南信工雷电学原理讲义第9章 雷电监测原理和方法

第九章雷电监测原理和方法星闪电探测器、声探测器、雷达探测等。有关声探测和光谱仪已在第八章作了讲述。第一节闪电的照相观测方法转轴转轴透镜1胶片(a)透镜2(b)镜头1镜头2(c)国Larsen（1905）也进行了类似的闪别安装在一旋转圆盘的一条直径的两端，镱头随圆盘高速旋转。当观测闪电时，闪电成象于两镜头后面的静止底片上，由于圆盘快速旋转，两镜头各向相反的方向移动，由于镜头的高速移动，闪电光不是同PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep旋转胶片鼓旋转方向棱镜镜头胶片图6.2具有移动的胶片和固定的光学系统的BOYS相机移，在图中画直线q-S-p，然后将照用该相机成功地获取了大量地闪结构的照片。由于该相机雷雷暴云闪电通道1m=（f=50mm，d=4km）1024图象放大器增益=30倍350nm~950nm光纤窗一维CCD图象感应器(1024象点)驱动电路时钟=10MHz||128μs/scan8bit50Msamp/s.64字数字贮存记录器视频放大器26μm13μm物镜图6.3高速成线扫描照相机原理图器、一个探测器驱动器和一视频放大器。的辐射光到物镜后。图象感应器充足的曝并且选择光纤窗的图象器减小光的透射。PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep第二节大气电场和闪电电场的测量根据测量的大气电场可以对大气中的电状况有一个全面的地面静大气电场强度可以利用测量天线与大地之平板天线平板天线VV平板天线VEghEghVg=Eh线路相连的平板天线荷中心之间的杂散电容为Cc，天线与地之间的杂散电容为Cg，且Cg>>Cc，云电荷中心与gCcC+CgcC+CV=EhcgCcRPDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finepCcgc将（9.2）式代入（9.3）式，消去V就得cggc由（9.5）式可见，测得的电压正比于地算或测量确定。实际上，C>Cg，故C用来控制测量电压大小。R的作用是使则R对测量的影响即可忽略。根据与天线相联的测量电路的RC取值，把对大气电场率为几分之一毫秒。AACG电压跟随器R0R0RRCCG积分器A图6.5两种静电场测量天线系统平板上荷电量，由此与环境电场成比例。在上面图中，电子积分是通过积分电路实现的。在下面图中积分是通过天线底部处的电容到地进行的。图中CG是天线与地面之间的电是电览终端的电容,相对大电阻R是对于放电积分电容C,这样具有时间常数RC输出电压趋PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep双匹配双匹配(805)波形记录器绝对值放大器天线积分器天线积分器2μsec延迟线外部触发双线示波器双线示波器ba线上感应的电荷Q(t)与一电子线路相接，在图中无论CR1R1+12V 图6.7有效阻抗的电阻反馈网电子积分器出讯号，它应当比实际的时间变化RC应是毫秒量级，如果对整个闪使用电阻反馈网构成的阻抗器可以个有效阻抗的电阻反馈网电子积分(R1R2+R1R3+R2R3)/R3；如果R31根据测量要求,测量电场的感应器有平板型、球形和鞭状等，在地面主要测量大气电场如果与天线相联的RC等效电路如图6.8所示,图中Ca是具有有效高度h的天线电容,当dV⁄dt+V⁄RC=Cah⁄C·de⁄dt式中C=Ca+C0。如果电场强度的变化具有指数形式为式中是整个电场变化,是电场变化的指数衰减时间常数。取测量电路的时间常数t0=RC，则1Ec=.{(1-tr)[exp(atr-exp(a)]一1 RVi Vi }}式中tr是电场变化的时间常数与测量电路时间常数之比,为tr=,a=ln[tr/(1-tr)]Ca=2πε0εrLln(2L/r)1如果天线按底部安装在地面上还有一段距离，则有效高度取为天线中点离地面的高度。Er(t)=.[F(Q,t)di/dt+i2(t)/Q]（9.13c）确定i(t)值。对此必须将总电场变化的四个同时测量才能求出。管电场起始值的影响，时间变化近似为电流i(t)的变化。果。