触发闪电放电过程的光电同步观测与分析

摘要

闪电通道亮度的强弱和通道中电流的大小息息相关，闪电通道电流的增大和减小会引起亮度相应的增强和减弱。相对于较难实现的闪电通道电流的直接测量，闪电通道的光学测量更容易实现。如何根据闪电通道的高速光学观测资料分析闪电电流的变化特征、光电观测资料之间有何种关系、能否由闪电光学资料定量分析闪电电流的大小等等。这些问题都还需要开展观测和研究来加以揭示。
　　 本研究设计了一套由光学观测子系统和电磁场变化观测子系统构成的闪电光电同步自动观测系统。该系统采用光学观测子系统得到的光信号作为触发源，只对视野内的闪电事情进行响应，保证整套系统获取到的每一次闪电观测记录不仅包含闪电引起的电磁场变化资料，还拥有包括先导发展过程在内的完整闪电过程的高速光学资料。在广东闪电综合观测试验中，我们利用该系统对人工触发闪电进行了多次综合观测和记录。为了便于对闪电高速摄像资料进行处理和分析，开发了一款基于VC++的高速摄像数字图像处理软件，该软件能够计算积分亮度随时间的变化和触发闪电上行先导的二维速度随高度的变化等功能。
　　 利用一次包含有八次回击的人工触发负极性闪电的高速摄像和电流的同步观测资料，本研究对其初始连续电流过程和回击之后的延续电流过程(通称为连续电流过程)中通道底部的电流和两种不同性质通道(空气离化通道和钢丝气化通道)的积分亮度进行了相关性分析。对于空气离化通道，根据电流增大或减小的变化趋势以及高速摄像资料得到的积分亮度是否主要由饱和像素贡献，将连续电流过程分为饱和上升部分(Part-A)、饱和下降部分(Part-B)和非饱和下降部分(Part-C)。对于钢丝气化通道，本文不按上述分类而是统一处理。
　　 分析结果表明：在任一电流脉冲过程中，同样大小的电流所对应两种不同性质的通道其下降段的积分亮度都高于上升段的。对于空气离化通道，饱和部分(Part-A和Part-B)的积分亮度跟电流的对数均呈线性相关；统计得到的积分亮度与电流的拟合模型中，非饱和下降部分(Part-C)的拟合效果最佳，该部分积分亮度的平方根与电流呈显著的线性相关，并且这种相关特征与积分亮度阈值、通道范围的选取等因素无显著关系；三个部分的拟合效果与积分亮度的阈值选取呈显著正相关，且选择的二维闪电通道与地面越垂直，拟合效果越好。对于钢丝气化通道，连续电流过程的积分亮度和电流的拟合模型与空气离化通道的Part-C相同，其拟合效果却不如空气离化通道。因此，在人工触发闪电的过程中，相对于钢丝气化通道，空气离化通道的反演效果要更佳，其亮度特性更能真实地体现闪电通道中电流的变化特性。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：图表目录

声明

第一章 绪 论

1.1 引言

1.2国内外相关研究进展

1.2.1 闪电的光学观测研究进展

1.2.2光电同步观测研究进展

1.3论文研究内容

第二章试验系统和观测资料

2.1硬件系统及试验条件

2.1.1 观测场地

2.1.2观测系统

2.2图像处理软件

2.3 资料介绍

2.4资料处理方法

2.4.1 背景噪声的扣除

2.4.2积分亮度的定义

2.4.3线性回归分析

第三章空气离化通道的亮度与其底部电流的相关性

3.1研究资料的介绍和选取

3.1.1研究资料的介绍

3.1.2研究资料的选取

3.2长连续电流过程的相关性分析

3.2.1 亮度和电流的关系确立

3.2.2亮度和电流的关系分析

3.2.3参数选择对亮度和电流的关系影响

3.2.4利用亮度反演电流的初步讨论

3.3 短连续电流过程的相关性分析

3.3.1 亮度和电流的关系分析

3.3.2线性回归参数的探讨

3.3.3利用亮度反演电流的初步讨论

3.4本章小结

第四章钢丝气化通道的亮度与其底部电流的相关性

4.1 研究资料介绍和选取

4.2亮度和电流的关系分析

4.3 两种性质通道的亮度与电流相关性的差异

4.4利用积分亮度反演电流的初步讨论

4.5本章小结

第五章结论与展望

5.1主要工作和研究结论

5.2存在的问题和展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果