闪电电场波形脉冲序列极性变化及成因

闵应昌,王彦辉，*,刘亚栎,刘银萍 ，赵果

(1.南京信息工程大学中国气象局气溶胶-云-降水重点开放实验室,南京 210044；2.中国科学院平凉陆面过程与灾害天气观测研究站，西北生态环境资源研究院公共技术服务中心，兰州 730000)

雷电是自然界的一种强烈的放电现象，放电过程中释放出很宽频谱的电磁辐射，从几十赫兹的甚低频段到几百兆赫兹的甚高频段，乃至光波和高能辐射[1-2]。随着微电子设备的广泛应用和微电子器件集成度的不断提高，雷电产生的电磁脉冲对电子、电气设备及系统造成的毁伤越来越严重。防止电磁脉冲入侵电子设备并干扰甚至损坏电子设备，不仅需要在设备端具有较好的电磁兼容设计，也需要不断提高对雷电电磁脉冲的认识。而闪电探测是我们认识闪电最基本也是最高效的途径，其中，利用闪电电场脉冲的到达时间定位闪电辐射源是目前最广泛也是最主要的闪电探测手段之一[3-6]，故对包括雷电电磁脉冲在内的电场测量问题受到了研究者们的关注[7-10]。张旭光等[11]使用电场时变率和电场变化两种天线同步观测闪电，从原理上讲这两种天线都是电场测量，但两者侧重点又不同，由于闪电的高频电磁辐射分量随频率增加而快速衰减，所以电场变化ΔE传感器难以对闪电高频辐射进行准确有效测量，相比而言，闪电时变率dE/dt传感器能够在数据采集设备有限的动态范围内更有效地响应闪电高频辐射，成为闪电电场测量的有效补充。闪电电场传感器经过不断优化改进，使得记录的电场数据更加完整，这也使得闪电定位系统的探测效率和定位精度得到了极大提升。研究闪电电磁脉冲极性、强度变化特征及原因，对闪电探测技术的提升和雷电电磁脉冲防护具有重要意义。

Zhang等[12]根据闪电电场变化特征将放电过程分为4种类型，不同放电类型的电场波形特征不同。周方聪等[13]对2008年和2011年夏季人工触发闪电回击之后的14个连续电流过程和43个分量的通道底部电流、电场变化和通道亮度进行了同步测量和分析，发现电场变化波形与通道底部电流波形有很好的对应关系。郑天雪等[14]通过人工引雷实验中，发现上行正先导头部的发展方向经历了上升、下折和再次上升3个阶段，导致地面磁场极性发生两次反转，证明了正先导发展过程中辐射出的磁场脉冲极性和正先导头部传播方向变化有关，即与正先导头部微小空间尺度放电电流的方向有关。唐国瑛等[15]分析了一次闪电通道底部电流极性两次反转的原因，认为一次闪电的正极性通道和负先导通道均连接到对地放电主通道上,分别对地转移不同极性的电荷，导致通道底部电流的极性反转，在电流极性发转之前很短时间内，出现电场脉冲极性的反转，并指出是由于负极性击穿放电向仰角增大的方向发展接连到负先导末端的正电荷聚集处,引起正电荷的短暂减少而使得电场脉冲极性由正极性变为负极性。

闪电探测网通常包含4个以上的探测站，电场极性反转现象在记录的闪电电场数据中是普遍存在的，并且不同测站出现极性反转的时刻不一样。先前的研究中，基于单站的电磁信号和光学观测结果对磁场极性反转进行分析，没有对多个测站同步电场资料的极性反转现象及其原因做出分析，对闪电电场极性变化及不同探测站极性变化时刻不同的原因尚无清晰认识。为此，利用青海雷电综合观测实验获的得宽带电场和甚高频辐射数据，结合闪电甚高频(very high frequency,VHF)辐射源的定位结果，分析闪电宽带电场脉冲极性变化的特征和原因。

1 电场波形数据采集原理及波形极性反转现象

1.1 电场信号天线原理

电场变化测量传感器的基本原理如图1所示。采用水平放置且与大地绝缘的圆形金属板作为电场信号接收天线，根据电荷感应原理，当垂直方向的电场变化时，圆板天线上会产生感应电荷，而变化的电荷将产生变化的电流，该圆板天线与积分放大电路输入端连接，将微弱的电流信号转换成电压信号，再由信号采集电路记录积分放大电路的输出电压信号。根据所获得的电压信号就可反演出对应的垂直电场信号。

如图1所示，设S为圆形金属板水平截面积，i为圆板天线连接导线上的电流，uo为积分放大电路输出电压，ε为空气介电常数。平板天线的电流变化可表示为

(1)

