閃電定位系統(tǒng)在“雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警”實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

摘"要：閃電定位是雷電預(yù)警的核心教學(xué)內(nèi)容，傳統(tǒng)教學(xué)多以理論為主，缺乏實(shí)踐操作。為提升教學(xué)效果，“雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警”課程實(shí)踐教學(xué)擬引入業(yè)務(wù)化閃電定位系統(tǒng)，結(jié)合教學(xué)安排及學(xué)生實(shí)際情況，設(shè)置閃電定位系統(tǒng)原理、系統(tǒng)設(shè)備器件、閃電定位算法與MATLAB編程實(shí)踐、公司參觀與野外觀測(cè)試驗(yàn)實(shí)踐四個(gè)主要學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)。在各個(gè)環(huán)節(jié)根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)進(jìn)度，因材施教，充實(shí)課堂教學(xué)內(nèi)容，擴(kuò)展野外教學(xué)實(shí)踐。實(shí)踐教學(xué)不僅能讓學(xué)生全面了解定位系統(tǒng)的整體構(gòu)成和技術(shù)細(xì)節(jié)，有效地增強(qiáng)學(xué)生的理論知識(shí)應(yīng)用和實(shí)際操作能力，還能與其他學(xué)科進(jìn)行交叉互融，鞏固已有學(xué)習(xí)成果。

關(guān)鍵詞：閃電定位系統(tǒng)；實(shí)踐學(xué)習(xí)；教學(xué)改革

Application"of"Lightning"Locating"Systems"in"the

Practical"Teaching"of"\"Thunderstorm"Monitoring"and"Warning\""Course

Shi"Dongdong

College"of"Electrical，Energy"and"Power"Engineering，Yangzhou"University"JiangsuYangzhou"225001

Abstract：Lightning"locating"is"the"core"teaching"content"of"the"thunderstorm"warning"course.Traditional"teaching"methods"have"mainly"focused"on"theory，lacking"practical"operations.To"improve"teaching"effectiveness，the"practical"componentnbsp;of"the"course"plans"to"incorporate"a"lightning"location"system.According"to"teaching"arrangements"and"students'"actual"situations，four"main"learning"modules"have"been"set"up：the"principles"of"lightning"location"systems，system"devices，location"algorithms"with"Matlab"practice，and"company"visits"and"field"testing.In"each"stage，students"will"be"taught"according"to"their"learning"progress，classroom"teaching"content"will"be"enriched，and"field"teaching"practice"will"be"expanded.This"practical"teaching"approach"not"only"helps"students"gain"a"comprehensive"understanding"of"the"overall"structure"and"technical"details"of"the"location"system，effectively"enhancing"their"theoretical"knowledge"and"practical"skills，but"also"promotes"interdisciplinary"integration，reinforcing"their"existing"learning"outcomes.

Keywords：lightning"locating"system；practical"learning；teaching"reform

據(jù)有關(guān)研究統(tǒng)計(jì)，在地球上任意時(shí)刻平均有2000多個(gè)雷暴同時(shí)發(fā)生，每秒產(chǎn)生超過(guò)100次閃電［1］，對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)和人民財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了重大威脅［24］。為了應(yīng)對(duì)自然雷電災(zāi)害，經(jīng)教育部批準(zhǔn)在一級(jí)學(xué)科大氣科學(xué)下設(shè)雷電科學(xué)與技術(shù)二級(jí)學(xué)科，以培養(yǎng)具有扎實(shí)防雷基礎(chǔ)技能［5］和深厚雷電科學(xué)研究理論［6］的高層次科研、教學(xué)和業(yè)務(wù)管理人才。

“雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警”［79］是防雷教學(xué)中實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)理論與工程應(yīng)用有機(jī)結(jié)合的重要途徑，《閃電定位系統(tǒng)》則是必不可少的教學(xué)章節(jié)。傳統(tǒng)教學(xué)僅在課堂上展示閃電輻射的電磁場(chǎng)波形、定位原理以及定位效果［1011］，講授內(nèi)容以理論知識(shí)為主，學(xué)生缺少實(shí)操練習(xí)與實(shí)物感受，難以對(duì)雷電知識(shí)形成系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。因此，有必要在“雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警”實(shí)踐教學(xué)中引入真實(shí)的閃電定位系統(tǒng)，提升學(xué)生對(duì)雷電定位的理解與認(rèn)知水平。

