闪电电场变化测量仪研究_周璧华
一种数字化闪电电场变化信号测量系统及其测量方法
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地闪雷电电磁脉冲在大地中的分布研究
物
理
学
报
ACTA PHYSICA SINICA
Vol. 59 ， No. 12 ， December ， 2010 2010 Chin. Phys. Soc.
地闪雷电电磁脉冲在大地中的分布研究
为 了 研 究 LEMP 场 在 大 地 中 的 分 布 规 律， 首先
3. 1. 方法验证 在将 FDTD 法与 Cooray 近似法进行对比的计算
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59 卷
中， 雷电通道基电流峰值 I 0 设为 15 kA ， 运用双指数 通道基电流表达式为 脉冲进行模拟， I = 1. 1 × I 0［ exp （ － 9. 2 × 10 t ） － exp （ － 0. 5 × 10 7 t ） ］ ， 大地电导率 σ g = 0. 001 S / m ， 大地相对电容率 ε rg = 10. 对比了 距 雷 电 通 道 100 m 、 地 面 以 下 1 和 10 m 处， 由 FDTD 法和 Cooray 近 似 法 计 算 得 到 的 水 平 电 结果如图 2 所 示 . 由 图 2 可 以 看 出， 两种 场分量 E r ， 完全不同的方法计 算 结 果 非 常 接 近， 说明了这两种 方法在计算大地中 LEMP 的有效性 .
并对地面以上 LEMP 场 的 分 布 规 律 进 行 了 研 究 . 由
12 期
杨
波等： 地闪雷电电磁脉冲在大地中的分布研究
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于 FDTD 法在整个 计 算 域 内 求 解 麦 克 斯 韦 方 程 组， LEMP 的计算不 受 雷 电 通 道 距 离 的 限 制， 可以计算 距离雷电通道 10 m 以内的场分布， 而离雷电通道越 LEMP 破坏作用也越 大， 近， 因 此 FDTD 法 是 研 究 雷 电 通 道 附 近 LEMP 场 分 布 的 有 力 工 具 . FDTD 法除了可以非常方 便 地 计 算 LEMP 外， 还可以不需 屏蔽室等设 要任何耦合模 型 即 可 对 LEMP 在 线 缆 、 备上 的 耦 合 问 题 进 行 计 算 . 本 文 采 用 FDTD 法 对 LEMP 在 地 下 的 分 布 规 律 进 行 研 究， 为下一步 利用 FDTD 法 进 行 地 下 设 施 雷 电 防 护 的 研 究 提 供 基础 .
雷电流测量用大型Rogowski线圈输出波形振荡现象分析
雷电流测量用大型Rogowski线圈输出波形振荡现象分析周璧华;朱凯鄂;李炎新;郭建明【摘要】针对大型Rogowski线圈输出波形的振荡现象,在讨论自积分Rogowski 线圈工作原理的基础上,建立模型分析了Rogowski线圈的频率响应特性以及振荡产生的主要原因.分析结果表明:线圈的屏蔽层与线圈间、线圈匝间存在的分布电容导致了输出波形的振荡.实验证实,减小该分布电容可使振荡明显变小,从而为改进柔性大型Rogowski线圈的屏蔽设计提供了依据.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2010(025)006【总页数】5页(P1085-1089)【关键词】Rogowski线圈;自积分;分布电容;振荡【作者】周璧华;朱凯鄂;李炎新;郭建明【作者单位】解放军理工大学工程兵工程学院,江苏,南京,210007;解放军理工大学工程兵工程学院,江苏,南京,210007;解放军理工大学工程兵工程学院,江苏,南京,210007;解放军理工大学工程兵工程学院,江苏,南京,210007【正文语种】中文【中图分类】TM8351.引言Rogowski线圈广泛应用于脉冲大电流的测量中[1-2,4],当选择Rogowski线圈测量柱状高塔自然雷电流时域波形时,其内径必须足够大,文献[3]通过增加线圈匝数获得高电感,实现了测量结果的自积分,去除了外加积分器带来的麻烦,同时可避免磁芯引入的非线性、磁饱和问题,从而为采用Rogowski线圈测量柱状高塔自然雷电流找到了一种较好的手段。
本研究为防止外界杂散电磁场对其测量结果的干扰,在该线圈的外面贴了一层铜箔作为屏蔽层。
可实验中发现,由于此屏蔽层的加入,使其输出的电流波形叠加了高频振荡,如图1所示,而同轴分流器测量到的波形如图2所示。
为此,对Rogowski线圈的频率响应及其影响因素进行了分析,考虑到铜箔与线圈之间的分布电容可能是引起附加振荡的主要因素,为此建立等效电路模型,对该分布电容导致Rogowski线圈输出波形出现振荡的现象进行了分析,得出的结论证实了这一判断,为下一步Rogowski线圈屏蔽设计的改进提供了依据。
飞机闪电间接效应数值仿真分析
飞机闪电间接效应数值仿真分析郭飞;周璧华;高成【摘要】为进一步提高飞机对雷电间接效应的防护能力，依据SAE—ARP5412和5416等相关标准的规定，利用基于传输线矩阵法的数值仿真技术，对某小型客机进行了大电流脉冲注入测试方法的建模仿真。
分析了闪电以不同路径击中飞机时机身表面电流密度、舱室内外的瞬变电磁场分布以及内部电缆的耦合情况。
仿真和计算分析表明，该方法可有效模拟闪电击中飞机时的闪电间接效应，给出闪电电磁脉冲（LEMP）经机身孔洞缝隙耦合而在舱体内形成的场分布特征和线缆耦合规律，为进一步研究飞机对闪电间接效应的防护提供了基础。
%The numerical modeling of the aircraft struck by high current pulse is studied based on transmission line matrix(TLM) to improve the protection performance ofthe aircraft against lightning indirect effects according to SAEARP5412 and 5416 relevant standards. Moreover, the fuselage surface current density, the transient electromagnetic field distribution inside and outside aircraft, the induced current in the onboard cable