lightning survey
简介
观测内容包括雷云起电、雷云放电的发展过程和雷云放电的参数。由于对电力系统产生的危害， 主要是雷云对地放电引起的， 所以雷电观测的主要对象是雷云对地放电。
雷电观测主要采取野外大面积观测和建立固定的雷电观测站两种方法。在输电线路上大量装设磁钢棒是野外大面积观测的主要方法之一。建立固定的雷电观测站是对雷电放电进行全面研究的主要方法。
1897年英国人H.H.霍弗特 (H.H.Hoffert) 和1902年德国人B.瓦尔特(B.Walter)开始使用胶卷移动照相法进行雷电观测。早期雷电观测的主要仪器和设备有磁钢棒、电花仪、雷电流特性记录仪、阴极射线示波器、陡度仪等。20世纪50～60年代有高速摄影机、变像仪、雷电记数器等。随着微电子技术的高速发展和宇航事业对雷电预警的迫切需要， 20世纪70年代末期美国研制成功雷电定位系统， 开始了大范围雷电发展过程及其参数的遥测工作， 并为电力系统雷害故障点和森林雷电火灾的自动巡检提供了现代化的手段，为宇航、军民用航空、导弹发射等提出有效的雷电预警。
雷电观测站 集中多种仪器对雷云放电进行观察并直接测量和遥感测量的场所。有固定的和移动的两种， 大多数是固定观测站。雷电观测站的观测内容包括：观察雷云起电和雷云放电的物理现象，测量雷电流的波形、陡度、幅值和极性等多种雷电参数。
雷电观测的主要设备 除磁钢棒等仪器外， 还有阴极射线示波器、分流器、感应线圈、雷电定位系统等主要设备。
阴极射线示波器 记录雷电流波形的仪器， 通常示波管的加速电压为20 kV。20世纪70年代开始使用数字存储示波器，从存储信息中提取雷电流波形。
分流器和感应线圈 分流器主要用于针式观测塔的雷电流测量。感应线圈除用于针式观测塔外，还常用于电视塔等大塔体的雷电流测量。
雷电定位系统 美国人E.P. 克里德(E.P. krider)和M. A.尤曼(M. A. Uman)等人在20世纪70年代中期试制成功了雷电定位系统(LLS)。对大范围内的雷云对地放电作在线定位探测，并测量雷电流幅值和极性等参数。
(1)雷电定位系统原理结构。原理框图如图1所示，它由2个以上的雷电方向时间探测仪(DF)、位置分析器(PA)和若干个本地与远方网络显示处理器(RDP)组成，它们大都相距几十甚至几百千米，可用各种通信方式把它们连接起来，组成一个庞大的遥测网。DF、PA和RDP除了各独立功能所需的电路和终端设备外，都包含有预编程序的微型计算机，因此，雷电定位系统是一套计算机在线雷电遥测的高技术系统。
图1 雷电定位系统原理框图
(2)雷电定向定位原理。简化定向定位原理如图2所示，当A点发生雷云对地雷击，方向探测站DF1、DF2分别测定雷电方位角a1、a2，由三角定位原理可计算出雷击点A的位置，通常定位误差3～5 km。雷击点方位角a的测量如图3所示。定向仪由2个正交的框形天线组成，当雷云对地放电(地闪)通道在离地100～200 m时，主放电通道近似垂直地面，这时，东西向和南北向的天线中接收到的磁场强度分别为HWE和HNS，由tgα=(HNS)/(HWE)即可求得雷击点对定向仪的方位角α。
图2 定向定位简化原理
图3 定向原理(a)正交框形天线;(b)定向原理
(3)雷电时差定位原理。1993年美国完成全球定位系统(GPS)，从此可方便的获取精密至微秒级下的高精度同步时钟，为经典的雷电时差定位提供了精密的标准时间。如图4所示，A1点雷击，设置有高精度同步时钟的时间探测站TF1、TF2、TF3分别测定雷电波到达时间t1、t2、t3，计算出雷电波到达各探测站的时间差T12＝t1-t2， T23＝t2-t3， T13＝t1-t3，把测定的时差代入双曲线方程，即
式中，
c为光速;
为两探测站间距离。求解双曲线交点即为雷击点。3个时差决定3对双曲线，由于只有2个时差是独立的，取T12和T13，做出双曲线L12、L13，它们有2个交点A1和A2，利用其它已知条件或再增加一个时间探测站就能确定真实雷击点。不难理解，只要各探测站时钟高精度同步，就能精确测定雷击点。
