徐黃飛，張其林，杜賽，薛奇

（1.廣東省氣象探測數據中心，廣東 廣州510080；2.南京信息工程大學，江蘇 南京210044；3.中國氣象局廣州熱帶海洋氣象研究所，廣東 廣州510641；4.南京大橋機械有限公司，江蘇 南京211101）

1 引言

閃電產生的電磁波頻譜非常寬，因此探測閃電電磁波是進行閃電物理研究的重要途徑。利用閃電電場變化測量儀可以探測閃電在近地面的垂直變化電場，根據電場波形就可以對閃電的特征進行分析。此外，閃電電場變化測量儀在閃電定位研究中也發(fā)揮著巨大作用，建立閃電觀測網，可以對探測范圍內閃電進行準確定位，對于雷暴監(jiān)測預警與雷電防護的意義非常重大。因此，閃電電場變化測量儀的研究及使用很有意義。

1979年，Krehbiel等[1]最早利用平行板電容天線測量大氣電場變化在天線板上感應的電荷量變化，進而獲得閃電的電場變化，并提出了利用兩種不同時間常數的電場變化儀來記錄閃電電場變化的方法。在之后的幾十年內，電場變化儀被廣泛應用于自然閃電電場以及人工引雷電場的探測[2-8]。國內，劉欣生等[9]研制的場強變化儀，其探測帶寬為0～5 kHz，時間常數為5s。張廣庶、王懷等[10-11]分別于2002年和2004年申請了“慢電場變化測量儀”和“快電場變化測量儀”的發(fā)明專利和實用新型專利。郄秀書等[12]研制了時間常數為2 ms，帶寬為10 Hz～2 MHz的閃電電場變化測量儀。2012年周壁華等[13]提出了利用一臺儀器同時獲取雷電電場的快變化和慢變化波形的技術方案。Rakov等以及Thottappillil等[14-17]早期發(fā)表了使用時間分辨率較高的閃電電場變化測量系統觀測得到了Florida地區(qū)的正負地閃的各項特征。隨后，Cooray等[18]報道了利用類似的方法得到的瑞典的閃電特征。郄秀書等[19]利用時間分辨率為微秒級別的電場變化測量系統第一次在中國高原地區(qū)對多個雷暴過程中的正地閃和負地閃特征進行了觀測和統計分析。王東方等[20-21]利用閃電電場變化測量系統對大興安嶺林區(qū)地閃放電特征進行了探測和統計。王宇等[22]在大興安嶺林區(qū)利用閃電電場變化測量儀對正負地閃的預擊穿過程進行了統計分析。

綜上所述，閃電電場變化探測儀相關的研究很多，但是之前的探測儀中沒有低通濾波電路，導致探測儀會接收到很多高頻干擾，使得主要研究頻段的電場波形失真，且積分電路的時間常數為2 ms左右，無法精確地反映亞微級別的閃電電場特征。所以本文對閃電電場變化測量儀進行了改進，加入了低通濾波電路，濾除了頻率在5 MHz以上的信號，設定了該新型閃電電場變化測量儀的探測范圍，大大減少了非探測波段信號干擾，簡化了后續(xù)的數據處理。該新型閃電電場變化測量儀中積分電路時間常數降至0.1 ms，能夠更加精確地反映亞微秒時間尺度的閃電電場特征，并且本文對測量儀進行了嚴格標定。本文利用該新型測量儀對南京地區(qū)2016年5月和6月發(fā)生的多個雷暴過程展開3站同步觀測，并選取了58例含有明顯預擊穿的負地閃資料，并統計分析了南京地區(qū)負地閃的預擊穿過程以及首次回擊電場波形的特征，并將結果與國內外研究結果進行對比，以驗證本文設備的可靠性。文中統計的負地閃均發(fā)生在距離測站15～40 km的范圍內，這樣盡量減小了超近距離探測時閃電電場波形主要為靜電場分量以及超遠距離時預擊穿過程和回擊過程電磁波衰減不一致導致對統計結果造成的影響[22]。

