一种应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法及装置制造方法及图纸

本申请公开一种应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法及装置，其中，所述方法包括：确定应用于粗糙地表面的二维归一化带限Weirstrass分形函数、粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数、粗糙地表面的高度频谱密度函数、粗糙地表面的额外阻抗增加量、粗糙地表面的等效表面阻抗和粗糙地表面的衰减因子，根据所述衰减因子确定粗糙地表面的雷电水平场。上述方法在对雷电水平场进行估算的过程中，考虑了地表面粗糙不平带来的影响，有效地解决了现有的雷电水平场估算方法未考虑地表面的粗糙不平而导致估算结果不准确的问题，提高了雷电水平场估算结果的准确性。

Method and device for estimating lightning horizontal field applied to rough surface

This application discloses a method and device for estimating lightning horizontal field applied to rough surface. The method includes: determining two-dimensional normalized band-limited Weirstrass fractal function applied to rough surface, correlation degree function between any two undulating heights on rough surface, height spectrum of rough surface. Density function, additional impedance increment of rough surface, equivalent surface impedance of rough surface and attenuation factor of rough surface are used to determine the lightning horizontal field of rough surface. In the process of estimating the lightning horizontal field, the influence of roughness on the surface is taken into account, which effectively solves the problem that the existing estimating methods of lightning horizontal field do not consider roughness of the surface and lead to inaccurate estimating results, and improves the accuracy of estimating the lightning horizontal field.