式(1)中：dQ为圆形金属板上的电荷变化量；dE为向下的垂直电场强度；dt为时间变化。

由基尔霍夫电流定律得

(2)

式(2)中：R1为积分放大器反馈回路的电阻；C1为积分放大器反馈回路的电容，可根据R1和C1的大小调正积分放大器的参数。

将式(1)代入式(2)得

(3)

式(3)中：E为向下的垂直电场；R为圆形金属板天线与放大器反相输入端之间的电阻，R大小不影响传感器的性能参数。

R为电阻图1 电场变化测量传感器Fig.1 Schematic diagram of electric field change sensor

由于放电过程持续时间dt≪R1C1，因此

(4)

1.2 闪电电场信号采集网络

闪电VHF辐射源定位系统[5,16]主要由VHF天线、宽带电场变化测量天线、带通滤波器、对数放大器、高速A/D数据采集卡、高精度时钟(时间精度50 ns)、处理器及数据无线传输模块组成。VHF接收系统中心频率270 MHz，带宽为6 MHz，高速A/D数据采集卡的采样率为20 MS/s，即每秒记录20 M个数据采样点，宽带电场系统带宽0～10 M。

采用和分析的数据来自在青海省大通县进行的雷电综合观测实验，如图2[16]所示，雷电综合观测实验由7个观测站组成，图2分别标出了各测站的经纬度及海拔高度，其中以明德站为中心，各测站分布半径约为8 km。其中，明德、药草、新庄、苗圃、极乐、斜沟、良教这7个测站的宽带电场变化测量系统数据采样率为20 MS/s，单次闪电数据记录时长为1.2 s。

图2 青海省大通县测站地理位置[16]Fig.2 Location of stations in Datong County,Qinghai Province[16]

1.3 电场脉冲极性反转现象

如图1所示的电场变化传感器原理，平板天线与地形成一个电容器，当平板天线接收到向下的瞬变电场时，天线上聚集负电荷，而电阻R上的电流方向如图1所示，积分放大器输出负电压，信号采集系统记录积分器输出的电压而获得负极性脉冲。闪电发生时，接连的空气击穿及长通道的电流放电，使得平板天线接收到频谱较宽的电场信号。图3为某一次地闪的宽带电场信号(信号向上变化表示垂直向上的电场分量增加)，可以看出，新庄站的电场信号中包含50 Hz工频干扰，极乐站和斜沟站存在低频干扰。为了获得较干净和平稳的电场脉冲波形，方便脉冲极性分析和闪电通道定位，使用经验模态分解(empirical mode decomposition，EMD)信号分解技术去除残差分量，再对信号进行归一化处理，归一化后每个测站的信号最大值与最小值之差为2，信号预处理过程不改变脉冲的极性和脉冲相对变化高度(即同一个测站的所有脉冲同比例缩放)，具体的数据预处理算法参考文献[5]。预处理后的7站电场波形如图4所示。

图3 一次地闪的原始电场波形Fig.3 Original electric field waveform of a cloud-to-ground flash

图4 预处理后的电场波形Fig.4 Preprocessed electric field waveform

电场脉冲极性反转的现象很常见，即从正极性脉冲反转为负极性脉冲，或从负极性脉冲反转为正极性脉冲，或正负极性脉冲交替出现。从归一化电场波形中发现，某些时段各个测站的垂直电场脉冲极性不一致，如图5所示，在41.892～41.91 s这连续的20 ms时段内，新庄与药草两个测站的电场脉冲极性是相反的。这些脉冲极性相反现象可能导致闪电定位的脉冲匹配过程出现错误或者部分电场脉冲缺失，导致了较多的闪电辐射源不能被定位出来。因此，分析脉冲极性相反的原因，寻找对应的解决方案，将会提高闪电辐射源定位的精细化程度。

图5 药草与新庄测站脉冲极性相反Fig.5 The pulse polarity of Mingde station is opposite to that of Xinzhuang station

在42.174 1～42.174 9 s时段内，明德、药草、新庄3个测站的数据饱和而没有探测到电场脉冲，苗圃、极乐、斜沟、良教4个测站距离闪电相对较远，没有出现饱和现象。如图6所示，在42.174 3～42.174 5 s时段，苗圃测站电场脉冲的极性与极乐、斜沟、良教测站的脉冲极性相反，平均脉冲间隔为6.48 μs。而该时段的前后相邻时段内，4个测站脉冲极性是一致的。将图6所示的信号分成3个时段，即42.174 1～42.174 3、42.174 3～42.174 5、42.174 5～42.174 9 s，以电场波形的脉冲向上为“正”，苗圃测站在这3个时段的极性为“负-负-正”，而极乐、斜沟、良教测站的极性变化为“负-正-正”。

