張旭光 陳軍 劉青松 盧治鋼 張斌

（1.中國人民解放軍32203部隊，華陰 714200；2.中國人民解放軍96531部隊，瀘州 646000；3.中國人民解放軍93110部隊，北京 100000）

引 言

閃電電場變化(ΔE)和電場時變率(dE/dt)是刻畫閃電瞬態(tài)電場特征的主要參量.在考慮測量儀表前端運算放大器有限帶寬的情況下，ΔE測量的輸出電壓可以看作對被測電場E進行高通濾波后的結(jié)果[1]，在測量儀的通頻帶內(nèi)具有平坦的頻率響應(yīng).然而，由于閃電的高頻電磁輻射分量隨頻率增加而快速衰減[2]，電場變化測量對高頻響應(yīng)不敏感.相比而言，dE/dt測量的輸出電壓則是被測電場E的微分器，因此能夠在數(shù)據(jù)采集設(shè)備有限的動態(tài)范圍內(nèi)更有效地響應(yīng)閃電高頻輻射.

目前，國內(nèi)外學者對人工引雷、自然閃電的dE/dt特征已開展了一些測量.Gamerota等利用dE/dt傳感器對人工引雷中距通道底部226 m閃電通道進行測量，發(fā)現(xiàn)梯級直竄先導的dE/dt脈沖具有雙極性震蕩的特點：其首先同極性快速上升，隨后在較小振幅的反極性超調(diào)后衰減到背景電平，不疊加二次脈沖[3].Jiang等研究了有限導電地面上傳播對由梯級先導和回擊產(chǎn)生的dE/dt脈沖特性的影響，同時發(fā)現(xiàn)電流波形參數(shù)對dE/dt具有顯著影響[4].李書磊等在傳輸線(transmission-line, TL)模型的基礎(chǔ)上，對雷電近區(qū)電場峰值及其變化率隨距離的變化進行近似表達，實測結(jié)果表明該方法可用于表征距離雷電通道1 km范圍內(nèi)電場峰值和dE/dt的變化[5].此外，利用近距離電場變化推測閃電通道電荷密度分布情況也已在許多研究中展開探索[6-7].雖然ΔE和dE/dt測量均可以間接反映雷電通道的發(fā)展進程及強烈程度，但兩者之間的異同還沒有較為完備的研究，因此需要進行ΔE與dE/dt測量的同步對比研究.

本文利用dE/dt與ΔE測量儀對兩次近距離地閃開展了同步觀測，重點對dE/dt的波形特征及其與ΔE的相互關(guān)系進行了研究，為雷電電磁環(huán)境的準確測量提供了依據(jù).

1 dE/dt測量原理

本文所采用的閃電dE/dt測量原理如圖1所示.利用運放“虛地”原理，將平板天線感應(yīng)的電荷直接接入運放反向輸入端，運放同相輸入端接地，R1為反饋電阻，用于調(diào)整放大量，R2為線纜的匹配電阻.從平板天線看去，負載阻抗降低為“零”，因而可以忽略等效電容(Ceq)的作用，使輸出電壓為

圖1 電場時變率測量原理圖Fig.1 Principle diagram of dE/dt measurement

式中：k為電場增強因子，與天線放置環(huán)境有關(guān)；A為平板天線圓盤的面積；ε為介電常數(shù)；R1為運算放大器中的電阻；R2為線纜的匹配電阻；RL為負載電阻.天線增強因子k的值需通過實驗室的標定來確定，R1的確定與預設(shè)的放大倍數(shù)有關(guān)，R2和RL的大小分別由線纜的匹配電阻和負載電阻來確定.

dE/dt測量儀測量原理的實質(zhì)是通過金屬圓盤感知電場變化快慢，再經(jīng)過放大電路對信號進行放大.應(yīng)當指出，若放大器理想，則式(1)成立條件僅受到天線電小近似條件的限制.然而，由于運放的有限增益帶寬積的影響，儀器的實際帶寬受到放大器性能的制約.為了達到寬帶測量效果，可選用寬帶運放，同時調(diào)整R1,使儀器在允許放大倍數(shù)的條件下達到最大帶寬.

dE/dt測量儀的標定采用Qiu等[8]提出的方案，其中幅度標定按照“積分法”，在標準脈沖電場環(huán)境下測量dE/dt傳感器的輸出，如圖2，將dE/dt脈沖積分后與標準場對比可得到幅度標定系數(shù)；響應(yīng)時間的確定通過向模擬器注入納秒級上升沿脈沖得到.標定試驗表明，本文所用的dE/dt測量儀靈敏度系數(shù)為717 (V/m)/μs, 脈沖上升沿7 ns.

