閃電電場波形脈沖序列極性變化及成因

閔應昌,王彥輝，*,劉亞櫟,劉銀萍 ，趙果

(1.南京信息工程大學中國氣象局氣溶膠-云-降水重點開放實驗室,南京 210044；2.中國科學院平涼陸面過程與災害天氣觀測研究站，西北生態環境資源研究院公共技術服務中心，蘭州 730000)

雷電是自然界的一種強烈的放電現象，放電過程中釋放出很寬頻譜的電磁輻射，從幾十赫茲的甚低頻段到幾百兆赫茲的甚高頻段，乃至光波和高能輻射[1-2]。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，雷電產生的電磁脈沖對電子、電氣設備及系統造成的毀傷越來越嚴重。防止電磁脈沖入侵電子設備并干擾甚至損壞電子設備，不僅需要在設備端具有較好的電磁兼容設計，也需要不斷提高對雷電電磁脈沖的認識。而閃電探測是我們認識閃電最基本也是最高效的途徑，其中，利用閃電電場脈沖的到達時間定位閃電輻射源是目前最廣泛也是最主要的閃電探測手段之一[3-6]，故對包括雷電電磁脈沖在內的電場測量問題受到了研究者們的關注[7-10]。張旭光等[11]使用電場時變率和電場變化兩種天線同步觀測閃電，從原理上講這兩種天線都是電場測量，但兩者側重點又不同，由于閃電的高頻電磁輻射分量隨頻率增加而快速衰減，所以電場變化ΔE傳感器難以對閃電高頻輻射進行準確有效測量，相比而言，閃電時變率dE/dt傳感器能夠在數據采集設備有限的動態范圍內更有效地響應閃電高頻輻射，成為閃電電場測量的有效補充。閃電電場傳感器經過不斷優化改進，使得記錄的電場數據更加完整，這也使得閃電定位系統的探測效率和定位精度得到了極大提升。研究閃電電磁脈沖極性、強度變化特征及原因，對閃電探測技術的提升和雷電電磁脈沖防護具有重要意義。

Zhang等[12]根據閃電電場變化特征將放電過程分為4種類型，不同放電類型的電場波形特征不同。周方聰等[13]對2008年和2011年夏季人工觸發閃電回擊之后的14個連續電流過程和43個分量的通道底部電流、電場變化和通道亮度進行了同步測量和分析，發現電場變化波形與通道底部電流波形有很好的對應關系。鄭天雪等[14]通過人工引雷實驗中，發現上行正先導頭部的發展方向經歷了上升、下折和再次上升3個階段，導致地面磁場極性發生兩次反轉，證明了正先導發展過程中輻射出的磁場脈沖極性和正先導頭部傳播方向變化有關，即與正先導頭部微小空間尺度放電電流的方向有關。唐國瑛等[15]分析了一次閃電通道底部電流極性兩次反轉的原因，認為一次閃電的正極性通道和負先導通道均連接到對地放電主通道上,分別對地轉移不同極性的電荷，導致通道底部電流的極性反轉，在電流極性發轉之前很短時間內，出現電場脈沖極性的反轉，并指出是由于負極性擊穿放電向仰角增大的方向發展接連到負先導末端的正電荷聚集處,引起正電荷的短暫減少而使得電場脈沖極性由正極性變為負極性。

閃電探測網通常包含4個以上的探測站，電場極性反轉現象在記錄的閃電電場數據中是普遍存在的，并且不同測站出現極性反轉的時刻不一樣。先前的研究中，基于單站的電磁信號和光學觀測結果對磁場極性反轉進行分析，沒有對多個測站同步電場資料的極性反轉現象及其原因做出分析，對閃電電場極性變化及不同探測站極性變化時刻不同的原因尚無清晰認識。為此，利用青海雷電綜合觀測實驗獲的得寬帶電場和甚高頻輻射數據，結合閃電甚高頻(very high frequency,VHF)輻射源的定位結果，分析閃電寬帶電場脈沖極性變化的特征和原因。

