閃電電場變化測量儀研究

周璧華，郭建明，邱 實，李炎新，朱凱鄂

解放軍理工大學，南京 210007

閃電電場變化測量儀研究

周璧華，郭建明＊，邱 實，李炎新，朱凱鄂

解放軍理工大學，南京 210007

分析了現有閃電電場變化測量儀存在的不足之處，提出了采用一臺測量儀同時獲得閃電電場快、慢變化特性的技術方案，通過對測量儀天線、電路、傳輸方式的優化，大大降低了系統的復雜程度，提高了可靠性；采用全介質光纜傳輸信號，可避免在信號傳輸過程中因電磁耦合帶來的干擾；采用系統函數逆變換反演被測電場時域特性，既可省去一套專測電場慢變化的儀器，且彌補了以往“電場慢變化測量儀”性能的不足.測量結果表明，快變化測量系統的測量帶寬為80Hz～87.5MHz.采用研制成的電場變化測量儀對自然閃電進行多次測量后，將反演運算得到的波形與實測波形對比，驗證了所提方案的可行性和技術上的先進性.

雷電電磁脈沖、電場變化測量儀，光隔離，系統函數，逆變換

1 引 言

雷電是自然界的一種強烈的放電現象，隨著微電子設備的廣泛應用和微電子器件集成度的不斷提高，雷電放電電流電磁輻射形成的雷電電磁脈沖對電子、電氣設備及系統造成的毀傷越來越嚴重，故對包括雷電電磁脈沖（Lightning Electromagnetic Pulse，LEMP）在內的電場測量問題受到了研究者們的關注［1－2］.對于雷電條件下電場的測量，可追溯到1916年Wilson設計的電場變化儀“原型”［1］.直到1960年，Kitagawa和Brook首次提出采用兩種不同時間常數的電場變化儀來記錄閃電電場的變化，這就是“快”、“慢”電場變化儀的來歷［2］.1974年Arthur A.Few在美國申請了電場變化儀專利［3］.之后的幾十年中，電場變化儀被廣泛應用于自然閃電電場以及人工引雷電場的測量［4－10］，雖經多次改進，但其基本原理和結構（見圖1、圖2）一直沿用至今［11－12］.張廣庶、王懷斌等分別于2002年2004年申請的“慢電場變化測量儀”和“快電場變化探測儀”的發明專利和實用新型專利［13－14］，雖然對快慢天線的調理電路進行了改進，提高了信噪比，展寬了頻帶，但分別對閃電電場的慢變化和快變化進行測量并未改變.時至今日，隨著高速、大容量芯片的不斷涌現及其功能的不斷提升，通過一臺儀器測量，全面獲得閃電電場慢變化和快變化的信息已有可能.另外，出于對觀測人員和設備安全等問題的考慮，電場變化測量儀的傳感部分和記錄部分一般相距較遠，其間的信號傳輸必須通過電纜，由此帶來的問題是，電纜自身及其接插件對LEMP的耦合，往往會對被測電場信號形成較強干擾.為此，本研究完成了以下工作：其一，采用一副圓形平板天線，按電場快變化測量儀設計，包括電場慢變化在內的被測真實電場信號則采用其實測波形通過系統函數反演實時獲得；其二，減小了平板天線的尺寸，去掉了支撐天線的絕緣立柱，整個電場變化測量儀集成為一扁圓狀小盒，從而使整個電場變化測量儀體積大大縮小，并穩定了影響系統靈敏度和系統函數的天線電容值；其三，信號傳輸改用光隔離系統，將電場變化測量儀輸出端的電信號通過光發射機變為光信號，經光纖傳輸至記錄設備端口處再經光接收機轉變為電信號.如此研制成的電場變化測量儀將快、慢兩種電場變化的測量融為一體，且縮小了體積，穩定了天線的電容值，便于做防水處理，信號傳輸采用光隔離技術后又避免了電纜傳輸帶來的干擾.

