CN109900974B - 一种测量地下空间闪电磁场脉冲信号的实验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于近地空间磁场探测技术领域，公开了一种测量地下空间闪电磁场脉冲信号的实验方法。该方法包括以下内容：选择人工引雷点的位置，在地面引雷点水平位置近距离范围内确定磁场探测点，在磁场探测点地上空中和地下空间分别安装磁场探测器，所述的磁场探测器与信息处理系统电连接，对获取的磁场信号特征进行对比分析，研究地层对闪电磁场脉冲的影响规律。此发明为探讨闪电通道周围地下空间磁场分布提供实验支撑，并且对结合脉冲透地后的脉冲参数演变特征反算地层电磁性参数提供实验基础，具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于近地空间磁场探测技术领域，涉及一种测量地下空间闪电磁场脉冲信号的实验方法，具体为一种基于闪电磁场脉冲地下测量研究地层对磁场脉冲影响的实验方法。
背景技术
闪电是发生在大气中的剧烈的放电现象，此过程中会产生强大的放电电流，同时向外辐射强电磁脉冲。对于闪电过程中辐射的电磁脉冲的研究一直以来是学者们讨论的热点，闪电脉冲电磁波作为地球空间一种大范围高功率的辐射源，可能会对工程基建，电子设备，信号传输缆线，甚至生物生命安全造成威胁近年，人们将生存空间逐渐向地下拓展，地下的工程设备是否会会受到闪电辐射脉冲影响，这一问题值得求证和探讨，大多数研究仅局限理论和相关模拟研究。与此同时，利用电磁波作为媒介对地球近地表层的探测是地球空间科学领域探悉地层信息的重要手段，在资源勘探领域，水文地质研究领域以及农业生产领域都有广泛应用，如探地雷达确定地层结构和典型参数，无线电遥感传输土壤含水率等；地球空间时刻都在发生闪电事件，如果这种闪电产生的强的电磁脉冲辐射能作为一种自然辐射源被利用，使其发挥一定的社会价值；Yeh等人(2007)曾经提出一种基于Tomographic surveying技术，强调利用自然界发生的电磁波激励作为探测源，建立相应的信号传感器网络，对电磁波波源的激励信号提供长期和空间分布性的监测，从而实现对地表和地下的大尺度特征的反演；所以闪电作为强激励源探测地球浅层结构有潜在的可能性。
基于需求和目前的技术条件，预计发明一种在地下一定深度空间测取闪电产生的电磁脉冲信号的方法，分析地面和地下空间测取信号的时域波形特征，进而研究地层对磁场脉冲影响，该实验方法的提出为后续研究闪电磁场脉冲地下分布特征提供有力的实验基础。
发明内容
本发明的目的在于从实验的角度出发补充对闪电信号在近地层空间分布的特征研究，提出一种利用低频磁场探测器布置在地表和地下来测取闪电过程的磁场脉冲信号，然后对采集的信号进行对比分析来研究地层对闪电磁场脉冲信号的影响。
为了达到上述目的，本发明具体通过以下技术方案实现：
一种测量地下空间闪电磁场脉冲信号的实验方法，该方法包括以下内容：选择人工引雷点的位置，在地面引雷点水平位置近距离范围内确定磁场探测点，在磁场探测点地上空中和地下空间分别安装磁场探测器，所述的磁场探测器与信息处理系统电连接，对获取的磁场信号特征进行对比分析，研究地层对闪电磁场脉冲的影响规律。
本发明试验方法中所述的近距离范围内确定磁场探测点具体为磁场探测点距离地面引雷点的水平位置在1000m范围内。
本发明实验方法中所述的地上空中为与引雷点垂直的地上1米处，所述的地下空间为与引雷点垂直的地下1～5米处。
本发明实验方法中在引雷点位置向地下垂直挖掘一定深度的地下空间，选择不同深度位置，横向开辟一定尺寸的洞穴，所述的地下空间的磁场探测器安装在横向开辟的洞穴内。
