雷电探测定位技术的新进展

李 卓，陈 健，王姝妹

(伊春市气象局，黑龙江 伊春153000)

1 引言

雷电是自然界中最为壮观的气象现象之一，是地球生态系统重要的一部分，但同时也是造成损害最大的世界十大自然灾害之一。根据气象部门和劳动部门估算，我国年均雷击伤亡人数超过1万，其中死亡3 000多人，财产损失50－100亿元。由于人类无法阻止和控制雷电的危害，为了尽量避免雷电所造成的危害，近20 a来我国加强了对雷电的探测和雷电灾害的防护。

目前，对雷电的探测主要是采用目测来获得雷电发生时的起止时间、雷暴小时、雷暴日等。随着我国遥感遥测、光电等技术的发展与进步，人们对雷电的探测又有了许多新的进展，特别是在地闪的监测和定位方面实现了新的突破，可以较为准确地给出地闪发生的时间、位置、强度、极性和回击数等信息。本文根据目前的发展现状，对近年来雷电探测定位技术的发展进行总结，并介绍雷电探测定位技术的一些最新进展状况。

2 雷电探测定位技术发展概况

雷电是发生在大气中强烈的放电现象，雷电发生时会产生很高的电压、电流、强烈的电磁辐射并伴随闪光和雷声等现象。可以采用对雷电产生时的光、声、电磁等的测量，获得雷电发生的时间、空间和放电等参数与信息，这种探测雷电的方法称为闪电定位技术。

对雷电探测定位的方法目前主要分为光、声和电磁场（包括无线电测向技术）三种。对雷电探测定位的技术方法分为地基探测定位技术和星载探测定位技术两大类。

3 雷电探测定位技术的新发展

3.1 三维闪电探测系统

目前，“三维闪电探测系统研制”是科技部和科研院所的专项开发技术之一，目的是开发完整的云闪、地闪和云内特殊放电事件的三维全闪探测和定位系统。基于对闪电VHF和VLF/LF的辐射信号进行同步联合分析，采用时差定位技术，利用脉冲匹配、闪电波形匹配、频谱分析和时域相关等手段，获得对闪电辐射事件的三维探测。

2011年1月至2013年12月主要开展了三个方面的工作:(1)野外观测及数据分析。在2011年春、夏季广州从化地区的野外试验和观测，获得了一组质量较高的多站闪电同步观测数据。在VHF频段基于脉冲匹配方法得到脉冲源的三维反演，同时在VLF/LF频段采用时域相关和波形匹配技术获得闪电辐射源的二维定位;(2)对探测系统进行硬件集成。将VHF宽带天线、VLF/LF电场变化传感器、采集记录系统以及GPS时钟等模块集成在一起。高精度的GPS授时系统提供时间基准，在VHF频段完成雷电辐射脉冲的记录，在VLF/LF频段完成对完整的电场变化波形的记录;(3)基于定位误差的模拟实验研究。通过计算机仿真软件的重现，对比由模拟不同站点布局方式获得的定位精度作为布站方案的参考［1］。

3.2基于静止气象卫星平台的闪电探测系统

2011年，中国科学院上海技术物理研究所凭借已有较成熟的探测仪器，对静止气象卫星平台观测中的闪电信号的目标背景特性开展了细致的分析，从而设计出基于静止气象卫星平台的闪电探测系统。

该系统基于静止气象卫星上的现有条件，稳步获得了闪电信号的大范围、长时间、不间断观测，并考虑了闪电信号的背景特性，在处理算法和光学系统上根据目标背景特性做了相应的设计、改造和完善，达到及时、准确、有效地捕获闪电信号，从而实现对闪电信号的有效探测［2］。

此类闪电探测系统可实现对地表很大区域的覆盖，并有效标识记录闪电发生的地点和时间，准确测量出闪电信号的辐射能量，测量稳定性较高，可以长时间实现白天、夜间对云内及云地闪电的探测。此类闪电探测系统相对于以前的星载闪电探测系统有三点不同:空间分辨率较高，能完成10 km左右分辨情况下的稳定探测;可实现连续时间下对闪电信号的探测；具有较广泛的探测率，可以探测视野范围内几乎所有的闪电信号［2］。

3.3 光频段雷电探测系统

光频段雷电探测系统的关键部分为光频雷电探测模块和光频雷电记录模块，该探测系统首先由光频雷电探测模块判断是否有雷电产生，若判断有雷电产生，则通过光频雷电探测模块来触发光频雷电记录模块，从而对雷电图像进行记录。

该系统将时差定位法引入到了光频雷电定位中，并利用Matlab中的Simulink模块对系统结构进行建模和仿真，得到了较为理想的结果。但该系统主要是针对云地闪，且其检测精度还需进一步提高［3］。

3.4 雷电的声光电磁综合探测定位系统

近期，中国气象科学研究院的张义军研究员在成都信息工程学院的学术报告会上指出，我国正在研制集声、光、电、磁探测技术于一体的闪电综合探测定位系统，该系统是以光信号作为触发信号，该闪电综合探测定位系统的研制将会加快我国雷电研究的发展，进一步提高我国雷电探测定位技术的科技水平。

4 结束语

通过对雷电探测定位资料的研究与分析，一方面可以进一步深化对闪电形成机理的认识，提供可用于防雷产品和防雷工程设计的可靠实验数据；另一方面，利用雷电探测定位系统，结合雷达、地面气象观测系统，通过研究强风暴的动力、微物理等特征，从雷电的角度研究强对流风暴的冰雹、突发性暴雨等局地气象灾害的临近预报方法和技术，为我国灾害性天气过程的监测和预测提供新的手段，从而提高我国短时灾害性天气的预报水平。

[1]董万胜.三维闪电探测系统研制[J].中国气象科学研究院年报（英文版），2007：45-46.

[2]高松.基于静止气象卫星平台的闪电探测[J].科学技术与工程，2007，7（9）：2032-2036.

[3]刘辛.光频段雷电探测技术的研究[D].华中科技大学博士论文，2010：53-57，9-97.