本發(fā)明屬于人工引雷放電過(guò)程測(cè)量
技術(shù)領(lǐng)域：
，尤其涉及一種利用低頻磁場(chǎng)天線遙感測(cè)量人工引雷(以及高建筑物引發(fā)閃電)初始連續(xù)電流及近距離遙感測(cè)量地閃回?fù)糁羞B續(xù)電流的方法。
背景技術(shù)：
：人工引雷是研究閃電過(guò)程物理機(jī)制的重要技術(shù)手段。通過(guò)從地面發(fā)射拖曳金屬絲的小火箭，可以將地面零電位引入到雷暴云底的高電場(chǎng)環(huán)境中，從而形成持續(xù)的放電過(guò)程，最終形成閃電。作為一種可控性較高的閃電測(cè)量手段，該方法已被用于研究閃電放電中的物理過(guò)程(特別是接地過(guò)程的特征描述)以及閃電防護(hù)技術(shù)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。同自然閃電的觀測(cè)相比，人工引雷實(shí)驗(yàn)的一大優(yōu)勢(shì)是閃電電流匯入地面的通道是已知的，因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)場(chǎng)地觀測(cè)實(shí)驗(yàn)測(cè)量閃電電流波形。自20世紀(jì)70年代法國(guó)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展人工引雷技術(shù)以來(lái)，電流測(cè)量一直是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中重要的研究?jī)?nèi)容之一。在目前世界各地開(kāi)展的人工觸發(fā)閃電實(shí)驗(yàn)中，一般通過(guò)將同軸分流器串聯(lián)在閃電電流從引流桿連接到地的放電通路中實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電電流的直接測(cè)量，以及通過(guò)對(duì)Pearson線圈上的電磁感應(yīng)強(qiáng)度的測(cè)量實(shí)現(xiàn)對(duì)閃電電流進(jìn)行間接的反演。兩種方法得到的閃電電流結(jié)果基本一致，因此通常配合使用用來(lái)測(cè)量不同范圍內(nèi)的通道底部電流強(qiáng)度。上述兩種傳統(tǒng)測(cè)量方法均要求將測(cè)量設(shè)備事先安置在已知閃電電流入地通道周圍，無(wú)法在一定距離范圍內(nèi)對(duì)流經(jīng)未知放電通道的閃電電流進(jìn)行測(cè)量。人工引雷實(shí)驗(yàn)中通道底部記錄到了閃電不同發(fā)展階段或者不同過(guò)程對(duì)應(yīng)的電流。由于在人工引雷實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中閃電電流測(cè)量設(shè)備的量程均較大(比如40kA和2kA兩種設(shè)置)，使得測(cè)量設(shè)備的分辨率較小，而初始連續(xù)電流階段通常伴隨有安培量級(jí)的弱電流過(guò)程，在傳統(tǒng)電流測(cè)量結(jié)果中這些弱電流與測(cè)量噪聲疊加在一起，因此很難準(zhǔn)確地識(shí)別初始連續(xù)電流中幅值較弱的部分，例如測(cè)量到了一次幅值較大的M分量，但是其前后若干個(gè)幅值較小的M分量則和噪聲疊加在一起，很難識(shí)別。因此，針對(duì)閃電電流測(cè)量設(shè)備對(duì)閃電初始連續(xù)電流分辨率不足的問(wèn)題，需要在已有通道底部電流測(cè)量手段的基礎(chǔ)上發(fā)展具有較高靈敏度的探測(cè)方法。