閃電電場(chǎng)波形脈沖序列極性變化及成因

閔應(yīng)昌,王彥輝，*,劉亞櫟,劉銀萍 ，趙果

(1.南京信息工程大學(xué)中國(guó)氣象局氣溶膠-云-降水重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室,南京 210044；2.中國(guó)科學(xué)院平?jīng)鲫懨孢^(guò)程與災(zāi)害天氣觀(guān)測(cè)研究站，西北生態(tài)環(huán)境資源研究院公共技術(shù)服務(wù)中心，蘭州 730000)

雷電是自然界的一種強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象，放電過(guò)程中釋放出很寬頻譜的電磁輻射，從幾十赫茲的甚低頻段到幾百兆赫茲的甚高頻段，乃至光波和高能輻射[1-2]。隨著微電子設(shè)備的廣泛應(yīng)用和微電子器件集成度的不斷提高，雷電產(chǎn)生的電磁脈沖對(duì)電子、電氣設(shè)備及系統(tǒng)造成的毀傷越來(lái)越嚴(yán)重。防止電磁脈沖入侵電子設(shè)備并干擾甚至損壞電子設(shè)備，不僅需要在設(shè)備端具有較好的電磁兼容設(shè)計(jì)，也需要不斷提高對(duì)雷電電磁脈沖的認(rèn)識(shí)。而閃電探測(cè)是我們認(rèn)識(shí)閃電最基本也是最高效的途徑，其中，利用閃電電場(chǎng)脈沖的到達(dá)時(shí)間定位閃電輻射源是目前最廣泛也是最主要的閃電探測(cè)手段之一[3-6]，故對(duì)包括雷電電磁脈沖在內(nèi)的電場(chǎng)測(cè)量問(wèn)題受到了研究者們的關(guān)注[7-10]。張旭光等[11]使用電場(chǎng)時(shí)變率和電場(chǎng)變化兩種天線(xiàn)同步觀(guān)測(cè)閃電，從原理上講這兩種天線(xiàn)都是電場(chǎng)測(cè)量，但兩者側(cè)重點(diǎn)又不同，由于閃電的高頻電磁輻射分量隨頻率增加而快速衰減，所以電場(chǎng)變化ΔE傳感器難以對(duì)閃電高頻輻射進(jìn)行準(zhǔn)確有效測(cè)量，相比而言，閃電時(shí)變率dE/dt傳感器能夠在數(shù)據(jù)采集設(shè)備有限的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)更有效地響應(yīng)閃電高頻輻射，成為閃電電場(chǎng)測(cè)量的有效補(bǔ)充。閃電電場(chǎng)傳感器經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化改進(jìn)，使得記錄的電場(chǎng)數(shù)據(jù)更加完整，這也使得閃電定位系統(tǒng)的探測(cè)效率和定位精度得到了極大提升。研究閃電電磁脈沖極性、強(qiáng)度變化特征及原因，對(duì)閃電探測(cè)技術(shù)的提升和雷電電磁脈沖防護(hù)具有重要意義。

Zhang等[12]根據(jù)閃電電場(chǎng)變化特征將放電過(guò)程分為4種類(lèi)型，不同放電類(lèi)型的電場(chǎng)波形特征不同。周方聰?shù)萚13]對(duì)2008年和2011年夏季人工觸發(fā)閃電回?fù)糁蟮?4個(gè)連續(xù)電流過(guò)程和43個(gè)分量的通道底部電流、電場(chǎng)變化和通道亮度進(jìn)行了同步測(cè)量和分析，發(fā)現(xiàn)電場(chǎng)變化波形與通道底部電流波形有很好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。鄭天雪等[14]通過(guò)人工引雷實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)上行正先導(dǎo)頭部的發(fā)展方向經(jīng)歷了上升、下折和再次上升3個(gè)階段，導(dǎo)致地面磁場(chǎng)極性發(fā)生兩次反轉(zhuǎn)，證明了正先導(dǎo)發(fā)展過(guò)程中輻射出的磁場(chǎng)脈沖極性和正先導(dǎo)頭部傳播方向變化有關(guān)，即與正先導(dǎo)頭部微小空間尺度放電電流的方向有關(guān)。唐國(guó)瑛等[15]分析了一次閃電通道底部電流極性?xún)纱畏崔D(zhuǎn)的原因，認(rèn)為一次閃電的正極性通道和負(fù)先導(dǎo)通道均連接到對(duì)地放電主通道上,分別對(duì)地轉(zhuǎn)移不同極性的電荷，導(dǎo)致通道底部電流的極性反轉(zhuǎn)，在電流極性發(fā)轉(zhuǎn)之前很短時(shí)間內(nèi)，出現(xiàn)電場(chǎng)脈沖極性的反轉(zhuǎn)，并指出是由于負(fù)極性擊穿放電向仰角增大的方向發(fā)展接連到負(fù)先導(dǎo)末端的正電荷聚集處,引起正電荷的短暫減少而使得電場(chǎng)脈沖極性由正極性變?yōu)樨?fù)極性。

