第九章

一、填空题（30）
1. 通过博伊斯相机的成像图片，可以推断出闪电的 方向 和 速度 特点。
2.博伊斯相机的时间分辨率可以达到 微秒 量级。
3. 高速扫描照相机是用来观测回击闪电的 径向 变化。
4. 大气电场是大气电学的一个最基本的参数。
5. 早期的电场仪在地面测量，其输出的是交流信号，信号的大小正比于场强，将这些信号显示或记录，或经整流给出直流输出。
6. 地面大气静电场强度可以利用测量天线与大地之间的电压来确定。
7. 根据与天线相连的测量电路的RC取值，把对大气电场的测量分为静电场计和静电场变化计。
8. 对回击电场，时间常数RC应是毫秒量级，对整个闪电时，RC应是秒量级。
9.闪电引起的强电流是重要的闪电参量。
10.闪电电流的幅值和闪电电流的波形，对于雷电的防护和防雷工程的设计是必须要考虑的一个重要参量。
11由雷电峰值电流分析发现，对地或对低建筑物的闪击，几乎都是由向下先导引发的，而若建筑物高达100m 或以上时，则向上先导引发的闪击比例增大。
12. 在磁钢棒中因闪电电流感应的磁通量密度可用磁强度计测量。
13. 对通过波阵面电流不连续积分的结果，称之"激励"场，激励"场仅当波阵面处电流为非零时才不等于零。

14 最简单测磁场的感应器是一开口的环形导线。开口的环形圈感应的电压等于环形面积乘以垂直于环形导线圈的磁通量的时间导数。
15. 为较好区分云闪和地闪，通常采用灵敏度不同的计数器同时测量，或在不同距离上安放同样的计数器。

16.闪电密度由闪电计数器获取，一般闪电计数器设计成带宽 1~50kHz、灵敏度为3V/m，只需用一根垂直天线，经距离校正后就能测量给定地区单位面积上的闪电活动和研究闪电天电的频率谱分布。
17. Anderson设计一种峰值频率10kHz，带宽为2.5～4.0kHz，同时降低灵敏度，以20V/m为阈值电平，3m高的垂直天线，由于它的有效距离较小，能较准确观测云闪和地闪对它的响应。
18. 定向闪电计数器接收来自各方向的闪电信号，通过计数器进行计数，根据闪电频数的变化判断云的性质。
19 定向闪电计数器是将两只相同的环形天线互相垂直地放置，则当闪电信号以 45°方向射至两环形天线，它们所感应的电动势应当相等。
20经过定向闪电计数器的信号要分别经两路放大器放大，得到振幅相等、相位相同的两闪电信号。
21闪电计数器接收到的信号为225°角度方向的信号与两路信号位相相反时，计数器就不能工作。
22单个测量站只能确定闪电的方向，不能确定闪电的具体位置。
 
23 对于某个闪电电场或磁场振幅表达式中包含有作为未知参数的该闪电的位置与感应器之间的距离信息，则通过至少等于未知参数的若干数量的感应器的测量，就可确定包含距离参数在内的这些未知量。
24 电磁场振幅方法需要考虑静电场变化和电磁辐射场的峰值两方面。
25 点偶极模式比偶极模式提供较少的信息，并且结果常用图形上的箭头表示，它的方向为正电荷移动的方向。
26 理论表明，在一个平坦的地面上的辐射场随离闪电通道的径向距离而相反地减小。
27 通过同时在一个 ZY显示器上显示东西和南北方向的输出获得方位角，这样在屏幕上的合成线具有指示电荷放电方向的趋向，这一线称为方向矢量。
28 窄带 DFs 的主要缺点是只能确定 200km 范围内的闪电，而且有大约10°的固有极化误差。
29 在"与门"宽带 DFs中的随机误差是由于最初噪声叠加于天线的输出和仪器对讯号的处理不好和两种讯号的数字化。
30 当两个磁定向器测量的闪击出现于两定向器的基线（连接线）上，这时会产生的相对大的误差，这种误差称之基线误差。
 