綜上所述，現(xiàn)有的通道底部電流測(cè)量方法中傳感器需放置在閃電電流通路上的局限性，以及對(duì)閃電弱電流分辨能力不足，不能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)初始連續(xù)電流細(xì)節(jié)特征重構(gòu)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種利用低頻磁場(chǎng)天線遙感測(cè)量人工引雷初始連續(xù)電流的方法，旨在解決現(xiàn)有的通道底部電流測(cè)量方法中傳感器需放置在閃電電流通路上的局限性，以及對(duì)閃電弱電流分辨能力不足，不能準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)初始連續(xù)電流細(xì)節(jié)特征重構(gòu)的問(wèn)題。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明涉及一種利用低頻磁場(chǎng)天線遙感測(cè)量人工引雷初始連續(xù)電流的方法，所述方法利用低頻磁場(chǎng)天線在有效探測(cè)頻段范圍外的頻率響應(yīng)特征，此時(shí)磁場(chǎng)天線實(shí)際測(cè)量到的是磁場(chǎng)變化率(dB/dt)信號(hào)，對(duì)該信號(hào)采用數(shù)值積分的方法可以得到實(shí)際磁場(chǎng)(B)信號(hào)，同時(shí)疊加在有效磁場(chǎng)信號(hào)上的白噪聲在數(shù)值積分過(guò)程中相互抵消，使得數(shù)學(xué)處理后的信號(hào)信噪比非常高?？紤]到觀測(cè)點(diǎn)距離人工引雷閃電通道較近(78m)，此時(shí)測(cè)量到的磁場(chǎng)信號(hào)主要為感應(yīng)場(chǎng)分量，而磁場(chǎng)感應(yīng)場(chǎng)與電流之間具有系數(shù)關(guān)系，因此通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定獲得該系數(shù)即可用于反演人工引雷實(shí)驗(yàn)中特征性放電過(guò)程，即初始連續(xù)電流的高時(shí)間分辨率波形。進(jìn)一步，所述低頻磁場(chǎng)天線包括：磁傳感器，采用密繞金屬導(dǎo)線線圈，同軸金屬導(dǎo)線線圈密繞在一根相對(duì)磁導(dǎo)率在102量級(jí)的軟磁材料磁棒上，磁傳感器封裝在高強(qiáng)度PVC塑性套管中，采用T型連接管件組合成正交傳感器；密繞線圈等效為由電阻R，電容C和電感L組成的電路；磁傳感器與信號(hào)處理電路相連，信號(hào)處理電路包括斬波電阻、一個(gè)兩級(jí)放大電路和一個(gè)高通濾波器；其中斬波電阻使該磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)帶寬可調(diào)；兩級(jí)放大電路使得測(cè)量系統(tǒng)增益可調(diào)；高通濾波器用于過(guò)濾工頻噪聲；磁傳感器與信號(hào)處理電路板封裝在非屏蔽盒內(nèi)組成磁場(chǎng)天線室外部分，并對(duì)屏蔽盒做防水處理。進(jìn)一步，所述低頻磁場(chǎng)天線3dB帶寬為6kHz-340kHz，在該頻率段內(nèi)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量的是磁場(chǎng)B信號(hào)；在低于6kHz的頻率上，磁場(chǎng)天線實(shí)際測(cè)量到的是磁場(chǎng)變化率dB/dt信號(hào)。進(jìn)一步，所述磁場(chǎng)天線測(cè)到的磁場(chǎng)B包括感應(yīng)場(chǎng)Bi和測(cè)量白噪聲Bn，滿足靜磁學(xué)中的Biot-Savart定律：B(t)=∫t′=t0tdBdt′dt′=α·h(t)·I(t);]]>其中h(t)為時(shí)間t的閃電通道長(zhǎng)度，h(t)當(dāng)做常數(shù)處理，α為待定比例系數(shù)；由于測(cè)量白噪聲Bn在數(shù)值積分運(yùn)算中相互抵消，令β＝α·h(t)，則公式可改寫(xiě)為從近距離磁信號(hào)獲得通道底部電流波形的關(guān)系式：I(t)=β∫t′=t0tdBidt′dt′;]]>常數(shù)β通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定獲得。