閃電探測(cè)網(wǎng)通常包含4個(gè)以上的探測(cè)站，電場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象在記錄的閃電電場(chǎng)數(shù)據(jù)中是普遍存在的，并且不同測(cè)站出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)的時(shí)刻不一樣。先前的研究中，基于單站的電磁信號(hào)和光學(xué)觀(guān)測(cè)結(jié)果對(duì)磁場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)進(jìn)行分析，沒(méi)有對(duì)多個(gè)測(cè)站同步電場(chǎng)資料的極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象及其原因做出分析，對(duì)閃電電場(chǎng)極性變化及不同探測(cè)站極性變化時(shí)刻不同的原因尚無(wú)清晰認(rèn)識(shí)。為此，利用青海雷電綜合觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)獲的得寬帶電場(chǎng)和甚高頻輻射數(shù)據(jù)，結(jié)合閃電甚高頻(very high frequency,VHF)輻射源的定位結(jié)果，分析閃電寬帶電場(chǎng)脈沖極性變化的特征和原因。

1 電場(chǎng)波形數(shù)據(jù)采集原理及波形極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

1.1 電場(chǎng)信號(hào)天線(xiàn)原理

電場(chǎng)變化測(cè)量傳感器的基本原理如圖1所示。采用水平放置且與大地絕緣的圓形金屬板作為電場(chǎng)信號(hào)接收天線(xiàn)，根據(jù)電荷感應(yīng)原理，當(dāng)垂直方向的電場(chǎng)變化時(shí)，圓板天線(xiàn)上會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，而變化的電荷將產(chǎn)生變化的電流，該圓板天線(xiàn)與積分放大電路輸入端連接，將微弱的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，再由信號(hào)采集電路記錄積分放大電路的輸出電壓信號(hào)。根據(jù)所獲得的電壓信號(hào)就可反演出對(duì)應(yīng)的垂直電場(chǎng)信號(hào)。

如圖1所示，設(shè)S為圓形金屬板水平截面積，i為圓板天線(xiàn)連接導(dǎo)線(xiàn)上的電流，uo為積分放大電路輸出電壓，ε為空氣介電常數(shù)。平板天線(xiàn)的電流變化可表示為

(1)

式(1)中：dQ為圓形金屬板上的電荷變化量；dE為向下的垂直電場(chǎng)強(qiáng)度；dt為時(shí)間變化。

由基爾霍夫電流定律得

(2)

式(2)中：R1為積分放大器反饋回路的電阻；C1為積分放大器反饋回路的電容，可根據(jù)R1和C1的大小調(diào)正積分放大器的參數(shù)。

將式(1)代入式(2)得

(3)

式(3)中：E為向下的垂直電場(chǎng)；R為圓形金屬板天線(xiàn)與放大器反相輸入端之間的電阻，R大小不影響傳感器的性能參數(shù)。

R為電阻圖1 電場(chǎng)變化測(cè)量傳感器Fig.1 Schematic diagram of electric field change sensor

由于放電過(guò)程持續(xù)時(shí)間dt?R1C1，因此

(4)

1.2 閃電電場(chǎng)信號(hào)采集網(wǎng)絡(luò)

