防雷技术与科学-08 第八章.ppt

第 八 章 雷电定位 雷电监测定位技术是通过对闪电辐射的声、光、电磁场信息的测量，进而确定闪电放电的空间位置和放电参数。 目前采用的主要手段有声、光和电磁场（包括无线电测向技术）3类。 短暂的闪电放电辐射出了从VLF（very low frequency ，甚低频）至UHF（ultra high frequency，特高频）很宽频带的电磁脉冲，频率范围从极低频到特高频，其中以VLF/LF（low frequency，低频）辐射为最强。 8.1 概 述 雷暴接近时的特征不是很明显，例如，当暴风雨和雷电的景象受到阻挡或当某地区附近的噪音盖过了雷声时，就无法感知雷暴接近。 通常，雷电预警的第一线防御是通过视觉观察移近的雷暴并通过“声光差”进行雷电定位，计算看到闪电与听到雷声的时间间隔。声音每秒传播大约五分之一英里(约三分之一千米)，光从闪电处传到观测者的位置仅需很短时间，光速为186000英里每秒(300000 km／s)，所以在闪电发生的位置和观测者所在的位置之间的距离上，声光差大约是5秒每英里(约3 s／km)。 雷电发生时，确保安全常用的30--30规则(30秒--30分)就是这个道理。 第一个30：第一次听到雷声距离雷电发生的时间为30秒时寻找安全的地方躲避，声光差30秒说明雷电大约在6英里(约10 km)远的地方； 第二个30：后续的雷声无论从多远的地方传来，都要在安全地点等待30分钟(典型雷暴的持续时间)。 大情况下很难听到雷声，尤其是发生在6英里外的闪电的雷声。对于发生在海岸附近闪电来说，听见雷声很重要，但通常很难听到，因为海浪的拍打会发出很大的声音与雷声对抗。 另一种很难听到雷声的情况是，当操作拖拉机、割草机等类似的电动设备时，机器的噪声会盖过其他任何声音。雷电引起的死伤的两个主要类型涉及开放水域和畜牧场，或许就是因为在那些环境里很难听到雷声导致的。 除了观察雷暴云和雷电及听雷声外，也可以利用探测雷暴和雷电的科学仪器得到的信息，可以给公众提供来自探测降水的天气雷达和直接探测雷电发生时间和位置的仪器的数据。 雷电探测和定位系统通常观测并处理表征雷电放电特性的射频(RF)信号。 大多数系统探测到的RF的频率范围是几千赫(kHz)到几百千赫，这也就是雷电回击辐射的电磁能量的频率范围。 听得见的天电是AM波段(300 kHz到3 MHz)中频率较低的部分，这部分电磁波是约50 km(约30英里)范围以内雷电发生的一个很好的指示器。距离较远而能量较强的雷电产生的瞬时天电和距离较近而能量较弱的雷电产生的瞬时天电水平相似，并且发生在既定位置的不同的闪电可以产生一个宽频带的RF信号，所以单个闪电的精确探测范围是不可能得到的，但可以确定的是，天电越强烈，闪电越近。 简单的单站雷电定位设备，大多数工作起来像AM收音机一样，利用天电的幅度来估算单个闪电的距离，但是这种设备的精度不够。 另一些单站设备利用光学探测器或与一个RF振幅探测相结合的磁定向仪。 一般情况，只有同时联合使用多个安装在不同地点的RF探测器时，才有可能得到闪电的精确位置。 单个的配有敏感电子仪器的电磁场探测器可以探测到几千千米远的闪电的发生。 实际上，极低频(ELF：3 Hz～3 kHz)和甚低频(VLF：3 kHz～30 kHz)的低频部分的闪电信号环绕地球传播时衰减很少。 频率超过几千赫兹的闪电电磁信号以所谓的“波导模式”传到很远的地方，即在电离层(大约在距地球表面90 km的高度处)和地球表面之间重复反弹传播。而那些低频信号(低于波导模式)直接在地面和电离层之间传输(以准横向电磁波模式)。 最精确的RF地闪击地点定位系统的精度可以在直径数百到上千千米的面积上达到1km以内。这些系统需要利用空间上分开的多个精确的、同步的探测设备。 对于这样的预警系统，最好的例子就是北美闪电探测网(NALDN)，该探测网由大约150个地基电场和磁场探测器组成，它们探测到的闪电数据通过卫星传送到一个中心站，中心站处理完这些数据后给㈩美国和加拿大大陆上雷击点的位置。 北美闪电探测网的探测器探测频带为几十kHz到几百kHz。 我国的雷电监测定位技术是从20世纪80年代末开始发展起来的，目前有几百个低频雷电定位系统的测站，主要由气象、电力、电信、民航等部门和军队建设和使用，这些系统在雷电及对流性灾害天气过程的监测、人工影响天气作业指挥、雷电防护等多方面得到了广泛应用。 据统计，目前有26个省（直辖市、自治区）气