閃電定位系統(tǒng)包括硬件和軟件兩部分。根據(jù)定位系統(tǒng)的自身特點(diǎn)，我們?cè)O(shè)計(jì)了基于閃電定位系統(tǒng)的“雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警”課程實(shí)踐，以定位系統(tǒng)為主線打造教學(xué)實(shí)踐新模式，探索多學(xué)科和多課程融合的交叉實(shí)踐新范式。結(jié)合前期理論學(xué)習(xí)、中期參觀設(shè)備器件、后期定位算法編寫和體驗(yàn)野外觀測(cè)試驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)思路，實(shí)現(xiàn)理論教學(xué)內(nèi)容在課程實(shí)踐中的融會(huì)貫通。

1"閃電定位系統(tǒng)工作原理學(xué)習(xí)

閃電放電過(guò)程會(huì)產(chǎn)生頻譜范圍很寬的電磁波，通常包括甚低頻（VLF）、低頻（LF）、中頻（MF）、高頻（HF）和甚高頻（VHF）信號(hào)。這些電磁波通過(guò)大氣傳播，可以跨越較長(zhǎng)距離，因此能夠被遠(yuǎn)離的地面測(cè)站捕捉到。閃電定位系統(tǒng)通常是由多個(gè)測(cè)站組成，測(cè)站之間相距數(shù)十千米［12］，其工作原理就是基于對(duì)不同接收站采集到的電磁波信號(hào)進(jìn)行分析反演。本實(shí)踐環(huán)節(jié)以教師自身參與項(xiàng)目作為抓手，如下圖所示，這是筆者參與寧夏站網(wǎng)FALMA（Fast"Antenna"Lightning"Mapping"Array）［1314］建設(shè)的項(xiàng)目案例，通過(guò)用實(shí)際項(xiàng)目案例展示相關(guān)細(xì)節(jié)。

閃電定位系統(tǒng)示意圖

閃電定位系統(tǒng)包含多個(gè)分布在不同位置的接收站，這些接收站能夠接收閃電放電產(chǎn)生的電磁信號(hào)。系統(tǒng)根據(jù)各個(gè)測(cè)站所接收到的閃電信號(hào)進(jìn)行相關(guān)的分析和處理，來(lái)對(duì)閃電的發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行定位。

這里需要注意的是，理論學(xué)習(xí)中的閃電定位算法介紹是偏向基本概念，簡(jiǎn)單地向?qū)W生表述，讓學(xué)生對(duì)閃電定位系統(tǒng)有一個(gè)全面且感性的認(rèn)識(shí)即可。

2"閃電定位系統(tǒng)設(shè)備器件學(xué)習(xí)

本課程實(shí)踐中的定位設(shè)備來(lái)自寧夏FALMA測(cè)站，該測(cè)站共由24個(gè)子站構(gòu)成，每個(gè)子站均由天線、控制箱組成。天線部分由平板天線（接收信號(hào)）和放大器（放大信號(hào)）組成。控制箱內(nèi)有GPS（產(chǎn)品定位）、風(fēng)扇（散熱，溫度到達(dá)一定數(shù)值開啟）、路由器（使設(shè)備聯(lián)網(wǎng)，上傳數(shù)據(jù)）、數(shù)據(jù)采集卡（采集雷電數(shù)據(jù)）、工控機(jī)（處理接收到的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行存儲(chǔ)）、電源模塊（對(duì)設(shè)備進(jìn)行供電）、電源濾波器（濾除電源端的干擾）、溫度傳感器（測(cè)量溫度，控制風(fēng)扇開關(guān)）、防雷器（對(duì)設(shè)備進(jìn)行雷電防護(hù)）、空氣開關(guān)等設(shè)備。閃電產(chǎn)生的電磁信號(hào)經(jīng)平板天線接收轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，再由放大器處理后輸送至數(shù)據(jù)采集卡，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)高于采集的閾值時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡開始采集雷電信號(hào)。采集后的數(shù)字信號(hào)輸送至工控機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，配合高精度GPS為波形補(bǔ)充上具體時(shí)間信息，至此完成了閃電放電波形的采集與保存。波形可通過(guò)路由器聯(lián)網(wǎng)上傳至站網(wǎng)服務(wù)器，當(dāng)同一閃電放電事件被5個(gè)及其以上的測(cè)站檢測(cè)記錄時(shí)，可結(jié)合閃電到達(dá)時(shí)間差法對(duì)閃電輻射源的三維位置進(jìn)行反演。

