利用低频磁场天线遥感测量人工引雷初始连续电流的方法

摘要

本发明公开了一种利用低频磁场天线遥感测量人工引雷初始连续电流的方法，利用低频磁场天线在有效探测频段范围外的频率响应特征，采用数值积分的方法对在距离人工引雷闪电通道近距离处获得的磁场波形进行数学处理，可有效去除测量过程中噪声信号的影响，获得人工引雷实验中特征性放电过程，即初始连续电流的高时间分辨率波形。本发明的低频磁场天线制作和架设相对简单，成本较低，可以根据实验要求的不同调节磁场天线增益等参数，可操作性更强；反演得到的人工引雷初始连续电流结果性噪比很高，测量实验中不必将传感器布设在电流路径上，在诸如自然闪电等没有闪电电流直接测量的情况下，通过该反演方法可以得到连续电流放电过程的时变波形。

说明书

技术领域

本发明属于人工引雷放电过程测量技术领域，尤其涉及一种利用低频磁场天线遥感测量人工引雷(以及高建筑物引发闪电)初始连续电流及近距离遥感测量地闪回击中连续电流的方法。

背景技术

人工引雷是研究闪电过程物理机制的重要技术手段。通过从地面发射拖曳金属丝的小火箭，可以将地面零电位引入到雷暴云底的高电场环境中，从而形成持续的放电过程，最终形成闪电。作为一种可控性较高的闪电测量手段，该方法已被用于研究闪电放电中的物理过程(特别是接地过程的特征描述)以及闪电防护技术的实验验证。同自然闪电的观测相比，人工引雷实验的一大优势是闪电电流汇入地面的通道是已知的，因此可以通过设计场地观测实验测量闪电电流波形。自20世纪70年代法国研究团队发展人工引雷技术以来，电流测量一直是实验过程中重要的研究内容之一。在目前世界各地开展的人工触发闪电实验中，一般通过将同轴分流器串联在闪电电流从引流杆连接到地的放电通路中实现对闪电电流的直接测量，以及通过对Pearson线圈上的电磁感应强度的测量实现对闪电电流进行间接的反演。两种方法得到的闪电电流结果基本一致，因此通常配合使用用来测量不同范围内的通道底部电流强度。上述两种传统测量方法均要求将测量设备事先安置在已知闪电电流入地通道周围，无法在一定距离范围内对流经未知放电通道的闪电电流进行测量。人工引雷实验中通道底部记录到了闪电不同发展阶段或者不同过程对应的电流。由于在人工引雷实验设计中闪电电流测量设备的量程均较大(比如40kA和2kA两种设置)，使得测量设备的分辨率较小，而初始连续电流阶段通常伴随有安培量级的弱电流过程，在传统电流测量结果中这些弱电流与测量噪声叠加在一起，因此很难准确地识别初始连续电流中幅值较弱的部分，例如测量到了一次幅值较大的M分量，但是其前后若干个幅值较小的M分量则和噪声叠加在一起，很难识别。因此，针对闪电电流测量设备对闪电初始连续电流分辨率不足的问题，需要在已有通道底部电流测量手段的基础上发展具有较高灵敏度的探测方法。

综上所述，现有的通道底部电流测量方法中传感器需放置在闪电电流通路上的局限性，以及对闪电弱电流分辨能力不足，不能准确地实现对初始连续电流细节特征重构。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用低频磁场天线遥感测量人工引雷初始连续电流的方法，旨在解决现有的通道底部电流测量方法中传感器需放置在闪电电流通路上的局限性，以及对闪电弱电流分辨能力不足，不能准确地实现对初始连续电流细节特征重构的问题。

为了解决上述技术问题，本发明涉及一种利用低频磁场天线遥感测量人工引雷初始连续电流的方法，所述方法利用低频磁场天线在有效探测频段范围外的频率响应特征，此时磁场天线实际测量到的是磁场变化率(dB/dt)信号，对该信号采用数值积分的方法可以得到实际磁场(B)信号，同时叠加在有效磁场信号上的白噪声在数值积分过程中相互抵消，使得数学处理后的信号信噪比非常高。考虑到观测点距离人工引雷闪电通道较近(78m)，此时测量到的磁场信号主要为感应场分量，而磁场感应场与电流之间具有系数关系，因此通过现场标定获得该系数即可用于反演人工引雷实验中特征性放电过程，即初始连续电流的高时间分辨率波形。

