地闪雷电电磁脉冲在大地中的分布研究

为研究地闪雷电电磁脉冲(LEMP)在大地中的分布规律,采用二维时域有限差分法计算了在雷电通道不同距离处、不同大地电参数条件下LEMP在地下不同深度的分布,并与其他高功率电磁环境在大地中的衰减情况作了对比.计算结果表明:随距离增大,大地中LEMP场分量迅速衰减;大地电导率较大时,电场分量衰减很大;大地电容率的变化主要影响LEMP的垂直电场分量,随大地电容率的增大,垂直电场分量明显减小;随深度的增大,电场分量衰减增大,其高频成分的衰减尤为显著,低频成分则衰减很小.由此可知,对电线电缆实施简单的埋地处理并不能有效防止LEMP的耦合效应.     

依据光谱研究闪电回击通道核心的特征参数

闪电回击通道核心中的大电流及其强电磁辐射是引发多种雷电灾害的主要根源。随着现代科技的飞速发展,闪电防护工作显得越为重要。为了完善闪电防护系统,需要从描述闪电回击通道核心的特征参数入手深入研究闪电通道形成和发展过程的微观物理机制。截至目前,光谱观测是获取闪电通道核心特征参数的最佳手段。2015年夏天在青海高原地区的野外试验中,利用由高速摄像机作为记录系统组装的无狭缝光栅摄谱仪,结合快天线地面电场测量仪,记录到一次包括四个回击的云地闪电放电过程的光谱以及与之同步的快电场变化信息。依据光谱,结合等离子体理论计算得到闪电回击通道核心的电导率。在此基础上,应用闪电电动力学模型计算了闪电回击速度、峰值电流、贯穿通道核心的电磁场以及通道核心单位长度的峰值功率等特征参数。结果表明,回击速度在(1.2～2.3)×108 m·s-1的范围内;贯穿回击通道核心的轴向电场、径向电场和磁感应强度的最大值分别在(1.42～1.74)×105 V·m-1,(8.22～9.99)×108 V·m-1和(1.51～2.83) T的范围内。当闪电回击的峰值电流在(7.52～24.05) kA的范围内时,回击通道核心的峰值功率在(0.63～1.92)×109 W·m-1的范围内。另外,分析了电导率、起始电场峰值、回击速度和峰值电流与峰值功率之间的相关性,结果发现峰值电流和峰值功率具有良好的线性关系。研究结果可为探索闪电回击通道形成和发展过程的微观物理机制提供参考依据。     

光谱法研究闪电通道的导电特性

依据无狭缝光栅摄谱仪在青海获得的云对地闪电回击光谱信息,结合空气等离子体传输理论,用四种不同方法计算了同一闪电放电通道的电导率。结果表明：各种方法所得闪电核心通道的电导率数量级均为104 S·m-1;且同一通道内的电导率随通道高度的增加有减小的趋势;通道内电子与一次、二次电离离子的碰撞以及它们各自的碰撞对通道电导率的贡献不可忽略;用碰撞积分的方法计算闪电核心通道的电导率结果更为合理。在通道电导率的基础上估算了回击通道的放电电流,与辐射峰值电场实验资料所得的相应峰值电流相比,其结果在合理的范围内, 并进一步探讨了温度与电流放电特性的相关性, 为研究闪电放电电流提供了一条可行的途径。     

雷电电磁场传输线方程的修正与分析

考虑大地的有限导电率时,大地附近的水平电场对电源线和电子设备的影响更为显著,因此,在假设大地为完全导体的情况下推导出来的雷电电磁场传输线方程需进行修正.利用修正过的传输线方程以及大地的各种参数,经过计算得到雷电过电压在传输线上的传播情况,并对大地有限导电率的影响作了讨论分析.     

