專利名稱：區(qū)域性雷電預警方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及雷電預警問題，特別涉及一種根據(jù)雷雨云電化過程中產(chǎn)生的靜電和甚高頻輻射雙效應進行的區(qū)域性雷電預警方法。
背景技術(shù)：
雷電災害是威脅人類生命財產(chǎn)安全的自然災害之一，在云地閃擊發(fā)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(jiān)測與預警設備主要有甚低頻(VLF/LF)閃電定位系統(tǒng)、甚高頻(VHF/HF)云閃定位系統(tǒng)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(fā)生在地面回擊點的位置，以便在事后快速尋找云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征，由于云間閃要先于云地閃5～15分鐘發(fā)生，是當今國內(nèi)外重要的雷電預警設備；但是，甚低頻閃電定位系統(tǒng)和甚高頻云閃定位系統(tǒng)需要多點布站，至少須布3個至3個以上的站，如采用現(xiàn)通用的VHF干涉法，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(shù)復雜，且站與站之間需相距數(shù)10公里，設備分散、數(shù)據(jù)遠距離傳輸?shù)目煽啃圆?，站點的管理、維護困難，特別在雷雨季節(jié)，往往需要較多的專業(yè)技術(shù)人員管理和維護，適用于大范圍的雷電監(jiān)測和預警定位。
對于小范圍的預警，如航天發(fā)射基地(有的航天基地已引進或正準備引進甚高頻云閃定位系統(tǒng))、城區(qū)、風景旅游區(qū)、蓄油區(qū)和機場等一些雷電重點防區(qū)，一般只需要預警周圍10公里范圍內(nèi)無閃電，以安排工作進程即可，無須采用整套成本極高的甚高頻云閃定位系統(tǒng)，而且，甚高頻云閃定位系統(tǒng)中現(xiàn)用的干涉法定位存在盲點。
本申請人于2003年9月26日申請的申請?zhí)枮?3160053.0發(fā)明名稱為“適用雷電和近地大氣電環(huán)境監(jiān)測用恒速旋轉(zhuǎn)倒閉式電場儀”，通過監(jiān)測由雷雨云中電荷產(chǎn)生的大氣電場強度及其變化率，了解雷雨云電荷的積累程度和發(fā)展趨勢，可以有效地監(jiān)測到雷雨云起電、雷電的發(fā)生、發(fā)展、成熟和消散的全過程，同時，由于電場強度變化先于云閃，云閃是雷雨云起電后發(fā)生的現(xiàn)象，因此，電場儀還可以預警其周圍16km范圍內(nèi)的雷電活動情況，但是，大氣電場儀是根據(jù)靜電效應監(jiān)測雷雨云，在煙塵、大霧和風沙天氣條件下，無法識別監(jiān)測到的感應電荷是否來自雷雨云，從而會出現(xiàn)虛報。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有甚高頻云閃多站定位系統(tǒng)的設備復雜、成本高、且采用干涉法定位存在相位模糊性的缺點，以及大氣電場儀會出現(xiàn)虛報的不足，從而提供一種準確率較高、成本低的區(qū)域性雷電預警方法。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的本發(fā)明提供的區(qū)域性雷電預警方法，根據(jù)雷雨云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(jù)大氣電場儀確定在所需監(jiān)測的雷電重點防區(qū)范圍內(nèi)是否存在由雷雨云產(chǎn)生的電場，然后，利用甚高頻接收機監(jiān)測在所需監(jiān)測的雷電重點防區(qū)范圍內(nèi)是否存在由雷雨云產(chǎn)生的電磁輻射波，最后，在同時監(jiān)測到雷雨云產(chǎn)生的電場和甚高頻輻射波的情況下發(fā)出雷電報警。
作為本發(fā)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分辨率時間間隔計數(shù)器上實現(xiàn)的，其步驟包括1)在兩個通道上分別與安裝位于同一監(jiān)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(shù)器測量出閃電發(fā)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(shù)器采用分辨率為25～5000ps的時間間隔計數(shù)器。
所述的大氣電場儀為兩臺以上。
本發(fā)明的優(yōu)點在于本發(fā)明方法在同時監(jiān)測到靜電效應和電磁輻射效應的情況下發(fā)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(xiàn)的虛報，同時，大氣電場儀還克服了甚高頻單站監(jiān)測儀因其頻率相近的電磁波而引起的虛報，并識別甚高頻系統(tǒng)檢測到的閃電發(fā)生在16km以內(nèi)還是在16km以外，實現(xiàn)了對一般城市城區(qū)和其他重點雷電防區(qū)的雷電監(jiān)測與預警。
如果還不能滿足一些特大城市城區(qū)監(jiān)測范圍，只需提高時間間隔計數(shù)器的分辨率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(jiān)測效率高，而且在監(jiān)測的范圍內(nèi)無盲區(qū)。


圖1是本發(fā)明區(qū)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(fā)明區(qū)域性雷電預警方法預警范圍的示意3是本發(fā)明區(qū)域性雷電預警方法預警范圍的立體示意4是實現(xiàn)本發(fā)明區(qū)域性雷電預警方法的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式
實施例如圖4所示，實現(xiàn)本發(fā)明區(qū)域性雷電預警方法的系統(tǒng)包括兩根長度為監(jiān)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(shù)器、數(shù)據(jù)處理設備和電場儀，兩根天線安裝在同一監(jiān)測點的不同高度上，并分別與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(shù)器連接，該時間間隔計數(shù)器又與數(shù)據(jù)處理設備連接，電場儀也與數(shù)據(jù)處理設備連接。
