1、广州高建筑物地闪水平磁场频谱特征分析曾阳斌 作者简介：曾阳斌（1982年-），男，广东梅州，学士学位、主要从事大气探测和雷电防护研究工作，E-mail：30707296基金资助项目：广东省气象局 2015B311殷启元1胡锐俊11 广东省气象公共安全技术支持中心广州 510080摘要：在广州高建筑物雷电观测站架设完成一套正交磁环天线，对广州珠江新城高建筑物群进行地闪水平磁场观测。利用小波软阈值去噪法和基础噪声归零法对合成的磁场数据进行质量控制。对处理后的水平磁场波形进行频谱特征分析，得到水平磁场在不同频段内的能量分布情况，从而对高建筑物雷电强电磁脉冲屏蔽防护技术提供数据参考。关键词：高建筑物；
2、水平磁场；小波分析；频谱特征中图分类号：P466 文献标志码：A 文章编号：0. 引言随着城市的经济水平发展，为了提升城市的形象，高建筑物甚至是超高建筑物日益不断的增多，使得雷电的强电磁脉冲对建构筑物的影响也日益增加（陈绿文，2014；禹继等，2011；V. Shostak et al，1999;FarhadRachidi et al,2001）。闪电对地放电过程可以等效为与大地垂直的电偶极子天线，对于不能直接用分流器或者安装Rogowski线圈测量雷电流的，一般都会采用将磁天线放置于地面对地闪过程产生的水平磁场进行测量7,8。本研究在广州高建筑物雷电观测站（距离地面约80m）架设一副正交环天
3、线对珠江新城高建筑物群自然闪电地闪过程进行测量（邓宇翔等，2014；王智敏等，2015;S. D. Gilev et al，2000）。本文主要对2012年观测结果频谱特征进行分析，从而为雷电防护中雷电电磁脉冲侵入防护提供参考。两个问题：1、格式不太符合，请增加“引言”标题。2、两个“随着”不关联，建议删除第一个。如果研究的是闪电对建筑物影响的电磁场可能会造成室内损坏，就请在本段第一行“对”的后面增加“建筑物内部”。否则，前部分的随着就全部删除。1.设备架设本研究所用的磁天线是三个正交的磁环，如图1所示。本文仅采集东西分量和南北分量两个磁环数据，两个正交磁环外部均采用铝质材料构成的圆管状矩形，
4、利用环氧树脂材料隔离开外导体，以免形成导电环路，确保内部线圈对磁场信号的接收，内部导线线圈采用75同轴电缆构成（殷启元等，2009；范雯杰等，2011）。图1 正交磁环天线实物图片Fig1The orthogonal magnetic loop antenna picture本文主要对珠江新城地区高建筑物群的自然闪电接闪过程进行观测，距离观测点较远，两个正交磁环天线分别置于被观测物的东西和南北方向，以便接收测点位置地闪过程所产生的磁场信号，如图2所示。根据两正交磁环天线得到的磁场波形峰值，即地闪水平磁场东西分量和南北分量的峰值，可以实现对雷电发生位置定向测量，通过两个向量合成可以获得接闪点处地
5、闪水平磁场波形。图2 两个正交磁环天线观测原理示意图Fig2 Schematic diagram of observation principle of two-orthogonal magnetic loop antenna2.数据获取与处理（1）广州高建筑物雷电观测站的主要观测设备包括闪电连接过程光学观测系统（Lightning Attachment Process Observation System，简称LAPOS）、数字化高速摄像机、快慢电场变化仪、以及磁场天线等声、光、电、磁综合观测设备。本文采用的正交磁环天线环的面积为30cm30cm，带宽为100Hz-0.5MHz，输出范围为1
6、0V；采用DL750示波器同步采集存储，采样率是10MHz，记录长度为2s，预触发位置为40%。图3 2012年5月6日16:04:05实测的地闪水平磁场波形Fig3 The horizontal magnetic field waveform of ground lightning on May 6, 2012 16:04:05（2）本文主要分析地闪回击过程磁场波形，观测点位于广州市城区高楼楼顶，周围电磁环境较为复杂，对探测数据有一定影响。本文采用小波阈值去噪法和基础噪声归零法。对比小波阈值软去噪法和小波阈值硬去噪法发现，小波阈值软去噪法处理后波形较为平滑，故选用该方法。图4为F1245和F
7、1206回击时刻磁场合成波形去噪处理前后对比图13,14。图4 F1248首次回击磁场合成波形去噪处理前后对比图（高度600m，距离2390m）Fig4 Comparison of the synthetic waveform before and after denoising for the first return stroke of F1248(Height:600m; Distance:2390m)图5 F1206首次回击磁场合成波形去噪处理前后对比图F1206（高度90m，距离470m）Fig5 Comparison of the synthetic waveform before
8、 and after denoising for the first return stroke of F1206(Height:90m; Distance:470m)3.磁场频谱分析本文共分析四次多回击地闪过程水平磁场频谱特征（马洪亮等，2012），即F1206，F1210，F1247，F1248，基本观测信息见表1。四次地闪过程的每次回击磁场能量分布图见图6。表1 自然闪电基本观测信息表Table1The basic observation information table of lightning闪电编号日期首次回击接地点高度/m回击次数首次回击接地点与观测室的距离/mF1206201
9、205069014470F1210201205061105350F12472012081344062390F12482012081344072390图6 地闪过程的回击磁场能量分布图Fig6 Energy distribution diagram of return stroke magnetic field in ground lightning表2 地闪过程的回击磁场能量累积分布表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从图6和表2可知，F1206和F1210的磁场能量主要集中在102104Hz内，F1247和F1248的磁场能量主要集中在102105Hz内。F1206和F1210接闪高度90m和110m，F1247和F1248接闪高度44
11、0m，可推知接闪高度越高，地闪水平磁场主要能量分布越宽。4.结束语 （1）在广州高建筑物雷电观测站架设完成一套正交磁环天线，获取到了珠江新城高建筑物群地闪水平磁场东西分量和南北分量。（2）采用小波软阈值去噪法和基础噪声归零法对合成的地闪回击过程磁场数据进行数据处理，较好地还原了接闪点雷电流磁场波形。（3）根据对所统计的回击过程磁场波形频谱分析发现，接闪高度较低的磁场能量主要102104Hz内，接闪高度较高的磁场能量主要102105Hz内，故对地闪过程产生的强电磁场脉冲影响的屏蔽设计，应着重考虑这一频段,接闪高度越高，地闪水平磁场主要能量分布越宽。参考文献：1陈绿文高建筑物对闪电活动及其特征的影
12、响研究D.南京信息工程大学,2014,12.2禹继,陈绿文,黄智慧等.超高建筑物雷电先导-连接过程数值模拟.广东气象，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邓宇翔,陈绍东.基于人工触发闪电试验雷电流的频谱分析J.广东气象,2014,36（2）:67-70+73.6王智敏，吕伟涛，陈绿文等.2011-2012年广州高建筑物雷电磁场
14、特征统计应用气象学报，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殷启元，张义军，吕伟涛.全相闪电磁场测量系统实现与试验J.气象科技，2009,37（6）:713-718.9范雯杰，张义军，孟青等
15、.实时闪电电磁场同步观测系统J.气象科技，2011,39（6）:803-807.14 马洪亮，周璧华，刘培山等.地闪水平磁场频谱分析C.第22届全国电磁兼容学术会议,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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