地闪回击电场波形参数分析及类型自动识别程序设计

（西京学院理学院，西安710000）

0 引言

人类已经进入了电子信息化的时代，雷电灾害对我们的影响愈加深远，特别是雷电电磁脉冲（LEMP）造成的损害[1]。地闪过程中发出的大量电磁辐射会对高新的航空、通信、电力、计算机等行业造成极大的威胁，电磁干扰使集成电路尤其是超大集成电路易遭受雷击而损坏，对于我们的日常生活也会造成很大不便。地闪放电时会在极短时间内产生高压放电以及很大的电流，峰值甚至可能超过100 kA[2]，其中回击过程的电流和M分量也都有很强的电磁辐射，其峰值也可能达到10-30 kA，连续电流的持续时间也能达到几十至几百毫秒[3]。闪电定位技术主要有磁定向法（MDF）、时差法（TOA）和干涉仪法（ITF）三种[4]。早在20世纪70至80年代，Krider等[5-7]就开始运用磁定向法（MDF）进行雷电定位的工作。郄秀书等[8]就利用时差法（TOA）对甘肃中川的一次雷暴的放电特征进行了研究。董万胜等[9]使用了干涉仪法（ITF）对地闪的先导和回击过程进行识别和定位。祝宝友等[10]利用自行研发的闪电观测系统对双极性窄脉冲事件进行了观测和分析。

回击过程是我们对地闪放电进行研究时最重视也是研究最多的部分。在研究回击过程时，通常面临最大的问题就是如何区分我们探测到的一次闪电到底是云闪还是地闪，以及如何识别闪电放电中的各个过程。而闪电的各个过程中各有特点的电场波形就可以帮助区分不同的闪电放电类型。所以研究闪电放电过程的电场波形特征，特别是研究地闪回击的电场波形特征参数对于了解雷电特性、做好雷电防护有特别的意义。地闪回击电场波形参数分析及类型自动识别程序开发研究能够提高地闪识别率，降低误识别率，建立一个较好的雷电识别系统，使闪电的探测和定位更加准确，更好地完善雷电防护系统。

1 探测仪器简介

文中所使用的雷电数据是由探测系统对雷暴过程进行观测获得的，这个探测系统是由快电场变化测量仪（简称快天线），每个单站系统都有完整的接受系统，其中包括天线、线性放大器、对数放大器、滤波器、高速数据采集卡、高精度GPS时钟、同步触发仪、工业级计算机、无线传输设备等部件。并配备了0-10 MHz的宽带电场测量仪进行同步数据记录，所以能够有效地进行闪电波形的识别，并且可以VHF辐射信号及宽带电场信号两种触发信号互换。闪电VHF辐射信号通过一个中心频率为270 MHz（带宽6 MHz）的1/4波长的天线来接收，通过电路中的带通滤波器进一步净化，经过线性及对数放大器进行信号放大处理在计算机内存储，在传输线路的末端有一个75 Ω的匹配电阻用来保证传输线的无损传输。这个过程包括了高精度GPS时钟的同步授时以及无线传输系统的远程控制等，如图1所示。

图1 闪电VHF辐射源三维定位系统单站原理示意图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时在青海大通地区进行了雷电观测试验，该地区位于山麓中，受该区域地形的影响，夏季经常发展出对流云系，形成雷暴和雹暴。测量人员使用快电场变化测量仪（简称快天线），大气平均电场仪，以及亚微秒分辨率的闪电VHF辐射天线系统，对该地区雷暴中的闪电活动进行了观测研究，如图2所示。观测系统接受机的中心频率为126 MHz，带宽为6 MHz，所取资料是通过快天线触发，预触发时间设为200 ms，文中所使用的数据资料都取自于一次雷暴过程。雷达回波分析显示，雷暴中心距离观测点31 km左右，雷暴的覆盖范围大约为100 km2，产生这些云闪和地闪的雷暴与观测点的距离都在60 km以内。

图2 实验现场示意图Fig.2 Experimental scene diagram

数据的记录通过使用VC++编写的波形记录及调用软件（图3）实现，这个软件通过控制数据采集卡及内存调用，完成数据记入微机的任务。该软件可以随意读取一段闪电波形，清楚地看到全局波形的高频部分和低频部分，也可以对波形进行扩展、收缩、幅值调整等分析。还能从整段的闪电波形中截取出一段（比如截取一段典型的回击过程）进行数据上的详细分析。

