CN111965434B - 一种地闪回击电荷矩的反演系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的一种地闪回击电荷矩的反演系统及方法，通过设置磁场探测仪和服务器，所述磁场探测仪包括磁场传感器组、处理器和无线通信模块；所述磁场传感器组和无线通信模块分别与所述处理器电连接；所述磁场传感器组接收地闪的电磁信号，并传输至所述处理器；所述处理器将所述电磁信号通过所述无线通信模块传输至所述服务器；所述服务器对接收到的磁场信号进行噪音去除和滤波处理，并利用二维时域有限差分模型(2D FDTD)计算脉冲响应函数；所述服务器将所述磁场信号与所述脉冲响应函数进行反卷积，获得地闪回击电流矩，将地闪回击电流矩进行积分获得地闪回击电荷矩，不仅能够提高探测效率，还能便于鉴定和评判雷灾害事故。

Description

一种地闪回击电荷矩的反演系统及方法
技术领域
本发明涉及雷电监测系统的技术领域，特别涉及一种地闪回击电荷矩的反演系统及方法。
背景技术
目前被广泛使用的闪电定位系统除了可以给出闪电发生位置外，根据闪电回击远场与电流的关系可以给出回击电流峰值等参数，回击电流峰值是衡量地闪放电的强度的重要指标之一。众所周知，一次地闪回击的持续时间仅在几十到几百微秒之间。对于一部分闪电，回击过程之后通道中的电流并不直接变为零，而是跟随着缓慢的连续电流过程。对于众多正地闪而言，在回击过程之后连续电流过程之前，往往伴随着长达数毫秒的长脉冲电流过程(long impulse current)。Cooray等人推测，对于正地闪而言，其云内部分可能包含有大量的分叉水平通道，当正极性闪电的回击前沿到达通道的端部时，会与云内这些水平通道相接触，大量的正电荷进入放电通道使得电流持续增强，从而形成长脉冲电流。尽管长脉冲电流和连续电流的幅值远小于回击电流的幅值，但是其持续时间远大于回击的持续时间，在此过程中从云内向地面转移大量的电荷，闪电放电电荷矩持续增大。闪电放电电荷矩是除回击电流峰值之外另一个衡量闪电放电强度的重要指标。一方面，放电持续时间越长，转移的电荷量越大，其产生的热效应也越严重，造成的闪电灾害也越严重，如：雷击造成的森林火灾，雷击对输电线路的损坏等。另一方面，闪电放电的电荷矩是决定中高层准静电场大小的重要因素，与中高层放电现象(如halo和Sprite)有密切的联系。此外，闪电放电电荷矩对于认识和研究闪电本身特性以及雷暴云的气象条件等方面都有重要的作用。因此无论从科学研究、灾害预警等实际应用角度来讲，反演闪电放电电荷矩都具有重要的价值。
因此，需要一种地闪回击电荷矩的反演系统及方法，不仅能够提高探测效率，还能便于鉴定和评判雷灾害事故。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了解决现有技术的上述问题，本发明提供一种地闪回击电荷矩的反演系统及方法，不仅能够提高探测效率，还能便于鉴定和评判雷灾害事故。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明采用的一种技术方案为：
一种地闪回击电荷矩的反演系统，包括磁场传感器组、处理器和无线通信模块；
所述磁场传感器组和无线通信模块分别与所述处理器电连接；
所述磁场传感器组接收地闪的电磁信号，并传输至所述处理器进行数据处理；
所述处理器将处理后的数据通过所述无线通信模块进行传输。
为了达到上述目的，本发明采用的另一种技术方案为：
一种地闪回击电荷矩的反演方法，包括步骤：
磁场传感器组接收地闪的电磁信号，并传输至处理器进行数据处理；
所述处理器将处理后的数据通过无线通信模块进行传输。
(三)有益效果
