第二章 闪电探测技术

1、1,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,2,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。,3,F（Hz),Amplitude,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（VLFUHF），其中以VLF/LF辐射为最强。,雷电频谱分布,4,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

2、高的频率，如300M300GHz的微波，还有10141015Hz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。,5,预击穿、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；与回击过程的辐射相比，这些过程在甚高频、超高频段辐射较强。 即低频闪电电磁脉冲辐射主要由地闪产生, 云闪产生的电磁脉冲辐射主要分布在VHF 频段, 从上图中(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。,6,7,主要内容,一、地基闪电定位技术 甚低频（VLF/LF)定位技术 甚高

3、频（VHF）定位技术 二、星载雷电探测、定位技术 光学闪电探测 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,8,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,9,20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300500km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，

4、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。,VLF/LF的MDF定位技术,1.发展历史,10,20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M

5、DF技术及其多站网络，使实时雷电定位技术变成现实。,11,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。,2.技术原理,12,3.工作程序,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； 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； 将处理结果(位置、强度等参量)实时发给各图形显示终端。,13,二站磁方向闪电定位交汇点示意图 a,二站磁方向闪电定位交汇点示意图 b,实线：雷击点的测量方位角； 虚线：方位角测量中的随机误差；

6、实心圆：雷击点的估计位置； 阴影部分：不确定的雷击点位置。,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。,14,三站及三站以上定位示意图,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 的最小值确定的； 虚线：估计的最理想位置的方位角矢量。,和 是未知的方位角以及电场峰值， 和 是在第i个观测站得的方位角以及电场峰值， 是测量的标准误差。,15,4.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

7、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23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。,16,5.国内情况,80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。 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

8、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。,17,1.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。,VLF/LF的TOA定位技术,18,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303000MHz；长基线系统通常工作在甚低频，即3300kHz。 短基线系统可以模拟闪

9、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。,2. 分 类,19,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d（titj）C，即：击地点位于以i，j 两站为焦点、到两站距离差恒为d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

10、计算出雷击点最可能发生的位置。,3. 双曲线法定位原理,20,三站定位示意图,二站定位示意图,21,双曲面是一种二次曲面。 双曲线的实轴包含了两个焦点，虚轴是两个焦点的中分线。绕着实轴，旋转此双曲线，得到旋转双叶双曲面。绕着虚轴，旋转此双曲线，得到旋转单叶双曲面。,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。,旋转双叶双曲面,旋转单叶双曲面,22,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： 1）对测时精度要求较高； 2）且至少要3站才有可能

11、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。,4. 优 缺 点,23,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。,VLF/LF的MDF和TO

12、A综合定位技术IMPACT,24,定位原理,若两个探测仪接收到电磁波信号，采用一条时差双曲线和两个方位角的混合算法计算回击位置； 若有三个探测仪接收到电磁波，在非双解区域，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接收到数据时，先取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。,25,美国闪电定位网（NLDN）,美国国家闪电定位网（NLDN）采用IMPACT技术,26,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

13、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和位置。自从1995年7月1日以后，得到的数据包括时间、地点、峰值电流和由NLDN探测得到的首次回击及继后回击的极性。,27,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

14、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。,28,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。,29,日本株式会社山光社（Sanko

15、sha 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。,30,近期，时间到达法系统有限公司（Time of Arrival Systems Inc. ）在时间到达法技术基础之上发展了先进的闪电定位系统ALPS （Advan

16、ced Lightning Positioning System） 。,31,甚高频（VHF）定位技术,1.时差法（TOA）： 长基线时差法 短基线时差法 2.干涉仪法（ITF）： 宽带干涉仪 窄带干涉仪,32,1. 时 差 法,基本原理是通过确定闪电辐射到达两个或几个相距很远的接收机的时间差来确定辐射源的位置。 首先要得到这个辐射源到达不同测站的时间差，根据时间差计算出信号源的坐标并且检查该计算结果与所有多余的时间差计算结果的一致性。 不同测站的每一个时间差定义出一个双曲面，VHF辐射源就在这个曲面上。计算辐射源的位置就等于是找出三个双曲面的交点。,33,34,第一种 proctor（197

