多普勒天氣雷達遙測下的雷電風險識別系統(tǒng)

吳嘉偉，姜淑楊，袁晶，顧沛澍，繆燕

（南通市氣象局，江蘇南通 226006）

雷電災害的危險評估就是以雷電及其災害的特點為依據(jù)，對其所造成的人身傷亡、財產(chǎn)損失程度以及損害程度等進行全面危險程度的計算，因此，其對建筑工程的選型及功能分區(qū)布局、防雷類型及防雷措施的選擇，都具有一定的參考價值。目前，許多科研機構(gòu)和專業(yè)的防雷技術(shù)機構(gòu)在雷電風險識別方面開展了較多的研究工作。

文獻[1]提出了基于多源數(shù)據(jù)融合的識別方法，該方法以災害風險、氣象數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對致災因子、承災體等因子與風險之間的定量聯(lián)系進行了深入探討，并構(gòu)建了評估指標及層級分析的數(shù)學框架；采用了模糊綜合評判、聚類分析等技術(shù)，實現(xiàn)了風險評估和分類；文獻[2]提出了基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM 的識別方法，該方法以氣象雷達三維網(wǎng)格數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，利用SMOTE 方法將多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與SVM 方法相融合，以達到對雷電檢測的目的。

在部分縣城和農(nóng)村地區(qū)，大量的住宅建筑相互連接，構(gòu)成了一個大型的區(qū)域建筑群體。同時，在某些化學設(shè)施中，很多化學裝置之間通過輸送管線連接而形成一個大型整體性的裝置。為了保證雷電風險識別效果，將上述建筑、設(shè)備群分別隔離成單獨的單個單元，設(shè)計了多普勒天氣雷達遙測下的雷電風險識別系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 雙通道收發(fā)式多普勒天氣雷達

雙通道收發(fā)式多普勒天氣雷達[3]由兩個方向（橫向和縱向）的發(fā)射端組成，雙通道方向的接收端在同一時間發(fā)出幅值和相位都完全一致的線性極化波束，得到45°的線性極化波束，兩個方向的接收端在同一時間內(nèi)對被測對象進行橫向和縱向的反向散射，從而獲得云和雨的極化多普勒數(shù)據(jù)，其是一種典型的多參量雷達站[4-5]。文中使用的雙通道收發(fā)式多普勒天氣雷達如圖1 所示。

圖1 雙通道收發(fā)式多普勒天氣雷達

從發(fā)射機中發(fā)送出來的高能量電磁波[6]通過功分器被一分為二，一端通過移相器發(fā)送到橫向發(fā)射信道；另一端通過衰減器發(fā)送到縱向發(fā)射信道，再通過方位雙絞鏈、橫縱軸雙絞鏈將電磁波發(fā)送到天線，再通過雙工器、號角發(fā)射[7-8]。電磁波分別經(jīng)過喇叭、雙工器、俯仰和方位雙絞鏈，經(jīng)過兩路T/R 發(fā)送和接收變換開關(guān)，分別傳送到發(fā)射機經(jīng)過預放大和混頻器[9]。將其混合成為一個中頻信號，然后傳送到數(shù)字中頻接收器中，將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號形式，最終將其傳送到信號處理器進行處理。

1.2 識別天線饋線

天線饋線部分的主要作用是將由傳輸部分所生成的高頻率電磁波能量傳遞給天線，使之有方向性地向空間輻射，并將從目標反射的電磁信號直接傳輸?shù)浇邮兆酉到y(tǒng)中[10]。天線饋線拋物面反射特性如圖2 所示。

圖2 天線饋線拋物面反射特性

由于雷達天線饋線段位于相同的透射段，因此要將透射段發(fā)射的高頻率能量分為兩個相位相同的通道，然后將這兩個通道分為橫射段和縱射段[11-12]，將含有橫射和縱射信息的回波通過正交模態(tài)耦合器合成，并將其分為橫射和縱射兩個通道，最終通過透射段將其放大并采集。

2 系統(tǒng)軟件部分設(shè)計

2.1 雷電云體自動識別

為了生成雷電云體識別區(qū)域，遍歷各個距離庫找出一個最大強度值的回波點。以該回波點為核心向周圍外推，以此確定雷電云梯識別區(qū)域[13-14]。

利用雷達站點[15-16]的經(jīng)緯數(shù)據(jù)定位其他站點在球面上的相關(guān)雷達站點(xi,yi)，表示為：

式中，r0表示地球半徑；(?0,θ0)表示任意點經(jīng)緯度；(?i,θi)表示雷達站經(jīng)緯度。

從雷電預警實際需求出發(fā)，構(gòu)建近似地作平面，任意點相對于指揮中心距離為di=。結(jié)合該計算結(jié)果，計算回波相對于雷達站在直角坐標系中的位置：

式中，β表示回波反射角度。基于此，得到的雷電云體識別的經(jīng)緯度值，表示為：

通過對各項因子的代數(shù)學和與其特征指數(shù)的對比，可以判斷出云體內(nèi)有無閃電現(xiàn)象或可能形成雷電。

2.2 雷電風險識別

在平面上建立n列m行的網(wǎng)格區(qū)域，每個網(wǎng)格的邊長可根據(jù)面積的密度或網(wǎng)格的尺寸調(diào)整。根據(jù)該過程將多普勒天氣雷達遙測集合界定為格柵區(qū)域中的所有包括或部分包括于被評估項目所在區(qū)域的格柵集，如圖3 所示。

