触发闪电放电过程的光电同步观测与分析

论文摘要

闪电通道的亮度和电流息息相关,倘若两者之间存在某种相关关系,那么这对认识不同物理过程的雷电流特征至关重要。与自然闪电电流的直接测量相比,光学测量较容易实现。因此,本研究利用现有的先进设备和仪器搭建了一套光电同步观测系统。本系统能够观测并记录包括先导发展过程在内的完整闪电过程,并于2008年、2009年的5-8月在“中国.广州野外雷电试验基地”对人工触发闪电进行多次综合观测和记录,获取到许多宝贵的光电同步观测资料。针对大量的高速摄像图片,本研究自行开发了一款基于VC++并带有多种专业性处理功能的数字图像处理软件,由此提取出多种关于闪道亮度信息的数据。本研究通过一次人工触发负极性闪电（含有八次回击过程）的高速摄像和电流的同步观测资料,对初始连续电流过程和五次延续电流过程（通称为连续电流过程）中通道底部的电流和两种不同性质通道（空气离化通道和钢丝气化通道）的积分亮度进行了相关性分析,三次极短连续电流过程（持续时间介于3ms到10ms之间）因数据较少而不予考虑。对于空气离化通道,根据电流增大或减小的变化趋势以及高速摄像资料得到的积分亮度是否主要由饱和像素贡献,分别将六次连续电流过程分为Part-A（饱和上升部分）、Part-B（饱和下降部分）和Part-C（非饱和下降部分）,非饱和上升部分和短连续电流过程（持续时间介于10ms到40ms之间）的饱和部分因数据很少故不单独考虑。对于钢丝气化通道的六次连续电流过程,本文不按上述分类而是分别统一处理。分析结果表明:在任一电流脉冲过程中,同样大小的电流所对应两种不同性质通道的下降段积分亮度都高于上升段的。对于空气离化通道,Part-A和Part-B的积分亮度跟电流的对数均呈线性相关;统计得到的积分亮度与电流的拟合模型中,Part-C的拟合效果最佳,该部分积分亮度的平方根与电流呈显著的线性相关,并且这种相关特征与积分亮度阈值、通道范围的选取等因素无显著关系;三个部分的拟合效果与积分亮度的阈值选取呈显著正相关,且选择的二维闪电通道与地面越垂直,拟合效果越好。对于钢丝气化通道,六次连续电流过程的积分亮度和电流的拟合模型与空气离化通道的Part-C相同。相比空气离化通道,虽然钢丝气化通道的拟合效果差一些,但是六次连续电流过程中的电流峰值或电流平均功率随着回归参数斜率的增加呈减小的趋势。因此,在人工触发闪电的过程中,相对于钢丝气化通道,空气离化通道的反演效果要更佳,其亮度特性更能真实地体现闪电通道中电流的变化特性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 图表索引
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外相关研究进展
• 1.2.1 光学摄影研究进展
• 1.2.2 光电同步观测研究进展
• 1.3 论文研究内容
• 第二章 试验系统和观测资料
• 2.1 硬件系统
• 2.1.1 观测场地
• 2.1.2 观测系统
• 2.2 图像处理软件
• 2.3 资料介绍
• 2.4 资料处理方法
• 2.4.1 背景噪声的扣除
• 2.4.2 积分亮度的定义
• 2.4.3 线性回归分析
• 第三章 空气离化通道的亮度与其底部电流的相关性
• 3.1 研究资料的介绍和选取
• 3.1.1 研究资料的介绍
• 3.1.2 研究资料的选取
• 3.2 长连续电流过程的相关性分析
• 3.2.1 亮度和电流的关系确立
• 3.2.2 亮度和电流的关系分析
• 3.2.3 参数选择对亮度和电流的关系影响
• 3.2.4 利用亮度反演电流的初步讨论
• 3.3 短连续电流过程的相关性分析
• 3.3.1 亮度和电流的关系分析
• 3.3.2 线性回归参数的探讨
• 3.3.3 利用亮度反演电流的初步讨论
• 3.4 本章小结
• 第四章 钢丝气化通道的亮度与其底部电流的相关性
• 4.1 研究资料介绍和选取
• 4.2 亮度和电流的关系分析
• 4.3 两种性质通道的亮度与电流相关性的差异
• 4.4 利用积分亮度反演电流的初步讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 主要工作和研究结论
• 5.2 存在的问题和展望
• 参考文献
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果