由于每一個(gè)硬件都會(huì)涉及不同學(xué)科或課程內(nèi)容，這里以接收信號(hào)的平板天線為例進(jìn)行多學(xué)科融合拓展教學(xué)。其部件是一個(gè)反向連接的運(yùn)算放大器。將面積為A的金屬平板連接到運(yùn)算放大器的輸入端，金屬平板會(huì)隨著周圍環(huán)境中垂直電場(chǎng)的變化而感應(yīng)出電荷Q=ε0AeffE，其中ε0是真空介電常數(shù)，Aeff是感應(yīng)板的有效面積。當(dāng)雷暴引起地面電場(chǎng)變化時(shí)，金屬板上感應(yīng)的電荷也會(huì)隨之變化，由于運(yùn)放阻抗極大，因感應(yīng)電荷變化而產(chǎn)生的感應(yīng)電流i將流過(guò)反饋電路中的電阻R和電容C，如公式（1）所示：

i+VR+CdVdt=0（1）

將i=dQdt=ε0AeffdEdt代入公式（1），當(dāng)認(rèn)為閃電放電過(guò)程持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)小于時(shí)間常數(shù)τ=RC時(shí)，則輸出電壓為：

ΔV=-ε0AeffCΔE（2）

從公式（2）可以看到，電容C的取值影響增益，在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，通過(guò)調(diào)整R和C的取值，使儀器的增益和時(shí)間常數(shù)達(dá)到測(cè)量要求。

平板天線的接收原理與學(xué)生之前的模電課程集成運(yùn)放知識(shí)點(diǎn)密切相關(guān)，在講授放大器工作原理時(shí)可以幫助學(xué)生鞏固已學(xué)知識(shí)內(nèi)容。這不僅可以讓學(xué)生綜合運(yùn)用到電路、模電等課程知識(shí)，還能讓學(xué)生進(jìn)行電路設(shè)計(jì)和改良，提高解決復(fù)雜工程問(wèn)題的系統(tǒng)整合能力。

3"閃電定位算法與MATLAB編程實(shí)踐

3.1"閃電定位算法

在傳統(tǒng)理論教學(xué)中，閃電定位算法的講解以基礎(chǔ)理論為主，學(xué)生只了解到閃電定位是由時(shí)差法實(shí)現(xiàn)，至于如何使用時(shí)差法求解得到閃電的空間位置尚不清楚。以下是對(duì)閃電定位算法的詳細(xì)介紹。前文已說(shuō)明系統(tǒng)是基于不同測(cè)站所采集的閃電信號(hào)的時(shí)間差進(jìn)行定位。各個(gè)測(cè)站由于位置不同，且兩兩測(cè)站之間有一定的距離，因此接收到同一個(gè)閃電信號(hào)的時(shí)間有一定的差異，故在閃電定位算法中，需要對(duì)各個(gè)測(cè)站所接收到的閃電信號(hào)進(jìn)行波形的匹配：選擇一個(gè)測(cè)站作為主站，并對(duì)除主站外的其他測(cè)站接收到的閃電信號(hào)與主站接收到的閃電信號(hào)進(jìn)行時(shí)間上的匹配。在此過(guò)程中，可以將主站的一整段時(shí)間上的波形數(shù)據(jù)分割成多個(gè)小段時(shí)間上的波形，該方法也稱為窗口化。然后，根據(jù)主站每一個(gè)窗口的波形，提取其他測(cè)站的波形，提取的波形要與主站窗口的波形在一定的時(shí)間差內(nèi)，提取的結(jié)果便是波形匹配的結(jié)果。波形匹配結(jié)束后便進(jìn)行脈沖匹配：對(duì)波形匹配中的每一個(gè)窗口中的波形，繼續(xù)提取脈沖，然后對(duì)主站的脈沖和其他測(cè)站的脈沖進(jìn)行時(shí)間上的匹配。脈沖匹配結(jié)束后，可根據(jù)其結(jié)果列出關(guān)于閃電源坐標(biāo)的方程組，用最小二乘擬合的方法進(jìn)行求解，并根據(jù)解的結(jié)果作出定位圖。

3.2"MATLAB編程實(shí)踐

在掌握了閃電定位算法的基本步驟之后，教師可以進(jìn)一步提供具體的算法代碼和測(cè)試數(shù)據(jù)，以便學(xué)生在MATLAB環(huán)境中進(jìn)行實(shí)際操作。通過(guò)逐行調(diào)試程序，學(xué)生能夠理解每一行代碼的功能和作用，揭示出閃電定位算法在數(shù)據(jù)處理和計(jì)算過(guò)程中的具體操作，深入探索算法的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。在此過(guò)程中，學(xué)生不僅能夠精通MATLAB的語(yǔ)法和調(diào)試功能，還能獲得寶貴的編程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。例如，學(xué)生可以學(xué)會(huì)如何從閃電原始數(shù)據(jù)中提取可用于定位的數(shù)據(jù)，如何進(jìn)行信號(hào)濾波和噪聲抑制，以及如何計(jì)算閃電發(fā)生的位置。