安裝完畢后，根據(jù)以下步驟操作(1)將大氣電場儀所測得的電場強度的數(shù)值和極性輸出到數(shù)據(jù)處理設備，確定在所需監(jiān)測的雷電重點防區(qū)范圍內(nèi)是否存在由雷雨云產(chǎn)生的電場，一般由雷雨云產(chǎn)生的電場強度的數(shù)值一般要高出或低于晴天時電場的數(shù)值；(2)繼續(xù)用甚高頻接收機監(jiān)測是否有由雷雨云產(chǎn)生的電磁波輻射信號，監(jiān)測頻率一般選20MHz～100MHz或250MHz～300MHz頻段，信噪比較高；(3)根據(jù)監(jiān)測出的雷雨云產(chǎn)生的靜電效應和甚高頻輻射效應來預警雷電，如同時監(jiān)測出兩個效應則發(fā)出預警；(4)將時間間隔計數(shù)器測量出的閃電發(fā)生時甚高頻輻射信號到達兩天線的時間差輸出到數(shù)據(jù)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(fā)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，對于距離一定的兩天線，可以確定的閃電發(fā)生的區(qū)域范圍是Cosα＝c×δt/L，式中，δt為時間間隔計數(shù)器分辨率，如采用時間間隔計數(shù)器的分辨率為5ns(進口儀器為25ps、國產(chǎn)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(jiān)測范圍的半徑R＝h×tgα，h為雷雨云的云高，一般設雷雨云高度最低為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(fā)明方法對于高度差L為10m的接收天線，可以監(jiān)測以天線為中心半徑約為19.77km～65.5km的圓錐體范圍內(nèi)雷電活動情況和發(fā)展趨勢，根據(jù)需要可調(diào)節(jié)接收天線的高度差。
大氣電場儀是通過監(jiān)測由雷雨云中電荷產(chǎn)生的大氣電場強度及其變化率，了解雷雨云電荷的積累程度和發(fā)展趨勢，也是很有效的雷電監(jiān)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?shù)淖儞Q和處理，獲得的電壓，其極性與被測電場一致，數(shù)值大小與被測電場成線性關(guān)系。如采用旋轉(zhuǎn)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(jiān)視測點周圍16km范圍雷電活動情況，電場儀也與數(shù)據(jù)處理設備連接。與VHF單站監(jiān)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(tǒng)檢測到的閃電發(fā)生在16km以內(nèi)還是在16km以外，能更準確地預報重點防區(qū)雷雨云起電、雷電發(fā)生、發(fā)展、成熟和消散全過程的情況，可確定在測站周圍16km范圍內(nèi)的雷電活動，并可克服VHF單站監(jiān)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(xiàn)的虛報。
對所觀測的VHF信號是否來本地區(qū)的同一輻射源，由于是單站，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，一般只設一稍大于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(shù)窗口選5～32ns，將時差大于32ns或小于5ns均認為是噪聲或來自非本監(jiān)測范圍外的雷閃信號，在5～32ns內(nèi)的信號(即脈沖)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(qū)有雷擊發(fā)生的可能。
本測量系統(tǒng)可應用于城市雷電監(jiān)測與預警、航天基地雷電監(jiān)測與預警、機場雷電監(jiān)測與預警、風景旅游區(qū)雷電監(jiān)測與預警和油田和貯油區(qū)雷電監(jiān)測與預警等小范圍的區(qū)域性預警。
權(quán)利要求
1.一種區(qū)域性雷電預警方法，是根據(jù)雷雨云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(jù)大氣電場儀確定在所需監(jiān)測的雷電重點防區(qū)范圍內(nèi)是否存在由雷雨云產(chǎn)生的電場，然后，利用甚高頻接收機監(jiān)測在所需監(jiān)測的雷電重點防區(qū)范圍內(nèi)是否存在由雷雨云產(chǎn)生的甚高頻電磁輻射波，最后，在同時監(jiān)測到雷雨云產(chǎn)生的電場和甚高頻輻射波的情況下發(fā)出雷電報警。
2.按權(quán)利要求1所述的區(qū)域性雷電預警方法，其特征在于，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分辨率時間間隔計數(shù)器上實現(xiàn)的，其步驟包括1)在兩個通道上分別與安裝位于同一監(jiān)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(shù)器測量出閃電發(fā)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(quán)利要求2所述的區(qū)域性雷電預警方法，其特征在于，所述的時間間隔計數(shù)器采用分辨率為25～5000ps的時間間隔計數(shù)器。
4.按權(quán)利要求1、2或3中任一項所述的區(qū)域性雷電預警方法，其特征在于，所述的大氣電場儀為兩臺以上。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種區(qū)域性雷電預警方法，首先根據(jù)大氣電場儀確定在所需監(jiān)測的雷電重點防區(qū)范圍內(nèi)是否存在由雷雨云產(chǎn)生的電場，然后，利用甚高頻接收機監(jiān)測在所需監(jiān)測的雷電重點防區(qū)范圍內(nèi)是否存在由雷雨云產(chǎn)生的甚高頻電磁輻射波，最后，在同時監(jiān)測到雷雨云產(chǎn)生的電場和甚高頻輻射波的情況下發(fā)出雷電報警。本發(fā)明方法根據(jù)雷雨云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(jiān)測時的虛報，根據(jù)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范圍，不僅監(jiān)測效率高，而且在監(jiān)測的范圍內(nèi)無盲區(qū)。
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(yōu)先權(quán)日2003年12月30日
發(fā)明者羅福山 申請人:中國科學院空間科學與應用研究中心