2 閃電電場變化測量儀的原理

閃電電場變化測量儀一般采用與電場垂直的金屬圓板作為天線，其結構和電原理圖分別如圖1、圖2所示.

圖1 傳統的閃電電場變化儀結構圖Fig.1 Traditional lightning electric field change meter structure figure

圖2 閃電電場變化測量儀電原理圖Fig.2 Principle circuit diagram of lightning electric field change meter

將面積為S的平板天線（直徑一般為300mm上下）接入負反饋放大電路中，反饋部分采用RC電路，天線的對地電容設為Ca.空氣的介電常數為ε0，當環境電場變化ΔE，由高斯定律，在圓盤表面感應產生的電荷量即為ε0ΔES.將此感應信號經調理電路（電荷放大器）處理即轉變為電壓信號，對電壓信號中的頻率分量ω而言，當滿足ω?（R·C）－1，輸出電壓變化量ΔU與外界電場強度變化量ΔE滿足式（1）［12］：

采用圖1所示電場變化測量儀即可將ΔU傳輸至信號采集和實時處理終端設備的輸入端，完成對LEMP電場的采集和實時處理.快、慢電場變化測量儀的區別僅取決于RC參數的選擇.

3 閃電電場變化測量儀的研制

光隔離LEMP電場變化測量儀測量系統框圖及實物如圖3、圖4所示，其天線為直徑120mm的金屬圓板，用來接收LEMP電場信號；調理電路由場效應管放大電路和RC積分回路組成，將天線接收的信號轉變成電壓信號；電光轉換由半導體發光二極管完成，經全介質光纜傳輸至遠端，經光電二極管及放大電路轉變為電信號后供采集接收.

圖3 閃電電場變化測量儀系統框圖Fig.3 System figure of lightning electric field change meter

圖4 閃電電場變化測量儀實物照片Fig.4 Picture of practical optical isolated meter for measuring lightning electric field change

3.1 天線Ca的設計

作為閃電電場接收天線的金屬圓板與接地的金屬圓盒上表面構成了平行板電容器，其電容值設為Ca，由圖2可見，Ca與RC電路中的C之間是串聯關系，任意時刻它們上的電荷量相等，當兩電容分別充電至Ua和U，即有：CU＝CaUa，故U＝CaUa／C；Ca的量值可按平行板電容器計算，當平行板電容器兩極板之間的距離為d，則Ca＝ε0S／d，Ua＝Ed，CaUa＝ε0SE，而U＝CaUa／C＝ε0SE／C，從而也可導出與式（1）相一致的結果.可見，Ca的大小將直接影響測量系統的靈敏度，Ca／C值越大，系統靈敏度就越高.同時，測量系統的準確度在很大程度上取決于Ca值的穩定性，諸如大氣濕度、天線與接地平面間的距離等環境因素均會影響Ca值的大小.

若將該電場變化測量儀看作一個線性時不變系統，其系統函數可用式（2）表示：

由式（2）還可看出，Ca的大小將直接影響本測量系統的系統函數，從而影響測量結果.考慮到傳統閃電快、慢電場變化測量儀的平板天線尺寸較大，與地面間的距離受地面平整度及平行情況的影響，Ca的數值具有一定的不確定性，由此形成的誤差不可忽視甚至是嚴重的.固定Ca，即穩定了系統函數，故將本電場變化測量儀調理電路的金屬屏蔽外殼設計為扁圓柱形，利用其上表面作為電容Ca的一個電極，Ca的另一電極則為圓板天線，兩電極面積相等，如圖4所示.采用專門設計的剛性連接頭的芯線與圓板天線相連接，穩定可靠的結構加上周到的防水、防潮處理，可確保Ca值穩定，從而提高了系統的穩定性.

