第三章雷電監(jiān)測(cè)定位系統(tǒng)

1、 由于航天發(fā)射遭雷擊，70 年代中期，美國(guó)研制了雷電定位系統(tǒng)用于雷電預(yù)警。雷電是電力中斷的頭號(hào)環(huán)境因素，在美國(guó)每年造成數(shù)十億美元的損失，因此雷電定位系統(tǒng)在美國(guó)的電力系統(tǒng)電力系統(tǒng)得到快速發(fā)展，主要用于電電力系統(tǒng)雷擊故障點(diǎn)的檢測(cè)，航空雷暴區(qū)和森力系統(tǒng)雷擊故障點(diǎn)的檢測(cè)，航空雷暴區(qū)和森林火災(zāi)的預(yù)警林火災(zāi)的預(yù)警。 本世紀(jì)八十年代初，隨著雷電物理、雷電物理、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，美國(guó)科學(xué)家首先推出了一種探測(cè)閃電產(chǎn)生的低頻電探測(cè)閃電產(chǎn)生的低頻電磁脈沖的多站探測(cè)系統(tǒng)磁脈沖的多站探測(cè)系統(tǒng)，法國(guó)科學(xué)家在九十年代中期推出了甚高頻甚高頻(VHF)雷電探測(cè)系雷電探測(cè)系統(tǒng)統(tǒng)(干涉儀干涉儀)

2、。 經(jīng)過(guò) 20 多年的發(fā)展，美國(guó)雷電定位系統(tǒng)在定位原理上經(jīng)歷了方向方向時(shí)差時(shí)差綜合定綜合定位系統(tǒng)位系統(tǒng)的發(fā)展；在范圍上經(jīng)歷了從局部區(qū)域到全國(guó)聯(lián)網(wǎng)，形成了國(guó)家級(jí)雷電監(jiān)測(cè)網(wǎng)，并實(shí)現(xiàn)了雷電信息產(chǎn)業(yè)化。 當(dāng)前的雷電定位系統(tǒng)運(yùn)用了全球衛(wèi)星定全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)位系統(tǒng)(GPS)、 衛(wèi)星通信、衛(wèi)星通信、 地理信息系統(tǒng)地理信息系統(tǒng)(G IS)等高新技術(shù)，形成了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的多用途大型信息系統(tǒng)。 在我國(guó)，中科院空間應(yīng)用中心、信息產(chǎn)業(yè)部電子第二十二研究所、中國(guó)科技大學(xué)、武漢高壓所等單位于八十年代中后期亦先后開(kāi)始研制閃電定位系統(tǒng)，并逐步形成了有自己特點(diǎn)的產(chǎn)品。 國(guó)內(nèi)雷電定位系統(tǒng)也經(jīng)歷了方向方向時(shí)時(shí)差差綜合定位綜合定位這一發(fā)

3、展過(guò)程，目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的系統(tǒng)已全面按 “綜合定位系統(tǒng)” 運(yùn)行。 國(guó)內(nèi)的雷電定位系統(tǒng)均為省市電網(wǎng)出資建立，基本上以省為單位自成一體，互不聯(lián)系，沒(méi)有數(shù)據(jù)交換，是獨(dú)立的局部網(wǎng),服務(wù)對(duì)象為電網(wǎng)，多年運(yùn)行的數(shù)據(jù)沒(méi)有充分利用，也有散失的可能，更沒(méi)有向社會(huì)其他用戶(hù)提供服務(wù)，實(shí)在是資源的浪費(fèi)。 從當(dāng)前的科技發(fā)展趨勢(shì)和用戶(hù)需求以及實(shí)際運(yùn)行提出的問(wèn)題來(lái)看，需要早日將現(xiàn)有獨(dú)立的雷電定位系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)組成統(tǒng)一的國(guó)家雷電信息網(wǎng)，成為國(guó)家防災(zāi)減災(zāi)預(yù)警網(wǎng)的組成部分，為社會(huì)廣大用戶(hù)服務(wù)；并建立有效機(jī)制,將過(guò)去 10年以及今后大量的運(yùn)行觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行有效的保存。雷電監(jiān)測(cè)目測(cè)照相聲探測(cè)器閃電定位儀大氣電場(chǎng)儀光譜儀星載閃電探測(cè)器 雷暴觀測(cè)包