閃電VHF輻射源定位系統(tǒng)[5,16]主要由VHF天線(xiàn)、寬帶電場(chǎng)變化測(cè)量天線(xiàn)、帶通濾波器、對(duì)數(shù)放大器、高速A/D數(shù)據(jù)采集卡、高精度時(shí)鐘(時(shí)間精度50 ns)、處理器及數(shù)據(jù)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊組成。VHF接收系統(tǒng)中心頻率270 MHz，帶寬為6 MHz，高速A/D數(shù)據(jù)采集卡的采樣率為20 MS/s，即每秒記錄20 M個(gè)數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)，寬帶電場(chǎng)系統(tǒng)帶寬0～10 M。

采用和分析的數(shù)據(jù)來(lái)自在青海省大通縣進(jìn)行的雷電綜合觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，如圖2[16]所示，雷電綜合觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)由7個(gè)觀(guān)測(cè)站組成，圖2分別標(biāo)出了各測(cè)站的經(jīng)緯度及海拔高度，其中以明德站為中心，各測(cè)站分布半徑約為8 km。其中，明德、藥草、新莊、苗圃、極樂(lè)、斜溝、良教這7個(gè)測(cè)站的寬帶電場(chǎng)變化測(cè)量系統(tǒng)數(shù)據(jù)采樣率為20 MS/s，單次閃電數(shù)據(jù)記錄時(shí)長(zhǎng)為1.2 s。

圖2 青海省大通縣測(cè)站地理位置[16]Fig.2 Location of stations in Datong County,Qinghai Province[16]

1.3 電場(chǎng)脈沖極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象

如圖1所示的電場(chǎng)變化傳感器原理，平板天線(xiàn)與地形成一個(gè)電容器，當(dāng)平板天線(xiàn)接收到向下的瞬變電場(chǎng)時(shí)，天線(xiàn)上聚集負(fù)電荷，而電阻R上的電流方向如圖1所示，積分放大器輸出負(fù)電壓，信號(hào)采集系統(tǒng)記錄積分器輸出的電壓而獲得負(fù)極性脈沖。閃電發(fā)生時(shí)，接連的空氣擊穿及長(zhǎng)通道的電流放電，使得平板天線(xiàn)接收到頻譜較寬的電場(chǎng)信號(hào)。圖3為某一次地閃的寬帶電場(chǎng)信號(hào)(信號(hào)向上變化表示垂直向上的電場(chǎng)分量增加)，可以看出，新莊站的電場(chǎng)信號(hào)中包含50 Hz工頻干擾，極樂(lè)站和斜溝站存在低頻干擾。為了獲得較干凈和平穩(wěn)的電場(chǎng)脈沖波形，方便脈沖極性分析和閃電通道定位，使用經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解(empirical mode decomposition，EMD)信號(hào)分解技術(shù)去除殘差分量，再對(duì)信號(hào)進(jìn)行歸一化處理，歸一化后每個(gè)測(cè)站的信號(hào)最大值與最小值之差為2，信號(hào)預(yù)處理過(guò)程不改變脈沖的極性和脈沖相對(duì)變化高度(即同一個(gè)測(cè)站的所有脈沖同比例縮放)，具體的數(shù)據(jù)預(yù)處理算法參考文獻(xiàn)[5]。預(yù)處理后的7站電場(chǎng)波形如圖4所示。

圖3 一次地閃的原始電場(chǎng)波形Fig.3 Original electric field waveform of a cloud-to-ground flash