进一步，所述低频磁场天线包括：

磁传感器，采用密绕金属导线线圈，同轴金属导线线圈密绕在一根相对磁导率在10²量级的软磁材料磁棒上，磁传感器封装在高强度PVC塑性套管中，采用T型连接管件组合成正交传感器；密绕线圈等效为由电阻R，电容C和电感L组成的电路；

磁传感器与信号处理电路相连，信号处理电路包括斩波电阻、一个两级放大电路和一个高通滤波器；其中斩波电阻使该磁场测量系统带宽可调；两级放大电路使得测量系统增益可调；高通滤波器用于过滤工频噪声；

磁传感器与信号处理电路板封装在非屏蔽盒内组成磁场天线室外部分，并对屏蔽盒做防水处理。

进一步，所述低频磁场天线3dB带宽为6kHz-340kHz，在该频率段内磁场传感器测量的是磁场B信号；在低于6kHz的频率上，磁场天线实际测量到的是磁场变化率dB/dt信号。

进一步，所述磁场天线测到的磁场B包括感应场B_i和测量白噪声B_n，满足静磁学中的Biot-Savart定律：

$>B\left(t\right)=\underset{t^{\prime }=t_0}{\overset{t}{\int }}\frac{dB}{{\mathrm{dt}}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }=\alpha ·h\left(t\right)·I\left(t\right);$>

其中h(t)为时间t的闪电通道长度，h(t)当做常数处理，α为待定比例系数；由于测量白噪声B_n在数值积分运算中相互抵消，令β＝α·h(t)，则公式可改写为从近距离磁信号获得通道底部电流波形的关系式：

$>I\left(t\right)=\beta \underset{t^{\prime }=t_0}{\overset{t}{\int }}\frac{{\mathrm{dB}}_i}{{\mathrm{dt}}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime };$>

常数β通过现场标定获得。

本发明提供的利用低频磁场天线遥感测量人工引雷初始连续电流的方法，可以克服通道底部测量设备对闪电弱电流分辨能力不足的问题，可以比较准确地实现对初始连续电流的重构。本发明基于测量人工引雷闪电通道近距离处的宽频段磁场，获取了一种初始连续电流波形的反演方法，传统的通道底部电流测量是通过采用同轴分流器或者Pearson线圈实现的，是人工引雷以及高建筑物引发闪电研究中的标准方法，而与传统电流测量相比，本发明中遥感反演电流的方法所采用的低频磁场天线制作和架设相对简单，成本较低(前端传感器的制作成本约为10元，后端放大电路成本不超过100元)，并且可以根据实验要求的不同调节磁场天线增益等参数，可操作性更强。更重要的是，通过该方法反演得到的初始连续电流结果性噪比很高，可以作为人工引雷实验闪电电流测量的辅助手段，甚至在诸如自然闪电等没有闪电电流直接测量的情况下，通过该反演方法可以得到闪电电流极为可靠的结果。

本发明非经典式人工引雷(即所谓的空中引雷)：在这种形式的引雷试验中，火箭拖曳的钢丝以尼龙线(或棉线)同大地导体连接，因此闪电接地通道具有随机性，故传统的电流测量传感器无法测量电流波形。在该情形下，本发明的遥感方法可有效获得引雷过程中可能存在的初始连续电流时变波形。高建筑物引发闪电：高建筑物因其防雷需求一般接地，因此高建筑物类似于人工引雷中火箭拖引的导线，同样能够将接地导体引入到雷暴云的高电场区。由于高建筑物的设计一般较为复杂，因此测量击中高建筑物并流入地面的电流比较困难。本发明的遥感方法将有效解决这一难题，有助于获得距离磁场传感器一定距离范围内高建筑物引发闪电可能导致的连续电流时变波形。地闪回击中存在的连续电流过程：地闪回击过程位置很难预测，因此无法直接测量地闪中连续电流的时变波形。本发明的遥感方法不需要将传感器放置在电流通道上，因此可获得距离磁场传感器一定距离范围内自然闪电引起的连续电流时变波形。

