算出闪电方位角。中心站根据两个探测 仪测得的闪电方位角进行方向交汇定位处理，计算出闪电的位置、强度等参数。由于闪电 探测仪的南北、东西方向的天线不能做到严格垂直，以及在传播时电磁波发生折射，所以 测向法的误差较大。 时差法的定位原理是：每个雷电探测仪探测每次闪电回击辐射的电磁波到达各探测仪 的绝对时间，这样，每两个探测仪之间有一条时差双曲线，多个探测仪会形成多条时差双 曲线，这些双曲线的交点就是闪电回击发生的位置。 时差测向混合法。结合测向法和时差法就形成了时差测向混合法。其定位原理是：每 个雷电探测仪既探测回击发生的方位角，又探测回击辐射的电磁波到达探测站的时间。若 有两个探测仪接收到电磁波信号，采用一条时差双曲线和两个方位角的混合算法计算回击 位置；若有三个探测仪接收到电磁波，在非双解区域，采用时差法，在双解区域，先采用 时差法得出双解，然后利用测向法去除假解；若有四个或四个以上探测仪接收到数据时， 先取三个探测仪的数据用三站算法进行定位，然后根据最小二乘法，利用其它探测仪的数 据校正误差，从而提高三站探测的定位精度。 法国d i m e n s i o n s 公司生产的雷电探测仪利用v h f 干涉测量技术测向法，再用交汇法( 由 两个以上测站同时观测得到的方位角) 确定闪电所在平面和空间位置。它的天线系统包括 v h f 干涉仪天线、l f 传感仪天线、g p s 天线，天线组共有8 根天线单元，严格均匀分布在 一个圆环上，保持各个天线单元相距4 5 度的相位差。利用这个相位差可以得到闪电发生地 点与干涉仪天线阵之间的角度数据。在收到子站测得的闪电角度数据后，主站的中心处理 9 系统利用三角测量定位技术就可以确定雷电发生的位置。 2 2 2 气象卫星 利用闪电的光学特征，使用星载高分辨率扫描仪可以从空间观测闪电辐射的可见光和 红外线，能够探测大范围区域内闪电发生的时间、词电辐射的电磁波。除了使用光学观测 设备，卫星也结合v h f 接收机或雷电探测仪来观测闪电。采用v h f 接收机可以接收闪电辐 射的强电磁脉冲，光学观测设备和v h f 接收机相结合可以大大提高从卫星上识别闪电的能 力。采用星载v h f 雷电探测仪可以实时探测云闪和地闪的发生时间、位置、强度。二十世 纪九十年代，美国n a s a 相继发射卫星探测器光学瞬态探测器( o t d ) 和闪电成像传感器 ( l i s ) ，利用光学探测闪电活动。 气象卫星监测是对大范围雷电现象进行监测的有效手段，特别是对大范围荒漠、高原 和海洋等无人区的监测。气象卫星监测技术不仅可以获得全球和局地闪电的时空分布特征， 为雷电研究提供了重要的观测资料，同时在监测灾害性天气、研究闪电活动的气候规律等 方面发挥了重要作用。由于闪电电磁辐射与核爆炸辐射非常相似，星载闪电探测在国防上 也具有潜在的应用价值。和地基雷电探测仪网相比它不受场地环境的影响。但是卫星将探 测数据传输到卫星控制中心和小型数据接收站的传输过程中，遥感信号会受到其路径内大 气层的干扰，产生一些误差阳1 。 2 2 3 多普勒天气雷达 多普勒天气雷达的理论基础是电磁波的多普勒效应。研究人员做了许多寻找雷达回波 特征与闪电活动关系的工作，发现雷达回波特征与闪电活动是相关的。 随着闪电与雷达距离的增大，雷达的空间分辨率会下降；另外，雷达特征和扫描技术 会影响闪电数据的分辨率。由于目前仅仅使用雷达资料无法区分出阵雨和雷暴，因此可结 合地闪探测数据，确定雷达回波是否为雷暴。结合雷达数据和地闪数据分析表明，存在当 回波强度和温度高度超过阈值，却没有发生地闪 1 ，因此仅利用雷达资料预报雷电可能发 出误报。结合雷达探测资料和雷电监测网资料进行研究，对雷暴的监测和灾害性天气的预 报发挥了重要的作用，但雷达预报的准确率和时效性等还需要进一步加强。 l o 2 2 4 地面电场仪 地面电场仪是用来测量地面大气电场的设备。