17、1年）首先利用长基线时差法发展了三维闪电通道VHF辐射源测量系统， 优点：得到的资料最详细，由此产生的雷电通道重建提供了非常有价值的关于雷电通道形成的相关信息，特别是云内闪电通道的形成。 缺点：分析工作非常繁琐。 组成：辐射信号的接收通过安置在两相交基线上的五个宽带垂直极化天线来完成的。,1983年Proctor的长基线-时差法系统的天线分布图,长基线时差法,35,工作情况,工作频率：253MHz或355MHz； 带宽：5MHz（中间站带宽为10MHz）； 空间分辨率规定为100m； 误差：因为基线不垂直，所以z方向上的标准误差远大于x和y方向上的标准误差，x和y方向的误差大约是25米，z方向

18、上的误差(主要是仰角)在0测站约为100米，在(-3,-3,4)km处为300米，在(-6,-6,2)km处为1000米。 记录甚高频脉冲宽度范围约在0.2s到2s。平均而言，每70s获得一次甚高频位置。 三个双曲面（四站）的交点可被认为是所确定的位置，第五站采用冗余，以确认四个站点的位置是否适当。,36,按辐射波形，Proctor把辐射源分成两种： 脉冲：持续时间小于等于3微秒的辐射波形 Q噪音：持续时间较长的辐射波形被称为Q噪音，它一般持续几十至几百微秒或更长。 这种技术对脉冲波形定位效果最好，而对Q噪音则比较困难。,研究结果,37,对一个地闪辐射源定位结果表明云内主要放电活动基本上水平发

19、展，证实了前人利用地面电场变化观测的结果。 研究了大量闪电放电个例后，突出了地闪时空演变的普遍特征： （1）闪电发生高度约为5.5km； （2）梯级先导有很多分叉； （3）首次回击通常冲过闪电起始位置并向上延伸； （4）闪击间放电过程发生于云内较高的区域并向上和向下延伸； （5）继后回击冲过前期闪电活动区域后水平发展； （6）发生在回击结束时刻和闪击间过程的垂直流光在延伸过程中消失，而水平流光则继续发展。 这些结果极大地丰富了人们对闪电特特征的认识。,38,第二种 LDAR（Lighting Detection and Ranging system)是肯尼迪航天中心用于发射火箭发展起来的(Po

20、ehler and Lennon1979) ； 由两个同步、相互独立的天线网组成； 若系统得到一个有效的辐射源位置，则两个网测到的信号必须完全一致，且定位精度必须在一定范围内一致； 两个网得到的多余的数据对于排除背景噪声非常重要。 各测站测得的闪电信号可以实时处理，由于传输速度的限制，也可以分别存储下来，以后再做分析处理。,39,随后一种新型的LDAR代替了上面的系统并被用于一些研究工作 , 由七个组成部分：6个天线大致安装在六边形的顶点，中心是第7个天线，信号通过微波与处理器连接。,0,1,2,3,4,5,6,带宽：6M 工作频段：可选6066MHz或222228MHz两个频段 当中心天线来

21、的信号超过触发阈值时，系统开放一个80微妙的窗口，且把来自每一个天线辐射脉冲的峰值及其发生时间存储进窗口，将数据传送到计算机工作站计算出信号源的位置。每秒钟最多可处理10000个脉冲。,工作情况,40,算 法,计算一个信号源位置必须得到该信号到达四个天线（必须包含中心站的天线，其它天线用以减少误差）的时间； 七个天线提供了20种可用于求解的组合。 最初，系统将两个基线联合起来计算，得到最能区分定位结果的误差，并检查两个联合的基线中每一个所给出的相应坐标误差是否保持在5%内或小于350米，如满足，则这两个解的平均值为计算结果；如不满足，则利用所有20种组合来求解，并检查每一种组合计算出的坐标，看

22、有多少种组合满足上述条件，拥有最多数目的组合求得的解作为系统的解。,41,误 差,每一个天线的随机误差为50ns； 定位结果的误差随信号源的范围和高度不同而不同； 对于范围在网络周长内、海拔高度在3km以上的信号源，误差的典型值为50100m； 误差在低海拔有细微的增大，并且在40km内误差为1km； 在40km处的定位误差大部分都是由于从中心天线到信号源的水平辐射信号造成的。,42,第三种 肯尼迪航天中心发展的（Thomson et al.,1994），这套系统有5个站，中心一个测站，其他四个站分布在距中心测站大约10km的不同方向上，任意4个测站得到的信号都足以用来决定随机出现的信号源的位