2 測量儀的工作原理

閃電電場變化測量儀利用與大地絕緣且水平放置的金屬圓板作為電場信號接收天線。當探測范圍內有閃電發(fā)生時，金屬圓板周圍的垂直電場發(fā)生變化，根據感應原理，金屬圓板上的感應電荷也會發(fā)生相應變化，通過放大電路獲取該變化的電荷信號將其轉化為電壓信號，就可得到閃電引起的地面附近垂直電場變化。

測量儀的基本工作原理如圖1所示。A是金屬圓板，R和C分別是積分電路中的電阻和電感。金屬圓板通過導線與積分放大電路的輸入端相連接，電荷變化將以電流信號的形式進入積分放大電路并以電壓信號形式輸出。如圖1所示，假設金屬圓板的面積為A，RC積分放大電路的電阻R和電容C跨接于放大器的輸入端和輸出端。在閃電垂直電場E的作用下，根據高斯定律，金屬圓板上將產生感應電荷Q，Q=εA E，ε為真空介電常數。上述中因感應電荷變化而產生電流信號i流過積分電路中的電阻R和電容C時，根據積分電路公式可知：

圖1 測量儀工作原理圖

將i=代入式(1)得：

式(2)兩邊同時乘dt再除去C得：

當所考慮的放電過程持續(xù)時間dt?R C時，由式(3)得：

根據上式(4)可得，積分放大電路的輸出電壓與電場變化呈線性而極性相反的關系，經過極性處理后，閃電電場變化測量儀就能夠真實反映電場波形?？芍?，圓板天線的面積和積分電路中電容C的取值將對測量儀的信號響應能力有很大影響，天線面積越大，電容越小，測量儀靈敏度就越高。

3 測量儀的研制

3.1 新型閃電電場變化測量儀外部結構設計

根據式(4)可知，圓板天線的大小直接關系到測量儀的靈敏度，當式中電容大小固定時，天線面積越大，測量儀的靈敏度就越高，但是天線的面積卻不能做得很大，因為靈敏度越高，周圍環(huán)境中的干擾電場信號對閃電電場變化測量儀的影響就越大，當干擾信號大到一定程度時，幅值較小的一部分閃電信號就會被干擾信號覆蓋，從而影響探測閃電電場信號。綜合考慮閃電電場變化測量儀體積和觀測距離，結合實驗室測試后，決定將圓板天線直徑設為24 cm。

因為閃電電場變化測量儀需要在雷雨天氣中使用，根據式(4)可知，測量儀的輸出信號與空氣的介電常數ε有直接關聯，而大氣濕度、溫度等會對ε的大小產生影響，為了保證文中閃電電場變化測量儀信號輸出的穩(wěn)定性和抗雨水干擾的能力，決定在天線上加上圓柱形保護罩，且針對保護罩是否會對天線探測造成影響做了實驗，結果表明保護罩對新型閃電電場變化測量儀的探測性能沒有影響。圓板天線上的電荷信號會通過天線底部設置的信號傳送點與信號處理電路相連。圓板天線底部通過絕緣層與金屬支撐桿相連。支撐桿上掛有信號電源箱，該信號電源箱做了防水處理，箱中布置有信號處理電路、開關控制電路以及交流轉直流電源。所有信號的傳輸都采用同軸屏蔽線，經測試，該同軸屏蔽線不僅機械強度高而且信號傳輸中幾乎沒有外界電磁干擾。