4、括常規(guī)觀測(cè)、特殊觀測(cè)和非常規(guī)觀測(cè)、特殊觀測(cè)和非常規(guī)觀測(cè)常規(guī)觀測(cè)。 常規(guī)觀測(cè)常規(guī)觀測(cè)有地面、探空氣球、系流氣球、火箭、飛機(jī)等觀測(cè)等，主要獲取地面到對(duì)流層頂?shù)臏囟取鈮?、濕度、風(fēng)、雨量、云等氣象要素資料。 特殊觀測(cè)特殊觀測(cè)是為了特定需要而進(jìn)行的觀測(cè)，可使用常規(guī)觀測(cè)工具和非常規(guī)觀測(cè)手段進(jìn)行，如閃電定位系統(tǒng)進(jìn)行雷電發(fā)生的位置、強(qiáng)度的觀測(cè)等。 非常規(guī)觀測(cè)非常規(guī)觀測(cè)指使用現(xiàn)代化的探測(cè)手段進(jìn)行的觀測(cè)，如使用氣象雷達(dá)觀測(cè)雷暴云的回波強(qiáng)度、位置，雷暴云中氣流的分布和運(yùn)動(dòng)及其它的演變過(guò)程等。氣象衛(wèi)星觀測(cè)云的分布、強(qiáng)度、溫度、輻射值等。 自動(dòng)氣象遙感觀測(cè)站同樣也可觀測(cè)各種需要的資料。 十八世紀(jì)后期，Hoffert

5、(1889)利用照相機(jī)作水平快速移動(dòng)攝影方法觀測(cè)閃擊: 獲取閃電照片。觀測(cè)閃電變化閃擊是有分枝的，閃擊之間有連續(xù)發(fā)光。兩閃擊的時(shí)間間隔為1/51/10秒， 這個(gè)時(shí)間顯然是過(guò)大了。 二十世紀(jì)初，法國(guó)Walter（19021918）利用由時(shí)鐘控制的可移動(dòng)照相機(jī)。 精確地測(cè)出了閃擊之間的時(shí)間，并照到了第一次閃擊之先導(dǎo)，觀測(cè)到第一次閃擊是向下分枝的。但是他沒(méi)有發(fā)現(xiàn)先導(dǎo)是梯級(jí)的。 同時(shí)，美國(guó)Larsen（1905）也進(jìn)行了類(lèi)似的閃電觀測(cè)。 測(cè)量了閃擊之間的時(shí)間，并記錄到一次由40次閃擊組成的閃電。但是分不清箭式先導(dǎo)。1、閃電的高速旋轉(zhuǎn)照相法 1926 1926年博尹斯（年博尹斯（BoysBoys）設(shè)計(jì)了

6、一種旋轉(zhuǎn)）設(shè)計(jì)了一種旋轉(zhuǎn)式相機(jī)，后來(lái)稱(chēng)式相機(jī)，后來(lái)稱(chēng)BoysBoys相機(jī)，如圖。相機(jī)，如圖。 BOYSBOYS相機(jī)觀測(cè)原理圖相機(jī)觀測(cè)原理圖 由于該相機(jī)獲取的閃電照片結(jié)構(gòu)呈波紋由于該相機(jī)獲取的閃電照片結(jié)構(gòu)呈波紋狀，所以時(shí)常將這種相機(jī)稱(chēng)為波紋狀相機(jī)。狀，所以時(shí)常將這種相機(jī)稱(chēng)為波紋狀相機(jī)。 19291929年博尹斯又對(duì)他的相機(jī)作了進(jìn)一步的年博尹斯又對(duì)他的相機(jī)作了進(jìn)一步的改進(jìn)，如圖改進(jìn)，如圖 。旋轉(zhuǎn)方向膠片鏡頭棱鏡旋轉(zhuǎn)膠片鼓具有移動(dòng)的膠片和固定的光學(xué)系統(tǒng)的BOYS相機(jī) 高速線掃描高速線掃描照相機(jī)相機(jī)的結(jié)構(gòu)：照相機(jī)相機(jī)的結(jié)構(gòu)：視 頻 放大 器 13 m 26m數(shù)字貯存記錄器光纖窗閃電通道 雷雷 暴暴 云

7、云10241m=（f=50mm，d=4 km）物鏡 驅(qū) 動(dòng) 電 路時(shí) 鐘 =10MHz 1 2 8 s / scan 圖象放大器增益=3 倍350nm950nm一維CCD圖象感應(yīng)器(1024象點(diǎn))8bit50Msamp/s.64字高速成線掃描照相機(jī)原理圖高速成線掃描照相機(jī)原理圖 物鏡、圖象輔助（放大）物鏡、圖象輔助（放大）裝置、一維荷電耦合器件（裝置、一維荷電耦合器件（CCDCCD）圖象感應(yīng)器、一個(gè)探測(cè)器驅(qū)動(dòng)器圖象感應(yīng)器、一個(gè)探測(cè)器驅(qū)動(dòng)器和一視頻放大器。和一視頻放大器。 CCDCCD圖象感應(yīng)器是由圖象感應(yīng)器是由10241024個(gè)高靈敏度的硅光敏二極管個(gè)高靈敏度的硅光敏二極管組成的一線性陣列，每