圖4 預(yù)處理后的電場(chǎng)波形Fig.4 Preprocessed electric field waveform

電場(chǎng)脈沖極性反轉(zhuǎn)的現(xiàn)象很常見(jiàn)，即從正極性脈沖反轉(zhuǎn)為負(fù)極性脈沖，或從負(fù)極性脈沖反轉(zhuǎn)為正極性脈沖，或正負(fù)極性脈沖交替出現(xiàn)。從歸一化電場(chǎng)波形中發(fā)現(xiàn)，某些時(shí)段各個(gè)測(cè)站的垂直電場(chǎng)脈沖極性不一致，如圖5所示，在41.892～41.91 s這連續(xù)的20 ms時(shí)段內(nèi)，新莊與藥草兩個(gè)測(cè)站的電場(chǎng)脈沖極性是相反的。這些脈沖極性相反現(xiàn)象可能導(dǎo)致閃電定位的脈沖匹配過(guò)程出現(xiàn)錯(cuò)誤或者部分電場(chǎng)脈沖缺失，導(dǎo)致了較多的閃電輻射源不能被定位出來(lái)。因此，分析脈沖極性相反的原因，尋找對(duì)應(yīng)的解決方案，將會(huì)提高閃電輻射源定位的精細(xì)化程度。

圖5 藥草與新莊測(cè)站脈沖極性相反Fig.5 The pulse polarity of Mingde station is opposite to that of Xinzhuang station

在42.174 1～42.174 9 s時(shí)段內(nèi)，明德、藥草、新莊3個(gè)測(cè)站的數(shù)據(jù)飽和而沒(méi)有探測(cè)到電場(chǎng)脈沖，苗圃、極樂(lè)、斜溝、良教4個(gè)測(cè)站距離閃電相對(duì)較遠(yuǎn)，沒(méi)有出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。如圖6所示，在42.174 3～42.174 5 s時(shí)段，苗圃測(cè)站電場(chǎng)脈沖的極性與極樂(lè)、斜溝、良教測(cè)站的脈沖極性相反，平均脈沖間隔為6.48 μs。而該時(shí)段的前后相鄰時(shí)段內(nèi)，4個(gè)測(cè)站脈沖極性是一致的。將圖6所示的信號(hào)分成3個(gè)時(shí)段，即42.174 1～42.174 3、42.174 3～42.174 5、42.174 5～42.174 9 s，以電場(chǎng)波形的脈沖向上為“正”，苗圃測(cè)站在這3個(gè)時(shí)段的極性為“負(fù)-負(fù)-正”，而極樂(lè)、斜溝、良教測(cè)站的極性變化為“負(fù)-正-正”。

如圖6所示，在正負(fù)極性反轉(zhuǎn)的過(guò)渡位置，電場(chǎng)脈沖幅度相對(duì)同一時(shí)刻其他測(cè)站的脈沖強(qiáng)度來(lái)說(shuō)較小，甚至是與噪音相當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，造成部分電場(chǎng)脈沖的缺失。

圖6 四站電場(chǎng)脈沖極性依次反轉(zhuǎn)波形Fig.6 Phenomena of sequential reversal of the pulse polarity of the four stations electric field

2 極性反轉(zhuǎn)過(guò)程定位分析

為了分析電場(chǎng)脈沖極性反轉(zhuǎn)的原因，使用到達(dá)時(shí)差法(time-of-arrival,TOA)定位閃電通道，TOA法定位閃電通道的步驟包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)預(yù)處理、脈沖提取、脈沖匹配及計(jì)算輻射源位置[5]。使用出現(xiàn)脈沖極性反轉(zhuǎn)、脈沖極性相反的寬帶電場(chǎng)信號(hào)定位閃電通道，部分通道定位效果較差。用同一次閃電的VHF輻射信號(hào)，使用文獻(xiàn)[5]的閃電定位算法定位出閃電通道，定位精度小于100 m。

圖7為圖5電場(chǎng)信號(hào)對(duì)應(yīng)時(shí)段的VHF定位結(jié)果?？梢钥闯觯W電輻射源的高度分布特征，垂直投影和水平投影的坐標(biāo)是以明德測(cè)站為原點(diǎn)，表示輻射源相對(duì)于明德測(cè)站的三維位置。

562 pts、563 pts分別表示該界面顯示出的輻射源數(shù)量總數(shù)為562、563個(gè)；漸變色先后順序?yàn)樗{(lán)、青、綠、黃、紅、洋紅，顏色表示閃電輻射源發(fā)生的時(shí)間先后，用漸變色表示輻射源位置隨時(shí)間的變化圖7 對(duì)應(yīng)圖5電場(chǎng)的VHF定位結(jié)果Fig.7 VHF positioning results corresponding to the electric field in Fig.5

