閃電定位系統在“雷電監測預警”實踐教學中的應用

摘"要：閃電定位是雷電預警的核心教學內容，傳統教學多以理論為主，缺乏實踐操作。為提升教學效果，“雷電監測預警”課程實踐教學擬引入業務化閃電定位系統，結合教學安排及學生實際情況，設置閃電定位系統原理、系統設備器件、閃電定位算法與MATLAB編程實踐、公司參觀與野外觀測試驗實踐四個主要學習環節。在各個環節根據學生學習進度，因材施教，充實課堂教學內容，擴展野外教學實踐。實踐教學不僅能讓學生全面了解定位系統的整體構成和技術細節，有效地增強學生的理論知識應用和實際操作能力，還能與其他學科進行交叉互融，鞏固已有學習成果。

關鍵詞：閃電定位系統；實踐學習；教學改革

Application"of"Lightning"Locating"Systems"in"the

Practical"Teaching"of"\"Thunderstorm"Monitoring"and"Warning\""Course

Shi"Dongdong

College"of"Electrical，Energy"and"Power"Engineering，Yangzhou"University"JiangsuYangzhou"225001

Abstract：Lightning"locating"is"the"core"teaching"content"of"the"thunderstorm"warning"course.Traditional"teaching"methods"have"mainly"focused"on"theory，lacking"practical"operations.To"improve"teaching"effectiveness，the"practical"componentnbsp;of"the"course"plans"to"incorporate"a"lightning"location"system.According"to"teaching"arrangements"and"students'"actual"situations，four"main"learning"modules"have"been"set"up：the"principles"of"lightning"location"systems，system"devices，location"algorithms"with"Matlab"practice，and"company"visits"and"field"testing.In"each"stage，students"will"be"taught"according"to"their"learning"progress，classroom"teaching"content"will"be"enriched，and"field"teaching"practice"will"be"expanded.This"practical"teaching"approach"not"only"helps"students"gain"a"comprehensive"understanding"of"the"overall"structure"and"technical"details"of"the"location"system，effectively"enhancing"their"theoretical"knowledge"and"practical"skills，but"also"promotes"interdisciplinary"integration，reinforcing"their"existing"learning"outcomes.

Keywords：lightning"locating"system；practical"learning；teaching"reform

據有關研究統計，在地球上任意時刻平均有2000多個雷暴同時發生，每秒產生超過100次閃電［1］，對國家經濟和人民財產安全構成了重大威脅［24］。為了應對自然雷電災害，經教育部批準在一級學科大氣科學下設雷電科學與技術二級學科，以培養具有扎實防雷基礎技能［5］和深厚雷電科學研究理論［6］的高層次科研、教學和業務管理人才。

“雷電監測預警”［79］是防雷教學中實現基礎理論與工程應用有機結合的重要途徑，《閃電定位系統》則是必不可少的教學章節。傳統教學僅在課堂上展示閃電輻射的電磁場波形、定位原理以及定位效果［1011］，講授內容以理論知識為主，學生缺少實操練習與實物感受，難以對雷電知識形成系統的認識。因此，有必要在“雷電監測預警”實踐教學中引入真實的閃電定位系統，提升學生對雷電定位的理解與認知水平。

閃電定位系統包括硬件和軟件兩部分。根據定位系統的自身特點，我們設計了基于閃電定位系統的“雷電監測預警”課程實踐，以定位系統為主線打造教學實踐新模式，探索多學科和多課程融合的交叉實踐新范式。結合前期理論學習、中期參觀設備器件、后期定位算法編寫和體驗野外觀測試驗相結合的教學思路，實現理論教學內容在課程實踐中的融會貫通。

