張 宇，陳加清，蘇滿堂，楊 杰（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，雷電防護(hù)與電子偽裝實(shí)驗(yàn)室，南京，210000）

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運(yùn)用量子遺傳算法反演雷暴云電荷結(jié)構(gòu)的研究

張 宇，陳加清，蘇滿堂，楊 杰
（解放軍理工大學(xué)氣象海洋學(xué)院，雷電防護(hù)與電子偽裝實(shí)驗(yàn)室，南京，210000）

摘要：本文采用量子遺傳算法結(jié)合三圓盤模型對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演.結(jié)果表明：利用量子遺傳算法可以很好地對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)以及大氣電場儀和雷暴云的距離進(jìn)行反演，在對電荷的反演中發(fā)現(xiàn)電荷結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性在大氣電場儀距離雷暴云5000-6000m時達(dá)到峰值，這種方法實(shí)施僅利用地面大氣電場資料進(jìn)行反演，相比于飛機(jī)穿云探測簡單方便，利用量子遺傳算法根據(jù)大氣電場儀資料就可以對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)和距離進(jìn)行比較準(zhǔn)確的反演.

關(guān)鍵詞：雷暴云電荷結(jié)構(gòu)；反問題；量子遺傳算法

0　引言

雷暴帶來的閃電及其閃電帶來的電磁脈沖對人類生活造成了嚴(yán)重危害，因此對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演和定位有利于我們對其進(jìn)行提前預(yù)警，對研究雷電物理及其效應(yīng)也有很大幫助.利用高時空分辨率的閃電甚高頻輻射源定位來推斷參與閃電放電的云內(nèi)電荷源的位置.對閃電定位的方法主要有如時間差法和門控磁脈沖定向法以及利用雷達(dá)對雷暴云進(jìn)行定位，但這些方法無法反演雷暴云內(nèi)部電荷結(jié)構(gòu).所以我們選取了利用地面電場觀測數(shù)據(jù)對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演的方法。

1　方法和模型

1.1量子遺傳算法

1.1.1量子編碼

在量子遺傳算法中，使用了一種新的基于量子比特的編碼方式，即用一對復(fù)數(shù)定義一個量子比特位，一個具有m個量子比特位的系統(tǒng)可以描述為

1.2三層帶電圓盤模型

假設(shè)雷云中典型的從上到下正負(fù)正三級荷電結(jié)構(gòu)可以用相應(yīng)極性的帶電圓盤來模擬.空間中的總場描述為：

不同的反演方法即確定具體的解空間搜索原則，使目標(biāo)函數(shù)趨于極小值，得到模型參數(shù)的近似最優(yōu)解。

3　量子遺傳算法反演驗(yàn)證

利用模擬得到雷暴云電荷結(jié)構(gòu)，計算出距離雷暴云m的大氣電場的值，運(yùn)用計算出的值采用量子遺傳算法進(jìn)行反演。

首先根據(jù)三圓盤模型，計算出大氣電場變化的值，取hp=8000m， hB=6500m， pp=0.2nC·m-3， pn=0.05nC·m-3，a=1000m， al=1000m.計算得到的地面大氣電場值的數(shù)量級在103-104V·m-1.在雷暴邊緣處第三類橢圓積分函數(shù)有奇異，我們對這部分結(jié)果進(jìn)行了rlowess插值處理。

我們利用得到的結(jié)果，選取R=1000 m，R=3000 m，R=5000 m，R=7000 m時的大氣電場值利用量子遺傳算法進(jìn)行反演.反演采用三層帶電圓盤模型，設(shè)遺傳代數(shù)為200。

表1　利用量子遺傳算法反演出的不用距離的參量Table 1 Parameters of the inversion of thundercloud

R（m）為雷暴云到測站之間的距離，E（V/m）表示該距離的地面大氣電場強(qiáng)度，分別表示利用量子遺傳算法反演出來的兩個圓盤之間的大氣電荷密度hp 、hB分別表示兩個圓盤的高度.

由上式我通過三層帶電圓盤模型我們得到圖6，圖6藍(lán)色實(shí)線表示標(biāo)準(zhǔn)值，藍(lán)色點(diǎn)線表示R=2000時的反演值，‘--’線表示R=4000時的反演值，綠色實(shí)線表示R=6000m時的反演值，紅色實(shí)線表示R=8000m時的反演值，由此我們可以看出由在距離6000 m的時候反演值和真實(shí)值最接近，準(zhǔn)確性由R=6000 m，R=4000 m，R=2000 m，R=8000 m依次遞減.

4　結(jié)論

證明了雷暴云電荷結(jié)構(gòu)反演的可行性和精確性.并總結(jié)得出了以下規(guī)律.

（1）三層帶電圓盤結(jié)構(gòu)能夠?qū)妆┰齐姾山Y(jié)構(gòu)進(jìn)行很好的模擬，但是存在在雷暴邊緣處第三類橢圓積分函數(shù)有奇異的問題，該問題主要通過插值法解決.

（2）量子遺傳算法能夠通過量子編碼和量子旋轉(zhuǎn)門對種群進(jìn)行更新，相比于遺傳算法具有求解速度更快，解的穩(wěn)定性更強(qiáng)，能夠跳出局部最優(yōu)值等優(yōu)點(diǎn).

（3）在對電荷的反演中我們發(fā)現(xiàn)電荷結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)確性在大氣電場儀距離雷暴云5000-6000 m時達(dá)到峰值，精確性在低于或高于5000-6000 m都開始降低.

上述結(jié)果可以應(yīng)用于實(shí)際，利用大氣電場儀所得的地面電場資料，對雷暴云電荷結(jié)構(gòu)進(jìn)行反演，從而得到大氣電荷結(jié)構(gòu)的空間分布。

參考文獻(xiàn)

［1］ Qie X S， Zhang Q L， Yuan T， Zhang T L 2013 Lightning Physics（Beijing： Science Press） p18 （in Chinese） ［郄秀書，張其林，袁鐵，張廷龍 2013 雷電物理學(xué)（北京：科學(xué)出版社） 第18頁］

［2］ Qie X S， Zhou Y J， Yuan T 2003 Acta Phys. Sin.Chinese Journal of Geophysics46 743 （in Chinese）［郄秀書，周筠珺，袁鐵 2003 地球物理學(xué)報 46 743］

［3］ Han Y Q， Zhong Z， Wang Y F， Du H D 2013 Acta Phys. Sin. （4） 530 （in Chinese）［韓月琪，鐘中，王云峰，杜華棟2003 物理學(xué)報 （4） 530］

Research on the inversion of 3 dimension simulation of thundercloud based on quantum genetic algorithm*

Zhang Yu，Chen Jiaqing，Su Mantang，Yang Jie
（PLA Univ.of Sci.& Tech.，National Key Laboratory of Science and Technology on Electromagnetic Effects and Electro-optical Engineering，Nanjing，211101，China）

Abstract：In this paper，the quantum genetic algorithm is used to inverse the structure of thundercloud charge with the Three-level electrostatic model of thunderstorm cell，and we simulate the charge structure of thunderstorm cloud to verify the quantum genetic algorithm based on Meso-NH model.The results show that: the use of quantum genetic algorithm can inverse the thundercloud charge structure and the distance between electric-field at ground and thundercloud efficiently，this method used only electric-field data，comparing to the plane through the cloud detection this method is simple and convenient.

Keywords：thundercloud charge structure；quantum genetic algorithm；inversion