第三章雷电监测定位系统

1、 由于航天发射遭雷击，70 年代中期，美国研制了雷电定位系统用于雷电预警。雷电是电力中断的头号环境因素，在美国每年造成数十亿美元的损失，因此雷电定位系统在美国的电力系统电力系统得到快速发展，主要用于电电力系统雷击故障点的检测，航空雷暴区和森力系统雷击故障点的检测，航空雷暴区和森林火灾的预警林火灾的预警。 本世纪八十年代初，随着雷电物理、雷电物理、电子技术、计算机技术的发展电子技术、计算机技术的发展，美国科学家首先推出了一种探测闪电产生的低频电探测闪电产生的低频电磁脉冲的多站探测系统磁脉冲的多站探测系统，法国科学家在九十年代中期推出了甚高频甚高频(VHF)雷电探测系雷电探测系统统(干涉仪干涉仪)

2、。 经过 20 多年的发展，美国雷电定位系统在定位原理上经历了方向方向时差时差综合定综合定位系统位系统的发展；在范围上经历了从局部区域到全国联网，形成了国家级雷电监测网，并实现了雷电信息产业化。 当前的雷电定位系统运用了全球卫星定全球卫星定位系统位系统(GPS)、 卫星通信、卫星通信、 地理信息系统地理信息系统(G IS)等高新技术，形成了实时动态的多用途大型信息系统。 在我国，中科院空间应用中心、信息产业部电子第二十二研究所、中国科技大学、武汉高压所等单位于八十年代中后期亦先后开始研制闪电定位系统，并逐步形成了有自己特点的产品。 国内雷电定位系统也经历了方向方向时时差差综合定位综合定位这一发

3、展过程，目前国内运行的系统已全面按 “综合定位系统” 运行。 国内的雷电定位系统均为省市电网出资建立，基本上以省为单位自成一体，互不联系，没有数据交换，是独立的局部网,服务对象为电网，多年运行的数据没有充分利用，也有散失的可能，更没有向社会其他用户提供服务，实在是资源的浪费。 从当前的科技发展趋势和用户需求以及实际运行提出的问题来看，需要早日将现有独立的雷电定位系统联网组成统一的国家雷电信息网，成为国家防灾减灾预警网的组成部分，为社会广大用户服务；并建立有效机制,将过去 10年以及今后大量的运行观测数据进行有效的保存。雷电监测目测照相声探测器闪电定位仪大气电场仪光谱仪星载闪电探测器 雷暴观测包

4、括常规观测、特殊观测和非常规观测、特殊观测和非常规观测常规观测。 常规观测常规观测有地面、探空气球、系流气球、火箭、飞机等观测等，主要获取地面到对流层顶的温度、气压、湿度、风、雨量、云等气象要素资料。 特殊观测特殊观测是为了特定需要而进行的观测，可使用常规观测工具和非常规观测手段进行，如闪电定位系统进行雷电发生的位置、强度的观测等。 非常规观测非常规观测指使用现代化的探测手段进行的观测，如使用气象雷达观测雷暴云的回波强度、位置，雷暴云中气流的分布和运动及其它的演变过程等。气象卫星观测云的分布、强度、温度、辐射值等。 自动气象遥感观测站同样也可观测各种需要的资料。 十八世纪后期，Hoffert

5、(1889)利用照相机作水平快速移动摄影方法观测闪击: 获取闪电照片。观测闪电变化闪击是有分枝的，闪击之间有连续发光。两闪击的时间间隔为1/51/10秒， 这个时间显然是过大了。 二十世纪初，法国Walter（19021918）利用由时钟控制的可移动照相机。 精确地测出了闪击之间的时间，并照到了第一次闪击之先导，观测到第一次闪击是向下分枝的。但是他没有发现先导是梯级的。 同时，美国Larsen（1905）也进行了类似的闪电观测。 测量了闪击之间的时间，并记录到一次由40次闪击组成的闪电。但是分不清箭式先导。1、闪电的高速旋转照相法 1926 1926年博尹斯（年博尹斯（BoysBoys）设计了

6、一种旋转）设计了一种旋转式相机，后来称式相机，后来称BoysBoys相机，如图。相机，如图。 BOYSBOYS相机观测原理图相机观测原理图 由于该相机获取的闪电照片结构呈波纹由于该相机获取的闪电照片结构呈波纹状，所以时常将这种相机称为波纹状相机。状，所以时常将这种相机称为波纹状相机。 19291929年博尹斯又对他的相机作了进一步的年博尹斯又对他的相机作了进一步的改进，如图改进，如图 。旋转方向胶片镜头棱镜旋转胶片鼓具有移动的胶片和固定的光学系统的BOYS相机 高速线扫描高速线扫描照相机相机的结构：照相机相机的结构：视 频 放大 器 13 m 26m数字贮存记录器光纤窗闪电通道 雷雷 暴暴 云

