VLF至MF频段雷电电场变化波形分类数据集

雷电作为一种复杂的大气放电现象,其放电过程中会产生多种类型的电场变化波形。对这些波形进行准确地识别不仅是提升雷电监测系统性能的关键,也直接关联到对雷电物理过程的深入理解。本研究基于2022至2023年间于安徽合肥市部署的13套雷电电场变化测量设备,综合收集了合肥及周边地区雷暴活动期间的电场变化波形数据。数据时间跨度覆盖3月至10月合肥主要雷电活动季节,空间跨度涉及整个城市及其周边地区,确保了数据的代表性与全面性。在数据质量控制方面,采用了严格的数据筛选与预处理流程,确保了数据集的准确性和可靠性。采用先进的卷积神经网络(CNN)模型,对波形数据进行了系统分类,成功辨识出了四种雷电放电过程中的电场变化波形,具体包括地闪回击过程(RS,15290例)、初始击穿过程(PB,3946例)、双极性窄脉冲事件(NBE,3919例)以及一般云闪过程(IC,4111例)。分类模型的准确率超过99%,展现了高效的识别能力。本研究创建了一份大样本量、高质量分类的雷电电场变化波形分类数据集,本数据集不仅能够支持开发更为先进的雷电波形分类算法,促进雷电监测、核爆电磁脉冲监测等技术的进步,也可为深入理解雷电物理过程提供重要的数据基础。

复杂运行条件下非均匀老化油纸绝缘典型电场变化特性

油纸绝缘作为变压器的主要绝缘部分,长期运行后变压器主绝缘发生的非均匀老化现象,在复杂运行条件下(环境温度、受潮情况,电压类型)将导致工况运行时主绝缘内的电场分布发生变化,因此明确工况运行下非均匀老化油纸绝缘内特征位点(最大场强处)电场的变化特性至关重要。通过开展不同老化、受潮程度油纸绝缘材料的介电参数测试,明确了老化后油纸绝缘材料的工频介电常数、直流电导率随着运行条件的变化规律,通过构建基于GA-BP神经网络的老化油纸绝缘材料介电参数模型,实现了非均匀老化油纸绝缘介电参数的多元非线性定量表征;同时考虑油浸纸板老化对油纸间水分平衡规律存在的影响,修正了非均匀老化油纸绝缘内的油纸水分分布,并根据典型非均匀老化主绝缘结构,构建了非均匀老化油纸绝缘典型电场分布模型;最后,考虑到当前特高压电网中,区别于普通交流变压器绝缘所承担的交流电压,换流变压器阀侧绕组承担的电压中含有较高的直流分量,导致其面对的更高的绝缘水平要求。通过分别设定两种外施电压,并在复杂运行条件下,针对不同非均匀老化阶段的油纸绝缘模型的典型电场分布进行仿真计算,揭示了非均匀老化油纸绝缘电场变化特性,明确了实际运行中应加以注意的运行工况,为变压器的运维策略提供了重要的理论支撑。

四川芦山M_S7.0和汶川M_S8.0地震前地电场变化研究

应用四川芦山Ms7.0和汶川Ms8.0震中周围部分地电场观测台站的资料,主要利用地电场波形比较和极化方位变化两种方法,并结合观测台站的工作日志,对两次地震前地电场观测资料进行了分析研究,并得出：芦山Ms7.0和汶川M8.0地震前部分台站地电场波形出现变异现象,主要表现为两种形式：日变波形的畸变（如盐源台和泸沽湖台）和相应时段地电场频谱特性出现变化,这些变异基本上出现在震前1～2个月内;利用两次地震前地电场观测的日均值计算了部分观测台站的地电场极化方位,发现在震前地电场的极化方位出现了大幅变化,最大变化幅度达160°,最小变化幅度也有10°;初步研究还发现,两次地震前夕,震中周围部分台站极化方位的正向或反向延长线,相汇集的区域与地震的震中有一定联系;对于研究所得结果,从地震电信号的产生机制和震源特性方面进行了尝试性理论解释.