3.2 調理電路及信號傳輸設計

（1）調理電路部分.傳統電場變化測量儀分別設計為快、慢兩種，電場快變化測量儀主要考慮采集速度對外電場快變化部分的響應，而電場慢變化測量儀則主要考慮對低頻電場大幅度變化的適應，需要將增益設計成寬量程的.這涉及到RC電路參數的設計，主要是C值的確定.按電場快變化測量儀的設計思路確定C值，測量結果采用系統函數反演，便可得出包括電場慢變化特性在內的被測電場全部時域特性.

放大電路選用場效應管放大器，其噪聲低，同時供電電壓較低，采用體積小的鋰電池供電，既可擺脫對交流供電的依賴，降低設備的復雜程度，且可避免工頻干擾.

（2）電光－光電轉換部分.由一組電光－光電轉換器件完成，選用低噪聲、線性度好且頻帶寬的半導體發光器件，即可將放大電路輸出的電壓變化轉化為光強度的變化，實現電光轉換.與此相配套的光電轉換器件置于光纖的對應端，其輸出經適當放大即可滿足信號采集的需求.

3.3 系統防水處理

本系統要在雷雨環境中使用，故對設備必須進行防水處理.將閃電電場變化測量儀放入全封閉的塑料罩中，只在罩的側面留有光纜的過孔，在雷雨環境中實際使用的效果表明防雨效果良好，經實際測量對比驗證，防水罩的使用并沒有對測量波形造成影響.

3.4 真實電場信號的求解

由所測電場快變化信號反演求解電場真實信號（含慢變化）的系統設計：記所測快變化信號為uf（t），其頻譜函數為Uf（ω），系統函數為（ω），則由電場快變化測試結果求解被測真實電場時域特性的運算程序如圖5所示［15］.

圖5 由快天線測試數據反演外場被測信號運算流程Fig.5 Flow process diagram for inversing fast antenna data to the measured electric field signal

由測得的電壓信號uf（t）經傅里葉變換得出Uf（ω），由式（2），可得對輸出電場頻域特性進行逆變換的算式為［16］

于是，由電場快變化測試結果求解真實電場時域特性的表達式如下［16］：

采用系統函數逆變換求解包括慢變化在內的真實電場時域特性，免除了多用一臺電場慢變化測量儀進行測量帶來的麻煩，這對閃電電場的測量無疑具有十分重要的意義.因為閃電電場慢變化測量儀所測信號的頻率下限為幾赫茲，這就意味著電場慢變化測量儀的時間常數必須設計為秒級，系統的時間常數是由RC確定的，而R電阻值的提高受到環境濕度的限制，一般只能通過提高C的電容值來增加系統的時間常數.根據式（1），C值增加勢必降低系統的靈敏度，即系統靈敏度與帶寬是一對矛盾，故在系統設計時無法同時滿足高靈敏度與寬帶寬的要求.采用所測電場快變化信號反演求解電場真實信號（含慢變化）的系統設計克服了這一技術難點.

4 閃電電場變化測量儀的幅頻響應

閃電電場變化測量儀的幅頻響應包括高頻響應和低頻響應，其低頻響應根據測量儀的放電時間常數即可確定，而高頻響應必須直接測量.本文采用方波發生器、TEM傳輸室和數字示波器組成的時域標定系統，對閃電電場快變化測量儀的脈沖響應進行了測試，結果表明，閃電電場快變化測量儀的上截止頻率為87.5MHz.同時，根據快變化測量儀的RC放電時間常數計算得出的下截止頻率為80Hz，故可確定閃電電場快變化測量儀的響應頻帶為80Hz～87.5MHz.