如图6所示，在正负极性反转的过渡位置，电场脉冲幅度相对同一时刻其他测站的脉冲强度来说较小，甚至是与噪音相当的强度，造成部分电场脉冲的缺失。

图6 四站电场脉冲极性依次反转波形Fig.6 Phenomena of sequential reversal of the pulse polarity of the four stations electric field

2 极性反转过程定位分析

为了分析电场脉冲极性反转的原因，使用到达时差法(time-of-arrival,TOA)定位闪电通道，TOA法定位闪电通道的步骤包括数据采集、数据预处理、脉冲提取、脉冲匹配及计算辐射源位置[5]。使用出现脉冲极性反转、脉冲极性相反的宽带电场信号定位闪电通道，部分通道定位效果较差。用同一次闪电的VHF辐射信号，使用文献[5]的闪电定位算法定位出闪电通道，定位精度小于100 m。

图7为图5电场信号对应时段的VHF定位结果。可以看出，闪电辐射源的高度分布特征，垂直投影和水平投影的坐标是以明德测站为原点，表示辐射源相对于明德测站的三维位置。

562 pts、563 pts分别表示该界面显示出的辐射源数量总数为562、563个；渐变色先后顺序为蓝、青、绿、黄、红、洋红，颜色表示闪电辐射源发生的时间先后，用渐变色表示辐射源位置随时间的变化图7 对应图5电场的VHF定位结果Fig.7 VHF positioning results corresponding to the electric field in Fig.5

从图7可以看到闪电通道水平发展。图8为该通道先导过程的VHF辐射源定位结果与7个测站位置分布，图8中的通道放大窗口对应图7所示的位置。在41.906～41.908 s时间段，两站脉冲极性都为“正”，而定位结果可以看出，该时段辐射源定位结果如图7中通道折回分支(在图7中蓝色箭头所示，通道长度约200 m)所示，该时段闪电通道朝着东北方向发展，同时靠近新庄和药草测站，因此两个测站极性都为“正”。

在41.892～41.906 s和41.908～41.91 s两个时段，通道是向东南方向发展的，根据测站位置布局和定位结果，闪电通道头部与药草测站的距离逐渐减小，逐渐靠近药草测站，电场极性为“正”。相反，这两个时段闪电发展的头部逐渐远离新庄测站，因此，新庄测站的电场极性为“负”。

图8所示的通道在后续出现了K过程放电，而图6所示的脉冲是该次K过程放电的部分宽带电场波形，图9为这次K过程的宽带电场脉冲，持续时间约8 ms。使用与图9宽带电场相同时段的VHF辐射信号定位闪电通道，定位结果如图10所示，通道长度约8 km，通道发展的二维平均速度约1×106m/s，这与孙竹玲等[17]和曹冬杰等[18]的研究结果相同量级。

图8 闪电通道与7个探测站方位Fig.8 Lightning channel and seven detection station

图9 一次K过程的电场变化(包含图6所示波形)Fig.9 Electric field change of a K-process (including the waveform shown in Fig.6)

图10 一次K过程VHF定位结果Fig.10 VHF positioning result of the K-process

图10放大了图6电场对应的闪电通道，可以看到，通道先是有一个顺时针的转向，良教、斜沟、极乐、药草这4个测站的电场脉冲依次出现极性反转现象，根据测站布局可以发现这4个测站围绕通道所在位置也是顺时针排列的。

结合闪电VHF定位结果和测站布局可以发现，闪电头部发展方向在顺时针旋转时，良教测站最先出现由负到正的脉冲极性反转，苗圃最晚出现脉冲极性反转，这与图6的宽带电场脉冲信号一致，再一次证明了电场极性反转是闪电发展头部到测站的距离趋势变化导致的，负先导头部靠近测站则电场脉冲极性为正，电场垂直向上的分量增加，头部远离测站则脉冲极性为负。电场垂直向上的分量减小。

定位分析两次电场脉冲极性反转的通道位置，如图11所示，两次脉冲极性反转对应的通道位置重合(箭头指向的位置)，再次证实了闪电通道的位置和转向导致测站所在位置的垂直电场极性变化。在闪电发展过程中，通道头部远离某个测站的同时，可能是靠近其他测站的，这会导致同一个闪电探测网络中不同探测站接收到的垂直电场极性不同。通道发展方向改变，由靠近测站的趋势变为远离测站的趋势，或者由远离测站的趋势变为靠近测站的趋势时，测站所在位置的垂直电场极性发生变化，由于测站方位的不同，各个测站出现极性反转的时刻也不同。

