雷电探测1高级课堂.ppt

第二章第二章 电场仪的工作原理及其在雷电电场仪的工作原理及其在雷电预警中的应用预警中的应用§1 电场探测仪电场探测仪 §1.1 地面电场仪地面电场仪 §1.2 空中电场仪空中电场仪§2 电场仪资料在雷电监测预警中的应用电场仪资料在雷电监测预警中的应用 §2.1 反推电荷结构反推电荷结构 §2.2 揭示雷暴的起电程度揭示雷暴的起电程度§3 电场资料应用时的注意事项电场资料应用时的注意事项 §3.1 安装环境安装环境 §3.2 近地面电晕离子对雷暴地面电场的影响近地面电晕离子对雷暴地面电场的影响1高等课堂2高等课堂§§1 1 电场探测仪电场探测仪l原理原理：： 电场探测一般采用导体在电场中产生电场探测一般采用导体在电场中产生感应感应电荷电荷的原理l分类分类：： 从测量的对象上可分为从测量的对象上可分为地面地面大气电场探测，大气电场探测，空中空中电场探测及电场探测及空间空间电场探测电场探测l大气电场强度是大气电学的基本参数，在晴天电学、雷暴电学以及闪电的研究中，都有重要意义，在雷暴和闪电监测中具有重要作用3高等课堂§§1.1 1.1 地面电场仪地面电场仪( (场磨式电场仪场磨式电场仪Electric Field Mill) )l地面电场仪可以测量地面电场仪可以测量地面地面大气电场的大气电场的强强度度和和极性极性，可对对流云的，可对对流云的起电过程起电过程进行进行连续监测。

连续监测l既可既可单独使用单独使用记录局地雷电情况，又可记录局地雷电情况，又可用于用于联网监测联网监测空中电结构空中电结构4高等课堂(1) (1) 感应器的组成感应器的组成Ä定片（感应片，又称定子）定片（感应片，又称定子）Ä动片（接地屏蔽片，又称转子）动片（接地屏蔽片，又称转子）Ä直流电机直流电机Ä前置放大器前置放大器Ä同步信号发生器等部分组成同步信号发生器等部分组成5高等课堂l定片和动片是一圆板开六（四）等分的定片和动片是一圆板开六（四）等分的扇形面扇形面l定片定片：感应电场信号，与机架绝缘感应电场信号，与机架绝缘l动片动片：定片上方，由直流电机带动旋转，接地定片上方，由直流电机带动旋转，接地l 动片转动时定片在电场中交替地被屏蔽和暴露，产生动片转动时定片在电场中交替地被屏蔽和暴露，产生感应的交变信号感应的交变信号l前置放大器前置放大器：放大很微弱的信号放大很微弱的信号l小叶片小叶片：形状与定片相似，也由电机带动旋转，并通过光：形状与定片相似，也由电机带动旋转，并通过光电开关的缺槽口使光电开关产生同步参考脉冲，用于鉴别电开关的缺槽口使光电开关产生同步参考脉冲，用于鉴别电场信号的极性。

电场信号的极性6高等课堂Ä定片感应的交变信号定片感应的交变信号, , 经前置放大器放大和经前置放大器放大和光电开关产生的同步信号一起从感应器输出光电开关产生的同步信号一起从感应器输出, , 经长屏蔽电缆接到主机上经长屏蔽电缆接到主机上Ä主机把信号进一步放大主机把信号进一步放大, , 相敏检波器在经过相敏检波器在经过整形分相的同步脉冲作用下鉴别出交变电场整形分相的同步脉冲作用下鉴别出交变电场信号的正负极性信号的正负极性, , 通过低通滤波器得到相应通过低通滤波器得到相应的直流信号输出的直流信号输出7高等课堂8高等课堂(2) (2) 感应原理感应原理l在静电场在静电场E中放置一块金属导体，导体表面就会产生中放置一块金属导体，导体表面就会产生感应电荷，感应面电荷密度为：感应电荷，感应面电荷密度为：          其其中中  为为空空气气中中的的介介电电常常数数，，一一般般取取真真空空介介电电常常数数     ，，K是是由由于于导导体体放放入入引引起起的的电电场场畸畸变变系系数数，，如如果果金金属属导导体表面积为体表面积为S，则导体上产生的感应电荷量，则导体上产生的感应电荷量            为：为：9高等课堂l当转子和定子的叶片完全重叠时，由于接地转子的屏蔽作当转子和定子的叶片完全重叠时，由于接地转子的屏蔽作用，电力线不能到达定子叶片上，感应电荷为用，电力线不能到达定子叶片上，感应电荷为0 0；随着转子；随着转子的转动，定子叶片逐渐露出，感应电荷逐渐增大。

