CN110672908A - 一种闪电电磁脉冲峰值电流的计算方法 - Google Patents

一种闪电电磁脉冲峰值电流的计算方法 Download PDF

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Abstract

一种闪电电磁脉冲峰值电流计算方法，该方法包括：对电场传感器采集的闪电电磁脉冲信号进行预处理，得到对应的电场信号；建立传播模型，根据得到的电场信号计算归到地波范围内的场强；根据计算出的归到地波范围内的场强计算得到距离归一化电场强度：根据峰值电流和归一化电场强度之间的对应关系计算峰值电流。本发明提出的闪电电磁脉冲峰值电流计算方法，建立传播模型，将电场传感器采集的闪电电磁脉冲信号计算归到地波范围内的场强，综合考虑“地‑电离层波导”的传播效应及闪电电磁脉冲信号的传输线模型，可实现远距离闪电电磁脉冲峰值电流的计算。

Description

一种闪电电磁脉冲峰值电流的计算方法
技术领域
本发明涉及闪电电磁脉冲探测领域，尤其涉及一种根据探测站处的峰值电场信号计算闪电电磁脉冲峰值电流的算法。
背景技术
闪电是自然界中发生的一种强烈的大气放电现象，地球上每秒钟发生大量的雷电事件(尤其在多雨的雷暴区域)，造成大量的人员伤亡和财产损失。在雷暴形成过程中，云层中积累大量的正负电荷，形成正负电荷区。当正负电荷区产生的电场击穿空气时，产生闪电电磁脉冲(LEMP)。LEMP信号的频带很宽，主要能量集中在甚低频频段(VLF，3kHz～30kHz)，并以地波及天波方式在“地-电离层波导”中传播。当传播距离较近时，电磁脉冲探测设备接收到的信号以地波信号为主；当传播距离较远时，信号以电离层反射的天波为主，且衰减较小。
传统的闪电电磁观测系统中大部分不反演计算闪电的峰值电流幅度，或者仅能估算探测距离小于600公里范围内(仅考虑地波信号)的闪电电磁脉冲事件。在全国范围内部署四个电磁脉冲探测站，构成超长基线电磁脉冲阵，该阵能够实时监控全国范围内的强雷暴事件并对事件进行定位。在探测站处，电磁脉冲信号中包含了脉冲源的电流强度、大地电导率、电离层的反射系数等信息。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：传统的闪电电磁观测系统中大部分不反演计算闪电的峰值电流幅度，或者仅能估算探测距离小于600公里范围内的闪电电磁脉冲事件，不能实现对远距离LEMP事件的峰值电流的估算的问题。
(二)技术方案
本发明提供了一种适用于超长基线电磁脉冲探测阵的闪电电磁脉冲峰值电流计算方法，能够估计远距离LEMP事件的峰值电流。该算法包括：
步骤A：对电场传感器采集的闪电电磁脉冲信号进行预处理，得到对应的电场信号；
其中，对电场传感器采集的闪电电磁脉冲信号进行预处理，得到对应的电场信号，包括：
对采集的闪电电磁脉冲信号进行滤波操作；
滤波后的闪电电磁脉冲信号进行增益校正；
对增益校正后的闪电电磁脉冲信号进行去标定，去除探测系统的幅频响应及相频响应，得到电场信号，完成预处理操作。
步骤B：建立传播模型，根据得到的电场信号计算归到地波范围内的场强；
“地-电离层波导”中，探测站接收到的LEMP信号可以看做地波和各阶天波之和。根据“地-电离层波导”的波导模理论及波跳理论，传输路径传递函数与传播距离、频率、大地电导率、电离层反射系数与天线割背因子等相关。因此，可以建立传播模型，求解“地-电离层波导”的传播函数，将远距离的LEMP信号强度归到地波范围内的场强；
步骤C：根据计算出的归到地波范围内的场强计算得到距离归一化电场强度：
根据计算出的归到地波范围内的场强计算得到距离归一化电场强度采用以下公式实现：
Figure BDA0002242662770000021
其中，RNSS表示距离归一化电场强度，r为探测距离，I为归一化参考距离：I＝100km，SS为原始信号强度，p是衰减常数：p＝1.13，A是常数且A＝105km或者p＝1，A＝1000km，C为常数。
步骤D：根据峰值电流和距离归一化电场强度之间的对应关系计算峰值电流；
根据计算出的距离归一化电场强度
Figure BDA0002242662770000022
计算得到峰值电流Ip采用以下公式实现：
Figure BDA0002242662770000031
(三)有益效果
本发明提供了一种适用于超长基线电磁脉冲探测阵的闪电电磁脉冲峰值电流计算方法，基于闪电通道的传输线模型，在地波范围内，电磁脉冲的场强与回击电流速度和探测距离有关，且正比于回击电流的幅度的关系。同时，综合考虑甚低频电磁波在“地-电离层波导”中的传播特性，使得该算法能够估算远距离LEMP事件的峰值电流幅度。
附图说明
图1为根据本发明一实施例的闪电电磁脉冲峰值电流计算方法流程图；