【技术实现步骤摘要】
一种应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法及装置
本申请涉及雷电物理学领域，特别涉及一种应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法及装置。
技术介绍
云地闪(简称地闪)是一种常见的自然雷电现象，常发生于强对流天气。当地闪发生时，云层通常会向地面释放出高强度的脉冲电流。在脉冲电流的泄放通道周围通常会产生向外传播的雷电水平场，在传播范围内的金属部件、电子元器件和电气装置等设备均会受到雷电水平场的干扰而失效或损坏。因此，对雷电水平场进行估算变得非常有必要。现有的雷电水平场估算方法中，应用最广泛的是由Cooray和Rubin-stein提出的C-R算法。C-R算法在使用时，通常假设地表面为光滑的表面。C-R算法的计算公式为：Eh,σ(z,d,jω)＝-Hφ,∞(0,d,jω)·W(0,d,jω)·Z+Es,∞(z,d,jω)；其中，Eh,σ(z,d,jω)为考虑大地有限电导率的雷电水平场，Hφ,∞(0,d,jω)为地表面的切向磁场，W(0,d,jω)为光滑地表面的衰减因子，j为复数单位，Z为光滑地表面的有效表面阻抗，Es,∞(z,d,jω)为大地电导率无限大情况下的雷电水平场。但是，专利技术人在本申请的研究过程中发现，自然界中的地表面通常为高低起伏的粗糙地表面，例如海表面、植被、森林和山地等。雷电水平场在沿地表面传播时，通常会因为地表面的粗糙不平导致雷电水平场产生额外的衰减。而上述C-R算法的计算公式中，W(0,d,jω)为光滑地表面的衰减因子，Z为光滑地表面的有效表面阻抗，也就是说，该算法是基于光滑地表面对雷电水平场进行估算，忽略了地表面的粗糙不平所产生的影响，从而导致雷电水平场估算方法的结果误差较大。
技术实现思路
本申请公开一种应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法及装置，以解决现有的雷电水平场估算方法未考虑地表面粗糙不平影响而导致估算结果不准确的问题。第一方面，本申请公开一种应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法，包括：获取粗糙地表面的起伏高度以及任意相邻两个起伏之间的间隙，并根据所述起伏高度和间隙确定应用于粗糙地表面的二维归一化带限Weirstrass分形函数；根据所述二维归一化带限Weirstrass分形函数，确定粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数；获取雷电水平场产生的电磁波的空间波数，并根据所述空间波数和关联程度函数确定粗糙地表面的高度频谱密度函数；获取额外阻抗增加量参数，并根据所述额外阻抗增加量参数和所述高度频谱密度函数，确定粗糙地表面的额外阻抗增加量；获取光滑地表面的等效阻抗，并根据所述光滑地表面的等效阻抗和所述粗糙地表面的额外阻抗增加量，确定粗糙地表面的等效表面阻抗；根据所述粗糙地表面的等效表面阻抗，确定粗糙地表面的衰减因子；获取地表面的切向磁场以及大地电导率无限大情况下的雷电水平场，并根据所述切向磁场、所述大地电导率无限大情况下的雷电水平场和所述衰减因子，确定所述粗糙地表面的雷电水平场。结合第一方面，在一种实现方式中，所述获取粗糙地表面的起伏高度以及相邻两个起伏之间的间隙，并根据所述起伏高度和间隙确定应用于粗糙地表面的二维归一化带限Weirstrass分形函数，包括：获取粗糙地表面的起伏高度，并根据所述起伏高度确定粗糙地表面的起伏高度均方根；获取相邻两个起伏之间的间隙，并根据所述起伏高度均方根和间隙确定应用于粗糙地表面的二维归一化带限Weirstrass分形函数；其中，所述二维归一化带限Weirstrass分形函数为：f(x,y)为二维归一化带限Weirstrass分形函数，x为粗糙地表面的横坐标，y为粗糙地表面的纵坐标，δ为粗糙地表面的起伏高度均方根，b为粗糙地表面上相邻两个起伏之间的间隙，D为粗糙地表面的分维数，M为精度项数，N为谐波次数，N＝N2＝N1+1，K为电磁波的空间波数，φnm为电磁波在[-π,π]上均匀分布的随机相位。结合第一方面，在一种实现方式中，所述粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数为：R(x,y)＝E[f(x,y)f(x+Δx,y+Δy)]；其中，R(x,y)为粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数，f(x,y)为二维归一化带限Weirstrass分形函数，Δx为x方向上的增加量，Δy为y方向上的增加量。结合第一方面，在一种实现方式中，所述粗糙地表面的高度频谱密度函数为：其中，V(γ,η)为粗糙地表面的高度频谱密度函数，R(x,y)为粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数，j为复数单位，γ为x轴方向上的空间波数，η为y轴方向上的空间波数。结合第一方面，在一种实现方式中，所述粗糙地表面的额外阻抗增加量为：其中，Δ′为粗糙地表面的额外阻抗增加量，G(γ,η)为额外阻抗增加量参数，V(γ,η)为粗糙地表面的高度频谱密度函数，γ为x轴方向上的空间波数，η为y轴方向上的空间波数。结合第一方面，在一种实现方式中，所述粗糙地表面的等效表面阻抗为：Δ＝Δ0+Δ′；其中，Δ为粗糙地表面的等效表面阻抗，Δ0为光滑地表面的等效阻抗，Δ′为粗糙地表面的额外阻抗增加量。结合第一方面，在一种实现方式中，所述粗糙地表面的衰减因子为：其中，W(0,d,jω)为粗糙地表面的衰减因子，d为从泄放通道到观测点之间的传播路径长度，ω为电磁波的角频率，c为光速，Δ为粗糙地表面的等效表面阻抗，erfc为互补误差函数。结合第一方面，在一种实现方式中，所述应用于粗糙地表面的雷电水平场为：Eh′,σ(z,d,jω)＝-Hφ,∞(0,d,jω)·W′(0,d,jω)·Z′+Es,∞(z,d,jω)；其中，Eh′,σ(z,d,jω)为应用于粗糙地表面的雷电水平场，Hφ,∞(0,d,jω)为理想情况下地表面的切向磁场，W′(0,d,jω)为粗糙地表面的衰减因子，j为复数单位，Z′为粗糙地表面的有效表面阻抗，Es,∞(z,d,jω)为大地电导率无限大情况下的雷电水平场。第二方面，本申请公开一种应用于粗糙地表面的雷电水平场估算装置，包括：分形函数确定模块，用于获取粗糙地表面的起伏高度以及任意相邻两个起伏之间的间隙，并根据所述起伏高度和间隙确定应用于粗糙地表面的二维归一化带限Weirstrass分形函数；关联程度函数确定模块，用于根据所述二维归一化带限Weirstrass分形函数，确定粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数；高度频谱密度函数确定模块，用于获取雷电水平场产生的电磁波的空间波数，并根据所述空间波数和关联程度函数确定粗糙地表面的高度频谱密度函数；额外阻抗增加量确定模块，用于获取额外阻抗增加量参数，并根据所述额外阻抗增加量参数和所述高度频谱密度函数，确定粗糙地表面的额外阻抗增加量；粗糙地表面等效表面阻抗确定模块，用于获取光滑地表面的等效阻抗，并根据所述光滑地表面的等效阻抗和所述粗糙地表面的额外阻抗增加量，确定粗糙地表面的等效表面阻抗；粗糙地表面衰减因子确定模块，用于根据所述粗糙地表面的等效表面阻抗，确定粗糙地表面的衰减因子；粗糙地表面雷电水平场确定模块，用于获取地表面的切向磁场以及大地电导率无限大情况下的雷电水平场，并根据所述切向磁场、所述大地电导率无限大情况下的雷电水平场和所述衰减因子，确定所述粗糙地表面的雷电水平场。结合第二方面，在一种实现方式中，所述分形函数确定模块包括：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法，其特征在于，包括：获取粗糙地表面的起伏高度以及任意相邻两个起伏之间的间隙，并根据所述起伏高度和间隙确定应用于粗糙地表面的二维归一化带限Weirstrass分形函数；根据所述二维归一化带限Weirstrass分形函数，确定粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数；获取雷电水平场产生的电磁波的空间波数，并根据所述空间波数和关联程度函数确定粗糙地表面的高度频谱密度函数；获取额外阻抗增加量参数，并根据所述额外阻抗增加量参数和所述高度频谱密度函数，确定粗糙地表面的额外阻抗增加量；获取光滑地表面的等效阻抗，并根据所述光滑地表面的等效阻抗和所述粗糙地表面的额外阻抗增加量，确定粗糙地表面的等效表面阻抗；根据所述粗糙地表面的等效表面阻抗，确定粗糙地表面的衰减因子；获取地表面的切向磁场以及大地电导率无限大情况下的雷电水平场，并根据所述切向磁场、所述大地电导率无限大情况下的雷电水平场和所述衰减因子，确定所述粗糙地表面的雷电水平场。