23、置，在这套系统上空发生的信号，定位的误差在100m以内，这一系统在美国肯尼迪航天中心的雷电监测和预警中发挥了重要作用。,0,1,2,3,4,Thomson系统示意图,43,美国New Mexico Institude of mining and techeology 最近发展的最完善的一种新型的雷电观测系统LMA（Lighting Mapping Array）,原理是利用GPS系统和时差技术定位雷电的VHF辐射源。是长基线辐射源定位方面的最新进展。 该系统仍是利用多个测站（一般为6个或更多）； 每个测站均在6066MHz频带内利用一个20MHz数字转换器琐相到每秒输出一个脉冲的GPS接收机上的

24、方法，精确的测量闪电辐射到达测站的时间，时间精度为50ns。LMA系统可探测几百到几千个辐射事件，所以在直径为100km的范围内可以精确的描绘闪电的三维结构 。 由于系统具有高速记录存储功能，所以不仅可对单个闪电进行描述，也可以对雷暴中的闪电活动进行监测。,44,该系统在2000年夏季STEPS(Severe Thunderstorm Electrification and Precipitation Study)实验中是雷电观测的主要手段。实验在美国Kansas州 西部和Colorado州东部地区共立了13个测站，探测范围达300公里，进行了三个月的观测，取得了大量的观测资料，揭示了许多有意

25、义的新结果。,45,46,47,48,49,STEPS实验中 2000年6月12日0:03(UT)一次典型的正常极性的云内放电。图a、b、c、d、和e分别表示闪电VHF辐射源高度随时间的变化(a)、在东西方向立面投影(b)、数目随高度的直方图分布(c)、平面投影(d)和南北方向立面上的投影(e)。整个闪电持续时间约1s，闪电呈双层结构，分别处于9-11km和68km，对应于上部正电荷区和中部负电荷区。,50,长基线的局限性： 虽然长基线的TOA辐射源定位系统有较高的定位精度，但由于需要多站同步观测势必增加GPS等许多观测设备，在某些多山地区观测时，地形也会造成非常不利的影响。,51,与长基线时

26、间到达法的区别： 1）基线短； 2）设备相对简单，对地形的要求低得多； 3）相对容易判别对应同一事件的脉冲； 4）定位精度相对低，只适用于近闪电的定位。 相对于干涉仪来讲： 1）不存在定位结果的唯一性问题； 2）比干涉仪更能连贯地描述闪电发展过程。,短基线时差法,52,覆盖的区域被分成了七个象限，根据 信号的时间、方位角、仰角进行编号。 六个象限中的每一个以60仰角在方位角上旋转60，第七个象限以大于30的仰角覆盖整个方位角。 辐射信号大于系统阈值时，被天线接收并归到适当的象限。同一信号到达两个天线的时间差决定了VHF辐射源的方位角和仰角。时间差精度0.5纳秒，足以给出误差在0.5以内的方位角

27、和仰角。利用相距15-20km的两套VHF系统，能得到VHF信号的三维图像。,Taylor1984年改进的系统（未投入使用）,五个天线：三个安装在边长为13.7米的等边三角形的三个顶点，三角形中心由两个天线构成长度为13.7米的垂直基线。,Taylor（1978）发展了第一个闪电VHF辐射源短基线时差定位系统,可对频段在2080MHz内的辐射源进行定位。,53,该系统首先要证明一个天线接收的VHF信号与其他天线接收的信号是相同的信号，这一点不容易做到且需要两个测站的时间同步性大致在10微秒以内。(Taylor(1978)分析了同步的两个天线阵的数据，发现其同步性比信号本身的时间精度要更精确，现

28、在利用GPS时钟同步很容易实现两套系统的同步)。一旦两个天线阵接收到同一个信号，信号源的三维坐标就可以通过计算得到。 这一系统不可能得到绝对的一维或三维位置，因为在一定的时间窗内相一致的信号实际上并不是来自同一个源。然而大量的定位结果也是很可靠的，因为定位结果中不可能有很多脉冲是错误的闪电信息。而且，通过对比天线阵的时间差和计算得到的时间差可以得到信号源的细节。,54,该系统采用硬件直接读取时间差技术，对设备各通道的一致性要求极高，而且只适合处理规则的孤立脉冲信号，对复杂电场波形难以有效处理；为了消除干扰信号的影响和减小误差，需要增加许多复杂的设备，数据处理十分繁琐，这大大降低了系统的实用性，