4.1 系統高頻響應測試

測量系統高頻響應的時域標定系統如圖6a所示，TEM傳輸室的外形見圖6b，電場儀高度為0.125m，置于高0.5m的工作空間；TEM傳輸室的輸入端接ENS－24XA型方波脈沖發生器；輸出端通過匹配負載和衰減器與Agilent9000數字示波器輸入端相接，用以監測TEM傳輸室內的電場波形.衰減器的輸出與電場儀的測量信號由示波器同步記錄.示波器模擬帶寬為4GHz，由示波器測得的TEM傳輸室工作空間的方波波形如圖7a所示，其上升時間tr＜1ns，脈寬tw＝1μs；示波器測得的閃電電場快變化測量儀輸出波形見圖7b.將圖7b中方波的上升沿展開，得到的波形見圖8a，圖中所顯示的上升時間tr≈4ns，由該圖估計閃電電場快變化測量儀高頻截止頻率：fh＝0.35／tr＝0.35／4ns＝87.5MHz.為進一步得到系統的頻率響應，分別對圖7a、圖7b所示激勵信號和響應信號做傅里葉變換然后相除，得到系統的幅頻響應：

圖6 系統高頻響應測試圖（a）測量系統示意圖；（b）TEM傳輸室照片.Fig.6 Test of high frequency response（a）Test system figure；（b）TEM cell photo.

圖7 測量系統高頻響應時域測量結果（a）方波發生器輸出波形；（b）閃電電場快變化測量儀輸出波形.Fig.7 Time measured waveform of system high frequency response（a）Waveform of square wave；（b）Waveform of output of Lightning Electric Field Change Meter.

圖8 系統高頻響應圖（a）圖7b的上升沿部分；（b）閃電電場快變化測量儀的系統響應.Fig.8 High frequency response of the system（a）Rising edge of Fig.7b；（b）System response of Lightning Electric Field Change Meter.

其中，X7a（f）、Y7b（f）分別為激勵和響應信號的頻譜.H（f）的特性如圖8b所示，由圖可見，閃電電場快變化測量儀在10MHz內具有平滑的頻率響應.

4.2 系統的低頻響應計算

閃電電場變化測量儀的低頻截止頻率由階躍信號的放電時間常數τ確定.在放電時間常數τ確定的情況下，對應－3dB低頻截止頻率f＝1／（2πτ）.閃電電場快變化測量儀、慢變化測量儀的RC放電時間常數分別為2ms和5s.根據計算得出的下截止頻率分別為80Hz和0.032Hz.故可確定，閃電電場快變化測量儀的－3dB帶寬為80Hz～87.5MHz.

5 閃電電場變化測量儀的實際應用

2010年9月3日和2010年8月24日在南京發生3次雷暴過程，采用上述研制成功的閃電電場變化測量儀及電場慢變化測量儀同時進行了測量（時間常數分別為2ms和5s），測得大量波形，從中取出兩組列于圖9.并采用電場快變化波形數據經系統函數逆變換求解得出被測電場時域特性，進而得出電場慢變化波形，將其一并列出以便與實測慢變化電場波形進行比較.

圖9a為實測電場快變化波形，圖9b為實測電場慢變化波形，圖9c為根據電場快變化波形反演得出的電場慢變化波形.由圖可見，圖9c與圖9b中的波形一致性很好.

通過仔細對比發現，實測的電場慢變化波形與反演后得到的波形區別僅在于：在波形的尾部或是兩次回擊時間間隔較長（200ms以上）情況下，實測波形較之反演后所得波形有下降趨勢，原因在于：電場慢變化測量儀所設計的時間常數雖然很長，但在實際測量中電容器所充電荷仍會放電，無法在無外信號輸入的情況下長時間保持電容上的電荷不發生變化，而通過反演進而得出的電場慢波形就不存在這個問題了，故能真實反映實際電場的慢變化，即電荷的變化情況.可見，采用一套電場變化測量儀對閃電電場進行測量，然后通過系統函數逆變換反演還原電場并得出慢變化信號，不僅可完成快、慢兩套電場變化測量儀的全部功能，而且能夠更加真實地反映電場的慢變化情況，性能更優.