进一步的，在地下空间放置磁场探测器以后对洞穴口进行封闭处理，防止杂物和雨水进入地下空间，另外在洞口铺设屏蔽板做电磁屏蔽处理。
进一步的，所述的磁场探测器由低频磁场感应器和信号放大电路组成，并且由12V线性电源提供稳定工作电压，所述的磁场探测器的增益和带宽等参数均可做调整。
本发明所述的实验方法中所述的磁场探测器将磁场信号通过线缆传输至信号处理系统进行记录和存储，在对磁场探测器获取的磁场信号进行记录的同时也对由GPS提供绝对时间(Irig和PPS)进行记录。
本发明所述的试验方法中所述的信号处理系统对信号进行高采样率记录和存储之后，分析人工引雷过程各个阶段的信号波形特征，对比地上和地下不同深度的磁场信号波形参数的差异，对差异进行量化，为后续研究提供有力的实验数据。
本发明的有益效果为：
本发明属于近地空间磁场探测技术领域，以往对闪电磁场脉冲在地下空间的分布研究只注重理论模拟研究而缺少实验数据支撑的，本发明提供一种研究闪电脉冲在地下不同深度处的磁场信号强度的测量方法，对闪电脉冲地下磁场分布的研究是一种补充和创新，实验结果也可用来完善和验证理论模型；另外，对比不同深度磁场脉冲信号波形特征的差异，对反推地下浅层土壤的电磁特性参数提供基础支撑，具有重要意义。
附图说明
图1是本发明实施例所述地下空间测量闪电磁场脉冲信号的实验示意图，其中，1、数据采集和存储系统；2、地面磁场探测器；3、地下磁场探测器；4、垂直井筒空间；5、信号传输线；6、雷暴云模型；7、闪电通道；8、引流杆；9、地下土壤模型；
图2是本发明实施例提供的山电磁场传播于接收模型；
图3是本发明实施例提供记录的两次闪电磁场地下和地面测量结果对比图，其中3(a)为击中通讯高塔的闪电事件，3(b)为传统人工引雷事件。
具体实施方式
下面将结合本发明具体的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明是一种基于实验测量地下空间测量闪电磁场脉冲信号的实验方法，其核心内容包括磁场探测器参数的选择与确定，探测器部署位置的设计与调整，信号传输与采集，数据存储与分析。
如图1所示，该方法包括以下内容：选定人工引雷点的位置，在地面引雷点水平位置近距离范围内确定磁场探测点，在磁场探测点地上空中和地下空间分别安装磁场探测器，所述的磁场探测器与信息处理系统电连接。
基于人工引雷近距离磁场测量，实验选择的探测器安置点距离闪电通道的水平距离不超过1000m，对于磁场探测器垂直深度的选择具有层次性，可在地面上1米(记作+1m)，地下1米(-1m)，地下2米(-2m)，地下5米(-5m)等不同高度安置磁场探测器，磁场探测器由低频磁场感应器和信号放大电路组成，磁场探测器设置有两个不同增益的通道，分别是针对人工引雷初始过程和连续电流阶段的磁场信号的大增益通道和针对回击过程的小增益通道，探测器的采样带宽设置为2kHz-800kHz，磁场探测器的信号经放大电路后被传输到采集设备，信号传输线为同轴缆线，放大电路由12V线性电源通过三芯电缆提供稳定电压。
磁场探测器的地下安装位置为向地下垂直挖掘一定深度的地下空间，选择不同深度位置，横向开辟一定尺寸的洞穴放置磁场探测器，在地下空间放置磁场探测器以后对洞穴口进行封闭处理，防止杂物和雨水进入地下空间，另外在洞口铺设屏蔽板做电磁屏蔽处理。
