CN106771682A - 一种空间电荷浓度获取方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种空间电荷浓度获取方法及装置，方法包括：获取不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间；所述不同测量点为高度不同的测量点；根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度。本发明空间电荷浓度获取方法，可适用任何情况的空间电荷浓度的计算，根据时变信息和相应的速度信息计算空间电荷浓度，提高了空间电荷浓度的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及一种空间电荷浓度获取方法及装置。
背景技术
电场仪探空测量技术是目前探测云内电场强度最直接的手段。具体做法是将特殊设计的大气电场仪安装在探空气球、探空火箭或者飞机等平台上，随着探测平台的上升,电场仪不断探测途径各点的大气电场强度值。理论上，利用探测到的数据，基于高斯定律 将电场强度视作空间位置(x,y,z)的函数，计算空间电荷浓度。但是，目前设备无法同时测量多个方向上的电场强度的分量，而据以前经验可知，电荷层的分布主要以水平方向延伸(分布)为主，因此，在多数情况下和相对可以忽略，则上述高斯公式可变换得到公式依据这一公式，利用反演算法获得空间电荷浓度，从而得知空间电荷浓度的分布。
但是现有研究表明，这种方法在雷暴生命史的后期，或者雷暴系统的层云部分是没有问题的，但在对流区及其附近，净电荷层的水平尺度相比垂直尺度并不占优。在这些区域利用上述技术得到的结果可能存在较大的误差。
而且，上述方法为了测量Ez，必须通过姿态控制装置使电场仪的探头与水平面垂直，因此，该方法对于电场仪在探测过程中的姿态具有较高的要求。
发明内容
本发明提供一种至少部分解决上述技术问题的一种空间电荷浓度获取方法及装置。
一种空间电荷浓度获取方法，包括：
获取不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间；所述不同测量点为高度不同的测量点；
根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度。
优选的，所述预设方向上的电场强度为z向的电场强度；
相应地，所述根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的速度的垂直分量；
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，计算不同测量点的空间电荷浓度。
优选的，所述根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，通过公式(一)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，Ez为一测量点的z向的电场强度，w为所述测量点的速度的垂直分量，ρ为所述测量点的空间电荷浓度，ε为电解质常数。
优选的，所述预设方向上的电场强度为运动方向上的电场强度；
相应地，所述根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的运动方向上的速度；
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向上的速度，计算不同测量点的空间电荷浓度。
优选的，所述根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向的速度，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向的速度，通过公式(二)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，El为一测量点的l方向上的电场强度，V为所述测量点的l方向上的速度，ρ为空间电荷浓度，ε为电解质常数。
第二方面，本发明还提供一种空间电荷浓度获取装置，包括：
获取单元，获取不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间；所述不同测量点为高度不同的测量点；
计算单元，用于根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度。
优选的，所述预设方向上的电场强度为z向的电场强度；
相应地，所述计算单元，还用于：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的速度的垂直分量；
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，计算不同测量点的空间电荷浓度。
优选的，所述计算单元，还用于：
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，通过公式(一)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，Ez为一测量点的z向的电场强度，w为所述测量点的速度的垂直分量，ρ为所述测量点的空间电荷浓度，ε为电解质常数。
优选的，所述预设方向上的电场强度为运动方向上的电场强度；
相应地，所述计算单元，还用于：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的运动方向上的速度；
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向上的速度，计算不同测量点的空间电荷浓度。
优选的，所述计算单元，还用于：
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向的速度，通过公式(二)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，El为一测量点的l方向上的电场强度，V为所述测量点的l方向上的速度，ρ为空间电荷浓度，ε为电解质常数。
由上述技术方案可知，本发明空间电荷浓度获取方法，可适用任何情况的空间电荷浓度的计算，根据时变信息和相应的速度信息计算空间电荷浓度，提高了空间电荷浓度的准确度。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的一种空间电荷浓度获取方法的流程图；
图2为本发明一实施例提供的一种空间电荷浓度获取装置的原理框图；