二、单选题 （30）
1. 博伊斯设计的是一种（B）相机来观测雷电。
A. 立体式   B 旋转式    C 扫描式    D 放大式
2. 假定电场分布均匀，天线离地面距离为h，在天线没有负载情况下天线附近的电场为E，而大地和天线之间的电位差是（A）。
A V=Eh     B V=2Eh       C V=E/h      D V=0.5Eh
3. 大气静电场的平板天线测量方法中，电容C的作用是（ B ）。
A 并联电容  B控制测量电压大小  C 获得时间常数    D与串联
4.对于静电场计，取时间常数 RC=4s，频率响应从直流到( D )以上。
A 5 kHz    B 10kHz   C 15kHz    D 20kHz
5.对于静电场变化计，取时间常数 RC=70μs，频率上限超过（ A ），可以得到10μs的时间分辨率。
A 1MHz    B 2MHz    C 3MHz    D 5MHz
6.为同时测量大气电场的三个分量，感应器做成（ B ）天线。

A平板状   B 球形     C 条形        D 饼状
7. 若要测量误差不超过5%，测量电路的时间常数至少要为电场变化的时间常数的（ C）倍。
A 50         B 30       C 100       D 120
8. 大气电场探空仪用于研究积雨云或其它云中大气（ A ）分布和云中电荷分布。
  A电场       B 磁场     C电流       D电压
9.闪电电流计的时间因素靠轮子的旋转完成，最大时间分辨率为（C）。
A 20μs      B 30μs      C 50μs     D 80μs
10磁涌浪波前沿记录器是一个用于测量闪电电流等效上升率的仪器，记录器有三个电路，每个电路包含有（ B ）与电感串联，磁头位置在三个电感附近。
A 电容      B电阻        C 电阻与电容并联组合     D电感与电容并联组合
11 利用磁钢棒只能记录多闪击电流的幅值，对于单闪击电流的幅值通常用（A）记录。
A示波器     B 电压测量仪     C磁场测量仪      D电场测量器

16 Anderson等设计一种峰值频率为（A），带宽为2.5~4.0kHz，同时降低灵敏度，以 20V/m为阈值电平，3m高的垂直天线。
A 10kHz       B 5kHz          C 15kHz       D 20 kHz
17 闪电单站定位仪的缓存器容量为（ C）。
A 2kB    B 4kB   C 8kB     D 16kB
18 定向闪电计数法将两只相同的环形天线互相垂直地放置，则当闪电信号以（A）方向（两天线夹角的等分线）入射至两环形天线，它们所感应的电动势应当相等。
A 45°      B 30°      C 60°      D 75°
19 定向计数器在两路单稳态电路的输出端得到时间一致的较窄方形波，窄方形波时间为（B），记录 10°左右的闪电方位角。
A 0.2μs    B 0.4μs    C 0.6μs    D 0.8μs
20 为消除来自（A）角的闪电计数，闪电计数器增加了第三路放大器，其接收天线为一无方向性的垂直天线。
A 225°     B 125°      C 175°     D 255°
21 通过极小的方法按源的位置确定的源函数是可变的，对磁辐射场也可以建立类似的方程，最少需要（C）个站。
A 1        B 2           C 3          D 4
22 窄带 DFs用于检测水平闪电距离，它的工作频率一般以中心频率范围( A ), 在地面与电离层波导间的衰减一般是相对小的，而闪电讯号能量是相对高的。
A 5~10kHz     B 6~10kHz     C 5~8kHz          D 5~15kHz
23 "与门"宽带 DFs 与窄带 DF 一样，对位置误差是敏感的。这些误差是通过出现（D）引起的，其磁场是由干不平坦的地表和邻近导体，
A 不必要的电压           B 不必要的电场
C 不必要的电流           D不必要的磁场
24通常误差估计用一个置信椭圆表示，在椭圆内出现闪击的可能性为（ D ）。
A 96%      B 98%        C 97%     D 99%
25记录的VHF脉冲宽度范围约为( B)，系统极限大约2μs。平均每70μs获得一次VHF定位。
A 0.1μs    B 0.2μs   C 0.3μs   D 0.4μs

27 由美国国家闪电检测网（NLDN） 的106个探测数据可用最小二乘法计算最佳闪电位置，在最初的公式中，最佳方法是使一无约束的误差函数最小，其误差函数是角偏差的（A）。
A平方总和     B开平方根总和    C立方总和       D四次方总和
28 通过探测站报告的整个定时误差和具有标准偏差近似为( A )确定闪击时间的估计准确度。
A 1.0μs     B 2.0μs    C 3.0μs     D 4.0μs
29 U-2 飞机探测光谱仪是采用一对焦距为 1/8m 的 Ebert 光谱仪，中心波长为656nm，时间分辨率为5ms，观测的波长间隔为( C )，且可以调节至380～390nm。
A 120nm   B 160nm   C 320nm   D 640nm
30 利用雷达探测闪电，雷达波长需大于( B )，这样可以避免强降水掩盖闪电回波。用
  A 5cm      B 10cm     C 15cm    D 20cm
 
