一种考虑地球曲率半径影响的超远距离雷电强度反演算法制造技术

本申请涉及一种考虑地球曲率半径影响的超远距离雷电强度反演算法，首先根据雷电电磁场沿地球表面的传播规律，将距离观测点不同距离的雷电信号归一化到预设距离；若雷电信号距离观测点的距离大于200km，则将雷电信号的电场幅值E

【技术实现步骤摘要】
一种考虑地球曲率半径影响的超远距离雷电强度反演算法


[0001]本申请涉及雷电电磁波传播与雷电探测
，尤其涉及一种考虑地球曲率半径影响的超远距离雷电强度反演算法。

技术介绍

[0002]在全球范围内，每秒钟会有上百次雷电发生，频繁的雷电发生时会释放出频率从极低频到超高频频段的电磁波。在实际工作中，研究者可以利用不同的探测仪器探测不同波段对应的雷电辐射，进而确定雷电放电的空间位置和放电参数等参量。但是由于不同频段的电磁波在传输过程中会受到土壤电导率、地表高低起伏的地形和地球电离层电介质等因素的影响，电磁波在传输的过程中会在不同尺度上发生不同程度的衰减，这会给利用雷电辐射的电磁场特性来遥测雷电的放电参数，如时间、位置、强度、极性、电荷、能量等带来不必要的误差，进而给雷电流放电参数的反演、地闪强度和落点位置的确定等带来很大的不确定性。
[0003]一方面在局部区域(从103米到104米)的范围内，该范围通常为地基雷电定位网的探测范围。当雷电电磁场沿地表传播时，由于地面电导率的有限性和地面的高低起伏特征的影响，高频(HF)频段的电磁辐射能量会快速衰减，从而对利用雷电辐射的电磁场特性来遥测雷电的放电参数带来影响。是否能够定量的对这些误差进行分析，从而对现有雷电定位算法在多山地区的应用中进行修订，对雷电监测系统误差修订以及定位定量算法的研究尤为重要。
[0004]另一方面在全球区域(从105米到106米)的范围内，雷电回击的甚低频(VLF)(3
‑
30kHz)和低频(ELF)(30
>‑
300kHz)信号在100
‑
2000km的中距离范围内沿着有限电导率的地球表面传播，受到传播过程的影响，观测到的信号具有明显的衰减和变形。在1500km以内的中距离范围内，把地球球面假设为二维平坦面会带来明显的误差，应该考虑到地球表面的曲面影响。为了计算雷电回击电磁场沿地球曲面的有限电导率地表传播的情况，2009年Shao等在Wait等提出的计算公式的基础上做了修正，他们用牛顿迭代法求解高度震荡的艾里函数得到了较高精确度的解，只是迭代过程非常复杂和耗时。
[0005]随后，Hou等提出了一种新的近似方法来计算1500km以内的中距离雷电回击低频、甚低频电磁波传播情况，并且用Shao(Shao and Jacobson,2009)提出的牛顿迭代法在不同的地表电导率下验证了文本近似算法的正确性，验证结果表明本文近似算法计算的电场幅值和波头时间都非常准确。当地表电导率大于0.01S/m时，电导率因子对中距离雷电回击低频、甚低频辐射场幅值几乎没有影响，但是地球曲面对中距离电磁场的传播具有明显的影响。比如，在地球曲面的影响下，1500km处雷电回击低频、甚低频辐射电磁场的幅值仅仅为平坦地表情况的30％
‑
40％，500km处雷电回击低频、甚低频辐射电磁场的幅值仅仅为平坦地表情况的75％
‑
80％。对于平坦地面，电场幅值E
peak
(V/m)在水平距离d(km)范围处的增益为d
‑
1.32
。因此在几百到几千千米的中距离雷电回击低频辐射场的传输中，衰减更多的是受地球曲面影响而产生的，如果不考虑地球曲面对雷电回击电场幅值带来的衰减影响，会错
误的计算到比真实值小的电场幅值。
[0006]综上可知，雷电电磁辐射几乎覆盖了整个电磁波谱，由于不同频段电磁波沿地球表面(简称地波)的传播特性不同，频段越高，衰减越大。当距离较近时，地波沿地球表面的传播主要取决于地表的起伏不平和地面电导率的影响，但当距离超过几百千米时，地球曲率对地波传播的影响更大。因此，如何针对不同距离范围的雷电电磁场特征，建立相应的雷电流峰值估算方法是非常重要的。