1"閃電定位系統工作原理學習

閃電放電過程會產生頻譜范圍很寬的電磁波，通常包括甚低頻（VLF）、低頻（LF）、中頻（MF）、高頻（HF）和甚高頻（VHF）信號。這些電磁波通過大氣傳播，可以跨越較長距離，因此能夠被遠離的地面測站捕捉到。閃電定位系統通常是由多個測站組成，測站之間相距數十千米［12］，其工作原理就是基于對不同接收站采集到的電磁波信號進行分析反演。本實踐環節以教師自身參與項目作為抓手，如下圖所示，這是筆者參與寧夏站網FALMA（Fast"Antenna"Lightning"Mapping"Array）［1314］建設的項目案例，通過用實際項目案例展示相關細節。

閃電定位系統示意圖

閃電定位系統包含多個分布在不同位置的接收站，這些接收站能夠接收閃電放電產生的電磁信號。系統根據各個測站所接收到的閃電信號進行相關的分析和處理，來對閃電的發生地點進行定位。

這里需要注意的是，理論學習中的閃電定位算法介紹是偏向基本概念，簡單地向學生表述，讓學生對閃電定位系統有一個全面且感性的認識即可。

2"閃電定位系統設備器件學習

本課程實踐中的定位設備來自寧夏FALMA測站，該測站共由24個子站構成，每個子站均由天線、控制箱組成。天線部分由平板天線（接收信號）和放大器（放大信號）組成。控制箱內有GPS（產品定位）、風扇（散熱，溫度到達一定數值開啟）、路由器（使設備聯網，上傳數據）、數據采集卡（采集雷電數據）、工控機（處理接收到的數據，并進行存儲）、電源模塊（對設備進行供電）、電源濾波器（濾除電源端的干擾）、溫度傳感器（測量溫度，控制風扇開關）、防雷器（對設備進行雷電防護）、空氣開關等設備。閃電產生的電磁信號經平板天線接收轉化成電信號，再由放大器處理后輸送至數據采集卡，當檢測到信號高于采集的閾值時，數據采集卡開始采集雷電信號。采集后的數字信號輸送至工控機進行數據處理，配合高精度GPS為波形補充上具體時間信息，至此完成了閃電放電波形的采集與保存。波形可通過路由器聯網上傳至站網服務器，當同一閃電放電事件被5個及其以上的測站檢測記錄時，可結合閃電到達時間差法對閃電輻射源的三維位置進行反演。

由于每一個硬件都會涉及不同學科或課程內容，這里以接收信號的平板天線為例進行多學科融合拓展教學。其部件是一個反向連接的運算放大器。將面積為A的金屬平板連接到運算放大器的輸入端，金屬平板會隨著周圍環境中垂直電場的變化而感應出電荷Q=ε0AeffE，其中ε0是真空介電常數，Aeff是感應板的有效面積。當雷暴引起地面電場變化時，金屬板上感應的電荷也會隨之變化，由于運放阻抗極大，因感應電荷變化而產生的感應電流i將流過反饋電路中的電阻R和電容C，如公式（1）所示：

i+VR+CdVdt=0（1）

將i=dQdt=ε0AeffdEdt代入公式（1），當認為閃電放電過程持續時間遠小于時間常數τ=RC時，則輸出電壓為：

ΔV=-ε0AeffCΔE（2）

從公式（2）可以看到，電容C的取值影響增益，在實際電路設計中，通過調整R和C的取值，使儀器的增益和時間常數達到測量要求。

平板天線的接收原理與學生之前的模電課程集成運放知識點密切相關，在講授放大器工作原理時可以幫助學生鞏固已學知識內容。這不僅可以讓學生綜合運用到電路、模電等課程知識，還能讓學生進行電路設計和改良，提高解決復雜工程問題的系統整合能力。