7、云10241m=（f=50mm，d=4 km）物镜 驱 动 电 路时 钟 =10MHz 1 2 8 s / scan 图象放大器增益=3 倍350nm950nm一维CCD图象感应器(1024象点)8bit50Msamp/s.64字高速成线扫描照相机原理图高速成线扫描照相机原理图 物镜、图象辅助（放大）物镜、图象辅助（放大）装置、一维荷电耦合器件（装置、一维荷电耦合器件（CCDCCD）图象感应器、一个探测器驱动器图象感应器、一个探测器驱动器和一视频放大器。和一视频放大器。 CCDCCD图象感应器是由图象感应器是由10241024个高灵敏度的硅光敏二极管个高灵敏度的硅光敏二极管组成的一线性阵列，每

8、一光敏二组成的一线性阵列，每一光敏二极管的宽度为极管的宽度为1313 m m、长为、长为2626 m m，所有的光敏二极管与所有的光敏二极管与CCDCCD移位寄移位寄存器相连接。以约存器相连接。以约10MHz10MHz右旋速右旋速率驱动感应器，帧速率以约每秒率驱动感应器，帧速率以约每秒78007800扫描，图象放大器对波长由扫描，图象放大器对波长由低于低于350nm350nm到到950nm950nm敏感，并且具敏感，并且具有有600nm600nm的的辐射光到物镜后。的的辐射光到物镜后。图象感应器充足的曝光，调节图图象感应器充足的曝光，调节图象放大器将入射光可放大象放大器将入射光可放大3030倍

9、，倍，并且选择光纤窗的图象器减小光并且选择光纤窗的图象器减小光的透射。的透射。 从空间探测闪电已经有30多年的历史, 一些卫星闪电探测仪器已提供了许多极有价值的资料。例如, 闪电全球范围内发生的频率, 其随纬度和季节的变化以及日变化, 超级闪电的发生等等。 这些资料在雷电灾害预警预报、强对流天气监测、某些军事目标的识别等业务和科研工作中得到了应用。 在大陆上已建立了一些相当密集的雷电监测站网。这些站网虽然能较准确地对其附近发生的雷电进行定位和计数, 甚至可测量闪电光谱和无线电信号, 但由于其布点的局限性, 它们很难给出全球范围的闪电分布图像。 从空间观测, 可以覆盖很大的地球面积。如果采用地球

10、静止与极轨卫星多星联合的观测方式, 则可连续实时地监测全球几乎所有的闪电活动。 在地面可观测的雷电信号有闪光、雷电电磁脉冲、闪电电流及由冲击波产生的声波(即雷声)。地面闪电电定位系统通常是利用雷电电磁脉冲 (即由闪电造成的无线电频段的电磁波信号)进行定位的。 而在空间观测闪电, 则主要利用的是其闪光信号。 超级闪电首先为Vela 卫星观测所揭示 , 其峰值功率在 10 11 1013 W 之间, 光脉冲持续时间约1ms。大约1000 个闪电中约有3 个其光功率超过1011 W , 1 千万中有5 个超过310 12W。这些超级闪电的光辐射功率与大气层中中小当量核爆炸闪光的光辐射功率基本相当。超

11、级闪电分布于全球, 但大多数发生在近日本海洋的北太平洋上。与一般的闪电不同, 它们是云中正电荷对地放电, 即正极性的云地闪。超级闪电 雷暴云顶向平流层(有的可达 90 km 高度)的放电闪光现象, 已被高空和航天飞机上的手持摄像机以及卫星上的(微光)相机拍摄到。“平流层闪电”引起了中高层大气和空间物理学家的极大兴趣, 但因其发光面积大很分散、比较弱, 观测到的次数不多, 所以我们对其特征和作用的了解还不够, 还需要更多的观测和研究。 前苏联和美国的一些地外行星宇宙飞船上搭载了一些光偏振仪、电场探测器、电磁仪以及光学探测器。这些仪器的观测揭示或进一步证实了在金星、木星和土星上有闪电活动。从已有观

