第九章雷電監(jiān)測原理和方法星閃電探測器、聲探測器、雷達探測等。有關(guān)聲探測和光譜儀已在第八章作了講述。第一節(jié)閃電的照相觀測方法轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸透鏡1膠片(a)透鏡2(b)鏡頭1鏡頭2(c)國Larsen（1905）也進行了類似的閃別安裝在一旋轉(zhuǎn)圓盤的一條直徑的兩端，鐿頭隨圓盤高速旋轉(zhuǎn)。當(dāng)觀測閃電時，閃電成象于兩鏡頭后面的靜止底片上，由于圓盤快速旋轉(zhuǎn)，兩鏡頭各向相反的方向移動，由于鏡頭的高速移動，閃電光不是同PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep旋轉(zhuǎn)膠片鼓旋轉(zhuǎn)方向棱鏡鏡頭膠片圖6.2具有移動的膠片和固定的光學(xué)系統(tǒng)的BOYS相機移，在圖中畫直線q-S-p，然后將照用該相機成功地獲取了大量地閃結(jié)構(gòu)的照片。由于該相機雷雷暴云閃電通道1m=（f=50mm，d=4km）1024圖象放大器增益=30倍350nm~950nm光纖窗一維CCD圖象感應(yīng)器(1024象點)驅(qū)動電路時鐘=10MHz||128μs/scan8bit50Msamp/s.64字?jǐn)?shù)字貯存記錄器視頻放大器26μm13μm物鏡圖6.3高速成線掃描照相機原理圖器、一個探測器驅(qū)動器和一視頻放大器。的輻射光到物鏡后。圖象感應(yīng)器充足的曝并且選擇光纖窗的圖象器減小光的透射。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep第二節(jié)大氣電場和閃電電場的測量根據(jù)測量的大氣電場可以對大氣中的電狀況有一個全面的地面靜大氣電場強度可以利用測量天線與大地之平板天線平板天線VV平板天線VEghEghVg=Eh線路相連的平板天線荷中心之間的雜散電容為Cc，天線與地之間的雜散電容為Cg，且Cg>>Cc，云電荷中心與gCcC+CgcC+CV=EhcgCcRPDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finepCcgc將（9.2）式代入（9.3）式，消去V就得cggc由（9.5）式可見，測得的電壓正比于地算或測量確定。實際上，C>Cg，故C用來控制測量電壓大小。R的作用是使則R對測量的影響即可忽略。根據(jù)與天線相聯(lián)的測量電路的RC取值，把對大氣電場率為幾分之一毫秒。AACG電壓跟隨器R0R0RRCCG積分器A圖6.5兩種靜電場測量天線系統(tǒng)平板上荷電量，由此與環(huán)境電場成比例。在上面圖中，電子積分是通過積分電路實現(xiàn)的。在下面圖中積分是通過天線底部處的電容到地進行的。圖中CG是天線與地面之間的電是電覽終端的電容,相對大電阻R是對于放電積分電容C,這樣具有時間常數(shù)RC輸出電壓趨PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep雙匹配雙匹配(805)波形記錄器絕對值放大器天線積分器天線積分器2μsec延遲線外部觸發(fā)雙線示波器雙線示波器ba線上感應(yīng)的電荷Q(t)與一電子線路相接，在圖中無論CR1R1+12V 圖6.7有效阻抗的電阻反饋網(wǎng)電子積分器出訊號，它應(yīng)當(dāng)比實際的時間變化RC應(yīng)是毫秒量級，如果對整個閃使用電阻反饋網(wǎng)構(gòu)成的阻抗器可以個有效阻抗的電阻反饋網(wǎng)電子積分(R1R2+R1R3+R2R3)/R3；如果R31根據(jù)測量要求,測量電場的感應(yīng)器有平板型、球形和鞭狀等，在地面主要測量大氣電場如果與天線相聯(lián)的RC等效電路如圖6.8所示,圖中Ca是具有有效高度h的天線電容,當(dāng)dV?dt+V?RC=Cah?C·de?dt式中C=Ca+C0。