29、因此之后一直没有得到应用和发展。,55,系统的主要性能指标,1.中心频率：280MHz 2.带宽：10MHz 3.采样频率：2G/s 4.辐射源定位的最小时间间隔：1s 5.有效探测距离： =10km 6.定位误差 方位角： 1 仰角: 3 ,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所张泉硕士20012003年曾做过一些尝试性的工作,56,1.工作原理,两个接收天线的情况 A、B为接收天线， d为基线 入射电磁波与基线成夹角，信号到达两个天线的时间差T与入射角的关系为：,测得电磁波到达两天线的时间差T ，就可以计算出闪电辐射源和基线的夹角（）。两个相互独立的基线可以得出闪电辐射源的二维坐标。,57,野

30、外观测场地及天线阵列,本次实验时间为2002年7.9-8.25。 实验地点是青海省大通县新庄乡小学。海拔2534米，地处南北向的扇形山谷。夏季常有南、北方向过境的雷暴。 基线长度 10米 天线底部距离地面1.83米 天线本身长 2.15米,图为天线阵列实地照片,58,时间：8月12日14点57分 时间跨度为100毫秒。 声、光差为5秒 本次闪电共有6次回击，但辐射源定位只在前两次回击有记录，辐射源定位结果比较清晰地描绘出先导过程向下发展的趋势。 图中比例每格10毫秒。,首次回击,继后回击,地闪12145720,快天线,慢天线,59,右上图为辐射源定位的方位角、时间图 下图为辐射源定位结果的仰角

31、、方位角图。,首次回击,继后回击,S,60,右图为闪电12145720的地面投影。,0,90,180,270,首次回击,继后回击,61,云闪15201001 声、光差：11.82秒。图中比例：每格10ms。 最初20毫秒时间里发生在主负电荷区的K变化向上发展到上部正电荷区域，速度为：8.25*10-4米/秒。,慢天线,快天线,62,右上图为辐射源定位结果的方位角、时间图。 下图为辐射源定位结果的仰角、方位角图。,正电荷区域,负电荷区域,63,图为闪电15201001的地面投影。,270,0,90,180,S,64,定位效果,对近距离地闪先导过程和云闪能够较好定位，许多观测结果也表明这两种情况下

32、闪电产生大量适合辐射源定位的VHF辐射。 由于系统只能确定辐射源的二维坐标，所以无法确切地描绘闪电云内变化的情形。 定位点有一定的弥散性，主要原因可能是：由于目前探测距离还相对较近，只能探测高度较低的闪电，相对于测站视角本身就比较大。 天线本身与基线长度可以比拟，以及没有竖直方向的基线，定位得到的仰角误差相对较大，有效探测距离还比较近等使系统存在一些不足。,返回,65,干涉仪法（ITF）,辐射源定位计算方法,VHF干涉仪的辐射源定位本质上是一个确定入射信号到达不同天线的相位差的问题,利用相位差计算入射信号 与相应基线的夹角,利用信号与两个相互正交 的基线的夹角计算方位角 和仰角,通过快速付里叶

33、变换得出 信号到达不同天线的相位差,66,相位差计算的典型方法是取一到几十微秒内的平均值以减少随机噪声。 由于干涉仪输出的是一个关于相位差的三角函数，其周期为2，在不同的2周期内由于从+D到-D变化时L不同而不能唯一确定。因此，计算时，对于任何D0.5时是不确定的。我们可改写上式为： 0=2D/是在=0o时的值。因为是从0增加，从0-可变化到2的整数倍，在=0时系统测得相同的相位差。因此对干涉仪给出相同的输出值时所有的相位差可写成：,67,图 对于4基线干涉仪方向角是测量相位差的函数，8个方向角给出（Rust MacGorman, 1998）,图4. 干涉仪基线长为4时输出的任意相位差所对应的

34、方向角,有很多方法可以确定两个天线信号的相位差，干涉仪所使用的是比较经典的技术。设计的干涉仪是一种简单的倍数干涉仪。每一个天线接收的辐射频率信号经过放大并与示波器的输出信号混频后产生一个间歇性的频率信号，两个天线的信号经过倍数放大后输出一个电压值。此电压值是相位差和方向角的函数，对于一个点源可以表示为：,下图给出了干涉仪基线长为4时输出的任意相位差所对应的方向角。这些相位差曲线经常作为额外的参考。给出一个基线，则从图中可得到2D/。,68,窄带干涉仪,最简单的干涉仪系统 邵选民等使用的干涉仪 SAFIR系统,69,最简单的窄带干涉仪系统 由相隔一定距离的两个天线组成，每个天线连接一台接收机。这

