[發明專利]姿態可感知雷暴云三維電場探空儀

在審

• 申請號: 201711384294.2
• 申請日: 2017-12-20
• 公開（公告）號: CN107843775A
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發明（設計）人: 劉明遠;郄秀書;張鴻波;陸高鵬;蔣如斌;孫竹玲
• 申請（專利權）人: 中國科學院大氣物理研究所
• 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

本發明涉及一種姿態可感知雷暴云三維電場探空儀，屬于雷電探測領域，特別涉及可對雷暴云內電場強度進行穿云探測設備。

背景技術

雷暴云內部電荷分布通常被認為是三極型電荷分布結構或偶極型電荷分布結構。雷暴云底部正電荷區的分布、電荷密度都對地閃和云閃的產生起了關鍵作用，對閃電放電類型的影響也起著主導作用。雷暴云內電荷結構、電荷密度分布、及其隨雷暴過程發展的演變研究，對揭示雷電發生、發展過程物理機制有著重要的科學意義。

雷暴云電荷結構的研究一直是大氣電學領域的一個重要方向。早在20世紀初，Wilson C.T.R.和Simpson G.C.就通過遙感的手段，建立了雷暴云內垂直分布的偶極性電荷結構模型，但這種方法只能針對一次閃電放電過程所中和雷暴云內電荷等效的中心區域探測，而無法完整地探測雷暴云電荷結構。而利用氣球、火箭等運載工具攜帶電場探空傳感器，直接測量雷暴云內電場強度的穿云電場探測彌補遙感探測的不足，能夠真實直觀地反映雷暴云內的電場與電荷分布，成為雷暴電荷結構研究有效的探測手段。

現有技術的電場探空儀就是一種穿云電場探測設備，將兩個大小一致的金屬導體球對稱安裝在一個水平旋轉軸上，作為電荷傳感器，中間通過電荷積分放大電路將兩球連接。在外部的環境電場中，兩球由于極化作用產生極性相反的等量電荷，在外部電場不變的情況下旋轉兩球使得極化電荷發生轉移，通過連接兩球的電荷積分放大電路即可測量出兩球間轉移的電荷量大小。在電場環境中，電場探空儀的旋轉使球上的極化電荷轉移的大小，與電場強度以及探空儀與電場方向的夾角有關。由于現有技術三維電場探空儀，電荷傳感器是沿水平旋轉軸設置的對稱雙球，而在電場環境中，僅利用了雙球旋轉一周得到探測數據的峰值，只能測出垂直方向旋轉平面上電場強度的大小。在探空儀上升的過程中，上升氣流使探空儀自身左右搖擺或無規律的旋轉，探空儀的姿態相對于電場方向和夾角也無規律地變化，雙球電荷傳感器使得探測的電場強度信號也隨之變化，測得的電場強度產生較大的誤差，反演得到垂直電場和水平電場強度信息誤差難以修正，無法直接獲取電場的垂直和水平分量無電場的方向信息，電場數據處理結果的時間分辨率較低，不能滿足大氣電學領域雷暴電荷結構研究的需要。

以上所述的電場探空儀，由電場探空儀和地面接收演算分析系統構成，只能得到探空路徑上單一的云內電荷密度分布，不能形成一個完整雷暴云探測體系，電場數據處理結果的時間分辨率較低，無法準確、完整地揭示暴云內電荷結構、電荷密度分布、及其隨雷暴的演變過程，制約了對雷電發生、發展過程物理機制的研究。

發明內容

本發明的目的是提供一種姿態可感知雷暴云三維電場探空儀。三維電場探空儀可以探測上升過程中的姿態，在對雷暴云內電場探測的過程中，通過三軸磁場傳感器、加速度傳感器、GPS定位模塊和溫度傳感器，對地磁和重力加速度的測量，對探空儀姿態、經緯度及高度同步探測，實現探空路徑上的三維矢量電場、溫度等物理量的同步綜合探測。三維電場探空儀為一個穿云電場探測設備，結合地面數據接收分析儀，實現探空數據的無線實時回傳存儲。運用雷暴云三維電場探空資料的演算分析系統處理，對探測結果三維解算，實現雷暴云內電場的三維探測。建立雷暴云探空系統，開展三維電場探空實驗，結合地面大氣電場儀，多個三維電場探空儀分時段間隔釋放，通過時間同步，實現同一時間點地面及雷暴云內不同區域的電場同步觀測結果，建立精細的雷暴云內電荷結構模型。本發明的有益效果是：彌補了傳統電場探空儀不能直接獲取電場矢量信息、時間分辨率低的缺陷，獲取高精度、高時空分辨率的電場探測結果，實現探測路徑上三維電場探測。建立雷暴云探空系統，構成探空實驗平臺，為分析雷暴云電荷結構、電荷密度分布及其隨雷暴云發展的演變過程提供了重要的觀測資料。