人工引发雷电先导-回击过程的电场变化特征

2005年夏季在山东滨州进行了以人工引发雷电为主的综合观测实验，在负电场环境下，成功引发雷电5次，其中传统引发方式3次，空中引发方式2次。详细分析了双向先导-小回击过程和箭式先导-回击过程的垂直电场变化特征。结果表明：2次空中引发雷电的双向先导发展过程在地面60m处产生的电场变化为4．70～14．60kV／m，呈负向变化;在550m处为0．11-0.16kV／m，呈正向变化。利用60m处的先导电场变化，估算双向先导电荷线密度分布的斜率为（1．2～3．8）×10^-7C·m^-2。箭式先导-回击电场变化波形呈不对称V形，V形的底部对应先导的结束和回击的开始。60和550m处的箭式先导电场几何平均值分别为17．80和1．20kV·m^-1。随水平距离的增加，箭式先导电场以水平距离的-1．18次方衰减。

利用快电场变化脉冲定位进行云闪初始放电过程的研究

利用高时间精度GPS同步的雷电快天线电场变化测量仪等设备,在2004年夏季对甘肃中川地区雷暴的闪电放电特征进行了7站同步观测。在此基础上,发展了一种基于到达时间差的快天线电场变化脉冲定位方法,对8月20日一次强雷暴过程的5次云闪初始阶段产生的快天线电场变化脉冲进行了三维定位分析。结果表明:基于辐射源到达不同测站的时间差,能够对云闪产生的辐射源进行较好的定位,闪电的放电区域与雷暴的不同发展阶段密切相关。在雷暴发展的比较旺盛阶段,闪电的放电区域相对较高,对应的离地高度为3.3—6.4 km(此时对应的雷达回波顶高约9 km,回波强度在35 dBz以上的回波顶高约7 km);在雷暴处于减弱和消散阶段,闪电的放电高度降低,所分析的该阶段的其中1个云闪对应的离地高度为1.1—3.0 km(此时对应的雷达回波顶高约6 km,回波强度在35 dBz以上的回波顶高约3 km)。与雷达回波的对比分析发现,云闪初始阶段的辐射脉冲源位置与强回波区具有较好的空间一致性,辐射脉冲源位置分别与25—50 dBz的回波区域相对应。这不仅在一定程度上表明了定位结果的可靠性,而且说明利用快天线电场变化测量仪组网观测对闪电进行定位跟踪有可能反映雷暴强中心的发展变化过程,同时也表明了利用快天线电场变化测量仪组网观测在强对流的监测和预警中有一定的应用潜力。另外,定位误差的模拟试验表明,当雷电距观测网络较近时,定位误差较小,雷电距观测网络中心越远,定位误差越大。5次云闪的实际定位误差对比表明,模拟试验的定位结果在很大程度上能够有效地反映实际定位误差。这说明了该定位系统对位于探测网络上空或附近的雷电可以进行云内放电过程的较好的三维定位。

闪电初始放电阶段亚微秒电场变化波形特征

本文选取2008年西藏羊八井地区与2009年东北大兴安岭地区快、慢天线闪电电场变化仪观测资料,对云闪起始阶段和地闪预击穿阶段亚微秒电场变化波形特征进行了统计分析,发现,无论是云闪还是地闪,初始阶段快电场变化波形均表现为一系列脉冲形式,且以归一化幅值小于0.5、脉冲宽度小于等于10μs的窄脉冲为主;同低海拔地区相比,高原地区地闪预击穿阶段脉冲总数相对较高,窄脉冲所占比例相对较低,幅值可与首次回击峰值相比拟的双极性大脉冲的发生比例较低。在统计的基础上,对产生双极性脉冲的物理机制进行了分析,发现较大的电流传输速度和电流衰减长度,是导致双极性大脉冲波形幅值远大于其它脉冲的主要原因。

闪电电场变化测量仪研究

分析了现有闪电电场变化测量仪存在的不足之处,提出了采用一台测量仪同时获得闪电电场快、慢变化特性的技术方案,通过对测量仪天线、电路、传输方式的优化,大大降低了系统的复杂程度,提高了可靠性;采用全介质光缆传输信号,可避免在信号传输过程中因电磁耦合带来的干扰;采用系统函数逆变换反演被测电场时域特性,既可省去一套专测电场慢变化的仪器,且弥补了以往"电场慢变化测量仪"性能的不足.测量结果表明,快变化测量系统的测量带宽为80Hz～87.5MHz.采用研制成的电场变化测量仪对自然闪电进行多次测量后,将反演运算得到的波形与实测波形对比,验证了所提方案的可行性和技术上的先进性.