12、测资料推断, 金星上每年每平方公里发生不到30 个闪电, 木星上约为40 个。 监测全球雷电分布的最佳平台是空间平台。已上天的闪电光学探测器的发展特征可以概括成如下几点: (1)从附属探测到专用(2)从硅光电管(阵)到CCD 阵列(3)从仅仅是午夜探测到全天候(4)从高极轨轨道到高中低极轨与地球静止轨道相结合; (5)从宽谱探测到多谱段结合; (6)从极低空间分辨率(700 km)到高分辨率(10 km); (7) 从低探测率效率( 5%)到高探测效率(约90%)。大气电场的测量大气电场的测量 大气电场是大气电学的一个最基本的参数，大气电场的测量也是一个最基本的测量，根据测量的大气电场可以对大

13、气中的电状况有一个全面的认识，同时也为推算大气中的其它各大气电学参数提供基本的已知量。 早期，在地面测量用电场仪，其输出的是交流信号，信号的大小正比于场强，将这些信号显示或记录，或经整流给出直流输出。 为了确定电场极性需要另加电路。就是在仪器配置一对板极或栅网，其面积要大于电场仪转动盘的面积，两板间相隔一定距离，并加上电压。（1 1）大气静电场的平板天线的测量）大气静电场的平板天线的测量（b b）与电子线路相连的平板天线）与电子线路相连的平板天线 地面大气静电场强度可以利用测量天线与大地之间的电压来确定。地面大气静电场强度可以利用测量天线与大地之间的电压来确定。感应大气电场的天线可以是平板、球

14、或垂直的金属导线。感应大气电场的天线可以是平板、球或垂直的金属导线。 C CC Cg gC Cc c平板平板天线天线V VR R平板平板天线天线V V V VVg=EhVg=EhC Cg gC Cc c(a)（b）(a)(a)未接到电子线路上的平板天未接到电子线路上的平板天线线 如上图如上图a a，有一平板天线，天线方向垂直于电场矢量，平行，有一平板天线，天线方向垂直于电场矢量，平行于地面，即沿着一等位面。假定电场分布均匀，天线离南面距离为于地面，即沿着一等位面。假定电场分布均匀，天线离南面距离为h h。在天线没有负载情况下天线附近的电场为在天线没有负载情况下天线附近的电场为E E，而大地和天

15、线之间的电位，而大地和天线之间的电位差是差是Vg=Eh Vg=Eh ，天线与云电荷中心之间的杂散电容为，天线与云电荷中心之间的杂散电容为C Cc c，天线与地之间，天线与地之间的杂散电容为的杂散电容为C Cg g，且，且C Cg g C Cc c，云电荷中心与地之间的电位差为云电荷中心与地之间的电位差为V V。云。云地电位差沿地电位差沿C Cc c ， C Cg g被分压。被分压。 C Cg g上的电位差是上的电位差是 cggcCVVCC由于由于v vg g=Eh=EhcgcCCVE hC（6.1）（6.2）cgcCvVCCC 如图如图6.4b6.4b，测量电路接上天线，测得电位，测量电路接上

16、天线，测得电位V V，它小于，它小于V Vg g ，这时，这时RCRC电路为天线的负载，假如电路为天线的负载，假如R R远比远比C C大，则在确定大，则在确定V V时，只需考虑时，只需考虑C C的作的作用。用。C C和和C Cg g构成并联电路，电压为构成并联电路，电压为（6.3）将（将（6.26.2）式代入（）式代入（6.36.3）式，消去）式，消去V V就得就得cggcCCvEhCCC（6.4）由于由于C Cg g C Cc c ，所以上式近似为，所以上式近似为 由（由（6.56.5）式可见，测得的电压正比于地面电场）式可见，测得的电压正比于地面电场E E。而其比例系数而其比例系数h Ch

17、 Cc c / /（ C Cg g+ C+ C）可以通过计算或测量）可以通过计算或测量确定。实际上，确定。实际上，C C C Cg g ，故，故C C用来控制测量电压大小。用来控制测量电压大小。R R的作用是使电压的作用是使电压V V有一时间常数有一时间常数R R（C+CC+Cg g），或如当），或如当C C C Cg g ，时间常数为，时间常数为RCRC。如果。如果RCRC大于所要测量的时大于所要测量的时间间 ，则，则R R对测量的影响即可忽略。对测量的影响即可忽略。ggCvEhCC（6.5）R C电压跟随器电压跟随器R0CG （a）（b）R CCGR0积分器积分器 两种静电场测量天线系统。

18、平板天线的电子积分提供的积分电压正比两种静电场测量天线系统。平板天线的电子积分提供的积分电压正比于平板上荷电量，与环境电场成比例。于平板上荷电量，与环境电场成比例。 上图电子积分是通过积分电路实现的；下图中积分是通过天线底部处上图电子积分是通过积分电路实现的；下图中积分是通过天线底部处的电容到地进行的。图中的电容到地进行的。图中C CG G是天线与地面之间的电容是天线与地面之间的电容, R, R0 0是电缆终端的电是电缆终端的电容容, , 相对电阻相对电阻R R是对于放电积分电容是对于放电积分电容C, C, 这样具有时间常数这样具有时间常数RCRC输出电压趋向输出电压趋向于于0 0。图中两系统