從圖7可以看到閃電通道水平發(fā)展。圖8為該通道先導(dǎo)過(guò)程的VHF輻射源定位結(jié)果與7個(gè)測(cè)站位置分布，圖8中的通道放大窗口對(duì)應(yīng)圖7所示的位置。在41.906～41.908 s時(shí)間段，兩站脈沖極性都為“正”，而定位結(jié)果可以看出，該時(shí)段輻射源定位結(jié)果如圖7中通道折回分支(在圖7中藍(lán)色箭頭所示，通道長(zhǎng)度約200 m)所示，該時(shí)段閃電通道朝著東北方向發(fā)展，同時(shí)靠近新莊和藥草測(cè)站，因此兩個(gè)測(cè)站極性都為“正”。

在41.892～41.906 s和41.908～41.91 s兩個(gè)時(shí)段，通道是向東南方向發(fā)展的，根據(jù)測(cè)站位置布局和定位結(jié)果，閃電通道頭部與藥草測(cè)站的距離逐漸減小，逐漸靠近藥草測(cè)站，電場(chǎng)極性為“正”。相反，這兩個(gè)時(shí)段閃電發(fā)展的頭部逐漸遠(yuǎn)離新莊測(cè)站，因此，新莊測(cè)站的電場(chǎng)極性為“負(fù)”。

圖8所示的通道在后續(xù)出現(xiàn)了K過(guò)程放電，而圖6所示的脈沖是該次K過(guò)程放電的部分寬帶電場(chǎng)波形，圖9為這次K過(guò)程的寬帶電場(chǎng)脈沖，持續(xù)時(shí)間約8 ms。使用與圖9寬帶電場(chǎng)相同時(shí)段的VHF輻射信號(hào)定位閃電通道，定位結(jié)果如圖10所示，通道長(zhǎng)度約8 km，通道發(fā)展的二維平均速度約1×106m/s，這與孫竹玲等[17]和曹冬杰等[18]的研究結(jié)果相同量級(jí)。

圖8 閃電通道與7個(gè)探測(cè)站方位Fig.8 Lightning channel and seven detection station

圖9 一次K過(guò)程的電場(chǎng)變化(包含圖6所示波形)Fig.9 Electric field change of a K-process (including the waveform shown in Fig.6)

圖10 一次K過(guò)程VHF定位結(jié)果Fig.10 VHF positioning result of the K-process

圖10放大了圖6電場(chǎng)對(duì)應(yīng)的閃電通道，可以看到，通道先是有一個(gè)順時(shí)針的轉(zhuǎn)向，良教、斜溝、極樂(lè)、藥草這4個(gè)測(cè)站的電場(chǎng)脈沖依次出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象，根據(jù)測(cè)站布局可以發(fā)現(xiàn)這4個(gè)測(cè)站圍繞通道所在位置也是順時(shí)針排列的。

結(jié)合閃電VHF定位結(jié)果和測(cè)站布局可以發(fā)現(xiàn)，閃電頭部發(fā)展方向在順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，良教測(cè)站最先出現(xiàn)由負(fù)到正的脈沖極性反轉(zhuǎn)，苗圃最晚出現(xiàn)脈沖極性反轉(zhuǎn)，這與圖6的寬帶電場(chǎng)脈沖信號(hào)一致，再一次證明了電場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)是閃電發(fā)展頭部到測(cè)站的距離趨勢(shì)變化導(dǎo)致的，負(fù)先導(dǎo)頭部靠近測(cè)站則電場(chǎng)脈沖極性為正，電場(chǎng)垂直向上的分量增加，頭部遠(yuǎn)離測(cè)站則脈沖極性為負(fù)。電場(chǎng)垂直向上的分量減小。