芦山M_S7.0与岷县漳县M_S6.6地震前甘肃地区部分台站地电场变化

本文应用2013年芦山MS7.0与岷县漳县MS6.6地震震中周围的平凉等3个地电场台站观测数据,研究地震发生前后地电场在时间域、频率域内的变化。结果表明:1在芦山地震、岷县漳县地震前,位于青藏高原东北缘的平凉台记录到显著的地电场异常变化。2利用最大熵谱估计方法计算平凉、松山、古丰台在芦山地震以及岷县漳县地震发生前后地电场观测数据,得到在上述两次地震前均发生地电场功率谱密度(特别是低于4×10-3 Hz频段的成分)增大的现象,岷县漳县地震发生后,部分测向谱密度增大现象消失。3距离震源区越近,地震发生前后功率谱密度异常变化越明显,长短极距相关性越差,初步分析认为此现象的发生,可能是由于在震源孕育、发生过程中,台站所在位置地下介质形变激发宏观电磁辐射造成的。

基于多小波变换的电场变化仪信号去噪

为更好地分析研究人工引雷的先导——回击过程中电场的变化情况,提出了一种基于多小波变换的雷电信号去噪方法。利用预滤波的方法对信号进行预处理,采用GHM多小波对快、慢天线雷电电场变化测量仪接收的雷电信号进行分析,利用自适应阈值实现噪声的去除。实验结果表明,基于GHM多小波软阈值法处理结果信噪比提高4%,硬阈值法信噪比提高12%,获取了较好的去噪效果,明显优于基于单小波的去噪方法。

祁连大地电场变化与地震关系的研究

祁连大地电场变化与地震关系的研究１前言１９９０年兰州地震研究所在青海祁连县建立了大地电场、大气电场、电磁幅射和地应力４种手段的综合观测台（简称祁连台）。当年５月正式投入观测，到１９９２年１０月停测为止，共有３０个月的观测资料。在观测期间，该台周围３０...

北京和广州地区云闪初始击穿电场变化特征

对比分析了北京和广州地区各100例云闪初始阶段前30 ms快电场变化波形上初始击穿脉冲的特征。依据脉冲的结构特征,两地区的云闪初始击穿脉冲可分为单极性单峰型、单极性多峰型、双极性单峰型和双极性多峰型脉冲,两地区均以单极性和单峰型脉冲为主。对脉冲参量特征的统计发现,脉冲的10%-90%上升时间、半峰值宽度地区差异性小于脉冲类型差异性;双极性单峰型脉冲的半峰值宽是单极性单峰型的1.2倍。不同类型脉冲过零时间的中值、平均值在10μs左右量级,且广州地区较北京地区的大;云闪初始击穿脉冲宽度平均值显著小于相同地区正地闪的,而脉冲间隔显著大于正地闪的。初始击穿脉冲最为集中的出现在云闪最初的1~2 ms,其比例随时间以显著的负指数分布下降。研究发现,双极性脉冲的过零时间与脉冲宽度之间、起始半周期峰值幅度与过冲幅度之间均存在较好的线性关系。

玉树M_S7.1地震前山丹、古丰台地电场变化

2010年4月14日青海玉树发生MS7.1地震,本次大震及其强余震发生在青藏高原巴彦喀拉地块南的甘孜一玉树一风火山断裂带.对于玉树地震,山丹、古丰台震中距均为740km,二者布极方式相同,都为NS、EW、NW测向长短极距共6个测道,电极都为不极化电极,山丹台与古丰台相距217km.对于同一地震,存在震中距相同的地电场台站的这种情况在以往研究中很少发现。

新型闪电电场变化测量系统设计

为改善传统闪电电场测量设备抗干扰性差、参考时间精度低的缺点,提出一种采用板卡式结构的新型闪电电场测量系统。将板卡结构置于天线内部,实现电场的感知和采集的高度集成,使用数字量传输采集信号提高抗干扰性,利用GPS授时和FPGA计数记录闪电的精确时间。实测结果表明:该系统可以有效测量频率高达5 MHz的大气电场的快速变化过程,采集速度最大可达20 MB/s,GPS时间精度为50 ns。该系统能捕获更加精细和准确的闪电电场数据,为闪电发生的过程和机制研究提供仪器基础。

闪电电场时变率与电场变化同步观测研究

闪电电场变化(ΔE)和电场时变率(d E/dt)测量是研究闪电电磁辐射及其传播规律的重要手段.虽然两者早已应用于闪电观测研究,然而对两者的相互关系及差异少有报道.本文通过闪电ΔE和d E/dt的同步观测,测出了两次近距离负极性地闪的全波波形.对比发现:闪电回击d E/dt脉冲积分后与直接采集的ΔE脉冲在回击后100μs内基本一致,差异主要表现在d E/dt积分波形后期出现的低频分量偏移;预击穿、梯级和直窜先导阶段的d E/dt脉冲更为密集,部分放电脉冲在ΔE波形上无法分辨.这表明闪电d E/dt测量能够在数据采集设备有限的动态范围内更有效地响应闪电高频辐射,因而对先导等小尺度击穿过程更为敏感,所以d E/dt传感器可以成为闪电电场测量的有效补充.