19、的上限频率为。图中两系统的上限频率为1MHz1MHz，最低频率为，最低频率为0.1Hz0.1Hz。 闪电场波记录器方框图闪电场波记录器方框图直接固定地球周围地面的平板天线电场测量仪直接固定地球周围地面的平板天线电场测量仪 天线积天线积 分分 器器双匹配双匹配(805)波形记录器波形记录器双线示波器双线示波器a 天线积天线积 分分 器器2sec 延迟线延迟线 绝对值放大器绝对值放大器双线示波器双线示波器 外部外部 触发触发b 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的垂直分量，感应器采用平板状。 为同时测量大气电场的三个分量，感应器作成球型天线。（2 2）

20、旋转（场磨）式大气静电场仪）旋转（场磨）式大气静电场仪 为观测晴天条件下的地面大气电场，以及观为观测晴天条件下的地面大气电场，以及观测雷暴天气条件下地面大气电场和闪电所引起地测雷暴天气条件下地面大气电场和闪电所引起地面大气电场的变化。用电子学方法进行电场强度面大气电场的变化。用电子学方法进行电场强度的监视时间是电子系统中等效的监视时间是电子系统中等效RCRC的函数，它只能的函数，它只能在秒量级的时间内是可行的，要长时间测量大气在秒量级的时间内是可行的，要长时间测量大气电场强度则采用称之电场强度则采用称之旋转式场磨仪旋转式场磨仪，其原理是根，其原理是根据导体在电场中产生的感应电荷原理，来测量大据

21、导体在电场中产生的感应电荷原理，来测量大气电场。仪器由大气电场感应器、信号处理电路、气电场。仪器由大气电场感应器、信号处理电路、显示系统和雷暴警报器等四部分组成。显示系统和雷暴警报器等四部分组成。大气电场感应器大气电场感应器 它由上、下两片相互平的、有一定间距形状、相似的它由上、下两片相互平的、有一定间距形状、相似的4 4叶片连接在一起的叶片连接在一起的对称扇形金属片组成。下面的金属片用来感应电荷，固定不动，称为定片。上对称扇形金属片组成。下面的金属片用来感应电荷，固定不动，称为定片。上面的金属片由马达驱动旋转，称为动片，并与地相联接，它既起屏蔽定片的作面的金属片由马达驱动旋转，称为动片，并与

22、地相联接，它既起屏蔽定片的作用，又使叶片暴露于大气电场中。用，又使叶片暴露于大气电场中。 当动片旋转时，定片便交替地暴露在大气电场中，由此产生交变电信当动片旋转时，定片便交替地暴露在大气电场中，由此产生交变电信号，信号的大小与大气电场强度成正比。号，信号的大小与大气电场强度成正比。地面大气电场仪原理方框图地面大气电场仪原理方框图马马达达马马达达控控制制电电路路定片定片动片动片信号处理电路信号处理电路 时标电路时标电路雷暴警报器雷暴警报器记录器记录器打印机打印机接触电刷接触电刷1 1）大气电场感应器）大气电场感应器 2 2）信号处理电路）信号处理电路3 3）显示系统）显示系统4 4）雷暴警报器）

23、雷暴警报器 当动片旋转时，它对定片起周期性的屏蔽作用，于是定片一会完当动片旋转时，它对定片起周期性的屏蔽作用，于是定片一会完全暴露于大气中，一会儿则完全屏蔽掉，有时只露出一小部分。如果定全暴露于大气中，一会儿则完全屏蔽掉，有时只露出一小部分。如果定片有面积为片有面积为S S暴露于大气中，在它上面出现感应电荷暴露于大气中，在它上面出现感应电荷Q，则有，则有其中其中Q Q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有关系有关系 由此可得板上的电荷与场强的关系为由此可得板上的电荷与场强的关系为 如果定片与接地的电阻如果定片与接地的电

24、阻R R相接，则当定片完全屏蔽时，其上的相接，则当定片完全屏蔽时，其上的电荷经电阻电荷经电阻R R流向大地。由于定片被动片周期性屏蔽，定片上的电荷周流向大地。由于定片被动片周期性屏蔽，定片上的电荷周期性地通过电阻期性地通过电阻R R流向大地，这样在流向大地，这样在R R上产生交变电流信号，这一电流极上产生交变电流信号，这一电流极微弱，它通过信号处理电路处理。微弱，它通过信号处理电路处理。 4E ESQ4QS 信号处理电路，它将交变电信号进行放大等处理为显示系统所要求的信号； 显示系统，它可以用示波器，或用打印机、或记录器等显示大气电场信号; 雷暴警报器，根据测量的电场的大小和变化，预测雷暴出现