圖2 測量儀實物圖

3.2 新型閃電電場變化測量儀內部信號處理電路設計

電路功能原理的框圖如圖3a所示，電路主要部分設計如圖3b所示。新型閃電電場變化測量儀的信號處理電路主要分為三個模塊，圓板天線接收到的電場變化信號會先經過積分放大模塊，該模塊的作用在閃電電場變化測量儀原理中已經具體介紹，即將信號積分放大并把電場信號轉化為與其線性相關的電壓信號；信號經過放大后，再經過低通濾波模塊，濾波模塊的作用是將不做研究的高頻電場信號濾除；經過濾波后的信號進入跟隨器模塊，跟隨器具有較大的輸入阻抗以及較小的輸出阻抗，可以起到承上啟下的作用，減小信號傳遞過程中的反射和損耗，保證信號的穩(wěn)定傳輸。此外，處理電路中還加入了供電保護設計，保證電路的供電穩(wěn)定。

圖3 電路原理框圖(a)和電路設計圖(b)

4 測量儀標定

由上式(4)和電路設計可知，理論上，經過信號處理電路的電壓信號與電場變化是線性相關的，由觀測得到的電壓信號反演出電場信號，需要確定兩者之間在頻域上的數值關系，因為閃電電場變化測量儀對不同頻段電場信號的響應能力是不同的，所以需要通過實驗來確定輸出電壓與被測電場在頻域上的數值關系，并繪制出兩者的關系曲線——標定曲線。根據金屬極板間電壓公式E=V/d，在間距為d的平行金屬板上施加交流電壓，根據上述公式可知：平行金屬板間電場的峰值為電壓峰值與間距d的比值。當閃電電場變化測量儀處于變化的電場中時，將產生相應的電壓信號，電壓信號頻率與施加的電壓頻率一樣。所以，利用該方法得到探測范圍內各頻率上的輸出電壓與電場的數值關系。

閃電電場變化測量儀的標定實驗需要信號發(fā)生器、示波器、兩塊直徑一米的鋁板（其中一塊鋁板中心處有一圓形空洞）、支架、規(guī)格一致的絕緣方塊等。標定實驗示意圖如圖4所示。

圖4 新型閃電電場變化測量儀標定實驗圖

在平行鋁板間施加交流電壓，在頻段（0 Hz～10 MHz）中選取適量采樣點，按照選定采樣點的頻率改變施加電壓的頻率，同時記錄下示波器上輸出電壓波形的頻率和峰值。文中定義頻率一定時電場峰值與輸出電壓峰值之比為兩者在該頻率上的關系系數。所繪出的標定曲線如圖5所示，橫坐標為頻率，縱坐標為輸出電壓峰值與對應電場峰值之比。由圖5可知，在低頻段（10 Hz～4 kHz），頻響曲線是快速單調上升的，在4 kHz～5 MHz主探測頻段，頻響曲線近似為一條水平線，其值保持在0.015左右，在5 MHz以后的頻段，頻響曲線快速下滑。標定曲線是進行電場反演不可缺少的重要部分，其優(yōu)劣決定了閃電電場變化測量儀探測精度的高低。理想情況下的頻響曲線在探測頻段內是一條非零的水平直線，其他頻段都為零，因此，在理想情況下，整個探測頻段內轉換系數都為一定值，所以在進行閃電電場反演時就只需要在時域內變換，即將探測得到的電壓波形整體除以轉換系數，就能夠得到閃電電場的波形，省去了對信號做傅里葉變換和逆變換的過程。然而實際中無法做到這點，所以本文通過設計電路使得標定曲線近似“門”型，即在低頻段曲線快速上升，在主要探測頻段曲線近似為水平線，在超出探測帶寬的高頻段曲線快速下滑。在這種情況下，進行電場反演時，需要通過分析程序對得到的輸出電壓信號做傅里葉變換，將時域電壓信號轉換為頻域信號，然后結合標定曲線對各個頻域電壓信號進行分段處理，再進行整合后得到頻域的電場信號，最后將該頻域電場信號進行傅里葉逆變換，才能得到時域中真實的電場波形，電場波形的獲得都是通過數據分析程序結合標定曲線參數自動完成。

