新型闪电电场变化测量仪的研究与初步应用

徐黄飞，张其林，杜赛，薛奇

（1.广东省气象探测数据中心，广东 广州510080；2.南京信息工程大学，江苏 南京210044；3.中国气象局广州热带海洋气象研究所，广东 广州510641；4.南京大桥机械有限公司，江苏 南京211101）

1 引言

闪电产生的电磁波频谱非常宽，因此探测闪电电磁波是进行闪电物理研究的重要途径。利用闪电电场变化测量仪可以探测闪电在近地面的垂直变化电场，根据电场波形就可以对闪电的特征进行分析。此外，闪电电场变化测量仪在闪电定位研究中也发挥着巨大作用，建立闪电观测网，可以对探测范围内闪电进行准确定位，对于雷暴监测预警与雷电防护的意义非常重大。因此，闪电电场变化测量仪的研究及使用很有意义。

1979年，Krehbiel等[1]最早利用平行板电容天线测量大气电场变化在天线板上感应的电荷量变化，进而获得闪电的电场变化，并提出了利用两种不同时间常数的电场变化仪来记录闪电电场变化的方法。在之后的几十年内，电场变化仪被广泛应用于自然闪电电场以及人工引雷电场的探测[2-8]。国内，刘欣生等[9]研制的场强变化仪，其探测带宽为0～5 kHz，时间常数为5s。张广庶、王怀等[10-11]分别于2002年和2004年申请了“慢电场变化测量仪”和“快电场变化测量仪”的发明专利和实用新型专利。郄秀书等[12]研制了时间常数为2 ms，带宽为10 Hz～2 MHz的闪电电场变化测量仪。2012年周壁华等[13]提出了利用一台仪器同时获取雷电电场的快变化和慢变化波形的技术方案。Rakov等以及Thottappillil等[14-17]早期发表了使用时间分辨率较高的闪电电场变化测量系统观测得到了Florida地区的正负地闪的各项特征。随后，Cooray等[18]报道了利用类似的方法得到的瑞典的闪电特征。郄秀书等[19]利用时间分辨率为微秒级别的电场变化测量系统第一次在中国高原地区对多个雷暴过程中的正地闪和负地闪特征进行了观测和统计分析。王东方等[20-21]利用闪电电场变化测量系统对大兴安岭林区地闪放电特征进行了探测和统计。王宇等[22]在大兴安岭林区利用闪电电场变化测量仪对正负地闪的预击穿过程进行了统计分析。

综上所述，闪电电场变化探测仪相关的研究很多，但是之前的探测仪中没有低通滤波电路，导致探测仪会接收到很多高频干扰，使得主要研究频段的电场波形失真，且积分电路的时间常数为2 ms左右，无法精确地反映亚微级别的闪电电场特征。所以本文对闪电电场变化测量仪进行了改进，加入了低通滤波电路，滤除了频率在5 MHz以上的信号，设定了该新型闪电电场变化测量仪的探测范围，大大减少了非探测波段信号干扰，简化了后续的数据处理。该新型闪电电场变化测量仪中积分电路时间常数降至0.1 ms，能够更加精确地反映亚微秒时间尺度的闪电电场特征，并且本文对测量仪进行了严格标定。本文利用该新型测量仪对南京地区2016年5月和6月发生的多个雷暴过程展开3站同步观测，并选取了58例含有明显预击穿的负地闪资料，并统计分析了南京地区负地闪的预击穿过程以及首次回击电场波形的特征，并将结果与国内外研究结果进行对比，以验证本文设备的可靠性。文中统计的负地闪均发生在距离测站15～40 km的范围内，这样尽量减小了超近距离探测时闪电电场波形主要为静电场分量以及超远距离时预击穿过程和回击过程电磁波衰减不一致导致对统计结果造成的影响[22]。

2 测量仪的工作原理

闪电电场变化测量仪利用与大地绝缘且水平放置的金属圆板作为电场信号接收天线。当探测范围内有闪电发生时，金属圆板周围的垂直电场发生变化，根据感应原理，金属圆板上的感应电荷也会发生相应变化，通过放大电路获取该变化的电荷信号将其转化为电压信号，就可得到闪电引起的地面附近垂直电场变化。