大气电场是大气电学中的基本参量，可 用于研究晴天大气电学、雷暴过程和闪电过程。通过探测地面大气电场值及其变化情况， 可以知道雷暴当前所处的阶段，推断雷暴云的电荷结构，并对雷暴活动的发展趋势和发生 雷击等灾害性天气的可能性进行预警，长期应用于雷电监测和预警。 地面电场仪是利用置于电场中的导体上产生感应电荷的原理来测量电场的饽1 。导体表 面的感应电荷密度仃为 仃= s 肛( 式2 1 ) 其中为空气中的介电常数，一般近似取真空介电常数s o ，k 是由于导体放入引起的电场 畸变系数。如果导体的表面积为s ，则导体上的感应电荷量g 为 q = a s = s k e s ( 式2 - 2 ) 若感应导体对地的电容量为c ，则产生的感应电压为 y ：旦：s k e s( 式2 - 3 ) cc 金属导体通过一个电阻接地就会有电流流过，当电场变化时，测出此电流的变化就可 以知道电场的变化。但在静电场中，电场基本不变或变化缓慢，根据动态感应原理，要测 量这种电场，必须使处在静电场中的导体产生变化的电荷，因此可以采用对一个导体的屏 蔽和去屏蔽装置的方法。常用的有场磨式电场仪，它的感应器是由定片( 感应片，又称定 子) 、动片( 接地屏蔽片，又称转子) 、直流电机、前置放大器和同步信号发生器等部分组 成。 地面电场仪易于安装，可以长时间连续探测地面电场，监测整个雷暴云的初生阶段、 成熟阶段和消散阶段，同时也包括闪电的放电过程。可作为地面电场的常规探测仪器及雷 电预警仪器。组成地面电场仪网后，可以扩大测量范围，提高测量精度。地面电场仪网把 探测的电场数据发送到计算机进行处理，从而实现对雷电防护区内潜在的闪电活动提前发 出预警。 2 2 5 空中电场仪 空中电场仪直接探测雷暴云中的电场或空中大气电场，对雷暴活动的发展趋势和发生 雷击等灾害性天气的可能性进行预警。 空中电场仪探测电场的原理也是导体在电场中产生感应电荷。空中电场测量方法主要 有两种：电晕探针法和电场磨法。空中电场仪主要有三种：电晕探针式电场仪、场磨式电 场仪和旋转场磨式电场仪，前两种只能探测大气电场的垂直分量，而旋转场磨式电场仪可 同时测量空中电场的垂直和水平分量。 利用空中电场仪探测必须利用某种形式的运载工具，最常用的有气球、飞机、火箭等。 但是要测量云中与空中电场是比较困难，原因如下：( 1 ) 电场仪会使测量点的电场发生畸 变，尤其是测量已接近击穿状态的云区，从而使测量失败；( 2 ) 把仪器准确的送到测量点 有一定的困难；( 3 ) 云中电荷放电有可能损坏电场仪。 少数空中电场仪采用存储盒记录数据，不能实时显示资料，多数空中电场仪系统都可 分为空中探测和地面两部分。空中探测部分由电场感应器、电路发射机和电源构成，地面 部分由接收天线和接收机、数据处理中心计算机组成吲。 2 3 闪电数据处理中的理论模型 雷电监测定位是指利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数 和确定落雷地点的位置与时间。按照雷电探测途径的不同，目前的雷电监测定位方法包括： 利用雷电辐射的次声进行雷电监测定位：利用闪电光的亮度、光谱成分测定回击放电参数； 利用雷电辐射的电磁波进行雷电监测定位( 电磁场法) 。目前，使用前两种方法的雷电监测 系统比较少，所以下面主要介绍第三种方法：电磁场法。 2 3 1 单站法雷电定位系统 单站法雷电定位系统是指利用一个探测站探测雷电的放电参量。接收闪电回击过程辐 射的电磁场甚低频段( 1 k h z 3 5 0 k h z ) 的雷电单站定位系统有：振幅法、频散法以及将二 者合起来的混合法。它们主要用来探测地闪以及近距离的少部分云闪。由于闪电回击辐射 的甚低频信号在地电离层波导中能传捅的很远，因此此类单站系统能探测几公里到几百甚 1 2 至上千公里的闪电。雷电方位角的测定主要靠南北方向、东西方向放置的正交环磁场天线、 垂直方向的电场天线组合测量。