雷电电磁场计算方法及沿地表传播特性的研究

摘要

雷电辐射电磁场在大尺度复杂环境内传播规律的研究对于了解雷电现象、掌握雷电本质、实现对雷电的预警、防护具有重要意义。本文结合国家自然科学基金项目“雷电电磁场广域传播规律和雷电流反演计算方法的研究”(60601013),主要研究了单层有损土壤、电离层、地球曲率、水平和垂直分层土壤、建筑物、山体对雷电辐射磁场传播的影响,在通过与测量结果、其他文献的计算结果进行对比,验证本文方法和公式正确性的基础上,分析总结了多种因素对雷电辐射磁场传播规律的影响。本文取得的主要研究成果如下:
　　 (1)推导了单层有损土壤情况下电偶极子辐射电磁场的计算公式,并获得了在单层有损土壤地表雷电辐射磁场的计算方法。基于上述公式和完纯导体地面上雷电辐射场的计算公式分析了雷电通道高度、观测点高度、土壤电导率对雷电磁场传播的影响,并分析了目前常用的依据雷电磁场反演雷电流强度的公式的有效性,提出了考虑土壤电导率情况下的修正方法。
　　 (2)基于多层镜像和导体球镜像方法推导了考虑电离层和地球球形曲率情况下雷电辐射电磁场的计算公式,分析了电离层高度、地球球形曲率对雷电磁场的影响,并结合实际测量结果分析了实际电离层对雷电辐射磁场的影响。
　　 (3)利用赫兹位结合递推方法,推导了水平多层土壤上方雷电辐射磁场的计算公式。重点分析了两层土壤模型情况下,上下层土壤电导率的变化对雷电磁场传播的影响规律。
　　 (4)基于两层垂直分层土壤构成的混合路径上电偶极子辐射场的计算公式,结合递推方法,获得了三层垂直分层土壤的混合路径上电偶极子辐射场的计算公式,分析了土壤垂直分层对雷电磁场的影响规律。
　　 (5)提出了分析面单元在完纯导体地面上方电磁散射的时域积分方程法。应用上述方法分析了建筑物对置于其附近和顶部的雷电磁场测量探头的影响,得出了建筑物宽度和高度对其附近区域磁场的影响曲线。
　　 (6)以介质体内电场强度的总场作为待求量,结合点匹配法建立求解方程,提出了分析有损介质体散射的频域体积分方程法。应用该方法建立山体分块有损介质模型,结合傅里叶变换,分析了山体高度、雷击点和观测点与山体距离对雷电辐射磁场峰值和上升时间的影响。

目录

文摘

英文文摘

第一章 引言

1.1 选题的背景与意义

1.2 国内外对雷电的研究概况

1.3 国内外对雷电辐射场计算的研究概况

1.3.1 直接数值积分

1.3.2 波导模型理论

1.3.3 时域有限差分法

1.3.4 矩量法和传输线法

1.3.5 尚待研究的问题

1.4 本文的主要工作

第二章 雷电流模型

2.1 雷电流特征

2.2 雷电通道基电流波形

2.2.1 双指数函数模型(DEF)

2.2.2 Heidler函数模型(HF)

2.2.3 脉冲函数模型

2.2.4 三种雷电流波形的比较

2.3 雷电回击模型

2.3.1 物理模型

2.3.2 分布电路模型

2.3.3 电磁模型

2.4 工程模型

2.4.1 传输线类工程模型

2.4.2 移动电流源类工程模型

2.4.3 小结

2.5 本文采用的雷电模型

2.6 小结

第三章 水平地面上雷电辐射电磁场的分析

3.1 完纯导体地面上雷电辐射场计算方法

3.2 单层有损土壤地面上雷电辐射场的计算

3.3 计算方法验证

3.4 完纯导体地面情况下影响因素分析

3.4.1 通道高度对雷电辐射磁场的影响

3.4.2 观测点高度对雷电辐射磁场的影响

3.4.3 完纯导体地面上雷电辐射磁场的简化计算公式

3.5 单层有损土壤情况下土壤电导率对雷电辐射磁场的影响

3.5.1 频域传播特性

3.5.2 时域传播特性

3.5.3 与简化公式的对比

3.6 小结

第四章 考虑电离层和地球曲率情况下的雷电辐射电磁场计算

4.1 考虑电离层时完纯导体地面上空间电磁场计算方法

4.2 考虑地球曲率时完纯导体地面上空间电磁场计算方法

4.3 影响因素分析

4.3.1 电离层高度对雷电辐射磁场的影响

4.3.2 地球曲率对雷电辐射磁场的影响

4.4 考虑电离层时雷电辐射磁场的测试结果

4.5 小结

第五章 分层土壤地面上方雷电辐射电磁场计算方法

5.1 水平多层土壤上空间电磁场计算方法

5.2 垂直多层土壤上空间电磁场计算方法

5.3 计算方法的分析

5.4 水平多层土壤上方雷电辐射磁场传播特性

5.4.1 频域传播特性

5.4.2 时域传播特性

5.5 水平三层土壤模型的传播特性

5.6 混合路径情况下雷电辐射场的传播特性

5.7 小结

第六章 建筑物对雷电辐射磁场的影响

6.1 计算方法

6.1.1 基本方程

6.1.2 基函数的选择

6.1.3 权函数的选择

6.1.4 求解方程的建立

6.1.5 方程的求解

6.2 方法验证

6.3 建筑物对其附近的雷电监测站的影响

6.3.1 雷击点与建筑物相对位置对观测点辐射磁场的影响

6.3.2 建筑物高度对观测点辐射磁场的影响

6.3.3 建筑物宽度对观测点辐射磁场的影响

6.3.4 建筑物对雷电辐射场的频域影响

6.3.5 综合图形

6.3.6 小结

6.4 建筑物对置于其顶端的雷电监测站的影响

6.5 小结

第七章 山体对雷电辐射磁场的影响

7.1 山体对电磁场散射的计算方法

7.1.1 基本方程

7.1.2 矩阵方程的建立

7.1.3 矩阵元素的计算

7.2 方法验证

7.3 山体对雷电辐射电磁场的影响分析

7.4 小结

第八章 结论

参考文献

致谢

个人简历、在学期间参加的科研工作及学术论文发表