附图说明

图1是本发明实施例提供的电流测量方法采用的低频磁场传感器结构图(天线采用裸铜线缠绕软磁棒制成)。

图2是本发明实施例提供的电流测量方法所采用低频磁场传感器的工作原理示意图。

图3是本发明实施例提供的一定时间尺度的垂直闪电电流在78米水平距离处产生的磁场(选取了五个不同高度的闪电通道)示意图。

图4是本发明实施例提供的低频磁场传感器的频率响应曲线。

图5是本发明实施例提供的2014年8月23日的一次人工引雷测量结果示意图；

图中：(a)78米处低频磁场天线的测量波形(水平方向通道)；(b)78米处低频磁场天线的测量波形(垂直方向通道)；(c)通过数值积分获得的初始连续电流波形及其同通道底部测量结果的比较。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的用低频磁场天线遥感测量人工引雷初始连续电流的方法包括以下步骤：

步骤1、制作磁传感器。采用密绕金属导线线圈的方案，为了提高所述磁传感器的灵敏度，可以通过增大线圈半径和增加线圈圈数来实现，不过这样会使得磁场天线尺寸较大，不符合便携的基本要求，而且线圈圈数越多，线圈自身电阻越大，导线引入的热噪声也越强，因此本发明将同轴金属导线线圈密绕在一根相对磁导率较高(有效磁导率在10²量级)的软磁材料磁棒上，不仅增强了磁传感器的灵敏度，同时将其控制在合理的尺寸范围(长度20cm，直径1cm)，考虑到软磁铁材质较为脆弱，易断裂，本发明中将制作好的磁传感器封装在高强度PVC塑性套管中(含套管直径约1.8cm)，并采用T型连接管件组合成正交传感器，保证了其使用强度和便携性，如图1所示。

步骤2、调制信号。密绕线圈可以等效为由电阻R，电容C和电感L组成的电路，而由线圈组成的磁场天线具有某个特定的谐振频率，这是由其本征属性决定的，其计算公式为当信号频率增大到谐振频率时磁传感器相应最强，信号频率继续增大时，由于线圈的感抗增加，从而等效阻抗增加使得信号通过磁传感器时相应变弱。本发明将磁传感器与信号处理电路相连用以调制信号，所述信号处理电路主要包括斩波电阻、一个两级放大电路和一个高通滤波器，其中斩波电阻可以使该磁场测量系统带宽可调，两级放大电路能够使得测量系统增益可调，高通滤波器用于过滤工频噪声，电路设计结构图如图2所示。

步骤3、系统标定。磁场天线及其电路制作完成后，需要对整套系统在实验室进行严格标定，其基本原理为通过信号发生器产生一个固定频率的信号，该信号传输至一个已知参数的大的空心磁场线圈，进而计算得到其内部的磁场强度，将待标定的小磁场天线放入其内部，通过读取示波器的信号实现对该固定频率下信号的标定，之后改变信号发生器的频率重复此标定过程直至完成对整个所需频段的信号标定。通过反复实验，本发明最终实现了一套工作频段涵盖低频段的磁场天线：其3dB带宽为6kHz-340kHz，在该频率段内磁场传感器测量的是磁场(B)信号；在低于6kHz的频率上，磁场天线实际测量到的是磁场变化率(dB/dt)信号，标定完成的频幅曲线如图3所示。

步骤4、系统封装。将磁传感器与信号处理电路板封装在非屏蔽盒内组成磁场天线室外部分，并对所述屏蔽盒做防水处理。

考虑到闪电发生具有时空随机性，其辐射产生的磁场信号方向不确定，因此本发明中采用两个正交的磁场天线接收信号，同时电路板采用双通道，并将天线与电路板封装在非屏蔽盒内放置于室外，

步骤5、内外系统联调。通过屏蔽同轴线缆将磁场天线室外部分与控制室内磁场采集系统相连，整套系统通过GPS授时装置实现亚微秒量级的高精度授时，所述GPS授时装置其天线置于室外。