它的理论误差能在1 。以内，但由于路径上折射、探测站 周围场地环境的影响，实际测向误差往往能到十几度甚至能到二十几度。雷电距离的测定 主要靠振幅测量、频谱以及将二者合起来的混合法之一测量。由于闪电强度的离散度和传 播误差，以及电离层高度不一样、地表成份的差异等因素直接影响电波的传播特性，距离 测量的误差通常大于2 5 。 电磁场甚低频段的雷电单站定位系统的精度很低，为了加强对云闪进行探测，发展了 一种电磁场甚高频段( 3 0 k h z 一3 0 0 k h z ) 的雷电单站探测系统，雷电方位角的测量主要靠八 对a d c o c k 天线，误差通常能小于3 。雷电距离的测定主要靠统计平均闪电辐射的一系 列高频脉冲的幅度值，并根据距离和强度成反比的关系进行推测，一般情况下相对误差能 到3 0 左右。由于甚高频信号的直线辐射特点，该系统只能在1 5 0 公里范围内探测雷电。 综上所述，单站法雷电定位系统的缺点是：单个闪电定位误差较大、强度无法定出， 只能用于探测雷暴的方向、大致位置、频度；优点是：设备简单、价格低廉，非常经济实 用。所以，它一般应用于机场、海上船只等对雷暴预警精度要求不高的场所。 2 3 2 多站法雷电定位系统 为了克服雷电单站定位的缺点，人们想到用多个探测仪对雷电进行定位。多站法雷电 定位系统由多个探测站、中心数据处理站和通信网等组成，它的定位精度高、探测参量多， 但设备复杂。常见的甚低频雷电定位系统包括：1 ，磁方向闪电定位系统；2 ，时差闪电定 位系统；3 ，时差测向混合闪电定位系统。下面分别对它们的定位方法进行介绍。 2 3 2 1 磁方向闪电定位系统 磁方向闪电定位系统由两个和两个以上的磁方向闪电探测仪组成。它的探测原理是： 当闪电回击发生时，要向周围空间辐射很强的电磁波，分设在各地的磁方向闪电探测仪根 据接收到的闪电电磁信号，实时测出闪电到达各站的时间、方向、极性、强度、回击数等 多项闪电参数；采用通信线路实时将各站所测数据发往中心数据处理站进行方向交汇定位 1 3 处理，实时计算出闪电的位置、强度等。 在实际应用中，由于磁方向闪电探测仪的南北方向、东西方向的天线不可能做的严格 垂直、探测仪周围的场地误差、以及传播路径上电波的折射等因素的影响，测向误差往往 能到十几度，有时甚至能到二十几度，使得雷电定位系统的实际定位误差比较大，一般能 到十几公里、有时能到几十公里，甚至得不到结果。虽然，研究了不少场地误差处理方法， 对提高定位精度有一定的帮助，但不能从本质上解决问题。正因为如此，单纯的磁方向闪 电定位系统被彻底淘汰。 2 3 2 2 时差闪电定位系统 时差法闪电定位系统由三个和三个以上的闪电探测仪组成。它的探测原理是：每个闪 电探测仪主要探测每次闪电回击辐射的电磁波到达各探测站的绝对时间，如此，二站之间 得到一个时间差，构成一条双曲线，在双曲线上的任何一点都是可能的闪电回击位置，三 站中另外二站之间也有一个时间差，也可以构成另外一条双曲线，二条双曲线的交点，即 为闪电回击位置。 时差法雷电定位系统的特点是： 二站只能定一条双曲线，不能定位；三站在非双解区域可以得到唯一的定位结果； 在双解区域有二个定位结果，不可区分。因此，一个雷电定位网最好有四个和四个以上的 探测站探测数据，才可以保证探测结果是唯一的。 理论探测精度主要依赖各个探测站的时间测量、守时和同步精度，目前，广泛采用 全球卫星导航定位系统g p s 进行时间同步，能保证时间同步精度为1 0 刁秒，时间测量精度 能保证在1 0 。7 秒以内，守时精度采用高稳定性恒温品振，也能保证时间稳定度在1 0 7 秒以 内，因此从理论上讲，时差系统定位精度可以很高。 一般情况下，实际探测误差为几百米到2 。4 公里。这时由于各个探测站探测闪电回 击波形的特征点是峰点到达的时间，而回击波形峰点随传播路径、和距离的不同