雷電探測定位技術的新進展

李 卓，陳 健，王姝妹

(伊春市氣象局，黑龍江 伊春153000)

1 引言

雷電是自然界中最為壯觀的氣象現(xiàn)象之一，是地球生態(tài)系統(tǒng)重要的一部分，但同時也是造成損害最大的世界十大自然災害之一。根據(jù)氣象部門和勞動部門估算，我國年均雷擊傷亡人數(shù)超過1萬，其中死亡3 000多人，財產(chǎn)損失50－100億元。由于人類無法阻止和控制雷電的危害，為了盡量避免雷電所造成的危害，近20 a來我國加強了對雷電的探測和雷電災害的防護。

目前，對雷電的探測主要是采用目測來獲得雷電發(fā)生時的起止時間、雷暴小時、雷暴日等。隨著我國遙感遙測、光電等技術的發(fā)展與進步，人們對雷電的探測又有了許多新的進展，特別是在地閃的監(jiān)測和定位方面實現(xiàn)了新的突破，可以較為準確地給出地閃發(fā)生的時間、位置、強度、極性和回擊數(shù)等信息。本文根據(jù)目前的發(fā)展現(xiàn)狀，對近年來雷電探測定位技術的發(fā)展進行總結，并介紹雷電探測定位技術的一些最新進展狀況。

2 雷電探測定位技術發(fā)展概況

雷電是發(fā)生在大氣中強烈的放電現(xiàn)象，雷電發(fā)生時會產(chǎn)生很高的電壓、電流、強烈的電磁輻射并伴隨閃光和雷聲等現(xiàn)象。可以采用對雷電產(chǎn)生時的光、聲、電磁等的測量，獲得雷電發(fā)生的時間、空間和放電等參數(shù)與信息，這種探測雷電的方法稱為閃電定位技術。

對雷電探測定位的方法目前主要分為光、聲和電磁場（包括無線電測向技術）三種。對雷電探測定位的技術方法分為地基探測定位技術和星載探測定位技術兩大類。

3 雷電探測定位技術的新發(fā)展

3.1 三維閃電探測系統(tǒng)

目前，“三維閃電探測系統(tǒng)研制”是科技部和科研院所的專項開發(fā)技術之一，目的是開發(fā)完整的云閃、地閃和云內特殊放電事件的三維全閃探測和定位系統(tǒng)。基于對閃電VHF和VLF/LF的輻射信號進行同步聯(lián)合分析，采用時差定位技術，利用脈沖匹配、閃電波形匹配、頻譜分析和時域相關等手段，獲得對閃電輻射事件的三維探測。

2011年1月至2013年12月主要開展了三個方面的工作:(1)野外觀測及數(shù)據(jù)分析。在2011年春、夏季廣州從化地區(qū)的野外試驗和觀測，獲得了一組質量較高的多站閃電同步觀測數(shù)據(jù)。在VHF頻段基于脈沖匹配方法得到脈沖源的三維反演，同時在VLF/LF頻段采用時域相關和波形匹配技術獲得閃電輻射源的二維定位;(2)對探測系統(tǒng)進行硬件集成。將VHF寬帶天線、VLF/LF電場變化傳感器、采集記錄系統(tǒng)以及GPS時鐘等模塊集成在一起。高精度的GPS授時系統(tǒng)提供時間基準，在VHF頻段完成雷電輻射脈沖的記錄，在VLF/LF頻段完成對完整的電場變化波形的記錄;(3)基于定位誤差的模擬實驗研究。通過計算機仿真軟件的重現(xiàn)，對比由模擬不同站點布局方式獲得的定位精度作為布站方案的參考［1］。

3.2基于靜止氣象衛(wèi)星平臺的閃電探測系統(tǒng)

2011年，中國科學院上海技術物理研究所憑借已有較成熟的探測儀器，對靜止氣象衛(wèi)星平臺觀測中的閃電信號的目標背景特性開展了細致的分析，從而設計出基于靜止氣象衛(wèi)星平臺的閃電探測系統(tǒng)。

該系統(tǒng)基于靜止氣象衛(wèi)星上的現(xiàn)有條件，穩(wěn)步獲得了閃電信號的大范圍、長時間、不間斷觀測，并考慮了閃電信號的背景特性，在處理算法和光學系統(tǒng)上根據(jù)目標背景特性做了相應的設計、改造和完善，達到及時、準確、有效地捕獲閃電信號，從而實現(xiàn)對閃電信號的有效探測［2］。

此類閃電探測系統(tǒng)可實現(xiàn)對地表很大區(qū)域的覆蓋，并有效標識記錄閃電發(fā)生的地點和時間，準確測量出閃電信號的輻射能量，測量穩(wěn)定性較高，可以長時間實現(xiàn)白天、夜間對云內及云地閃電的探測。此類閃電探測系統(tǒng)相對于以前的星載閃電探測系統(tǒng)有三點不同:空間分辨率較高，能完成10 km左右分辨情況下的穩(wěn)定探測;可實現(xiàn)連續(xù)時間下對閃電信號的探測；具有較廣泛的探測率，可以探測視野范圍內幾乎所有的閃電信號［2］。

3.3 光頻段雷電探測系統(tǒng)

光頻段雷電探測系統(tǒng)的關鍵部分為光頻雷電探測模塊和光頻雷電記錄模塊，該探測系統(tǒng)首先由光頻雷電探測模塊判斷是否有雷電產(chǎn)生，若判斷有雷電產(chǎn)生，則通過光頻雷電探測模塊來觸發(fā)光頻雷電記錄模塊，從而對雷電圖像進行記錄。

該系統(tǒng)將時差定位法引入到了光頻雷電定位中，并利用Matlab中的Simulink模塊對系統(tǒng)結構進行建模和仿真，得到了較為理想的結果。但該系統(tǒng)主要是針對云地閃，且其檢測精度還需進一步提高［3］。

3.4 雷電的聲光電磁綜合探測定位系統(tǒng)

近期，中國氣象科學研究院的張義軍研究員在成都信息工程學院的學術報告會上指出，我國正在研制集聲、光、電、磁探測技術于一體的閃電綜合探測定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)是以光信號作為觸發(fā)信號，該閃電綜合探測定位系統(tǒng)的研制將會加快我國雷電研究的發(fā)展，進一步提高我國雷電探測定位技術的科技水平。

4 結束語

通過對雷電探測定位資料的研究與分析，一方面可以進一步深化對閃電形成機理的認識，提供可用于防雷產(chǎn)品和防雷工程設計的可靠實驗數(shù)據(jù)；另一方面，利用雷電探測定位系統(tǒng)，結合雷達、地面氣象觀測系統(tǒng)，通過研究強風暴的動力、微物理等特征，從雷電的角度研究強對流風暴的冰雹、突發(fā)性暴雨等局地氣象災害的臨近預報方法和技術，為我國災害性天氣過程的監(jiān)測和預測提供新的手段，從而提高我國短時災害性天氣的預報水平。

[1]董萬勝.三維閃電探測系統(tǒng)研制[J].中國氣象科學研究院年報（英文版），2007：45-46.

[2]高松.基于靜止氣象衛(wèi)星平臺的閃電探測[J].科學技術與工程，2007，7（9）：2032-2036.

[3]劉辛.光頻段雷電探測技術的研究[D].華中科技大學博士論文，2010：53-57，9-97.