对于理想的垂直闪电通道，磁场是水平圆形的如果矩形天线框两垂直边长为h，水平间距为d，与传播方向成θ角，则输出电压差为V(t)=[F(Q,t).i(t)].hdcosθ式中乘积hd=A是矩形天线框的面积,如果N是线圈的圈数,则V(t)=[F(Q,t).i(t)V(t)=6[F(Q,V(t)=6[F(Q,t).i(t)]HF和VHF接收器模拟记录波形记录器触发器示波器波形记录器电场系统图6.9同步记录窄带和宽带讯号数据记录系统PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep马达控制电路马达信号处理电路、显示系统和雷暴警报器等四部分组成(见图马达控制电路马达动片雷暴警报器定片雷暴警报器接触电刷信号处理电路接触电刷记录器打印机时标电路图9.10地面大气电场由上、下两片相互平的、有片连接在一起的对称扇形金属片组成。下面的金属片用达驱动旋转，称为动片，并与地相联接，它既起屏蔽定定片便交替地暴露在大气电信号的大小与大气电场强度儿则完全屏蔽掉，有时只露出一小部分。如果定片有面积为ΔS暴露于大气中，在它上面出ΔQ=σΔS(9其中σ是定片上的面电荷密度。由于对金属导体表面的场强与电荷密度σ有关系电流信号，这一电流极微弱，它通过信号处理电路处理。2）信号处理电路，它将交变电信号进行放大等4）雷暴警报器，根据测量的电场的大小和变化，预测雷暴出现的可能的电场变化,它是由多叶的接地圆盘,位于固定的电极上旋转，这些固定电极以凸触式的圆PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep金属翼轮金属翼轮带凸触式的圆钉的绝缘环支架VR驱动带水银接地杯样当电场为正时，在显示波形的一边有指示，否则在另一边有指示。积雨云或其它云中大气电场分布和云中电平轴旋转的金属球体组成。在强大气电场地面接收系统由天线、接收机、数据处理系统和显示装置组测定范围测量精度-60~500C0C在气球放出后仪器离地，将电场计上方的卷线下放，无缠绕用于悬挂和为使电场计对于单金属刚性丝保持平衡。的铝制球，两球以相对的方式安装于玻璃纤维管上，两球之反方向的铝球包含有一锂电池组，为电路提供+12V和-9V电压。在玻璃纤维管的一端安装PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep处理过的单金属丝转环转动(0.125Hz)腊染尼龙丝1.8m泡沫聚苯乙稀菱形翼铝球玻璃纤维管轴承外壳自旋(2.5Hz)汞开关翼、马达和电池1.5m处理过的单金属丝转环转动(0.125Hz)腊染尼龙丝1.8m泡沫聚苯乙稀菱形翼铝球玻璃纤维管轴承外壳自旋(2.5Hz)汞开关翼、马达和电池1.5m44m1200-g橡胶球降落伞探空仪下放卷线20m转环丝处理过的单金属丝电场计侧视(a)地面接收天线(c)接收机数据处理系统显示记录PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep原始电压(数码值)原始电压(数码值)原始电压(数码值)原始电压(数码值)高度(kmMSL)360转动(=8s)62006100360旋转(=0.4s)确定E需要的时间630024002400电压V的正弦振幅和电场E增加的数值自旋360(0.4s)19501800E=15kV/m1500650E=25kV/m2100700750以20Hz取样数的原始数据电场计数据的另一个特征是可管一端泡沫聚苯乙稀菱形翼气器内侧的磁场感应器提供关于感应仅当电场计的球沿Eh方向给出了通过两个旋转仪器感应全部Eh的检测全部Eh的检测仅Ez的检测确定Eh需要的时间(=2s)19501800数据文件中的样品数(数据率=20Hz)8内部包络外部包络4Eh估算20-100-505060E(kVm)EhPDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep第三节闪电电流的监测原理和方法（1）闪电电流计为一有缝的铝轮组成，其外圆周上装有一些磁头，轮子旋转可使每一最大时间分辨率为50微秒，总的记录时间为20微秒。（2）磁涌浪波前沿记录器是一个用于测量闪电电流效上升率的仪器，记录器有三个电路，每个电路包含有一电阻与电感串联。磁头位置在三个1.8m一个电路的电阻、电感，就可计算闪电电流的等效上升率。电感中最终最大电流与电阻中流过的总电荷成正比。时间积分精度达10毫秒量级。用磁钢棒测量剩磁时要注意以下几点：2)磁钢棒与塔架磁心之间的最短距离应使几千安以下的电流无法检测出来。PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep3)流过地线与塔体的电流对磁钢棒的影响；4)运输过程中对磁钢棒剩磁的影响。利用磁钢棒只能记录多闪击电流的幅值，对于测量雷电流一般有以下三种方法:第一种方法:：通过测量精密分流电阻上的电压降，由此可算出闪电电流的大小,闪电电流，即6060米高绝缘天线塔触发器示波器选通脉冲磁钢棒有气隙铁心的脉冲变压器磁屏蔽和静电屏蔽照相机控制单元低阻接地接地交流发电机尖端放电电流测量绝缘杆由远处电源开动的隔离发动机照相机照相机200毫微秒延迟延迟触发器电流信号触发器示波器在测量闪电电流中，如果在电路中采用电容和电感器件，就会影响测量的时间分辨率，PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep如果回击波速度为v(t)，波阵面后的电流为i(z,,t)，z,是沿通道闪光的测量距离，则由v(t)dt来自z,=0到l(t,)和在波阵面l(t)处发出的辐射，对于(8.47)式右边第二项积分在(9.21)式式中结果，并称之“激励”场。“激励”场仅当波阵面处电流方程(9.23)的解为 μ0l(t)di(t)+i(t)=exp-(t-t)Bφ(t+r/c)dt变磁场的情况，对(9.24)式分部积分得到μ0H在观测距离某时刻通道高度的电流与感应场间的关系已在前面(8.34)式给定。t+dt(9.26)强度的大小相对于磁场强度的大小，即Ez/Bφ=c，所以也可以利用(射场计算回击电流。2）线传输模式(TRANSMISSIONLINEM在传输线模式中，电流取脉冲形式，写为PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep当利用(9.28)式对(9.21)式右边第二项积分，对于电流初始时间和t<t0(t)it+dtdt0(9.32)式表明，利用电磁辐射场的测量可计算电流。0一个面积为S，其面垂直于磁通量密度B的迥形天在电容上的输出电压为=dt=B(t)PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep最简单测磁场的感应器是一开口的环形导线，的来向与环形天线一面夹角的余弦，对于磁定向采用两个正交的环形天线，图6.14显示了9393Ω同轴终端电缆天线+15V300CI5.6M②470-15V+15V300-15VB-B3400B④5.6M20K②CI.1470微分积分器60Hz滤波器(可选择)输出③第五节雷电的计数和定位只需用一根垂直天线，经距离校正后就能测量给定地区单位能较准确观测云闪和地闪对它的响应。如Yg是地闪数与计数器记录的总闪电数距离分别为Rg、Rc，相应的地闪和云闪闪电密度分别为NgPDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep云闪、地闪鉴别器信号实时处理触发控制器高速采样器接收机主放检测信号发生器天线闪的方位、距离、强度和极性。仪器的原理方框图如图6.18所示，小型化偶极子电场天线滤波器和线性放大器组成，磁场通道另加有积分器电路，通带宽为500~3.50×105Hz，增益信号，拒绝云闪信号及非闪电干扰。90900闪电信号方向图环形天线2700θ频段几个频率的闪电电磁波相位差与距离的关系测距。对于140地波和一次天波到达时间差方法系统终端给出地闪的方位、距离、强度和极性等数字打印和彩色图象显示结果，也可以存盘保存。由单个点观测只能确定闪则必须由多个测站完成。PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep90900闪电方向环形天线04527001800θ触发器输出方波触发电平触发电平单稳态输出的窄方波来的有效电动势的振幅与其电场强度之比称有效位势。环形天线的有效位势写为H=cosθ环形天线，它们所感应的电动势应当相等。并分别经两路位相同的两闪电信号。两路放大器各与一个触发电平相等的触输出端得到一个方形波（图6.21并且此方形波的前沿时间相单稳态电路，于是在两路单稳态电路的输出端得到时间一致的较窄方PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep两路单稳态电路与一“与”门电路相接，当在同一时间里路都有信号时，“与”门电路才有信号输出。