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目 录

1引言 1

2雷电快电场变化测量仪基础分析 1

2.1雷电快电场变化测量仪探测基于的物理过程 1

2.1.1闪电引起的地面垂直电场变化 1

2.2雷电快电场变化测量仪的基本原理 2

2.2.1基本仪器结构 3

2.2.2雷电电场变化测量仪工作原理 3

2.3雷电快电场变化测量仪信号特征分析 5

2.3.1信号时域特征 5

2.3.2信号频域特征 6

3信号处理电路的改进设计 6

3.1仪器电路改进设计 6

3.2仪器结构改进设计 7

4仪器标定 8

4.1标定原理 9

4.2标定过程 9

4.3标定结果 10

5全系统介绍 11

6探测数据初步分析 12

6.1 预击穿过程电场 13

6.2地闪回击特征 14

6.3地闪定位 17

6.3.1地闪定位方法介绍 17

6.3.1.1原始数据预处理 17

6.3.1.2同步数据时差计算方法 18

6.3.1.3时差定位计算 19

6.3.2地闪定位结果与雷达回波的对比分析 20

7展望 21

8总结 22

参考文献 22

致谢 24

快天线电场仪设计、标定和数据分析

戴炳哲

，China

Abstract：The lightning electric field change measurement system is currently an important means for lightning physics research and lightning location. Improving the detection performance of the measurement system is of great significance for lightning studies. This article optimizes the measurement system from both the measuring instrument and the acquisition system, and proves the feasibility of the system based on the data collected by the system. For the measuring instrument, widen the bandwidth of the measuring instrument to 1kHz-5MHz, enabling the measuring instrument to obtain more information about the lightning field of the frequency band; mentioning the sensitivity of the measuring instrument to 0.5V/m so that the measuring instrument can respond to a weak lightning electric field signal; The instrument's dynamic output voltage range expands to -12V~ 12V, making it difficult for the meter to saturate the signal and ensure the integrity of the recorded waveforms. The instrument is calibrated strictly to determine the relationship between the output voltage and the actual electric field strength, ensuring the measuring instrument reliability. In the acquisition system, the acquisition method is replaced by software control and hardware control, which improves the detection efficiency of the lightning electric field change measurement system. After that, according to the data collected by the system, a preliminary analysis of lightning characteristics was performed, which proved the feasibility of the system being put into use in practice.

Key words：Lightning electric field detection,system optimization,circuit design,data analysis

1引言

雷电作为一种常见的自然灾害一直受到人们广泛关注。我国所处气候区闪电活动活跃，每年造成大量雷电灾害事故，导致严重的经济损失和人员伤亡。为有效减少闪电造成的损失，需要从源头对闪电过程的物理机制进行全面深入的了解和认识，从而进行更有效的雷电防护。闪电探测作为最基础也是最有效的方法之一，之中的闪电电场探测是现在最主要也是最普遍使用的闪电探测方法之一。

由于闪电发生时会产生十分强烈的可被仪器捕捉的时变电场，闪电快电场变化仪正是因此设计出来的，配合采集系统使用就能对闪电发生时产生的地面垂直电场进行实时探测。对获取的数据采集处理、传输、储存就可以获得极为有用的闪电电场资料。目前闪电电场资料已经广泛用于闪电物理机制、雷电监测预警、雷电风险评估、闪电定位、全球电路等相关研究中。随着人类整体科技水平地进步，对闪电电场的探测能力逐步提升。物理学家Wilson（1916）通过改进毛细静电计设计出了世界第一台闪电电场测量仪即电场变化仪“原型”，并进行了对伦敦地区的闪电电场观测实验，但当时尚无法通过仪器确定闪电电场的大小和极性；在Mirkpatick和Miyake等科学家的改进下电场仪具有了初步的测量闪电电场大小和极性的能力；受限于设备性能,记录波形主要反映电荷中和后准静场的变化^[1]。而因为闪电是发生在雷暴云内或雷暴云与大地间瞬时且强烈的放电现象，这样的记录显然无法反映其中的瞬态情况。故随着人们更深入了解闪电，更多学者在意在闪电期间发生的瞬态变化事件的研究过程中，Krehbiel等和Brook等最早开始利用平板电容天线，通过天线板上感应的电荷量的变化对大气电场变化进行测量，进而获得雷电的电场变化。仪器具备较高的采样率和灵敏度，用来探测瞬变场的天线，被称为快天线，又称“快”电场变化仪。电场变化仪普遍应用于自然闪电电场以及人工引雷电场的测量，其基本原理和结构一直沿用至今。周璧华等^[2]提出按快电场天线设计，采取一副天线测量，利用系统函数反演包含慢变化的真实电场，可省一副测量天线并获较好结果。

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