本發(fā)明提供的利用低頻磁場(chǎng)天線遙感測(cè)量人工引雷初始連續(xù)電流的方法，可以克服通道底部測(cè)量設(shè)備對(duì)閃電弱電流分辨能力不足的問(wèn)題，可以比較準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)對(duì)初始連續(xù)電流的重構(gòu)。本發(fā)明基于測(cè)量人工引雷閃電通道近距離處的寬頻段磁場(chǎng)，獲取了一種初始連續(xù)電流波形的反演方法，傳統(tǒng)的通道底部電流測(cè)量是通過(guò)采用同軸分流器或者Pearson線圈實(shí)現(xiàn)的，是人工引雷以及高建筑物引發(fā)閃電研究中的標(biāo)準(zhǔn)方法，而與傳統(tǒng)電流測(cè)量相比，本發(fā)明中遙感反演電流的方法所采用的低頻磁場(chǎng)天線制作和架設(shè)相對(duì)簡(jiǎn)單，成本較低(前端傳感器的制作成本約為10元，后端放大電路成本不超過(guò)100元)，并且可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的不同調(diào)節(jié)磁場(chǎng)天線增益等參數(shù)，可操作性更強(qiáng)。更重要的是，通過(guò)該方法反演得到的初始連續(xù)電流結(jié)果性噪比很高，可以作為人工引雷實(shí)驗(yàn)閃電電流測(cè)量的輔助手段，甚至在諸如自然閃電等沒(méi)有閃電電流直接測(cè)量的情況下，通過(guò)該反演方法可以得到閃電電流極為可靠的結(jié)果。本發(fā)明非經(jīng)典式人工引雷(即所謂的空中引雷)：在這種形式的引雷試驗(yàn)中，火箭拖曳的鋼絲以尼龍線(或棉線)同大地導(dǎo)體連接，因此閃電接地通道具有隨機(jī)性，故傳統(tǒng)的電流測(cè)量傳感器無(wú)法測(cè)量電流波形。在該情形下，本發(fā)明的遙感方法可有效獲得引雷過(guò)程中可能存在的初始連續(xù)電流時(shí)變波形。高建筑物引發(fā)閃電：高建筑物因其防雷需求一般接地，因此高建筑物類似于人工引雷中火箭拖引的導(dǎo)線，同樣能夠?qū)⒔拥貙?dǎo)體引入到雷暴云的高電場(chǎng)區(qū)。由于高建筑物的設(shè)計(jì)一般較為復(fù)雜，因此測(cè)量擊中高建筑物并流入地面的電流比較困難。本發(fā)明的遙感方法將有效解決這一難題，有助于獲得距離磁場(chǎng)傳感器一定距離范圍內(nèi)高建筑物引發(fā)閃電可能導(dǎo)致的連續(xù)電流時(shí)變波形。地閃回?fù)糁写嬖诘倪B續(xù)電流過(guò)程：地閃回?fù)暨^(guò)程位置很難預(yù)測(cè)，因此無(wú)法直接測(cè)量地閃中連續(xù)電流的時(shí)變波形。本發(fā)明的遙感方法不需要將傳感器放置在電流通道上，因此可獲得距離磁場(chǎng)傳感器一定距離范圍內(nèi)自然閃電引起的連續(xù)電流時(shí)變波形。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的電流測(cè)量方法采用的低頻磁場(chǎng)傳感器結(jié)構(gòu)圖(天線采用裸銅線纏繞軟磁棒制成)。圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的電流測(cè)量方法所采用低頻磁場(chǎng)傳感器的工作原理示意圖。圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一定時(shí)間尺度的垂直閃電電流在78米水平距離處產(chǎn)生的磁場(chǎng)(選取了五個(gè)不同高度的閃電通道)示意圖。圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的低頻磁場(chǎng)傳感器的頻率響應(yīng)曲線。圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的2014年8月23日的一次人工引雷測(cè)量結(jié)果示意圖；圖中：(a)78米處低頻磁場(chǎng)天線的測(cè)量波形(水平方向通道)；(b)78米處低頻磁場(chǎng)天線的測(cè)量波形(垂直方向通道)；(c)通過(guò)數(shù)值積分獲得的初始連續(xù)電流波形及其同通道底部測(cè)量結(jié)果的比較。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明實(shí)施例提供的用低頻磁場(chǎng)天線遙感測(cè)量人工引雷初始連續(xù)電流的方法包括以下步驟：步驟1、制作磁傳感器。采用密繞金屬導(dǎo)線線圈的方案，為了提高所述磁傳感器的靈敏度，可以通過(guò)增大線圈半徑和增加線圈圈數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，不過(guò)這樣會(huì)使得磁場(chǎng)天線尺寸較大，不符合便攜的基本要求，而且線圈圈數(shù)越多，線圈自身電阻越大，導(dǎo)線引入的熱噪聲也越強(qiáng)，因此本發(fā)明將同軸金屬導(dǎo)線線圈密繞在一根相對(duì)磁導(dǎo)率較高(有效磁導(dǎo)率在102量級(jí))的軟磁材料磁棒上，不僅增強(qiáng)了磁傳感器的靈敏度，同時(shí)將其控制在合理的尺寸范圍(長(zhǎng)度20cm，直徑1cm)，考慮到軟磁鐵材質(zhì)較為脆弱，易斷裂，本發(fā)明中將制作好的磁傳感器封裝在高強(qiáng)度PVC塑性套管中(含套管直徑約1.8cm)，并采用T型連接管件組合成正交傳感器，保證了其使用強(qiáng)度和便攜性，如圖1所示。步驟2、調(diào)制信號(hào)。密繞線圈可以等效為由電阻R，電容C和電感L組成的電路，而由線圈組成的磁場(chǎng)天線具有某個(gè)特定的諧振頻率，這是由其本征屬性決定的，其計(jì)算公式為當(dāng)信號(hào)頻率增大到諧振頻率時(shí)磁傳感器相應(yīng)最強(qiáng)，信號(hào)頻率繼續(xù)增大時(shí)，由于線圈的感抗增加，從而等效阻抗增加使得信號(hào)通過(guò)磁傳感器時(shí)相應(yīng)變?nèi)酢１景l(fā)明將磁傳感器與信號(hào)處理電路相連用以調(diào)制信號(hào)，所述信號(hào)處理電路主要包括斬波電阻、一個(gè)兩級(jí)放大電路和一個(gè)高通濾波器，其中斬波電阻可以使該磁場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)帶寬可調(diào)，兩級(jí)放大電路能夠使得測(cè)量系統(tǒng)增益可調(diào)，高通濾波器用于過(guò)濾工頻噪聲，電路設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。步驟3、系統(tǒng)標(biāo)定。磁場(chǎng)天線及其電路制作完成后，需要對(duì)整套系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行嚴(yán)格標(biāo)定，其基本原理為通過(guò)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)固定頻率的信號(hào)，該信號(hào)傳輸至一個(gè)已知參數(shù)的大的空心磁場(chǎng)線圈，進(jìn)而計(jì)算得到其內(nèi)部的磁場(chǎng)強(qiáng)度，將待標(biāo)定的小磁場(chǎng)天線放入其內(nèi)部，通過(guò)讀取示波器的信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)該固定頻率下信號(hào)的標(biāo)定，之后改變信號(hào)發(fā)生器的頻率重復(fù)此標(biāo)定過(guò)程直至完成對(duì)整個(gè)所需頻段的信號(hào)標(biāo)定。