produced by the lightning stroke in different paths are discussed. Simulation results show that the method can effectively predict the lightning indirect effects of themetallic/composite aircraft, and then lighting electromagnetic pulse(LEMP) coupling mechanism of the aircraft, EM field distribution characteristicsand cable coupling rules are analyzed. The numerical methods can be used for advanced research on the protection of the lightning indirect effects and related studies.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2012(027)006【总页数】8页(P1129-1135,1264)【关键词】传输线矩阵法;闪电间接效应;数值仿真;线缆耦合【作者】郭飞;周璧华;高成【作者单位】解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】V242.1引言全球发生的闪电平均每天约800万次，每秒钟即百余次，其中2%的闪电电流幅值高达200kA以上。
雷电电磁脉冲三维磁场测量系统初探
雷电电磁脉冲三维磁场测量系统初探李皖;周璧华;马洪亮;刘培山;丁雅菲;徐云【摘要】为了接收雷电放电通道电流产生的磁场分量,搭建了二维和三维雷电电磁脉冲磁场测量系统,系统主要由磁场信号测量装置和磁场信号传输系统等构成.磁场信号测量装置由内外导体双层结构且面积相同的正交正方形环天线组成,经仿真确定了环天线的实际参数.磁场信号传输系统分为光纤传输系统和屏蔽电缆传输系统,对应基于光隔离技术的和不采用光电转换的两套信号处理电路.经实验检验,各系统运行良好,为判定雷击点和雷电流波形反演等提供了手段.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)002【总页数】6页(P267-271,396)【关键词】雷电电磁脉冲;三维磁场;二维磁场;环天线【作者】李皖;周璧华;马洪亮;刘培山;丁雅菲;徐云【作者单位】解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与光电工程国家级重点实验室,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TN011引言磁定向定位法是实现地闪雷击点定位的常用方法[1]. 由于地闪放电通道可近似看作垂直于地面的电偶极子，通过测量电流产生的磁场可判定放电通道的方向[2]. 基于此,采用磁定向定位法的探测站一般配有一副环面与地面垂直的正交环天线，两个或两个以上相距较远的探测站通过测量雷电电磁脉冲(Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP)磁场信号可确定雷击点的位置.但自然界的闪电能够击中地面的地闪不到三分之一，三分之二以上的是发生在雷暴云内、云间以及云与空气中的云闪[1]. 即便是地闪，整个放电通道也非完全与地面垂直[3]，仅通过二维磁场测量获得的信息尚不能完全描述闪电通道的位置.为此，设计研制了三维磁场测量系统，用面积相同且相互正交的正方形环天线同步接收雷电电磁脉冲磁场分量，以期全面测量包括云闪在内的来自任意方向闪电放电通道电流产生的磁场.为了与三维磁场测量结果形成对比，同时研制了二维磁场测量系统.磁场测量系统由前置磁场信号测量装置，磁场信号传输系统及后置磁场信号采集、显示和记录设备等几部分组成. 经实验检验，各系统运行良好，达到了预期效果.1 磁场信号测量装置设计研制首先，设计了两类磁场环天线，均采用内外导体双层结构. 1)采用钢管作为外护套兼支架，内置线径1 mm的硬导线，导线两端通过阻抗匹配电阻(50 Ω)电阻相连，称I型环天线，如图1(a)所示.2)采用聚氯乙烯(polyvinyl chloride，PVC)管作为外护套兼支架，内置同轴电缆，电缆内外导体间接50 Ω匹配电阻，称Ⅱ型环天线，如图1(b)所示. 两种环天线都绕制成正方形. 为了利用外导体的屏蔽作用降低测点周围电场对测试结果的影响，同时避免外导体形成环路影响内导体对磁场信号的接收，I型环天线在拐角处使用了PVC二通接头，II型环天线在电缆芯线和外导体之间开有1 cm宽的间隙[4].(a) Ⅰ型环天线结构(b)Ⅱ型环天线结构图1 磁场环天线结构图环天线等效电路如图2所示，e(jω)为感应电动势，U(jω)为输出电压，Ri为内阻可以忽略，L为电感[5]，R1和R2为50 Ω匹配电阻.图2 磁场环天线等效电路图设环天线面积为S，匝数为N，穿过环天线的法向磁通密度为B(jω)，系统传递函数及低频截止频率表达式为(1)(2)式中:RL=R1+R2=100 Ω.由公式(1)和(2)可知，环天线的灵敏度及测量带宽与电感L有关，而 L为匝数N和面积S的函数. 因此，为了确定环天线的实际参数，归根到底是要弄清N和S对线圈响应的影响，通过仿真放置在被测磁场中的环天线输出[6]可以实现这一目的.为了与实验结果对照，所选的磁场源时域特性与实验室雷电磁场模拟器产生的脉冲磁场一致，表达式为B(t)= pB0 (e-m t - e-n t )，(3)式中: m=2.0×103s-1；n=1.0×106s-1； p=1.3； B0=200 mT.归一化波形如图3所示.图3 模拟磁场源归一化波形放置环天线使其轴向与磁感应强度方向重合，磁通量完全穿过被测线圈. 对面积S 为0.64 m2和2.56 m2，匝数N从1到3的环天线响应情况做了仿真，波形以图4示意.(a) 环天线响应波形对比源磁场波形(b) S=0.64 m2且N从1到3时的环天线幅频响应(c) N=1且S=0.64 m2和2.56 m2时的环天线幅频响应图4 磁场环天线响应波形由仿真结果可得[6-7]：1) 当线圈面积相同而匝数不同时，随着匝数的增加，环天线低频截止频率减小，通频带变宽. 通频带增益变小，灵敏度降低.2) 当线圈匝数相同而面积不同时，随着面积的增大，环天线低频截止频率减小，通频带变宽. 通频带增益变大，灵敏度提高.3) 环天线响应输出存在低频失真现象。
