地闪回击电磁场分布特征

黄钰 崔蕾 张弛 唐辟如

摘  要：建立了空间计算模型，利用MATLAB编程实现了时域有限差分法（FDTD）法对闪电回击空间电磁场的计算和分析。结果发现：随着与闪电回击通道距离的增加，垂直电场的幅值有明显的减弱，波形也有明显的变化，在较远处，波形出现明显形态异常变化，随着高度的增加，垂直电场幅值也变小，波形变缓，但在距离较近的时候表征更为明显;水平电场幅值比同距离下垂直电场小很多，随着高度、距离的增加，电场减弱显著，且曲线形态趋于平缓;径向磁场除了随着距离的增加幅值在减小，不管距离远近，高度的高低，波形变化都不明显。

关键词：FDTD;地闪回击;电场分布;波形变化

中图分类号：P427.35 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）24-0004-03

Abstract： The spatial calculation model is established， and the finite-difference time-domain （FDTD） method is used to calculate and analyze the space electromagnetic field of lightning return stroke by MATLAB programming. The results show that with the increase of the distance from the lightning return stroke channel， the amplitude of the vertical electric field weakens obviously， and the waveform also has obvious changes; at a distance， the waveform shows obvious abnormal changes; with the increase of height， the amplitude of the vertical electric field becomes smaller and the waveform slows down， but the characterization is more obvious when the distance is closer; the amplitude of the horizontal electric field is much smaller than that of the vertical electric field at the same distance， and the electric field weakens significantly with the increase of height and distance， and the shape of the curve tends to be smooth; except that the amplitude of the radial magnetic field decreases with the increase of distance， regardless of the distance and the height， the waveform change is not obvious.

Keywords： FDTD; ground lightning return stroke; electric field distribution; waveform change

引言

闪电是较为常见的一种强对流天气现象，其电磁辐射也被称作闪电电磁脉冲（LEMP）对微电子设备常常造成损害，研究者们对LEMP在架空电线或电缆的耦合效应展开了很多研究[1-2]，并发现其实闪电回击电磁场在空间传播时存在一定的规律，且受地物的影响[3-5]，这却是提高闪电探测技术和分析的重要一环。传统的有限差分法[6]是利用网格剖分将求解区域离散化为网格和节点，以差分原理为基础，以各离散点上函数的差商来近似替代该点的偏导数，把要求解的边值问题转化为一组相应的差分方程问题，面向高频电磁场的传输、辐射、散射和透入等工程问题的需求，高频电磁场的传输基于麦克斯韦方程组中旋度方程直接转化为了差分方程的时域有限差分（FDTD）。……