定位分析兩次電場(chǎng)脈沖極性反轉(zhuǎn)的通道位置，如圖11所示，兩次脈沖極性反轉(zhuǎn)對(duì)應(yīng)的通道位置重合(箭頭指向的位置)，再次證實(shí)了閃電通道的位置和轉(zhuǎn)向?qū)е聹y(cè)站所在位置的垂直電場(chǎng)極性變化。在閃電發(fā)展過(guò)程中，通道頭部遠(yuǎn)離某個(gè)測(cè)站的同時(shí)，可能是靠近其他測(cè)站的，這會(huì)導(dǎo)致同一個(gè)閃電探測(cè)網(wǎng)絡(luò)中不同探測(cè)站接收到的垂直電場(chǎng)極性不同。通道發(fā)展方向改變，由靠近測(cè)站的趨勢(shì)變?yōu)檫h(yuǎn)離測(cè)站的趨勢(shì)，或者由遠(yuǎn)離測(cè)站的趨勢(shì)變?yōu)榭拷鼫y(cè)站的趨勢(shì)時(shí)，測(cè)站所在位置的垂直電場(chǎng)極性發(fā)生變化，由于測(cè)站方位的不同，各個(gè)測(cè)站出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)的時(shí)刻也不同。

1 370 pts表示兩次放電過(guò)程總共定位出1 370個(gè)閃電輻射源，漸變色先后順序?yàn)樗{(lán)、青、綠、黃、紅、洋紅，顏色表示閃電輻射源發(fā)生的時(shí)間先后，用漸變色表示輻射源位置隨時(shí)間的變化圖11 兩次電場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)的通道位置Fig.11 Position of the channel where the polarity of the electric fields reversed twice

3 極性反轉(zhuǎn)造成的定位問(wèn)題及解決方案

根據(jù)文獻(xiàn)[19]計(jì)算電場(chǎng)脈沖能量的方法，利用希爾伯特變換將電場(chǎng)波形轉(zhuǎn)換為時(shí)域上的能量波形。圖12為圖5電場(chǎng)波形希爾伯特變換后獲得的能量波形，所有的脈沖都轉(zhuǎn)變?yōu)榱苏龢O性，轉(zhuǎn)換后的波形信號(hào)具有更高的信噪比，便于脈沖的識(shí)別和匹配。圖13為圖6中苗圃和極樂(lè)兩站的電場(chǎng)波形對(duì)應(yīng)的能量波形，可以看到，能量波形中的脈沖特征更明顯。在圖13中極樂(lè)測(cè)站在脈沖極性反轉(zhuǎn)的時(shí)刻(42.174 4 s)前后，能量波形的脈沖特征同樣不明顯，脈沖幅度小，可能是電場(chǎng)變化幅度太小、電場(chǎng)極性不明顯導(dǎo)致對(duì)應(yīng)的能量波形脈沖特征不明顯。

圖12 輻射功率的精細(xì)時(shí)間波形(對(duì)應(yīng)圖5)Fig.12 Power spectrum waveform obtained by Hilbert transform (corresponding to Fig.5)

圖13 輻射功率的精細(xì)時(shí)間波形(對(duì)應(yīng)圖6)Fig.13 Power spectrum waveform obtained by Hilbert transform (corresponding to Fig.6)

將電場(chǎng)波形轉(zhuǎn)換為能量波形后，提取能量超過(guò)設(shè)定閾值的脈沖，并將其視為閃電輻射源發(fā)射出的電磁脈沖，并用相關(guān)性方法匹配相同輻射源脈沖。用相關(guān)性匹配能量波形中的脈沖，解決了多站電場(chǎng)脈沖極性不一致導(dǎo)致的脈沖匹配錯(cuò)誤問(wèn)題，從而定位出更多的輻射源點(diǎn)。

一次閃電的寬帶電場(chǎng)脈沖定位結(jié)果如圖14[5]所示，在閃電發(fā)展過(guò)程中，地面探測(cè)站接收的垂直電場(chǎng)極性發(fā)生多次極性反轉(zhuǎn)，在正負(fù)極性中間的一些脈沖幅度較小甚至難以提取這部分脈沖，以及多站脈沖極性不一致帶來(lái)的脈沖匹配錯(cuò)誤問(wèn)題，導(dǎo)致部分通道的定位結(jié)果不理想。