圖9 兩次閃電實測及反演后得出的地面垂直電場慢變化波形對比（a1，b1，c1）2010－09－03 13∶23∶00地閃實測及反演后所得電場慢變化波形；（a2，b2，c2）2010－08－24 20∶10∶10云閃實測及反演后所得電場慢變化波形.（a1，a2）實測電場快變化波形；（b1，b2）實測電場慢變化波形；（c1，c2）反演電場慢變化波形.Fig.9 Comparison of the measured and the calculated waveforms of two LEMP vertical electric fields on the earth（a1，b1，c1）2010－09－03 13∶23∶00measured and calculated waveform of LEMP vertical electric field of CG lightning on the earth；（a2，b2，c2）2010－08－24 20∶10∶10measured and calculated waveform of LEMP vertical electric field of CC lightning on the earth.（a1，a2）Measured electric field fast change waveform；（b1，b2）Measured electric field slow change waveform；（c1，c2）Calculated electric field slow change waveform.

6 結 論

本文分析了現有閃電電場變化儀的不足之處，

提出了采用一臺閃電電場變化測量儀同時獲得閃電電場快、慢變化特性的方案，并研制成功一種新型閃電電場變化測量儀.該測量儀通過對天線、電路、傳輸方式的優化，大大降低了系統的復雜程度，提高了可靠性，可以在惡劣的天氣環境中工作，是一種理想的閃電電場測量系統.由于采用全介質光纜傳輸信號，從而避免了在信號傳輸過程中由于電磁耦合帶來的干擾；采用系統函數逆變換反演，進而得出電場慢變化特性，不僅省去了一套專測電場慢變化的儀器，而且彌補了以往“慢電場變化測量儀”性能的不足.通過對自然雷的多次測量，獲得地閃和云閃的一系列地面垂直電場快、慢變化波形，將實測快變化波形經運算得出電場慢變化波形，與實測慢變化波形進行比較，二者的一致性非常好，證實了所提出的采用一套閃電電場變化測量儀獲得閃電電場快慢變化時域特性的可行性和技術上的先進性，為閃電電場測量和研究提供了嶄新的技術手段.

（References）

［1］ Wilson C T R.On some determinations of the sign and magnitude of electric discharges in lightning flashes.Proc.R.Soc.Lond.A，1916，92（644）：555－574.

［2］ Kitagawa N，Brook M.A comparison of intracloud and cloudto－ground lightning discharges.J.Geophys.Res.，1960，65（4）：1189－1201.

［3］ Electrical Field Change Meter.Arthur A Few.Int.Cl.2G01R31／02.United States.3，919，636.Apr.29.1974.

［4］ Villanueva Y，Rakov V A，Uman M A，et al.Microsecondscale electric field pulses in cloud lightning discharges.J.Geophys.Res.，1994，99（D7）：14353－14360.

［5］ Heidler F，Hopf C.Measurement results of the electric fields in cloud－to－ground lightning in nearby Munich，Germany.IEEE Trans.Electromag.Compat.，1998，40（4）：436－443.

［6］ 張義軍，董萬勝，張廣庶等.空中人工引發雷電先導過程的特征分析.地球物理學報，2003，46（4）：446－449.Zhang Y J，Dong W S，Zhang G S，et al.Characteristics of the leading processes to the artificial induced lightning in the air.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2003，46（4）：446－449.

［7］ Jerauld J，Rakov V A，Uman M A，et al.Multiple－station measurements of electric and magnetic fields due to natural lightning.Proc.Int.Conf.on Lightning and Static Elec.（ICOLSE），Blackpool，United Kingdom.2003.

［8］ Jerauld J E.Properties of natural cloud－to－ground lightning inferred from multiple－station measurements of close electric and magnetic fields and field derivatives［Ph.D.thesis］.Florida：University of Florida，2007.

［9］ Shao X，Stanley M，Regan A，et al.Total lightning observations with the new and improved Los Alamos Sferic Array（LASA）.Journal of Atmospheric and Oceanic Technology，2006，23（10）：1273－1288.