测量仪的基本工作原理如图1所示。A是金属圆板，R和C分别是积分电路中的电阻和电感。金属圆板通过导线与积分放大电路的输入端相连接，电荷变化将以电流信号的形式进入积分放大电路并以电压信号形式输出。如图1所示，假设金属圆板的面积为A，RC积分放大电路的电阻R和电容C跨接于放大器的输入端和输出端。在闪电垂直电场E的作用下，根据高斯定律，金属圆板上将产生感应电荷Q，Q=εA E，ε为真空介电常数。上述中因感应电荷变化而产生电流信号i流过积分电路中的电阻R和电容C时，根据积分电路公式可知：

图1 测量仪工作原理图

将i=代入式(1)得：

式(2)两边同时乘dt再除去C得：

当所考虑的放电过程持续时间dt≪R C时，由式(3)得：

根据上式(4)可得，积分放大电路的输出电压与电场变化呈线性而极性相反的关系，经过极性处理后，闪电电场变化测量仪就能够真实反映电场波形。可知，圆板天线的面积和积分电路中电容C的取值将对测量仪的信号响应能力有很大影响，天线面积越大，电容越小，测量仪灵敏度就越高。

3 测量仪的研制

3.1 新型闪电电场变化测量仪外部结构设计

根据式(4)可知，圆板天线的大小直接关系到测量仪的灵敏度，当式中电容大小固定时，天线面积越大，测量仪的灵敏度就越高，但是天线的面积却不能做得很大，因为灵敏度越高，周围环境中的干扰电场信号对闪电电场变化测量仪的影响就越大，当干扰信号大到一定程度时，幅值较小的一部分闪电信号就会被干扰信号覆盖，从而影响探测闪电电场信号。综合考虑闪电电场变化测量仪体积和观测距离，结合实验室测试后，决定将圆板天线直径设为24 cm。

因为闪电电场变化测量仪需要在雷雨天气中使用，根据式(4)可知，测量仪的输出信号与空气的介电常数ε有直接关联，而大气湿度、温度等会对ε的大小产生影响，为了保证文中闪电电场变化测量仪信号输出的稳定性和抗雨水干扰的能力，决定在天线上加上圆柱形保护罩，且针对保护罩是否会对天线探测造成影响做了实验，结果表明保护罩对新型闪电电场变化测量仪的探测性能没有影响。圆板天线上的电荷信号会通过天线底部设置的信号传送点与信号处理电路相连。圆板天线底部通过绝缘层与金属支撑杆相连。支撑杆上挂有信号电源箱，该信号电源箱做了防水处理，箱中布置有信号处理电路、开关控制电路以及交流转直流电源。所有信号的传输都采用同轴屏蔽线，经测试，该同轴屏蔽线不仅机械强度高而且信号传输中几乎没有外界电磁干扰。

图2 测量仪实物图

3.2 新型闪电电场变化测量仪内部信号处理电路设计

电路功能原理的框图如图3a所示，电路主要部分设计如图3b所示。新型闪电电场变化测量仪的信号处理电路主要分为三个模块，圆板天线接收到的电场变化信号会先经过积分放大模块，该模块的作用在闪电电场变化测量仪原理中已经具体介绍，即将信号积分放大并把电场信号转化为与其线性相关的电压信号；信号经过放大后，再经过低通滤波模块，滤波模块的作用是将不做研究的高频电场信号滤除；经过滤波后的信号进入跟随器模块，跟随器具有较大的输入阻抗以及较小的输出阻抗，可以起到承上启下的作用，减小信号传递过程中的反射和损耗，保证信号的稳定传输。此外，处理电路中还加入了供电保护设计，保证电路的供电稳定。

图3 电路原理框图(a)和电路设计图(b)

4 测量仪标定

由上式(4)和电路设计可知，理论上，经过信号处理电路的电压信号与电场变化是线性相关的，由观测得到的电压信号反演出电场信号，需要确定两者之间在频域上的数值关系，因为闪电电场变化测量仪对不同频段电场信号的响应能力是不同的，所以需要通过实验来确定输出电压与被测电场在频域上的数值关系，并绘制出两者的关系曲线——标定曲线。根据金属极板间电压公式E=V/d，在间距为d的平行金属板上施加交流电压，根据上述公式可知：平行金属板间电场的峰值为电压峰值与间距d的比值。当闪电电场变化测量仪处于变化的电场中时，将产生相应的电压信号，电压信号频率与施加的电压频率一样。所以，利用该方法得到探测范围内各频率上的输出电压与电场的数值关系。

