雷电探测课件

1、第二章 电场仪的工作原理及其在雷电预警中的应用,1 电场探测仪 1.1 地面电场仪 1.2 空中电场仪 2 电场仪资料在雷电监测预警中的应用 2.1 反推电荷结构 2.2 揭示雷暴的起电程度 3 电场资料应用时的注意事项 3.1 安装环境 3.2 近地面电晕离子对雷暴地面电场的影响,1 电场探测仪,原理：,电场探测一般采用导体在电场中产生感应电荷的原理。,分类：,从测量的对象上可分为地面大气电场探测，空中电场探测及空间电场探测。,大气电场强度是大气电学的基本参数，在晴天电学、雷暴电学以及闪电的研究中，都有重要意义，在雷暴和闪电监测中具有重要作用。,1.1 地面电场仪(场磨式电场仪Electri

2、c Field Mill),地面电场仪可以测量地面大气电场的强度和极性，可对对流云的起电过程进行连续监测。 既可单独使用记录局地雷电情况，又可用于联网监测空中电结构。,(1) 感应器的组成,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 同步信号发生器等部分组成。,定片和动片是一圆板开六（四）等分的扇形面。 定片：感应电场信号，与机架绝缘。 动片：定片上方，由直流电机带动旋转，接地。 动片转动时定片在电场中交替地被屏蔽和暴露，产生感应的交变信号。 前置放大器：放大很微弱的信号。 小叶片：形状与定片相似，也由电机带动旋转，并通过光电开关的缺槽口使光电开关产生同步参考

3、脉冲，用于鉴别电场信号的极性。,定片感应的交变信号, 经前置放大器放大和光电开关产生的同步信号一起从感应器输出, 经长屏蔽电缆接到主机上。 主机把信号进一步放大, 相敏检波器在经过整形分相的同步脉冲作用下鉴别出交变电场信号的正负极性, 通过低通滤波器得到相应的直流信号输出。,(2) 感应原理,在静电场E中放置一块金属导体，导体表面就会产生感应电荷，感应面电荷密度为：,其中 为空气中的介电常数，一般取真空介电常数 ，K是由于导体放入引起的电场畸变系数，如果金属导体表面积为S，则导体上产生的感应电荷量 为：,当转子和定子的叶片完全重叠时，由于接地转子的屏蔽作用，电力线不能到达定子叶片上，感应电荷为

4、0；随着转子的转动，定子叶片逐渐露出，感应电荷逐渐增大。因此，定子上的电荷呈周期性变化： 可通过测量电流的大小进而推得电场的大小： 若感应导体的电容量为C，则产生的感应电压为：,电容：表征电容器容纳电荷的本领的物理量。把电容器的两极板间的电势差增加1伏所需的电量，叫做电容器的电容。,采用倒置结构使电场仪能在恶劣天气条件下工作,电场仪探头结构,实验区及电场仪位置,项目任务与考核目标,(3) 主要性能参数,2XDD-03/E型大气电场仪,雷暴电场与电荷结构,可以根据电场波形变化特征来反演雷暴电和结构,具有偶极结构雷暴云产生的电场,具有三极结构雷暴云产生的电场,根据电场波形变化特征来反推雷暴电荷结构

5、,根据电场波形变化特征来反推雷暴电荷结构,利用地面电场反推空间电场,通常雷暴可在地面产生几kV/m的电场，而在自然尖端如灌木、草丛等各种接地的突出尖端上的电场将比环境电场大几十乃至几百倍。 当环境地面电场超过一定的阈值，一般为几kV/m时，自然尖端上便发生电晕放电，从而向空间释放离子，形成厚达几百米的空间电荷屏蔽层并影响地面电场,地面和440 m，600 m高度上的雷暴电场测量结果,(4) 标定,电场仪的标定一直是人们所研究的课题。 一般，以库仑定律为基础，用电荷量为已知的带电体在已知的距离处产生的电场为一定来标定。 这种带电体可用一个球体、一条悬空导线。 用得最多且标定精度最佳的是：两平行导