图2为根据本发明一实施例的超长基线电磁探测阵各站的原始数据波形图；
图3为根据本发明一实施例的电场传感器幅频响应及相频响应图；
图4为根据本发明一实施例的原始数据经过预处理后的结果图；
图5为根据本发明一实施例的“地-电离层波导”传播衰减曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提出的闪电电磁脉冲峰值电流计算方法，将闪电电磁脉冲电压信号经滤波、增益校正及去频率响应后得到对应的电场信号；建立传播模型，求解“地-电离层波导”的传播函数，将远距离的闪电电磁脉冲信号归到地波范围内的场强；在地波范围内，计算得到距离归一化电场强度并计算均值；根据峰值电流与归一化电场强度之间的对应关系，计算得到闪电电磁脉冲信号的峰值电流强度。
在我国国土范围内布设四个电磁脉冲探测站，构成超长基线电磁脉冲探测阵，站点之间的距离约1250km～2860km。
图1为根据本发明一实施例的闪电电磁脉冲峰值电流计算方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤A：对电场传感器采集的闪电电磁脉冲信号进行预处理，得到对应的电场信号；
在雷暴发生时，会产生大量的LEMP信号，该信号在“地-电离层波导”中传播至很远的距离，可通过电场传感器进行探测。图2为根据本发明一实施例的超长基线电磁探测阵各站的原始数据波形图。从图2中可以看到，四个探测站的原始探测信号为电压信号，且信号中含有许多噪声信号与干扰信号。如果原始信号不经过处理，会对计算结果造成很大的误差。
因此，对电场传感器采集的闪电电磁脉冲信号进行预处理，首先进行滤波操作，滤除部分噪声，然后滤波后的闪电电磁脉冲信号进行增益校正。在该实例中，选用3kHz～20kHz的带通滤波器，并通过噪声抑制技术对原始波形进行处理。将处理后的电压波形信号转换为电场波形信号，最后对增益校正后的闪电电磁脉冲信号进行去标定，滤除掉图3所示的该实例中的去除探测系统的电场传感器幅频响应及相频响应，得到电场信号，完成预处理操作，如图4所示。
步骤B：建立传播模型，根据得到的电场信号计算归到地波范围内的场强：
需要建立“地-电离层波导”传播模型，求解“地-电离层波导”的传播函数。根据“地-电离层波导”的波导模理论及波跳理论，传输路径传递函数与传播距离、频率、大地电导率、电离层反射系数与天线割背因子等相关，具体过程如下：
在VLF频段，闪电通道通常可等效为位于地面的理想垂直电偶极子，那么，地面上电场的垂直分量可表示为
其中，Ez表示地面上电场的垂直分量，Pt表示发射功率，单位为kW，Ei表示第i个传播模式的电场信号。
Figure BDA0002242662770000042
其中，E0表示沿地面传播的地波，
Figure BDA0002242662770000043
表示虚数单位，k0表示真空中的传播常数，d是收发点之间的大圆距离，W是地波衰减因子：
Figure BDA0002242662770000051
a表示地球半径，ts表示“地-电离层”波导传播模方程的根，
Figure BDA0002242662770000052
Δg表示地面的归一化表面阻抗，e表示自然对数。
Figure BDA0002242662770000053
其中，E1表示一跳天波，L1是一跳天波射线总长度(km)；ψ1表示一跳天波在地面上的出射和到达角；//R//表示一跳天波的电离层反射系数，其中下标//表示入射波与反射波的电矢量都平行于入射面；D是由于电离层球面弯曲引起的会聚系数；Ft和Fr分别表示由于地面的曲率和有限导电性引起的发射点和接收点的天线的背景因子。
其中，E2表示二跳天波，此处：L2表示二跳天波的射线长度；ψ2表示二跳天波的出射角与到达角；D表示由于电离层球面弯曲引起的会聚系数，Dg表示由于地面的弯曲引起的发散系数，它接近于D-1；//R⊥和⊥R//表示电离层反射系数，其中第一个下标表示入射波的极化性质，第二个下标表示反射波的极化性质；Rg//和Rg⊥表示地面反射系数。E3、E4则表示3跳与4跳天波，此处不再赘述。
经过仿真计算，得到甚低频电磁波在“地-电离层波导”中的衰减曲线如图5所示。
步骤C：根据计算出的归到地波范围内的场强计算得到距离归一化电场强度：
根据计算出的归到地波范围内的场强计算得到距离归一化电场强度采用以下公式实现：
Figure BDA0002242662770000055
其中，RNSS表示距离归一化电场强度，r为探测距离，I为归一化参考距离：I＝100km，SS为原始信号强度，p是衰减常数：p＝1.13，A是常数且A＝105km或者p＝1，A＝1000km，C为常数。
