（西京學(xué)院理學(xué)院，西安710000）

0 引言

人類已經(jīng)進(jìn)入了電子信息化的時代，雷電災(zāi)害對我們的影響愈加深遠(yuǎn)，特別是雷電電磁脈沖（LEMP）造成的損害[1]。地閃過程中發(fā)出的大量電磁輻射會對高新的航空、通信、電力、計算機(jī)等行業(yè)造成極大的威脅，電磁干擾使集成電路尤其是超大集成電路易遭受雷擊而損壞，對于我們的日常生活也會造成很大不便。地閃放電時會在極短時間內(nèi)產(chǎn)生高壓放電以及很大的電流，峰值甚至可能超過100 kA[2]，其中回?fù)暨^程的電流和M分量也都有很強(qiáng)的電磁輻射，其峰值也可能達(dá)到10-30 kA，連續(xù)電流的持續(xù)時間也能達(dá)到幾十至幾百毫秒[3]。閃電定位技術(shù)主要有磁定向法（MDF）、時差法（TOA）和干涉儀法（ITF）三種[4]。早在20世紀(jì)70至80年代，Krider等[5-7]就開始運(yùn)用磁定向法（MDF）進(jìn)行雷電定位的工作。郄秀書等[8]就利用時差法（TOA）對甘肅中川的一次雷暴的放電特征進(jìn)行了研究。董萬勝等[9]使用了干涉儀法（ITF）對地閃的先導(dǎo)和回?fù)暨^程進(jìn)行識別和定位。祝寶友等[10]利用自行研發(fā)的閃電觀測系統(tǒng)對雙極性窄脈沖事件進(jìn)行了觀測和分析。

回?fù)暨^程是我們對地閃放電進(jìn)行研究時最重視也是研究最多的部分。在研究回?fù)暨^程時，通常面臨最大的問題就是如何區(qū)分我們探測到的一次閃電到底是云閃還是地閃，以及如何識別閃電放電中的各個過程。而閃電的各個過程中各有特點(diǎn)的電場波形就可以幫助區(qū)分不同的閃電放電類型。所以研究閃電放電過程的電場波形特征，特別是研究地閃回?fù)舻碾妶霾ㄐ翁卣鲄?shù)對于了解雷電特性、做好雷電防護(hù)有特別的意義。地閃回?fù)綦妶霾ㄐ螀?shù)分析及類型自動識別程序開發(fā)研究能夠提高地閃識別率，降低誤識別率，建立一個較好的雷電識別系統(tǒng)，使閃電的探測和定位更加準(zhǔn)確，更好地完善雷電防護(hù)系統(tǒng)。

1 探測儀器簡介

文中所使用的雷電數(shù)據(jù)是由探測系統(tǒng)對雷暴過程進(jìn)行觀測獲得的，這個探測系統(tǒng)是由快電場變化測量儀（簡稱快天線），每個單站系統(tǒng)都有完整的接受系統(tǒng)，其中包括天線、線性放大器、對數(shù)放大器、濾波器、高速數(shù)據(jù)采集卡、高精度GPS時鐘、同步觸發(fā)儀、工業(yè)級計算機(jī)、無線傳輸設(shè)備等部件。并配備了0-10 MHz的寬帶電場測量儀進(jìn)行同步數(shù)據(jù)記錄，所以能夠有效地進(jìn)行閃電波形的識別，并且可以VHF輻射信號及寬帶電場信號兩種觸發(fā)信號互換。閃電VHF輻射信號通過一個中心頻率為270 MHz（帶寬6 MHz）的1/4波長的天線來接收，通過電路中的帶通濾波器進(jìn)一步凈化，經(jīng)過線性及對數(shù)放大器進(jìn)行信號放大處理在計算機(jī)內(nèi)存儲，在傳輸線路的末端有一個75 Ω的匹配電阻用來保證傳輸線的無損傳輸。這個過程包括了高精度GPS時鐘的同步授時以及無線傳輸系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制等，如圖1所示。

圖1 閃電VHF輻射源三維定位系統(tǒng)單站原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of single station principle of three dimensional positioning system of lightning VHF radiation source

