[發明專利]一種雷電回擊電磁場的近似解析表達方法

無效

• 申請號: 201210513662.X
• 申請日: 2012-11-29
• 公開（公告）號: CN103852647A
• 公開（公告）日: 2014-06-11
• 發明（設計）人: 陳亞洲;萬浩江;王曉嘉;程二威;關闖
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍軍械工程學院
• 主分類號: G01R29/08
• 分類號: G01R29/08
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明提供了一組地表雷電回擊電磁場的近似解析表達式，將雷電回擊電磁場近似表示為雷電通道底部電流與一個和距離相關因數的乘積。該方法可應用于地表雷電回擊電磁場的近似計算、雷電電磁環境模擬器的研制以及雷電回擊參數的遠距離近似評估。

背景技術

伴隨著信息技術的飛速發展，各種電子設備的電磁敏感性越來越高，地閃回擊產生的雷電電磁脈沖(LEMP)作為一種電磁敏感產品的典型危害源已引起人們的廣泛關注。由于雷電發生的偶然性很強，很難實際測量得到回擊通道周圍的雷電電磁場分布情況，較可行的方法是對雷電回擊過程進行理論建模后計算其電磁場。雷電放電模型可以劃分為氣動力學模型、電磁模型、分布電路模型和工程模型四類。其中，工程模型將縱向電流描述成高度和時間的函數，應用最為廣泛。目前，工程模型主要包括BG模型、TL模型、TCS模型、MTLL模型、MTLE模型和DU模型等。除電流的運動方向和產生方式外，不同工程模型的主要區別在于回擊電流的傳播速度和沿通道的衰減規律不同。基于這些工程模型的電磁場解析方法主要有分離變量法、保角變換法、單極子法和偶極子法等。其中，單極子技術的誤差較大而不推薦使用；通過對由偶極子理論得到的地面雷電電磁場的解析解與實測結果對比，證實偶極子方法具有很好的計算精度。因此，偶極子法在天線理論和電磁場計算中應用廣泛。

在上述對雷電回擊電磁場進行理論建模和計算的基礎上，為進一步滿足電子電器設備等電磁敏感產品在雷電電磁環境下的安全性測試需求，需要對典型的LEMP環境進行實驗室模擬，鑒于目前實驗室內的雷電浪涌模擬技術已經較為成熟，那么實現LEMP模擬的最直接方法就是建立起LEMP與雷電回擊通道底部電流之間的聯系，利用雷電浪涌模擬技術實現LEMP環境的模擬。美國Florida大學的研究人員發現并從理論上證明了LEMP遠區場與通道底部電流近似的特性，認為在一定距離內的LEMP遠區場波形可以用回擊通道底部電流波形來近似表示；并在一次人工引雷實驗中發現了電場導數與底部電流導數之間的近似特性。這就將LEMP與雷電回擊通道底部電流聯系了起來。為進一步從理論上建立地表LEMP場波形和回擊通道底部電流波形之間的關系，以TL模型為基礎，通過對由偶極子方法獲得的LEMP場進行近似處理，給出了一種利用回擊通道底部電流波形來描述地表雷電回擊電磁場的近似解析表達式，并將其作為地表LEMP近似計算和雷電電場、磁場模擬器研制的理論依據。

發明內容

本發明要解決的技術問題是建立地表雷電回擊電磁場與通道底部電流波形之間的直觀、近似聯系，解決目前雷電電磁環境模擬技術無標準可依等現實問題，為相關模擬器的研制提供一種理論依據。

為解決上述技術問題，本發明以垂直通道的雷電回擊電磁場模型為基礎，視大地為理想導電平面，通過對由偶極子法獲得的地表雷電回擊電磁場的精確解析表達式進行近似處理，剔除了在雷電回擊電磁場精確解析表達式中對底部電流函數模型選取較為敏感的電流積分項和電流微分項，建立了地表雷電回擊電磁場表達式與通道底部電流表達式之間的直觀、近似聯系，兩者表達式之間僅相差一個與距離相關的因數，具體近似表達式為：

其中，E_z、H_φ分別表示雷電回擊在地面所產生的垂直電場和角向磁場，i(0，t)表示雷電回擊通道底部電流，ε₀表示真空中的電容率，v、c分別表示雷電通道電流的回擊速度和光速，r表示雷電回擊通道與觀測點之間的水平距離。在遠場區，電場和磁場的模值之比為即遠區的雷電回擊電磁場可近似為平面波。

本發明的優點是：

1)此組雷電回擊電磁場近似解析表達式剔除了精確表達式中計算復雜而又可以忽略的電流積分項和微分項，降低了雷電回擊電磁場計算時對回擊電流函數模型的要求，大大簡化了地表LEMP的計算。

2)可以較為直觀地反映雷電回擊電磁場波形與通道底部電流波形之間的對應關系，可為實驗室雷電回擊電磁場的模擬和遠距離探測雷電回擊參數提供理論依據。

附圖說明

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作進一步詳細的說明。

圖1為垂直通道雷電回擊電磁場的計算模型。

圖2是距離回擊通道10m的距離上精確電磁場與其兩級近似的波形對比圖。

圖3是距離回擊通道50km的距離上精確電磁場與其兩級近似的波形對比圖。

具體實施方式