因此，的转动，定子叶片逐渐露出，感应电荷逐渐增大因此，定子上的电荷呈周期性变化：定子上的电荷呈周期性变化：l可通过测量电流的大小进而推得电场的大小：可通过测量电流的大小进而推得电场的大小：l若感应导体的电容量为若感应导体的电容量为C C，则产生的感应电压为：，则产生的感应电压为：      电容：电容：表征电容器容纳表征电容器容纳电荷电荷的本领的的本领的物理物理量把电容器的两极板间的电势差量把电容器的两极板间的电势差增加增加1伏所需的伏所需的电量电量，叫做电容器的电容叫做电容器的电容10高等课堂11高等课堂 采用采用倒置结构倒置结构使电场仪使电场仪能在恶劣能在恶劣天气条件天气条件下工作下工作12高等课堂13高等课堂电场仪探头结构 14高等课堂实验区及电场仪位置实验区及电场仪位置15高等课堂项目任务与考核目标项目任务与考核目标16高等课堂(3) 主要性能参数主要性能参数2XDD-03/E型大气电场仪型大气电场仪17高等课堂18高等课堂雷暴电场与电荷结构雷暴电场与电荷结构l可以根据电场波形变化特可以根据电场波形变化特征来反演雷暴电和结构征来反演雷暴电和结构19高等课堂具有偶极结构雷具有偶极结构雷暴云产生的电场暴云产生的电场具有三极结构雷具有三极结构雷暴云产生的电场暴云产生的电场根据电场波形变化特征来反推雷暴电荷结构根据电场波形变化特征来反推雷暴电荷结构20高等课堂根据电场波形变化特征来反推雷暴电荷结构根据电场波形变化特征来反推雷暴电荷结构整个雷暴过程地面整个雷暴过程地面电场均为电场均为( (或主要为或主要为) )正电场正电场 整个雷暴过程地面整个雷暴过程地面电场均为（或主要为）电场均为（或主要为）负电场负电场 雷暴当顶时地面电场雷暴当顶时地面电场为正电场，之后电场为正电场，之后电场转变为负电场，整个转变为负电场，整个变化波形呈波浪形变化波形呈波浪形 21高等课堂利用地面电场反推空间电场利用地面电场反推空间电场l通常雷暴可在地面产生几通常雷暴可在地面产生几kV/m的电场，而在的电场，而在自然尖端如灌木、草丛等各种接地的突出尖端自然尖端如灌木、草丛等各种接地的突出尖端上的电场将比环境电场大几十乃至几百倍。

上的电场将比环境电场大几十乃至几百倍l当环境地面电场超过一定的阈值，一般为几当环境地面电场超过一定的阈值，一般为几kV/m时，自然尖端上便发生电晕放电，从而时，自然尖端上便发生电晕放电，从而向空间释放离子，形成厚达几百米的空间电荷向空间释放离子，形成厚达几百米的空间电荷屏蔽层并影响地面电场屏蔽层并影响地面电场 22高等课堂l地面和地面和440 m，，600 m高度上的高度上的雷暴电场测量结雷暴电场测量结果果23高等课堂(4) (4) 标定标定•电场仪的标定一直是人们所研究的课题电场仪的标定一直是人们所研究的课题•一般，以一般，以库仑定律库仑定律为基础，用电荷量为已知的为基础，用电荷量为已知的带电体在已知的距离处产生的电场为一定来标带电体在已知的距离处产生的电场为一定来标定•这种带电体可用一个球体、一条悬空导线这种带电体可用一个球体、一条悬空导线•用得最多且标定精度最佳的是：两平行导电板用得最多且标定精度最佳的是：两平行导电板构成的构成的平板电容式电场标定装置平板电容式电场标定装置24高等课堂•改变两板间的电压改变两板间的电压————改变电场值改变电场值————电场仪输出信号值改变电场仪输出信号值改变————得得到不同电场值下所对应的电场仪输出信号大小的一条曲线到不同电场值下所对应的电场仪输出信号大小的一条曲线- -即即标定曲线标定曲线。