峰值电流达几千安量级的闪电M分量放电特征及机理探讨

利用2009年山东人工触发闪电实验获取的实测雷电流资料、近距离电场和高速摄像资料,分析了6次峰值电流达几千安量级的M分量.6次M分量均对应闪电通道中明显的发光亮度的脉冲式变化,持续时间小于1 ms.M分量的电流波形和近距离电场波形均呈较为对称的V形,且波形的上升时间均为几十微秒,同步记录结果显示,电场先于通道底部电流发生变化且先达到峰值.这些M分量在发生前,闪电通道中存在一定的连续电流,通道的导电性优于先导-回击过程.M分量发生前的闪电 关键词： 闪电 M分量')" href="#">M分量 先导-回击 通道电流     

闪电过程中电磁辐射功率的变化特征

利用无狭缝摄谱仪获得的地闪回击光谱,结合同步电场资料,计算了一次闪电放电过程中的通道温度、电导率、回击电流峰值、通道光亮度和电磁功率峰值等参数,均在文献报道的合理范围内。并由此讨论了回击前截止时间、回击通道光亮度及电磁功率峰值之间的相关性,研究了放电通道的电导率、电流和电磁功率之间的变化关系。结果表明：回击前截止时间越长,回击过程中所中和的电荷越多,形成的电流越大,辐射出的电磁能量越大。当通道电导率变大,同时电场变化峰值也增大时,通道内电流变大,回击过程中辐射出的电磁功率也变大。这方面的工作为计算闪电放电过程中产生的光学能量和电磁能量提供一定的参考依据。     

闪电过程中电磁辐射功率的变化特征（英文）

利用无狭缝摄谱仪获得的地闪回击光谱,结合同步电场资料,计算了一次闪电放电过程中的通道温度、电导率、回击电流峰值、通道光亮度和电磁功率峰值等参数,均在文献报道的合理范围内。并由此讨论了回击前截止时间、回击通道光亮度及电磁功率峰值之间的相关性,研究了放电通道的电导率、电流和电磁功率之间的变化关系。结果表明:回击前截止时间越长,回击过程中所中和的电荷越多,形成的电流越大,辐射出的电磁能量越大。当通道电导率变大,同时电场变化峰值也增大时,通道内电流变大,回击过程中辐射出的电磁功率也变大。这方面的工作为计算闪电放电过程中产生的光学能量和电磁能量提供一定的参考依据。     

光谱法研究闪电回击放电通道的电阻及电流的热效应

闪电放电通道的电阻及电流产生的热效应对雷电灾害研究以及防护设计都具有重要意义,放电通道的热力学特性与其等离子体辐射光谱密切相关。利用无狭缝摄谱仪获得的两次云对地多回击闪电放电的等离子体辐射光谱,依据谱线波长、强度等信息,结合同步地面电场变化资料,应用空气等离子体传输理论,计算了闪电回击放电通道的电导率、峰值电流、核心通道半径,进而得到了闪电回击等离子体通道单位长度的电阻、峰值电流时的热功率及在回击初始前5 μs内通道储存的热能。并与常规金属导体进行比较,分析了闪电回击放电在峰值电流时等离子体通道的热功率与电阻、电流平方之间的相关性关系。结果表明：利用光谱研究得到的闪电放电通道的电阻为0.04～8.41 Ω·m-1、峰值电流时的热功率为0.88×108～2.20×108 W·m-1、回击初始前5 μs内通道储存的热能为1.47×102～3.66×102 J·m-1,以上结果与文献报道的利用其他方法得到的结果相比,在合理的范围内;与常规金属导体相比,闪电回击放电等离子体通道在峰值电流时的热功率与电阻成正比,但与电流的平方呈指数减小的关系;由于闪电等离子体通道的电阻与温度的3/2次方成反比,通常回击放电通道中峰值电流越大,通道温度越高,而电阻会迅速降低,因此热功率也会急剧减小。此结论进一步验证了采用欧姆加热方法加热等离子体的致命缺点。     