8、一光敏二組成的一線性陣列，每一光敏二極管的寬度為極管的寬度為1313 m m、長(zhǎng)為、長(zhǎng)為2626 m m，所有的光敏二極管與所有的光敏二極管與CCDCCD移位寄移位寄存器相連接。以約存器相連接。以約10MHz10MHz右旋速右旋速率驅(qū)動(dòng)感應(yīng)器，幀速率以約每秒率驅(qū)動(dòng)感應(yīng)器，幀速率以約每秒78007800掃描，圖象放大器對(duì)波長(zhǎng)由掃描，圖象放大器對(duì)波長(zhǎng)由低于低于350nm350nm到到950nm950nm敏感，并且具敏感，并且具有有600nm600nm的的輻射光到物鏡后。的的輻射光到物鏡后。圖象感應(yīng)器充足的曝光，調(diào)節(jié)圖圖象感應(yīng)器充足的曝光，調(diào)節(jié)圖象放大器將入射光可放大象放大器將入射光可放大3030倍

9、，倍，并且選擇光纖窗的圖象器減小光并且選擇光纖窗的圖象器減小光的透射。的透射。 從空間探測(cè)閃電已經(jīng)有30多年的歷史, 一些衛(wèi)星閃電探測(cè)儀器已提供了許多極有價(jià)值的資料。例如, 閃電全球范圍內(nèi)發(fā)生的頻率, 其隨緯度和季節(jié)的變化以及日變化, 超級(jí)閃電的發(fā)生等等。 這些資料在雷電災(zāi)害預(yù)警預(yù)報(bào)、強(qiáng)對(duì)流天氣監(jiān)測(cè)、某些軍事目標(biāo)的識(shí)別等業(yè)務(wù)和科研工作中得到了應(yīng)用。 在大陸上已建立了一些相當(dāng)密集的雷電監(jiān)測(cè)站網(wǎng)。這些站網(wǎng)雖然能較準(zhǔn)確地對(duì)其附近發(fā)生的雷電進(jìn)行定位和計(jì)數(shù), 甚至可測(cè)量閃電光譜和無(wú)線電信號(hào), 但由于其布點(diǎn)的局限性, 它們很難給出全球范圍的閃電分布圖像。 從空間觀測(cè), 可以覆蓋很大的地球面積。如果采用地球

10、靜止與極軌衛(wèi)星多星聯(lián)合的觀測(cè)方式, 則可連續(xù)實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)全球幾乎所有的閃電活動(dòng)。 在地面可觀測(cè)的雷電信號(hào)有閃光、雷電電磁脈沖、閃電電流及由沖擊波產(chǎn)生的聲波(即雷聲)。地面閃電電定位系統(tǒng)通常是利用雷電電磁脈沖 (即由閃電造成的無(wú)線電頻段的電磁波信號(hào))進(jìn)行定位的。 而在空間觀測(cè)閃電, 則主要利用的是其閃光信號(hào)。 超級(jí)閃電首先為Vela 衛(wèi)星觀測(cè)所揭示 , 其峰值功率在 10 11 1013 W 之間, 光脈沖持續(xù)時(shí)間約1ms。大約1000 個(gè)閃電中約有3 個(gè)其光功率超過(guò)1011 W , 1 千萬(wàn)中有5 個(gè)超過(guò)310 12W。這些超級(jí)閃電的光輻射功率與大氣層中中小當(dāng)量核爆炸閃光的光輻射功率基本相當(dāng)。超