如果電場強度的變化具有指數(shù)形式為式中是整個電場變化,是電場變化的指數(shù)衰減時間常數(shù)。取測量電路的時間常數(shù)t0=RC，則1Ec=.{(1-tr)[exp(atr-exp(a)]一1 RVi Vi }}式中tr是電場變化的時間常數(shù)與測量電路時間常數(shù)之比,為tr=,a=ln[tr/(1-tr)]Ca=2πε0εrLln(2L/r)1如果天線按底部安裝在地面上還有一段距離，則有效高度取為天線中點離地面的高度。Er(t)=.[F(Q,t)di/dt+i2(t)/Q]（9.13c）確定i(t)值。對此必須將總電場變化的四個同時測量才能求出。管電場起始值的影響，時間變化近似為電流i(t)的變化。果。對于理想的垂直閃電通道，磁場是水平圓形的如果矩形天線框兩垂直邊長為h，水平間距為d，與傳播方向成θ角，則輸出電壓差為V(t)=[F(Q,t).i(t)].hdcosθ式中乘積hd=A是矩形天線框的面積,如果N是線圈的圈數(shù),則V(t)=[F(Q,t).i(t)V(t)=6[F(Q,V(t)=6[F(Q,t).i(t)]HF和VHF接收器模擬記錄波形記錄器觸發(fā)器示波器波形記錄器電場系統(tǒng)圖6.9同步記錄窄帶和寬帶訊號數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep馬達控制電路馬達信號處理電路、顯示系統(tǒng)和雷暴警報器等四部分組成(見圖馬達控制電路馬達動片雷暴警報器定片雷暴警報器接觸電刷信號處理電路接觸電刷記錄器打印機時標(biāo)電路圖9.10地面大氣電場由上、下兩片相互平的、有片連接在一起的對稱扇形金屬片組成。下面的金屬片用達驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，稱為動片，并與地相聯(lián)接，它既起屏蔽定定片便交替地暴露在大氣電信號的大小與大氣電場強度兒則完全屏蔽掉，有時只露出一小部分。如果定片有面積為ΔS暴露于大氣中，在它上面出ΔQ=σΔS(9其中σ是定片上的面電荷密度。由于對金屬導(dǎo)體表面的場強與電荷密度σ有關(guān)系電流信號，這一電流極微弱，它通過信號處理電路處理。2）信號處理電路，它將交變電信號進行放大等4）雷暴警報器，根據(jù)測量的電場的大小和變化，預(yù)測雷暴出現(xiàn)的可能的電場變化,它是由多葉的接地圓盤,位于固定的電極上旋轉(zhuǎn)，這些固定電極以凸觸式的圓PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep金屬翼輪金屬翼輪帶凸觸式的圓釘?shù)慕^緣環(huán)支架VR驅(qū)動帶水銀接地杯樣當(dāng)電場為正時，在顯示波形的一邊有指示，否則在另一邊有指示。積雨云或其它云中大氣電場分布和云中電平軸旋轉(zhuǎn)的金屬球體組成。在強大氣電場地面接收系統(tǒng)由天線、接收機、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和顯示裝置組測定范圍測量精度-60~500C0C在氣球放出后儀器離地，將電場計上方的卷線下放，無纏繞用于懸掛和為使電場計對于單金屬剛性絲保持平衡。的鋁制球，兩球以相對的方式安裝于玻璃纖維管上，兩球之反方向的鋁球包含有一鋰電池組，為電路提供+12V和-9V電壓。在玻璃纖維管的一端安裝PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep處理過的單金屬絲轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動(0.125Hz)臘染尼龍絲1.8m泡沫聚苯乙稀菱形翼鋁球玻璃纖維管軸承外殼自旋(2.5Hz)汞開關(guān)翼、馬達和電池1.5m處理過的單金屬絲轉(zhuǎn)環(huán)轉(zhuǎn)動(0.125Hz)臘染尼龍絲1.8m泡沫聚苯乙稀菱形翼鋁球玻璃纖維管軸承外殼自旋(2.5Hz)汞開關(guān)翼、馬達和電池1.5m44m1200-g橡膠球降落傘探空儀下放卷線20