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基于时差法三维闪电定位系统对闪电放电过程的研究

摘要：基于GPS技术的时差法定位技术的VHF（甚高频）辐射源定位系统成功发展，并在中国山东省北部的观测站点投入使用。首次成功获得中国闪电过程的3D图像，并结合地面的快速电场变化资料，对典型负地闪、正地闪和云闪放电进行分析。结果表明，正、负地闪的辐射源传输过程存在重要的差异。典型负地闪的预击穿速度大约为 5.2times;10⁴m/s。负地闪的梯级先导由初始的负击穿所引发，随后，梯级先导以1.3times;10⁵m/s的速度向下传播。正地闪的初始过程也是负流光的传输过程，以优势水平方向在正电荷区域内传输，并为始发点积累正电荷，从而触发正流光向下传输。论文中研究了由双极性窄脉冲事件所触发的一种新型闪电放电过程。该脉冲事件发生在正电荷区域上方约10.5km的高度上，与一般的云闪不同，它将引发云内放电通道水平向周围扩展，同时产生大量辐射源，双极性窄脉冲辐射峰值强度值高达16.7kW，而一般闪电辐射源功率一般在100mW~500W范围内。此类新型云闪及其三维传输过程首次在国内发现。本文还讨论了其可能的触发机制。

实现闪电辐射源高分辨率时空定位是精细研究闪电放电过程、雷暴电荷结构及其形成机理的新型手段。闪电放电过程可分为地闪和云闪。由于地闪常常引起严重灾害和人员伤亡，所有人们更加关注地闪。由于地闪定位系统和二维VHF（甚高频）定位系统的应用，在闪电定位技术以及地闪机理研究方面取得了很多很有意义的成果^[1-3]，近年来，闪电探测技术在精确度方面有了很大的提高，在LDAR的基础上，美国科学家发展了基于GPS系统的闪电VHF辐射源时差法（TOA)定位系统(LMA),研究了闪电VHF（甚高频）辐射源的三维演变过程^[5-7]。张义军等^[8-11]利用LMA系统的资料，揭示了雷暴正常三极性电荷结构特点，同时还指出云内闪电放电过程不仅发生于上部正电荷区与主负电荷区之间，还存在着反极性放电过程。祝保友和陶善昌等^[12]利用自行研制的观测系统对雷暴云中产生的双极性窄脉冲事件进行了统计分析。Shao^[13] 等和郄秀书等^[14]利用闪电在低频段的TOA组网观测对雷点放电特征进行了研究。然而，现今在中国还没有像LMA那样的三维闪电定位系统。因此，无法对雷暴的放电结构和起点机制做出更精细的研究。本文介绍了我们自行研制的具有高时空分辨率的闪电VHF辐射源三维定位系统，并观测分析了我国雷暴的地闪和云闪放电的三维时空演变过程的全景图像，同时对闪电放电特征和VHF辐射峰值强度进行了详细讨论，初步结果揭示了闪电放电通道，雷暴云中的三维时空结构，正、负地闪的不同放电机理，特别讨论了具有起始双极性窄脉冲云闪的结构忽然可能机理。

1 实验场地及观测仪器

2007年6-8月期间在山东滨洲地区进行了雷电综合观测实验，如图一所示，以沾化横店中心站为原点，在其辐射方向均匀分布建立了6个观测子站，在距离中心战西北方向550m处建有人工引雷实验场。实验区域东靠渤海湾（约50km），区域内地势比较平坦，海拔高度5-10m。实验区域位于南北天气系统的交汇处，因此夏季常有十分强烈的雷暴系统过境。每个测站装有用于闪电辐射脉冲三维定位的闪电VHF辐射源时差法（TOA）定位系统（简称LLR）和GPS同步的高精度始终（plusmn;25ns），以及用于闪电快电场变化测量的宽带电场变化测量仪（带宽0~10MHz，时间常速100 mu;s，动态范围plusmn;3.5V）、快点长测量仪（带宽0~5MHz，时间常速1ms，动态范围plusmn;10V）、慢电场测量仪（带宽0~2MHz，时间常数6s，动态范围plusmn;10V）和大气平均电场仪(plusmn;50 k V/m)，这些仪器获得模拟信号并通过数字化 A/D 板卡转换后送入 PC 微机同步记录。中心站另安装有高速摄像仪(100000 幅/s)、云顶向上放电拍摄装置、闪电 VHF 窄带干涉仪系统等。7个 LLR 用无线宽带接入系统连接组成无线同步测量网络， 数据采集可由中心站控制或自动运行。本文分析以电场负向变化时对应头顶正电荷减少的假定。