DNDY地面电场仪的研制及电场数据融合闪电数据进行雷电监测预警的研究中期报告
DNDY地面电场仪的研制及电场数据融合闪电数据进行雷电监测预警的研究中期报告
DNDY地面电场仪是一种用于监测和分析地面电场的仪器。
本研究旨在研制一种高精度、高可靠性的DNDY地面电场仪，并结合闪电数据进行雷电监测预警。
在前期研究中，我们设计了DNDY地面电场仪的硬件电路，并进行了部分实验验证。
在中期研究中，我们重点进行了以下工作：
1. 完成DNDY地面电场仪的软件设计与编写。
我们设计了一套完整的软件系统，包括数据采集、数据处理、数据存储和数据展示等模块。
其中，数据采集模块采用高速ADC芯片，并使用FPGA进行数据处理和存储，保证了数据的高精度和可靠性。
数据展示模块采用了图像化的方式，可以直观地展示电场强度的变化趋势。
2. 进行了实验验证，评估仪器性能。
我们选择了多个不同场地进行了实验，通过对比实验结果和其它雷电监测仪器的数据，评估了DNDY地面电场仪的性能。
实验结果表明，DNDY地面电场仪具有高精度和高灵敏度的优点，并且在不同场地具有较好的适应性。
3. 开展数据融合研究。
我们利用已有的闪电监测数据，结合DNDY地面电场仪采集到的电场数据，进行了数据融合研究。
通过对比不同融合方法的效果，确定了最优的数据融合方案，并开展了相关的数据处理和分析工作。
实验结果表明，该方案能够有效地提高雷电监测的精度和可靠性。
总之，本研究在DNDY地面电场仪的硬件电路设计和软件编写方面取得了较大进展，并对数据融合方案进行了初步研究。
在后续工作中，
我们将进一步完善与优化DNDY地面电场仪的性能，提高雷电监测预警的准确性和时效性。
新型闪电电场变化测量系统设计
新型闪电电场变化测量系统设计
宁增琨;行鸿彦
【期刊名称】《中国测试》
【年(卷),期】2015(041)003
【摘要】为改善传统闪电电场测量设备抗干扰性差、参考时间精度低的缺点,提出一种采用板卡式结构的新型闪电电场测量系统.将板卡结构置于天线内部,实现电场的感知和采集的高度集成,使用数字量传输采集信号提高抗干扰性,利用GPS授时和FPGA计数记录闪电的精确时间.实测结果表明:该系统可以有效测量频率高达5 MHz的大气电场的快速变化过程,采集速度最大可达20 MB/s,GPS时间精度为50 ns.该系统能捕获更加精细和准确的闪电电场数据,为闪电发生的过程和机制研究提供仪器基础.
【总页数】4页(P78-81)
【作者】宁增琨;行鸿彦
【作者单位】南京信息工程大学江苏省气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏南京210044;南京信息工程大学中国气象局气溶胶与云降水重点开放实验室,江苏南京210044;南京信息工程大学江苏省气象灾害预报预警与评估协同创新中心,江苏南京210044;南京信息工程大学电子与信息工程学院,江苏南京210044
【正文语种】中文
【相关文献】
1.闪电电场变化测量仪研究 [J], 周璧华;郭建明;邱实;李炎新;朱凯鄂
2.用于闪电瞬态电场测量的高速采集系统设计 [J], 周龙;季鑫源;仲晔;张志鹏
3.基于高阶滤波的闪电电场测量与波形校正 [J], 陈亦丹;邱实;石立华;卢治钢
4.闪电电场时变率与电场变化同步观测研究 [J], 张旭光;陈军;刘青松;卢治钢;张斌
5.新型闪电电场变化测量仪的研究与初步应用 [J], 徐黄飞;张其林;杜赛;薛奇
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地闪梯级先导电场波形特征研究
地闪梯级先导电场波形特征研究江志东;周璧华;张琪【摘要】为研究地闪梯级先导电场波形特征,采用偶极子法结合衰减函数计算了有限大地电导率下不同距离处、不同梯级先导底部高度条件下的电场波形特征.计算结果表明:当观测点距离先导通道较近时,电场峰值随着先导通道底部高度的增大而减小;随着观测点和先导通道距离的增大,梯级先导通道底部高度对电场的影响逐步减小.对于给定高度的先导通道,其对应的电场峰值随着观测点和先导通道距离的增加,峰值先变大而后变小随着电导率的减小,先导电场波形上升时间明显增加,电场峰值衰减加快.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2015(030)002【总页数】7页(P365-370,382)【关键词】闪电;梯级先导;电场变化;传播效应【作者】江志东;周璧华;张琪【作者单位】解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家级重点实验室,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TM937梯级先导过程是雷电物理的重要研究内容之一.作为开辟放电通道的梯级先导，其电荷分布、先导电位、发展速度等参数对上行迎面先导的产生和最终雷击点位置的确定具有关键作用.先前的研究中，主要是采用静电理论模拟闪电先导和地面高耸物体的相互作用［1］、研究闪电绕击输电线路的机理［2］、分析影响上行先导的起始条件［3］等.随着信息时代的到来，特别是微电子设备和复杂电气设备的广泛应用，电磁辐射场严重制约着电子设备或者系统的生存能力.通过大量观测试验和理论研究，人们对地闪回击放电过程的电磁辐射场特征已有一定认识［4］.然而，受闪电定位系统定位精度、闪电电磁场传感器灵敏度及动态范围、各种探测方法的测重点不同等因素影响，对先导过程这种小尺度（几米到几十米）放电过程的辐射场波形特征仍缺乏深入的理解和翔实观测资料的佐证.而地闪先导过程本身包含丰富的高频辐射分量，同样也会对敏感设备造成损伤.研究表明，EMP脉冲上升沿越陡，其对目标腔体的孔缝耦合效应更明显［5］，对电子设备的干扰不容忽视［6］.Krider等［7］利用电场变化仪的观测结果，分析发现单个梯级先导脉冲的上升沿小于0.3μs，远小于首次回击上升沿的平均值2.6μs［8］.Thomson等［9］在佛罗里达利用62个梯级先导接近地面处的电场变化情况得出：梯级先导电流大小为0.1～5 kA，平均值约1.3kA.目前，美国佛罗里达国际闪电研究与测试中心（International Center for Lightning Research and Testing，ICLRT）布设了电场变化、电场变化率、磁场变化、磁场变化率的观测定位网络，配合高速摄像和人工引雷通道基电流测量，获得了一批近地面处自然闪电先导、回击和连接过程的精细辐射场数据［10－11］.先导辐射场计算方面，由于无法直接获得先导通道电流参数，制约了先导辐射场的计算.