基于场磨式大气电场仪的雷击火预警系统的研究

论文摘要

由雷电引发的林火通称“雷击火”,它是森林火灾中最危险的自然火源。近年来由于气候变暖等因素,由雷击灾害造成的森林大型火灾数量与日俱增。雷击火的发生有着其极为复杂的成因,作为一种天然的自然灾害,实时的大气电场分布、可燃物、气象条件等各种复杂的因子都对其发生有着影响,而上述这些原因都与前期和当时当地的天气状况有着密切的关系,所以说雷击火的发生并不受到一般防火手段的制约。而人迹罕至地区则是森林雷击火的多发地域,一旦酿成火灾很难及时发现,往往会形成大面积的森林火灾造成无法弥补的损失。所以要想及时的对雷击火的发生做出预警,就需要建立有效的雷电预警系统,并综合分析雷击火发生的火环境做出相应的判断。本课题来源是国家林业局“948”项目“森林防火雷电探测技术引进”。本文设计的雷击火预警系统,主要是通过电场仪对雷暴天气的监测预警,来实现对林区范围内发生雷击的初步预报。然后综合分析当地的气候、地理、可燃物等火环境,对雷击火的发生做出相应的预警。由于雷击是雷击火最直接的原因,所以雷电预警是雷击火预警的核心。而整个雷击火预警系统则是由雷电预警和雷击火环境综合模型共同组成的。文章首先,介绍了雷电预警的基本原理,提出了一种应用场磨式大气电场仪来进行雷电预警方法。指出根据电场仪来探测雷暴发生的不同阶段大气云层电场变化不同的特点,就可以判断出雷暴实时的形成阶段,从而对雷电的发生提前做出预警。然后,具体介绍了雷电预警系统组成结构。重点介绍了新型场磨式大气电场仪的设计,包括电场仪的前置电路设计、数据处理电路的软硬件设计、以及电场仪数据处理软件的设计。目前电场仪已经在大兴安岭地区投入运行了一段时间,并取得了理想的实验数据。通过对目前探测到的这些雷电探测数据进行总结分析,就可以验证应用场磨式大气电场仪进行雷电预警的有效性,以及确定雷电预警中电场阀值的设定方法。最后,文章综合分析了雷电与雷击火的关系以及森林雷击火发生的火环境。并通过数据资料的统计建立了一套雷击火预警综合指标模型。提出通过建立雷电预警与雷击火指标模型相结合的雷击火综合预警平台,来实现雷击火预警预报的专业化服务。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.1.1 常见雷电灾害
• 1.1.2 森林雷击火灾害
• 1.2 建立雷击火预警系统的目的及意义
• 1.3 国内外研究现状及发展趋势
• 1.4 本文的主要内容
• 2 雷电预警的基本理论
• 2.1 雷电形成的电原理
• 2.1.1 雷电的原理
• 2.1.2 雷雨云的形成
• 2.1.3 雷雨云中的电荷结构
• 2.1.4 闪电的放电过程
• 2.2 带电云层的电场测量原理
• 2.3 大气电场的测量公式
• 2.4 雷电探测和预警设备
• 2.4.1 闪电定位仪
• 2.4.2 气象卫星
• 2.4.3 多普勒天气雷达
• 2.4.4 空中电场仪
• 2.4.5 大气电场仪
• 2.5 本章小结
• 3 雷电预警系统的设计
• 3.1 雷电预警系统的结构
• 3.2 场磨式大气电场仪的结构
• 3.2.1 场磨式电场仪设计要求
• 3.2.2 场磨式电场仪传感器探头结构
• 3.2.3 电场仪的电磁场原理
• 3.3 传感器前置放大电路
• 3.3.1 差分放大电路
• 3.3.2 同步相敏检波电路
• 3.4 电场仪数据处理电路
• 3.4.1 AD数据转换电路设计
• 3.4.2 GPS模块
• 3.4.3 单片机的硬件链接电路
• 3.5 单片机软件程序设计
• 3.5.1 AD转换程序
• 3.5.2 GPRS信息接收程序
• 3.6 本章小结
• 4 电场处理软件
• 4.1 软件的基本功能
• 4.2 软件的基本结构
• 4.2.1 地面电场数据处理子系统
• 4.2.2 数据库与电场处理软件之间C/S结构
• 4.2.3 电场仪与电场处理软件之间的结构
• 4.2.4 数据库设计
• 4.3 用户的界面设计
• 4.4 本章小结
• 5 大兴安岭地区实验分析及系统验证
• 5.1 雷电预警系统的应用与数据分析
• 5.1.1 晴天大气电场变化
• 5.1.2 晴天天气雷电预警系统数据分析
• 5.1.3 雷暴天气雷电预警系统数据分析
• 5.2 雷电预警的阀值设定
• 5.3 本章小结
• 6 雷电预警与森林雷击火预警的关系
• 6.1 引燃森林雷击火的火环境
• 6.2 大兴安岭地区雷击火影响因子
• 6.2.1 研究地区概况
• 6.2.2 时间分布影响因子
• 6.2.3 气候影响因子
• 6.2.4 地理影响因子
• 6.3 森林雷击火综合指标分析
• 6.3.1 森林雷击火综合指标模型
• 6.3.2 云地闪电火源指标模型
• 6.3.3 林火初始蔓延速度气象指标模型
• 6.3.4 森林分布类型易燃性指标划分
• 6.3.5 森林雷击火综合指标划分
• 6.3.6 模型指标检验
• 6.4 雷击火综合预警平台
• 6.4.1 雷击火预警主要辅助技术
• 6.4.2 雷击火预警发布系统
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