雷电探测

经选择器保留第一项
8 0 RSm E 2 t V t sin T T
感应信号是一个正弦变化的波形，但这种交变信 号不能确定电场的极性。想知道其极性，可在感应 其中产生一个与感应信号同步的参考信号，用相敏 检波器就可剪出极性。
大气电场仪的测量结果
根据电场波形变化特征来反推雷暴电荷结构
雷击概率预测
利用电场的随机击穿特性模拟
越高雷击概率高
组合建筑物的雷 击概率
地表起伏对雷击概率的影响
建筑群雷击概率
四面体剖分方法模拟建筑物群雷 击概率
飞机外形示意图
目标的FDTD 几何一电磁建模
FDTD计算区域划分
FDTD计算网格划分
采用PML完美匹配吸收边界，计算区域为100X100X100,空间步长为10cm, 时间步长为2X10-9s
80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 -20.00 -40.00 -60.00 -80.00 -100.00 -100.00 -60.00 -20.00 20.00 60.00 100.00
定位误差的优化（场地误差）
100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 -20.00 -40.00 -60.00 -80.00 -100.00 -100.00 -60.00 -20.00 20.00
Am plifier Log -Am plifier Photodiode -array Dynam ic Range (60dB)
Time resolution: 100 ns
S14 Cloud
10 (M Sam ple/Sec) W ave M em ory 16380 Fram e
S6 S5 S4 S3 S2 S1 Ground
雷电探测方法（现状）
张其林 南京信息工程大学大气物理学院
地基探测
1) 光学探测 2) 空间电荷遥测 3) 电磁场测量
4) 甚低频/低频定位
5) 甚高频定位
雷电探测的基本要求
• 瞬时性
• 多频段 • 多效应 • 快速 • 大容量 • 多参量
1） 光学探测仪器
Boy’s Camera Streak Camera
100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 -20.00 -40.00 -60.00 -80.00 -100.00 -100.00 -60.00 -20.00 60.00 100.00 20.00 60.00 100.00
模式算法框图
不同方向的地形地表 复杂性不同，雷电电 磁场的衰减不同
T 2 0 Sm E 0 t T 2 i t 2 0 Sm E t T
把电压展开成傅利叶级数：
V t 8 0 RSm E 2 t 1 6 t 1 10 t sin sin sin ... T T 3 T 5 T
条纹相机拍摄的负地闪放电过程
Streak photo of a positive leader
Streak photo of a dart leader
High-speed digital imaging system （ALPS）
PIN-photodiode array(16×16)
L
Zoom Rens(Nikon)
距DF测站45km范围，雷电电磁辐射场波形上 升沿时间的增大随方位变化
全球VLF/LF 定位：WWLL得到的亚洲地区闪电活动
每一个接收站包括一个VLF天线、前置放大器、一个GPS。WWLLN工作在甚低 频频段，因此可以探测到几千公里外闪电发生的电磁辐射信号。为避免干扰 ，全球40个测站中至少有5个测站探测到同一VLF信号时，才被视为一个闪电 。
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
整个雷暴过程地面 电场均为(或主要为) 正电场
整个雷暴过程地面 电场均为（或主要为） 负电场
雷暴当顶时地面电场 为正电场，之后电场 转变为负电场，整个 变化波形呈波浪形
• ① 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； • ② 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
我所做过的工作
ALPS先导放电中脉冲式放电观测结果
17:27:54 UT, 08/02/1997
Return Stroke
S8 (219 m)
S7 (186 m)
S6 (155 m)
S5 (125 m)
S4 (96 m)
S3 (67 m)
S2 (40 m)
S1 (14 m)
0
10
20
30
40
50
60
3) 快慢电场变化测量仪
慢天线
快天线
慢 天 线 工 作 原 理 图
• 采样率；记录长度； 触发电平；预触发时间；电阻较 大 106~109Ω；时间常数（τ=RC）
新型快、慢天线资料
地闪
云闪
测量结果
1150
回 击 和 梯 级 先 导 电 场 变 化 波 形
电场变化（V/m）
1100 1050 1000 950 900 850 45
WWLLN测站的全球分布示意图
3.1 一般原理方法
• MDF定位技术 • TOA定位技术 • 混合法
4.2 闪电定位系统（LLS)
探测仪结构(DF)
闪电定位算法：MDF
闪电定位算法：TOA
时差测向混合系统算法. LLS参数
北美雷电监测定位网
1991年开始建 设，到目前为 止建成187个 探测站，探测 范围覆盖美国 与加拿大大部 分区域。 探测精度500 探测效率80%
Power Supply
PC9801BX4
ALPS
Personal Com puter (NEC)
Configuration of m easurem ent.