通過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，本發(fā)明最終實(shí)現(xiàn)了一套工作頻段涵蓋低頻段的磁場(chǎng)天線：其3dB帶寬為6kHz-340kHz，在該頻率段內(nèi)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量的是磁場(chǎng)(B)信號(hào)；在低于6kHz的頻率上，磁場(chǎng)天線實(shí)際測(cè)量到的是磁場(chǎng)變化率(dB/dt)信號(hào)，標(biāo)定完成的頻幅曲線如圖3所示。步驟4、系統(tǒng)封裝。將磁傳感器與信號(hào)處理電路板封裝在非屏蔽盒內(nèi)組成磁場(chǎng)天線室外部分，并對(duì)所述屏蔽盒做防水處理?？紤]到閃電發(fā)生具有時(shí)空隨機(jī)性，其輻射產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)方向不確定，因此本發(fā)明中采用兩個(gè)正交的磁場(chǎng)天線接收信號(hào)，同時(shí)電路板采用雙通道，并將天線與電路板封裝在非屏蔽盒內(nèi)放置于室外，步驟5、內(nèi)外系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。通過(guò)屏蔽同軸線纜將磁場(chǎng)天線室外部分與控制室內(nèi)磁場(chǎng)采集系統(tǒng)相連，整套系統(tǒng)通過(guò)GPS授時(shí)裝置實(shí)現(xiàn)亞微秒量級(jí)的高精度授時(shí)，所述GPS授時(shí)裝置其天線置于室外。步驟6、數(shù)據(jù)分析。在人工引雷實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)上述低頻磁場(chǎng)天線獲取的數(shù)據(jù)可用來(lái)反演初始連續(xù)電流。下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用效果作詳細(xì)的描述。2014年夏季的山東沾化閃電觀測(cè)實(shí)驗(yàn)中，利用高靈敏度寬頻段磁場(chǎng)天線在距引雷點(diǎn)78米的距離上開(kāi)展了對(duì)人工引雷電流過(guò)程的遙感測(cè)量。通過(guò)分析實(shí)驗(yàn)期間5次人工引雷的綜合觀測(cè)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)磁遙感方法對(duì)人工引雷中特有的初始連續(xù)電流有很好的反演效果。通過(guò)對(duì)78米距離上獲得的磁測(cè)量信號(hào)進(jìn)行積分處理，能夠有效地去除測(cè)量噪聲的影響，從而反演得到初始連續(xù)電流的低噪聲時(shí)變波形。該方法為獲取高空引雷試驗(yàn)中的初始連續(xù)電流波形提供了一種新方法，同時(shí)也可用于近距離反演自然閃電中連續(xù)電流的時(shí)變波形。1、測(cè)量和數(shù)據(jù)本發(fā)明所使用的數(shù)據(jù)于2014年夏季的山東人工引雷實(shí)驗(yàn)中獲得，通道底部的閃電電流采用帶寬為0-3.2MHz的5mΩ同軸分流器串聯(lián)引流桿直接測(cè)量獲取。引雷鋼絲較好地系扣在引流桿上。此外，引流桿底部還環(huán)繞了一個(gè)Pearson線圈(帶寬為0.9Hz～1.5MHz)以獲得回?fù)舻冗^(guò)程引起的千安培量級(jí)電流。78米處的磁場(chǎng)通過(guò)交叉磁線圈測(cè)量。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的標(biāo)定結(jié)果，磁傳感器的3dB帶寬是6kHz到340kHz。在低于6kHz的頻率上，磁傳感器的增益隨著頻率的增加而增加(這主要取決于磁線圈的本征屬性)，是本發(fā)明介紹的初始連續(xù)電流近距離遙感方法的工作頻段。在人工引雷實(shí)驗(yàn)中，火箭拖曳金屬線(在SHATLE觀測(cè)中使用直徑0.2mm，單位長(zhǎng)度電阻為7Ω/m的鋼絲)以100m/s的設(shè)計(jì)速度上升。由于鋼絲始終保持接地狀態(tài)，而地面以上的電勢(shì)是不斷較小的(考慮負(fù)極性人工引雷的情形)。