圖2 dE/dt測量儀幅度標定結(jié)果Fig.2 Amplitude calibration results of dE/dt measuring instrument

2 觀測試驗與結(jié)果分析

2.1 試驗配置

利用上述系統(tǒng)，我們開展了dE/dt和ΔE的同步觀測，閃電的距離采用聲光差定距原理粗略估計.野外觀測試驗場景如圖3所示，dE/dt測量天線和ΔE天線相距5 m 放置于水平地面，利用示波器對兩個通道的數(shù)據(jù)進行實時采集.所用的ΔE天線放電時間常數(shù)200 μs，通常也稱為快天線，靈敏度160 V/mV?1.考慮到閃電輻射能量多集中在2～3 MHz以下[9]，試驗中采用20 MHz/10 MHz可調(diào)的采樣頻率.一次觸發(fā)記錄長度1 s，其中預觸發(fā)0.1 s.

圖3 野外觀測試驗場景圖Fig.3 Scene of field observation test

2.2 觀測結(jié)果與分析

本文選取兩次典型的負地閃進行分析.兩次負地閃編號-CG140349和-CG150631均包含多次回擊，回擊前具有幾十毫秒的預擊穿過程，雷擊點距離觀測點分別為2.6 km和4.4 km，dE/dt和同步記錄的快天線輸出端全波波形分別如圖4和圖5所示.dE/dt表示的是電場的變化率，其波形具有高頻率震蕩的特點；ΔE表示的是電場的變化，可以直觀看到電場變化的真實波形，其波形在回擊處呈現(xiàn)出典型的雙指數(shù)形式，易于識別.將兩者同步觀測，可以更好地對比兩者之間的異同.

2.2.1 預擊穿和梯級先導階段

總體上看，dE/dt和ΔE波形具有較好的相關(guān)性，兩者在回擊發(fā)生前的預擊穿和梯級先導階段輻射強烈，都表現(xiàn)為密集的孤立脈沖.兩者的主要區(qū)別在于：dE/dt多為雙極性脈沖，其先導階段的脈沖幅度與回擊脈沖幅度更為接近，而電場變化在回擊處呈現(xiàn)出雙指數(shù)波的形式.對于圖4所示近距離地閃，隨著梯級先導不斷接近地面，脈沖幅度逐漸接近回擊脈沖；對于圖5所示稍遠距離地閃，首次回擊的dE/dt脈沖甚至與預擊穿、先導脈沖幅度相仿.

圖4 編號-CG140349的閃電電場波形Fig.4 Electric field waveform of lightning No.CG140349

圖5 編號-CG150631的閃電電場波形Fig.5 Electric field waveform of lightning No.CG150631

對于預擊穿和梯級先導階段的dE/dt脈沖，其上升時間更快，通常與采樣間隔相當，故本次測量不能給出準確值，但至少表明這些脈沖具有明顯的高頻分量.這些脈沖的一部分在同步記錄的靈敏ΔE波形上會出現(xiàn)對應(yīng)脈沖，而還有大量脈沖在ΔE測量波形中無法反映，如圖6所示.在圖6(a)中，可以看到波形在320 μs、330 μs、343 μs和347.5 μs處有明顯的脈沖；而在圖6(b)中，受背景噪聲的影響，不能看到這些脈沖.這表明閃電dE/dt測量對先導等小尺度擊穿過程的電磁輻射更為敏感.

圖6 編號-CG15063的梯級先導電場波形Fig.6 Electric field waveform of stepped leader No.CG15063

對兩次梯級先導的脈沖統(tǒng)計結(jié)果如表1所示.統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，dE/dt脈沖更為密集，脈沖間隔一般在幾微秒到幾十微秒范圍內(nèi).以噪聲水平的2倍作為脈沖門限閾值，dE/dt脈沖平均間隔分別為8.4 μs和9.6 μs，ΔE脈沖分別對應(yīng)為12.5 μs和14.9 μs.

表1 梯級先導過程的dE/dt與ΔE統(tǒng)計對比表Tab.1 Statistical comparison table of dE/dt and ΔE for stepped leader processes

2.2.2 首次回擊和后續(xù)回擊階段

回擊過程包含首次回擊和后續(xù)回擊，是地閃特有的強電荷中和過程.同步觀測表明，兩種測量波形在回擊發(fā)生時都表現(xiàn)出明顯的脈沖特征.

圖7給出了編號-CG150631首次回擊和發(fā)生在402 ms的第4次后續(xù)回擊的dE/dt與同步ΔE展開波形.作為對比，同時給出了相應(yīng)的dE/dt的時域積分波形.通過對比dE/dt的積分和ΔE波形，可以看到兩者在輪廓上比較相近，可以從原理上驗證數(shù)據(jù)的正確性.

圖7 編號-CG150631的首次回擊(a～c)和第四次后續(xù)回擊(d～f)的電場波形Fig.7 Electric field waveform of the first stroke (a?c) and the fourth stroke (d?f) in lightning No.CG15063

首次回擊的dE/dt脈沖上升時間和半峰值寬度分別為0.6 μs和1.8 μs，后續(xù)回擊對應(yīng)參數(shù)分別為0.3 μs和0.6 μs.按照距離反比關(guān)系，兩者對應(yīng)到100 km上的幅度分別為6.2 (V/m)/μs、22 (V/m)/μs.對比兩者的dE/dt波形可以發(fā)現(xiàn)：回擊發(fā)生后，首次回擊的dE/dt波形會以相似的幅度持續(xù)100 μs以上；而后續(xù)回擊則在幾十微秒內(nèi)很快衰減到噪聲水平.Rhodes C等[10]通過窄帶干涉儀的甚高頻輻射源定位結(jié)果發(fā)現(xiàn)：首次回擊后甚高頻輻射并不會立即消失，而會持續(xù)幾百微秒，這期間對應(yīng)于先導分支通道內(nèi)電荷的中和以及云內(nèi)放電過程；而后續(xù)回擊后輻射源會突然減少，可以解釋首次回擊的電場時變率波形持續(xù)“振蕩”較長的原因.

