闪电正极性击穿的时间反转定位及其辐射特性研究

The development characteristic of lighting positive breakdown associated with its role in lightning discharges is still unclear. As the main location technique for lightning breakdown, lightning VHF imaging systems rarely detect positive leaders. Therefore, it is still controversial whether the positive breakdown radiates silently or it never occurs. If the positive breakdown radiate faintly, as many literature supposed, the main problem become that how to locate the faint breakdown in the concurrent intensive negative breakdown environments. In this project, a novel time reversal (TR) technique would be introduced and applied in the broadband VHF and thunder locations. By advantage of the multiple targets and high-order multiple scattering imaging, TR focusing would provide an effective way to resolve the problem in locating the faint positive breakdown under multiple negative radiations. On the other hand, synchronized measurements of the current and VHF~UHF radiation for both positive and negative leaders in long air gap discharges would be conducted to gain insight into the mechanism of positive breakdown. Based on the TR focusing technique and laboratory experiments, field campaign focused on lightning positive breakdown development and characteristics observation would be conducted. This project will clarify the role of the positive leader in the development of lightning, and hence uncover the veil of the lightning discharges, which is significance for improving the level of lightning detection and deepening the understanding of the physical mechanism of lightning.

闪电正击穿的发展特征及其在闪电放电中的作用尚不明确。长期以来，自然闪电的正先导很少被VHF定位系统探测到，究竟是由于正击穿辐射微弱难以定位还是根本没有明显的正先导发生，仍然具有争议。制约上述问题的难点在于如何在较强的负击穿辐射环境下提取微弱的正击穿信号并进行多源定位。本项目拟将新兴的时间反转技术引入闪电宽带VHF及雷声定位中，利用时间反转技术在多源探测、处理复杂散射环境等方面的优势，建立闪电宽带VHF和雷声时间反转定位方案，为解决多辐射源条件下微弱正击穿的探测问题提供技术途径；另一方面，通过同步观测正、负极性长间隙放电的击穿电流、辐射场等信息，探究正击穿事件难以被VHF系统定位的深层原因。在此基础上，开展野外闪电观测试验，研究闪电正先导的发展过程和辐射特性。通过本项目的开展，将澄清正先导在闪电发展中的作用，揭开闪电放电的面纱，对提高闪电探测水平、深化闪电物理机制的认识具有重要的指导意义。

闪电宏观尺度上的强放电现象与微观上的弱击穿过程密不可分，后者往往成为前者触发或者发展的“源头”。这些弱击穿以正先导为典型代表，同时也包含放电微弱负击穿过程。长期以来，对于该类过程的探测手段有限，认识严重滞后。本项目通过探测技术的改进深化了对闪电弱辐射过程的认识，在探测技术上完成了以下突破：首次将时间反转原理引入闪电VHF辐射源定位，利用多天线的增强聚焦机制显著提升了弱辐射源的定位能力，利用时间反转信号的“自聚焦”特性实现了双源同时到达情况下的识别与定位，由此建立了一套全新的短基线VHF闪电定位系统—MARCOS；在此基础上，利用阵列天线的高分辨波达方向估计技术，进一步提出了适用于闪电VHF辐射源定位的多重信号分类（MUSIC）算法和正交传播算子方法（OPM），提高了辐射源定位的空间分辨力和虚假旁瓣抑制能力；此外，还首次将全波时间反转应用于长基线三维闪电定位，提高了探测效率和定位鲁棒性；为配合弱辐射源观测，研制了宽带高灵敏度电磁场测量系统，提出了不同站点高速摄像与VHF测向相融合的三维闪电成像技术，建立了声-光-电磁结合的三维闪电同步探测系统。基于以上技术与探测系统，连续4年在苏北开展野外雷电观测与人工引雷试验，重点针对以闪电正先导为代表的弱辐射事件开展研究，首次获得了正地闪双向先导发展的VHF定位图像，揭示了自然正先导特有的两阶段发展特征；利用MARCOS的弱VHF辐射源定位能力，首次观测获得了公里尺度上的继后回击三维速度非单调变化特征；将VHF定位与高速摄像资料联合分析，首次揭示了人工引雷金属线熔断后的通道重建的企图重连接过程（ARP）和重连接过程（RP）的发展机制，并在负地闪中识别出一种新的非常规上行正先导过程。通过本项目的开展，提出了对弱放电过程的探测新手段，深化了对一些弱放电过程，尤其是正先导过程的认识，对提高闪电探测水平、深化闪电物理机制的认识具有重要的科学意义。