•此外，感应器盖内装有一块与外壳绝缘的平板，此外，感应器盖内装有一块与外壳绝缘的平板， 可对仪器进行简易标可对仪器进行简易标定由于平板与定片间距离很近，只需加很低的电压便可标定，但板定由于平板与定片间距离很近，只需加很低的电压便可标定，但板间距离小，产生畸变大，这种标定是较粗略的间距离小，产生畸变大，这种标定是较粗略的•电电场场的的标标定定应应当当在在一一个个已已知知数数值值的的均均匀匀电电场场中中进进行行，，根根据据处处于于不不同同电电位位的的两两块块相相互互平平行行、、且且有有无无限限尺尺度度的的导导电电板板之之间间存存在在均均匀匀电电场场的的原原理理，，利利用用在在两两块块相相距距为为一一定定距距离离的的平平板板电电极极间间加加上上一一已已知知的的稳稳定定电电压压，，为为一一基基本本的的电电场场标标定定装装置置，，平平板板间间电电场场可可根根据据E=V/dE=V/d算出25高等课堂大气中的静电场问题可归结为在给定电荷分布和边界条件下求解泊松方程：求解三维泊松方程时，考虑七点差分格式；采用超松弛迭代法计算差分方程组；边界采用诺依曼边界七点差分格式(5) 测量结果的误差分析26高等课堂27高等课堂28高等课堂 29高等课堂1. 屏蔽距离2. 楼顶的测量结果与地面的关系模拟区域的俯视图侧视图建筑物截面积 W=40×40m2建筑物高度 h=0,20,50,100m30高等课堂模拟选用的雷暴云电荷结构选用一个二维对称的正偶极子结构，云底距地面高度为2km。

31高等课堂建筑物对邻近空间的静电场具有屏蔽作用32高等课堂模拟得到孤立建筑物的屏蔽距离与高度的比值33高等课堂由上表可以得出以下结论：•① 当建筑物的长、宽不变时，孤立建筑物的屏蔽距离随建筑物高度的增加而不断增大，屏蔽距离约为高度的1-3倍；•② 当雷暴云位于建筑物的正上方时，各向的屏蔽距离是相同的；当雷暴云不是位于建筑物正上方时，距雷暴云较近的一侧屏蔽距离大于较远的一侧34高等课堂建筑物形状引起顶部电场值的异常35高等课堂•1）当建筑物的长、宽不变时，影响屋顶中心处垂直电场变化的主要因素是建筑物的高度，而与雷暴云的位置基本无关•2）建筑物的高度越高，则其顶部的 垂直电场值增加越明显通过拟合可以得出在此条件下建筑物高度与电场变化量的关系式：• 36高等课堂建筑物对回击电场的影响 37高等课堂 雷击概率预测38高等课堂利用电场的随机击穿特性模拟39高等课堂 单体建筑物的雷击概率建筑正上方200m处始发闪电模拟结果（100次，建筑尺寸10*10m）40高等课堂41高等课堂 组合建筑物的雷击概率42高等课堂43高等课堂 地表起伏对雷击概率的影响 44高等课堂4）采用有限元等算法，采用变网格技术，进行人工）采用有限元等算法，采用变网格技术，进行人工引发雷电对空中飞行器雷击仿真研究引发雷电对空中飞行器雷击仿真研究；采用有限元等算法，采用变网格技术，进行人工引采用有限元等算法，采用变网格技术，进行人工引发雷电对空中飞行器雷击仿真研究发雷电对空中飞行器雷击仿真研究；45高等课堂46高等课堂 结论•随着建筑物高度的升高，其雷击概率和侧击概率也随之增加；•复杂单体建筑中主体建筑物的雷击概率随着附属建筑物高度的增加而减小；•处于闪电始发点正下方的建筑比远离闪电始发点的建筑更容易遭受雷击；•当建筑物处于高大山体周围时，其雷击概率要比位于平坦处小。