步骤6、数据分析。在人工引雷实验中，通过上述低频磁场天线获取的数据可用来反演初始连续电流。

下面结合具体实施例对本发明的应用效果作详细的描述。

2014年夏季的山东沾化闪电观测实验中，利用高灵敏度宽频段磁场天线在距引雷点78米的距离上开展了对人工引雷电流过程的遥感测量。通过分析实验期间5次人工引雷的综合观测数据，发现磁遥感方法对人工引雷中特有的初始连续电流有很好的反演效果。通过对78米距离上获得的磁测量信号进行积分处理，能够有效地去除测量噪声的影响，从而反演得到初始连续电流的低噪声时变波形。该方法为获取高空引雷试验中的初始连续电流波形提供了一种新方法，同时也可用于近距离反演自然闪电中连续电流的时变波形。

1、测量和数据

本发明所使用的数据于2014年夏季的山东人工引雷实验中获得，通道底部的闪电电流采用带宽为0-3.2MHz的5mΩ同轴分流器串联引流杆直接测量获取。引雷钢丝较好地系扣在引流杆上。此外，引流杆底部还环绕了一个Pearson线圈(带宽为0.9Hz～1.5MHz)以获得回击等过程引起的千安培量级电流。78米处的磁场通过交叉磁线圈测量。根据实验室内的标定结果，磁传感器的3dB带宽是6kHz到340kHz。在低于6kHz的频率上，磁传感器的增益随着频率的增加而增加(这主要取决于磁线圈的本征属性)，是本发明介绍的初始连续电流近距离遥感方法的工作频段。

在人工引雷实验中，火箭拖曳金属线(在SHATLE观测中使用直径0.2mm，单位长度电阻为7Ω/m的钢丝)以100m/s的设计速度上升。由于钢丝始终保持接地状态，而地面以上的电势是不断较小的(考虑负极性人工引雷的情形)。因此，当上升钢丝终端附近的电场达到击穿阈值时，一个持续性的正先导将形成并以2×10⁴m/s到1.8×10⁵m/s的速度向上传播。一般在正先导始发5-10毫秒之后，正先导通道在高速摄像上持续可见，即对地的电荷传输进入初始连续电流阶段。2014年5次人工引雷的正先导始发高度和初始连续电流阶段可见的通道长度(包括引雷钢丝部分)如表1所列。本发明以8月23日16:11:06UTC一次人工引雷实验为实施例，但并未局限于该实施例。由于所采用低频磁场天线较高的灵敏度，除8月18日04:17:18UTC的实验外，其它4次引雷的水平通道磁场测量均存在一定程度的饱和现象，而垂直通道方向的信号较弱并未饱和，不过垂直方向的测量信号信噪比较低。

表1 2014年夏季人工引雷正先导始发高度和闪电通道持续发光可见时通道高度

2、方法及理论基础

在SHATLE实验基地的人工引雷过程中，当金属导线头部出现持续的上行正先导时，引雷火箭通常已经上升到150米以上的高度。正先导向上传播过程中将雷暴云体及其周围环境中的负电荷传输到地面，对应的电流元沿着近似垂直的引雷导线通道向下传输，其电磁辐射模型如图3所示，其中h为电流源起始位置距离地面的高度，c为电磁波在大气中的传播速度(近似取为真空中光速，即3×10⁸m/s)，v为电流元沿闪电通道向下传播的速度，l为磁场天线与引流杆的水平距离(在本发明讨论中统一取78m)。

假设地面电导率无穷大的情况下，磁场天线接收到的磁场可以通过公式(1)计算：

$>\begin{array}{c}B\left(t\right)=\frac{1}{2{\mathrm{\pi ϵ}}_0{c}^2}\underset{0}{\overset{H}{\int }}\left(\frac{\sin \alpha \left(z^{\prime }\right)}{R^2\left(z^{\prime }\right)}i\right(z^{\prime },t-\frac{R\left(z^{\prime }\right)}{c})\\ +\frac{\sin \alpha \left(z^{\prime }\right)}{cR\left(z^{\prime }\right)}\frac{\partial i(z^{\prime },t-R(z^{\prime })/c)}{\partial t}){\mathrm{dz}}^{\prime }\end{array}---\left(1\right)$>