闪电电场变化测量仪的标定实验需要信号发生器、示波器、两块直径一米的铝板（其中一块铝板中心处有一圆形空洞）、支架、规格一致的绝缘方块等。标定实验示意图如图4所示。

图4 新型闪电电场变化测量仪标定实验图

在平行铝板间施加交流电压，在频段（0 Hz～10 MHz）中选取适量采样点，按照选定采样点的频率改变施加电压的频率，同时记录下示波器上输出电压波形的频率和峰值。文中定义频率一定时电场峰值与输出电压峰值之比为两者在该频率上的关系系数。所绘出的标定曲线如图5所示，横坐标为频率，纵坐标为输出电压峰值与对应电场峰值之比。由图5可知，在低频段（10 Hz～4 kHz），频响曲线是快速单调上升的，在4 kHz～5 MHz主探测频段，频响曲线近似为一条水平线，其值保持在0.015左右，在5 MHz以后的频段，频响曲线快速下滑。标定曲线是进行电场反演不可缺少的重要部分，其优劣决定了闪电电场变化测量仪探测精度的高低。理想情况下的频响曲线在探测频段内是一条非零的水平直线，其他频段都为零，因此，在理想情况下，整个探测频段内转换系数都为一定值，所以在进行闪电电场反演时就只需要在时域内变换，即将探测得到的电压波形整体除以转换系数，就能够得到闪电电场的波形，省去了对信号做傅里叶变换和逆变换的过程。然而实际中无法做到这点，所以本文通过设计电路使得标定曲线近似“门”型，即在低频段曲线快速上升，在主要探测频段曲线近似为水平线，在超出探测带宽的高频段曲线快速下滑。在这种情况下，进行电场反演时，需要通过分析程序对得到的输出电压信号做傅里叶变换，将时域电压信号转换为频域信号，然后结合标定曲线对各个频域电压信号进行分段处理，再进行整合后得到频域的电场信号，最后将该频域电场信号进行傅里叶逆变换，才能得到时域中真实的电场波形，电场波形的获得都是通过数据分析程序结合标定曲线参数自动完成。

图5 新型闪电电场变化测量仪标定曲线

5 测量仪初步应用

2016年4 月，将新型闪电电场变化测量仪分别布置于南京信息工程大学（海拔高度约为20 m）、南京市浦口区气象局（海拔高度约为55 m）和江宁国家气候基准站（海拔高度约为39 m），探测站分布图如图6所示，以检验新型闪电电场变化测量仪的探测能力，探测设备采样频率为5 M/s。南京信息工程大学、浦口区气象局和江宁国家气候基准站的仪器处在较为开阔的平地上，附近无高大建筑或树木遮挡，观测视野开阔，远离城区，周围电场干扰也较小，是进行闪电电场同步观测的理想场所。

图6 闪电探测站分布图

2016年5月31 日，江苏地区发生了多个强雷暴过程，根据雷达资料显示，该雷暴过程于21:00（北京时，下同）在两测站的北部地区开始发展并逐渐向测站方向移动，23:00移动到两测站探测范围内，并继续向南移动，于次日03：00移出测站范围，该雷暴在测站区域内持续时间为6小时，31日21:00以前雷达回波范围较小、强度较弱，雷暴处于初始发展阶段。21:00以后，30 dBZ的回波范围不断扩大，回波中心强度在45 dBZ以上，闪电开始连续发生且闪电频数迅速增加。23:00时回波强度在35 dBZ以上的回波范围最大，回波中心强度达到了50 dBZ，这说明雷暴到达测站范围内时已经处于成熟阶段。次日02:00以后回波范围逐渐减弱并远离测站范围。

此次雷暴过程中，利用三套新型闪电电场变化测量仪获得了大量闪电同步数据。文中选出一组探测效果较好的同步数据用来反演闪电电场波形。结合标定曲线对同步数据进行处理，得到同步闪电电场波形(图7)。