三、多选题（30）
1.照相观测可以测量闪电的（ABC）特性。
A. 时间   B. 速度   C.结构   D.长度
2. 高速线扫描照相机的部件有哪些（ABCD）?
A. 物镜   B图像辅助装置   C图像感应器   D 视频放大器
3. 地面大气静电场强度可以利用测量天线与大地之间的电压来确定。感应大气电场的天线可以是（ABC）。
A平板       B金属球     C垂直的金属导线     D 圆板
4根据测量要求，测量电场的感应器有哪几种类型（ABC）。
A 平板型     B球形     C鞭状   D 条状
5. 电子学方法进行电场强度的监视特点（ABD）。
A监视时间是电子系统中等效 RC的函数
B只能在秒量级的时间内是可行的
C根据导体在电场中产生的感应电荷原理
D不能进行较长时间的电场观测
6旋转式大气静电仪由（ABCD）部分组成。
A大气电场感应器     B信号处理电路     C显示系统     D 雷暴警报器
7大气电场探空仪由（ABCD）组成。
A双球式大气电场感应器        B发射机  
C地面的接收系统              D湿度仪
8. 大气电场探空仪可以测量下面那些物理量（ABD）。
A大气电场  B大气湿度   C 大气黏度    D大气温度
9. 闪电电流的（AC）参数，对于雷电的防护的设计是必须要考虑的一个重要参量。
A 幅值      B周期      C 波形        D 频率
10由观测得到的雷电流数据，可以推算出以下哪些量（ABC）？
A电荷      B能量      C电矩     D电压
11 测量雷电流峰值的磁钢棒可用（AC）组成。
A钴钢条         B 碳石         C粉状磁性材料       D 石英
12用于测量磁钢棒获取闪电电流的仪器，主要有（ACD）。
A闪电电流计               B 电压计
C磁涌浪波前沿记录器       D磁涌浪积分器
13 闪电单站定位仪的信号采样速率为（ABD）。
A 10   B 5   C 0.5   D 1.25
14 定向闪电计数器有哪几种（ABC）。
A正负闪电计数器         B半导体闪电计数器
C闸流管闪电计数器       D 栅极闪电计数器
15 雷暴的多站定位方法有哪些（ABCD）。
A电磁场振幅方法                    B磁定向法（MDF（Magnetic Direction Finder）
C闪电讯号到达时间（TOA）定位法    D磁定向和讯号到达时间（TOA）综合法。
16 探测闪电方向的相交的磁定向器可以分为两种类型（AD ）。
A 窄带 DFs                   B宽带 DFs
C "非门"宽带DFs              D "与门"宽带DFs 
17 Krider 设计了个对地闪电中最初的一次回击起响应的"与门"宽带 DFs。通过测量（ABCD），用已知的第一和随后回击的特征并比较这些特征，用以区分磁场的回击波与云内过程的波和各种非闪电荷电源波。
A 回击波的上升和下降时间            B 峰的结构
C 通过零相交线相反极性的大小        D最初电场讯号的变化
18 单个时间到达感应器给出闪电电磁场讯号的某部分到达感应天线的时间，对于闪电定位的时间到达系统可分为三种基本类型（ABC）。
A甚短基线系统         B短基线系统
C长基线系统           D 超长基线系统
19 闪电定位的最佳方法是同时利用(AB )。
 A 磁定向（MDF）法            B 讯号到达时间（TOA）法
 C 电磁场振幅方法              D 电流定位方法
20 对于三种不同类型(ABC )的 dE/dt波确定闪电讯号到达的时间。
A 上升部分的半峰值   B 峰   C 半峰值的下降部分  D 全波
21 对于地闪的定位方法多数基MDF或TOA方法，闪电定位和防护公司发展了一个将 MDF 与 TOA 相组合信息法（IMPACT），这一方法的信息来自于（ABCD）。
A MDF感应器           B TOA 探测器
C Impact 探测器         D测量闪电脉冲波到达时间和所有闪击的方向。
22 1980年 Walfe 和 Nagler首次提出在静止卫星上获取(ABC )放电图像。
  A 高空间分辨率    B 高探测效率 C  昼夜探测闪电   D 高精度
23 LMS成图探测器能连续地探测大范围区域的（ABCD），其空间探测分辨率为 10km。
A 闪电发生的时间    B 闪电的辐射能      C 云闪     D 地闪
24 以下哪些设备可以监测雷暴（ABCD）。
  A U-2飞机   B DMSP扫描仪  C LMS成图探测器  D 雷达
25 LMS仪器由哪些部分组成（ABCD）。
 A 光学系统 B 焦平面组件 C 高速A/D转换及接口电路  D 实时信号处理系统
26 美国国家闪电监测网中NLDN探测站包含哪些部分（ABC）。
  A ARSI国家网  B 59个TOA探测站   C 47个IMPACT探测站   D LMS成图探测器
27 以下哪几种模式（ AC ）可由测量的磁通量密度计算闪电电流。
  A Bruce 和Golde 模式      B 电流积分模式      C 线传输模式    D 磁通增益模式
28 静电电场强度测量有哪些方法（ ABC ）？
  A 平板天线测量               B 旋转式大气静电场仪
C 大气电场探空仪             D 单站测量仪
29 磁场测量系统里面包含哪些部分（ ABCD）？
 A 非导体电阻    B 低损耗电容   C 同轴屏蔽电缆连接点  D 共模抑制调节
30 雷电的计数和定位可以通过哪些仪器实现（ABC ）。
  A非定向闪电计数器            B 闪电单站定位仪
C 定向闪电计数器              D 大气探空仪
 