作为临震前兆现象的超低频地下电场变化

1.前言从20世纪60年代起,人们开始注意到在地震发生的几天前乃至几小时前,震源区附近有可能发射电磁波。到了70年代,苏联开始进行这方面的正式研究(如 Gokhberg 等,1979)。尽管有人把产生电磁波的原因看成是由伴随地震宏观破裂前的微观破裂而产生的外激电子(由小于通常功函数的激发能产生的电子)等造成的(高桥和藤绳,1990),但其真正原因,目前还不十分清楚。中国(钱,1987)和希腊(Varotsos 和 Alexopoulos,1984)已进行了多达几十个点的大规模连续观测。尤其是希腊,还公布了预报信息,并引起了争论(木下和上田,1986)。另外,众所周知,尽管日本在1986年11月的伊豆大岛火山喷发约1天前观测到明显的电磁波发射(吉野和富泽,1989),而且还在内陆或浅海发生的地震前后检测到电磁波(尾池和小川,1986;吉野等,1985),但因日本的人为噪声很大。

2015年尼泊尔8.1级地震前后拉萨地电场观测数据变化分析

2015年4月25日尼泊尔8.1级强烈地震前后,拉萨地磁台(以下简称"拉萨台")地电场观测数据出现了长时间、大幅度异常变化。在对拉萨台地电场观测条件、观测系统以及观测结果进行初步讨论的基础上,利用"能量合成累加"和"MSA功率谱分析"等数据处理方法,从"时间域"和"频率域"两个方面,对该异常变化的主要特征和演化过程进行了分析。结果显示,尼泊尔8.1级地震前后,拉萨台的地电场观测数据异常变化,经历了"趋势变化-扰动变化-发震期-恢复期"等发展阶段,以及"低频变化-高频变化-平稳变化-高频变化"等演化过程。综合分析认为,拉萨台地电场观测异常变化特征和演化过程,与相关现象和机理研究结果基本吻合,能够完整反映强烈地震孕育、发生和发展全过程,是具有一定客观性、典型性和代表性的珍贵资料。

区域地电观测网地电场日变化模型研究

应用泰勒多项式和曲面样条函数法建立了我国地电场观测台网中华东、华北两个区域台网的地电场日变化(Kp≤5)模型,并对拟合结果进行了对比分析.结果表明:1尽管地电场变化复杂,但用这两种方法建立的日变化模型相当吻合,模型曲线随时间的变化符合样本曲线随时间的变化;2用模型曲线可以描述其它年份同农历日期、同等磁情时实测的地电场日变化;3用模型曲线描述实测地电场日变化时,低磁情时得出的结果要优于高磁情时的结果;4用多日样本曲线得到的模型曲线更能清晰地展示出地电场日变化的两次起伏波形、幅度以及极值集中在午前午后等变化特点.今后建立全国各区域台网不同磁情、不同农历日期的地电场日变化模型可定量评价区域台网的地电场观测资料的质量,同时根据该模型能够分离出地电场的非正常变化,进而研判真实的异常,以服务于地震等灾害事件的预测以及地球电磁环境变化的监测等方面.

中国大陆地电场日变化特征及影响因素

作为地电场最重要的背景变化组成成分之一,地电场日变化普遍存在。本文选取中国大陆10个地电场台站观测数据,应用时序迭加和谐波分析方法,研究地电场日变化的时间域和空间域基本特征。地电场日变化大多呈现“两峰一谷”或“两谷一峰”的变化特征,日变化特征一年四季基本相同,但是幅度、相位略有差异。此外,利用地磁、地貌、电性结构等资料,对地电场日变化的复杂性及与空间电磁活动、地下电性结构及潮汐相关性进行分析,认为地电场日变化特征本质是受空间电磁活动和地下介质电性结构、水文、地质等因素共同作用的结果。