因此，当两且位相也相同时，“与”门电路就有一个信号输出。此信环环形天线放大环形天线“与”放大门垂直天线放大触发单稳触发单稳计数器推动触发单稳单稳垂直天线，如它接收到的信号与其它两路信号相同者，为45度方向来的，计2250角度方向的信号与两路信号位相相反，计数器就不能工作。利用两个或多个测站确定雷暴位置的方法。在单个测站上利用由两个相同的垂直的环形讯号到达时间(TOA)定位法3）磁定向(MDF)和讯号到达时间(TOA)综合法。使第一回击电磁波通过，而拒绝云闪电磁波。2、时间到达(TOA)定位法PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep伏/米实际位置最佳位置伏/米实际位置最佳位置2020(a)0R(c)04080120160200Rμsec图6.25三个磁场测量网成对相交测站可得到一组可能满足测量时间差的双曲线位置，一般某些情况下，如图6.26b三个得到二个交点，因此的位置为各个圆的交点。如果探测站点多于三个，圆相交法可得一最佳位置。S1闪击位置S1S1闪击位置S2S3S2S3S2闪击位置虚假闪击位置(a)图6.26闪电波到达测站的时间确定闪电位置PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep+θ1S2S1θ2（3）磁定向(MDF)和讯号到达时间+θ1S2S1θ2S2S3S1S4闪击位置三个参数：纬度、经度和闪击时间。因此综合在精度和探测的概率要优于单独一种方法。探测的位置精度小于500米。第六节美国国家闪电监测网大气研究中心制造的闪电时间到达网。如图6.29地基感应器通过两种方式卫星系统②-③将闪电①资料输送到在Tucson，Arizona的监测网控制中心（NCC）④,在NCC处理来自遥感器的数据，提供每次闪电放电手中，所有这些发生于闪电放电的30~40s辨率闪电和闪击数据通过另外的通讯线路传送。实时获取的数据在数天内再处理。定标误差包括系统MDF位置误差和辐射场峰值的振幅有在获取大量闪电数据后进行。PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep1、NLDN探测站网与TOA相组合信息法(IMPACT)，这一方法的信息来自于MDF感应器、TOA探测器和IMPACT探测器，测量闪电脉冲波到达时间的灵敏度和判据。改进前，事先确定IMPACT探测器相对于NPDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep探测距离。NRDE定义为通过探测站检测到误差函数称为归一化假想的正方。闪击位置的最佳估算是通在误差梯方向迭代求取时间，对每一个探测站在误差函数的附加项中增加精确的定时信假想方值的相对作用的确定是由用标准偏差表示的个别测量误差（MDF和TOA）资料的组合。如图6.31VQ02T定闪击的位置的例子报告有3次和2次闪击报告有5次闪击2.5如何解决站在类似的方位检测同时刻的闪电，由此可检测多重PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep辐射能(μJm-2sr-1nm-1)816.7Ol848.2Nl(21)辐射能(μJm-2sr-1nm-1)816.7Ol848.2Nl(21)858.3H-715.7Ol(38)-744.2Nl(3)-777.4Ol(1)734.7Ol(36)822.3Nl(3)-844.7Ol(4)-886.2Nl(1)卫星为进行大范围探测闪电提供了理想平台供全天时的雷暴云系。86420650700750800850900波长(纳米)强，777.4nm的带宽为1nm，辐射能量约为6.5μJm-2sr-1；868.3nm辐射能量约为4.7μJm-2sr-1。PDF文件使用"pdfFactoryPro"试用版本创建www.finep辨率可见光扫描仪在轨道的夜间部分具有探测闪电的功能。为此1.8赫的频率将来自扫描区的光反射进入探测器，构成图片的扫描线是依靠卫星在轨道上的卫星运动方向轨道平面赤道平面98.701.01.00.50.9700.40.51.2波长(μm)卫星运动方向卫星运动方向星下点轨迹面地间扫描地球，