本发明的有益效果在于：通过设置磁场探测仪和服务器，所述磁场探测仪包括磁场传感器组、处理器和无线通信模块；所述磁场传感器组和无线通信模块分别与所述处理器电连接；所述磁场传感器组接收地闪的电磁信号，并传输至所述处理器；所述处理器将所述电磁信号通过所述无线通信模块传输至所述服务器；所述服务器对接收到的磁场信号进行噪音去除和滤波处理，并利用二维时域有限差分模型(2D FDTD)计算脉冲响应函数；所述服务器将所述磁场信号与所述脉冲响应函数进行反卷积，获得地闪回击电流矩，将地闪回击电流矩进行积分获得地闪回击电荷矩，不仅能够提高探测效率，还能便于鉴定和评判雷灾害事故。
附图说明
图1为本发明实施例的地闪回击电荷矩的反演系统的整体结构示意图；
图2为本发明实施例的地闪回击电荷矩的反演系统磁场探测仪的内部结构示意图；
图3为本发明实施例的地闪回击电荷矩的反演系统磁场探测仪的整体结构示意图；
图4为本发明实施例的地闪回击电荷矩的反演方法的流程图。
【附图标记说明】
1：垂直磁场传感器；2：第一水平磁场传感器；3：第二水平磁场传感器；4：传感器支架；5：第一托盘；6：第二托盘；7：第三托盘；8：底盘；9：底座；10：处理器；11：无线通信模块；12：电源供电模块；13：固定支架；14：壳体；15：磁场探测仪；16：服务器；17：地闪回击电荷矩的反演系统。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例一
请参照图1至4，一种地闪回击电荷矩的反演系统17，包括磁场探测仪和服务器，所述磁场探测仪包括磁场传感器组、处理器10和无线通信模块11；
所述磁场传感器组和无线通信模块11分别与所述处理器10电连接；
所述磁场传感器组接收地闪的电磁信号，并传输至所述处理器10；
所述处理器10将所述电磁信号通过所述无线通信模块11传输至所述服务器16；
所述服务器16对接收到的磁场信号进行噪音去除和滤波处理，并利用二维时域有限差分模型(2D FDTD)计算脉冲响应函数；
所述服务器16将所述磁场信号与所述脉冲响应函数进行反卷积，获得地闪回击电流矩，将地闪回击电流矩进行积分获得地闪回击电荷矩。
所述磁场传感器组包括垂直磁场传感器1、第一水平磁场传感器2和第二水平磁场传感器3；
所述垂直磁场传感器1、第一水平磁场传感器2和第二水平磁场传感器3分别与所述处理器10电连接；
所述垂直磁场传感器1、第一水平磁场传感器2和第二水平磁场传感器3分别接收地闪的电磁信号。
具体地，所述第一水平磁场传感器2为东-西向水平磁场传感器，所述第二水平磁场传感器3为南-北向水平磁场传感器；
所述垂直磁场传感器1、第一水平磁场传感器2和第二水平磁场传感器3的内部结构相同，均是由漆包线线圈和铁磁内芯组成，铁磁内芯的几何形状为圆柱体，漆包线线圈为单股单层的细漆包线，并紧密绕制于铁磁内芯外壁，并在磁棒一端留出引线接口；
所述磁场探测仪还包括第一托盘5、第二托盘6、第三托盘7、底盘8、底座9和固定支架13；
所述第一托盘5、第二托盘6、第三托盘7和底座9分别通过所述固定支架13相连接；
所述垂直磁场传感器1、第一水平磁场传感器2和第二水平磁场传感器3分别通过传感器支架4设置于所述第一托盘5上，且两两相互垂直；
所述第二托盘6、第三托盘7、底盘8和底座9从上至下依次设置于所述第一托盘5下。
所述处理器10设置于所述第二托盘6上。
所述磁场探测仪还包括电源供电模块12；
所述电源供电模块12与所述处理器10电连接；
所述电源供电模块12和无线通信模块11分别设置于所述第三托盘7上。
所述磁场探测仪还包括壳体14；
所述第一托盘5、第二托盘6、第三托盘7和底盘8均设置于所述壳体14内。
实施例二
一种地闪回击电荷矩的反演方法，包括步骤：
磁场探测仪接收磁场信号，并发送至服务器；
所述服务器对接收到的磁场信号进行噪音去除和滤波处理，并利用二维时域有限差分模型(2D FDTD)计算脉冲响应函数；
所述服务器将所述磁场信号与所述脉冲响应函数进行反卷积，获得地闪回击电流矩，将地闪回击电流矩进行积分获得地闪回击电荷矩。
地球-电离层空腔中1kHz以内远距离磁场传播的脉冲响应函数的求解