35、两个接收机发送信号到一个相位检测器中，该检测器可根据两个天线信号的相位差得到一个电压的函数。相位差的交替构成一个关于信号方向角(VHF信号与天线间基线的夹角)的函数。要确定VHF信号的方位角和仰角，干涉仪需要两个正交基线；要确定辐射源的三维位置，则需要两个这样的相隔几公里远的干涉仪。,70,邵选民等使用的干涉仪,五个天线：一个正交的长基线和一个正交的短基线，基线长度分别为4.5和1，中心频率274MHz，带宽6MHz。基线长是测量波长的倍数，高频使得基线的长度更短。,71,图 辐射定位结果的显示方式,72,73,宽带干涉仪,在窄带干涉仪的基础上，1996年Shao等首先提出了利用宽带信号定位闪

36、电辐射源的设想 优点： 硬件集成相对简单 可以得到较宽频段内闪电辐射频谱特征 日本的宽带干涉仪 我国的宽带干涉仪,74,日本的宽带干涉仪,1,2,Radiation Source,D,Radiation Source,Sensor : Circular plate antennas (Band width : 25-100MHz) Recording time: 2.5s2048segments,75,location,Data processing,Earth-based DIFT,VHF broadband antenna with amplifier and filter Analog-

37、to-digital converter CPU,Satellite-based DIFT,76,负地闪,77,负 地 闪,78,正地闪,79,中国科学院寒区旱区环境与工程研究所董万胜博士集中了一套用于闪电研究的宽带干涉仪系统（2001年）,功能：实现了闪电辐射源定位、辐射频谱、电场变化等与闪电放电过程有关的多个参数的同步观测记录。 优点：在工作频段较窄情况下，可以实现叫精确的辐射源定位（二维），并能在多个辐射源同时出现的情况下，对部分辐射源进行定位，至少能识别干扰信号和多路辐射同时到达的情况。,80,我国的宽带干涉仪,81,大 气 电 场 仪,宽带干涉仪天线,快、慢天线,82,平面投影显示方

38、式,仰角-方位角显示方式,83,VHF干涉法在测量雷电方面的优点和局限性,雷电过程中VHF高频段的信息比LF-VLF低频段部分丰富的多，所以可以更高效的探测云内的微放电过程，资料更全面。 VHF干涉法技术的定位精度和探测效率高，VHF雷电脉冲沿直线传播，传播受地面传导率、电离层变化，以及地形变化的影响小，同时VHF干涉法技术受雷电辐射源信号的波形和幅度影响小。 相对于TOA法，IFT对时间同步的要求略低一些，对信号强度的要求也低一些。但它的一个测站具有多个天线，易受地形、地物阻挡的影响，安装要求较高。其观测数据要经过比较复杂的处理，而不象TOA技术那么简单直接。经过试验研究发现，TOA技术对闪

39、电产生的孤立脉冲的定位具有优势，而VHF技术对闪电产生的连续脉冲的定位则更好一些。,84,主要内容,一、地基闪电定位技术 甚低频（VLF/LF)定位技术 甚高频（VHF）定位技术 二、星载雷电探测、定位技术 光学闪电探测 星载甚高频（VHF）定位技术 三、雷电监测站网的发展 四、国内雷电监测技术的发展和站网建设 五、SAFIR闪电监测和预警系统,85,OTD（光学瞬态探测器）/LIS（闪电呈像传感器）是NASA研制的光学闪电探测系统，两者相似，均搭载在极轨非太阳同步卫星上，垂直向下观测雷暴云中闪电发出的强烈的光脉冲，可以给出闪电发生的时间、经纬度、闪电光辐射能，持续时间等信息。OTD倾向于为L

40、IS的发射提供校验和性能评估等提供技术和理论基础，是LIS的原型产品。,86,OTD探测范围可达南北纬75o。 LIS探测范围可达南北纬35o。,87,OTD 和LIS 闪电资料均由4 个主要参量组成：,事件（event）：LIS 闪电资料当中最基本的参量，当LIS（OTD）成像阵列的某个像素光辐射值超过背景阈值时就产生了一个事件。 组（group）：2ms 积分时间内一个或多个相邻的事件构成一个组，近似对应于地闪的回击或云闪的反冲流光。 闪电（flash）：最重要的产品，由时间间隔不超过330ms 和空间间隔不超过5.5km的一个或多个组组成，总持续时间没有限制，对应于传统的闪电定义。 区域

