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雷电监测预警系统原理分析与应用探讨 　　摘要： 对雷电活动进行有效的监测、预测和研究，对雷电防灾减灾工作意义重大。本文从研究雷电监测预警的原理出发，论述了雷电定位和测向技术的方法，探讨了雷电预警系统中的核心部件地面电场仪的预警原理及方法，并提出了设置地面电场仪网，结合雷电定位系统，扩大测量范围，提高预警精度。 　　关键词：雷电；监测预警；地面电场仪；精度 　　引言 　　雷电是发生在自然大气中的瞬间放电过程 ， 并同时伴有声、 光的出现 ， 是一种能引起严重灾害的自然现象 ， 其特点是电压高、 电流大 ， 能量释放时间短 ， 危险性大。雷电灾害是一种严重的自然灾害 ， 不仅造成人员伤亡和建筑物、 电子设备、 输电线路和通信设备等受损 ， 而且雷电诱发的火灾和爆炸事故也十分严重 ， 严重威胁人类生命财产的安全。常遭受雷电影响的领域包括建筑、 电网、 通讯、 林业、 交通、 军事设施等 ， 尤其对现在广泛使用的微电子、 信息网络、 无线通信设备和家用电器等 ， 遭受雷击并造成重大损失的可能性愈来愈大。据不完全统计 ， 我国每年因雷电灾害造成人员伤亡达 3 000 ～ 4 000 人 ， 财产损失在 50 ～ 100 亿元人民币[1] 。雷电灾害已被联合国国际减灾十年委员会列为“ 最严重的十种自然灾害之一 ” ， 被中国国防电工委员会称为“ 电子时代的一大公害 ” 。 　　近年来 ， 随着社会经济发展和现代化水平的提高 ， 特别是信息技术的快速发展 ， 雷电灾害的危害程度和造成的经济损失及社会影响也越来越大。因此 ， 对雷电活动进行有效的监测、预测和研究，对雷电灾害防灾减灾工作作用重大，并具有十分重要的社会、 经济与科学意义。本文从探讨雷电监测预警的方法出发，研究雷电监测预警系统的原理，论述了雷电预警的基本方法，分析地面电场仪的使用方法，并提出一套相对科学、完善的监测预警方法，以期得到更好的防灾减灾效果。 　　1雷电监测系统的原理 　　雷电探测技术是雷电科学的重要研究领域。雷电探测的主要内容有测量闪电发生的时间和位置、测量大气电场、测量闪电电流、测量回击峰值电流、测量地面电流等。 　　雷电监测预警系统的两大主要功能是实现雷电的监测定位和雷电的预警。雷电监测定位包括测定雷击点的位置和发生时间，实时探测闪电参数及实时监测闪电活动，从雷电探测的内容看，它可以探测闪电每次回击过程的时间、位置、极性、峰值强度、波形特征参量（陡点时间、峰点时间、波形半周过零点时间等）、陡点值，通过Mawxell方程组还可导出放电电荷量、闪电辐射功率等参数。雷电监测预警系统在雷电的研究、探测和防护中处于重要的位置。 　　1.1雷电定位原理 　　雷电定位研究中主要存在以下几个关键技术： 　　a）雷电识别 　　雷电发生时产生强大的瞬态电流，在地面及电离层之间激发起频谱很宽、幅度相当强的电磁脉冲，此电磁脉冲能沿地面传播至远处。雷电定位仪收到雷电电磁脉冲后，必须加以鉴别，判断它是否是雷电所产生，或者是来自其他干扰。当信号被判别为雷电，再进一步分析处理，加以定位。雷电脉冲的形态特征与雷电流的频谱，闪道的走向及雷电离接收点的距离，接收机的带宽等因素有关。 　　b）测向技术 　　利用正交交叉环天线测定电磁辐射源的方向是早就为人们熟知的技术，两个环天线的环面分别指向南北和东西方向，若入射波的水平磁场对于正北方向成θ角，则在两个环天线上感应的信号分别正比于cosθ和sinθ，比较它们的幅度和极性即可求出磁场的水平方向。考虑到雷电产生的垂直电场大部分情况下是负极性，亦有少数情况下是正极性，所以必须同时利用垂直电天线测定电场的极性，才能确定来波的传播方向和辐射源的方向。这种测向原理在应用于雷电定位时，有可能由于闪道的倾斜、弯曲和分叉而产生一种“测向极化误差”。所谓“极化误差”是当雷电电流的通道不是严格地垂直地面时，雷电电流同时具有垂直分量和水平分量，而水平分量所产生的磁场并不严格地与传播方向垂直，这样由测到的水平磁场方向推测来波方向即产生了误差。此种极化误差对近距离的雷电，例如10km内的雷电，假设闪道相对于地面呈45°，有可能达到10°以上，当雷电离监测点在100km以远，可以小于等于1°左右[2]。 　　1.2雷电预警的原理 　　雷电监测预警系统通过实时监测闪电的发生发展情况，判断出雷暴的移动方向及速度并发出预警。 　　观测表明，晴天大气中始终存在着方向垂直向下的大气电场。这表明大气带正电荷，大地带负电荷。在典型的情况下，雷暴云中不同极性电荷区形成的标志是云上和云下的大气电场由向下的晴天大气电场方向变成相反的方向，这表明雷暴云已大致形成了垂直双极性电荷分布，在雷暴云的上部为正电荷区，下部为负电荷区。由于在雷暴云的底部存在一个负电荷中心，雷暴