1 電場波形數據采集原理及波形極性反轉現象

1.1 電場信號天線原理

電場變化測量傳感器的基本原理如圖1所示。采用水平放置且與大地絕緣的圓形金屬板作為電場信號接收天線，根據電荷感應原理，當垂直方向的電場變化時，圓板天線上會產生感應電荷，而變化的電荷將產生變化的電流，該圓板天線與積分放大電路輸入端連接，將微弱的電流信號轉換成電壓信號，再由信號采集電路記錄積分放大電路的輸出電壓信號。根據所獲得的電壓信號就可反演出對應的垂直電場信號。

如圖1所示，設S為圓形金屬板水平截面積，i為圓板天線連接導線上的電流，uo為積分放大電路輸出電壓，ε為空氣介電常數。平板天線的電流變化可表示為

(1)

式(1)中：dQ為圓形金屬板上的電荷變化量；dE為向下的垂直電場強度；dt為時間變化。

由基爾霍夫電流定律得

(2)

式(2)中：R1為積分放大器反饋回路的電阻；C1為積分放大器反饋回路的電容，可根據R1和C1的大小調正積分放大器的參數。

將式(1)代入式(2)得

(3)

式(3)中：E為向下的垂直電場；R為圓形金屬板天線與放大器反相輸入端之間的電阻，R大小不影響傳感器的性能參數。

R為電阻圖1 電場變化測量傳感器Fig.1 Schematic diagram of electric field change sensor

由于放電過程持續時間dt?R1C1，因此

(4)

1.2 閃電電場信號采集網絡

閃電VHF輻射源定位系統[5,16]主要由VHF天線、寬帶電場變化測量天線、帶通濾波器、對數放大器、高速A/D數據采集卡、高精度時鐘(時間精度50 ns)、處理器及數據無線傳輸模塊組成。VHF接收系統中心頻率270 MHz，帶寬為6 MHz，高速A/D數據采集卡的采樣率為20 MS/s，即每秒記錄20 M個數據采樣點，寬帶電場系統帶寬0～10 M。

采用和分析的數據來自在青海省大通縣進行的雷電綜合觀測實驗，如圖2[16]所示，雷電綜合觀測實驗由7個觀測站組成，圖2分別標出了各測站的經緯度及海拔高度，其中以明德站為中心，各測站分布半徑約為8 km。其中，明德、藥草、新莊、苗圃、極樂、斜溝、良教這7個測站的寬帶電場變化測量系統數據采樣率為20 MS/s，單次閃電數據記錄時長為1.2 s。

圖2 青海省大通縣測站地理位置[16]Fig.2 Location of stations in Datong County,Qinghai Province[16]

1.3 電場脈沖極性反轉現象

如圖1所示的電場變化傳感器原理，平板天線與地形成一個電容器，當平板天線接收到向下的瞬變電場時，天線上聚集負電荷，而電阻R上的電流方向如圖1所示，積分放大器輸出負電壓，信號采集系統記錄積分器輸出的電壓而獲得負極性脈沖。閃電發生時，接連的空氣擊穿及長通道的電流放電，使得平板天線接收到頻譜較寬的電場信號。圖3為某一次地閃的寬帶電場信號(信號向上變化表示垂直向上的電場分量增加)，可以看出，新莊站的電場信號中包含50 Hz工頻干擾，極樂站和斜溝站存在低頻干擾。為了獲得較干凈和平穩的電場脈沖波形，方便脈沖極性分析和閃電通道定位，使用經驗模態分解(empirical mode decomposition，EMD)信號分解技術去除殘差分量，再對信號進行歸一化處理，歸一化后每個測站的信號最大值與最小值之差為2，信號預處理過程不改變脈沖的極性和脈沖相對變化高度(即同一個測站的所有脈沖同比例縮放)，具體的數據預處理算法參考文獻[5]。預處理后的7站電場波形如圖4所示。