6、电板构成的平板电容式电场标定装置。,改变两板间的电压改变电场值电场仪输出信号值改变得到不同电场值下所对应的电场仪输出信号大小的一条曲线-即标定曲线。 此外，感应器盖内装有一块与外壳绝缘的平板， 可对仪器进行简易标定。由于平板与定片间距离很近，只需加很低的电压便可标定，但板间距离小，产生畸变大，这种标定是较粗略的。,电场的标定应当在一个已知数值的均匀电场中进行，根据处于不同电位的两块相互平行、且有无限尺度的导电板之间存在均匀电场的原理，利用在两块相距为一定距离的平板电极间加上一已知的稳定电压，为一基本的电场标定装置，平板间电场可根据E=V/d算出。,大气中的静电场问题可归结为在给定电荷分布和边界

7、条件下求解泊松方程：,求解三维泊松方程时，考虑七点差分格式；采用超松弛迭代法计算差分方程组；边界采用诺依曼边界。,七点差分格式,(5) 测量结果的误差分析,1. 屏蔽距离 2. 楼顶的测量结果与地面的关系,模拟区域的俯视图,侧视图,建筑物截面积 W=4040m2 建筑物高度 h=0,20,50,100m,模拟选用的雷暴云电荷结构,选用一个二维对称的正偶极子结构，云底距地面高度为2km。,建筑物对邻近空间的静电场具有屏蔽作用,模拟得到孤立建筑物的屏蔽距离与高度的比值,由上表可以得出以下结论：, 当建筑物的长、宽不变时，孤立建筑物的屏蔽距离随建筑物高度的增加而不断增大，屏蔽距离约为高度的1-3倍；

8、 当雷暴云位于建筑物的正上方时，各向的屏蔽距离是相同的；当雷暴云不是位于建筑物正上方时，距雷暴云较近的一侧屏蔽距离大于较远的一侧,建筑物形状引起顶部电场值的异常,1）当建筑物的长、宽不变时，影响屋顶中心处垂直电场变化的主要因素是建筑物的高度，而与雷暴云的位置基本无关。 2）建筑物的高度越高，则其顶部的 垂直电场值增加越明显。通过拟合可以得出在此条件下建筑物高度与电场变化量的关系式：,建筑物对回击电场的影响,雷击概率预测,利用电场的随机击穿特性模拟,单体建筑物的雷击概率,建筑正上方200m处始发闪电模拟结果（100次，建筑尺寸10*10m）,组合建筑物的雷击概率,地表起伏对雷击概率的影响,4）采

9、用有限元等算法，采用变网格技术，进行人工引发雷电对空中飞行器雷击仿真研究；,采用有限元等算法，采用变网格技术，进行人工引发雷电对空中飞行器雷击仿真研究；,结论,随着建筑物高度的升高，其雷击概率和侧击概率也随之增加； 复杂单体建筑中主体建筑物的雷击概率随着附属建筑物高度的增加而减小； 处于闪电始发点正下方的建筑比远离闪电始发点的建筑更容易遭受雷击； 当建筑物处于高大山体周围时，其雷击概率要比位于平坦处小。,1.2 空中电场仪,空中电场的测量对研究雷暴云下及云内电结构以及起电机制具有重要意义。同时人工触发闪电、避雷防雷、航天技术等部门也需要进行空中电场的测量, 空中电场仪测量电场是很有前景的一种测

10、量手段, 目前国内尚属起步。 空中电场主要是将感应装置加载于探空气球、小火箭或飞机上进行空中电场廓线的测量，探空球方式操作简单，易于实现，但时效性差；火箭方式可以探测到短时内的电场空间分布。而空间电场的探测是将特殊的感应棒加载到空间探测卫星上进行的。 测量方法：电场磨法和电晕探针法。,电机带动上下动片同时旋转, 使上下定片通过感应窗口在电场中交替地被屏蔽和暴露, 各自感应出交变信号。同时动片在旋转时还通过光电开关管的槽口, 产生用于解调的同步信号。,空中电场仪设计成一个光滑圆柱体, 上下开感应窗口形成双电场仪, 在感应舱内装有上感应电极上定片、上动片、下感应电极下定片、下动片。,(2) 场磨式空中电场仪的技术指标,注意事项,空中电场仪是用气球携带的, 要求体积小、质量轻、耗电省。 另外仪器的引入会使自然电场产生畸变, 为了得到尽可能均匀的曲率以减小空间电荷的释放, 仪器表面要求光滑,尽量避免棱角或尖端。,反推电荷结构（空中电场仪）,一维高斯定理,16次探空得到的中尺度对流系统的电荷分布,GPS强电场电晕探空系统,探空仪实物图,探测量：电场垂直分量 温度、相对湿度、GPS,402