1 370 pts表示两次放电过程总共定位出1 370个闪电辐射源，渐变色先后顺序为蓝、青、绿、黄、红、洋红，颜色表示闪电辐射源发生的时间先后，用渐变色表示辐射源位置随时间的变化图11 两次电场极性反转的通道位置Fig.11 Position of the channel where the polarity of the electric fields reversed twice

3 极性反转造成的定位问题及解决方案

根据文献[19]计算电场脉冲能量的方法，利用希尔伯特变换将电场波形转换为时域上的能量波形。图12为图5电场波形希尔伯特变换后获得的能量波形，所有的脉冲都转变为了正极性，转换后的波形信号具有更高的信噪比，便于脉冲的识别和匹配。图13为图6中苗圃和极乐两站的电场波形对应的能量波形，可以看到，能量波形中的脉冲特征更明显。在图13中极乐测站在脉冲极性反转的时刻(42.174 4 s)前后，能量波形的脉冲特征同样不明显，脉冲幅度小，可能是电场变化幅度太小、电场极性不明显导致对应的能量波形脉冲特征不明显。

图12 辐射功率的精细时间波形(对应图5)Fig.12 Power spectrum waveform obtained by Hilbert transform (corresponding to Fig.5)

图13 辐射功率的精细时间波形(对应图6)Fig.13 Power spectrum waveform obtained by Hilbert transform (corresponding to Fig.6)

将电场波形转换为能量波形后，提取能量超过设定阈值的脉冲，并将其视为闪电辐射源发射出的电磁脉冲，并用相关性方法匹配相同辐射源脉冲。用相关性匹配能量波形中的脉冲，解决了多站电场脉冲极性不一致导致的脉冲匹配错误问题，从而定位出更多的辐射源点。

一次闪电的宽带电场脉冲定位结果如图14[5]所示，在闪电发展过程中，地面探测站接收的垂直电场极性发生多次极性反转，在正负极性中间的一些脉冲幅度较小甚至难以提取这部分脉冲，以及多站脉冲极性不一致带来的脉冲匹配错误问题，导致部分通道的定位结果不理想。

5 017 pts表示定位出的辐射源数量为5 017个，渐变色先后顺序为蓝、青、绿、黄、红、洋红，颜色表示闪电辐射源发生的时间先后，用渐变色表示辐射源位置随时间的变化图14 宽带电场定位结果[5]Fig.14 Positioning result using broadband electric field[5]

电场波形经过文献[5]的方法进行数据处理后，再进行希尔伯特变换获得能量波形，从能量波形中识别和匹配闪电电磁脉冲，从而实现闪电辐射源定位。基于时域能量波形的闪电定位结果如图15所示，5 472 pts表示定位出的闪电辐射源数量为5 472个，比宽带电场定位结果多455个辐射源点，定位的辐射源数量提高了9%。从定位结果来看，基于能量波形的通道定位效果更好，闪电西北方向的通道更清晰，而从闪电起始(深蓝色的点)位置向东南方向发展的通道也更加纤细。

渐变色先后顺序为蓝、青、绿、黄、红、洋红，颜色表示闪电辐射源发生的时间先后，用渐变色表示辐射源位置随时间的变化图15 基于能量波形的定位结果Fig.15 Positioning result using VHF radiation signal

4 结论

(1)详细阐明了闪电放电引起的电场变化信号的测量原理，在此基础上，利用宽带电场和甚高频辐射数据，结合闪电甚高频辐射源的定位结果，分析了闪电电场脉冲极性反转现象的特征和原因。利用宽带电场定位和甚高频辐射源定位相互补充，在获得闪电精细化三维定位基础上分析发现，闪电先导头部发展方向(或空气击穿方向)的改变，是导致地面探测站的垂直电场出现极性反转现象的可能原因。负先导头部往靠近测站的方向发展时，探测站的垂直电场脉冲极性为正极性(本文电场正极性方向是垂直向上)，负先导头部往远离测站的方向发展时，电场脉冲极性为负极性。当负先导发展方向由靠近探测站的趋势变为远离探测站的趋势，或者由远离趋势变为靠近趋势时，地面垂直电场的极性发生反转，对于不同方位的探测站，电场脉冲极性反转的时刻不同。

(2)电场极性反转的过渡时期造成部分电场脉冲的缺失，对闪电定位的结果造成了一定影响。提出了希尔伯特能量谱的解决方案，将电场波形转换为能量波形，再进行脉冲的识别和匹配，通过电场波形闪电定位和能量波形闪电定位两种结果进行比较发现，转换为能量波形再进行定位可以在一定程度上解决电场脉冲极性反转带来的定位问题，定位出的闪电通道更清晰，定位出的闪电辐射源数量提高约9%，可以获得更理想的闪电精细化定位效果。