圖3 一次地閃的原始電場波形Fig.3 Original electric field waveform of a cloud-to-ground flash

圖4 預處理后的電場波形Fig.4 Preprocessed electric field waveform

電場脈沖極性反轉的現象很常見，即從正極性脈沖反轉為負極性脈沖，或從負極性脈沖反轉為正極性脈沖，或正負極性脈沖交替出現。從歸一化電場波形中發現，某些時段各個測站的垂直電場脈沖極性不一致，如圖5所示，在41.892～41.91 s這連續的20 ms時段內，新莊與藥草兩個測站的電場脈沖極性是相反的。這些脈沖極性相反現象可能導致閃電定位的脈沖匹配過程出現錯誤或者部分電場脈沖缺失，導致了較多的閃電輻射源不能被定位出來。因此，分析脈沖極性相反的原因，尋找對應的解決方案，將會提高閃電輻射源定位的精細化程度。

圖5 藥草與新莊測站脈沖極性相反Fig.5 The pulse polarity of Mingde station is opposite to that of Xinzhuang station

在42.174 1～42.174 9 s時段內，明德、藥草、新莊3個測站的數據飽和而沒有探測到電場脈沖，苗圃、極樂、斜溝、良教4個測站距離閃電相對較遠，沒有出現飽和現象。如圖6所示，在42.174 3～42.174 5 s時段，苗圃測站電場脈沖的極性與極樂、斜溝、良教測站的脈沖極性相反，平均脈沖間隔為6.48 μs。而該時段的前后相鄰時段內，4個測站脈沖極性是一致的。將圖6所示的信號分成3個時段，即42.174 1～42.174 3、42.174 3～42.174 5、42.174 5～42.174 9 s，以電場波形的脈沖向上為“正”，苗圃測站在這3個時段的極性為“負-負-正”，而極樂、斜溝、良教測站的極性變化為“負-正-正”。

如圖6所示，在正負極性反轉的過渡位置，電場脈沖幅度相對同一時刻其他測站的脈沖強度來說較小，甚至是與噪音相當的強度，造成部分電場脈沖的缺失。

圖6 四站電場脈沖極性依次反轉波形Fig.6 Phenomena of sequential reversal of the pulse polarity of the four stations electric field

2 極性反轉過程定位分析

為了分析電場脈沖極性反轉的原因，使用到達時差法(time-of-arrival,TOA)定位閃電通道，TOA法定位閃電通道的步驟包括數據采集、數據預處理、脈沖提取、脈沖匹配及計算輻射源位置[5]。使用出現脈沖極性反轉、脈沖極性相反的寬帶電場信號定位閃電通道，部分通道定位效果較差。用同一次閃電的VHF輻射信號，使用文獻[5]的閃電定位算法定位出閃電通道，定位精度小于100 m。

圖7為圖5電場信號對應時段的VHF定位結果。可以看出，閃電輻射源的高度分布特征，垂直投影和水平投影的坐標是以明德測站為原點，表示輻射源相對于明德測站的三維位置。

562 pts、563 pts分別表示該界面顯示出的輻射源數量總數為562、563個；漸變色先后順序為藍、青、綠、黃、紅、洋紅，顏色表示閃電輻射源發生的時間先后，用漸變色表示輻射源位置隨時間的變化圖7 對應圖5電場的VHF定位結果Fig.7 VHF positioning results corresponding to the electric field in Fig.5

從圖7可以看到閃電通道水平發展。圖8為該通道先導過程的VHF輻射源定位結果與7個測站位置分布，圖8中的通道放大窗口對應圖7所示的位置。在41.906～41.908 s時間段，兩站脈沖極性都為“正”，而定位結果可以看出，該時段輻射源定位結果如圖7中通道折回分支(在圖7中藍色箭頭所示，通道長度約200 m)所示，該時段閃電通道朝著東北方向發展，同時靠近新莊和藥草測站，因此兩個測站極性都為“正”。