11、級(jí)閃電分布于全球, 但大多數(shù)發(fā)生在近日本海洋的北太平洋上。與一般的閃電不同, 它們是云中正電荷對(duì)地放電, 即正極性的云地閃。超級(jí)閃電 雷暴云頂向平流層(有的可達(dá) 90 km 高度)的放電閃光現(xiàn)象, 已被高空和航天飛機(jī)上的手持?jǐn)z像機(jī)以及衛(wèi)星上的(微光)相機(jī)拍攝到?！捌搅鲗娱W電”引起了中高層大氣和空間物理學(xué)家的極大興趣, 但因其發(fā)光面積大很分散、比較弱, 觀測(cè)到的次數(shù)不多, 所以我們對(duì)其特征和作用的了解還不夠, 還需要更多的觀測(cè)和研究。 前蘇聯(lián)和美國(guó)的一些地外行星宇宙飛船上搭載了一些光偏振儀、電場(chǎng)探測(cè)器、電磁儀以及光學(xué)探測(cè)器。這些儀器的觀測(cè)揭示或進(jìn)一步證實(shí)了在金星、木星和土星上有閃電活動(dòng)。從已有觀

12、測(cè)資料推斷, 金星上每年每平方公里發(fā)生不到30 個(gè)閃電, 木星上約為40 個(gè)。 監(jiān)測(cè)全球雷電分布的最佳平臺(tái)是空間平臺(tái)。已上天的閃電光學(xué)探測(cè)器的發(fā)展特征可以概括成如下幾點(diǎn): (1)從附屬探測(cè)到專(zhuān)用(2)從硅光電管(陣)到CCD 陣列(3)從僅僅是午夜探測(cè)到全天候(4)從高極軌軌道到高中低極軌與地球靜止軌道相結(jié)合; (5)從寬譜探測(cè)到多譜段結(jié)合; (6)從極低空間分辨率(700 km)到高分辨率(10 km); (7) 從低探測(cè)率效率( 5%)到高探測(cè)效率(約90%)。大氣電場(chǎng)的測(cè)量大氣電場(chǎng)的測(cè)量 大氣電場(chǎng)是大氣電學(xué)的一個(gè)最基本的參數(shù)，大氣電場(chǎng)的測(cè)量也是一個(gè)最基本的測(cè)量，根據(jù)測(cè)量的大氣電場(chǎng)可以對(duì)大

13、氣中的電狀況有一個(gè)全面的認(rèn)識(shí)，同時(shí)也為推算大氣中的其它各大氣電學(xué)參數(shù)提供基本的已知量。 早期，在地面測(cè)量用電場(chǎng)儀，其輸出的是交流信號(hào)，信號(hào)的大小正比于場(chǎng)強(qiáng)，將這些信號(hào)顯示或記錄，或經(jīng)整流給出直流輸出。 為了確定電場(chǎng)極性需要另加電路。就是在儀器配置一對(duì)板極或柵網(wǎng)，其面積要大于電場(chǎng)儀轉(zhuǎn)動(dòng)盤(pán)的面積，兩板間相隔一定距離，并加上電壓。（1 1）大氣靜電場(chǎng)的平板天線的測(cè)量）大氣靜電場(chǎng)的平板天線的測(cè)量（b b）與電子線路相連的平板天線）與電子線路相連的平板天線 地面大氣靜電場(chǎng)強(qiáng)度可以利用測(cè)量天線與大地之間的電壓來(lái)確定。地面大氣靜電場(chǎng)強(qiáng)度可以利用測(cè)量天線與大地之間的電壓來(lái)確定。感應(yīng)大氣電場(chǎng)的天線可以是平板、球

14、或垂直的金屬導(dǎo)線。感應(yīng)大氣電場(chǎng)的天線可以是平板、球或垂直的金屬導(dǎo)線。 C CC Cg gC Cc c平板平板天線天線V VR R平板平板天線天線V V V VVg=EhVg=EhC Cg gC Cc c(a)（b）(a)(a)未接到電子線路上的平板天未接到電子線路上的平板天線線 如上圖如上圖a a，有一平板天線，天線方向垂直于電場(chǎng)矢量，平行，有一平板天線，天線方向垂直于電場(chǎng)矢量，平行于地面，即沿著一等位面。假定電場(chǎng)分布均勻，天線離南面距離為于地面，即沿著一等位面。假定電場(chǎng)分布均勻，天線離南面距離為h h。在天線沒(méi)有負(fù)載情況下天線附近的電場(chǎng)為在天線沒(méi)有負(fù)載情況下天線附近的電場(chǎng)為E E，而大地和天

15、線之間的電位，而大地和天線之間的電位差是差是Vg=Eh Vg=Eh ，天線與云電荷中心之間的雜散電容為，天線與云電荷中心之間的雜散電容為C Cc c，天線與地之間，天線與地之間的雜散電容為的雜散電容為C Cg g，且，且C Cg g C Cc c，云電荷中心與地之間的電位差為云電荷中心與地之間的電位差為V V。云。云地電位差沿地電位差沿C Cc c ， C Cg g被分壓。被分壓。 C Cg g上的電位差是上的電位差是 cggcCVVCC由于由于v vg g=Eh=EhcgcCCVE hC（6.1）（6.2）cgcCvVCCC 如圖如圖6.4b6.4b，測(cè)量電路接上天線，測(cè)得電位，測(cè)量電路接上

