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

技术领域

本申请涉及雷电电磁波传播与雷电探测技术领域，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。

背景技术

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。

一方面在局部区域(从10

另一方面在全球区域(从10

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

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。

发明内容

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。

本申请解决上述技术问题所采取的技术方案如下：

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：

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

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

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。

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:

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

计算而得，式中，I

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:

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

计算而得，式中，I

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：

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

E＝E

式中，E

计算所述衰减因子W，所述衰减因子W表示为

W＝W

式中，W

进一步的，所述电导率的影响因子W

式中，erfc为互补误差函数，p＝-jωdΔ

进一步的，所述地球曲率的影响因子W

t

v

式中，s的取值为0,1,2…，并且s的取值越大，结果误差越小，

进一步的，所述预设距离为300km。

本申请提供的技术方案包括以下有益技术效果：

本申请提供的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

附图说明

图1为本申请实施例提供的考虑地球曲率影响的雷电电磁场强度与传播距离之间的关系；

图2为本申请实施例提供的平坦地面的雷电电磁场强度与传播距离之间的关系；

图3为本申请实施例提供的考虑地球曲率影响的归一化磁场强度峰值与电流峰值之间按照衰减规律d

图4为本申请实施例提供的不考虑地球曲率影响的归一化磁场强度峰值与电流峰值之间按照衰减规律d

具体实施方式

为便于对申请的技术方案进行描述和理解，以下结合附图及实施例对本申请的技术方案作进一步的说明。

以下首先对已有的适用于近距离雷电流峰值估算方法进行说明。

云-地闪电(简称地闪)是最常见的一种雷电类型，其放电通道介于为4-10km，典型值为5km左右。地闪放电过程开始时，整个通道存在电流脉冲，从地面开始始发向上传输。因此，整个放电通道类似于辐射天线，不同距离范围的雷电电磁辐射场与通道电流之间存在正相关关系。通常，地闪回击电流峰值估算就是利用不同距离位置处测量到的垂直电场或磁场，然后利用下式进行估算。

式中，μ

现有的技术中，根据人工引雷观测资料，提供的一套雷电流峰值的估算方法：

I

式中，I

公式(1)和(2)适用于理想地表面的情况，如海面或者距离很近，另外，该公式中的回击速度v介于(1-3)×10

为了获得超远距离(超过200km)以外的雷电强度，由于缺乏相应的反演算法，目前仍然采用上述方式进行反演，但采用上述方式进行反演所得到的雷电强度显然是存在误差的，因为超过200km时，地球曲率半径的影响需要考虑，此时雷电甚低频信号的传播不同于平坦地面。

对此，本申请实施例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。

具体的，位于地球球形曲面光滑地表上的垂直电偶极子源，在周围半径d距离处的垂直电场强度E为：

E＝E

式中，E

为了快速迭代、减少计算机耗时，本申请将传统算法的衰减因子划分为曲率衰减因子和电导率衰减因子，即：

W＝W

式中，W

式中，erfc为互补误差函数，p＝-jωdΔ

t

v

式中，s的取值为0,1,2…，并且s的取值越大，结果误差越小，

根据以上三式即可获得地球曲率的影响因子W

参见图1和图2，图1为本申请实施例提供的考虑地球曲率影响的雷电电磁场强度与传播距离之间的关系，图2为本申请实施例提供的平坦地面的雷电电磁场强度与传播距离之间的关系。图1中给出了不同土壤电导率和地球曲率影响下的雷电远距离甚低频信号的传播规律。可以看出，考虑地球曲率的影响时，雷电远距离甚低频信号的传播衰减明显不同于平坦地面，电场幅值E

因此，结合图1和图2，可以看出，当雷电发生距离小于200km时，雷电甚低频信号沿地表面的传播规律满足距离反比关系，即d

为了反演雷电流峰值，首先需要将不同距离的地波峰值归一化处理，因为雷电发生的位置不同，其电磁辐射强度不同。因此，需要根据雷电电磁场沿地球表面的传播规律，将不同距离的雷电信号归一化到同样的距离，才可以对不同强度的雷电进行分析。

因此，参见图3，为本申请实施例提供的考虑地球曲率影响的归一化磁场强度峰值与电流峰值之间按照衰减规律d

I

式中，I

参见图4，为本申请实施例提供的不考虑地球曲率影响的归一化磁场强度峰值与电流峰值之间按照衰减规律d

I

式中，I

通过对比图3和图4，可以看出，超过300km的远距离雷电电磁场信号的传播规律与平坦地面差异很大。利用远距离雷电磁场峰值信号进行雷电流峰值反演时，需要考虑地球曲率的影响。

本申请的提出对雷电探测技术的发展具有很好的参考价值。