m轉(zhuǎn)環(huán)絲處理過的單金屬絲電場計側(cè)視(a)地面接收天線(c)接收機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)顯示記錄PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep原始電壓(數(shù)碼值)原始電壓(數(shù)碼值)原始電壓(數(shù)碼值)原始電壓(數(shù)碼值)高度(kmMSL)360轉(zhuǎn)動(=8s)62006100360旋轉(zhuǎn)(=0.4s)確定E需要的時間630024002400電壓V的正弦振幅和電場E增加的數(shù)值自旋360(0.4s)19501800E=15kV/m1500650E=25kV/m2100700750以20Hz取樣數(shù)的原始數(shù)據(jù)電場計數(shù)據(jù)的另一個特征是可管一端泡沫聚苯乙稀菱形翼氣器內(nèi)側(cè)的磁場感應(yīng)器提供關(guān)于感應(yīng)僅當(dāng)電場計的球沿Eh方向給出了通過兩個旋轉(zhuǎn)儀器感應(yīng)全部Eh的檢測全部Eh的檢測僅Ez的檢測確定Eh需要的時間(=2s)19501800數(shù)據(jù)文件中的樣品數(shù)(數(shù)據(jù)率=20Hz)8內(nèi)部包絡(luò)外部包絡(luò)4Eh估算20-100-505060E(kVm)EhPDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep第三節(jié)閃電電流的監(jiān)測原理和方法（1）閃電電流計為一有縫的鋁輪組成，其外圓周上裝有一些磁頭，輪子旋轉(zhuǎn)可使每一最大時間分辨率為50微秒，總的記錄時間為20微秒。（2）磁涌浪波前沿記錄器是一個用于測量閃電電流效上升率的儀器，記錄器有三個電路，每個電路包含有一電阻與電感串聯(lián)。磁頭位置在三個1.8m一個電路的電阻、電感，就可計算閃電電流的等效上升率。電感中最終最大電流與電阻中流過的總電荷成正比。時間積分精度達10毫秒量級。用磁鋼棒測量剩磁時要注意以下幾點：2)磁鋼棒與塔架磁心之間的最短距離應(yīng)使幾千安以下的電流無法檢測出來。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep3)流過地線與塔體的電流對磁鋼棒的影響；4)運輸過程中對磁鋼棒剩磁的影響。利用磁鋼棒只能記錄多閃擊電流的幅值，對于測量雷電流一般有以下三種方法:第一種方法:：通過測量精密分流電阻上的電壓降，由此可算出閃電電流的大小,閃電電流，即6060米高絕緣天線塔觸發(fā)器示波器選通脈沖磁鋼棒有氣隙鐵心的脈沖變壓器磁屏蔽和靜電屏蔽照相機控制單元低阻接地接地交流發(fā)電機尖端放電電流測量絕緣桿由遠處電源開動的隔離發(fā)動機照相機照相機200毫微秒延遲延遲觸發(fā)器電流信號觸發(fā)器示波器在測量閃電電流中，如果在電路中采用電容和電感器件，就會影響測量的時間分辨率，PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep如果回?fù)舨ㄋ俣葹関(t)，波陣面后的電流為i(z,,t)，z,是沿通道閃光的測量距離，則由v(t)dt來自z,=0到l(t,)和在波陣面l(t)處發(fā)出的輻射，對于(8.47)式右邊第二項積分在(9.21)式式中結(jié)果，并稱之“激勵”場。“激勵”場僅當(dāng)波陣面處電流方程(9.23)的解為 μ0l(t)di(t)+i(t)=exp-(t-t)Bφ(t+r/c)dt變磁場的情況，對(9.24)式分部積分得到μ0H在觀測距離某時刻通道高度的電流與感應(yīng)場間的關(guān)系已在前面(8.34)式給定。t+dt(9.26)強度的大小相對于磁場強度的大小，即Ez/Bφ=c，所以也可以利用(射場計算回?fù)綦娏鳌?）