2 波形特征分析

2.1 回击波形特征数据分析

正如前文所说，闪电可以分为地闪和云闪两种，虽然云闪发生的频率比地闪高很多，但是由于地闪是发生在云层和大地之间的，与人类活动范围接触更多，更容易对人类的人身以及生产安全造成伤害，所以在雷电防护研究中，地闪也就更受重视。一次完整的地闪可以划分为预击穿，先导，回击等阶段，但回击过程是地闪放电中瞬间释放能量最大的阶段，因此地闪回击过程一直是雷电研究的重要对象[11-15]。

图3 数据记录及波形分析软件截图Fig.3 Data recording and waveform analysis software screenshot

综合上述的地闪回击低频的电场波形与VHF辐射波形特征，笔者对2016年8月13日16时于青海大通地区测得的闪电波形数据中的100多个闪电波形进行了人工识别，找出符合回击波形特征（如图4）的闪电波形，并对其电场波形的相关特征参数：上升时间、下降时间、半峰值宽度、幅度值进行了统计。并且分析了波形参数的分布，对负地闪回击的上升时间和下降时间做了分布直方图（图5）。可以发现，回击过程的上升时间都很短，主要集中在1～5 μs，所以我们在设定识别地闪的条件时就可以尽量设置得比较小。而回击的下降时间则明显大于上升时间，主要集中在30～40 μs，小于20 μs的情况很少发生。

图4 闪电波形中的一次回击观测波形Fig.4 One return stroke observation waveform in a lightning wave

ech2为VHF高频波形，ech3为低频波形（ch0和ch1是全局波形图，ech2和ech3是放大后的回击波形）

图5 负地闪回击的上升时间（左）和下降时间（右）的分布直方图Fig.5 The distribution histogram of the rising time（left）and descending time（right）of the negative flashback.

最终，人工识别出了57次负地闪回击和6次正地闪回击，并且对负地闪回击的波形特征参数做了统计，确定了哪些特征能有效运用于波形特征识别，如表1所示。同时也对几个正地闪回击的数据做了统计分析，如表2所示。分析结果发现正地闪回击的上升时间大约分布在3～20 μs之间，平均值比负地闪回击要略大一些，下降时间和半峰值宽度无明显差异。

表1 负地闪回击波形的特征参数Table 1 The characteristic parameters of the negative flashback waveform.

表2 正地闪回击波形的特征参数Table 2 The characteristic parameters of the wave response waveform

2.2 自动识别算法设计

如果要使用程序从整段波形中自动识别出回击，那么就要给出一定的标准。综合本文人工识别统计的回击波形特征参数和前人工作的结果，我们可以设定如下标准:

1）幅度值大于4 000；

2）上升时间tr在1-20 μs之间；

3）下降时间tf必然大于上升时间，并且在2.5-500 μs之间；

4）半峰值宽度tw在下降时间与上升时间之间，即tr＜tw＜tf，并且大于2.3 μs。

我们要根据以上标准用MATLAB软件实现地闪回击波形的自动识别：

1）首先要成功读取波形；

2）为了保证波形的光滑一致性，进行低通滤波处理，本文使用的仪器采样率为20 MHz，选用500 kHz作为低通滤波截止频率；

3）然后提取用来判别放电类型的特征参数：幅度值、上升时间、下降时间、半峰值宽度。先依次定位到上升沿10%、50%等关键时间位置，再提取相应的特征值。

为了测试自动识别程序的识别效果，将于2016年8月13日16时在青海地区测量到的100多个闪电波形数据依次放入程序中进行自动识别。其中一段波形的识别显示效果如图6，可以明确标出识别到的地闪回击个数和极性，同时还给出了回击滤波后的电场波形图。最终识别结果如表7所示，人工识别出57个负地闪回击和6个正地闪回击，自动识别程序识别出了52个负地闪回击和5个正地闪回击。其中，出现了一次误识别，误识别对象是一次双极性窄脉冲事件，由于双极性窄脉冲的电场波形和地闪回击极为相似，在后续的工作中，我们或许应该在识别程序中增加VHF高频波形的限制条件，以便更好地区分回击和双极性窄脉冲。但此次实验的整体识别率达到了95%以上，表现出了较好的识别效果，基本实现研究目标。

图6 2011年8月12日20时01分在青海大通地区发生的一次雷暴数据中回击的自动识别效果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 人工识别效果与程序识别效果对比Table 3 Comparison between artificial recognition effect and program recognition effect