图7 反演后负地闪地面电场波形

观察图7可知，反演后所得的闪电电场波形一致性极好，显然，三站反映的是同一次闪电过程。根据闪电数据时间对比2016年5月31日江苏省闪电2D定位资料可知，图6中的同步波形对应一次负地闪放电过程（118.6973°E，32.3017°N，电流峰值为-18.05 A），在南京六合区内，距离南京信息工程大学11 km左右，距离浦口区气象局站约28 km左右，距离江宁国家气候基准站约45 km左右，由于南京信息工程大学站和浦口站的建站条件比较好，都是在地面观测场中建立，而江宁站是建在较高的楼顶上，因此测得的电场会有所增强，本文中三站同步波形是没有进行高度同化订正的波形，因此图中江宁站距离此次地闪最远，但是探测得到的闪电电场幅值却显示最大，并且增强效应主要是影响波形的幅值，不影响波形的样子，因此也不影响本文中对波形参数的统计结果。负地闪放电过程一般分为预击穿过程、中间过程、梯级先导、首次回击、继后回击和回击间过程等子过程。图7负地闪电场波形中可以观察到明显的预击穿、首次回击和继后后继等过程（梯级先导过程被电场噪声所覆盖所以不是很明显）。浦口区气象局站和江宁国家气候基准站距该次负地闪过程较远，所以探测到的地闪放电电场主要以快速变化的辐射场波形为主，而南京信息工程大学站距离此次负地闪很近，所以探测到的波形以缓慢变化的静电场为主，预击穿和回击等过程的波形叠加在静电场波形上。

6 统计结果与对比分析

负地闪放电过程一般分为预击穿过程、梯级先导、首次回击、继后回击和回击间过程等子过程。利用2016年5月20日—6月20日期间的雷暴过程中，浦口站（该站探测干扰最小）闪电资料中具有明显预击穿过程的58例负地闪数据，对南京地区负地闪预击穿过程和首次回击过程的电场波形特征进行统计和对比分析。

6.1 预击穿过程特征统计结果及对比分析

预击穿过程是发生于云内的初始击穿过程。图7中预击穿过程（PBP）的拓展波形如图8所示。由图8可知首次回击前的PBP的电场波形由一系列脉冲宽度为微秒量级的双极性脉冲或单极性脉冲组成。本文中统计的预击穿过程主要参数有：(1)PBP中单个脉冲持续时间t1；(2)PBP中脉冲序列间隔时间t2，即相邻两个脉冲前半周期峰值的时间间隔；(3)PBP总持续时间t3，即PBP中首尾脉冲的前半周期峰值间隔时间。统计结果如图9所示。

图8 预击穿过程同步电场波形

图9 预击穿过程参数统计图

图9a为PBP中单个脉冲持续时间t1分布统计图，共统计200例，t1时间分布范围为6～32μs，其中分布在6～14μs之间的有60例（占30%），14～24 μs之间的有112例（占56%），24～32μs之间的有28例（占14%），算术平均值为16.9μs；图9b为PBP中脉冲序列间隔时间t2分布统计图，共统计150例，t2时间分布范围为0～500μs，其中分布在100 μs以内的有32例（占21.3%），100～250μs之间的有99例（占66%），250μs以上19例（占12.7%），算术平均值为153.2μs；图9c为PBP总持续时间t3分布统计图，共统计58例，t3时间分布范围为0～22 ms，其 中 分 布 在0～6 ms之 间 的 有46例（占79.3%），6～12 ms之间的有10例（占17.2%），12 ms以上的有2例（占3.4%），算术平均值为4.2 ms。

本文中统计得到的PBP中单个脉冲持续时间t1的算术平均值为16.9μs，是王宇等[22]在大兴安岭地区统计得到的单个脉冲持续时间8.8μs的1.9倍，是张义军等[23]在广州地区统计得到的单个脉冲持续时间21μs的80.5%，是Nag等[24]在美国弗罗里达地区统计得到的单个脉冲持续时间4.5μs的3.5倍。本文中统计得到的PBP相邻脉冲时间间隔t2算术平均值为153.2μs，是王宇等[22]在大兴安岭地区统计得到的PBP相邻脉冲时间间隔111 μs的1.4倍，是张义军等[23]在广州地区统计得到的PBP相邻脉冲时间间隔256μs的59.8%，是Nag等[24]在美国弗罗里达地区统计得到的PBP相邻脉冲时间间隔65μs的2.4倍。本文中统计得到的PBP总持续时间t3算术平均值为4.2 ms，是王宇等[22]在大兴安岭地区统计得到的PBP总持续时间4.5 ms的93.3%，是张义军[23]等在广州地区统计得到的PBP总持续时间5.1 ms的82.4%，是Nag等[24]在美国弗罗里达地区统计得到的PBP总持续时间3.4 ms的1.2倍。对比分析可知不同地区的负地闪PBP中单个脉冲持续时间t1和PBP相邻脉冲时间间隔t2存在较大差异，而负地闪PBP总持续时间t3差异不大。