技术实现思路

[0007]本申请提供了一种考虑地球曲率半径影响的超远距离雷电强度反演算法，以解决传统方法不能获得准确的远距离雷电电磁场特性的问题。
[0008]本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：
[0009]一种考虑地球曲率半径影响的超远距离雷电强度反演算法，包括以下步骤：
[0010]根据雷电电磁场沿地球表面的传播规律，将距离观测点不同距离的雷电信号归一化到预设距离；
[0011]若所述雷电信号距离所述观测点的距离大于200km，则将所述雷电信号的电场幅值E
PEAK
随观测距离d的增加呈现的衰减规律设定为d
‑
1.32
，其中电场幅值E
PEAK
的单位为V/m，观测距离d的单位为km；
[0012]若所述雷电信号距离所述观测点的距离小于200km，则将所述雷电信号的电场幅值E
PEAK
随观测距离d的增加呈现的衰减规律设定为d
‑1，其中电场幅值E
PEAK
的单位为V/m，观测距离d的单位为km；
[0013]当雷电发生时，获取所述雷电在所述观测点位置的磁场强度峰值；
[0014]根据所述磁场强度峰值反演所述雷电的电流峰值。
[0015]进一步的，所述根据所述磁场强度峰值反演所述雷电的电流峰值包括:
[0016]若所述雷电距离所述观测点的距离大于200km，则所述雷电的电流峰值根据公式
[0017]I
p
＝12.63327+4.51341
×
B
p
[0018]计算而得，式中，I
p
表示电流强度，单位为kA，B
p
表示磁感应强度，单位为nT。
[0019]进一步的，所述根据所述磁场强度峰值反演所述雷电的电流峰值包括:
[0020]若所述雷电距离所述观测点的距离小于200km，则所述雷电的电流峰值根据公式
[0021]I
p
＝13.99819+5.32947
×
B
p
[0022]计算而得，式中，I
p
表示电流强度，单位为kA，B
p
表示磁感应强度，单位为nT。
[0023]进一步的，所述雷电的电磁场随传播距离的衰减确定方法包括以下步骤：
[0024]获取距离所述雷电的观测距离为d处的垂直电场强度E,所述电场强度E表示为
[0025]E＝E0W
[0026]式中，E0表示地球曲率半径无穷大、电导率无穷大的理想条件下的垂直电场，W表示考虑地球曲率半径和土壤电导率影响的衰减因子；
[0027]计算所述衰减因子W，所述衰减因子W表示为
[0028]W＝W
σ
W
ρ
[0029]式中，W
σ
表示电导率的影响因子，W
ρ
表示地球曲率的影响因子。
[0030]进一步的，所述电导率的影响因子W
σ
与观测所述雷电的观测距离d的关系表达式
为：
[0031本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种考虑地球曲率半径影响的超远距离雷电强度反演算法，其特征在于，包括以下步骤：根据雷电电磁场沿地球表面的传播规律，将距离观测点不同距离的雷电信号归一化到预设距离；若所述雷电信号距离所述观测点的距离大于200km，则将所述雷电信号的电场幅值E
PEAK
随观测距离d的增加呈现的衰减规律设定为d
‑
1.32
，其中电场幅值E
PEAK
的单位为V/m，观测距离d的单位为km；若所述雷电信号距离所述观测点的距离小于200km，则将所述雷电信号的电场幅值E
PEAK
随观测距离d的增加呈现的衰减规律设定为d
‑1，其中电场幅值E
PEAK
的单位为V/m，观测距离d的单位为km；当雷电发生时，获取所述雷电在所述观测点位置的磁场强度峰值；根据所述磁场强度峰值反演所述雷电的电流峰值。2.根据权利要求1所述的考虑地球曲率半径影响的超远距离雷电强度反演算法，其特征在于，根据所述磁场强度峰值反演所述雷电的电流峰值包括:若所述雷电距离所述观测点的距离大于200km，则所述雷电的电流峰值根据公式I
p
＝12.63327+4.51341
×
B
p
计算而得，式中，I
p
表示电流强度，单位为kA，B
p
表示磁感应强度，单位为nT。3.根据权利要求1所述的考虑地球曲率半径影响的超远距离雷电强度反演算法，其特征在于，根据所述磁场强度峰值反演所述雷电的电流峰值包括:若所述雷电距离所述观测点的距离小于200km，则所述雷电的电流峰值根据公式I
p
＝13.99819+5.32947
×
B
p
计算而得，式中，I
p
表示电流强度，单位为kA，B
p
表...

【专利技术属性】
技术研发人员：马仪，文刚，潘浩，孟见岗，刘全涛，周仿荣，马御棠，
申请(专利权)人：云南电网有限责任公司电力科学研究院，
类型：发明
国别省市：