先导的静电学模型［12－13］将先导过程引起的电场变化看成是云中电荷减小引起的电场变化和线性电荷通道引起的电场变化的叠加，利用该模型可以解释不同距离处电场变化的差异.然而，该模型未考虑先导流光传播速度和先导电流时空分布等特征，因此不能体现先导的瞬变辐射场特征.本文结合ICLRT多参量综合观测平台获取的梯级先导通道特征，如梯级先导长度、流光速度和先导电流峰值等，采用偶极子法结合衰减函数计算求解梯级先导产生的地面瞬变电场波形，地面电场波形仿真结果与ICLRT多站电场变化率测试数据有较好的一致性.在此基础上，模拟了不同高度梯级先导在不同距离处的电场特征，以期为雷电电磁脉冲防护提供必要的参考和依据.1.1 计算模型对于线性、均匀、各项同性的单一媒介，在指定辐射源的情况下，根据麦克斯韦方程组和洛伦兹条件，电场和磁场的微元可以由矢量磁位A和微元dA推出.假设大地为理想导电大地，梯级先导通道垂直于地面，通道长度H＝HT－HB.梯级先导和地面观测点几何关系如图1所示.根据偶极子理论［14］，以电流微元偶极子dz′为研究对象，对梯级先导高度范围内电流元积分得到垂直电场表达式如式（1），式中第一项为静电场，第二项为感应场，第三项为辐射场.当大地为有限电导率时，由Cooray等［15］提出的垂直电场计算公式为式（2）中：Ez为有限电导率情形下总的垂直场；Es（t，r）、Ei（t，r）和Er（t，r）分别为理想大地情形时的静电场、感应场和辐射场成分；s（0，t，r）为衰减函数，衰减函数表达式为：式（3）中：Q（x）＝x2（1－x2）exp（－x2）；β＝为真空磁导率，σ为大地电导率，c为光速.1.2 验证对比闪电梯级先导通道内电流模型是先导电场波形仿真的基础.Howard等［11］采用多站电场变化率同步测量定位获得近距离梯级先导发展的三维位置及相应站点的电场变化，推断得到相应的先导通道电流波形，用二阶Heidler函数（n＝2）模拟描述先导电流波形，如式（4）先导电流传输模型采用MTLE模型，如式（5），其中梯级先导上行流光速度v＝1.2×108m／s，电流衰减常数λ＝30m，电流峰值4.5kA，电流峰值修正因子η＝0.75.先导通道电流及电流变化率波形如图2所示.Howard等［11］测量的电场变化率波形和根据偶极子法计算的理论波形如图3，计算值和实测值具有较好的一致性.其中实测波形中出现一个次峰，而计算结果中无相应特征，这可能是由于实际先导通道的弯曲性造成.2.1 相同距离不同高度先导电场波形特征图4（a）～图4（c）为不同高度梯级先导通道在给定距离处的电场波形.以r＝300m，1 000m，3 000m为例，对比不同梯级先导高度对电场波形特征的影响. 由图4（a）～（c）可知，随着观测点和先导通道下端距离的增大，梯级先导通道底部高度对电场的影响逐步减小.r＝300m时，随着先导高度的增加，电场峰值和上升时间迅速减小.r＝1 000m时，电场波形的峰值随着高度均匀变化.r＝3 000m 时，电场波形的峰值变化较小，峰值趋于一致.2.2 相同高度不同距离先导电场波形特征图5（a）～（c）为给定高度处不同距离梯级先导通道产生的电场波形.以HB＝200m500m800m为例，对比不同观测点到梯级先导高度的距离对电场波形特征的影响.由图5（a）～（c）可知，随着观测点和先导通道距离的增大，电场峰值先变大后变小.HB＝200m时，当观测点和先导通道距离小于300 m时，峰值随距离增大而增大，而距离大于300m时，峰值随着距离的增大而减小.当HB分别为500 m和800m时，峰值最大值距离分别为800m和1 000m.由式（1）可知，当观测点距离先导通道下端较近时，先导通道电流产生的感应场和静电场成分占优势，而当观测点距离先导通道较远时，辐射场成分占优势.因此，出现了图5（a）～（c）中电场峰值随距离先变大后变小的现象.2.3 先导电场波形特征分析选择大地电导率σ＝∞、0.01S／m和0.001S／m三种不同土壤类型研究土壤电导率对先导辐射场上升时间和峰值的影响.为便于比较，同时计算了回击辐射场的波形特征，回击电流参数选取双Heidler函数形式［16］，其中i1＝10.7kA，τ11＝0.25μs，τ12＝2.5μs；i2＝6.5kA，τ21＝2μs，τ22＝230μs，电流峰值修正系数η1和η2分别为0.73和0.91，回击通道长度为7 500m.图6为不同电导率下上升时间随着传播距离的变化.由图6可知，随着传播距离的增加，不同电导率下的电场波形上升时间逐步增加，电导率越小，上升时间增加越明显.图6（a）为先导电场波形上升时间随距离的变化，相同电导率下相同距离处上升时间比图6（b）的回击电场波形上升时间小25%左右.图7为不同大地电导率下电场峰值衰减系数随距离的变化.Ef为相应观测的电场波形的峰值，Ep为所有观测点回击电场峰值的最大值.由图7可知，电导率对回击电场峰值衰减系数变化影响不大.对于先导电场峰值衰减系数，相同观测点处的衰减系数减小随着电导率的减小而减小.图8 给出了先导和回击通道基电流的频谱能量百分比分布图.由图8可以看出，回击电流能量主要集中在1MHz内，而先导电流能量主要在100kHz～10MHz频段内.因此，先导辐射电场包含丰富的高频分量，其上升时间小于回击辐射电场的上升时间.此外，本文选择的回击通道基电流为典型的后续回击电流波形［17］，其电流波形上升时间远小于首次回击电流波形上升时间，可见先导电流波形具有较陡的上升沿.本文基于偶极子理论求解Maxwell方程组，利用Heidler函数表示先导通道基电流并结合传输线模型，分析了不同高度、不同距离梯级先导的电场波形特征.结合衰减函数，进一步分析了不同电导率情形下先导电场波形特征.尽管先导电流产生的辐射场幅度远小于回击过程产生辐射场幅度，但其包含丰富的高频分量，具有较陡的上升沿，随着梯级先导接近地面，其上升沿变陡，因此同样也会对敏感设备造成损伤.研究表明：1）当观测点距先导通道较近时，电场峰值随着先导通道下端高度的增大而减小；随着观测点和先导通道下端距离的增大，梯级先导通道底部高度对电场的影响逐步减小.2）当梯级先导通道下端高度给定时，其对应的电场峰值随着观测点和先导通道下端距离的增加，电场峰值先变大而后变小.3）随着大地电导率的减小，先导辐射场波形上升时间明显增加，且小于典型后续回击辐射场波形的上升时间.对先导电场峰值衰减情况而言，相同观测点处的衰减系数随着大地电导率的减小而减小.江志东（1985－），男，江苏人，解放军理工大学博士研究生，主要从事雷电观测和雷电防护方面的研究.周璧华（1940－），女，江苏人，解放军理工大学教授，博士生导师，主要研究方向为高功率电磁环境及其防护.