第二章 闪电探测技术-1

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二站定位示意图
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三站定位示意图
• 双曲面 双曲面是一种二次曲面。 • 双曲线的实轴 虚轴是两个焦点的中分线。 双曲线 实轴包含了两个焦点,虚轴 实轴 虚轴 旋转双叶双曲面。绕着虚 绕着实轴,旋转此双曲线,得到旋转双叶双曲面 旋转双叶双曲面 轴,旋转此双曲线,得到旋转单叶双曲面 旋转单叶双曲面。 旋转单叶双曲面
旋转双叶双曲面
旋转单叶双曲面
•在三维空间里,满足PB1-PB2 为常数的所有的点的集合,是 一个旋转双叶双曲面。称点B1 与B2为双曲面的焦点。
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4. 优 缺 点
• 优点 优点:采用的天线简单,且通过测定闪电回击辐射场到达不 同测站的时间差,从而避免了MDF固有的随闪电离测站距离 误差线性增大的缺点。 • 局限 局限: 1)对测时精度要求较高; 2)且至少要3站才有可能定位; 3)回击波形峰值点随传播路径和距离的不同可能发生漂 移和畸变,或者受到环境的干扰,易导致时间测量误差,使 实际探测误差有时达几百米或几公里; 4)如不借助波形鉴别,会将个别强云闪误记为地闪。
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美国闪电定位网(NLDN) 美国闪电定位网(NLDN)
•美国国家闪电定位网(NLDN)采用IMPACT技术 美国国家闪电定位网(NLDN)采用IMPACT技术 美国国家闪电定位网 IMPACT
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NLDN有106个传感器,自从1989年 以来,不同定位网的版本都可以提供覆盖 美国大陆的闪电资料。从1989~1995年, 可以通过估算首次回击的峰值电流和极性、 回击的数目来确定闪电的时间 位置 时间和位置 时间 位置。自 从1995年7月1日以后,得到的数据包括时 时 地点、峰值电流和由NLDN探测得到的 间、地点、峰值电流 首次回击及继后回击的极性 回击的极性。 回击的极性
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预击穿、梯级先导 云闪 预击穿 梯级先导、云闪 梯级先导 云闪等过程的辐射能量 主要集中在1MHz以上的高频段 高频段;与回击过程的辐 高频段 射相比,这些过程在甚高频 超高频段 甚高频、超高频段 甚高频 超高频段辐射较强。 即低频 低频闪电电磁脉冲辐射主要由地闪产生 云 主要由地闪产生, 低频 主要由地闪产生 闪产生的电磁脉冲辐射主要分布在VHF 频段 从上 VHF 频段, 图中(在1 秒钟内) ,很明显地看到VHF 频段丰富的 闪电信息,也说明了闪电VHF 频段辐射的频数远远 高于L F 频段辐射。
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F(Hz)
• 云地闪里有许多单独的物理过程,每一个过程都 有电磁场的特征。 • 闪电辐射的有效电磁能量频率在1Hz以下到近3亿 Hz。 • 甚至有更高的频率,如300M~300GHz的微波, 还有1014~1015Hz的可见光。 • 一般认为甚高频的辐射来源于空气被击穿的过程, 而甚低频的信号决定于已存在的闪电通道中的电 流流动。
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地闪定位仪公司历史
• MDF技术最早开始于19世纪70年代( by Dr. E. Philip Krider, Dr. Burt Pifer and Dr. Martin Uman, at the University of Arizona.)。 • 第一个运行的MDF系统1976年发展起,被用于阿拉斯加的 美国土地管理局BLM (the Bureau of Land Management )。 • 闪电定位和防护有限公司LLP (Lightning Location and Protection, Inc. )发展了一个商业的MDF产品,并使其在 19世纪80年代得以广泛的应用。
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甚低频(VLF/LF)定位技术
• VLF/LF的MDF定位技术( Magnetic direction finding ) • VLF/LF的TOA定位技术( Time of arrival ) • VLF/LF的MDF和TOA综合定位技术IMPACT
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VLF/LF的MDF定位技术
1.发展历史
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VLF/LF的MDF和TOA综合定位技术 IMPACT