常用的GPS同步时钟，均方误差为0. 11μs，雷电波到达时刻用峰值采样法记时。设峰值记时综合误差≤1 μs时，定位计算模型近似仿真计算的定位误差如图5所示：以TF3站为顶点的三角形内，最大定位误差≤0. 5 km;外接圆内最大定位误差≤1 km。事实上，由于传播衰减，多路径传播等因素影响，造成雷电波峰值延时，峰值记时综合测时误差在很多情况下会>1 μs。应采取措施，减小测时误差，提高雷击点定位精度。
图4 时差定位原理
(4)雷电定向与时差综合定位。当雷电信号探测仪既能测量雷电方向α，又能测量雷电波到达时刻t，称雷电方向时间综合探测仪(DTF)。图1所示即为雷电综合定位系统的框架结构。在图4所示的3站定位系统中，用时差法确定A1和A2后，再用DTF测定的方向值能判定真实雷击点A1，这是一种简单的机械综合。当三角形几何因子极差时(一个角约为0或一个角接近180°)，机械综合会造成雷击点误差。先进的定位模式为“时间到达+定向”综合定位模型，在剔除方向探测粗差之后，赋予有效方向探测值以一定的权值，参与以时差定位为基本模型的综合定位计算。
图5 时差定位误差仿真计算
(5)位置分析仪PA。DTF将所测得的雷电方位角和雷电波到达时刻等数据通过通信口和通信通道传送给数据处理中心站PA进行定位计算，PA输出雷击发生的时间、地点、雷电流幅值、雷电极性和回击次数以及每次回击发生的时间、地点、电流幅值等雷电参数。
(6)网络型显示处理器(NDS，显示终端)。它接收PA的输出，存储雷电信息的同时，在彩色屏幕上显示雷击点，是PA的在线监示器。雷击点分时彩色图能清晰显示雷暴的运动轨迹。多用户显示终端组成雷电信息的显示网，可以设置在宇航中心、机场、各级电力调度中心、森林火灾检测中心等。
(7)地闪的逻辑鉴别。DTF中有逻辑判别电路，使探头仅对地闪主放电做出响应。典型的云闪和地闪放电的磁场波形如图6所示。地闪和云闪的主要区别有：①地闪有明显的波前突变R， 并在R之后出现主峰P1，次峰P2， P3…， 一般小于P1; 云间放电没有R突变， 有多个波前次峰。②对地放电没有或仅有很小的负过冲。当脉冲形状逻辑判别电路接收的磁场信号满足： 上升时间在 1～24 μs之间，峰值之后20μs之内不改变极性，20μs之内次峰不大于1.25倍主峰时， 则信号被确认为对地放电而被接收。同时判别电路在第一主峰时取样，这时回击通道在离地100～200 m的高度上，通道近似垂直地面且无分支，电离层的反射也未到达，使分支放电的水平磁场和电离层的反射不畸变雷电波波形，既不产生定向误差，也不产生峰值采样记时误差。
图6 云闪与地闪的磁场波形 (a) 地闪; (b) 云闪
高速摄影机 用来拍摄快速发展的光学过程照片的摄影机，是研究雷电发展过程的重要工具之一。广泛采用的机械式高速摄影机， 从结构上可分为鼓轮型和转镜型，从拍摄功能上可分为轨迹记录(扫描)式和连续分幅式。对于雷电这种不可控的自然现象，高速摄影机是以等待方式工作的， 即在一定的范围内摄影机的快门始终开启， 记录可以从任何瞬间开始。
最早拍摄雷电高速照片的波依斯相机是一种鼓轮型扫描式高速摄影机，如图7所示。胶片固定在鼓轮内表面，接成环形。当鼓轮高速旋转时，离心力使胶片紧贴鼓轮，转速的极限取决于鼓轮的强度，其最高旋转线速度可达100m/s，拍摄频率达每秒105幅。波依斯相机具有两套固定的三棱镜与透镜， 可在胶片上形成闪电AB的两个像。当鼓轮高速旋转时，由A向B发展的放电前沿将在胶片上形成逆着鼓轮旋转方向倾斜的扫描轮廓，根据轮廓的斜率可求出放电发展的速度。连续分
图7 鼓轮型相机的工作原理
幅式的鼓型相机可以形象地记录雷电完整的发展过程，其光路比波依斯相机复杂。为了形成尽可能清晰的闪电整体分幅照片，在画幅曝光时间内，像与胶片间要相对静止，这就必须采取补偿措施。鼓轮型相机广泛应用反射镜补偿， 被摄目标的像经一系列透镜后在一个转速为鼓轮的整数倍的多面体反射镜上形成中间像，再经过中继透镜系统在胶片上形成相对静止的像。多面体反射镜既补偿了胶片运动， 同时还起到光学快门的作用。