系统的脉冲响应为输入单位脉冲函数(迪克拉函数δ)时的输出。理想的单位脉冲响应仅在零点处有值，而在其余非零点处的值都为0，但在实际中并不存在这样的函数，往往用积分为1的窄脉冲来替代该函数。根据单位脉冲响应的定义，单位脉冲函数在整个定义域上的积分应为1。对于本发明而言，当电流矩CM(t)的积分(即电荷矩)为1C·km时可视为单位脉冲电流矩。因此，当FDTD模型中加入的电流矩随时间积分的电荷矩为1C·km时，求出的远场波形即为地球-电离层波导腔系统的脉冲响应函数(或称之为格林函数)；
电离层状态在一次地闪放电尺度内可视为恒定不变，尽管雷电产生的强电磁脉冲或准静电场可以在中高层大气产生电离层电子密度扰动和电子温度的扰动，但是这些扰动仅分布在电离层中的局部位置，对远距离大范围、小于1kHz频段雷电电磁场传播的影响可以忽略。因此，整个地球-电离层波导腔可假定为线性时不变系统。该系统的输入为闪电源的电流矩，输出为远距离闪电电磁场。因此，远距离观测到的小于1kHz的地闪回击水平磁场为闪电电流矩与系统响应函数的卷积，即：
Figure BDA0002629066680000061
其中，
Figure BDA0002629066680000062
为雷电远距离水平磁场，CM(t)为待求解的地闪回击电流矩，h(t)为系统响应函数(或者称之为格林函数)。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种地闪回击电荷矩的反演系统，其特征在于，包括磁场探测仪和服务器，所述磁场探测仪包括磁场传感器组、处理器和无线通信模块；
所述磁场传感器组和无线通信模块分别与所述处理器电连接；
所述磁场传感器组接收地闪的电磁信号，并传输至所述处理器；
所述处理器将所述电磁信号通过所述无线通信模块传输至所述服务器；
所述服务器对接收到的磁场信号进行噪音去除和滤波处理，并利用二维时域有限差分模型(2D FDTD)计算脉冲响应函数；
所述服务器将所述磁场信号与所述脉冲响应函数进行反卷积，获得地闪回击电流矩，将地闪回击电流矩进行积分获得地闪回击电荷矩；
所述磁场传感器组包括垂直磁场传感器、第一水平磁场传感器和第二水平磁场传感器；
所述垂直磁场传感器、第一水平磁场传感器和第二水平磁场传感器分别与所述处理器电连接；
所述垂直磁场传感器、第一水平磁场传感器和第二水平磁场传感器分别接收地闪的电磁信号。
2.根据权利要求1所述的地闪回击电荷矩的反演系统，其特征在于，所述磁场探测仪还包括第一托盘、第二托盘、第三托盘、底盘、底座和固定支架；
所述第一托盘、第二托盘、第三托盘和底座分别通过所述固定支架相连接；
所述垂直磁场传感器、第一水平磁场传感器和第二水平磁场传感器分别通过传感器支架设置于所述第一托盘上，且两两相互垂直；
所述第二托盘、第三托盘、底盘和底座从上至下依次设置于所述第一托盘下。
3.根据权利要求2所述的地闪回击电荷矩的反演系统，其特征在于，所述处理器设置于所述第二托盘上。
4.根据权利要求2所述的地闪回击电荷矩的反演系统，其特征在于，所述磁场探测仪还包括电源供电模块；
所述电源供电模块与所述处理器电连接；
所述电源供电模块和无线通信模块分别设置于所述第三托盘上。
5.根据权利要求2所述的地闪回击电荷矩的反演系统，其特征在于，所述磁场探测仪还包括壳体；
所述第一托盘、第二托盘、第三托盘和底盘均设置于所述壳体内。
6.一种采用如权利要求1所述的地闪回击电荷矩的反演系统的地闪回击电荷矩的反演方法，其特征在于，包括步骤：
磁场探测仪接收磁场信号，并发送至服务器；
所述服务器对接收到的磁场信号进行噪音去除和滤波处理，并利用二维时域有限差分模型(2D FDTD)计算脉冲响应函数；
所述服务器将所述磁场信号与所述脉冲响应函数进行反卷积，获得地闪回击电流矩，将地闪回击电流矩进行积分获得地闪回击电荷矩。
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