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光频段雷电探测技术的研究

作　者: 刘辛
导　师: 刘德明
学　校: 华中科技大学
专　业: 电子科学与技术
关键词: 雷电探测回击电流模型光频段雷电定位小波变换
分类号: P427.32
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 167次
引　用: 2次
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内容摘要

雷电灾害是自然界的重大灾害之一,当雷电发生时我们希望能及时对可能遭到灾害的地区进行预警和防护,尽量减小损失。而如果能对雷电的能量加以利用,将可以得到不可估量的经济效益。不管是要对雷电引起的灾害进行预防,还是要设法利用其能量,首先都需要对雷电进行有效的探测及定位,只有这样才能对其进行下一步的防护或利用措施。雷电所产生的光频信号是雷电的重要组成部分及主要表现形式,包含了大量的雷电信息,可以直观的反映整个雷电过程。如果能够对光频雷电信号进行有效的探测,就可以获取雷电放电时的光学特征以及雷电通道的整个发生发展过程,再结合雷电回击电流和辐射电磁场的测量就可以有效的开展雷电特征参量的综合观测,并对甚低频／低频以及甚高频雷电探测系统进行有效的补充。基于此本论文对雷电探测中的两项关键技术：雷电定位技术和雷电信号检测技术进行了深入而细致的研究,并做了大量的相关仿真工作,并在此基础上设计了一套光频雷电探测系统。本论文的主要研究内容及创新成果包括以下几个方面：(1)详细分析了雷电产生的原因及分类,针对雷电的整个放电过程及特点进行了深入研究,在此基础上对现有的雷电探测技术进行了深入探讨。(2)在数学上建立了雷电产生时的通道底部回击电流模型及整个雷电通道的回击电流工程模型,在此基础上提出了一种修正的通道底部电流模型,用修正的通道底部电流模型改善了各种工程模型,并针对每种模型进行了具体的二维或三维仿真,对仿真结果进行了比较。最后针对最普遍、对人类威胁最大的云地闪的通道底部电流模型进行了频谱的仿真及分析,并通过频谱图找出了雷电电流能量较为集中的频段,为进一步对雷电回击电流进行深入研究打下了基础。(3)对目前国内采用较多的基于地面的雷电定位技术进行了深入而细致的研究,对甚低频／低频及甚高频的不同定位技术进行了探讨及误差分析,在此基础上提出了光频雷电定位的概念,并对国内还处于起步阶段的基于卫星的雷电定位技术进行了一定的研究。将时差定位法引入光频雷电定位中,对光频雷电定位系统进行了总体的结构设计,并利用Matlab中的Simulink模块对设计的系统结构进行了建模及仿真。(4)对现阶段雷电信号检测中使用最多的硬件滤波检测技术进行了深入的研究,针对用其检测含噪声的雷电信号的结果作出了仿真。并在此基础上提出将近年来发展迅猛的小波变换检测技术以及新兴的随机共振检测技术引入到雷电信号检测中,以此克服硬件滤波检测技术的不足之处,对使用小波变换检测技术和随机共振检测技术检测雷电信号都进行了仿真,仿真结果证明将之用于雷电信号的检测是完全可行的。根据各种检测方法检测雷电信号的仿真结果对各种检测技术进行了分析比较,探讨了它们在不同情况下用于雷电信号检测的可行性及有效性。(5)提出了光频雷电探测系统的总体设计方案,对组成系统的各个部分进行了具体的硬件及软件设计,最终设计实现了一套光频雷电探测系统,并对设计的系统进行了初步的工作测试,得到了较为理想的结果。为最终实现研制全能型雷电探测设备的目的打下牢固的基础。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
1 绪论  10-19
  1.1 引言  10-11
  1.2 空间雷电探测综述  11-16
  1.3 本论文课题来源及研究内容  16-19
2 雷电电流模型的建立及仿真  19-35
  2.1 引言  19
  2.2 雷电流特征  19-20
  2.3 雷电通道底部电流模型及仿真  20-25
  2.4 雷电回击工程模型及仿真  25-32
  2.5 雷电流的频谱仿真及分析  32-34
  2.6 本章小结  34-35
3 雷电定位技术研究  35-47
  3.1 引言  35
  3.2 基于地面的雷电定位技术研究  35-43
  3.3 基于卫星的雷电定位技术研究  43
  3.4 光频雷电定位系统的结构设计及仿真  43-46
  3.5 本章小结  46-47
4 雷电信号检测技术研究  47-62
  4.1 引言  47
  4.2 硬件滤波检测技术及仿真  47-50
  4.3 小波变换检测技术及仿真  50-55
  4.4 随机共振检测技术及仿真  55-60
  4.5 几种检测技术在雷电信号检测中的比较分析  60
  4.6 本章小结  60-62
5 光频雷电探测系统的设计实现  62-104
  5.1 引言  62
  5.2 光频雷电探测系统设计要求及总体方案  62-66
  5.3 光频雷电探测模块设计  66-98
  5.4 光频雷电记录模块设计  98-100
  5.5 光频雷电探测系统工作测试  100-103
  5.6 本章小结  103-104
6 总结与展望  104-106
  6.1 论文总结  104-105
  6.2 下一步工作展望  105-106
致谢  106-107
参考文献  107-114
附录1 攻读博士学位期间发表论文目录  114

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