區域性雷電預警方法
2023-05-29 05:45:16 2
專利名稱：區域性雷電預警方法
技術領域：
本發明涉及雷電預警問題，特別涉及一種根據雷雨雲電化過程中產生的靜電和甚高頻輻射雙效應進行的區域性雷電預警方法。
背景技術：
雷電災害是威脅人類生命財產安全的自然災害之一，在雲地閃擊發生之前準確地進行預警具有十分重要的意義。目前，對雷電的直接監測與預警設備主要有甚低頻(VLF/LF)閃電定位系統、甚高頻(VHF/HF)雲閃定位系統和大氣電場儀，其中VLF/LF主要對閃電過程中的放電事件(回擊)進行識別和定位，可確定閃電發生在地面回擊點的位置，以便在事後快速尋找雲地閃擊造成災害的地點；VHF/HF對閃電輻射源進行識別和定位，可描繪雷電空中通道特徵，由於雲間閃要先於雲地閃5～15分鐘發生，是當今國內外重要的雷電預警設備；但是，甚低頻閃電定位系統和甚高頻雲閃定位系統需要多點布站，至少須布3個至3個以上的站，如採用現通用的VHF幹涉法，每個分站要5個天線和接收機組，3個分站需15個一致性好的天線和接收機組，設備龐大，技術複雜，且站與站之間需相距數10公裡，設備分散、數據遠距離傳輸的可靠性差，站點的管理、維護困難，特別在雷雨季節，往往需要較多的專業技術人員管理和維護，適用於大範圍的雷電監測和預警定位。
對於小範圍的預警，如航天發射基地(有的航天基地已引進或正準備引進甚高頻雲閃定位系統)、城區、風景旅遊區、蓄油區和機場等一些雷電重點防區，一般只需要預警周圍10公裡範圍內無閃電，以安排工作進程即可，無須採用整套成本極高的甚高頻雲閃定位系統，而且，甚高頻雲閃定位系統中現用的幹涉法定位存在盲點。
本申請人於2003年9月26日申請的申請號為03160053.0發明名稱為「適用雷電和近地大氣電環境監測用恆速旋轉倒閉式電場儀」，通過監測由雷雨雲中電荷產生的大氣電場強度及其變化率，了解雷雨雲電荷的積累程度和發展趨勢，可以有效地監測到雷雨雲起電、雷電的發生、發展、成熟和消散的全過程，同時，由於電場強度變化先於雲閃，雲閃是雷雨雲起電後發生的現象，因此，電場儀還可以預警其周圍16km範圍內的雷電活動情況，但是，大氣電場儀是根據靜電效應監測雷雨雲，在煙塵、大霧和風沙天氣條件下，無法識別監測到的感應電荷是否來自雷雨雲，從而會出現虛報。
發明內容
本發明的目的在於克服現有甚高頻雲閃多站定位系統的設備複雜、成本高、且採用幹涉法定位存在相位模糊性的缺點，以及大氣電場儀會出現虛報的不足，從而提供一種準確率較高、成本低的區域性雷電預警方法。
本發明的目的是這樣實現的本發明提供的區域性雷電預警方法，根據雷雨雲形成初期的靜電效應和電磁輻射效應來預警雷電，首先根據大氣電場儀確定在所需監測的雷電重點防區範圍內是否存在由雷雨雲產生的電場，然後，利用甚高頻接收機監測在所需監測的雷電重點防區範圍內是否存在由雷雨雲產生的電磁輻射波，最後，在同時監測到雷雨雲產生的電場和甚高頻輻射波的情況下發出雷電報警。
作為本發明方法的一種改進，還包括進行一閃電電磁輻射波對天線的入射角的確定，該入射角的確定是在一雙通道甚高頻接收機或兩臺單通道的甚高頻接收機和高解析度時間間隔計數器上實現的，其步驟包括1)在兩個通道上分別與安裝位於同一監測點上的不同高度、長度為接收頻率所對應波長的1/4的天線；2)利用時間間隔計數器測量出閃電發生時，上述兩個通道所接收到的甚高頻輻射信號到達兩天線的時間差；3)由時間差計算得到閃電電磁輻射波對天線的入射角α，Cosα＝c×Δt/L，式中，c為光速，Δt為閃電電磁輻射波到達兩天線的時間差，L為兩個接收天線的高度差。
所述的時間間隔計數器採用解析度為25～5000ps的時間間隔計數器。
所述的大氣電場儀為兩臺以上。