圖5 新型閃電電場變化測量儀標定曲線

5 測量儀初步應用

2016年4 月，將新型閃電電場變化測量儀分別布置于南京信息工程大學（海拔高度約為20 m）、南京市浦口區(qū)氣象局（海拔高度約為55 m）和江寧國家氣候基準站（海拔高度約為39 m），探測站分布圖如圖6所示，以檢驗新型閃電電場變化測量儀的探測能力，探測設備采樣頻率為5 M/s。南京信息工程大學、浦口區(qū)氣象局和江寧國家氣候基準站的儀器處在較為開闊的平地上，附近無高大建筑或樹木遮擋，觀測視野開闊，遠離城區(qū)，周圍電場干擾也較小，是進行閃電電場同步觀測的理想場所。

圖6 閃電探測站分布圖

2016年5月31 日，江蘇地區(qū)發(fā)生了多個強雷暴過程，根據雷達資料顯示，該雷暴過程于21:00（北京時，下同）在兩測站的北部地區(qū)開始發(fā)展并逐漸向測站方向移動，23:00移動到兩測站探測范圍內，并繼續(xù)向南移動，于次日03：00移出測站范圍，該雷暴在測站區(qū)域內持續(xù)時間為6小時，31日21:00以前雷達回波范圍較小、強度較弱，雷暴處于初始發(fā)展階段。21:00以后，30 dBZ的回波范圍不斷擴大，回波中心強度在45 dBZ以上，閃電開始連續(xù)發(fā)生且閃電頻數迅速增加。23:00時回波強度在35 dBZ以上的回波范圍最大，回波中心強度達到了50 dBZ，這說明雷暴到達測站范圍內時已經處于成熟階段。次日02:00以后回波范圍逐漸減弱并遠離測站范圍。

此次雷暴過程中，利用三套新型閃電電場變化測量儀獲得了大量閃電同步數據。文中選出一組探測效果較好的同步數據用來反演閃電電場波形。結合標定曲線對同步數據進行處理，得到同步閃電電場波形(圖7)。

圖7 反演后負地閃地面電場波形

觀察圖7可知，反演后所得的閃電電場波形一致性極好，顯然，三站反映的是同一次閃電過程。根據閃電數據時間對比2016年5月31日江蘇省閃電2D定位資料可知，圖6中的同步波形對應一次負地閃放電過程（118.6973°E，32.3017°N，電流峰值為-18.05 A），在南京六合區(qū)內，距離南京信息工程大學11 km左右，距離浦口區(qū)氣象局站約28 km左右，距離江寧國家氣候基準站約45 km左右，由于南京信息工程大學站和浦口站的建站條件比較好，都是在地面觀測場中建立，而江寧站是建在較高的樓頂上，因此測得的電場會有所增強，本文中三站同步波形是沒有進行高度同化訂正的波形，因此圖中江寧站距離此次地閃最遠，但是探測得到的閃電電場幅值卻顯示最大，并且增強效應主要是影響波形的幅值，不影響波形的樣子，因此也不影響本文中對波形參數的統計結果。負地閃放電過程一般分為預擊穿過程、中間過程、梯級先導、首次回擊、繼后回擊和回擊間過程等子過程。圖7負地閃電場波形中可以觀察到明顯的預擊穿、首次回擊和繼后后繼等過程（梯級先導過程被電場噪聲所覆蓋所以不是很明顯）。浦口區(qū)氣象局站和江寧國家氣候基準站距該次負地閃過程較遠，所以探測到的地閃放電電場主要以快速變化的輻射場波形為主，而南京信息工程大學站距離此次負地閃很近，所以探測到的波形以緩慢變化的靜電場為主，預擊穿和回擊等過程的波形疊加在靜電場波形上。

6 統計結果與對比分析

負地閃放電過程一般分為預擊穿過程、梯級先導、首次回擊、繼后回擊和回擊間過程等子過程。利用2016年5月20日—6月20日期間的雷暴過程中，浦口站（該站探測干擾最?。╅W電資料中具有明顯預擊穿過程的58例負地閃數據，對南京地區(qū)負地閃預擊穿過程和首次回擊過程的電場波形特征進行統計和對比分析。