张琪（1987－），男，山东人，解放军理工大学博士研究生，主要研究方向雷电防护、计算电磁学.【相关文献】［1］任晓毓，张义军，吕伟涛，等.雷击建筑物的先导连接过程模拟［J］.应用气象学报，2010，21（4）：450－458.REN Xiaoyu，ZHANG Yijun，LÜWeitao，et al.Simulation of lightning leaders and connection process with structures［J］.Journal of Applied Meteorological Science，2010，21（4）：450－458.（in Chinese）［2］魏本刚，傅正财，袁海燕，等.改进先导传播模型法500kV架空线路雷电绕击分析［J］.中国电机工程学报，2008，28（25）：25－29.WEI Bengang，FU Zhengcai，YUAN Haiyan，et al.Analysis of lightning shielding failurefor 500kV overhead transmission lines based on improved leader progression model ［J］.Proceedings of the CSEE，2008，28（25）：25－29.（in Chinese）［3］ BECERRA M，COORAY V.A simplified physical model to determine the lightning upward connecting leader inception［J］.IEEE Transactions on Power Delivery，2006，21（2）：897－908.［4］ RAKOV V A，RACHIDI F.Overview of Recent Progress in Lightning Research and Lightning Protection［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2009，51（3）：428－442.［5］刘顺坤，傅君眉，陈雨生，等.快上升前沿电磁脉冲的孔缝耦合效应数值研究［J］.微波学报，2000，20（2）：182－186.LIU Shunkun，FU Junmei，CHEN Yusheng，et al.Numerical analysis on slot coupling effects of FREMP［J］.Journal of Microwaves，2000，20（2）：182－186.（in Chinese）［6］李勇，宣春，谢海燕，等.电磁脉冲作用下PIN二极管的响应［J］.强激光与粒子束，2013（8）：2061－2066.LI Yong，XUAN Chun，XIE Haiyan，et al.Response of PIN diode to electromagnetic pulse ［J］.High Power Laser and Particle Beams，2013（8）：2061－2066.（in Chinese）［7］ KRIDER E P，WEIDMAN C D，NOGGLE R C.The electric fields produced by lightning stepped leaders［J］.Journal of Geophysical Research，1977，82（6）：951－960.［8］ MASTER M J，UMAN M A，BEASLEY W，et al.Lightning induced voltages on power lines：experi－ment［J］.IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems，1984，103（9）：2502－2518.［9］ THOMASON E M，UMAN M A，BEASLEY W H.Speed and current for lightning stepped leaders near ground as determined from electric field records［J］.Journal of Geophysical Research，1985，90（D5）：8136－8142.［10］ JERAULD J E.Properties of Natural Cloud－toground Lightning Inferred from Multiple－Station Measurement of Close Electric and Magnetic Fields and Field Derivatives［D］.Gainesville：University of Florida，2007.［11］ HOWARD J，UMAN M A，BIAGI C，et al.Measured close lightning leader－step electric field－derivative waveforms［J］.Journal of Geophysical Research：Atmospheres.2011，116（D8）：D8201.［12］ THOMSON E.A theoretical study of electrostatic field wave shapes from lightning leaders［J］.Journal of Geophysical Research，1985，90（D5）：8125－8135.［13］ UMAN M A.The Lightning Discharge［M］.Orlando，Florida：Aca－demic Press，1987.［14］ UMAN M A，MCLAIN D K.The electromagnetic radiation from a finite antenna［J］.AJP，1975，43：33－38.［15］ COORAY V.Effects of propagation on the return stroke radiation fields［J］.Radio Science，1987，22（5）：757－768.［16］ CALIGARIS C，DELFINO F，PROCOPIO R.Cooray－rubinstein formula for the evaluation of lightning radial electric fields：derivation and implementation in the time domain［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2008，50（1）：194－197.［17］ LI Dongshuai，ZHANG Qilin，WANG Zhenhui，et putation of lightning horizontal field over the two－dimensional rough ground by using the three－dimensional FDTD［J］.IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2014，56（1）：143－148.。