人工引发闪电上行负先导的发展传输特征

在地面大气电场为正极性的条件下,成功实现12次人工引发闪电,对其放电特征、初始阶段上行负先导的传输特征与机理进行了研究.引发闪电时地面大气电场强度均值约5 kV/m,最高超过13 kV/m.除一次个例的放电发生了正、极性反转并产生多次负回击以外,其他11次引发闪电均未产生继后回击过程,闪电放电电流总体上在几百安培量级.引发闪电起始后,其向上传输的负梯级先导平均二维速度为1.85 × 10~5 m/s,获得132次梯级的长度范围为0.8—8.7 m,平均3.9 m.先导起始阶段的电流和电磁场呈现显著的脉冲特征,其脉冲间隔、电流峰值、转移电荷量、半峰值宽度、电流上升时间T~(10%—90%)平均值分别为17.9 μs,81 A,364 μC,3.1 μs和0.9 μs,单次梯级的等效线电荷密度为118.5 μC/m.先导通道的分叉一般伴随梯级过程发生,存在两种方式:1)先导头部前方成簇的空间茎/空间先导在同一梯级周期内先后与先导头部发生连接,对应的电流脉冲表现为多峰结构,峰值点时间间隔约2—3 μs,最长6—7 μs;2)曾熄灭的空间茎/空间先导重燃后侧向连接至先导通道.     

在耗损介质中的电磁波

本文讨论了在均匀的各向同性耗损介质中传播的自由电磁波的偏振性质．一般情况下，电场和磁场不能同时保持横向的性质．所以，从电磁场整体来看，电磁波不再是横波，但是在耗损很小或垂直入射情况下，电磁波依然是横波．     

雷电电磁场峰值的概率分布

获得雷电电磁场的随机特性,是研究雷电电磁场对电子系统有害耦合效应评估的基础。基于雷电流的统计特性,在具有一般性的概率框架下讨论雷电电磁场,导出电磁场峰值的概率分布函数及密度函数,采用多重积分法计算出不同位置处电场强度和磁场强度峰值的概率分布图和累积概率分布图,计算结果与蒙特卡洛模拟结果吻合。     

强电磁场对某型无线电引信安全性的影响

 为了研究强雷电电磁场（LEMP）对没有保护状态下无线电引信性能的影响，对LEMP进行了模拟。利用MARX发生器向宽带横电磁波（GTEM）室注入雷电电压波，在GTEM室内产生模拟的LEMP电场；利用浪涌发生器向亥姆霍兹线圈注入雷电电流波，在线圈内产生模拟的LEMP磁场。根据某型无线电引信可能遭遇的雷电电磁环境，对处于勤务处理状态的该型无线电引信进行了辐照效应实验，测试辐照前后引信的性能指标，对其差异进行比较，分析了LEMP对该型无线电引信性能指标的影响。结果表明，在强的雷电电磁场环境下LEMP电场会损坏该型无线电引信的高频组件，使其不能产生探测信号，导致引信不能正常发火；LEMP电场还会损坏检波电路，使检波直流电压不能达到正常指标，从而导致引信也不能正常发火；LEMP磁场对该型引信性能基本没有影响。     

A new perspective to the attributes of lightning electromagnetic field above the ground

The characteristic parameters of lightning electromagnetic field, which include the peak value, time derivatives, power flow density and energy density, are very important for lightening electromagnetic field shielding, remote sensing of lightning and modeling of discharge channel. Different from issued results, which operate the lightning electromagnetic field only at some discrete points near the ground, the electromagnetic field and its derivatives at every point in the whole space are calculated by a modified finite difference time-domain (FDTD) approach and are illustrated with groups of plots in this paper. The spatial attribute of these parameters is investigated, and their propagation processes over finite conductivity ground are time-sampled and analyzed. Moreover, the propagation effects of lightning electromagnetic field and its time derivatives over different finite conducting ground are also analyzed in the entire area. In the region of ground, the conclusions gotten from our data are fairly consistent with the consequences from the published articles. Meanwhile, some novel phenomena are detected from our results in the atmosphere, which has never been involved in reported articles. Furthermore, the method employed has been tested and compared with the issued experiment data and the results from theoretical approach firstly.     