四、简答题（10）
1. 雷电监测方法有哪些？
雷电的监测方法主要有：目测、照相、电场仪、闪电计数器、光谱仪、脉冲电压记录仪、卫星闪电探测器、声探测器、雷达探测等。
 
2. 简述旋转式大气静电仪的组成部分及各自的作用？
1）大气电场感应器：它由上、下两片相互平行的，有一定间距形状相似的4叶片连的金属片由马达驱动旋转，称为动片，并与地相连接，它既起屏蔽定片的作用，又使定片暴露于大气电场中；
2）信号处理电路：它将交变电信号进行放大等处理为显示系统所要求的信号；
3）显示系统：它可以用示波器，或用打印机或记录器等显示大气电场信号；
4）雷暴警报器：根据测量的电场的大小和变化，预测雷暴出现的可能，并发布近距离雷暴警报。
 
3.简述测量雷电流的三种方法及其原理？
测量雷电流一般有以下三种方法∶
第一种方法;通过测量精密分流电阻上的电压降，由此可算出闪电电流的大小。
第二种方法∶是利用感应线圈上的电压 V=M di/dt，测出 V，再对时间积分，就能求出闪电电流，即
第三种方法∶采用数字贮存示波器自动记录闪电电流的波形。
在测量闪电电流中，如果在电路中采用电容和电感器件，就会影响测量的时间分辨率，所以在电路中不希望有电容和电感存在。为提高测量时间精度，可采用电阻分路和示波器进行。
 
4.闪电单站定位仪的原理？
单站定位系统是利用闪电电磁场相位差和闪电天、地波到达时间差的原理而制作的。可以测量250km范围内地闪的方位、距离、强度和极性。仪器的触发控制器由模数电路构成的云地闪识别器，其功能是区别地闪和云闪。它只接收地闪信号，拒绝云闪信号及非闪电于扰。云地闪鉴别器软件具有更强的甄别功能，以便在复杂的干扰条件下能正确无误地只接收地闪信号。信号实时处理软件完成地闪信号的测向、测距、强度和极性等计算。对于 140km 以内的地闪，主要根据极低频（ELF）频段几个频率的闪电电磁波相位差与距离的关系测距。对于140km 以外的地闪，根据改进了的地波和一次天波到达时间差方法测距。
 
5.定向闪电计数器的定向原理？
它是利用环形天线接收闪电信号，环形天线具有"8"字
形的方向图。对于一定的大气电场下，环形天线感应的有效电动势的幅度，与环形天线的的圈数和面积成正比，也与人射到环形天线上的闪电信号的余弦成正比通常将环形天线感应出来的有效电动势的振幅与其电场强度之比称有效位势。环形天线的有效位势写为：
。
式中 H是环形天线的位势，单位∶m。n 是环形天线的圈数，S是环形天线的面积，λ是闪电波长，θ是闪电信号的人射角。当闪电光波的方向与环形天线平面相平行时，天线感应的电势最强，而在与天线垂直方向上，感应的电动势为零。这说明环形天线具备对闪电的定向能力。
 