2016年8月13日16時在青海大通地區(qū)進(jìn)行了雷電觀測試驗，該地區(qū)位于山麓中，受該區(qū)域地形的影響，夏季經(jīng)常發(fā)展出對流云系，形成雷暴和雹暴。測量人員使用快電場變化測量儀（簡稱快天線），大氣平均電場儀，以及亞微秒分辨率的閃電VHF輻射天線系統(tǒng)，對該地區(qū)雷暴中的閃電活動進(jìn)行了觀測研究，如圖2所示。觀測系統(tǒng)接受機(jī)的中心頻率為126 MHz，帶寬為6 MHz，所取資料是通過快天線觸發(fā)，預(yù)觸發(fā)時間設(shè)為200 ms，文中所使用的數(shù)據(jù)資料都取自于一次雷暴過程。雷達(dá)回波分析顯示，雷暴中心距離觀測點(diǎn)31 km左右，雷暴的覆蓋范圍大約為100 km2，產(chǎn)生這些云閃和地閃的雷暴與觀測點(diǎn)的距離都在60 km以內(nèi)。

圖2 實驗現(xiàn)場示意圖Fig.2 Experimental scene diagram

數(shù)據(jù)的記錄通過使用VC++編寫的波形記錄及調(diào)用軟件（圖3）實現(xiàn)，這個軟件通過控制數(shù)據(jù)采集卡及內(nèi)存調(diào)用，完成數(shù)據(jù)記入微機(jī)的任務(wù)。該軟件可以隨意讀取一段閃電波形，清楚地看到全局波形的高頻部分和低頻部分，也可以對波形進(jìn)行擴(kuò)展、收縮、幅值調(diào)整等分析。還能從整段的閃電波形中截取出一段（比如截取一段典型的回?fù)暨^程）進(jìn)行數(shù)據(jù)上的詳細(xì)分析。

2 波形特征分析

2.1 回?fù)舨ㄐ翁卣鲾?shù)據(jù)分析

正如前文所說，閃電可以分為地閃和云閃兩種，雖然云閃發(fā)生的頻率比地閃高很多，但是由于地閃是發(fā)生在云層和大地之間的，與人類活動范圍接觸更多，更容易對人類的人身以及生產(chǎn)安全造成傷害，所以在雷電防護(hù)研究中，地閃也就更受重視。一次完整的地閃可以劃分為預(yù)擊穿，先導(dǎo)，回?fù)舻入A段，但回?fù)暨^程是地閃放電中瞬間釋放能量最大的階段，因此地閃回?fù)暨^程一直是雷電研究的重要對象[11-15]。

圖3 數(shù)據(jù)記錄及波形分析軟件截圖Fig.3 Data recording and waveform analysis software screenshot

綜合上述的地閃回?fù)舻皖l的電場波形與VHF輻射波形特征，筆者對2016年8月13日16時于青海大通地區(qū)測得的閃電波形數(shù)據(jù)中的100多個閃電波形進(jìn)行了人工識別，找出符合回?fù)舨ㄐ翁卣鳎ㄈ鐖D4）的閃電波形，并對其電場波形的相關(guān)特征參數(shù)：上升時間、下降時間、半峰值寬度、幅度值進(jìn)行了統(tǒng)計。并且分析了波形參數(shù)的分布，對負(fù)地閃回?fù)舻纳仙龝r間和下降時間做了分布直方圖（圖5）?？梢园l(fā)現(xiàn)，回?fù)暨^程的上升時間都很短，主要集中在1～5 μs，所以我們在設(shè)定識別地閃的條件時就可以盡量設(shè)置得比較小。而回?fù)舻南陆禃r間則明顯大于上升時間，主要集中在30～40 μs，小于20 μs的情況很少發(fā)生。

圖4 閃電波形中的一次回?fù)粲^測波形Fig.4 One return stroke observation waveform in a lightning wave

ech2為VHF高頻波形，ech3為低頻波形（ch0和ch1是全局波形圖，ech2和ech3是放大后的回?fù)舨ㄐ危?/p>

圖5 負(fù)地閃回?fù)舻纳仙龝r間（左）和下降時間（右）的分布直方圖Fig.5 The distribution histogram of the rising time（left）and descending time（right）of the negative flashback.

最終，人工識別出了57次負(fù)地閃回?fù)艉?次正地閃回?fù)?，并且對?fù)地閃回?fù)舻牟ㄐ翁卣鲄?shù)做了統(tǒng)計，確定了哪些特征能有效運(yùn)用于波形特征識別，如表1所示。同時也對幾個正地閃回?fù)舻臄?shù)據(jù)做了統(tǒng)計分析，如表2所示。分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)正地閃回?fù)舻纳仙龝r間大約分布在3～20 μs之間，平均值比負(fù)地閃回?fù)粢源笠恍?，下降時間和半峰值寬度無明顯差異。

表1 負(fù)地閃回?fù)舨ㄐ蔚奶卣鲄?shù)Table 1 The characteristic parameters of the negative flashback waveform.