線傳輸模式(TRANSMISSIONLINEM在傳輸線模式中，電流取脈沖形式，寫為PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep當(dāng)利用(9.28)式對(9.21)式右邊第二項積分，對于電流初始時間和t<t0(t)it+dtdt0(9.32)式表明，利用電磁輻射場的測量可計算電流。0一個面積為S，其面垂直于磁通量密度B的迥形天在電容上的輸出電壓為=dt=B(t)PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep最簡單測磁場的感應(yīng)器是一開口的環(huán)形導(dǎo)線，的來向與環(huán)形天線一面夾角的余弦，對于磁定向采用兩個正交的環(huán)形天線，圖6.14顯示了9393Ω同軸終端電纜天線+15V300CI5.6M②470-15V+15V300-15VB-B3400B④5.6M20K②CI.1470微分積分器60Hz濾波器(可選擇)輸出③第五節(jié)雷電的計數(shù)和定位只需用一根垂直天線，經(jīng)距離校正后就能測量給定地區(qū)單位能較準(zhǔn)確觀測云閃和地閃對它的響應(yīng)。如Yg是地閃數(shù)與計數(shù)器記錄的總閃電數(shù)距離分別為Rg、Rc，相應(yīng)的地閃和云閃閃電密度分別為NgPDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep云閃、地閃鑒別器信號實時處理觸發(fā)控制器高速采樣器接收機主放檢測信號發(fā)生器天線閃的方位、距離、強度和極性。儀器的原理方框圖如圖6.18所示，小型化偶極子電場天線濾波器和線性放大器組成，磁場通道另加有積分器電路，通帶寬為500~3.50×105Hz，增益信號，拒絕云閃信號及非閃電干擾。90900閃電信號方向圖環(huán)形天線2700θ頻段幾個頻率的閃電電磁波相位差與距離的關(guān)系測距。對于140地波和一次天波到達時間差方法系統(tǒng)終端給出地閃的方位、距離、強度和極性等數(shù)字打印和彩色圖象顯示結(jié)果，也可以存盤保存。由單個點觀測只能確定閃則必須由多個測站完成。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep90900閃電方向環(huán)形天線04527001800θ觸發(fā)器輸出方波觸發(fā)電平觸發(fā)電平單穩(wěn)態(tài)輸出的窄方波來的有效電動勢的振幅與其電場強度之比稱有效位勢。環(huán)形天線的有效位勢寫為H=cosθ環(huán)形天線，它們所感應(yīng)的電動勢應(yīng)當(dāng)相等。并分別經(jīng)兩路位相同的兩閃電信號。兩路放大器各與一個觸發(fā)電平相等的觸輸出端得到一個方形波（圖6.21并且此方形波的前沿時間相單穩(wěn)態(tài)電路，于是在兩路單穩(wěn)態(tài)電路的輸出端得到時間一致的較窄方PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep兩路單穩(wěn)態(tài)電路與一“與”門電路相接，當(dāng)在同一時間里路都有信號時，“與”門電路才有信號輸出。因此，當(dāng)兩且位相也相同時，“與”門電路就有一個信號輸出。此信環(huán)環(huán)形天線放大環(huán)形天線“與”放大門垂直天線放大觸發(fā)單穩(wěn)觸發(fā)單穩(wěn)計數(shù)器推動觸發(fā)單穩(wěn)單穩(wěn)垂直天線，如它接收到的信號與其它兩路信號相同者，為45度方向來的，計2250角度方向的信號與兩路信號位相相反，計數(shù)器就不能工作。利用兩個或多個測站確定雷暴位置的方法。在單個測站上利用由兩個相同的垂直的環(huán)形訊號到達時間(TOA)定位法3）磁定向(MDF)和訊號到達時間(TOA)綜合法。使第一回?fù)綦姶挪ㄍㄟ^，而拒絕云閃電磁波。