6 简述窄带 DFs 的主要缺点及造成误差的原因？
窄带 DFs 的主要缺点是只能确定 200km 范围内的闪电，而且有大约10°的固有极化误差，误差一是由于非垂直通道部分，其在一平面内形成垂直于非垂直通道部分的圆形磁力线;二是由电离层反射的睛空波，其磁场同样是对于地面闪击点的方向的取向不合适。另外由于其它原因，不需要的磁场分量出现，如在定向附近非水平的导体地形和通过邻近裸露导体的再辐射。由此造成的误差通常称为位置误差。
 
7 闪电定位到达系统的三种类型和特点？
单个时间到达感应器给出闪电电磁场讯号的某部分到达感应天线的时间，对于闪电定位的时间到达系统可分为三种基本类型

1. 甚短基线系统（几十到几百米）
2. 短基线系统（几百千米）
3. 长基线系统（几百到几千千米）

甚短基线和短基线系统通常工作在甚高频VHF，就是频率从 30 到约 300MHz，而长基系统频率工作于甚低频VLF和低频 LF，从3到300kHz，它一般认为 VHF辐射与空气爆炸过程相联系，而VLF讯号是由于在闪电通道内的电流。短基线系统给出了闪电通道的图像，并用于研究闪电放电发展的时空变化。通常采用长基线系统用于识别地面闪击点的平均位置。
 
8 简述国家闪电监测网流程？
地基感应器通过卫星系统将闪电资料输送监测网控制中心（NCC（Network Control Center）），在 NCC处理来自遥感器的数据，提供每次闪电放电的时间、位置、峰值电流，然后将这处理信息通过卫星广播通讯网返回到实时使用者的手中，所有这些发生于闪电放电的30～40s内，这一延迟由固有的30s和各种处理通讯延迟所组成。以0.1s 时间分辨率的地闪信息通过卫星广播线路发送，所有获取的其它高分辨率闪电和闪击数据通过另外的通讯线路传送。实时获取的数据在数天内再处理，作为永久的基本数据存档，为不需要实时数据的使用者选择使用。
 
9 简述LMS成图探测器的实时信号处理系统的功能和原理。
    它的主要功能是将闪电信号从背景信号中分离出来，事实上，聚焦平面上只有一小部分是闪电信号数据，大部分是背景信号。实时处理器从背景噪声中检测闪电信号将数据率降低到百万分之一。实时处理器组件包括一个背景信号 P333、一个背景消除器、一个闪电事件阈值器、一个闪电事件选择器和一个信号鉴别器。背景信号测定器基本上是时间范围滤波器，逐个地对每一个像元进行背景信号测定。在完成的过程中，多路信号聚焦平面先将信号馈入缓冲器和限幅器，以确保强闪电信号不污染背景信号测定。然后信号由一部分增益（B）增大，对于同一像元增大到以前背景测定的（1-B）倍。选择部分增益与常规频率节奏滤波器中调整截止频率类似。数据处理器的输出表示闪电事件的强度及闪电发生的位置。然后把这些数据送到编码电子设备，格式化为一连续的数据流，再发送至地面，其数据率达每秒几百万比特量级。
 
10 简述雷达探测闪电的原理？
一个雷达天线针对一个活跃的雷暴闪电进行观测，在直角平面中雷达对闪电定位的空间分辨率随距离的增加而减小，检测闪电的范围取决于雷达天线波束大小。一个窄的波束只能检测很少的闪电，其方位是很窄的，但在垂直方向的范围在0～60°。较长波长的雷达波较容易测量到降水中的闪电。实际情况中雷达波长需大于10em，这样可以避免强降水掩盖闪电回波。用波长10cm波段，可在强中心以外的降水中检测到闪电。而使用极化雷达可以抑制降水回波，加强闪电回波。雷达用于闪电通道观测是由于通道有很高的反射率，对于时间几百毫秒和温度>5000K的等离子是高密度的。当闪电通道中的离子为高密度时，可以把闪电通道看作云中的金属导线或电缆，如果降水回波不是十分强，它很容易被检测到。