圖3 多普勒天氣雷達遙測網(wǎng)格化模型

對各個格點進行了相應(yīng)的風險性分析，得到了區(qū)域內(nèi)的風險性分布地圖，由此構(gòu)建的致災因子識別模型可表示為：

式中，M表示可能出現(xiàn)的危險事件數(shù)目；P表示雷電損害概率；L表示雷電損害出現(xiàn)的損失。根據(jù)模型G獲取四類因子指數(shù)和八種雷電風險如下：

1）雷電對建筑物閃擊A

G1：在距離建筑物3 m 以內(nèi)，因接觸器跨接電壓而引起的人身傷害和財產(chǎn)損失；G2：因電火花引起的火警或爆炸而引起的物質(zhì)損害；G3：由于電阻耦合器或感應(yīng)耦合器引起的過電壓，例如常規(guī)接地末端裝置的接地阻抗，而引起的裝置故障[17]。

2）建筑物附近閃擊B

G4：因雷擊使內(nèi)部裝置產(chǎn)生高壓而引起的電氣裝置失靈。

3）入戶建筑物線路閃擊C

G5：在室內(nèi)因雷電引起的電力線路震動所致的個人傷害；G6：因經(jīng)過維護設(shè)施的雷擊造成的人身損害；G7：由導線上過電壓導致錯誤，導線上的電流傳遞到室內(nèi)。

4）進入建筑物的線路附近閃擊D

G8：線路上產(chǎn)生的過電壓傳遞到建筑物內(nèi)部，導致內(nèi)部設(shè)備失效。

將致災因子危險性加權(quán)綜合，得到雷電風險識別結(jié)果：

式中，ωa、ωb、ωc、ωd分別表示雷電對建筑物閃擊A、建筑物附近閃擊B、入戶建筑物線路閃擊C、進入建筑物的線路附近閃擊D因子指數(shù)的權(quán)重。

3 系統(tǒng)應(yīng)用效果測試

3.1 應(yīng)用位置確定

將雷達布設(shè)在一所高校東苑的天氣觀測臺上，該雷達布設(shè)坐標為115°E，28°N，垂直90 m 的高度上。雷達采用國產(chǎn)及國外兩組數(shù)字式處理系統(tǒng)，工作頻率為5.6 Hz，工作波長為5.5 cm，工作波束寬為0.54°。該雷達既可同步發(fā)出橫向極化信號，又可交替發(fā)出縱向極化信號。

3.2 雷電數(shù)據(jù)導入

GIS 顯示平臺首先在Arcgis 中的Arcmap 中進行mxd 文件的加載，再將已完成的mxd 文件加載到系統(tǒng)平臺中，之后對mxd 文件進行相應(yīng)的處理。然后將經(jīng)緯度、時間、幅度等雷電數(shù)據(jù)輸入GIS，并統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式。最后通過GIS 中的“添加數(shù)據(jù)”按鈕，將東向作為X軸，將北向作為Y軸，將雷電數(shù)據(jù)坐標轉(zhuǎn)換成GIS 中的坐標，此時所加載的雷電數(shù)據(jù)呈現(xiàn)在GIS地圖上，如圖4 所示。

圖4 閃電數(shù)據(jù)加載

由圖4 發(fā)現(xiàn)的三種雷擊流序列實際雷擊風險如圖5 所示。

圖5 實際雷擊風險

由圖5 可知，雷擊流序列1 未達到雷擊點與屏蔽空間最近距離，不會對建筑造成影響；雷擊流序列2達到雷擊點與遮擋空間的最近距離，如果未達到表明其會對建筑產(chǎn)生一定的沖擊，但是沒有對建筑的內(nèi)部產(chǎn)生影響；雷擊流序列3 超過雷擊點與屏蔽空間最遠距離，說明會對建筑造成嚴重影響。

3.3 應(yīng)用效果分析

分別使用文獻[1]基于多源數(shù)據(jù)融合的識別方法、文獻[2]基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM 的識別方法和所提多普勒天氣雷達遙測識別系統(tǒng)對圖5 的三個雷擊流序列進行識別。得到雷擊風險識別效果如圖6所示。

由圖6 可知，使用多源數(shù)據(jù)融合識別系統(tǒng)與實際識別結(jié)果相差較大，尤其是雷擊流序列3，在時長為11 min 時，最終識別距離分別為90 m、148 m、150 m；使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和SVM 識別系統(tǒng)得到的三種雷擊流序列識別結(jié)果與實際序列不一致，且在時長為11 min 時，最終識別距離分別為90 m、150 m、350 m；使用多普勒天氣雷達遙測識別系統(tǒng)在不同雷擊時長下的識別距離存在一定差別，但在時長為11 min時，最終識別距離分別為125 m、200 m、380 m，與實際距離一致。

4 結(jié)束語

為準確分析雷災風險，從硬件和軟件兩方面設(shè)計了多普勒天氣雷達遙測下的雷電風險識別系統(tǒng)，并且重點設(shè)計了多普勒天氣雷達遙測網(wǎng)格化模型。實驗結(jié)果表明，設(shè)計系統(tǒng)充分發(fā)揮了多普勒天氣雷達遙測技術(shù)在雷電風險識別方面的功能，可以為有關(guān)科研人員提供精準的識別結(jié)果。