6.2 首次回击特征统计结果及对比分析

图7中首次回击R1的电场拓展波形如图10所示。观察图10可知，首次回击电场波形呈现“V”型，且上升时间和下降时间都是微秒级的，本文中统计了58例负地闪首次回击10%～90%上升沿时间T1和过零时间T2，统计结果如图11所示。

图10 首次回击R1地面电场波形

图11 首次回击过程参数统计图

图11a为首次回击10%～90%上升沿时间T1的分布统计图，共统计58例，T1分布范围为1～9μs，其中分布在0～2μs之间的有7例（占12.1%），2～4 μs之间的有32例（占55.2%），4～6μs之间的有12例（占20.7%），6～8μs之间的有6例（占10.3%），8 μs以上的有1例（占1.7%），算术平均值为3.2μs；图11b为首次回击过零时间T2的分布统计图，共统计58例，T2分布范围为0～27μs，其中分布在0～2 μs之间的有4例（占6.9%），2～4μs之间的有30例（占51.7%），4～6μs之间的有15例（占25.8%），6～8μs之间的有2例（占3.4%），8μs以上的有7例（占12.1%），算术平均值为4.7μs。

本文中统计得到的首次回击10%～90%上升沿时间T1的算术平均值为3.2μs，是郄秀书等[25]在甘肃中川地区统计得到负地闪首次回击10%～90%上升沿时间4.7μs的68.1%，是王东方等[20]在大兴安岭地区统计得到的首次回击10%～90%上升沿时间1.9μs的1.7倍。本文中统计得到的首次回击过零时间T2的算术平均值为4.7μs，是郄秀书等[25]在甘肃中川地区统计得到首次回击过零时间10.2μs的46.1%，是王东方等[20]在大兴安岭地区统计得到的首次回击过零时间51μs的9%。根据对比可知，不同地区的负地闪首次回击的特征存在很大的差异，甘肃以及大兴安岭地区负地闪首次回击的持续时间相对南京地区更久，并且由于地闪电场能量主要集中在100 kHz以内，测量仪处理电路中滤波器的起始工作频率为5 MHz，因此可以排除滤波器对回击上升时间和过零时间的影响。

7 结论与讨论

本文根据电磁感应的原理，成功研制出一种探测带宽为10 Hz～5 MHz的新型闪电电场变化测量仪，利用三套测量仪对南京地区多个雷暴过程进行了实际探测，并将负地闪过程的电场波形进行统计与对比分析，得到主要结论如下。

（1）减小了积分电路中的积分常数，能够反映亚微秒时间尺度的闪电放电特征；在天线上安装了防护罩（该防护罩对探测效果没有影响），减少了因雷雨天气的降水造成的干扰。

（2）通过标定实验，确定了新型闪电电场变化测量仪的电压输出信号与闪电电场信号在频域上的数值关系。

（3）利用观测数据进行闪电电场反演，得到了一次负地闪过程的电场波形，并分析了负地闪过程中各子过程的特点，分析后证明该新型闪电电场变化仪能够准确反映出地闪中预击穿过程和回击等过程，证明该新型闪电电场变化测量仪的可靠性。

（4）统计了负地闪预击穿过程单个脉冲持续时间t1、预击穿过程脉冲序列间隔时间t2、预击穿过程总持续时间t3、首次回击10%～90%上升沿时间以及首次回击过零时间，对应的算术平均值为：16.9μs、153.2μs、4.2 ms、3.2μs和4.7μs。将统计结果与国内外的统计结果进行比较分析，发现各个地区的负地闪预击穿过程和首次回击电场波形特征存在较大差异。

本文通过新研发的闪电电场变化测量仪，对南京2016年5月和6月发生的多个雷暴过程进行了观测研究，对其中的58次负地闪过程电场波形进行了统计分析，对负地闪过程的特征有了一定的了解，但仅仅通过统计分析难以解析其物理本质，通过对比不同地区的统计结果来分析负地闪波形特征有其局限性，因为同一地区不同次雷暴过程中的负地闪特征也会存在较大差异，所以接下来需要布置更多测站以获得更多地区和时间的负地闪资料，以对负地闪波形一般特征进行统计和对比分析。