转镜型高速摄影机的工作原理如图8所示。转镜型高速摄影机中胶片是固定在某一位置的，光线经透镜系统进入相机，由反射镜反射到胶片上。当反射镜依箭头方向旋转时，反射角同时发生变化，胶片上的感光点随之移动。旋转反射镜(转镜)的转动惯量很小，又可通过抽真空等办法减少阻力， 故可以比鼓轮旋转速度高得多。同时由图可见，反射光线的旋转角速度为镜面旋转角速度的2倍。转镜型相机的光线扫描速度可达50km/s， 分幅拍摄频率达每秒107幅以上。
除上述两种高速拍摄机外， 有些国家还使用旋转胶片的高速摄影机，这种高速摄影机的胶片是环形的，其最高旋转线速度为50 m/s。
图8 转镜型相机的工作原理
磁钢棒 利用剩磁测定雷电流幅值和极性的磁性材料棒。磁钢棒采用不易饱和、矫顽磁力大和涡流损耗小的铁磁材料制作，常用的由阿尔尼合金粉(铝15%，镍24%，铜4%，铁57%)与环氧粉压制而成。
用磁钢棒测量流经载流导体(例如避雷针、避雷线)的雷电流时，可将它放在载流导体的附近，如图9所示。磁钢棒的一端涂以红色标记，安装时这一端指向统一规定的方向。当幅值为Im的雷电流通过载流导体时，磁钢棒处的最大磁场强度H=Im/2πR， R为磁钢棒和载流导体间的距离。雷电流流过之后，磁钢棒上保持的剩磁由磁钢棒处的最大磁场强度和磁钢棒的磁化曲线决定。检测磁钢棒的剩磁即可推算出雷电流的幅值，检查磁钢棒红色端的极性即可决定雷电流的极性。磁钢棒红色端的极性可用指南针来检查，造成磁钢棒剩磁的雷电流值可用正切检磁计法或交流退磁法来确定。磁钢棒的测量误差为±10%～±20%。
图9 用磁钢棒测量流经载流导体的雷电流
国内外雷电观测站实例 主要介绍美国纽约帝国大厦观测站、瑞士圣萨尔瓦托山观测站、南非观测站、莫斯科电视塔观测站和中国石榴岗观测站。
美国纽约帝国大厦观测站 建于1939年，高380m，当时由K. B.麦克凯伦(K. B. McEachron)主持。第一次使用凹孔放电管示波器和磁钢棒，测量雷电流波形和幅值。在780m远处使用波依斯旋转照相机拍摄雷云放电发展过程。拍摄的照片首次展示了由楼顶发展起来的向上先导引发的上行雷。
瑞士圣萨尔瓦托山观测站 位于北纬45°59′、东经8°57′，标高914 m， 1943年建成第一个60 m高的木质塔，1958年改用等高的无线电发射塔。1950年建成第二座90m高的铁塔， 当时由K.贝格尔(K. Berger)主持观测工作。在两个塔上均装设了响应时间为16ns的分流器和分辨率为0. 5 μs的专用阴极射线示波器。1950年采用8架莱卡照相机进行全视野夜间照相。1967年采用电场仪记录电场变化。从1946～1974年共记录到1786次雷电流示波图，拍摄了清晰的放电发展过程的照片，首先发现了脉冲正电流雷电。
南非观测站 1973年在南纬25°50′、东经28°0′的一座小山上建立一座60 m高的绝缘塔，由R. B.安德森(R. B. Anderson)主持观测工作。塔下安装有阴射线示波器，照相机和电视摄影机均在远处用甚高频无线电设备遥控进行观测。用电视摄影廉价地获得大量雷云放电发展过程的资料，可用以确定雷云放电的一般特性。
莫斯科电视塔观测站 位于北纬55°45′、东经37°40′，塔高537 m，用感应线圈和示波器测量雷电流。建站以后的四个半雷季中，遭雷击143次，平均每年32次，有一次雷暴中遭12次雷击。观测结果表明所遭受的雷击主要特征是：多数雷击为上行雷，其中一部分雷击起始于塔下方12～36 m处，有二次雷击打在塔顶下方200～300 m之间;高大塔体具有吸引雷击的效果，即除塔体本身吸引雷击外，距塔体1km之内比1～3km范围内的对地放电数要多。
中国石榴岗观测站 1960年建于中国广东省广州市东南郊的石榴岗，站上建有高45 m木质塔一座，在塔顶装有总长约2500 m的环形直击雷接收网，环形面积约350000 m2。用分流器和阴极射线示波器记录雷电流波形，用磁钢棒记录雷电流幅值和沿辐射接地体的电流分布，用电容分压器测量塔顶电位，用旋转照相机拍摄放电发展过程，还装有水平天线电场仪和框形天线磁场仪。6年观测期间雷击塔体5次。