［10］ Parker N G，Krider E P.A portable，PC－based system for making optical and electromagnetic measurements of lightning.Journal of Applied Meteorology，2003，42（6）：739－751.

［11］ Golde R H.Lightning：vol 1，Physics of Lightning，vol 2，Lightning Protection.New York：Academic Press，1977：351－375.

［12］ Macgorman D R，Rust W D.The Electrical Nature of Storms.New York：Oxford University Press，1998：105－145.

［13］ 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所.閃電慢電場變化測量儀.發明人：王懷斌，劉欣生，郄秀書等.Int.C17：G01R 29／00G01R29／12中國專利.CN 2488071Y.2002－4－24.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of Chinese Academy of Sciences.Slow Electric Field Change Meter（in Chinese）.Inventers：Wang H B，Liu X S，Qie X S，et al.Int.C17：G01R29／00G01R 29／12.Chinese Patent.CN 2488071Y.Apr.24.2002.

［14］ 中國科學院寒區旱區環境與工程研究所.快電場變化探測儀.發明人：張廣庶，王懷斌，郄秀書等.Int.C17：G01R 29／00G01W1／00.中國專利CN 1488949A.2004－04－14.Cold and Arid Regions Environmental and Engineering Research Institute of Chinese Academy of Sciences.Fast Electric Field Change Meter（in Chinese）.Inventers：Zhang G S，Wang H B，Qie X S，et al.Int.C17：G01R29／00 G01W1／00.Chinese patent.CN 1488949A.April.14.2004.

［15］ Ljung L.System Identification Theory for the User，Second Edition.Beijing：Tsinghua University Press，2002：79－127.

［16］ 邱實，周璧華，郭建明等.閃電電場測量研究.電波科學學報，2011，26（1）：79－83.Qiu S，Zhou B H，Guo J M，et al.Measurement of lightning electric field changes.Chinese Journal of Radio Science（in Chinese），2011，26（1）：79－83.

Research of the lightning electric field change meter

ZHOU Bi－Hua，GUO Jian－Ming＊，QIU Shi，LI Yan－Xin，ZHU Kai－E
PLA University of Science and Technology，Nanjing210007，China

Some disadvantages of the existing lightning electric field change meter are analyzed.Brand new concept of using one set of lightning electric field change meter to get both the slow and fast changes information of the lightning is provided.By optimizing the antenna，the circuit and the transmission method，the instrument is greatly simplified while the stability is improved.Fiber is used to transmit the signal to avoid the electromagnetic interference during the transmission process.System function is used to figure out the total change waveform of the lightning，so a single set of instrument could replace the traditional‘fast’and‘slow’antennas.Moreover，it avoids some flaws of the‘slow’antenna.Calibration experiment shows that the bandwidth of the new system is 80Hz～87.5MHz.The new instrument has been used to measure the electric field change of the natural lightning.The feasibility of the concept and the advantages of the technique are proved by the comparison between the calculated waveform and the measured waveforms.

LEMP，Electric－field change meter，Optical isolation，System function，Inverse transform

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.006

P427

2011－02－25，2011－09－26收修定稿

國家自然科學基金項目（60971063）資助.

周璧華，女，1940年9月生，1965年畢業于北京郵電學院，教授、博士生導師，主要研究方向為高功率電磁環境及其防護.

E－mail：s－zbh＠163.net

＊通訊作者郭建明，男，1982年8月生，解放軍理工大學電磁環境效應及光電工程國家級重點實驗室碩士研究生，主要研究方向雷電預警與防護.E－mail：gjm162＠163.com

周璧華，郭建明，邱實等.閃電電場變化測量儀研究.地球物理學報，2012，55（4）：1114－1120，

10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.006.

Zhou B H，Guo J M，Qiu S，et al.Research of the lightning electric field change meter.Chinese J.Geophys.（in Chinese），2012，55（4）：1114－1120，doi：10.6038／j.issn.0001－5733.2012.04.006.

（本文編輯 何 燕）