25、的可能，并发布近距离雷暴警报。 下图是下图是MalanMalan和和Schonland(1950)Schonland(1950)所描述的另一种电磨仪器所描述的另一种电磨仪器, , 该该仪器能响应小于仪器能响应小于1 1毫秒的电场变化毫秒的电场变化, , 它是由多叶的接地圆盘它是由多叶的接地圆盘, , 位于固位于固定的电极上旋转，这些固定电极以凸触式的圆钉安装在绝缘盘上，且定的电极上旋转，这些固定电极以凸触式的圆钉安装在绝缘盘上，且与接地负载电阻与接地负载电阻R R并联，并联，R R两端产生的电位两端产生的电位V V送入示波器显示。送入示波器显示。 叶片为叶片为N N的旋转盘以的旋转盘以n n转

26、转/ /秒转动秒转动，其输出的交流电压频率为，其输出的交流电压频率为Nn /Nn /秒，秒，可对可对2020伏伏/ /米的电场产生米的电场产生1 1厘米的位移厘米的位移，响应时间为，响应时间为0.40.4毫秒。毫秒。 为指示电场为指示电场方向，在圆盘径向切出两个较其它槽方向，在圆盘径向切出两个较其它槽深的、相对着的长槽，然后在靠近轴深的、相对着的长槽，然后在靠近轴的地方装上一对额外的凸触式的圆钉的地方装上一对额外的凸触式的圆钉，当这对凸触式的圆钉每半周暴露一，当这对凸触式的圆钉每半周暴露一次时，就造成讯号突增，这样当电场次时，就造成讯号突增，这样当电场为正时，在显示波形的一边有指示，为正时，在

27、显示波形的一边有指示，否则在另一边有指示。否则在另一边有指示。 R RV V金属翼轮金属翼轮带凸带凸触式触式的圆的圆钉绝钉绝缘环缘环支支架架驱动带驱动带水银接地杯水银接地杯静电场计静电场计 闪电定位的方法可分为两种：单站定位和多站定位法 （1）单站定位法 单站定位系统是利用闪电电磁场相位差闪电电磁场相位差和闪电天、地波到达时间差和闪电天、地波到达时间差的原理的原理而制作的。可以测量250公里范围内地闪的方位、距离、强度和极性。 闪电定位仪的原理方框图如下图所示，小型化偶极子电场天线位于正交环状磁场天线的对称轴上方，外面用玻璃钢罩保护。 三通道接收机由前置放大器、滤波器和线性放大器组成，磁场通道

28、另加有积分器电路，通带宽为5003.50105Hz，增益设高、中、低三挡。信号的高速采样器，采样速率有10,5,2.5,1.25,0.625,0.3125,0.15625,0.078125108/s共八挡。闪电单站定位仪原理方框图 触发控制器由模数电路构成的云地闪识别器，其功能是区别地闪和云闪。它只接收地闪信号，拒绝云闪信号及非闪电干扰。 云地闪鉴别器软件具有更强的甄别功能，以在复杂的干扰条件下能正确无误地只接收地闪信号。 信号实时处理软件进行地闪信号的测向、测距、强度和极性等计算。对于140公里以内的地闪，主要根据甚低频（ELF）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公里

29、以外的地闪，根据改进了的地波和一次天波到达时间差方法测距。 系统终端给出地闪的方位、距离、强度和极性等参数，以及彩色图象显示结果。 采用单站测量只能确定闪电的方向，如要确定雷电的位置，则必须由多个测站完成。 雷暴的多站定位 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天线，分别指向南北和东西的定向仪，接收闪电发出的讯号。 磁定向法(MDF) 闪电讯号到达时间(TOA)定位法； 磁定向(MDF)和讯号到达时间(TOA)综合法。 闪电产生大量电磁脉冲，但是只有其中的一个很关键，在地面闪击源定位中使用，如右图，显示了在60公里范围处的典型的闪电放电产生的电磁辐射场脉冲，右图（a）是云闪，右图（b）是第一回击，右图（c）是随后闪击，应用合适的电子设备仪器，仅使第一回击电磁波通过，而拒绝云闪电磁波。 在距闪电60km处的辐射场磁定向跟踪法（MDF) 磁定向跟踪法经十年的努力在美国