[發明專利]一種閃電電磁脈沖峰值電流的計算方法

在審

• 申請號: 201911010987.4
• 申請日: 2019-10-22
• 公開（公告）號: CN110672908A
• 公開（公告）日: 2020-01-10
• 發明（設計）人: 渠曉東;王濤;朱萬華;劉小軍;方廣有
• 申請（專利權）人: 中國科學院電子學研究所
• 主分類號: G01R19/04
• 分類號: G01R19/04;G01R29/08
• 代理公司: 11021 中科專利商標代理有限責任公司
• 代理人: 吳夢圓

一種閃電電磁脈沖峰值電流計算方法，該方法包括：對電場傳感器采集的閃電電磁脈沖信號進行預處理，得到對應的電場信號；建立傳播模型，根據得到的電場信號計算歸到地波范圍內的場強；根據計算出的歸到地波范圍內的場強計算得到距離歸一化電場強度：根據峰值電流和歸一化電場強度之間的對應關系計算峰值電流。本發明提出的閃電電磁脈沖峰值電流計算方法，建立傳播模型，將電場傳感器采集的閃電電磁脈沖信號計算歸到地波范圍內的場強，綜合考慮“地?電離層波導”的傳播效應及閃電電磁脈沖信號的傳輸線模型，可實現遠距離閃電電磁脈沖峰值電流的計算。

技術領域

本發明涉及閃電電磁脈沖探測領域，尤其涉及一種根據探測站處的峰值電場信號計算閃電電磁脈沖峰值電流的算法。

背景技術

閃電是自然界中發生的一種強烈的大氣放電現象，地球上每秒鐘發生大量的雷電事件(尤其在多雨的雷暴區域)，造成大量的人員傷亡和財產損失。在雷暴形成過程中，云層中積累大量的正負電荷，形成正負電荷區。當正負電荷區產生的電場擊穿空氣時，產生閃電電磁脈沖(LEMP)。LEMP信號的頻帶很寬，主要能量集中在甚低頻頻段(VLF，3kHz～30kHz)，并以地波及天波方式在“地-電離層波導”中傳播。當傳播距離較近時，電磁脈沖探測設備接收到的信號以地波信號為主；當傳播距離較遠時，信號以電離層反射的天波為主，且衰減較小。

傳統的閃電電磁觀測系統中大部分不反演計算閃電的峰值電流幅度，或者僅能估算探測距離小于600公里范圍內(僅考慮地波信號)的閃電電磁脈沖事件。在全國范圍內部署四個電磁脈沖探測站，構成超長基線電磁脈沖陣，該陣能夠實時監控全國范圍內的強雷暴事件并對事件進行定位。在探測站處，電磁脈沖信號中包含了脈沖源的電流強度、大地電導率、電離層的反射系數等信息。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：傳統的閃電電磁觀測系統中大部分不反演計算閃電的峰值電流幅度，或者僅能估算探測距離小于600公里范圍內的閃電電磁脈沖事件，不能實現對遠距離LEMP事件的峰值電流的估算的問題。

(二)技術方案

本發明提供了一種適用于超長基線電磁脈沖探測陣的閃電電磁脈沖峰值電流計算方法，能夠估計遠距離LEMP事件的峰值電流。該算法包括：

步驟A：對電場傳感器采集的閃電電磁脈沖信號進行預處理，得到對應的電場信號；

其中，對電場傳感器采集的閃電電磁脈沖信號進行預處理，得到對應的電場信號，包括：

對采集的閃電電磁脈沖信號進行濾波操作；

濾波后的閃電電磁脈沖信號進行增益校正；

對增益校正后的閃電電磁脈沖信號進行去標定，去除探測系統的幅頻響應及相頻響應，得到電場信號，完成預處理操作。

步驟B：建立傳播模型，根據得到的電場信號計算歸到地波范圍內的場強；

“地-電離層波導”中，探測站接收到的LEMP信號可以看做地波和各階天波之和。根據“地-電離層波導”的波導模理論及波跳理論，傳輸路徑傳遞函數與傳播距離、頻率、大地電導率、電離層反射系數與天線割背因子等相關。因此，可以建立傳播模型，求解“地-電離層波導”的傳播函數，將遠距離的LEMP信號強度歸到地波范圍內的場強；

步驟C：根據計算出的歸到地波范圍內的場強計算得到距離歸一化電場強度：

根據計算出的歸到地波范圍內的場強計算得到距離歸一化電場強度采用以下公式實現：

其中，RNSS表示距離歸一化電場強度，r為探測距離，I為歸一化參考距離：I＝100km，SS為原始信號強度，p是衰減常數：p＝1.13，A是常數且A＝10⁵km或者p＝1，A＝1000km，C為常數。