导体表面雷电脉冲电流分布研究
导体表面雷电脉冲电流分布研究汪涛;周璧华;丁雅菲;李炎新;付亚鹏;李皖【摘要】In order to study the distribution of lightning pulse current on the conductor surface, GMR surface current measurement system was developed. With this measurement system, thin aluminum plate surface pulse current density was measured. The results are consistent with the numerical calculation results by the finite difference time domain method (FDTD) and the simulation results with CST software. In this paper, by using CST, explorative study was done on the surface current distribution on the cambered surface.%为研究雷电脉冲电流在导体表面的分布情况，研制了巨磁阻(Giant Magneto Resistive, GMR)表面电流测量系统，利用该系统对平面薄铝板表面脉冲电流密度进行了测量研究。
为验证测量结果，采用时域有限差分(FDTD)法和CST软件分别进行了相应的数值分析和仿真计算，取得与测量相一致的结果。
在此基础上，对雷电流在弧面表面分布情况进行了探索性研究。
【期刊名称】《环境技术》【年(卷),期】2014(000)0z1【总页数】6页(P150-155)【关键词】脉冲电流;巨磁阻;测量;时域有限差分法;CST仿真;电流分布规律【作者】汪涛;周璧华;丁雅菲;李炎新;付亚鹏;李皖【作者单位】解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室，南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室，南京 210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室，南京 210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室，南京 210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室，南京 210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室，南京 210007【正文语种】中文【中图分类】TM937在电磁兼容及电磁防护研究[1,2]中常需对导体的表面电流[3]进行测量，因导体表面的电流密度与其正交的磁场强度相等[4]，故可通过对磁场强度的测量来实现。
雷电电磁脉冲三维磁场测量系统研究
雷电电磁脉冲三维磁场测量系统研究周璧华;马洪亮;李皖;徐云;丁雅菲【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2013(028)001【摘要】为测量雷电放电通道电流产生的三维磁场分量,设计制作了雷电电磁脉冲(Lightning Electromagnetic Pulse,LEMP)三维磁场测量系统,并对该系统进行了时域标定、波形矫正和数据修正研究.对自然雷的实测结果进行了数据处理、统计和分析.根据所测三维磁场峰值的大小可判断云闪和地闪；利用所测数据,结合磁定向法和声光差定距法,可确定雷击点的方位和距离,从而实现对地闪雷电流的间接测量；采用由实测数据间接获得的雷电流波形、测点与放电通道的距离,经数值模拟得出的LEMP磁场时间特性与实测结果一致性较好.【总页数】7页(P39-44,86)【作者】周璧华;马洪亮;李皖;徐云;丁雅菲【作者单位】解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室,江苏南京210007;解放军理工大学电磁环境效应与电光工程国家重点实验室,江苏南京210007【正文语种】中文【中图分类】TN011【相关文献】1.雷电电磁脉冲三维磁场测量系统初探 [J], 李皖;周璧华;马洪亮;刘培山;丁雅菲;徐云2.临震前动物行为异常与电磁异常关系研究——三维磁场测量仪的设计 [J], 张飞鸽;任振东;杨水龙;王毅;郭江博3.基于三维磁场测量的海缆路由检测技术研究 [J], 葛军凯;张磊;徐蓓蓓;陈国东;梁尚清4.低频三维磁场测量系统研制 [J], 李祥麟;吴静;金海彬;李怡濛5.分布式脉冲磁场测量系统研究 [J], 刘圣霞;许祥辉;王晶因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
雷电流测量专用柔性无磁芯大型Rogowski线圈
雷电流测量专用柔性无磁芯大型Rogowski线圈
杨波;周璧华;石立华;高成
【期刊名称】《强激光与粒子束》
【年(卷),期】2009(021)009
【摘要】为了解决小型Rogowski线圈无法测量柱状高塔的自然雷电流波形的问题,提出了采用大型Rogowski线圈测量高塔雷电流的方案,研究设计了柔性骨架无磁芯大型Rogowski线圈,去除磁芯和外加积分器,通过增加线圈匝数获得高电感,以实现测量结果的自积分,降低了微分型Rogowski线圈需要额外积分器的难
度.Rogowski线圈的标定表明,线圈具有良好的积分特性,采用输出误差系统辨识模型对Rogowski线圈输出波形进行了校正补偿,提高了测量波形的准确度,增大了高塔自然雷电流精确测量的可能性.
