第三章 雷电监测定位系统

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得到快速发展，主要用于电力系统雷击故障点的检测，航空雷暴区和森林火灾的预警。

本世纪八十年代初，随着雷电物理、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(VHF)雷电探测系统(干涉仪)。

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—时差—综合定位系统的发展；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位系统(GPS)、卫星通信、地理信息系统(GIS)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—时差—综合定位这一发展过程，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括常规观测、特殊观测和非常规观测。

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(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1/5~1/10秒，这个时间显然是过大了。

二十世纪初，法国Walter（1902~1918）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年博尹斯（Boys）设计了一种旋转式相机，后来称Boys相机，如图。

BOYS相机观测原理图

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。

1929年博尹斯又对他的相机作了进一步的改进，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

高速线扫描照相机相机的结构：视频放大器13

m26

m数字贮存记录器光纤窗闪电通道

雷暴云10241m=（f=50mm，d=4km）物镜

驱动电路时

钟=10MHz

128

s/scan

图象放大器增益=3

倍350nm~950nm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

物镜、图象辅助（放大）装置、一维荷电耦合器件（CCD）图象感应器、一个探测器驱动器和一视频放大器。

CCD图象感应器是由1024个高灵敏度的硅光敏二极管组成的一线性阵列，每一光敏二极管的宽度为13

m、长为26

m，，所有的光敏二极管与CCD移位寄存器相连接。以约10MHz右旋速率驱动感应器，帧速率以约每秒7800扫描，图象放大器对波长由低于350nm到950nm敏感，并且具有600nm的的辐射光到物镜后。图象感应器充足的曝光，调节图象放大器将入射光可放大30倍，并且选择光纤窗的图象器减小光的透射。

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—

1013W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3×1012W。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90km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(700km)到高分辨率(10km);(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）大气静电场的平板天线的测量（b）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。感应大气电场的天线可以是平板、球或垂直的金属导线。CCgCc平板天线VR平板天线V

VVg=EhCgCc(a)（b）(a)未接到电子线路上的平板天线

如上图a，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h。在天线没有负载情况下天线附近的电场为E，而大地和天线之间的电位差是Vg=Eh，天线与云电荷中心之间的杂散电容为Cc，天线与地之间的杂散电容为Cg，且Cg

Cc，云电荷中心与地之间的电位差为V。云地电位差沿Cc

，Cg被分压。Cg上的电位差是

由于vg=Eh（6.1）（6.2）

如图6.4b，测量电路接上天线，测得电位V，它小于Vg

，这时RC电路为天线的负载，假如R远比C大，则在确定V时，只需考虑C的作用。C和Cg构成并联电路，电压为（6.3）将（6.2）式代入（6.3）式，消去V就得（6.4）由于Cg

Cc

，所以上式近似为

由（6.5）式可见，测得的电压正比于地面电场E。而其比例系数hCc/（

Cg+C）可以通过计算或测量确定。实际上，C

Cg

，故C用来控制测量电压大小。R的作用是使电压V有一时间常数R（C+Cg），或如当C

Cg

，时间常数为RC。如果RC大于所要测量的时间，则R对测量的影响即可忽略。（6.5）R

C电压跟随器R0CG

（a）（b）R

CCGR0积分器

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。

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CG是天线与地面之间的电容,R0是电缆终端的电容,相对电阻R是对于放电积分电容C,这样具有时间常数RC输出电压趋向于0。图中两系统的上限频率为1MHz，最低频率为0.1Hz。

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

天线积

分器双匹配(805)波形记录器双线示波器a

天线积

分器2

sec延迟线

绝对值放大器双线示波器

外部

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）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的监视时间是电子系统中等效RC的函数，它只能在秒量级的时间内是可行的，要长时间测量大气电场强度则采用称之旋转式场磨仪，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。①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4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马达马达控制电路定片动片信号处理电路

时标电路雷暴警报器记录器打印机接触电刷1）大气电场感应器2）信号处理电路3）显示系统4）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△S暴露于大气中，在它上面出现感应电荷△Q，则有其中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有关系

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R相接，则当定片完全屏蔽时，其上的电荷经电阻R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R流向大地，这样在R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。②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；③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;④雷暴警报器，根据测量的电场的大小和变化，预测雷暴出现的可能，并发布近距离雷暴警报。

下图是Malan和Schonland(1950)所描述的另一种电磨仪器,该仪器能响应小于1毫秒的电场变化,它是由多叶的接地圆盘,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，且与接地负载电阻R并联，R两端产生的电位V送入示波器显示。

叶片为N的旋转盘以n转/秒转动，其输出的交流电压频率为Nn/秒，可对20伏/米的电场产生1厘米的位移，响应时间为0.4毫秒。为指示电场方向，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，否则在另一边有指示。RV金属翼轮带凸触式的圆钉绝缘环支架驱动带水银接地杯静电场计

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和闪电天、地波到达时间差的原理而制作的。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，磁场通道另加有积分器电路，通带宽为500~3.50×105Hz，增益设高、中、低三挡。信号的高速采样器，采样速率有10,5,2.5,1.25,0.625,0.3125,0.15625,0.078125×108/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。①磁定向法(MDF)②闪电讯号到达时间(TOA)定位法；③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①磁定向跟踪法（MDF)

磁定向跟踪法经十年的努力在美国建立了这种网。磁定向跟踪法的原理见下图，磁定向器（DF）感应器由两个正交线圈天线组成，与测量闪击方位的电子线路相连接，当两个方向定向器

检测到一闪击，由可得三

个位置和得到一个最佳的

估计。但是也可能发生很

差的估计，如当两个磁定

向器测量的闪击出现于两

定向器的基线（连接线）

上。这称之基线误差，此

时方位误差是很大的，因

此大多数定向网具有三个

或以上的探测器。时间到达(TOA)定位法

时间到达(TOA)定位法是根据不同位置的闪电探测器接收到同一闪电发出的闪电信号的到达时间确定