3"閃電定位算法與MATLAB編程實踐

3.1"閃電定位算法

在傳統理論教學中，閃電定位算法的講解以基礎理論為主，學生只了解到閃電定位是由時差法實現，至于如何使用時差法求解得到閃電的空間位置尚不清楚。以下是對閃電定位算法的詳細介紹。前文已說明系統是基于不同測站所采集的閃電信號的時間差進行定位。各個測站由于位置不同，且兩兩測站之間有一定的距離，因此接收到同一個閃電信號的時間有一定的差異，故在閃電定位算法中，需要對各個測站所接收到的閃電信號進行波形的匹配：選擇一個測站作為主站，并對除主站外的其他測站接收到的閃電信號與主站接收到的閃電信號進行時間上的匹配。在此過程中，可以將主站的一整段時間上的波形數據分割成多個小段時間上的波形，該方法也稱為窗口化。然后，根據主站每一個窗口的波形，提取其他測站的波形，提取的波形要與主站窗口的波形在一定的時間差內，提取的結果便是波形匹配的結果。波形匹配結束后便進行脈沖匹配：對波形匹配中的每一個窗口中的波形，繼續提取脈沖，然后對主站的脈沖和其他測站的脈沖進行時間上的匹配。脈沖匹配結束后，可根據其結果列出關于閃電源坐標的方程組，用最小二乘擬合的方法進行求解，并根據解的結果作出定位圖。

3.2"MATLAB編程實踐

在掌握了閃電定位算法的基本步驟之后，教師可以進一步提供具體的算法代碼和測試數據，以便學生在MATLAB環境中進行實際操作。通過逐行調試程序，學生能夠理解每一行代碼的功能和作用，揭示出閃電定位算法在數據處理和計算過程中的具體操作，深入探索算法的實現機制。在此過程中，學生不僅能夠精通MATLAB的語法和調試功能，還能獲得寶貴的編程實踐經驗。例如，學生可以學會如何從閃電原始數據中提取可用于定位的數據，如何進行信號濾波和噪聲抑制，以及如何計算閃電發生的位置。

這種針對性的學習方法不僅提升了學生的技術能力，也為他們將來在相關領域的研究和工作奠定了堅實的基礎。通過深度參與的學習體驗，學生不僅能夠應對類似的技術挑戰，還能培養系統思維和解決問題的能力，為他們未來的職業發展打下堅實的基礎。

4"公司參觀與野外觀測試驗實踐

為實現理論知識與實踐能力的有機結合，本教學改革實施方案重點包括閃電定位系統公司的參觀、野外觀測實踐部分。通過這些環節，學生可以更加深入地理解課堂所學的理論知識，同時通過實踐操作提升動手能力。

4.1"公司參觀

首先，由公司技術人員向學生進行定位系統的發展過程、主要技術原理等介紹；其次，依據實際波形采集過程的順序參觀設備車間，結合實物講解設備工作原理，并設置學生提問環節；再次，參觀成品產品，結合波形處理過程講解每個設備的實際作用，以及處理前后效果對比；從次，講解結束后在確保學生安全的前提下鼓勵學生自己動手開展簡單的波形提取、設備故障檢查，進一步做到實踐與教育結合；最后，組織學生進行討論，鼓勵他們將公司參觀中的技術細節與課堂所學內容相結合，思考如何將理論應用于實際。

4.2"野外觀測實踐

野外觀測將在預先選定的安全天氣條件下開展，觀測開展前對學生進行野外觀測的安全教育，避免操作風險；觀測過程中盡可能地讓學生開展設備檢修、波形讀取、定位校準等操作；觀測結束后，對站點記錄到的典型閃電波形數據拷貝，以便學生后續使用計算機進行波形濾波、結合時差法進行閃電輻射源定位。在實踐的最后階段，學生將分組討論觀測數據，分享他們的觀測結果與分析結論。教師對學生的成果進行點評，指出亮點與不足，進一步引導學生改進觀測方法。

結語

通過閃電定位系統在“雷電監測預警”課程的教學與實踐結合，減少學生對電磁學、信號處理、軟件編程等復雜交叉學科的理解障礙。課程實踐不僅讓學生直觀感受到復雜理論的實際應用，還可通過實際操作增強學生的動手能力、數據分析能力及團隊協作精神，為社會培養具有創新思維、獨立思考能力和扎實功底的新型工科人才。

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基金項目：國家自然科學基金青年基金項目（42305070）

作者簡介：史東東（1991—"），男，漢族，江蘇揚州人，博士研究生，講師，研究方向：雷電物理。