16、天線，測(cè)得電位V V，它小于，它小于V Vg g ，這時(shí)，這時(shí)RCRC電路為天線的負(fù)載，假如電路為天線的負(fù)載，假如R R遠(yuǎn)比遠(yuǎn)比C C大，則在確定大，則在確定V V時(shí)，只需考慮時(shí)，只需考慮C C的作的作用。用。C C和和C Cg g構(gòu)成并聯(lián)電路，電壓為構(gòu)成并聯(lián)電路，電壓為（6.3）將（將（6.26.2）式代入（）式代入（6.36.3）式，消去）式，消去V V就得就得cggcCCvEhCCC（6.4）由于由于C Cg g C Cc c ，所以上式近似為，所以上式近似為 由（由（6.56.5）式可見(jiàn)，測(cè)得的電壓正比于地面電場(chǎng)）式可見(jiàn)，測(cè)得的電壓正比于地面電場(chǎng)E E。而其比例系數(shù)而其比例系數(shù)h Ch

17、 Cc c / /（ C Cg g+ C+ C）可以通過(guò)計(jì)算或測(cè)量）可以通過(guò)計(jì)算或測(cè)量確定。實(shí)際上，確定。實(shí)際上，C C C Cg g ，故，故C C用來(lái)控制測(cè)量電壓大小。用來(lái)控制測(cè)量電壓大小。R R的作用是使電壓的作用是使電壓V V有一時(shí)間常數(shù)有一時(shí)間常數(shù)R R（C+CC+Cg g），或如當(dāng)），或如當(dāng)C C C Cg g ，時(shí)間常數(shù)為，時(shí)間常數(shù)為RCRC。如果。如果RCRC大于所要測(cè)量的時(shí)大于所要測(cè)量的時(shí)間間 ，則，則R R對(duì)測(cè)量的影響即可忽略。對(duì)測(cè)量的影響即可忽略。ggCvEhCC（6.5）R C電壓跟隨器電壓跟隨器R0CG （a）（b）R CCGR0積分器積分器 兩種靜電場(chǎng)測(cè)量天線系統(tǒng)。

18、平板天線的電子積分提供的積分電壓正比兩種靜電場(chǎng)測(cè)量天線系統(tǒng)。平板天線的電子積分提供的積分電壓正比于平板上荷電量，與環(huán)境電場(chǎng)成比例。于平板上荷電量，與環(huán)境電場(chǎng)成比例。 上圖電子積分是通過(guò)積分電路實(shí)現(xiàn)的；下圖中積分是通過(guò)天線底部處上圖電子積分是通過(guò)積分電路實(shí)現(xiàn)的；下圖中積分是通過(guò)天線底部處的電容到地進(jìn)行的。圖中的電容到地進(jìn)行的。圖中C CG G是天線與地面之間的電容是天線與地面之間的電容, R, R0 0是電纜終端的電是電纜終端的電容容, , 相對(duì)電阻相對(duì)電阻R R是對(duì)于放電積分電容是對(duì)于放電積分電容C, C, 這樣具有時(shí)間常數(shù)這樣具有時(shí)間常數(shù)RCRC輸出電壓趨向輸出電壓趨向于于0 0。圖中兩系統(tǒng)

19、的上限頻率為。圖中兩系統(tǒng)的上限頻率為1MHz1MHz，最低頻率為，最低頻率為0.1Hz0.1Hz。 閃電場(chǎng)波記錄器方框圖閃電場(chǎng)波記錄器方框圖直接固定地球周?chē)孛娴钠桨逄炀€電場(chǎng)測(cè)量?jī)x直接固定地球周?chē)孛娴钠桨逄炀€電場(chǎng)測(cè)量?jī)x 天線積天線積 分分 器器雙匹配雙匹配(805)波形記錄器波形記錄器雙線示波器雙線示波器a 天線積天線積 分分 器器2sec 延遲線延遲線 絕對(duì)值放大器絕對(duì)值放大器雙線示波器雙線示波器 外部外部 觸發(fā)觸發(fā)b 根據(jù)測(cè)量要求, 測(cè)量電場(chǎng)的感應(yīng)器有平板型、球形和鞭狀等。 在地面主要測(cè)量大氣電場(chǎng)的垂直分量，感應(yīng)器采用平板狀。 為同時(shí)測(cè)量大氣電場(chǎng)的三個(gè)分量，感應(yīng)器作成球型天線。（2 2）