2 辐射源的三维时空定位原理

2.1 硬件实施原理

闪电VHF辐射源的三维定位系统由7个探测子站组成，如图1所示。每个站点同步接收由闪电放电产生的VHF电磁辐射脉冲信号的峰值。脉冲图形如图2所示。VHF接收系统中心频率为270MHz，3dB，带宽6MHz。由于采用了对数放大器，是的测量范围达到了100dB。当信号的峰值超过噪声电平阈值时，以25 micro;s 的间隔记录下最大峰值信号。所使用的A/D转换率为20MHz，信号峰值时间分辨率为50ns。站点的40MHz高精度始终和GPS接收机的1PPS脉冲上升沿同步并被校准。经二分频输出的20MHz基准信号作为A/D转换器的采样时钟。利用7个子站同步确定的峰值到达的绝对时间来对闪电辐射源进行三维时空定位。

该系统利用25 micro;s窗口处理一次峰值事件，每秒最高能定位处理40000个辐射源（实际定位辐射源数目根据各测站可识别的孤立脉冲数多少而有所变化），从而详细描绘闪电放电全过程的三维图像。

2.2实现辐射源定位的方法

闪电击穿产生的辐射脉冲到达子站i的时间 t_i与测站间距离存在以下关系式：

(1)

其中c是光速，t是辐射源在（x，y，z）位置的时间，（x_i，y_i，z_i）是第i个测站的的位置坐标，t_i为辐射脉冲到达第i测站的时间，如图3所示。

利用 6 个以上测站测量的到达时间 t_i可以得到 6个以上的形式如(1)式的方程，组成非线性方程组。求解 x, y, z, t 的值应当使测量值t_i和由方程 (1) 给出的值 t_i=f(x_i ，y_i，z_i)之间的偏差极小，这里采用非线性最小二乘拟合方法，对该方程中参数(x，y，z，t)予以拟合，确定函数 t_i的参数(x，y，z，t)的数值，使 x²取极小值，

，（2）

x²为拟合优度，用于衡量所求的解与实际测量的到达时间的近似程度，通过不断的迭代求解出一组(x，y，z，t），并使其最接近于测量结果，就可以得到辐射源的三维空间位置。

2.3误差估计

我们采用简单几何方法^[15]估计误差，假定辐射源在两测站之间的基线上，辐射源平面距离的定位误差相当于到达时间差值标准偏差的一半所对应的距离误差，高度误差同辐射源与测站间的距离有关，当辐射源位于测站正上方时高度误差最小， 高度误差随辐射源远离测站而增大，可分为网内和网外来估算本系统的误差，网内及网络附近有

，（3）

其中Delta;d 是平面误差，Delta;t 是每个测站的时间均方根误差，d 是最近测站到辐射源正下方的平面距离，r 是最近测站到辐射源的距离，z 是辐射源相对网络平面的高度，Delta;z 是高度误差。

由于系统采用高精度 GPS 的 1PPS 脉冲同步 40 MHz 时钟，存在同步误差，即 GPS 的 1PPS 定时误差(精度小于 12 ns ，6sigma;平均)，单个测站总合均方根误差约为 18 ns， A/D 采样周期为 50 ns，因为 A/D 在转换过程中存在量化误差[16]，所以有 50 / 12 asymp; 14.1 ns 的均方根误差，再加上触发等误差等，估计系统最大时间误差约为 50 ns，用公式(3)计算得出，

网内及网络附近(公式适用于距测站网络以外 10 km 左右的范围内)，在闪电通常发生高度 4~15 km 范围内，水平误差不超过 11 m，高度误差一般是水平误差的 2~3 倍。随着辐射源高度的降低，高度误差会有细微的增大。同时网外有

这里 r 是中心测站到辐射源的距离，D 是网络模型的直径，z 是辐射源相对网络平面的高度，

Delta;T 是两个测站之间的接收时间误差，Delta;t 是每个测站的时间均方根误差，计算表明，在约 100 km 范围内水平误差典型值为 100 m，垂直误差在300 m 以下，随着距离增加误差增大。

根据实验室内系统同步接收脉冲信号标定测试，采用分辨率 25 ns 时钟计数，按统计结果来看，到达时间误差一般也在 50 ns。 按照光速传播速度，辐射脉冲信号到达各接收天线的误差一般在 50 m以下(平面)。 进一步的野外时空标定实验及详尽的误差分析将另文撰述。

3 资料分析

3.1 负极性地闪

图 4(A)是 2007 年 7 月 9 日 23: 55: 40 时刻(北京时)一次负地闪放电过程的三维时空结构， 图中绿色正方形是测站位置，辐射源的颜色从蓝色到紫色逐步变化指示闪电辐射源随时间演变过程，此次地闪发生在距探测网络中心东南约 30 km 处，由图 4(B)快电场变化波形显示，这次负地闪只有一次回击，持续时间约 250 ms，分析图 4(A)可见，闪电在云内 4.5 km