• 为改进定位精度,将MDF和TOA两种技术结合在一起发 展成了联合闪电定位法,形成了第二代地闪定位系统 IMPACT。 • 每个探测站既探测回击发生的方位角,又测定回击电磁 脉冲到达的精确时间。 • 中心站将根据每个闪电探测子站测到闪电的方位和到达 时间差数据,进行不同组合的联合定位。 • 在不增加探测子站数目的前提下,保证了较高的定位精 度,是目前比较实用的闪电定位技术。
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雷电频谱分布
闪电放电辐射出很宽频的电磁脉冲, 闪电放电辐射出很宽频的电磁脉冲,频率范 围从极低频到超高频( ),其中以 围从极低频到超高频(VLF~UHF),其中以 ), VLF/LF辐射为最强。 辐射为最强。 辐射为最强 Amplitude
1/ f
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10 10 2 10 3 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11
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定位原理
• 若两个探测仪 两个探测仪接收到电磁波信号,采用一条时差 两个探测仪 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 三个探测仪接收到电磁波,在非双解区域, 三个探测仪 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 四个或四个以上探测仪接收到数据时,先取 四个或四个以上探测仪 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。
20世纪初,VLF/LF无线电(磁)测向MDF技术用于远 程(上千公里以外)雷电活动的监测获得成功。 当雷电与测站距离小到300~500km时,闪电通道的非垂 直性(雷电电流同时具有垂直分量和水平分量,而水平分量 所产生的磁场并不是严格地与传播方向垂直)开始影响测向 精度,因此无法使用监测的信号来定向,导致MDF法一度在 雷电定位方法上的应用进展缓慢。 10km内的雷电,假设闪道相对地面呈45o,测向误差可 能达到10o以上,100km以外的闪电,小于等于1o左右。
实线:雷击点的测量方位角; 实线的交点:方位角矢量的三个不同交叉点所确定的三个可能的雷击点; 实心圆:最理想的雷击点位置(实心圆)是由函数
虚线:估计的最理想位置的方位角矢量。
θi
χ
2 的最小值确定的;
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4.定位误差及缺点
• 一般,为了校正定位误差,要记录和分析一个监 测网中至少3个测站数据的一致性,由此来确定每 个测站的角度函数的定位校正曲线。此后这些定 位误差校正还会通过软件处理。 • 一旦这些数据被校正,已被指出,通常余下的误 差将会小于2~3度。 • 其主要缺点是测向精度受测站附近地形地物的影 响较大,对天线安装的环境要求高,因此实际探 测精度不是很高。
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实线:雷击点的测量方位角; 虚线:方位角测量中的随机误差; 实心圆:雷击点的估计位置; 阴影部分:不确定的雷击点位置。
±1o
二站磁方向闪电定位交汇点示意图 a
•单站可提供雷电方位信 息,强度信号可给出雷电 的大致距离。 •两个或两个以上探测子 站测量的方位角进行交汇, 可确定闪电击地点。
二站磁方向闪电定位交汇点示意图 b
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5.国内情况
• 80年代初 中科院兰州高原大气物理研究所 年代初,中科院兰州高原大气物理研究所 年代初 中科院兰州高原大气物理研究所作为国内首家 从美国引进了三站雷电定位系统。 从美国 • 理想的条件下单站测向精度可达±0.5°,多站定位精度 在数百米及数公里之内,但场地误差可大大降低定位精度。 对场地误差进行分析研究并修正是学者关注的问题。 • 经理论分析,提出偶极辐射是产生场地误差及场地增益主 要原因,推导出了场地误差、场地增益以及探测效率的函 数形式。由多站实测资料,经Orville的本征值技术处理, 将问题化为一个非线性无约束极值问题,可由对目标物函 数求极值点来确定场地误差。订正后95%以上闪电的方位 与实测方位的残余偏差在±1°以内,定位精度提高。
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θmi −θi Emi − Ei χ = ∑ + ∑ σθi i=1 σ Ei i=1
N N 2
2
2
和 Ei 是未知的方位角 θ 以及电场峰值, 以及电场峰值,mi 和 Emi 是在第i个观测站得的方 是在第 个观测站得的方 E 位角以及电场峰值, 位角以及电场峰值, mi 是测量的标准误差。 是测量的标准误差。 三站及三站以上定位示意图