在该实施例中，对此闪电电磁脉冲事件的定位结果如下：闪电电磁脉冲事件的位置为21.6372°N、126.0141°E，与兴城站的距离为2170km，电场信号幅度为0.17V/m；与库尔勒站的距离为4341km，电场信号幅度为0.20V/m；与昆明站的距离为2397km，电场信号幅度为0.85V/m；与东阳站的距离为1019km，电场信号幅度为0.93V/m。根据步骤B中计算的“地-电离层波导”的衰减曲线及探测距离，可以计算出归一化到各探测站500km的距离上的RNSS值，将各探测站计算的RNSS值做平均得到
Figure BDA0002242662770000061
步骤D：根据峰值电流和距离归一化电场强度之间的对应关系计算峰值电流；
根据峰值电流与RNSS之间的对应关系，其对应关系如下所示，计算得到LEMP的峰值电流强度，在本发明实施例中计算出的LEMP的峰值电流强度约为26.5kA，
Figure BDA0002242662770000062
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种闪电电磁脉冲峰值电流的计算方法，其特征在于，该方法包括：
对电场传感器采集的闪电电磁脉冲信号进行预处理，得到对应的电场信号；
建立传播模型，根据得到的电场信号计算归到地波范围内的场强；
根据计算出的归到地波范围内的场强计算得到距离归一化电场强度：
根据峰值电流和距离归一化电场强度之间的对应关系计算峰值电流。
2.根据权利要求1所述的闪电电磁脉冲峰值电流的计算方法，其特征在于，所述对电场传感器采集的闪电电磁脉冲信号进行预处理，得到对应的电场信号，包括：
对采集的闪电电磁脉冲信号进行滤波操作；
滤波后的闪电电磁脉冲信号进行增益校正；对增益校正后的闪电电磁脉冲信号进行去标定，去除探测系统的幅频响应及相频响应，得到电场信号，完成预处理操作。
3.根据权利要求1所述的闪电电磁脉冲峰值电流的计算方法，其特征在于，所述建立传播模型，根据得到的电场信号计算归到地波范围内的场强，包括：建立“地-电离层波导”传播模型，求解“地-电离层波导”的传播函数。
4.根据权利要求3所述的闪电电磁脉冲峰值电流的计算方法，其特征在于，所述建立“地-电离层波导”传播模型，求解“地-电离层波导”的传播函数，包括：
计算地面上电场的垂直分量：
Figure FDA0002242662760000011
其中，Ez表示地面上电场的垂直分量，Pt表示发射功率，单位为kW，Ei表示第i个传播模式的电场信号；
计算地波衰减因子W：
Figure FDA0002242662760000021
其中，
Figure FDA0002242662760000022
a表示地球半径，ts表示“地-电离层”波导传播模方程的根，
Figure FDA0002242662760000023
Δg表示地面的归一化表面阻抗，e表示自然对数；
Figure FDA0002242662760000024
其中，E1表示一跳天波，L1是一跳天波射线总长度；ψ1表示一跳天波在地面上的出射和到达角；//R//表示一跳天波的电离层反射系数，其中下标//表示入射波与反射波的电矢量都平行于入射面；D是由于电离层球面弯曲引起的会聚系数；Ft和Fr分别表示由于地面的曲率和有限导电性引起的发射点和接收点的天线的背景因子；
Figure FDA0002242662760000025
其中，E2表示二跳天波，此处：L2表示二跳天波的射线长度；ψ2表示二跳天波的出射角与到达角；D表示由于电离层球面弯曲引起的会聚系数，Dg表示由于地面的弯曲引起的发散系数，它接近于D-1；//R⊥和⊥R//表示电离层反射系数，其中第一个下标表示入射波的极化性质，第二个下标表示反射波的极化性质；Rg//和Rg⊥表示地面反射系数；E3、E4则表示3跳与4跳天波。
5.根据权利要求1所述的闪电电磁脉冲峰值电流的计算方法，其特征在于，所述根据计算出的归到地波范围内的场强计算得到距离归一化电场强度，包括：
根据计算出的归到地波范围内的场强计算得到距离归一化电场强度采用以下公式实现：
其中，RNSS表示距离归一化电场强度，r为探测距离，I为归一化参考距离：I＝100km，SS为原始信号强度，p是衰减常数：p＝1.13，A是常数且A＝105km或者p＝1，A＝1000km，C为常数。
6.根据权利要求1所述的闪电电磁脉冲峰值电流的计算方法，其特征在于，所述根据峰值电流和距离归一化电场强度之间的对应关系计算峰值电流包括：
根据计算出的距离归一化电场强度
Figure FDA0002242662760000031
计算得到峰值电流Ip采用以下公式实现：
Figure FDA0002242662760000032
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