在41.892～41.906 s和41.908～41.91 s兩個時段，通道是向東南方向發展的，根據測站位置布局和定位結果，閃電通道頭部與藥草測站的距離逐漸減小，逐漸靠近藥草測站，電場極性為“正”。相反，這兩個時段閃電發展的頭部逐漸遠離新莊測站，因此，新莊測站的電場極性為“負”。

圖8所示的通道在后續出現了K過程放電，而圖6所示的脈沖是該次K過程放電的部分寬帶電場波形，圖9為這次K過程的寬帶電場脈沖，持續時間約8 ms。使用與圖9寬帶電場相同時段的VHF輻射信號定位閃電通道，定位結果如圖10所示，通道長度約8 km，通道發展的二維平均速度約1×106m/s，這與孫竹玲等[17]和曹冬杰等[18]的研究結果相同量級。

圖8 閃電通道與7個探測站方位Fig.8 Lightning channel and seven detection station

圖9 一次K過程的電場變化(包含圖6所示波形)Fig.9 Electric field change of a K-process (including the waveform shown in Fig.6)

圖10 一次K過程VHF定位結果Fig.10 VHF positioning result of the K-process

圖10放大了圖6電場對應的閃電通道，可以看到，通道先是有一個順時針的轉向，良教、斜溝、極樂、藥草這4個測站的電場脈沖依次出現極性反轉現象，根據測站布局可以發現這4個測站圍繞通道所在位置也是順時針排列的。

結合閃電VHF定位結果和測站布局可以發現，閃電頭部發展方向在順時針旋轉時，良教測站最先出現由負到正的脈沖極性反轉，苗圃最晚出現脈沖極性反轉，這與圖6的寬帶電場脈沖信號一致，再一次證明了電場極性反轉是閃電發展頭部到測站的距離趨勢變化導致的，負先導頭部靠近測站則電場脈沖極性為正，電場垂直向上的分量增加，頭部遠離測站則脈沖極性為負。電場垂直向上的分量減小。

定位分析兩次電場脈沖極性反轉的通道位置，如圖11所示，兩次脈沖極性反轉對應的通道位置重合(箭頭指向的位置)，再次證實了閃電通道的位置和轉向導致測站所在位置的垂直電場極性變化。在閃電發展過程中，通道頭部遠離某個測站的同時，可能是靠近其他測站的，這會導致同一個閃電探測網絡中不同探測站接收到的垂直電場極性不同。通道發展方向改變，由靠近測站的趨勢變為遠離測站的趨勢，或者由遠離測站的趨勢變為靠近測站的趨勢時，測站所在位置的垂直電場極性發生變化，由于測站方位的不同，各個測站出現極性反轉的時刻也不同。

1 370 pts表示兩次放電過程總共定位出1 370個閃電輻射源，漸變色先后順序為藍、青、綠、黃、紅、洋紅，顏色表示閃電輻射源發生的時間先后，用漸變色表示輻射源位置隨時間的變化圖11 兩次電場極性反轉的通道位置Fig.11 Position of the channel where the polarity of the electric fields reversed twice

3 極性反轉造成的定位問題及解決方案

根據文獻[19]計算電場脈沖能量的方法，利用希爾伯特變換將電場波形轉換為時域上的能量波形。圖12為圖5電場波形希爾伯特變換后獲得的能量波形，所有的脈沖都轉變為了正極性，轉換后的波形信號具有更高的信噪比，便于脈沖的識別和匹配。圖13為圖6中苗圃和極樂兩站的電場波形對應的能量波形，可以看到，能量波形中的脈沖特征更明顯。在圖13中極樂測站在脈沖極性反轉的時刻(42.174 4 s)前后，能量波形的脈沖特征同樣不明顯，脈沖幅度小，可能是電場變化幅度太小、電場極性不明顯導致對應的能量波形脈沖特征不明顯。