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20世纪70年代,一项研究 的成果使这一技术获得了新生。 研究表明:地闪回击的瞬间, 十分靠近地面的通道垂直于地 面。如果能探测地闪过程仅在 这段时间的辐射,用MDF法进 行雷电定位的缺陷基本被消除。 这部分辐射波形特征明显,便 于捕捉。由此,出现了新一代 有波形鉴别技术并加有时间门 限的VLF/LF频段MDF技术及 其多站网络,使实时雷电定位 技术变成现实。
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3. 双曲线法定位原理
• 设闪电信号在空气中的传播速度为常数C(光速) • 第i和第j个探头收到闪电信号的时间分别为ti和tj • 闪电击地点距两站的距离差为Δd=(ti-tj)C,即:击地 点位于以i,j 两站为焦点、到两站距离差恒为Δd的双曲面 上,由于闪击点在地球面上,所以闪击点在该双曲面与地 球表面相交得到的空间曲线上。 • 若第k个探头也接受到信号,则第i与第k个探头可确定出另 一条空间曲线,2条空间曲线的交点即为雷击点。 • 多站可确定多条双曲线,由于地形、噪声和干扰等的存在, 多于2条的双曲线不可能相交于一点,需采用优化算法计 算出雷击点最可能发生的位置。
雷电监测技术与预警方法
南京信息工程大学 雷电科学与技术系
第二章 闪电定位技术
• 20世纪70年代开始研究闪电定位技术,确定 闪电放电的参数和空间位置。 • 这已成为闪电最重要的观测手段。 • 一般,任何来自于闪电的可见信号,都能用 来探测与定位闪电发生的过程。 • 目前用来进行闪电定位和探测的信号主要有 声、光和电磁场3类。
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• 日本株式会社山光社(Sankosha Corporation)成立了全球大气有限公 司GAI( Global Atmospherics Inc. ) 。 山光社购买并改造了全球最主要的三 个公司LLP, ASRI 和GeoMet Data Services公司(一个商业化公司,发布 LLP的闪电数据)的产品。 • 新公司结合MDF和TOA系统设计出了 相同的探测设备:IMPACT传感器。 • 后来全球大气有限公司被维萨拉公司 (Vaisalla Instruments )购买。
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• TOA技术最早由Dr. Rodney Bent 和 Dr. Walter Lyons发展 起来。 • 原型系统设计于1982,并被测试。 • 大气研究系统有限公司ARSI( Atmospheric Research Systems, Inc. )使闪电定位和跟踪系统LPATS (The Lightning Position and Tracking Systems )得以商业化的应 用。
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来自百度文库
VLF/LF的TOA定位技术
1.工作原理
•采用闪电电磁脉冲到达不同测站的时间差进行闪电定位。
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2. 分 类
• • • • • 用于闪电定位的时间到达系统可分为三个类型: (i)超短基线(几十至几百米); (ii)短基线(几十公里); (iii)长基线(几百至几千公里)。 超短基线和短基线系统通常工作在甚高频,即频率为 30~3000MHz;长基线系统通常工作在甚低频,即 3~300kHz。 • 短基线系统可以模拟闪电通道,用来研究放电的时空发展 过程。 • 长基线系统常用于确定地闪的雷击点或者闪电的“平均” 位置。
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2.技术原理
采用一对南北方向和 东西方向垂直放置的正交环 磁场天线测定闪电发生的方 位角,比较两个环天线上感 应的信号的幅度和极性即可 求出磁场的水平方向。并与 水平放置的电场天线组合鉴 别地闪波形特征。
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3.工作程序
① 单站MDF探测仪实时测出闪电到达本站的 时间、方向、极性、强度、回击数等参数; ② 实时将所测数据发往中心数据处理站进行 方向交汇定位处理; ③ 将处理结果(位置、强度等参量)实时发给 各图形显示终端。
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主要内容
• 一、地基闪电定位技术 地基闪电定位技术 甚低频( 甚低频(VLF/LF)定位技术 定位技术 甚高频( 甚高频(VHF)定位技术 ) • 二、星载雷电探测、定位技术 星载雷电探测、 雷电探测 光学闪电探测 星载甚高频( 星载甚高频(VHF)定位技术 ) • 三、雷电定位站网的发展 • 四、SAFIR闪电监测和预警系统 闪电监测和预警系统
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