6.1 預擊穿過程特征統計結果及對比分析

預擊穿過程是發(fā)生于云內的初始擊穿過程。圖7中預擊穿過程（PBP）的拓展波形如圖8所示。由圖8可知首次回擊前的PBP的電場波形由一系列脈沖寬度為微秒量級的雙極性脈沖或單極性脈沖組成。本文中統計的預擊穿過程主要參數有：(1)PBP中單個脈沖持續(xù)時間t1；(2)PBP中脈沖序列間隔時間t2，即相鄰兩個脈沖前半周期峰值的時間間隔；(3)PBP總持續(xù)時間t3，即PBP中首尾脈沖的前半周期峰值間隔時間。統計結果如圖9所示。

圖8 預擊穿過程同步電場波形

圖9 預擊穿過程參數統計圖

圖9a為PBP中單個脈沖持續(xù)時間t1分布統計圖，共統計200例，t1時間分布范圍為6～32μs，其中分布在6～14μs之間的有60例（占30%），14～24 μs之間的有112例（占56%），24～32μs之間的有28例（占14%），算術平均值為16.9μs；圖9b為PBP中脈沖序列間隔時間t2分布統計圖，共統計150例，t2時間分布范圍為0～500μs，其中分布在100 μs以內的有32例（占21.3%），100～250μs之間的有99例（占66%），250μs以上19例（占12.7%），算術平均值為153.2μs；圖9c為PBP總持續(xù)時間t3分布統計圖，共統計58例，t3時間分布范圍為0～22 ms，其 中 分 布 在0～6 ms之 間 的 有46例（占79.3%），6～12 ms之間的有10例（占17.2%），12 ms以上的有2例（占3.4%），算術平均值為4.2 ms。

本文中統計得到的PBP中單個脈沖持續(xù)時間t1的算術平均值為16.9μs，是王宇等[22]在大興安嶺地區(qū)統計得到的單個脈沖持續(xù)時間8.8μs的1.9倍，是張義軍等[23]在廣州地區(qū)統計得到的單個脈沖持續(xù)時間21μs的80.5%，是Nag等[24]在美國弗羅里達地區(qū)統計得到的單個脈沖持續(xù)時間4.5μs的3.5倍。本文中統計得到的PBP相鄰脈沖時間間隔t2算術平均值為153.2μs，是王宇等[22]在大興安嶺地區(qū)統計得到的PBP相鄰脈沖時間間隔111 μs的1.4倍，是張義軍等[23]在廣州地區(qū)統計得到的PBP相鄰脈沖時間間隔256μs的59.8%，是Nag等[24]在美國弗羅里達地區(qū)統計得到的PBP相鄰脈沖時間間隔65μs的2.4倍。本文中統計得到的PBP總持續(xù)時間t3算術平均值為4.2 ms，是王宇等[22]在大興安嶺地區(qū)統計得到的PBP總持續(xù)時間4.5 ms的93.3%，是張義軍[23]等在廣州地區(qū)統計得到的PBP總持續(xù)時間5.1 ms的82.4%，是Nag等[24]在美國弗羅里達地區(qū)統計得到的PBP總持續(xù)時間3.4 ms的1.2倍。對比分析可知不同地區(qū)的負地閃PBP中單個脈沖持續(xù)時間t1和PBP相鄰脈沖時間間隔t2存在較大差異，而負地閃PBP總持續(xù)時間t3差異不大。

6.2 首次回擊特征統計結果及對比分析

圖7中首次回擊R1的電場拓展波形如圖10所示。觀察圖10可知，首次回擊電場波形呈現“V”型，且上升時間和下降時間都是微秒級的，本文中統計了58例負地閃首次回擊10%～90%上升沿時間T1和過零時間T2，統計結果如圖11所示。