图3为利用传统方法得到的电荷浓度随高度的分布图；
图4为与图3的同一次探空中利用本发明空间电荷浓度获取方法得到的电荷浓度随高度的分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
图1为本发明一实施例提供的一种空间电荷浓度获取方法的流程图。
如图1所示的一种空间电荷浓度获取方法，包括：
S101、获取不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间；所述不同测量点为高度不同的测量点；
可以理解的是，测量点的位置信息和电场强度的获取时间可通过现有的GPS定位装置获得。
S102、根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度。
需要说明的是，设定电场强度E为空间位置(x,y,z)和时间t的函数，由此可以推导电场强度随时间的变化率为
结合高斯定律
得到
假定在足够高的探测时间精度下，电场是准稳定状态，因此，基本为零，或者是一个相对较小的量，由此得到
其中，ρ为所要反演的电荷浓度(即空间电荷浓度)，为基于GPS高精度定位结果获得的探测设备的移动速度，为电场强度的探测结果(即电场强度)。
接下来的处理则依据所搭载的电场探空仪器是否具有姿态控制装置而有所不同：
1)如果具备了现有技术中的姿态控制装置，可以测得Ez(z向的电场强度)，则可以根据公式(1)变化得到
其中，如果探空电场仪具备三维电场强度的探测能力，则Ex和Ey分别为经向和纬向的电场强度。理论上由于上述三个公式是等效的，任取一个就可以反演得到电荷浓度，但现有探测实验中主要以探测垂直方向电场强度为主，因此，可通过公式(4)计算空间电荷浓度。
2)如果不具备现有技术中的姿态控制装置，即不需要保证必须获得z向的电场强度，而是只需要获得运动方向上的电场强度即可，此时，可以利用一个轻质硬杆连接探空平台和轻量化的大气电场仪(已有相关产品)，并将电场仪固定在硬杆的一端，保持其中一个电场探测方向(如果是三维探测)与杆平行。这样由于硬杆的轻质特性，以及电场仪的轻量化，可以使得在探空平台移动过程中，硬杆的方向与移动方向能够保持一个较小的夹角。由此，从平行于杆的电场仪探头处探测到的电场强度的方向也应当与移动方向保持一个较小的夹角，其探测到的电场的方向可大致视作运动方向。因此，可以将公式(1)变换为
其中，为运动方向，为垂直于运动方向的方向，则有
根据公式(5)也可以反演得到电荷浓度。
基于此，本发明得出以下具体实施例，具体为：
在有现有技术中的姿态控制装置时，所述预设方向上的电场强度为z向的电场强度；
相应地，所述步骤S102，包括：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的速度的垂直分量；
可以理解的是，获得待测测量点的上下相邻的两个测量点的位置信息和该两个点的电场强度的获取时间，根据该两个测量点的位置信息和该两个点的电场强度的获取时间，计算待测测量点的速度的垂直分量。根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，计算不同测量点的空间电荷浓度。
作为一种优选实施例，所述根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，通过公式(一)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，Ez为一测量点的z向的电场强度，w为所述测量点的速度的垂直分量，ρ为所述测量点的空间电荷浓度，ε为电解质常数。
在没有现有技术中的姿态控制装置，但保证测得的电场强度的方向为运动方向上的电场强度，
所述预设方向上的电场强度为运动方向上的电场强度；
相应地，所述步骤S102，包括：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的运动方向上的速度；
此处速度的计算方法同上，不再详述。
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向上的速度，计算不同测量点的空间电荷浓度。
由于该方法只需要保证电场仪探测方向和运动方向一致即可，而对仪器姿态的要求没有那么严格，因此，可以降低对于对电场探测设备的要求。
作为一种优选实施例，所述根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向的速度，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向的速度，通过公式(二)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，El为一测量点的l方向上的电场强度，V为所述测量点的l方向上的速度，ρ为空间电荷浓度，ε为电解质常数。
本发明空间电荷浓度获取方法，可适用任何情况的空间电荷浓度的计算，根据时变信息和相应的速度信息计算空间电荷浓度，提高了空间电荷浓度的准确度。
图2为本发明一实施例提供的一种空间电荷浓度获取装置的原理框图。
如图2所示，本发明还提供一种空间电荷浓度获取装置，包括：
获取单元201，获取不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间；所述不同测量点为高度不同的测量点；
计算单元202，用于根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度。
作为一种优选实施例，所述预设方向上的电场强度为z向的电场强度；
相应地，所述计算单元202，还用于：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的速度的垂直分量；
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，计算不同测量点的空间电荷浓度。
作为一种优选实施例，所述计算单元202，还用于：
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，通过公式(一)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，Ez为一测量点的z向的电场强度，w为所述测量点的速度的垂直分量，ρ为所述测量点的空间电荷浓度，ε为电解质常数。
作为一种优选实施例，所述预设方向上的电场强度为运动方向上的电场强度；