【总页数】5页(P1421-1425)
【作者】杨波;周璧华;石立华;高成
【作者单位】解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007;解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007;解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007;解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007
【正文语种】中文
【中图分类】TP212.13
【相关文献】
1.测量碗形塞圆锥角柔性专用检具 [J], 王苏清
2.雷电流测量用大型Rogowski线圈输出波形振荡现象分析 [J], 周璧华;朱凯鄂;李炎新;郭建明
3.快响应磁芯式Rogowski线圈 [J], 张瑜;刘金亮;白国强;梁波;冯加怀
4.复杂几何形状雷电流载体中雷电流测量法及读出方法的研究 [J], 王巨丰;覃海深;等
5.雷电流测量用Rogowski线圈频谱特性分析 [J], 梁瑜;蒋兴良;杨庆;谢述教;白困利
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脉冲电场屏蔽效能测试系统及测试方法
脉冲电场屏蔽效能测试系统及测试方法李炎新;陈彬;石立华;高成;万海军;周璧华【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2006(018)006【摘要】自主研制了一套小型脉冲电场屏蔽效能测试系统,该系统由脉冲电场发射设备和脉冲电场测试设备构成.脉冲电场发射设备的天线口面前60 cm处可产生峰值达7.5 kV/m的脉冲电场,测试设备的动态测试范围达97 dB.系统采用光纤测量设备,在测量工作中能有效抑制强电磁场干扰.采用Matlab编写自动测量及数据处理程序,实现了数据采集与处理自动化.实验测量了金属桥架、控制柜、屏蔽帐篷、导电水泥混凝土房的脉冲电场屏蔽效能,其脉冲电场峰值衰减量分别为52,64,66,30 dB.实验表明可用脉冲电场的峰值衰减量来评估屏蔽体的脉冲电场屏蔽效能.【总页数】5页(P972-976)【作者】李炎新;陈彬;石立华;高成;万海军;周璧华【作者单位】解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007;东南大学,信息安全研究中心,南京,210096;解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007;解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007;解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007;解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007;解放军理工大学,工程兵工程学院,南京,210007【正文语种】中文【中图分类】TM1【相关文献】1.平面材料屏蔽效能的屏蔽房测试方法 [J], 刘锋;吕昕;李跃波;潘征;杨杰2.平面材料屏蔽效能的屏蔽房测试方法 [J], 刘锋;吕昕;李跃波;潘征;杨杰3.电磁屏蔽室屏蔽效能测试方法的商榷 [J], 范生濑4.服装用织物屏蔽效能测试方法—屏蔽箱法的探讨 [J], 刘志才;何鹏;徐勤;王利君;李妮;熊杰5.电磁屏蔽室测试区屏蔽效能测试方法探讨 [J], 赵敏;常炜因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
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２ 闪电电场变化测量仪的原理
４ 期
周璧华等 ： 闪电电场变化测量仪研究
１ １ １ ５
避免了电缆传输带来的干扰．
１ 引 言
雷电是自然界 的 一 种 强 烈 的 放 电 现 象 ， 随着微 电子设备的广泛应用和微电子器件集成度的不断提 高， 雷电放电电流电 磁 辐 射 形 成 的 雷 电 电 磁 脉 冲 对 电气设备及系统造成的毁伤越来越严重 ， 故对 电子 、 包括雷电电磁脉冲 （ Ｌ ｉ ｈ ｔ ｎ ｉ ｎ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｍ ａ ｎ ｅ ｔ ｉ ｃ ｇ ｇ ｇ ， ） 在内 的 电 场 测 量 问 题 受 到 了 研 究 者 Ｐ ｕ ｌ ｓ ｅ Ｌ ＥＭＰ
） 基金项目 国家自然科学基金项目 （ 资助 ． ６ ０ ９ ７ １ ０ ６ ３ 作者简介 周璧华 ， 女， 教授 、 博士生导师 ， 主要研究方向为高功率电磁环境及其防护 ． １ ９ ４ ０ 年 ９ 月生 ， １ ９ ６ ５ 年毕业于北京邮电学院 ， ： ａ ｉ ｌ ｓ ｚ ｂ ｈ ６ ３． ｎ ｅ ｔ Ｅ－ｍ － ＠１ 男， 解放军理工大学电磁环境效应及光电工程国家级重点实验室硕士 研 究 生 ， 主要研究方向雷电预警与 １ ９ ８ ２ 年 ８ 月生 ， ＊ 通讯作者 郭建明 ， ： 防护 ． ｍ １ ６ ２＠１ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ６ ３． ｃ ｏ ｍ ｇ ｊ
进， 但其基本原理和结 构 （ 见 图 １、 图 ２） 一直沿用至
］ １ １ １ ２ － 今［ 张广庶 、 王怀斌等分别于 ２ ． ０ ０ ２年２ ０ ０ ４ 年申