高度处开始激发，电场呈现正向变化并伴随大幅度的正极性脉冲发生，表明初始激发是向下发展负极性击穿过程，闪电辐射源先在起始区以倾斜方向向下向周围传播，辐射点比较密集，

当击穿过程发展到 3.5 km 高度以下，辐射源开始快速垂直向下发展，引发了梯级先导过程，

先导接地点时间为23:55:40.5269(与山东地闪定位系统(DF)的记录结果一致)。 图 4 中还可以看到梯级先导向地面行进期间，同时在闪电初始激发区还有新的辐射源不断发生，回击发生后在通道的顶端和始发区周围引发了新的闪电通道向远处发展。以辐射源快速垂直向下传输

为负先导的开始点，本次负地闪先导前的预击穿过程持续时间约 19 ms(3.5 km 高度以上)， 梯级先导过程持续时间约 26 ms(3.5 km 高度以下)，预击穿过程发展速度约为 5.2times;104m/s，梯级先导过程发展速度约为 1.3times;105m/s， 与 Shao 等[1~3]观测结果基本一致。这次负地闪的预击穿过程主要以负极性击穿为主，这个阶段的电场变化波形也以正极性脉冲居多，但也可以看到一些负极性的脉冲发生，由此表明在以负极性击穿为主的预击穿过程中，也可能同时存在正击穿过程。

图4 2007年7月9日（北京时）典型负地闪放电过程的三维结构（A）和北邵站测到的快电场变化波形图（B）

（a） 闪电辐射源高度随时间的变化；（b）南北方向上的立面投影；（c）辐射源发生数目随高度的分布；（d）平面投影；（e）东西方向上的立面投影

3.2 正极性地闪

图 5(A)是一次正极性地闪放电过程的三维时空结构图，它只有一次回击，发生在 2007年7 月

11 日11 时 01 分 49 秒(北京时)，根据地面电场记录，可以确定该雷暴为三极性电荷结构。

由东西立面图和平面投影看出，闪电起始于 4 km 高度负电荷区域，先朝南偏西方向发展，10ms 后向上发展到 6 km 高度，深入到正电荷区域，产生大量负击穿过程，又经过 11 ms

后辐射源降低到 4 km 高度，并停止传输。结合图5(B)可见，此时段电场为负向变化，且波形上叠加了密集的正负极性脉冲， 说明在传输路径上产生大量雪崩的负电荷并向正电荷区域内传输，消耗区域内正电荷量，相反，由雪崩过程产生的正电荷向初始击穿点传输，在传输过程中产生大量正、负脉冲(图5(B))。此后，在 4.4 km 高度上，又发生大量负击穿过程，向水平方向延伸约 16 km。 上述大量的云内负击穿过程，在消耗区域内正电荷量的同时，在初始激发点积聚了大量正电荷，大大地提高了该点的正电位，最后触发向下的正地闪过程。根据这次正地闪电场变化波形的回击发生时间和正先导位置，接地点发生的绝对时间为 11:01:49.453896， 与山东地区地闪定位网(DF)测量的一致。回击发生后在回击点的上方初始击穿区引发了新的闪电通道。并向上相反的西北方向水平发展，传输距离约 35 km。 这次正地闪持续时间约 600 ms，闪电通道以开始区为中心向对称方向发展。回击前主要在 4.4 km的高度上传输，平均速度约为 1.6times;105m/s， 辐射源比较集中。回击后在7.2 km 的高度上传输，

平均速度为 1.4times;105m/s， 辐射点比较弥散，从初始触发点向下的正先导过程，由于其辐射较弱，未能被探测到，与张义军等^[11]的结果基本一致。综合分析得知这次正地闪电荷区由低到高倾斜分布，呈现出不均匀形态特征。

从上分析可见，正、负地闪的触发过程是不同的；负地闪是在负电场环境下空气被击穿产生负流光传输，离开负电荷区域向下以梯级先导形式传输，没有或很少云内放电过程。正地闪是在正电场环境下空气被击穿，由于正电荷迁移太小，主要也是负流光传输，但其方向是进入正电荷区，产生大量的云内放电过程，中和云内正电荷同时在始发点积累正电荷提高正电位，直到足以产生向下正流光传输。因此，云内放电是产生正地闪的重要条件，它为始发点提供能量，产生正地闪。

图 5 2007年7月11日（北京时）正极性地闪放电过程的三维结构图（A）和滨海站测到的正极性地闪放电过程的快电场波形图（B）

3.3 云闪

图 6(A)是两次云内闪电，均表现出了双层结构它们发生在大约 2007年8月1 日2 时7分 48

秒(北京时)，图中的上、中、下3

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