5 017 pts表示定位出的輻射源數(shù)量為5 017個(gè)，漸變色先后順序?yàn)樗{(lán)、青、綠、黃、紅、洋紅，顏色表示閃電輻射源發(fā)生的時(shí)間先后，用漸變色表示輻射源位置隨時(shí)間的變化圖14 寬帶電場(chǎng)定位結(jié)果[5]Fig.14 Positioning result using broadband electric field[5]

電場(chǎng)波形經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)[5]的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，再進(jìn)行希爾伯特變換獲得能量波形，從能量波形中識(shí)別和匹配閃電電磁脈沖，從而實(shí)現(xiàn)閃電輻射源定位。基于時(shí)域能量波形的閃電定位結(jié)果如圖15所示，5 472 pts表示定位出的閃電輻射源數(shù)量為5 472個(gè)，比寬帶電場(chǎng)定位結(jié)果多455個(gè)輻射源點(diǎn)，定位的輻射源數(shù)量提高了9%。從定位結(jié)果來(lái)看，基于能量波形的通道定位效果更好，閃電西北方向的通道更清晰，而從閃電起始(深藍(lán)色的點(diǎn))位置向東南方向發(fā)展的通道也更加纖細(xì)。

漸變色先后順序?yàn)樗{(lán)、青、綠、黃、紅、洋紅，顏色表示閃電輻射源發(fā)生的時(shí)間先后，用漸變色表示輻射源位置隨時(shí)間的變化圖15 基于能量波形的定位結(jié)果Fig.15 Positioning result using VHF radiation signal

4 結(jié)論

(1)詳細(xì)闡明了閃電放電引起的電場(chǎng)變化信號(hào)的測(cè)量原理，在此基礎(chǔ)上，利用寬帶電場(chǎng)和甚高頻輻射數(shù)據(jù)，結(jié)合閃電甚高頻輻射源的定位結(jié)果，分析了閃電電場(chǎng)脈沖極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的特征和原因。利用寬帶電場(chǎng)定位和甚高頻輻射源定位相互補(bǔ)充，在獲得閃電精細(xì)化三維定位基礎(chǔ)上分析發(fā)現(xiàn)，閃電先導(dǎo)頭部發(fā)展方向(或空氣擊穿方向)的改變，是導(dǎo)致地面探測(cè)站的垂直電場(chǎng)出現(xiàn)極性反轉(zhuǎn)現(xiàn)象的可能原因。負(fù)先導(dǎo)頭部往靠近測(cè)站的方向發(fā)展時(shí)，探測(cè)站的垂直電場(chǎng)脈沖極性為正極性(本文電場(chǎng)正極性方向是垂直向上)，負(fù)先導(dǎo)頭部往遠(yuǎn)離測(cè)站的方向發(fā)展時(shí)，電場(chǎng)脈沖極性為負(fù)極性。當(dāng)負(fù)先導(dǎo)發(fā)展方向由靠近探測(cè)站的趨勢(shì)變?yōu)檫h(yuǎn)離探測(cè)站的趨勢(shì)，或者由遠(yuǎn)離趨勢(shì)變?yōu)榭拷厔?shì)時(shí)，地面垂直電場(chǎng)的極性發(fā)生反轉(zhuǎn)，對(duì)于不同方位的探測(cè)站，電場(chǎng)脈沖極性反轉(zhuǎn)的時(shí)刻不同。

(2)電場(chǎng)極性反轉(zhuǎn)的過(guò)渡時(shí)期造成部分電場(chǎng)脈沖的缺失，對(duì)閃電定位的結(jié)果造成了一定影響。提出了希爾伯特能量譜的解決方案，將電場(chǎng)波形轉(zhuǎn)換為能量波形，再進(jìn)行脈沖的識(shí)別和匹配，通過(guò)電場(chǎng)波形閃電定位和能量波形閃電定位兩種結(jié)果進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)換為能量波形再進(jìn)行定位可以在一定程度上解決電場(chǎng)脈沖極性反轉(zhuǎn)帶來(lái)的定位問(wèn)題，定位出的閃電通道更清晰，定位出的閃電輻射源數(shù)量提高約9%，可以獲得更理想的閃電精細(xì)化定位效果。