20、旋轉(zhuǎn)（場(chǎng)磨）式大氣靜電場(chǎng)儀）旋轉(zhuǎn)（場(chǎng)磨）式大氣靜電場(chǎng)儀 為觀測(cè)晴天條件下的地面大氣電場(chǎng)，以及觀為觀測(cè)晴天條件下的地面大氣電場(chǎng)，以及觀測(cè)雷暴天氣條件下地面大氣電場(chǎng)和閃電所引起地測(cè)雷暴天氣條件下地面大氣電場(chǎng)和閃電所引起地面大氣電場(chǎng)的變化。用電子學(xué)方法進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度面大氣電場(chǎng)的變化。用電子學(xué)方法進(jìn)行電場(chǎng)強(qiáng)度的監(jiān)視時(shí)間是電子系統(tǒng)中等效的監(jiān)視時(shí)間是電子系統(tǒng)中等效RCRC的函數(shù)，它只能的函數(shù)，它只能在秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)是可行的，要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量大氣在秒量級(jí)的時(shí)間內(nèi)是可行的，要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量大氣電場(chǎng)強(qiáng)度則采用稱(chēng)之電場(chǎng)強(qiáng)度則采用稱(chēng)之旋轉(zhuǎn)式場(chǎng)磨儀旋轉(zhuǎn)式場(chǎng)磨儀，其原理是根，其原理是根據(jù)導(dǎo)體在電場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電荷原理，來(lái)測(cè)量大據(jù)

21、導(dǎo)體在電場(chǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電荷原理，來(lái)測(cè)量大氣電場(chǎng)。儀器由大氣電場(chǎng)感應(yīng)器、信號(hào)處理電路、氣電場(chǎng)。儀器由大氣電場(chǎng)感應(yīng)器、信號(hào)處理電路、顯示系統(tǒng)和雷暴警報(bào)器等四部分組成。顯示系統(tǒng)和雷暴警報(bào)器等四部分組成。大氣電場(chǎng)感應(yīng)器大氣電場(chǎng)感應(yīng)器 它由上、下兩片相互平的、有一定間距形狀、相似的它由上、下兩片相互平的、有一定間距形狀、相似的4 4葉片連接在一起的葉片連接在一起的對(duì)稱(chēng)扇形金屬片組成。下面的金屬片用來(lái)感應(yīng)電荷，固定不動(dòng)，稱(chēng)為定片。上對(duì)稱(chēng)扇形金屬片組成。下面的金屬片用來(lái)感應(yīng)電荷，固定不動(dòng)，稱(chēng)為定片。上面的金屬片由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)為動(dòng)片，并與地相聯(lián)接，它既起屏蔽定片的作面的金屬片由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，稱(chēng)為動(dòng)片，并與

22、地相聯(lián)接，它既起屏蔽定片的作用，又使葉片暴露于大氣電場(chǎng)中。用，又使葉片暴露于大氣電場(chǎng)中。 當(dāng)動(dòng)片旋轉(zhuǎn)時(shí)，定片便交替地暴露在大氣電場(chǎng)中，由此產(chǎn)生交變電信當(dāng)動(dòng)片旋轉(zhuǎn)時(shí)，定片便交替地暴露在大氣電場(chǎng)中，由此產(chǎn)生交變電信號(hào)，信號(hào)的大小與大氣電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。號(hào)，信號(hào)的大小與大氣電場(chǎng)強(qiáng)度成正比。地面大氣電場(chǎng)儀原理方框圖地面大氣電場(chǎng)儀原理方框圖馬馬達(dá)達(dá)馬馬達(dá)達(dá)控控制制電電路路定片定片動(dòng)片動(dòng)片信號(hào)處理電路信號(hào)處理電路 時(shí)標(biāo)電路時(shí)標(biāo)電路雷暴警報(bào)器雷暴警報(bào)器記錄器記錄器打印機(jī)打印機(jī)接觸電刷接觸電刷1 1）大氣電場(chǎng)感應(yīng)器）大氣電場(chǎng)感應(yīng)器 2 2）信號(hào)處理電路）信號(hào)處理電路3 3）顯示系統(tǒng)）顯示系統(tǒng)4 4）雷暴警報(bào)器）