9.5 m高水平极化有界波电磁脉冲模拟器内场分布特性的初步实验研究

测量了9.5 m高的水平极化有界波电磁脉冲模拟器的内部场,并根据实验测量结果分析了该模拟器内场分布特性,包括一定区域内场均匀性的定量分析及模拟器内部有效测试空间的确定方法,进而对最低位置为距离地面2 m的有效测试空间进行了预估。实验结果表明:位于该模拟器双锥中心正下方且距离该中心5.5～7.5 m的测点场的峰值基本按照测点与双锥中心间距的倒数衰减,且随着测点与双锥中心间距的增大,因锥与极板不连续结构导致的波形变化在时间轴上滞后,而因地面影响导致的波形变化在时间轴上提前;在距离地面比较高的水平面上,两极板之间场的外泄方向场的衰减比双锥中轴线方向场的衰减更慢;该模拟器内部距离地面2 m的水平面上12 m×12 m的区域内所取测点的归一化场平均峰值约为0.678,归一化场平均峰值的标准偏差约为0.068 9,场的均匀性约为2.039 dB。     

基于时频图像分析的核爆与雷电电磁脉冲识别

根据核爆和雷电电磁脉冲信号非平稳、非线性特点,对核爆电磁脉冲(NEMP)和雷电电磁脉冲(LEMP)信号进行了Hilbert谱分析,计算了二者Hilbert谱的图像区域特征,对二者进行了识别研究,并且从NEMP和LEMP不同的产生机理上对识别结果进行了分析。实验结果表明:以Hilbert谱的面积和重心,以及六维图像区域特征作为特征,对NEMP和LEMP的识别率达到了90％以上,可以对二者进行有效识别。     

雷电电磁脉冲对架空电力线的耦合效应

 从传输线模型出发,通过建立雷电回击通道、大地和电力线系统一体化模型,采用时域有限差分法计算得出雷电回击电流的近场分布,将场值代入离散的传输线方程后,计算了架空电力线终端的感应过电压。通过对多导体架空线和单导体线终端感应过电压的分析,发现由于其它导体的存在,多导体系统中单根导体两端的感应电压峰值比相同高度处单一导体两端的感应电压峰值低10%～20%;并且对于垂直导体结构,最小感应电压产生在距离地面最近的导体上;而对于水平导体结构,最小感应电压产生在中间导体上。     

Some issues concerning lightning strikes to communication towers

It is a usual phenomenon that lightning strikes tall communication towers. Some of the questions about lightning interaction with communication towers are dealt with in this paper. Can tall towers influence the incidence of lightning in the area where the tower is situated? Are the parameters of lightning, such as peak currents, influenced by the presence of the tower where lightning strikes? What would be the difference in the electric and magnetic field environment in the near vicinity of the tower and far from the tower when compared to the corresponding values with lightning striking level ground? Are lightning protection methods designed primarily to protect the communication equipment sufficient to prevent lightning surge transfer to nearby local networks? This paper addresses the above issues based on the analysis, models and observations made in the recent past and also using some simple calculations by the authors.     

小波包分形在远区核爆电磁脉冲识别中的应用

针对远区核爆电磁脉冲(NEMP)和闪电电磁脉冲(LEMP)的识别率不能满足实际需求的问题,提出了一种基于小波包分形技术的识别方法。首先,对实测的NEMP和LEMP做插值、归一化等预处理;然后,基于小波包理论对预处理后的信号进行2层小波包分解,并利用小波包系数重构信号的分形维数,组成信号的特征向量;最后,采用最小二乘支持向量机(LSSVM)作为分类器,利用五折交叉验证法选取最优的模型参数,将特征向量输入分类器中进行训练后获得测试结果。实验结果表明,小波包分形方法在NEMP和LEMP的识别上效果显著,平均识别率达到99%以上,具有较高的应用价值。     

雷电电磁脉冲的产生机理、危害及其防护

阐述了雷电电磁脉冲的产生机理、传播途径及对电子设备的危害,并简要说明了其防护措施.