远距离雷电磁场传播特性的观测实验研究

论文摘要

远距离雷电磁场探测和定位对于雷电电磁波沿地表面的传播特征的理论研究,以及雷电放电参量的反演都具有非常重要的意义。本文在现有磁天线设计的理论基础上,研制了高增益雷电磁场探测系统,在南京组网和应用后,实现了远距离的雷电磁场观测与定位。利用南京测站以及杜克大学测站的夏季观测数据,我们对不同距离的雷电磁场特性,以及雷电流强度与磁场幅值之间的相关性进行了分析与实验研究。本文的主要的工作内容和结果如下:（1）采用互相关法计算不同测站波形之间的时间差,避免了脉冲较多时,峰值无法确定的情况。同时预先将线性最小二乘解作为迭代的初值,使得迭代过程更快更好地收敛,进一步提高了定位结果的准确性。在多站定位的基础上,对单站定位方法进行了设计,解决了角度订正问题,并评估了单站定位的误差。（2）通过运用小波变换对地闪和NBE磁场波形的分析,讨论了不同距离处的雷电磁场信号的时频特性差异。在300 km以内,随着距离的增加,地闪波形的频谱和能量分布都逐渐减小;在400 km及以上,天波和地波的反冲部分发生了重合,导致反冲的波形变宽,频段降低,相对能量增加。NBE的能量分布频段总体上高于地闪,且反冲部分波形更窄,能量相对更加集中,当距离达到400 km时,NBE的天波之间也会出现波形重叠现象,使一次和二次天波能量大小和相对关系发生改变。（3）通过计算距离源点200-1000 km处的雷电磁场幅值,拟合得到磁场强度随距离的衰减关系。依据上述的衰减规律,将磁场数据都归一化到了650 km,分析得到雷电流强度随地波幅值的分布,近似满足线性关系,且考虑地球曲率影响后,拟合效果更好。一次天波的归一化处理运用了基于传播路径的“路径法”和基于一次天波和地波之比的“比值法”。两种方法得到的数据分布趋势上没有明显不同,但“比值法”考虑了电离层特性对天波信号的影响,更加贴合实际情况,数据分布相对收敛,拟合效果更好。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究进展
•     1.2.1 雷电磁场探测的研究进展
•     1.2.2 雷电电磁场传播特性的研究进展
•   1.3 主要研究内容与章节安排
• 第二章 雷电磁场探测系统设计
•   2.1 磁天线的原理与设计
•   2.2 磁信号处理电路
•   2.3 实验标定
•   2.4 数据的采集与传输系统
•   2.5 多站组网与定位方法介绍
•     2.5.1 测站的选址分布
•     2.5.2 多站定位方法介绍
•   2.6 单站定位方法设计
•     2.6.1 方位探测
•     2.6.2 距离计算
•   2.7 本章小结
• 第三章 雷电瞬变磁场信号的时频分析
•   3.1 时频分析法
•     3.1.1 Gabor变换
•     3.1.2 小波变换
•   3.2 不同距离地闪的时频分析
•   3.3 不同距离NBE的时频分析
•   3.4 本章小结
• 第四章 远距离500-800 km范围内的雷电流强度反演
•   4.1 地球-电离层波导内的雷电电磁波传播
•     4.1.1 地波传播
•     4.1.2 天波传播
•   4.2 资料来源和处理方法
•   4.3 基于地波的雷电流强度反演
•   4.4 基于天波的雷电流强度反演
•   4.5 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 全文总结
•   5.2 本文创新点
•   5.3 存在的不足和展望
• 参考文献
• 作者简介
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 吴进成

导师: 张其林

关键词: 雷电磁场,雷电流强度,磁天线,小波变换,远距离传播

来源: 南京信息工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 气象学

单位: 南京信息工程大学

分类号: P427.3

DOI: 10.27248/d.cnki.gnjqc.2019.000224

总页数: 68

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