47高等课堂§§1.2 1.2 空中电场仪空中电场仪l空中电场的测量对研究雷暴云下及云内电结构以及起电机制具有空中电场的测量对研究雷暴云下及云内电结构以及起电机制具有重要意义同时人工触发闪电、避雷防雷、航天技术等部门也需重要意义同时人工触发闪电、避雷防雷、航天技术等部门也需要进行空中电场的测量要进行空中电场的测量, , 空中电场仪测量电场是很有前景的一种空中电场仪测量电场是很有前景的一种测量手段测量手段, , 目前国内尚属起步目前国内尚属起步l空中电场主要是将感应装置加载于空中电场主要是将感应装置加载于探空气球探空气球、、小火箭小火箭或或飞机飞机上进上进行空中电场廓线的测量，行空中电场廓线的测量，探空球方式操作简单，易于实现，但时探空球方式操作简单，易于实现，但时效性差效性差；；火箭方式可以探测到短时内的电场空间分布火箭方式可以探测到短时内的电场空间分布而空间电而空间电场的探测是将特殊的感应棒加载到空间探测卫星上进行的场的探测是将特殊的感应棒加载到空间探测卫星上进行的l测量方法：测量方法：电场磨法电场磨法和和电晕探针法电晕探针法48高等课堂       电机带动上下动片同时旋转电机带动上下动片同时旋转, 使上下定片通过感应窗口在电场中交使上下定片通过感应窗口在电场中交替地被屏蔽和暴露替地被屏蔽和暴露, 各自感应出交变信号。

同时动片在旋转时还通过光各自感应出交变信号同时动片在旋转时还通过光电开关管的槽口电开关管的槽口, 产生用于解调的同步信号产生用于解调的同步信号        空空中中电电场场仪仪设设计计成成一一个个光光滑滑圆圆柱柱体体, 上上下下开开感感应应窗窗口口形形成成双双电电场场仪仪, 在在感感应应舱舱内内装装有有上上感感应应电电极极上上定定片片、、上上动动片片、、下下感感应应电电极极下下定定片片、、下下动动片49高等课堂(2) (2) 场磨式空中电场仪的技术指标场磨式空中电场仪的技术指标50高等课堂51高等课堂52高等课堂53高等课堂注意事项注意事项l空中电场仪是用气球携带的空中电场仪是用气球携带的, , 要求体积小、质要求体积小、质量轻、耗电省量轻、耗电省l另外仪器的引入会使自然电场产生畸变另外仪器的引入会使自然电场产生畸变, , 为了为了得到尽可能均匀的曲率以减小空间电荷的释放得到尽可能均匀的曲率以减小空间电荷的释放, , 仪器表面要求光滑仪器表面要求光滑, ,尽量避免棱角或尖端尽量避免棱角或尖端54高等课堂反推电荷结构（反推电荷结构（————空中电场仪空中电场仪））一维高斯定理55高等课堂56高等课堂•16次探空得到的中尺度对流系统的电荷分次探空得到的中尺度对流系统的电荷分布布 57高等课堂5858高等课堂高等课堂GPS强电场电晕探空系统强电场电晕探空系统 探空仪实物图探空仪实物图探测量：电场垂直分量温度、相对湿度、GPS402M高增益天线5959高等课堂高等课堂电晕电流测量原理图6060高等课堂高等课堂探空数据接收终端单片机控制程序该程序基于MSCOMM控件，在Windows98/XP均能稳定运行，默认状态下自动实时以ASCII格式存储数据 6161高等课堂高等课堂16:29第二次探空，起电时段16:51~16:526262高等课堂高等课堂6363高等课堂高等课堂成熟期的雷暴温、压和电场，以及反演的电荷结构+ ++ +- -6464高等课堂高等课堂其他电场仪的设计•球形，三维电场测量•震动式6565高等课堂高等课堂。