在有雷暴发生，具备人工引雷条件时，设备提前运行测试，设置采集参数，当闪电发生时，闪电脉冲磁场被不同高度位置的磁场探测器采集，通过信号线传输至采集中心进行记录，对采集的数据进行解算，绘制不同位置测取的磁场脉冲时域波形，对相应的脉冲信号的波形特征进行统计，对比不同位置信号波形特征参数的差异，包括脉冲峰值，脉冲半峰值宽度，脉冲峰值对应的时间；总结得出土壤介质对闪电脉冲磁场的影响规律。
为了更好的阐述木发明的核心内容，以一次地下磁场测量实验为例进行细化说明。
2017年，在山东某引雷实验区开展了此项实验，实验将磁场探测器布置在距离闪电通道78m的位置，在地面1m高和地下2m深度位置放置两个参数一致的磁场探测器，磁场探测器一共记录了三次人工引发的闪电信号(图3)。
从实施例的实验结果来看，对于地下空间山电磁场信号的测量方法有很好的记录效果，并且从原始数据图例上能够反映出闪电磁场信号在地面和地下测取的差别。
如图2所示，对与实施例中实验结果的初步统计，因为实验是在地下2m处和地面1m处布置的磁场探测器，地上1m处的磁场探测器(P点)接收到的磁场信号来自于闪电通道磁场激发的磁场在地上空间传播，距离为R(z’)；地下2m处测磁场探测器(Q点)接收到的信号经过了地上空间和地下固体介质，距离为RS(z’)。
结果表明，电磁波在色散介质(如土壤)中传播时，电磁波的波参数会发生改变，本发明实施例给出的实验结果展示出磁场信号在时域波形特征上的差异，对于高塔引雷的实例(图3a)，在预击穿过程中的磁场脉冲(PBP)，地上磁场信号和地下磁场信号在幅值上有明显的差差异，回击过程(RS1、RS2，RS3)信号因为饱和的原因，不能做量化分析，但是局部特征也表现出差异来，但是和预期穿过程的高频脉冲信号相比，幅值衰减行对要小一些；经典人工引雷(图3b)出现先驱脉冲(precursor)和初始脉冲(Initial magnetic pulse)的波形也有明显差异，信号清晰度高，可以进行量化统计分析。所以本发明实施例给出的实验结果与理论结果相互吻合。
经过实施例的几次试验结果论证，本发明涉及的一种地下空间测量闪电磁场脉冲的实验方法是具有可行性的，能够提供有效的实验数据，对于研究闪电信号对地下空间电磁扰动提供重要实验基础，具有科学研究价值。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (3)
1.一种测量地下空间闪电磁场脉冲信号的实验方法，其特征在于，选择人工引雷点的位置，在地面引雷点水平位置近距离范围内确定磁场探测点，在磁场探测点地面上1米、地下1米、地下2米、地下5米分别安置磁场探测器，所述的磁场探测器与信息处理系统电连接，对获取的磁场信号特征进行对比分析，研究地层对闪电磁场脉冲的影响规律；
在引雷点位置向地下垂直挖掘一定深度的地下空间，选择不同深度位置，横向开辟一定尺寸的洞穴，所述的地下空间的磁场探测器安装在横向开辟的洞穴内；
在地下空间放置磁场探测器以后对洞穴口进行封闭处理，并且在洞口铺设屏蔽板做电磁屏蔽处理；
所述的磁场探测器由低频磁场感应器和信号放大电路组成，并且由12V线性电源提供稳定工作电压。
2.根据权利要求1所述的一种测量地下空间闪电磁场脉冲信号的实验方法，其特征在于，所述的近距离范围内确定磁场探测点具体为磁场探测点距离地面引雷点的水平位置在1000m范围内。
3.根据权利要求1所述的一种测量地下空间闪电磁场脉冲信号的实验方法，其特征在于，所述的磁场探测器将磁场信号通过线缆传输至信号处理系统进行记录和存储，在对磁场探测器获取的磁场信号进行记录的同时并提供绝对时间进行记录。
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