本發明的優點在於本發明方法在同時監測到靜電效應和電磁輻射效應的情況下發出雷電預警，可低成本地較準確預警雷電，避免大氣電場儀因煙塵、大霧天和風沙天氣而出現的虛報，同時，大氣電場儀還克服了甚高頻單站監測儀因其頻率相近的電磁波而引起的虛報，並識別甚高頻系統檢測到的閃電發生在16km以內還是在16km以外，實現了對一般城市城區和其他重點雷電防區的雷電監測與預警。
如果還不能滿足一些特大城市城區監測範圍，只需提高時間間隔計數器的解析度和增布兩臺廉價的電場儀即可；另外，同時測量閃電電磁波到達兩天線的時間差和大氣電場強度，不僅監測效率高，而且在監測的範圍內無盲區。
圖1是本發明區域性雷電預警方法中VHF輻射電磁波信號入射角度的示意2是本發明區域性雷電預警方法預警範圍的示意3是本發明區域性雷電預警方法預警範圍的立體示意4是實現本發明區域性雷電預警方法的系統的結構示意圖具體實施方式
實施例如圖4所示，實現本發明區域性雷電預警方法的系統包括兩根長度為監測頻率所對應波長的1/4的天線、兩臺VHF接收機、時間間隔計數器、數據處理設備和電場儀，兩根天線安裝在同一監測點的不同高度上，並分別與VHF接收機的兩通道電連接，VHF接收機的兩通道通過可控邏輯門與一時間間隔計數器連接，該時間間隔計數器又與數據處理設備連接，電場儀也與數據處理設備連接。
安裝完畢後，根據以下步驟操作(1)將大氣電場儀所測得的電場強度的數值和極性輸出到數據處理設備，確定在所需監測的雷電重點防區範圍內是否存在由雷雨雲產生的電場，一般由雷雨雲產生的電場強度的數值一般要高出或低于晴天時電場的數值；(2)繼續用甚高頻接收機監測是否有由雷雨雲產生的電磁波輻射信號，監測頻率一般選20MHz～100MHz或250MHz～300MHz頻段，信噪比較高；(3)根據監測出的雷雨雲產生的靜電效應和甚高頻輻射效應來預警雷電，如同時監測出兩個效應則發出預警；(4)將時間間隔計數器測量出的閃電發生時甚高頻輻射信號到達兩天線的時間差輸出到數據處理設備，處理得到閃電電磁輻射波對天線的入射角αCosα＝c×Δt/L，式中，c為光速，Δt為閃電電磁輻射波到大兩天線的時間差，L為兩個接收天線的高度差。
對本發明方法的具體說明如下如圖1所示，設閃電電磁輻射波為平面波，α為閃電電磁輻射波對天線的入射角，則Cosα＝c×Δt/L，式中，c為光速，Δt為閃電電磁輻射波到大兩天線的時間差，L為兩個接收天線的高度差。
如圖2和圖3所示，對於距離一定的兩天線，可以確定的閃電發生的區域範圍是Cosα＝c×δt/L，式中，δt為時間間隔計數器解析度，如採用時間間隔計數器的解析度為5ns(進口儀器為25ps、國產儀器為100ps)，兩接收天線的高度差L為10m，則Cosα＝c×δt/L＝300000000×5×10-9/10＝0.15，α＝81.37；以天線為中心監測範圍的半徑R＝h×tgα，h為雷雨雲的雲高，一般設雷雨雲高度最低為3km，最高為10km，則在h＝3km時，R＝3km×tgα≈19.77km；在h＝10km時，R＝10km×tgα≈65.5km，也就是說，本發明方法對於高度差L為10m的接收天線，可以監測以天線為中心半徑約為19.77km～65.5km的圓錐體範圍內雷電活動情況和發展趨勢，根據需要可調節接收天線的高度差。
大氣電場儀是通過監測由雷雨雲中電荷產生的大氣電場強度及其變化率，了解雷雨雲電荷的積累程度和發展趨勢，也是很有效的雷電監測與預警儀器，它的原理是利用導體在電場中感應電荷，將此感應電荷進行適當的變換和處理，獲得的電壓，其極性與被測電場一致，數值大小與被測電場成線性關係。如採用旋轉式電場儀，它的有效作用半徑可到16km，即電場儀安裝位置如選擇合適，能監視測點周圍16km範圍雷電活動情況，電場儀也與數據處理設備連接。與VHF單站監測儀組合在一起用，可起到相輔相成和互為補充的作用，可識別VHF系統檢測到的閃電發生在16km以內還是在16km以外，能更準確地預報重點防區雷雨雲起電、雷電發生、發展、成熟和消散全過程的情況，可確定在測站周圍16km範圍內的雷電活動，並可克服VHF單站監測儀因其頻率相近的電磁波引起的虛報，同時也可避免大氣電場儀因煙塵、大霧天和風沙天氣而出現的虛報。
