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雷电波电磁频谱浅析

武汉大学电气学院谢齐家

摘要：通过对电流解析表达式的傅氏变换和雷电辐射模型的假设，简单分析了雷电波的电磁频谱，得出了雷电特别是地闪的电特性和磁特性的一些初步结论。
关键词：雷电波频谱傅立叶变换电偶极子

雷电闪击是指积雨云中电荷中心向大地或云层放电的过程,前者称为地闪,后者称为云闪。地闪电流是防雷工程中最重要的电参量之一。分析地闪电流的电特性和磁特性，有着重要的理论意义和工程实用价值。

1.雷电流波形的解析表示
地闪电流主要的形式有先导电流、回击电流、连续电流和后续电流。其中回击电流是幅值最大的脉冲电流。用简练的数学表达式来描述典型的雷电流波形，有助于许多与地闪有关的计算。Stekolnikov、Bruce和Golde于1941年同时独立提出了雷电的双指数表达式：

2.雷电流峰值比率的频率分布

代入

的数值，可得入表1所示的频谱分布。由表1显然可见，电流在低频带幅值更大。
表1 雷电流峰值比率的频率分布
3.雷电流能量比率的频率分布
利用式（1）对雷电波做频谱分析，可以获得雷电波能量在频率上的分布密度。在采用频率分割的办法实现多路通信的模拟系统（如载波电话系统）中，根据能量分布密度，可估计实际落入频带内雷电冲击的能量值，进而确定是否需要采取防雷措施，或应达到怎样的水平，才能满足防雷上的要求。为了估算雷电波在某一频带内的影响，可以利用能量分布密度求出能量频率升高的积累分布，

（3）
式（3）就是帕塞瓦尔方程。据此可得雷电能量的计算表达式为：

4．雷电的电磁辐射频谱
利用公式（1）进行频谱分析，同样可以得到雷电波的电磁辐射频谱。但是遗憾的是，以上的公式只是对雷电波形的近似拟合，忽略了雷电的发展过程，而且只是表达回击电流这一部分。所以对雷电辐射特性的分析中，不能过分依赖雷电流的解析表达式。分析雷电波的电磁辐射特性，应从辐射模型入手。
一个完整闪电所产生的辐射信号，可以认为是由许多不同尺度的偶极子辐射体所

中忽略的高次幂项，就只剩下每个方程的最后一项了。这一项即表示电磁辐射的“远场”分量。当频率大于1千赫兹时，相距50公里就属于“远场”区了，所以在讨论雷电的辐射问题时，几乎总是只考虑远场信号。由（6）、（7）两式可以看出，电场和磁场在的远场分量有明显的比例关系——当然这是在直线通道的条件下才可以推得的结论。
4.1 雷电辐射的主要特点

（1）. 当频率为1～1000Hz时，信号主要取决于方程（6）中的第一项，即静电近场分量。
（2）. 当频率为1～100KHz的频段时，以电、磁远场分量为主。分力脉冲有强有弱，强脉冲是回击产生的，而小一个数量级的孤立信号则是K过程产生的。
（3）. 频率为1～100MHz时，信号的特点就截然不同了。大多数信号由脉冲序列组成，并由于脉冲变化太快而连成一片。脉冲扰动有逐渐增强的趋势，但在回击和K过程之后有明显的“猝灭”现象。
（4）. 许多雷电辐射有丰富的极低频（0.3～3KHz）。当辐射远距离传播时，极低频信号就更为突出。中间电流和连续电流有时称作“慢尾”，他们是极低频分量的主要源。
如图1显示了电场的变化特点：

图1 50公里远处的地闪所形成的电场变化

4.2 辐射的极化特性
云下的回击通道大多是垂直取向的，因此辐射信号为垂直极化。水平通道产生水平极化信号，而且只有当通道取向垂直于传播方向时，才会形成一般的横向电场。即使在此情况下，由于地下镜像电流的作用而抵消了，因此只有当通道所在高度与波长相当时，才能有效地辐射信号。例如，频率为5千赫兹时，波长为60公里；由此可见这一条件极为苛刻，所以水平极化地信号很难被观测到。

参考文献：
[1]．R．H．Golde．周诗健译．雷电（上卷）．北京：电力工业出版社．1982；
[2]．林秋望．通信防雷技术．北京：人民邮电出版社．1985；
[3]．徐峰．雷电闪击中回击电流波频谱的初步分析．广西气象．1999.7；
[4]．罗仕乾．雷电波的频谱及能量分布．高电压技术．1995.3．

转载自《中国防雷》总第20期

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