第二章 闪电探测技术-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。3F（Hz)Amplitude10102103104105106107108109101010111/f2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（VLF~UHF），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。•甚至有更高的频率，如300M~300GHz的微波，还有1014~1015Hz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LF频段辐射。67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（Magneticdirectionfinding）•VLF/LF的TOA定位技术（Timeofarrival）•VLF/LF的MDF和TOA综合定位技术IMPACT920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300~500km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，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1020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MDF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123.工作程序①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；②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；③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b11实线：雷击点的测量方位角；虚线：方位角测量中的随机误差；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。222211NNmiimiiiiiiEEE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。iiEmimiEmiE154.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2~3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。165.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。171.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30~3000MHz；长基线系统通常工作在甚低频，即3~300kHz。•短基线系统可以模拟闪电通道，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Δd＝（ti－tj）C，即：击地点位于以i，j两站为焦点、到两站距离差恒为Δd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TOA综合定位技术IMPACT24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26NLDN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1989~1995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（byDr.E.PhilipKrider,Dr.BurtPiferandDr.MartinUman,attheUniversityofArizona.）。•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（theBureauofLandManagement）。•闪电定位和防护有限公司LLP（LightningLocationandProtection,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.RodneyBent和Dr.WalterLyons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（AtmosphericResearchSystems,Inc.）使闪电定位和跟踪系统LPATS（TheLightningPositionandTrackingSystems）得以商业化的应用。29•日本株式会社山光社（SankoshaCorporation）成立了全球大气有限公司GAI（GlobalAtmosphericsInc.）。山光社购买并改造了全球最主要的三个公司LLP,ASRI和GeoMetDataServices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（VaisallaInstruments）购买。30近期，时间到达法系统有限公司（TimeofArrivalSystemsInc.）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™（AdvancedLightningPositioningSystem）。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321.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（1971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