因此，當(dāng)上升鋼絲終端附近的電場(chǎng)達(dá)到擊穿閾值時(shí)，一個(gè)持續(xù)性的正先導(dǎo)將形成并以2×104m/s到1.8×105m/s的速度向上傳播。一般在正先導(dǎo)始發(fā)5-10毫秒之后，正先導(dǎo)通道在高速攝像上持續(xù)可見(jiàn)，即對(duì)地的電荷傳輸進(jìn)入初始連續(xù)電流階段。2014年5次人工引雷的正先導(dǎo)始發(fā)高度和初始連續(xù)電流階段可見(jiàn)的通道長(zhǎng)度(包括引雷鋼絲部分)如表1所列。本發(fā)明以8月23日16:11:06UTC一次人工引雷實(shí)驗(yàn)為實(shí)施例，但并未局限于該實(shí)施例。由于所采用低頻磁場(chǎng)天線較高的靈敏度，除8月18日04:17:18UTC的實(shí)驗(yàn)外，其它4次引雷的水平通道磁場(chǎng)測(cè)量均存在一定程度的飽和現(xiàn)象，而垂直通道方向的信號(hào)較弱并未飽和，不過(guò)垂直方向的測(cè)量信號(hào)信噪比較低。表12014年夏季人工引雷正先導(dǎo)始發(fā)高度和閃電通道持續(xù)發(fā)光可見(jiàn)時(shí)通道高度2、方法及理論基礎(chǔ)在SHATLE實(shí)驗(yàn)基地的人工引雷過(guò)程中，當(dāng)金屬導(dǎo)線頭部出現(xiàn)持續(xù)的上行正先導(dǎo)時(shí)，引雷火箭通常已經(jīng)上升到150米以上的高度。正先導(dǎo)向上傳播過(guò)程中將雷暴云體及其周圍環(huán)境中的負(fù)電荷傳輸?shù)降孛?，?duì)應(yīng)的電流元沿著近似垂直的引雷導(dǎo)線通道向下傳輸，其電磁輻射模型如圖3所示，其中h為電流源起始位置距離地面的高度，c為電磁波在大氣中的傳播速度(近似取為真空中光速，即3×108m/s)，v為電流元沿閃電通道向下傳播的速度，l為磁場(chǎng)天線與引流桿的水平距離(在本發(fā)明討論中統(tǒng)一取78m)。假設(shè)地面電導(dǎo)率無(wú)窮大的情況下，磁場(chǎng)天線接收到的磁場(chǎng)可以通過(guò)公式(1)計(jì)算：B(t)=12πϵ0c2∫0H(sinα(z′)R2(z′)i(z′,t-R(z′)c)+sinα(z′)cR(z′)∂i(z′,t-R(z′)/c)∂t)dz′---(1)]]>其中方程右邊的第一項(xiàng)和第二項(xiàng)分別稱為閃電磁場(chǎng)的感應(yīng)場(chǎng)分量(記為Bi)和輻射場(chǎng)分量(記為Br)，H的值等于引雷導(dǎo)線長(zhǎng)度h。由于人工引雷初始連續(xù)電流通常持續(xù)幾十到幾百毫秒，其上疊加的初始連續(xù)電流變化和M分量的半峰值寬度也在幾百微妙到幾個(gè)毫秒量級(jí)，因此這些電流包含更多的低頻成分，考慮到電流在鋼絲上的傳播速度在108m/s數(shù)量級(jí)，而且磁場(chǎng)天線與引流桿的水平距離僅為78m，所以電磁場(chǎng)傳播延遲遠(yuǎn)小于閃電電流時(shí)間尺度。在這種情況下，對(duì)于初始連續(xù)電流階段可以假定在任意時(shí)刻通道上的電流都是相同的，電荷源位于雷暴云內(nèi)通道的頂部。從表1可以看出，人工引雷實(shí)驗(yàn)中正先導(dǎo)始發(fā)高度大致分布在140～400米之間，而初始連續(xù)電流開(kāi)始形成時(shí)導(dǎo)線長(zhǎng)度將更長(zhǎng)(400米以上)?；趥鬏斁€模式的計(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)導(dǎo)線中電流的時(shí)間尺度與M分量相當(dāng)或者更長(zhǎng)時(shí)，不論導(dǎo)線長(zhǎng)度如何，電流輻射產(chǎn)生的磁場(chǎng)其感應(yīng)場(chǎng)分量始終占主導(dǎo)地位，輻射場(chǎng)分量可以忽略不計(jì)。