论闪电探测技术在雷电防护上应用

2022-09-11

雷电是一种特殊的天气现象, 雷击过程产生的高电压、大电流和强电磁辐射常常造成严重的灾害和经济损失, 特别是随着微电子器件的大量采用, 一次雷击引起的灾害越来越严重, 造成的影响也越来越大, 社会对雷电的监侧和防护提出了更高的需求二雷电的记录由来已久, 主要是通过目测获得雷暴日、雷暴小时及起止时间等信息。本文主要探讨闪电探测技术在雷电防护上的应用, 这些技术主要以它们工作频率范围、空间探测范围和分辨率的不同来区分。网络探测系统中采用的传感器, 其定位方法主要是定向法、时间到达法, 或两者的结合。局地探测系统中采用独立的传感器, 其定位方法主要运用电磁场的波型分析技术这些技术能够为用户提供远距离的实时闪电定位和短期雷暴预报信息, 从气象部门到电力行业都受益于它所提供的决策参考信息。

1 雷电带来的自然灾害

雷电发生时电闪雷鸣, 惊心动魄, 雷电击中物体, 便会造成自然灾害, 全世界每天大约发生500万次雷电。平均每秒近百次。

(1) 直接雷击灾害:直接击死、伤人畜, 击坏输电线、建筑物, 引发火灾; (2) 感应雷击灾害:隐性发生, 不易发觉, 主要以电磁感应和过电压波的形式对微电子设备构成危害, 尽管表现形式不同, 但都对生命财产构成严重威胁。主要表现类别。

(1) 农业地区遭受雷雨、冰雹、大风袭击, 造成农作物损失, 人畜伤亡; (2) 因雷击引起森林火灾, 造成大面积森林烧毁; (3) 机场及飞机航线因雷电造成机毁人亡事故; (4) 卫星发射、火箭遭雷击, 影响正常作业; (5) 因雷击引起油库、弹药库、建筑物爆炸, 毁坏严重。

2 闪电定位技术

闪电定位技术是通过对闪电辐射的声、光、电磁场信息的测量, 进而确定闪电放电的空间位置和放电参数。目前采用的主要手段有声、光和电磁场3类 (包括无线电测向技术) 。

2.1 地基闪电定位技术

闪电电磁脉冲辐射场探测手段在地基闪电定位技术上的应用最为广泛。甚低频段一般采用磁向法 (MDF) , 时差法 (TOA) 以及磁向和时间差联合法 (IMPACT) ;甚高频段一般采用窄带干涉仪定位法 (ITF) 或者时差法 (TDA) 。从探测站点布设方式上可分为单站定位和多点联合定位。

(1) 甚低频 (VLF几F) 定位技术。

V L F/L F频段的M D F定位技术采用一对南北方向和东西方向垂直放置的正交环磁场大线测量闪电发生的方位角, 并与水平放置的电场大线组合鉴别地闪波形特征。利用两个或两个以上探测子站测量的闪电方位角进行交汇, 来确定闪电发生点的平面位置。VLF/LF频段MDF采用方位角交汇法所提供的测向精度受测站附近的地形地物影响较大, 对天线安装的环境要求也较高, 因此它的实际探测精度不高。

VLF/LF的TOA技术采用闪电电磁脉冲到达不同测站的时间差进行闪电定位, 由于TOA采用的天线简单, 且通过测定闪电回击辐射场到达测站的精确时间, 或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。但它对测时精度的要求较高, 且至少要3站才有可能定位, 同时由于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。

为改进定位精度, 将M D F和T O A两种技术结合在一起发展成了联合闪电定位法, 采用这种综合探测技术的闪电定位系统的每个探测子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。具有这两种定位方法的闪电定位系统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。

(2) 地基甚高频 (VHF) 定位技术。

由于VLF/LF探测技术难以提供闪电通道快速发展过程的信息, 20世纪70年代后半期, 科学家们又提出并实践了V H F/TOA (时差技术) 和VHF/IFT (干涉技术) 。

VHF/IFT闪电定位技术是指用干涉法测定闪电放电辐射源位置的方法, 包括窄带和宽带两种方法。VHF/IFT技术一般采用有足够波程差的若干个接受天线振子, 当来波从不同的方位到达天线阵时, 各个振子上接受到的信号将产生不同的相位差, 测定这些相位差原则上即能确定来波相对于天线阵的方位。

V H F/T O A技术时低频T O A定位法在VHF闪电辐射源三位空间定位上的扩展, 特别随着GPS技术的发展和成熟, 这种定位技术得到了进一步发展。该技术一般采用窄带甚高频长基线时差法, 对每一个闪电辐射源能以很高的时间分辨率 (50ns) 和空间定位精度 (50m~100m) 进行定位, 可以展现闪电放电VHF辐射源的三维时空演变过程, 同时利用与低频闪电定位系统集成的方式进行云闪和地闪的综合探测。相对于V H F/T O A, V H F/I F T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, 安装要求较高。其观测数据要经过比较复杂的处理, 而不像TOA技术那么简单直接。经过试验研究发现, VHF/TOA技术对闪电产生的孤立脉冲的定位具有优势, 而VHF/IFT技术对闪电产生的连续脉冲的定位则更好一些。

2.2 星载雷电探测、定位技术

20世纪90年代以来, 随着电子、信息技术的迅猛发展, 在分析了20世纪80年代高空N A S AU 2飞机得到的大量闪电光观测资料以及其他研究结果的基础上, 人们对云顶闪电光学辐射的时空特征及光谱特性有了更新的认识, 研制了新一带更精确、更高效的星载闪电探测器并发射入轨运行, 包括N A S A发展的光学瞬态探测器 (OT D) 和闪电成像传感器 (LIS) , Los Alamos实验室的Fast on-Orbit Recording of Transient (FORTE) 卫星闪电探测器。

O T D/L I S是N A S A研制的光学闪电探测系统, 两系统相似, 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光脉冲, 结合一个窄带千涉滤光器将影像聚焦在高速 (500帧/s) , 128X 128像素的CCD焦平面上。干涉滤光器的中心波长为7 7 7.4 n m, 最大半宽为0.8 5 6 n m o OTD/LIS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。迅速发展的卫星观测技术给全球雷电活动的研究带来了新的推动力, 利用这些资料可以给出全球闪电的时空分布图。目前国外正在规划和研究将闪电光学成像感应器放到静止卫星平台上进行雷暴闪电活动时空分布的连续监测, 这种技术在灾害性雷暴闪电监测和预警上具有广阔的应用前景。

3 闪电定位系统的应用

闪电定位系统是用于雷电监测和预警的新型探测设备, 可以自动、连续、实时监测闪电发生的时间、方位、强度、极性等特征参数。特别是目前在世界发达国家广泛使用的闪电监测站网, 能够提供大范围、长距离、高效率和高精度的雷电活动位置和发展演变信息等, 而且甚高频 (VHF) 闪电定位探测系统的监测能够揭示闪电放电过程的时空分布, 因此闪电监测信息具有广泛的应用前景。

摘要：本文主要探讨了闪电探测技术和方法的发展状况, 阐述了闪电监测资料在闪电预警预报、防护以及在灾害性天气监测等方面的应用。

关键词：闪电探测技术,雷电防护