此外，從圖7還可以看到：dE/dt的時域積分和快天線波形基本吻合，dE/dt脈沖峰值恰好對應(yīng)快天線ΔE最快的時刻，因而兩者對比可以相互印證測試結(jié)果的正確性；兩者的主要差異來源于dE/dt積分時需要估計背景直流偏置電平，這會對積分后的波形的緩變趨勢(低頻分量)造成影響.積分時間越長，低頻失真越明顯，因此dE/dt測量并不能簡單地代替ΔE測量.

2.2.3 直竄先導階段

圖8給出了編號-CG140349發(fā)生在598.6～599.6 ms處的第一次直竄先導-后續(xù)回擊過程的展開波形.由圖8可見：直竄先導的dE/dt輻射相當強烈，其峰值超過了梯級先導階段的最大輻射強度；一個有趣的現(xiàn)象是同步記錄的ΔE波形幾乎看不出明顯的先導輻射.

圖8 編號-CG140349的首次直竄先導和后續(xù)回擊過程的電場波形Fig.8 Electric field waveform of the first dart-leader and subsequent return strokes on lightning No.CG140349

多數(shù)情況下，直竄先導的dE/dt波形不同于梯級先導，并不能辨別到類似圖5(a)的分離脈沖，而是呈現(xiàn)較為混亂的持續(xù)的“振蕩”波形，功率譜密度集中在0.5～3 MHz(如圖8(c))，且本文研究的兩次地閃的多次回擊中均有相似的譜特征.

由于梯級先導通道的形成為空氣中的首次擊穿，而直竄先導的放電通道在之前的梯級先導-首次回擊階段已經(jīng)高度電離[11-12]，在直竄先導發(fā)展過程中通道仍然保持一定的電導率，這一機制可能造成兩者在dE/dt波形特征上存在差異.我們發(fā)現(xiàn)在其他一些地閃的觀測資料中，少數(shù)后續(xù)回擊前的先導過程中也出現(xiàn)了明顯的孤立脈沖構(gòu)成的脈沖簇的情況，這一現(xiàn)象同樣由Qiu等[8]報道.并且他發(fā)現(xiàn)伴隨這一現(xiàn)象的先導速度要普遍低于直竄先導的經(jīng)典發(fā)展速度，因而推測出現(xiàn)這一現(xiàn)象的主要原因在于這一階段的先導具有梯級特征，先導已經(jīng)演變?yōu)橹备Z-梯級先導.這進一步表明，dE/dt波形特征與通道電離狀態(tài)密切相關(guān).

3 討論與結(jié)論

本文利用dE/dt與ΔE同步觀測技術(shù)，分析了兩次典型負極性地閃的預擊穿、梯級先導、首次回擊、繼后回擊和直竄先導過程的電場波形特征，主要觀測結(jié)論如下：

1)在預擊穿、梯級和直竄先導階段，dE/dt相比ΔE的脈沖輻射更為強烈，主要表現(xiàn)為脈沖間隔更短、脈沖上升時間快以及脈沖信號更顯著.推測其主要原因在于這些過程以小尺度(通常十米到百米量級)放電為主，對應(yīng)輻射信號波長更短，因此會產(chǎn)生大量高頻輻射，而dE/dt相比ΔE對高頻輻射敏感，因而可以更有效地探測到這類的放電活動.

2)在回擊開始后，首次回擊dE/dt波形會以相似的幅度持續(xù)100 μs以上，而后續(xù)回擊則在幾十微秒內(nèi)很快衰減到噪聲水平，分析其主要與首次回擊中和梯級先導分支通道內(nèi)電荷過程以及回擊后的云內(nèi)放電過程有關(guān).

3)將回擊過程的dE/dt波形積分后與ΔE波形基本一致，可以有效地相互驗證測量結(jié)果的正確性.兩者的主要差異在于dE/dt波形積分時間不宜過長，否則容易引入低頻失真.

從探測原理講，dE/dt與ΔE同屬電場測量，但是兩者的側(cè)重點不同.ΔE測量的輸出相當于外電場的高通濾波器，在通頻帶內(nèi)要求具有平坦的頻率響應(yīng).然而，由于閃電的高頻電磁輻射分量隨頻率增加而快速衰減，所以ΔE傳感器難以對閃電高頻輻射進行準確有效測量.相比而言，閃電dE/dt傳感器能夠在數(shù)據(jù)采集設(shè)備有限的動態(tài)范圍內(nèi)更有效地響應(yīng)閃電高頻輻射，成為閃電電場測量的有效補充.