3 结语

识别闪电放电的类型是雷电探测和雷电防护中很重要的一部分，然而每个地区所使用的雷电探测系统以及闪电的波形特征都是不同的，所以判别闪电的放电类型也有各自不同的标准。本文首先分析地闪回击的低频电场波形特征，确定一些可以用来识别放电类型的特征值；然后再分析地闪回击VHF辐射波形，综合这两方面的特征来辨别闪电放电类型，用人工识别的方式来找出符合条件的地闪回击波形。本文所用的数据来自于青海地区的一次夏季雷暴，通过对于人工识别出的负地闪回击波形参数进行统计分析，得到其上升时间、下降时间、半峰值宽度的平均值分别为4.5μs，31.23μs，11.45μs。并且根据这些统计数据设计出了自动识别程序，程序识别的结果和人工识别的结果符合率达到了95%以上，也即实现了较好的自动识别。

[1] 郄秀书，张其林，袁铁，等.雷电物理学[M].北京：科学出版社，2014:1-2.

[2] UMAN M A.The art and science of lightning protection[M].Cambridge University Press.2008:3-20

[3] 弗拉迪米尔A.洛可夫，马丁A.乌曼.雷电[M].张云峰，吴建兰，译.北京：机械工业出版社，2016：85-87

[4] 崔逊.全球闪电定位系统_WWLLN_探测效率和探测精度评估[D].南京：南京信息工程大学，2013

[5]KRIDER E P，NOGGLE R C，UMAN M A，A gated，widebandmagneticdirectionfinderforlightningreturnstrokes[J].Appl.Metoer，1976，15:301-306.

[6] CASPER P W，BENT R B，Results from the LPATS USA national lightning detecting and tracking system from the 1991 lightning season[R].in Proc，21st Int.Conf.on light⁃ning protection，Berlin，339-342.

[7] FINKE U，KREYER O，Detect and locate lightning events from Geostationary Satellite observations[R].Report part I:Review of existing lightning location systems，September 2002:3-17.

[8] 郄秀书，刘欣生，张广庶，等.甘肃中川地区雷暴的地闪特征[J].气象学报，1998，56（3）:312-322.QIE Xiushu，LIU Xinsheng，ZHANG Guangshu，et al.Gan⁃su Zhongchuan area of thunderstorm characteristics of flash[J].Journal of meteorology，1998，56（3）:312-322.

[9] 董万胜，刘欣生.利用闪电宽带干涉仪系统对地闪先导—回击过程的观测研究[J].中国科学:，2002，32（1）:81-88.

DONG Wansheng，LIU Xinsheng.Using the lightning wideband interferometer system for the observation of the pilot and return process of the ground flicker[J].Chinese Science:2002，32（1）:81-88.

[10]祝宝友，陶善昌，谭涌波.伴随超强VHF辐射的闪电双极性窄脉冲初步观测[J].气象学报，2007，65（1）:124-130.

ZHU Baoyou，TAO Shanchang，TAN Yongbo.With light⁃ning bipolar super VHF radiation pulse preliminary obser⁃vation[J].Journal of meteorology，2007，65（1）:124-130.

[11]张少卿.地闪回击脉冲电磁场空间分布规律研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013.

ZHANG Shaoqing.Study on the spatial distribution of pulsed electromagnetic field of ground flashback[D].Har⁃bin:Harbin Institute of Technology，2013

[12]蒋宝忠，滕欢.雷电回击模型在雷电电磁场计算中的应用分析[J].四川电力技术，2010，33（2）:38-41.

JIANG Baozhong，TENG Huan.The application and analy⁃sis of lightning strike model in the calculation of lightning electromagnetic field[J].Sichuan electric power technolo⁃gy，2010，33（2）:38-41.

[13]ERIKSSON A J.An Improved Electrogeometric Model for Transmission Line Shielding Analysis[J].IEEE Transac⁃tions on Power Delivery，1987，2（3）:871-885.

[14]BABA Y，RAKOV V A.Lightning strikes to tall objects:Currents inferred from far electromagnetic fields versus di⁃rectly measured currents[J].Geophysical Research Letters，2007，341（19）:255-268.

[15]DALESSANDRO F，PETROV N.Field study on the inter⁃ception efficiency of lightning protection systems and com⁃parison with models[J].Proceedings of the Royal Society A Mathematical Physical&Engineering Sciences，2009，113（462）:1365-1386.