圖12 輻射功率的精細時間波形(對應圖5)Fig.12 Power spectrum waveform obtained by Hilbert transform (corresponding to Fig.5)

圖13 輻射功率的精細時間波形(對應圖6)Fig.13 Power spectrum waveform obtained by Hilbert transform (corresponding to Fig.6)

將電場波形轉換為能量波形后，提取能量超過設定閾值的脈沖，并將其視為閃電輻射源發射出的電磁脈沖，并用相關性方法匹配相同輻射源脈沖。用相關性匹配能量波形中的脈沖，解決了多站電場脈沖極性不一致導致的脈沖匹配錯誤問題，從而定位出更多的輻射源點。

一次閃電的寬帶電場脈沖定位結果如圖14[5]所示，在閃電發展過程中，地面探測站接收的垂直電場極性發生多次極性反轉，在正負極性中間的一些脈沖幅度較小甚至難以提取這部分脈沖，以及多站脈沖極性不一致帶來的脈沖匹配錯誤問題，導致部分通道的定位結果不理想。

5 017 pts表示定位出的輻射源數量為5 017個，漸變色先后順序為藍、青、綠、黃、紅、洋紅，顏色表示閃電輻射源發生的時間先后，用漸變色表示輻射源位置隨時間的變化圖14 寬帶電場定位結果[5]Fig.14 Positioning result using broadband electric field[5]

電場波形經過文獻[5]的方法進行數據處理后，再進行希爾伯特變換獲得能量波形，從能量波形中識別和匹配閃電電磁脈沖，從而實現閃電輻射源定位?；跁r域能量波形的閃電定位結果如圖15所示，5 472 pts表示定位出的閃電輻射源數量為5 472個，比寬帶電場定位結果多455個輻射源點，定位的輻射源數量提高了9%。從定位結果來看，基于能量波形的通道定位效果更好，閃電西北方向的通道更清晰，而從閃電起始(深藍色的點)位置向東南方向發展的通道也更加纖細。

漸變色先后順序為藍、青、綠、黃、紅、洋紅，顏色表示閃電輻射源發生的時間先后，用漸變色表示輻射源位置隨時間的變化圖15 基于能量波形的定位結果Fig.15 Positioning result using VHF radiation signal

4 結論

(1)詳細闡明了閃電放電引起的電場變化信號的測量原理，在此基礎上，利用寬帶電場和甚高頻輻射數據，結合閃電甚高頻輻射源的定位結果，分析了閃電電場脈沖極性反轉現象的特征和原因。利用寬帶電場定位和甚高頻輻射源定位相互補充，在獲得閃電精細化三維定位基礎上分析發現，閃電先導頭部發展方向(或空氣擊穿方向)的改變，是導致地面探測站的垂直電場出現極性反轉現象的可能原因。負先導頭部往靠近測站的方向發展時，探測站的垂直電場脈沖極性為正極性(本文電場正極性方向是垂直向上)，負先導頭部往遠離測站的方向發展時，電場脈沖極性為負極性。當負先導發展方向由靠近探測站的趨勢變為遠離探測站的趨勢，或者由遠離趨勢變為靠近趨勢時，地面垂直電場的極性發生反轉，對于不同方位的探測站，電場脈沖極性反轉的時刻不同。

(2)電場極性反轉的過渡時期造成部分電場脈沖的缺失，對閃電定位的結果造成了一定影響。提出了希爾伯特能量譜的解決方案，將電場波形轉換為能量波形，再進行脈沖的識別和匹配，通過電場波形閃電定位和能量波形閃電定位兩種結果進行比較發現，轉換為能量波形再進行定位可以在一定程度上解決電場脈沖極性反轉帶來的定位問題，定位出的閃電通道更清晰，定位出的閃電輻射源數量提高約9%，可以獲得更理想的閃電精細化定位效果。