41、（area）：空间间隔不超过16.5km 的一簇闪电组成一个区域，没有闪电之间间隔限制，这一定义近似于雷暴单体的定义。,88,OTD 和LIS 都工作在中性氧原子近红外的谱线(777.4nm)，其独特的设计使得传感器即使在白天有日光反射的云顶背景下仍然能够识别出闪电的信号，利用闪电信号与背景信号之间的时间、空间和光谱特性差异从而识别出闪电的信号。 利用美国NLDN 的探测资料对OTD 的精度、准确度和探测效率等方面进行了交叉检验，发现OTD 的平均空间精度为20-40km，时间精度达100ms，对云地闪电的探测效率为46%69%。,89,Thomas 等2000 利用1998 年夏季发生在奥克

42、拉荷马地区的一次雷暴的LMA、NLDN 与LIS 的同步观测进行了比较，发现两套数据在时间和空间上的相关都非常好。另外，研究表明，LIS 观测到的大部分闪电是扩展到雷暴上部的闪电，云地闪电主要发生在中下层，不及云闪容易探测到，并且倾向于在闪电放电的后期被LIS 探测到。Ushio et al. 2000利用1998 年8 月肯尼迪航空中心附近一次雷暴的LDAR、NLDN 和LIS 同步观测分析了LIS 与LDAR 记录的闪电在时间和空间上差异，结果发现LIS 的首个事件（Event）通常落后于LDAR 的首个源约0.23s（地闪）和0.2s（云闪），而LIS 记录的地闪和云闪的总持续时间分别是

43、0.28s 和0.38s，也短于LDAR 记录0.56s 和 0.44s。另外，LIS 对云闪的定位误差为4km，地闪的误差大些，达到了12km。,90,搭载在Microlab-1卫星上的OTD,91,搭载在TRMM卫星上的LIS,92,TRMM卫星,93,OTD和LIS的运动轨迹,94,OTD观测到的全球闪电密度,95,LIS观测到的全球闪电密度,96,主要内容,一、地基闪电定位技术 甚低频（VLF/LF)定位技术 甚高频（VHF）定位技术 二、星载雷电探测、定位技术 光学闪电探测 星载甚高频（VHF）定位技术 三、雷电监测站网的发展 四、国内雷电监测技术的发展和站网建设 五、SAFIR闪电

44、监测和预警系统,97,虽然目前卫星上的光学传感器的空间分辨率有限（较低，101km量级），且不能区分云闪和地闪，但它有可能是最有前途的全球闪电活动监测手段。 与之相比，星载的VHFUHF定位技术（TOA和干涉仪）可以区别云闪和地闪，目前在研、试运行中的两种： GPS卫星系列，搭载类似FORTE上的VHF接收机，利用DTOA技术，实行全球闪电的定位监测 干涉仪天线阵列探测闪电的VHF辐射,98,主要内容,一、地基闪电定位技术 甚低频（VLF/LF)定位技术 甚高频（VHF）定位技术 二、星载雷电探测、定位技术 光学闪电探测 星载甚高频（VHF）定位技术 三、雷电监测站网的发展 四、国内雷电监测技

45、术的发展和站网建设 五、SAFIR闪电监测和预警系统,99,100,VLF/LF频段闪电探测的特点： 探测范围较大 以探测地闪为主 需要组网,101,VHF的特点 定位精度较高 时间分辨率较高 对云闪的监测更具优势程 适用于局地闪电探测 单一的VHF闪电探测系统不可能准确识别地闪，为探测包括云闪和地闪的所有闪电过程，一般仍然需要组网观测并采用或集成LF探测的方法，进行地闪的识别和定位。,102,美国雷电定位系统发展概况,起因：航天发射遭雷击 时间：70年代中期至现在 主要应用：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 发展过程：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

46、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： 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,103,US Networks,1984-1989: Three isolated networks were developed in the US.,1989: Regional networks agreed to share the data, creating the National Lightning Detection Network (NLDN).,1991: Rea

47、l-time and historic information becomes commercially available,104,美国闪电定位网（NLDN）,美国国家闪电定位网（NLDN）采用IMPACT技术,105,由113个地闪测站组网； 由一个定位网络中心进行数据处理和监控； 能全天候地工作，并提供各种用户实时的地闪定 位信息及相关参数。 能实时提供高探测效率和高精度的雷电特征探测资料。 对地闪的监测效率在70%或更好一些。,106,US Networks,Recently, TOA Systems has set up a similar national system, the United States Precision Lightning Network (USPLN).,107,Canadian Networks,In Canada, provincial forest