【技术特征摘要】
1.一种应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法，其特征在于，包括：获取粗糙地表面的起伏高度以及任意相邻两个起伏之间的间隙，并根据所述起伏高度和间隙确定应用于粗糙地表面的二维归一化带限Weirstrass分形函数；根据所述二维归一化带限Weirstrass分形函数，确定粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数；获取雷电水平场产生的电磁波的空间波数，并根据所述空间波数和关联程度函数确定粗糙地表面的高度频谱密度函数；获取额外阻抗增加量参数，并根据所述额外阻抗增加量参数和所述高度频谱密度函数，确定粗糙地表面的额外阻抗增加量；获取光滑地表面的等效阻抗，并根据所述光滑地表面的等效阻抗和所述粗糙地表面的额外阻抗增加量，确定粗糙地表面的等效表面阻抗；根据所述粗糙地表面的等效表面阻抗，确定粗糙地表面的衰减因子；获取地表面的切向磁场以及大地电导率无限大情况下的雷电水平场，并根据所述切向磁场、所述大地电导率无限大情况下的雷电水平场和所述衰减因子，确定所述粗糙地表面的雷电水平场。2.根据权利要求1所述的应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法，其特征在于，所述获取粗糙地表面的起伏高度以及相邻两个起伏之间的间隙，并根据所述起伏高度和间隙确定应用于粗糙地表面的二维归一化带限Weirstrass分形函数，包括：获取粗糙地表面的起伏高度，并根据所述起伏高度确定粗糙地表面的起伏高度均方根；获取相邻两个起伏之间的间隙，并根据所述起伏高度均方根和间隙确定应用于粗糙地表面的二维归一化带限Weirstrass分形函数；其中，所述二维归一化带限Weirstrass分形函数为：f(x,y)为二维归一化带限Weirstrass分形函数，x为粗糙地表面的横坐标，y为粗糙地表面的纵坐标，δ为粗糙地表面的起伏高度均方根，b为粗糙地表面上相邻两个起伏之间的间隙，D为粗糙地表面的分维数，M为精度项数，N为谐波次数，N＝N2＝N1+1，K为电磁波的空间波数，φnm为电磁波在[-π,π]上均匀分布的随机相位。3.根据权利要求1所述的应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法，其特征在于，所述粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数为：R(x,y)＝E[f(x,y)f(x+Δx,y+Δy)]；其中，R(x,y)为粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数，f(x,y)为二维归一化带限Weirstrass分形函数，Δx为x方向上的增加量，Δy为y方向上的增加量。4.根据权利要求1所述的应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法，其特征在于，所述粗糙地表面的高度频谱密度函数为：其中，V(γ,η)为粗糙地表面的高度频谱密度函数，R(x,y)为粗糙地表面上任意两个起伏高度之间的关联程度函数，j为复数单位，γ为x轴方向上的空间波数，η为y轴方向上的空间波数。5.根据权利要求1所述的应用于粗糙地表面的雷电水平场估算方法，其特征在于，所述粗糙地表面的额外阻抗增加量为：其中，Δ′为粗糙地表面的额外阻抗增加量，G(γ,η)为额外阻抗增加量参数，V(γ,η...

【专利技术属性】
技术研发人员：段尚琪，梁松涛，陈伯希，张其林，王磊，梁仕斌，王金虎，李祥超，吴进成，宋庆，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司昆明供电局，
类型：发明
国别省市：云南,53