圖10 首次回擊R1地面電場波形

圖11 首次回擊過程參數統計圖

圖11a為首次回擊10%～90%上升沿時間T1的分布統計圖，共統計58例，T1分布范圍為1～9μs，其中分布在0～2μs之間的有7例（占12.1%），2～4 μs之間的有32例（占55.2%），4～6μs之間的有12例（占20.7%），6～8μs之間的有6例（占10.3%），8 μs以上的有1例（占1.7%），算術平均值為3.2μs；圖11b為首次回擊過零時間T2的分布統計圖，共統計58例，T2分布范圍為0～27μs，其中分布在0～2 μs之間的有4例（占6.9%），2～4μs之間的有30例（占51.7%），4～6μs之間的有15例（占25.8%），6～8μs之間的有2例（占3.4%），8μs以上的有7例（占12.1%），算術平均值為4.7μs。

本文中統計得到的首次回擊10%～90%上升沿時間T1的算術平均值為3.2μs，是郄秀書等[25]在甘肅中川地區(qū)統計得到負地閃首次回擊10%～90%上升沿時間4.7μs的68.1%，是王東方等[20]在大興安嶺地區(qū)統計得到的首次回擊10%～90%上升沿時間1.9μs的1.7倍。本文中統計得到的首次回擊過零時間T2的算術平均值為4.7μs，是郄秀書等[25]在甘肅中川地區(qū)統計得到首次回擊過零時間10.2μs的46.1%，是王東方等[20]在大興安嶺地區(qū)統計得到的首次回擊過零時間51μs的9%。根據對比可知，不同地區(qū)的負地閃首次回擊的特征存在很大的差異，甘肅以及大興安嶺地區(qū)負地閃首次回擊的持續(xù)時間相對南京地區(qū)更久，并且由于地閃電場能量主要集中在100 kHz以內，測量儀處理電路中濾波器的起始工作頻率為5 MHz，因此可以排除濾波器對回擊上升時間和過零時間的影響。

7 結論與討論

本文根據電磁感應的原理，成功研制出一種探測帶寬為10 Hz～5 MHz的新型閃電電場變化測量儀，利用三套測量儀對南京地區(qū)多個雷暴過程進行了實際探測，并將負地閃過程的電場波形進行統計與對比分析，得到主要結論如下。

（1）減小了積分電路中的積分常數，能夠反映亞微秒時間尺度的閃電放電特征；在天線上安裝了防護罩（該防護罩對探測效果沒有影響），減少了因雷雨天氣的降水造成的干擾。

（2）通過標定實驗，確定了新型閃電電場變化測量儀的電壓輸出信號與閃電電場信號在頻域上的數值關系。

（3）利用觀測數據進行閃電電場反演，得到了一次負地閃過程的電場波形，并分析了負地閃過程中各子過程的特點，分析后證明該新型閃電電場變化儀能夠準確反映出地閃中預擊穿過程和回擊等過程，證明該新型閃電電場變化測量儀的可靠性。

（4）統計了負地閃預擊穿過程單個脈沖持續(xù)時間t1、預擊穿過程脈沖序列間隔時間t2、預擊穿過程總持續(xù)時間t3、首次回擊10%～90%上升沿時間以及首次回擊過零時間，對應的算術平均值為：16.9μs、153.2μs、4.2 ms、3.2μs和4.7μs。將統計結果與國內外的統計結果進行比較分析，發(fā)現各個地區(qū)的負地閃預擊穿過程和首次回擊電場波形特征存在較大差異。

本文通過新研發(fā)的閃電電場變化測量儀，對南京2016年5月和6月發(fā)生的多個雷暴過程進行了觀測研究，對其中的58次負地閃過程電場波形進行了統計分析，對負地閃過程的特征有了一定的了解，但僅僅通過統計分析難以解析其物理本質，通過對比不同地區(qū)的統計結果來分析負地閃波形特征有其局限性，因為同一地區(qū)不同次雷暴過程中的負地閃特征也會存在較大差異，所以接下來需要布置更多測站以獲得更多地區(qū)和時間的負地閃資料，以對負地閃波形一般特征進行統計和對比分析。