Ｐ Ｌ Ａ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｏ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ Ｎ ａ ｎ ｉ ｎ １ ０ ０ ０ ７， Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ｙ ｆ ｇ ｙ， ｊ ｇ２
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第５ ５卷 第４期 ２ ０ １ ２年４月
地 球 物 理 学 报
ＣＨ Ｉ Ｎ Ｅ Ｓ Ｅ Ｊ ＯＵＲ ＮＡ Ｌ Ｏ Ｆ Ｇ Ｅ Ｏ Ｐ ＨＹ Ｓ Ｉ Ｃ Ｓ
ｏ ． ４ Ｖ ｏ ｌ ． ５ ５，Ｎ ， Ａ ｒ ． ２明 ， 邱实等 ． 闪电 电 场 变 化 测 量 仪 研 究 ． 地 球 物 理 学 报， ２ ０ １ ２， ５ ５（ ４） １ １ １ ４ １ １ ２ ０ ｄ ｏ ｉ １ ０． ６ ０ ３ ８ ５ ７ ３ ３． ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ０ ０ １ － － ｊ ２ ０ １ ２． ０ ４． ０ ０ ６． ） ， Ｚ ｈ ｏ ｕ Ｂ Ｈ， Ｇ ｕ ｏ Ｊ Ｍ，Ｑ ｉ ｕ Ｓ， ｅ ｔ ａ ｌ ． Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｈ ｔ ｎ ｉ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｃ ｈ ａ ｎ ｅ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ． Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ Ｊ． Ｇ ｅ ｏ ｈ ｓ ．（ ｉ ｎ Ｃ ｈ ｉ ｎ ｅ ｓ ｅ ｇ ｇ ｇ ｐ ｙ （ ） ： ， ： ／ ２ ０ １ ２， ５ ５ ４ １ １ １ ４ １ １ ２ ０ ｄ ｏ ｉ １ ０． ６ ０ ３ ８ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ０ ０ １ ５ ７ ３ ３． ２ ０ １ ２． ０ ４． ０ ０ ６． － － ｊ
［］ ］ ４ １ ０ － ， 虽经多次改 电电场以及 人 工 引 雷 电 场 的 测 量 ［
图 １ 传统的闪电电场变化仪结构图 Ｆ ｉ ． １ Ｔ ｒ ａ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｌ ｉ ｈ ｔ ｎ ｉ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｇ ｇ ｇ ｃ ｈ ａ ｎ ｅ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｆ ｉ ｕ ｒ ｅ ｇ ｇ
闪电电场变化测量仪一般采用与电场垂直的金 属圆板作为天线 ， 其结构和电原理图 分 别 如 图 １、 图 ２ 所示 ．
不同时间 常 数 的 电 场 变 化 仪 来 记 录 闪 电 电 场 的 变
２］ 、 “ 化， 这就是 “ 快” 慢” 电 场 变 化 仪 的 来 历［ ． １ ９ ７ ４年
Ａ ｒ ｔ ｈ ｕ ｒ Ａ． Ｆ ｅ ｗ 在美 国 申 请 了 电 场 变 化 仪 专 利 ３ ． 之后的几十年中 ， 电场变化仪被广泛应用于自然闪
Ｒ ｅ ｓ ｅ ａ ｒ ｃ ｈ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ ｌ ｉ ｈ ｔ ｎ ｉ ｎ ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｉ ｃ ｆ ｉ ｅ ｌ ｄ ｃ ｈ ａ ｎ ｅ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｇ ｇ ｇ
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闪电电场变化测量仪研究
周璧华 ， 郭建明 ＊ ， 邱 实， 李炎新 ， 朱凯鄂
解放军理工大学 ， 南京 ２ １ ０ ０ ０ ７
摘 要 分析了现有闪电电场变化测量仪存在的不足 之 处 ， 提出了采用一台测量仪同时获得闪电电场快、 慢变化 通过对测量仪天线 、 电路 、 传输方 式 的 优 化 ， 大 大 降 低 了 系 统 的 复 杂 程 度， 提 高 了 可 靠 性； 采用全 特性的技术方案 ， 介质光缆传输信号 ， 可避免在信号传输过程中因电磁耦 合 带 来 的 干 扰 ； 采用系统函数逆变换反演被测电场时域特 性， 既可省去一套专测电场慢变化的仪器 ， 且弥补了以 往 “ 电 场 慢 变 化 测 量 仪” 性 能 的 不 足． 测 量 结 果 表 明， 快变化 测量系统的测量带宽 为 ８ 采用研制成的电场变化测量仪对自然闪电进行多次测量后， 将反演运 ０Ｈ ｚ ７． ５ ＭＨ ｚ ． ～８ 算得到的波形与实测波形对比 ， 验证了所提方案的可行性和技术上的先进性 ． 关键词 雷电电磁脉冲 、 电场变化测量仪 ， 光隔离 ， 系统函数 ， 逆变换 ： ／ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． ０ ０ ０ １ ｄ ｏ ｉ １ ０ ． ６ ０ ３ ８ ５ ７ ３ ３ ． ２ ０ １ ２ ． ０ ４ ． ０ ０ ６ － ｊ 中图分类号 Ｐ ４ ２ ７ ， 收稿日期 ２ ０ １ １ ０ ２ ２ ５ ２ ０ １ １ ０ ９ ２ ６收修定稿 － － － －