ALPS (Autom atic Lightning Discharge Progressing Feature Observation System )
Time (ms)
高速摄像的拍摄
人 工 引 雷 发 展 过 程
中 科 院 寒 区 旱 区 环 境 与 工 程 研 究 所
人 工 触 发 闪 电 下 行 先 导 发 展 图 像
时间分辨率:1000f/s
2）空间电荷遥测法
Space charge region
Sound wave burst
Uo I0R1sin(t)
I0 I cos t= 0 sin( t+90 ) C1 C1
Uo
t I 0 R1 Uo [sin t R1C1(e RC cos t )] 2 1 ( R1C1)
单片机控制程序
探空数据接收终端
该程序基于MSCOMM控件，在 Windows98/XP均能稳定运行，默认状 态下自动实时以ASCII格式存储数据
Part of the unstructured grid for the generic aircraft. Different colors are assigned to different parts of the object.
采取四面体有限元刨分的方法， 精确解决静电场计算的问题
空中电场仪
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
402M 高 增 益 天 线
电晕电流测量原理图
icor (t ) uo (t ) du (t ) C1 o 0 R1 dt
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
t t 1 R1 uo (t ) e C1 icor ( )e R1C1 d 0 C1
Aircraft is struck by lightning. The surface currents are visualized on the fuselage. The magnitudes of the magnetic fields are shown on a cutting plane through the wings.
• 空中电场的主要是将感应装置加载探空气球、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； • 火箭或飞机方式 • 测量方法：场磨式和电晕探针法
把空中电场仪设 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。
Δｔ time
L v t
Spectral response Dynamic range Diode size Diode pitch Number of diodes
400~1000 60(1:500~1000) 1.3× 1.3 1.5 16× 16(256)
nm dB mm mm
Charactristics of PIN -Photodiode -array (S3805). 8bit A/D converter
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。
场磨式空中电场仪的技术指标
• 美国机载电场仪采用旋片式结构，图 a由NASA/ MSFC2UA H 研制,质量3. 9 kg ,敏感范围为1. 9 V/ m～64 kV/ m ,分辨 率为1. 9 V/ m。图b由Langmuir 实验室研制,质量为1. 6 kg ,敏感范围为10 V/ m～26 kV/ m ,分辨率为10 V/ m。
16:29、方位角165°
16:29第二次探空，起电时段16:51~16:52
成熟期的雷暴温、压和电场，以及反演的电荷结构
成熟期的雷暴温、压和电场，以及反演的电荷结构
+ +
13次孤立超级单体雷暴的电场探空得到的电荷分布
多极性：上升气流中的电荷区高度被抬升，呈四层结 构，非上升区呈六层结构 。
c
8400 8200 8000 7800 52.2
L L L L L L L L L L L L L
R
52.25
52.3
52.35
52.4
时间（ms）
快慢电场组网
5.4 辐射源定位结果与雷达资料的对比
4） 磁场测量设备
磁天线的标定
4） 甚低频（VLF/LF)定位技术
4.1 一般原理方法 4.2 闪电定位系统
T t S 0 t m 2 T S t t 2 Sm 1 t T T
感应片在电场E中的感应电荷为：
Q t 0 ES t
感应电荷的微分就是感生电流
1060 1040
b
a
R
电场变化（V/m）
地 闪 的 识 别 依 据
电场变化
---
L
L
L L
45.05
45.1
时间（ms）
45.15
45.2
R
1020 1000 980 960 940 920 900 52.2
L L L L L L L L L
52.25
52.3
时间（ms）
52.35
52.4
8600
脉冲式声波
ｒ
θ Loud speaker
电波 电场变化仪
E-field antenna
声波与测量的电场变化
3) 电磁场测量系统
3.1 大气电场仪 3.2 快慢电场变化测量仪 3.3 磁场测量仪
2.1 地面大气电场仪
采用 倒置结构 使电场仪 能在恶劣 天气条件 下工作
感应片暴露的面积与时间t有如下的关系：
我国国家雷电探测网的初步规划
大约190 个探测站 组成，基 本覆盖我 国25个省 市区，初 步形成国 家雷电监 测网，
定位误差的优化(场地误差）
100.00
100.00 80.00 60.00 40.00 20.00 0.00 -20.00 -40.00 -60.00 -80.00 -100.00 -100.00 -60.00 -20.00 20.00 60.00 100.00