運用量子遺傳算法反演雷暴云電荷結構的研究

張 宇，陳加清，蘇滿堂，楊 杰（解放軍理工大學氣象海洋學院，雷電防護與電子偽裝實驗室，南京，210000）

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運用量子遺傳算法反演雷暴云電荷結構的研究

張 宇，陳加清，蘇滿堂，楊 杰
（解放軍理工大學氣象海洋學院，雷電防護與電子偽裝實驗室，南京，210000）

摘要：本文采用量子遺傳算法結合三圓盤模型對雷暴云電荷結構進行反演.結果表明：利用量子遺傳算法可以很好地對雷暴云電荷結構以及大氣電場儀和雷暴云的距離進行反演，在對電荷的反演中發現電荷結構的準確性在大氣電場儀距離雷暴云5000-6000m時達到峰值，這種方法實施僅利用地面大氣電場資料進行反演，相比于飛機穿云探測簡單方便，利用量子遺傳算法根據大氣電場儀資料就可以對雷暴云電荷結構和距離進行比較準確的反演.

關鍵詞：雷暴云電荷結構；反問題；量子遺傳算法

0　引言

雷暴帶來的閃電及其閃電帶來的電磁脈沖對人類生活造成了嚴重危害，因此對雷暴云電荷結構進行反演和定位有利于我們對其進行提前預警，對研究雷電物理及其效應也有很大幫助.利用高時空分辨率的閃電甚高頻輻射源定位來推斷參與閃電放電的云內電荷源的位置.對閃電定位的方法主要有如時間差法和門控磁脈沖定向法以及利用雷達對雷暴云進行定位，但這些方法無法反演雷暴云內部電荷結構.所以我們選取了利用地面電場觀測數據對雷暴云電荷結構進行反演的方法。

1　方法和模型

1.1量子遺傳算法

1.1.1量子編碼

在量子遺傳算法中，使用了一種新的基于量子比特的編碼方式，即用一對復數定義一個量子比特位，一個具有m個量子比特位的系統可以描述為

1.2三層帶電圓盤模型

假設雷云中典型的從上到下正負正三級荷電結構可以用相應極性的帶電圓盤來模擬.空間中的總場描述為：

不同的反演方法即確定具體的解空間搜索原則，使目標函數趨于極小值，得到模型參數的近似最優解。

3　量子遺傳算法反演驗證

利用模擬得到雷暴云電荷結構，計算出距離雷暴云m的大氣電場的值，運用計算出的值采用量子遺傳算法進行反演。

首先根據三圓盤模型，計算出大氣電場變化的值，取hp=8000m， hB=6500m， pp=0.2nC·m-3， pn=0.05nC·m-3，a=1000m， al=1000m.計算得到的地面大氣電場值的數量級在103-104V·m-1.在雷暴邊緣處第三類橢圓積分函數有奇異，我們對這部分結果進行了rlowess插值處理。

我們利用得到的結果，選取R=1000 m，R=3000 m，R=5000 m，R=7000 m時的大氣電場值利用量子遺傳算法進行反演.反演采用三層帶電圓盤模型，設遺傳代數為200。

表1　利用量子遺傳算法反演出的不用距離的參量Table 1 Parameters of the inversion of thundercloud

R（m）為雷暴云到測站之間的距離，E（V/m）表示該距離的地面大氣電場強度，分別表示利用量子遺傳算法反演出來的兩個圓盤之間的大氣電荷密度hp 、hB分別表示兩個圓盤的高度.

由上式我通過三層帶電圓盤模型我們得到圖6，圖6藍色實線表示標準值，藍色點線表示R=2000時的反演值，‘--’線表示R=4000時的反演值，綠色實線表示R=6000m時的反演值，紅色實線表示R=8000m時的反演值，由此我們可以看出由在距離6000 m的時候反演值和真實值最接近，準確性由R=6000 m，R=4000 m，R=2000 m，R=8000 m依次遞減.

4　結論

證明了雷暴云電荷結構反演的可行性和精確性.并總結得出了以下規律.

（1）三層帶電圓盤結構能夠對雷暴云電荷結構進行很好的模擬，但是存在在雷暴邊緣處第三類橢圓積分函數有奇異的問題，該問題主要通過插值法解決.

（2）量子遺傳算法能夠通過量子編碼和量子旋轉門對種群進行更新，相比于遺傳算法具有求解速度更快，解的穩定性更強，能夠跳出局部最優值等優點.

（3）在對電荷的反演中我們發現電荷結構的準確性在大氣電場儀距離雷暴云5000-6000 m時達到峰值，精確性在低于或高于5000-6000 m都開始降低.

上述結果可以應用于實際，利用大氣電場儀所得的地面電場資料，對雷暴云電荷結構進行反演，從而得到大氣電荷結構的空間分布。

參考文獻

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Research on the inversion of 3 dimension simulation of thundercloud based on quantum genetic algorithm*

Zhang Yu，Chen Jiaqing，Su Mantang，Yang Jie
（PLA Univ.of Sci.& Tech.，National Key Laboratory of Science and Technology on Electromagnetic Effects and Electro-optical Engineering，Nanjing，211101，China）

Abstract：In this paper，the quantum genetic algorithm is used to inverse the structure of thundercloud charge with the Three-level electrostatic model of thunderstorm cell，and we simulate the charge structure of thunderstorm cloud to verify the quantum genetic algorithm based on Meso-NH model.The results show that: the use of quantum genetic algorithm can inverse the thundercloud charge structure and the distance between electric-field at ground and thundercloud efficiently，this method used only electric-field data，comparing to the plane through the cloud detection this method is simple and convenient.

Keywords：thundercloud charge structure；quantum genetic algorithm；inversion