相应地，所述计算单元202，还用于：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的运动方向上的速度；
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向上的速度，计算不同测量点的空间电荷浓度。
作为一种优选实施例，所述计算单元202，还用于：
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向的速度，通过公式(二)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，El为一测量点的l方向上的电场强度，V为所述测量点的l方向上的速度，ρ为空间电荷浓度，ε为电解质常数。
由于本发明的一种空间电荷浓度获取装置与一种空间电荷浓度获取方法是一一对应的，因此，不再详述一种空间电荷浓度获取装置。
图3和图4是根据在内蒙古高原地区的同一次电场探空实验结果数据，分别利用传统电荷浓度获取方法和本发明的电荷浓度获取方法得到的电荷浓度随高度的分布。该次探空实验中，探空气球主要穿越了雷暴的云砧区，云体高度较高，电荷浓度也较低。从传统方法的结果来看，云砧中的主负电荷区高度在12km附近，中心略低于12km；主正电荷区高度则在13km左右；另外，在11km和16km附近分别还有两个较小的正电荷区。本发明方法在主要几个电荷区的反演结果方面显示了与传统方法几乎相同的电荷浓度分布。
图3和图4中的横坐标为空间电荷浓度，纵坐标为位置/高度信息。
通过与传统方法结果的对比，本发明方法的结果对云中主体电荷结构的配置和强度关系表现出了与传统方法结果几乎相同的效果。
本领域普通技术人员可以理解：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (10)
1.一种空间电荷浓度获取方法，其特征在于，包括：
获取不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间；所述不同测量点为高度不同的测量点；
根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设方向上的电场强度为z向的电场强度；
相应地，所述根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的速度的垂直分量；
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，计算不同测量点的空间电荷浓度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，通过公式(一)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，Ez为一测量点的z向的电场强度，w为所述测量点的速度的垂直分量，ρ为所述测量点的空间电荷浓度，ε为电解质常数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预设方向上的电场强度为运动方向上的电场强度；
相应地，所述根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的运动方向上的速度；
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向上的速度，计算不同测量点的空间电荷浓度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向的速度，计算不同测量点的空间电荷浓度，包括：
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向的速度，通过公式(二)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，El为一测量点的l方向上的电场强度，V为所述测量点的l方向上的速度，ρ为空间电荷浓度，ε为电解质常数。
6.一种空间电荷浓度获取装置，其特征在于，包括：
获取单元，获取不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间；所述不同测量点为高度不同的测量点；
计算单元，用于根据所述不同测量点的位置信息、不同测量点的预设方向上的电场强度以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的空间电荷浓度。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设方向上的电场强度为z向的电场强度；
相应地，所述计算单元，还用于：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的速度的垂直分量；
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，计算不同测量点的空间电荷浓度。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述计算单元，还用于：
根据不同测量点的z向的电场强度和所述不同测量点的速度的垂直分量，通过公式(一)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，Ez为一测量点的z向的电场强度，w为所述测量点的速度的垂直分量，ρ为所述测量点的空间电荷浓度，ε为电解质常数。
9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述预设方向上的电场强度为运动方向上的电场强度；
相应地，所述计算单元，还用于：
根据所述不同测量点的位置信息以及不同测量点的电场强度的获取时间，计算不同测量点的运动方向上的速度；
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向上的速度，计算不同测量点的空间电荷浓度。
10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述计算单元，还用于：
根据不同测量点的运动方向上的电场强度和所述不同测量点的运动方向的速度，通过公式(二)利用反演算法计算不同测量点的空间电荷浓度
其中，El为一测量点的l方向上的电场强度，V为所述测量点的l方向上的速度，ρ为空间电荷浓度，ε为电解质常数。
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