對所觀測的VHF信號是否來本地區的同一輻射源，由於是單站，不需要考慮多站的時間同步精度，各站之間距離的測量精度、地球的曲率、輻射源的電磁波的傳播各向異性，電磁波隨距離的畸變和衰減，比多站識別要容易得多。在選擇適合的信號幅度門限(閾值)的情況下，一般只設一稍大於兩天線之間的距離的計時窗口，如天線間距為9米，則時間差的計數窗口選5～32ns，將時差大於32ns或小於5ns均認為是噪聲或來自非本監測範圍外的雷閃信號，在5～32ns內的信號(即脈衝)通過峰值、上升半峰值、峰值、下降半峰值是否一致來判別，基本一致的而大氣電場強度又與晴天電場值相差較大，則可判定本地區有雷擊發生的可能。
本測量系統可應用於城市雷電監測與預警、航天基地雷電監測與預警、機場雷電監測與預警、風景旅遊區雷電監測與預警和油田和貯油區雷電監測與預警等小範圍的區域性預警。
權利要求
1.一種區域性雷電預警方法，是根據雷雨雲形成初期的靜電效應和電磁輻射效應來預警雷電，首先根據大氣電場儀確定在所需監測的雷電重點防區範圍內是否存在由雷雨雲產生的電場，然後，利用甚高頻接收機監測在所需監測的雷電重點防區範圍內是否存在由雷雨雲產生的甚高頻電磁輻射波，最後，在同時監測到雷雨雲產生的電場和甚高頻輻射波的情況下發出雷電報警。
2.按權利要求1所述的區域性雷電預警方法，其特徵在於，還包括進行一閃電電磁輻射波對天線的入射角的確定，該入射角的確定是在一雙通道甚高頻接收機或兩臺單通道的甚高頻接收機和高解析度時間間隔計數器上實現的，其步驟包括1)在兩個通道上分別與安裝位於同一監測點上的不同高度、長度為接收頻率所對應波長的1/4的天線；2)利用時間間隔計數器測量出閃電發生時，上述兩個通道所接收到的甚高頻輻射信號到達兩天線的時間差；3)由時間差計算得到閃電電磁輻射波對天線的入射角α，Cosα＝c×Δt/L，式中，c為光速，Δt為閃電電磁輻射波到達兩天線的時間差，L為兩個接收天線的高度差。
3.按權利要求2所述的區域性雷電預警方法，其特徵在於，所述的時間間隔計數器採用解析度為25～5000ps的時間間隔計數器。
4.按權利要求1、2或3中任一項所述的區域性雷電預警方法，其特徵在於，所述的大氣電場儀為兩臺以上。
全文摘要
本發明涉及一種區域性雷電預警方法，首先根據大氣電場儀確定在所需監測的雷電重點防區範圍內是否存在由雷雨雲產生的電場，然後，利用甚高頻接收機監測在所需監測的雷電重點防區範圍內是否存在由雷雨雲產生的甚高頻電磁輻射波，最後，在同時監測到雷雨雲產生的電場和甚高頻輻射波的情況下發出雷電報警。本發明方法根據雷雨雲形成初期的靜電和甚高頻電磁輻射兩種效應來預警雷電，可比較準確地預警雷電，避免大氣電場儀和甚高頻接收機單獨監測時的虛報，根據雙通道甚高頻接收機的兩個通道所接收的甚高頻輻射信號到達的時間差，處理得到閃電電磁輻射波對天線的入射角，以此確定閃電電磁輻射波源的範圍，不僅監測效率高，而且在監測的範圍內無盲區。
文檔編號H04B17/00GK1635721SQ20031011606
公開日2005年7月6日 申請日期2003年12月30日 優先權日2003年12月30日
發明者羅福山 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心