此外，導(dǎo)線長(zhǎng)度增加對(duì)感應(yīng)場(chǎng)的影響越來(lái)越小，當(dāng)導(dǎo)線長(zhǎng)度大于400米時(shí)，78米處測(cè)量到的感應(yīng)場(chǎng)已基本不隨導(dǎo)線長(zhǎng)度的增加而變化?；谏鲜鼋Y(jié)果可知，磁場(chǎng)天線測(cè)到的磁場(chǎng)B只有感應(yīng)場(chǎng)Bi和測(cè)量白噪聲(記為Bn)組成，滿足靜磁學(xué)中的Biot-Savart定律：B(t)=∫t′=t0tdBdt′dt′=α·h(t)·I(t)---(2)]]>其中h(t)為時(shí)間t的閃電通道長(zhǎng)度，上文已經(jīng)說(shuō)明當(dāng)初始連續(xù)電流形成時(shí)，導(dǎo)線長(zhǎng)度對(duì)磁場(chǎng)的影響已經(jīng)很小，因此h(t)可以當(dāng)做常數(shù)處理，α為待定比例系數(shù)。考慮到測(cè)量白噪聲滿足關(guān)系式并設(shè)β＝α·h(t)，則公式(2)可改寫(xiě)為從近距離磁信號(hào)獲得通道底部電流波形的關(guān)系式：I(t)=β∫t′=t0tdBidt′dt′---(3)]]>其中常數(shù)β的取值同磁傳感器到閃電通道底部的距離有關(guān)。根據(jù)公式(3)可知，初始連續(xù)電流的反演能夠通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)天線測(cè)量到的磁場(chǎng)進(jìn)行時(shí)間積分的方法實(shí)現(xiàn)。3、結(jié)果將上述方法應(yīng)用到2014年獲得的5次人工引雷過(guò)程中，均獲得了比較理想的結(jié)果。下面以8月23日16:11:06UTC一次人工引雷實(shí)驗(yàn)為實(shí)施例介紹本發(fā)明方法的反演結(jié)果。圖5為所述實(shí)施例初始連續(xù)電流的78米處磁場(chǎng)測(cè)量結(jié)果(水平方向和垂直方向兩個(gè)通道的測(cè)量結(jié)果分別如圖5a和圖5b所示，其中水平方向測(cè)量結(jié)果信噪比更高)和電流測(cè)量及反演結(jié)果(圖5c)，其中記錄到的水平方向磁場(chǎng)信號(hào)在圖5a中指示時(shí)間段存在飽和。如圖5c中虛點(diǎn)線所示，在利用水平方向磁場(chǎng)信號(hào)反演結(jié)果中，盡管在飽和的時(shí)間段上近距離磁場(chǎng)的數(shù)值積分無(wú)法獲得電流波形，但在其它時(shí)間段內(nèi)，反演電流波形很好地體現(xiàn)了實(shí)測(cè)電流波形的絕大多數(shù)特征，包括部分初始連續(xù)電流變化過(guò)程和一些強(qiáng)度較弱的初始連續(xù)電流脈沖，由于信號(hào)飽和的原因，反演結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果會(huì)出現(xiàn)一定平移。針對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)飽和造成的反演結(jié)果不完整的問(wèn)題，本發(fā)明可利用所設(shè)計(jì)磁場(chǎng)天線的垂直通道和水平通道所測(cè)信號(hào)的比例關(guān)系，將垂直方向未飽和磁場(chǎng)信號(hào)替換掉水平方向飽和磁場(chǎng)信號(hào)，重構(gòu)水平通道磁場(chǎng)信號(hào)，進(jìn)而反演得到初始連續(xù)電流的時(shí)變波形，其結(jié)果如圖5c中的實(shí)線所示，可以看出電流反演結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果波形基本重合，并且由于磁場(chǎng)觀測(cè)結(jié)果上疊加的白噪聲在反演方法中通過(guò)數(shù)值積分相互抵消，使得反演得到的電流波形更加平滑，能夠更好地解析弱電流。以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3