1、廣州高建筑物地閃水平磁場頻譜特征分析曾陽斌 作者簡介：曾陽斌（1982年-），男，廣東梅州，學士學位、主要從事大氣探測和雷電防護研究工作，E-mail：30707296基金資助項目：廣東省氣象局 2015B311殷啟元1胡銳俊11 廣東省氣象公共安全技術支持中心廣州 510080摘要：在廣州高建筑物雷電觀測站架設完成一套正交磁環天線，對廣州珠江新城高建筑物群進行地閃水平磁場觀測。利用小波軟閾值去噪法和基礎噪聲歸零法對合成的磁場數據進行質量控制。對處理后的水平磁場波形進行頻譜特征分析，得到水平磁場在不同頻段內的能量分布情況，從而對高建筑物雷電強電磁脈沖屏蔽防護技術提供數據參考。關鍵詞：高建筑物；
2、水平磁場；小波分析；頻譜特征中圖分類號：P466 文獻標志碼：A 文章編號：0. 引言隨著城市的經濟水平發展，為了提升城市的形象，高建筑物甚至是超高建筑物日益不斷的增多，使得雷電的強電磁脈沖對建構筑物的影響也日益增加（陳綠文，2014；禹繼等，2011；V. Shostak et al，1999;FarhadRachidi et al,2001）。閃電對地放電過程可以等效為與大地垂直的電偶極子天線，對于不能直接用分流器或者安裝Rogowski線圈測量雷電流的，一般都會采用將磁天線放置于地面對地閃過程產生的水平磁場進行測量7,8。本研究在廣州高建筑物雷電觀測站（距離地面約80m）架設一副正交環天
3、線對珠江新城高建筑物群自然閃電地閃過程進行測量（鄧宇翔等，2014；王智敏等，2015;S. D. Gilev et al，2000）。本文主要對2012年觀測結果頻譜特征進行分析，從而為雷電防護中雷電電磁脈沖侵入防護提供參考。兩個問題：1、格式不太符合，請增加“引言”標題。2、兩個“隨著”不關聯，建議刪除第一個。如果研究的是閃電對建筑物影響的電磁場可能會造成室內損壞，就請在本段第一行“對”的后面增加“建筑物內部”。否則，前部分的隨著就全部刪除。1.設備架設本研究所用的磁天線是三個正交的磁環，如圖1所示。本文僅采集東西分量和南北分量兩個磁環數據，兩個正交磁環外部均采用鋁質材料構成的圓管狀矩形，
4、利用環氧樹脂材料隔離開外導體，以免形成導電環路，確保內部線圈對磁場信號的接收，內部導線線圈采用75同軸電纜構成（殷啟元等，2009；范雯杰等，2011）。圖1 正交磁環天線實物圖片Fig1The orthogonal magnetic loop antenna picture本文主要對珠江新城地區高建筑物群的自然閃電接閃過程進行觀測，距離觀測點較遠，兩個正交磁環天線分別置于被觀測物的東西和南北方向，以便接收測點位置地閃過程所產生的磁場信號，如圖2所示。根據兩正交磁環天線得到的磁場波形峰值，即地閃水平磁場東西分量和南北分量的峰值，可以實現對雷電發生位置定向測量，通過兩個向量合成可以獲得接閃點處地
5、閃水平磁場波形。圖2 兩個正交磁環天線觀測原理示意圖Fig2 Schematic diagram of observation principle of two-orthogonal magnetic loop antenna2.數據獲取與處理（1）廣州高建筑物雷電觀測站的主要觀測設備包括閃電連接過程光學觀測系統（Lightning Attachment Process Observation System，簡稱LAPOS）、數字化高速攝像機、快慢電場變化儀、以及磁場天線等聲、光、電、磁綜合觀測設備。本文采用的正交磁環天線環的面積為30cm30cm，帶寬為100Hz-0.5MHz，輸出范圍為1
6、0V；采用DL750示波器同步采集存儲，采樣率是10MHz，記錄長度為2s，預觸發位置為40%。圖3 2012年5月6日16:04:05實測的地閃水平磁場波形Fig3 The horizontal magnetic field waveform of ground lightning on May 6, 2012 16:04:05（2）本文主要分析地閃回擊過程磁場波形，觀測點位于廣州市城區高樓樓頂，周圍電磁環境較為復雜，對探測數據有一定影響。本文采用小波閾值去噪法和基礎噪聲歸零法。對比小波閾值軟去噪法和小波閾值硬去噪法發現，小波閾值軟去噪法處理后波形較為平滑，故選用該方法。圖4為F1245和F
7、1206回擊時刻磁場合成波形去噪處理前后對比圖13,14。圖4 F1248首次回擊磁場合成波形去噪處理前后對比圖（高度600m，距離2390m）Fig4 Comparison of the synthetic waveform before and after denoising for the first return stroke of F1248(Height:600m; Distance:2390m)圖5 F1206首次回擊磁場合成波形去噪處理前后對比圖F1206（高度90m，距離470m）Fig5 Comparison of the synthetic waveform before
8、 and after denoising for the first return stroke of F1206(Height:90m; Distance:470m)3.磁場頻譜分析本文共分析四次多回擊地閃過程水平磁場頻譜特征（馬洪亮等，2012），即F1206，F1210，F1247，F1248，基本觀測信息見表1。四次地閃過程的每次回擊磁場能量分布圖見圖6。表1 自然閃電基本觀測信息表Table1The basic observation information table of lightning閃電編號日期首次回擊接地點高度/m回擊次數首次回擊接地點與觀測室的距離/mF1206201
9、205069014470F1210201205061105350F12472012081344062390F12482012081344072390圖6 地閃過程的回擊磁場能量分布圖Fig6 Energy distribution diagram of return stroke magnetic field in ground lightning表2 地閃過程的回擊磁場能量累積分布表Table2 Energy distribution distribution of return stroke magnetic field in ground lightningF1206102104F121
