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雷电的监测和预警

发布时间:2015-11-20  

雷电的监测和预警

雷电监测是指利用闪电辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电放电参数(时间、位置、强度、极性电荷、能量等。)云闪(IC)和地闪(CG)发生时辐射频谱范围极大地电磁场,地闪回击辐射电磁波的功率频谱密度峰值在(4-10)KHZ之间,云闪主要在1MHZ以上。在初始击穿和通道建立过程中,主要产生甚高频辐射LF和甚低频辐射VLF,电磁辐射覆盖整个放电过程,排除地面传导率、电离层变化,以及地形变化等因素的影响,在不同的距离上采用不同的频带探测闪电过程是空间极轨卫星和声学传感器进行探测。 
局域的闪电监测系统是由分布在不同地理位置的闪电探测探头和一个定位监控中心组成。闪电监测系统是一个网络系统,它覆盖的区域范围越大,信息传输的技术和方式越先进,定位精度就越高。从闪电监测资料的应用考虑,地闪监测精度对于雷电防护非常重要,在云闪监测系统中,根据雷暴过程的发展趋势做出临近预报。 
雷电定位 
雷电定位主要利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数,确定雷击点位置和相关参数。确定落雷点位置一般有三种方法:定向定位(DF)、时差定位(TOA)和近几年发展的综合利用DF和TOA的复合定位方法。 
定向定位是利用2个及以上探测站以正交环形磁场天线同侧定落雷点,2个探测站获得2个方位角,用球面三角交汇确定落雷点;时差定位又称基于GPS同步的闪电三维时差定位技术,它通过检测落雷点电磁波信号峰值到达探测站相对时间差,在球面上建立双曲线3个探测站能产生2条双曲线,其交点即为落雷点。此方法精度高,但当监测站小与3个时它却无能为力。为了既保证定位精度又对与监测站多少无限制,出现了时差磁方向综合定位方法,其原理是2个测站时差确定1条曲线,任一站的磁方向给出1个磁场方向,交点决定落雷点。随着微处理存贮技术以及GPS和数字处理技术DSP的发展,闪电定位也从单一采用定向法(DF)单站定位发展到采用定向和时间差(TOA)联合法(MPACT)的多站定位,对地闪的定位精度有了很大提高,对甚高频段闪电(云闪)的探测一般采用窄带干涉仪定位法(ITF)或者三维时差法。 
当探测站既能测量雷电方向角,又能测量雷电波到达时间称为综合定位系统,又称闪电探测和测距系统(缩写为LDAR)。采用雷电监测系统,能够准确、及时、直观地检测到雷击点,准确有效地对雷电进行定位、定性、定量。该系统是一个大面积、全自动、实时性雷电监测网,它由雷电探测站(DTF)、中心处理站(PA)、用户终端站(NDS)和通讯网络组成雷电探测站探测和处理雷电电磁波脉冲信号,并采用GPS技术对雷电脉冲进行高精度(ns级)时间标定。中心处理站高速处理各探测站传送的雷电原始信号,并将处理好的雷电信息立即发送给用户终端站,用户终端站根据拥有的地理信息系统(GIS)、电力系统观测目标数据库(ODS)和雷电信息数据库(LDB),将雷电的发生、发展以及雷击事故分析迅速展现在生产调度与分析人员面前,为雷电的监测和防治提供高新技术手段。 
雷电监测的意义 
开展雷电监测的意义是,通过建设全国雷电监测网实时监测雷电的发生、发展及消亡过程,提供雷电灾害预警信息,服务于雷电灾害的防护。通过统计我国雷电日、雷电密度分布图,为我国雷电防护工程提供科学参数。 
雷电监测的方法 
雷电的监测方法主要有:目测、照相、电场仪、闪电计数器、光谱仪、脉冲电压记录仪、卫星闪电探测器、声探测器、雷达探测等 
下面简要介绍常用的一种:闪电的照相观测方法 
由照相观测可以测量闪电的时间、闪电的速度和闪电的结构。早在19世纪后期,Hoffert (1889)就利用照相摄影方法观测闪击,他将照相机作水平快速移动,获取闪电照片,观测闪电变化情况,发现闪击是有分枝的,并且闪击之间有连续发光存在。并测量两闪击的时间间隔为1/5~1/10秒,这个时间显然是过大了。到20世纪初,法国Walter(1902~1918)利用一由钟控制的可移动照相机,他精确地测出了闪击之间的时间,并拍摄了第一次闪击之先导,并观测到第一次闪击是向下分枝的,但是他没有发现先导是梯级的。同时,美国Larsen(1905)也进行了类似的闪电观测,测量了闪击之间的时间,并记录到一次由40次闪击组成的闪电,但是分不清箭式先导 闪电的高速旋转照相法 
直至1926年博尹斯(Boys)设计的一种旋转式相机,后来称之Boys相机,如图
9.1,其结构是将两个照相机的镜头分别安装
在一旋转圆盘的一条直径的两端,镜头随圆盘高速旋转当观测闪电时,闪电成像于两镜头后面的静止底片上,由于圆盘快速旋转,两镜头各向相反的方向移动,由于镜头的高速移动,闪电光不是同时到达底片上,使得照相底片上感光的闪光发生畸变,但是这畸变方向是以直径为对称的,镜头的旋转速度是已知的,所以通过将两幅图的比较分析,及一系列处理后,就可以推断出闪电的方向和速度;并且可以判断闪电发展的连续相位,从而得到闪
电的结构
和发展过程。如图9.1c中,假定一个镜头垂直地位于另一个之上静止观测,则得到一个向下伸展的闪电放电图像;而当两镜头以相反方向快速移动时,就会形成如图所示的两幅图,对于止方镜头,其闪光成像向右移,对于下方镜头的闪光成像向左移。为精确测量这些位移,在图中画直线q-s-p,然后将照片的两部分画成如图那样的排列,并使通过 直线的q-s-p相应部分彼此平行,测出位移a~b (图9.1b) 和p~q,并将p~q减去a~b,得它们之差,然后除以镜头运动的速度的2倍,就得闪光由a到p的实际时间。由此可以画一张闪电发展的时间表。博尹斯相相的时间分辨率可以达到微秒量级,利用该相机成功地获取了大量地闪结构的照片。由于该相机获取的闪电照片结构呈波纹状,所以时常将这种相机称为波纹状相机。至1929年博尹斯又对他的相机作了进一步的改进,如图9.2 ,
他将转动相机镜头改为两镜头固定不
动,而照相底片作快速旋转。这有利于提高观测的稳定性,同时提高观测的精度。 

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