這種針對(duì)性的學(xué)習(xí)方法不僅提升了學(xué)生的技術(shù)能力，也為他們將來(lái)在相關(guān)領(lǐng)域的研究和工作奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)深度參與的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，學(xué)生不僅能夠應(yīng)對(duì)類似的技術(shù)挑戰(zhàn)，還能培養(yǎng)系統(tǒng)思維和解決問(wèn)題的能力，為他們未來(lái)的職業(yè)發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4"公司參觀與野外觀測(cè)試驗(yàn)實(shí)踐

為實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)與實(shí)踐能力的有機(jī)結(jié)合，本教學(xué)改革實(shí)施方案重點(diǎn)包括閃電定位系統(tǒng)公司的參觀、野外觀測(cè)實(shí)踐部分。通過(guò)這些環(huán)節(jié)，學(xué)生可以更加深入地理解課堂所學(xué)的理論知識(shí)，同時(shí)通過(guò)實(shí)踐操作提升動(dòng)手能力。

4.1"公司參觀

首先，由公司技術(shù)人員向?qū)W生進(jìn)行定位系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程、主要技術(shù)原理等介紹；其次，依據(jù)實(shí)際波形采集過(guò)程的順序參觀設(shè)備車間，結(jié)合實(shí)物講解設(shè)備工作原理，并設(shè)置學(xué)生提問(wèn)環(huán)節(jié)；再次，參觀成品產(chǎn)品，結(jié)合波形處理過(guò)程講解每個(gè)設(shè)備的實(shí)際作用，以及處理前后效果對(duì)比；從次，講解結(jié)束后在確保學(xué)生安全的前提下鼓勵(lì)學(xué)生自己動(dòng)手開展簡(jiǎn)單的波形提取、設(shè)備故障檢查，進(jìn)一步做到實(shí)踐與教育結(jié)合；最后，組織學(xué)生進(jìn)行討論，鼓勵(lì)他們將公司參觀中的技術(shù)細(xì)節(jié)與課堂所學(xué)內(nèi)容相結(jié)合，思考如何將理論應(yīng)用于實(shí)際。

4.2"野外觀測(cè)實(shí)踐

野外觀測(cè)將在預(yù)先選定的安全天氣條件下開展，觀測(cè)開展前對(duì)學(xué)生進(jìn)行野外觀測(cè)的安全教育，避免操作風(fēng)險(xiǎn)；觀測(cè)過(guò)程中盡可能地讓學(xué)生開展設(shè)備檢修、波形讀取、定位校準(zhǔn)等操作；觀測(cè)結(jié)束后，對(duì)站點(diǎn)記錄到的典型閃電波形數(shù)據(jù)拷貝，以便學(xué)生后續(xù)使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行波形濾波、結(jié)合時(shí)差法進(jìn)行閃電輻射源定位。在實(shí)踐的最后階段，學(xué)生將分組討論觀測(cè)數(shù)據(jù)，分享他們的觀測(cè)結(jié)果與分析結(jié)論。教師對(duì)學(xué)生的成果進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指出亮點(diǎn)與不足，進(jìn)一步引導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)觀測(cè)方法。

結(jié)語(yǔ)

通過(guò)閃電定位系統(tǒng)在“雷電監(jiān)測(cè)預(yù)警”課程的教學(xué)與實(shí)踐結(jié)合，減少學(xué)生對(duì)電磁學(xué)、信號(hào)處理、軟件編程等復(fù)雜交叉學(xué)科的理解障礙。課程實(shí)踐不僅讓學(xué)生直觀感受到復(fù)雜理論的實(shí)際應(yīng)用，還可通過(guò)實(shí)際操作增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力、數(shù)據(jù)分析能力及團(tuán)隊(duì)協(xié)作精神，為社會(huì)培養(yǎng)具有創(chuàng)新思維、獨(dú)立思考能力和扎實(shí)功底的新型工科人才。

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基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金項(xiàng)目（42305070）

作者簡(jiǎn)介：史東東（1991—"），男，漢族，江蘇揚(yáng)州人，博士研究生，講師，研究方向：雷電物理。