表2 正地閃回?fù)舨ㄐ蔚奶卣鲄?shù)Table 2 The characteristic parameters of the wave response waveform

2.2 自動識別算法設(shè)計

如果要使用程序從整段波形中自動識別出回?fù)簦敲淳鸵o出一定的標(biāo)準(zhǔn)。綜合本文人工識別統(tǒng)計的回?fù)舨ㄐ翁卣鲄?shù)和前人工作的結(jié)果，我們可以設(shè)定如下標(biāo)準(zhǔn):

1）幅度值大于4 000；

2）上升時間tr在1-20 μs之間；

3）下降時間tf必然大于上升時間，并且在2.5-500 μs之間；

4）半峰值寬度tw在下降時間與上升時間之間，即tr＜tw＜tf，并且大于2.3 μs。

我們要根據(jù)以上標(biāo)準(zhǔn)用MATLAB軟件實現(xiàn)地閃回?fù)舨ㄐ蔚淖詣幼R別：

1）首先要成功讀取波形；

2）為了保證波形的光滑一致性，進(jìn)行低通濾波處理，本文使用的儀器采樣率為20 MHz，選用500 kHz作為低通濾波截止頻率；

3）然后提取用來判別放電類型的特征參數(shù)：幅度值、上升時間、下降時間、半峰值寬度。先依次定位到上升沿10%、50%等關(guān)鍵時間位置，再提取相應(yīng)的特征值。

為了測試自動識別程序的識別效果，將于2016年8月13日16時在青海地區(qū)測量到的100多個閃電波形數(shù)據(jù)依次放入程序中進(jìn)行自動識別。其中一段波形的識別顯示效果如圖6，可以明確標(biāo)出識別到的地閃回?fù)魝€數(shù)和極性，同時還給出了回?fù)魹V波后的電場波形圖。最終識別結(jié)果如表7所示，人工識別出57個負(fù)地閃回?fù)艉?個正地閃回?fù)?，自動識別程序識別出了52個負(fù)地閃回?fù)艉?個正地閃回?fù)?。其中，出現(xiàn)了一次誤識別，誤識別對象是一次雙極性窄脈沖事件，由于雙極性窄脈沖的電場波形和地閃回?fù)魳O為相似，在后續(xù)的工作中，我們或許應(yīng)該在識別程序中增加VHF高頻波形的限制條件，以便更好地區(qū)分回?fù)艉碗p極性窄脈沖。但此次實驗的整體識別率達(dá)到了95%以上，表現(xiàn)出了較好的識別效果，基本實現(xiàn)研究目標(biāo)。

圖6 2011年8月12日20時01分在青海大通地區(qū)發(fā)生的一次雷暴數(shù)據(jù)中回?fù)舻淖詣幼R別效果Fig.6 The automatic recognition effect of the response in a thunderstorm data occurred in the chase area of qinghai province at 20:01 on August 12，2011

表3 人工識別效果與程序識別效果對比Table 3 Comparison between artificial recognition effect and program recognition effect

3 結(jié)語

識別閃電放電的類型是雷電探測和雷電防護(hù)中很重要的一部分，然而每個地區(qū)所使用的雷電探測系統(tǒng)以及閃電的波形特征都是不同的，所以判別閃電的放電類型也有各自不同的標(biāo)準(zhǔn)。本文首先分析地閃回?fù)舻牡皖l電場波形特征，確定一些可以用來識別放電類型的特征值；然后再分析地閃回?fù)鬡HF輻射波形，綜合這兩方面的特征來辨別閃電放電類型，用人工識別的方式來找出符合條件的地閃回?fù)舨ㄐ?。本文所用的?shù)據(jù)來自于青海地區(qū)的一次夏季雷暴，通過對于人工識別出的負(fù)地閃回?fù)舨ㄐ螀?shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到其上升時間、下降時間、半峰值寬度的平均值分別為4.5μs，31.23μs，11.45μs。并且根據(jù)這些統(tǒng)計數(shù)據(jù)設(shè)計出了自動識別程序，程序識別的結(jié)果和人工識別的結(jié)果符合率達(dá)到了95%以上，也即實現(xiàn)了較好的自動識別。

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