2、時間到達(TOA)定位法PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep伏/米實際位置最佳位置伏/米實際位置最佳位置2020(a)0R(c)04080120160200Rμsec圖6.25三個磁場測量網(wǎng)成對相交測站可得到一組可能滿足測量時間差的雙曲線位置，一般某些情況下，如圖6.26b三個得到二個交點，因此的位置為各個圓的交點。如果探測站點多于三個，圓相交法可得一最佳位置。S1閃擊位置S1S1閃擊位置S2S3S2S3S2閃擊位置虛假閃擊位置(a)圖6.26閃電波到達測站的時間確定閃電位置PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep+θ1S2S1θ2（3）磁定向(MDF)和訊號到達時間+θ1S2S1θ2S2S3S1S4閃擊位置三個參數(shù)：緯度、經(jīng)度和閃擊時間。因此綜合在精度和探測的概率要優(yōu)于單獨一種方法。探測的位置精度小于500米。第六節(jié)美國國家閃電監(jiān)測網(wǎng)大氣研究中心制造的閃電時間到達網(wǎng)。如圖6.29地基感應(yīng)器通過兩種方式衛(wèi)星系統(tǒng)②-③將閃電①資料輸送到在Tucson，Arizona的監(jiān)測網(wǎng)控制中心（NCC）④,在NCC處理來自遙感器的數(shù)據(jù)，提供每次閃電放電手中，所有這些發(fā)生于閃電放電的30~40s辨率閃電和閃擊數(shù)據(jù)通過另外的通訊線路傳送。實時獲取的數(shù)據(jù)在數(shù)天內(nèi)再處理。定標(biāo)誤差包括系統(tǒng)MDF位置誤差和輻射場峰值的振幅有在獲取大量閃電數(shù)據(jù)后進行。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep1、NLDN探測站網(wǎng)與TOA相組合信息法(IMPACT)，這一方法的信息來自于MDF感應(yīng)器、TOA探測器和IMPACT探測器，測量閃電脈沖波到達時間的靈敏度和判據(jù)。改進前，事先確定IMPACT探測器相對于NPDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep探測距離。NRDE定義為通過探測站檢測到誤差函數(shù)稱為歸一化假想的正方。閃擊位置的最佳估算是通在誤差梯方向迭代求取時間，對每一個探測站在誤差函數(shù)的附加項中增加精確的定時信假想方值的相對作用的確定是由用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示的個別測量誤差（MDF和TOA）資料的組合。如圖6.31VQ02T定閃擊的位置的例子報告有3次和2次閃擊報告有5次閃擊2.5如何解決站在類似的方位檢測同時刻的閃電，由此可檢測多重PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep輻射能(μJm-2sr-1nm-1)816.7Ol848.2Nl(21)輻射能(μJm-2sr-1nm-1)816.7Ol848.2Nl(21)858.3H-715.7Ol(38)-744.2Nl(3)-777.4Ol(1)734.7Ol(36)822.3Nl(3)-844.7Ol(4)-886.2Nl(1)衛(wèi)星為進行大范圍探測閃電提供了理想平臺供全天時的雷暴云系。86420650700750800850900波長(納米)強，777.4nm的帶寬為1nm，輻射能量約為6.5μJm-2sr-1；868.3nm輻射能量約為4.7μJm-2sr-1。PDF文件使用"pdfFactoryPro"試用版本創(chuàng)建www.finep辨率可見光掃描儀在軌道的夜間部分具有探測閃電的功能。為此1.8赫的頻率將來自掃描區(qū)的光反射進入探測器，構(gòu)成圖片的掃描線是依靠衛(wèi)星在軌道上的衛(wèi)星運動方向軌道平面赤道平面98.701.01.00.50.9700.40.51.2波長(μm)衛(wèi)星運動方向衛(wèi)星運動方向星下點軌跡面地間掃描地球，