10、0102104F1247102105F1248102105199.6199.1199.981100297.1298.3299.5297.5398.7398.6399.73100497.3498.1499.8499.9599598.4598.65100698.26699.5699.97977799.2894.5994.91099.11198.61298.71397.11499從圖6和表2可知，F1206和F1210的磁場能量主要集中在102104Hz內，F1247和F1248的磁場能量主要集中在102105Hz內。F1206和F1210接閃高度90m和110m，F1247和F1248接閃高度44
11、0m，可推知接閃高度越高，地閃水平磁場主要能量分布越寬。4.結束語 （1）在廣州高建筑物雷電觀測站架設完成一套正交磁環天線，獲取到了珠江新城高建筑物群地閃水平磁場東西分量和南北分量。（2）采用小波軟閾值去噪法和基礎噪聲歸零法對合成的地閃回擊過程磁場數據進行數據處理，較好地還原了接閃點雷電流磁場波形。（3）根據對所統計的回擊過程磁場波形頻譜分析發現，接閃高度較低的磁場能量主要102104Hz內，接閃高度較高的磁場能量主要102105Hz內，故對地閃過程產生的強電磁場脈沖影響的屏蔽設計，應著重考慮這一頻段,接閃高度越高，地閃水平磁場主要能量分布越寬。參考文獻：1陳綠文高建筑物對閃電活動及其特征的影
12、響研究D.南京信息工程大學,2014,12.2禹繼,陳綠文,黃智慧等.超高建筑物雷電先導-連接過程數值模擬.廣東氣象，2011，33（5）：42-44.3 V. Shostak, W. Janischewskyj, A. M. Hussein and B. Kordi.Characteristics of return stroke current and electromagnetic field waveforms observed in multistroke lightning flashes to a tall towerJ,1999 , 2 :389-392 vol.2.4Farh
13、adRachidi, W Janischewskyj, AM Hussein et al. Current and electromagnetic field associated with lightningreturn strokes to tall towersJ.IEEE transactions on electromagnetic compatibility., 2001 , 43 (3) :356-367.5鄧宇翔,陳紹東.基于人工觸發閃電試驗雷電流的頻譜分析J.廣東氣象,2014,36（2）:67-70+73.6王智敏，呂偉濤，陳綠文等.2011-2012年廣州高建筑物雷電磁場
14、特征統計應用氣象學報，2015,26（1）:87-94.7 S. D. Gilev, T. Yu. Mikhailova.Electromagneticfield and current waves in a conductor compressed by a shock wave in a magnetic field combustionJ.Explosion, and Shock Waves, Vol. 36, No. 6, 2000.pp.153-163.8殷啟元，張義軍，呂偉濤.全相閃電磁場測量系統實現與試驗J.氣象科技，2009,37（6）:713-718.9范雯杰，張義軍，孟青等
15、.實時閃電電磁場同步觀測系統J.氣象科技，2011,39（6）:803-807.14 馬洪亮，周璧華，劉培山等.地閃水平磁場頻譜分析C.第22屆全國電磁兼容學術會議,2012年.Spectrum Analysis of Horizontal Magnetic Field of Cloud-to-Ground Lightning In Guangzhou Tall buildingsZengYangbin1 YinQiyuan1 HuRuijun11 Guangdong Technical Support Center of Meteorological Public Security,Guan
16、gzhou,510080,Abstrct:The Tall-Object Lightning Observatory in Guangzhou(TOLOG) could technically observes lightning flashes striking on tall objects with different heights in Pearl River New City of guangzhou.Horizontal magnetic field of cloud-to-ground lightning data obtained by orthogonal-loop mag
17、netic antenna. The soft-threshold wavelet denoising method and the basic noise zero method were used for data preprocessing.Through spectrum feature analysis,the energy distribution of horizontal magnetic field in different frequency bands is obtained.Theresearch results can provide reference data for strong electromagnetic pulse protection technique of tall building.Keyword:Tall-building, Horizontal magnetic field, wavelet denoising method, Spectrum Analysis
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