23、雷暴警報(bào)器 當(dāng)動(dòng)片旋轉(zhuǎn)時(shí)，它對(duì)定片起周期性的屏蔽作用，于是定片一會(huì)完當(dāng)動(dòng)片旋轉(zhuǎn)時(shí)，它對(duì)定片起周期性的屏蔽作用，于是定片一會(huì)完全暴露于大氣中，一會(huì)兒則完全屏蔽掉，有時(shí)只露出一小部分。如果定全暴露于大氣中，一會(huì)兒則完全屏蔽掉，有時(shí)只露出一小部分。如果定片有面積為片有面積為S S暴露于大氣中，在它上面出現(xiàn)感應(yīng)電荷暴露于大氣中，在它上面出現(xiàn)感應(yīng)電荷Q，則有，則有其中其中Q Q是定片上的面電荷密度。由于對(duì)金屬導(dǎo)體表面的場(chǎng)強(qiáng)與電荷密度是定片上的面電荷密度。由于對(duì)金屬導(dǎo)體表面的場(chǎng)強(qiáng)與電荷密度有關(guān)系有關(guān)系 由此可得板上的電荷與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系為由此可得板上的電荷與場(chǎng)強(qiáng)的關(guān)系為 如果定片與接地的電阻如果定片與接地的電

24、阻R R相接，則當(dāng)定片完全屏蔽時(shí)，其上的相接，則當(dāng)定片完全屏蔽時(shí)，其上的電荷經(jīng)電阻電荷經(jīng)電阻R R流向大地。由于定片被動(dòng)片周期性屏蔽，定片上的電荷周流向大地。由于定片被動(dòng)片周期性屏蔽，定片上的電荷周期性地通過(guò)電阻期性地通過(guò)電阻R R流向大地，這樣在流向大地，這樣在R R上產(chǎn)生交變電流信號(hào)，這一電流極上產(chǎn)生交變電流信號(hào)，這一電流極微弱，它通過(guò)信號(hào)處理電路處理。微弱，它通過(guò)信號(hào)處理電路處理。 4E ESQ4QS 信號(hào)處理電路，它將交變電信號(hào)進(jìn)行放大等處理為顯示系統(tǒng)所要求的信號(hào)； 顯示系統(tǒng)，它可以用示波器，或用打印機(jī)、或記錄器等顯示大氣電場(chǎng)信號(hào); 雷暴警報(bào)器，根據(jù)測(cè)量的電場(chǎng)的大小和變化，預(yù)測(cè)雷暴出現(xiàn)

25、的可能，并發(fā)布近距離雷暴警報(bào)。 下圖是下圖是MalanMalan和和Schonland(1950)Schonland(1950)所描述的另一種電磨儀器所描述的另一種電磨儀器, , 該該儀器能響應(yīng)小于儀器能響應(yīng)小于1 1毫秒的電場(chǎng)變化毫秒的電場(chǎng)變化, , 它是由多葉的接地圓盤(pán)它是由多葉的接地圓盤(pán), , 位于固位于固定的電極上旋轉(zhuǎn)，這些固定電極以凸觸式的圓釘安裝在絕緣盤(pán)上，且定的電極上旋轉(zhuǎn)，這些固定電極以凸觸式的圓釘安裝在絕緣盤(pán)上，且與接地負(fù)載電阻與接地負(fù)載電阻R R并聯(lián)，并聯(lián)，R R兩端產(chǎn)生的電位兩端產(chǎn)生的電位V V送入示波器顯示。送入示波器顯示。 葉片為葉片為N N的旋轉(zhuǎn)盤(pán)以的旋轉(zhuǎn)盤(pán)以n n轉(zhuǎn)

26、轉(zhuǎn)/ /秒轉(zhuǎn)動(dòng)秒轉(zhuǎn)動(dòng)，其輸出的交流電壓頻率為，其輸出的交流電壓頻率為Nn /Nn /秒，秒，可對(duì)可對(duì)2020伏伏/ /米的電場(chǎng)產(chǎn)生米的電場(chǎng)產(chǎn)生1 1厘米的位移厘米的位移，響應(yīng)時(shí)間為，響應(yīng)時(shí)間為0.40.4毫秒。毫秒。 為指示電場(chǎng)為指示電場(chǎng)方向，在圓盤(pán)徑向切出兩個(gè)較其它槽方向，在圓盤(pán)徑向切出兩個(gè)較其它槽深的、相對(duì)著的長(zhǎng)槽，然后在靠近軸深的、相對(duì)著的長(zhǎng)槽，然后在靠近軸的地方裝上一對(duì)額外的凸觸式的圓釘?shù)牡胤窖b上一對(duì)額外的凸觸式的圓釘，當(dāng)這對(duì)凸觸式的圓釘每半周暴露一，當(dāng)這對(duì)凸觸式的圓釘每半周暴露一次時(shí)，就造成訊號(hào)突增，這樣當(dāng)電場(chǎng)次時(shí)，就造成訊號(hào)突增，這樣當(dāng)電場(chǎng)為正時(shí)，在顯示波形的一邊有指示，為正時(shí)，在