其中方程右边的第一项和第二项分别称为闪电磁场的感应场分量(记为B_i)和辐射场分量(记为B_r)，H的值等于引雷导线长度h。由于人工引雷初始连续电流通常持续几十到几百毫秒，其上叠加的初始连续电流变化和M分量的半峰值宽度也在几百微妙到几个毫秒量级，因此这些电流包含更多的低频成分，考虑到电流在钢丝上的传播速度在10⁸m/s数量级，而且磁场天线与引流杆的水平距离仅为78m，所以电磁场传播延迟远小于闪电电流时间尺度。在这种情况下，对于初始连续电流阶段可以假定在任意时刻通道上的电流都是相同的，电荷源位于雷暴云内通道的顶部。

从表1可以看出，人工引雷实验中正先导始发高度大致分布在140～400米之间，而初始连续电流开始形成时导线长度将更长(400米以上)。基于传输线模式的计算结果表明，当导线中电流的时间尺度与M分量相当或者更长时，不论导线长度如何，电流辐射产生的磁场其感应场分量始终占主导地位，辐射场分量可以忽略不计。此外，导线长度增加对感应场的影响越来越小，当导线长度大于400米时，78米处测量到的感应场已基本不随导线长度的增加而变化。

基于上述结果可知，磁场天线测到的磁场B只有感应场B_i和测量白噪声(记为B_n)组成，满足静磁学中的Biot-Savart定律：

$>B\left(t\right)=\underset{t^{\prime }=t_0}{\overset{t}{\int }}\frac{dB}{{\mathrm{dt}}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }=\alpha ·h\left(t\right)·I\left(t\right)---\left(2\right)$>

其中h(t)为时间t的闪电通道长度，上文已经说明当初始连续电流形成时，导线长度对磁场的影响已经很小，因此h(t)可以当做常数处理，α为待定比例系数。考虑到测量白噪声满足关系式并设β＝α·h(t)，则公式(2)可改写为从近距离磁信号获得通道底部电流波形的关系式：

$>I\left(t\right)=\beta \underset{t^{\prime }=t_0}{\overset{t}{\int }}\frac{{\mathrm{dB}}_i}{{\mathrm{dt}}^{\prime }}{\mathrm{dt}}^{\prime }---\left(3\right)$>

其中常数β的取值同磁传感器到闪电通道底部的距离有关。根据公式(3)可知，初始连续电流的反演能够通过对磁场天线测量到的磁场进行时间积分的方法实现。

3、结果

将上述方法应用到2014年获得的5次人工引雷过程中，均获得了比较理想的结果。下面以8月23日16:11:06UTC一次人工引雷实验为实施例介绍本发明方法的反演结果。

图5为所述实施例初始连续电流的78米处磁场测量结果(水平方向和垂直方向两个通道的测量结果分别如图5a和图5b所示，其中水平方向测量结果信噪比更高)和电流测量及反演结果(图5c)，其中记录到的水平方向磁场信号在图5a中指示时间段存在饱和。如图5c中虚点线所示，在利用水平方向磁场信号反演结果中，尽管在饱和的时间段上近距离磁场的数值积分无法获得电流波形，但在其它时间段内，反演电流波形很好地体现了实测电流波形的绝大多数特征，包括部分初始连续电流变化过程和一些强度较弱的初始连续电流脉冲，由于信号饱和的原因，反演结果与实测结果会出现一定平移。针对磁场信号饱和造成的反演结果不完整的问题，本发明可利用所设计磁场天线的垂直通道和水平通道所测信号的比例关系，将垂直方向未饱和磁场信号替换掉水平方向饱和磁场信号，重构水平通道磁场信号，进而反演得到初始连续电流的时变波形，其结果如图5c中的实线所示，可以看出电流反演结果与实测结果波形基本重合，并且由于磁场观测结果上叠加的白噪声在反演方法中通过数值积分相互抵消，使得反演得到的电流波形更加平滑，能够更好地解析弱电流。

以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。