27、顯示波形的一邊有指示，否則在另一邊有指示。否則在另一邊有指示。 R RV V金屬翼輪金屬翼輪帶凸帶凸觸式觸式的圓的圓釘絕釘絕緣環(huán)緣環(huán)支支架架驅(qū)動(dòng)帶驅(qū)動(dòng)帶水銀接地杯水銀接地杯靜電場(chǎng)計(jì)靜電場(chǎng)計(jì) 閃電定位的方法可分為兩種：?jiǎn)握径ㄎ缓投嗾径ㄎ环?（1）單站定位法 單站定位系統(tǒng)是利用閃電電磁場(chǎng)相位差閃電電磁場(chǎng)相位差和閃電天、地波到達(dá)時(shí)間差和閃電天、地波到達(dá)時(shí)間差的原理的原理而制作的?？梢詼y(cè)量250公里范圍內(nèi)地閃的方位、距離、強(qiáng)度和極性。 閃電定位儀的原理方框圖如下圖所示，小型化偶極子電場(chǎng)天線位于正交環(huán)狀磁場(chǎng)天線的對(duì)稱(chēng)軸上方，外面用玻璃鋼罩保護(hù)。 三通道接收機(jī)由前置放大器、濾波器和線性放大器組成，磁場(chǎng)通道

28、另加有積分器電路，通帶寬為5003.50105Hz，增益設(shè)高、中、低三擋。信號(hào)的高速采樣器，采樣速率有10,5,2.5,1.25,0.625,0.3125,0.15625,0.078125108/s共八擋。閃電單站定位儀原理方框圖 觸發(fā)控制器由模數(shù)電路構(gòu)成的云地閃識(shí)別器，其功能是區(qū)別地閃和云閃。它只接收地閃信號(hào)，拒絕云閃信號(hào)及非閃電干擾。 云地閃鑒別器軟件具有更強(qiáng)的甄別功能，以在復(fù)雜的干擾條件下能正確無(wú)誤地只接收地閃信號(hào)。 信號(hào)實(shí)時(shí)處理軟件進(jìn)行地閃信號(hào)的測(cè)向、測(cè)距、強(qiáng)度和極性等計(jì)算。對(duì)于140公里以?xún)?nèi)的地閃，主要根據(jù)甚低頻（ELF）頻段幾個(gè)頻率的閃電電磁波相位差與距離的關(guān)系測(cè)距。對(duì)于140公里

29、以外的地閃，根據(jù)改進(jìn)了的地波和一次天波到達(dá)時(shí)間差方法測(cè)距。 系統(tǒng)終端給出地閃的方位、距離、強(qiáng)度和極性等參數(shù)，以及彩色圖象顯示結(jié)果。 采用單站測(cè)量只能確定閃電的方向，如要確定雷電的位置，則必須由多個(gè)測(cè)站完成。 雷暴的多站定位 利用兩個(gè)或多個(gè)測(cè)站確定雷暴位置的方法。在單個(gè)測(cè)站上利用由兩個(gè)相同的垂直的環(huán)形天線，分別指向南北和東西的定向儀，接收閃電發(fā)出的訊號(hào)。 磁定向法(MDF) 閃電訊號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA)定位法； 磁定向(MDF)和訊號(hào)到達(dá)時(shí)間(TOA)綜合法。 閃電產(chǎn)生大量電磁脈沖，但是只有其中的一個(gè)很關(guān)鍵，在地面閃擊源定位中使用，如右圖，顯示了在60公里范圍處的典型的閃電放電產(chǎn)生的電磁輻射場(chǎng)脈沖，右圖（a）是云閃，右圖（b）是第一回?fù)?，右圖（c）是隨后閃擊，應(yīng)用合適的電子設(shè)備儀器，僅使第一回?fù)綦姶挪ㄍㄟ^(guò)，而拒絕云閃電磁波。 在距閃電60km處的輻射場(chǎng)磁定向跟蹤法（MDF) 磁定向跟蹤法經(jīng)十年的努力在美國(guó)