具体实施方式

现在将描述某些示例性实施方案，以从整体上理解本文所公开的装置和方法的结构、功能、制造和用途的原理。这些实施方案的一个或多个示例已在附图中示出。本领域的普通技术人员将会理解，在本文中具体描述并示出于附图中的装置和方法为非限制性的示例性实施方案，并且本申请的多个实施方案的范围仅由权利要求书限定。结合一个示例性实施方案示出或描述的特征可与其他实施方案的特征进行组合。这种修改和变型旨在包括在本申请的范围之内。

本说明书通篇提及的“多个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“实施例”等，意味着结合该实施例描述的具体特征、结构或特性包括在至少一个实施例中。因此，本说明书通篇出现的短语“在多个实施例中”、“在一些实施例中”、“在至少另一个实施例中”或“在实施例中”等并不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，具体特征、结构或特性可以任何合适的方式进行组合。因此，在无限制的情形下，结合一个实施例示出或描述的具体特征、结构或特性可全部或部分地与一个或多个其他实施例的特征、结构或特性进行组合。这种修改和变型旨在包括在本申请的范围之内。

本申请中使用了流程图用来说明根据本申请的一些实施例的系统所执行的操作。应当明确理解，流程图的操作可以不按顺序来精确地执行。相反，这些操作可以以相反的顺序或同时执行。而且，可以将一个或多个其他操作添加到流程图。一个或多个操作可以从流程图中移除。

本申请提供一种计算地闪准静电场能量的方法，下面结合具体实施例对本申请进行详细描述。

图1示出了本申请实施例一种计算地闪准静电场能量的方法流程示意图。

在步骤101中，接收地闪的电磁信号。

在一些实施例中，所述接收地闪的电磁信号之前，还包括：通过地闪定位系统确定地闪发生位置。

在一些实施例中，地闪定位系统包括闪电定位仪。其中，闪电定位仪又称雷电监测定位仪，是指利用闪电回击辐射的声、光、电磁场特性来遥测闪电回击放电参数的一种监测雷电发生的自动化的气象探测设备，它可检测雷电发生的时间、位置、强度、极性等。人们一直在致力于闪电探测设各与雷暴灾害早期检侧、预报技术和方法的研究。

需要说明的是：地闪的电磁信号通常是指雷电的磁场波形。

在步骤102中，将所述电磁信号传输至处理器进行处理，得到处理后的电磁信号。

在一些实施例中，所述将所述电磁信号传输至处理器进行处理，包括：通过对所述电磁信号进行数模转换、噪音和滤波处理。

在一些实施例中，所述电磁信号通过无线通信模块传输至所述处理器。

其中，滤波(Wave filtering)是将信号中特定波段频率滤除的操作，是抑制和防止干扰的一项重要措施。

在步骤103中，通过时域有限差分法FDTD，计算脉冲响应函数。

在一些实施例中，所述脉冲响应函数为地球-电离层空腔中1kHz以内远距离磁场传播的脉冲响应函数。

在一些实施例中，时域有限差分法(Finite-DifferenceTime-Domain,FDTD)是电磁场计算领域的一种常用方法。其基本思想是用中心差商代替场量对时间和空间的一阶偏微商，通过在时域递推模拟波的传播过程，从而得出场分布。FDTD直接离散时域波动方程，不需要任何形式的导出方程，故不会因为数学模型而限制其应用范围。它的差分格式中包含有介质的参量，只须赋予各网格相应的参量，就能模拟各种复杂的结构，这是时域有限差分法的一个突出优点。另外，由于时域有限差分法采用步进法进行计算，故能很容易地实现各种复杂时域宽带信号的模拟，而且可以非常方便地获得空间某一点的时域信号波形。

在步骤104中，通过将所述处理后的电磁信号与所述脉冲响应函数进行反卷积，得到地闪电流矩波形。

在一些实施例中，所述处理的电磁信号与所述冲击响应函数进行反卷积，所述反卷积的具体表达式为：

其中，为雷电远距离水平磁场，CM(τ)为待求解的地闪回击电流矩，h(τ)为系统响应函数。

在一些实施例中，通过分析所述地闪的电流矩波形，得到地闪回击电流矩。在一些实施例中，所述脉冲响应函数为地球-电离层空腔中1kHz以内远距离磁场传播的脉冲响应函数。

需要注意的是：当接收到的雷电磁场波形与脉冲响应的波形相差较大时，说明该放电对于所研究频段不能视为脉冲型放电，这时需要利用反卷积技术从观测到的远场波形中反演雷电的电流矩波形。

其中，地球-电离层空腔中1kHz以内远距离磁场传播的脉冲响应函数的求解方法具体为：

系统的脉冲响应为输入单位脉冲函数(迪克拉函数δ)时的输出。理想的单位脉冲响应仅在零点处有值，而在其余非零点处的值都为0，但在实际中并不存在这样的函数，往往用积分为1的窄脉冲来替代该函数。根据单位脉冲响应的定义，单位脉冲函数在整个定义域上的积分应为1。对于本申请而言，当电流矩CM(τ)的积分(即电荷矩)为1C·km时可视为单位脉冲电流矩。因此，当FDTD中加入的电流矩随时间积分的电荷矩为1C·km时，求出的远场波形即为地球-电离层波导腔系统的脉冲响应函数(或称之为格林函数)。

图2示出了本申请实施例中求解脉冲响应时所使用地闪的电流矩波形示意图。

根据单位冲激响应的定义，单位冲激函数在整个定义域上的积分应为1，当脉冲电流矩的积分(即电荷矩)为1C·m时可视为单位脉冲电流矩。因此，当FDTD中加入的电流矩波形的脉冲宽度远小于1ms且其电荷矩为1C·m时，求出的远场波形即为地球-电离层波导系统的单位冲激响应，如图1所示。其中，在图1中，其脉冲宽度远小于1ms。

电离层状态在一次地闪放电尺度内可视为恒定不变，尽管雷电产生的强电磁脉冲或准静电场可以在中高层大气产生电离层电子密度扰动和电子温度的扰动，但是这些扰动仅分布在电离层中的局部位置，对远距离大范围、小于1kHz频段雷电电磁场传播的影响可以忽略。因此，整个地球-电离层波导腔可假定为线性时不变系统。该系统的输入为地闪源的电流矩，输出为远距离地闪电磁场。因此，远距离观测到的小于1kHz的地闪回击水平磁场为地闪电流矩与系统响应函数的卷积，即：

其中，为雷电远距离水平磁场，CM(τ)为待求解的地闪回击电流矩，h(τ)为系统响应函数。

在步骤105中，通过对所述电流矩波形进行时间积分，得到地闪准静电场能量。

在一些实施例中，通过对所述电流矩波形进行时间积分，得到地闪准静电场能量。其中，地闪准静电场能量通常是根据地闪放电电荷矩确定。

在一些实施例中，通过本申请提供方法得到的地闪电流矩波形相当于真实地闪电流矩的低通滤波结果。但是，根据低通滤波的特性，低通滤波后波形对时间的积分结果与原始波形的积分结果相差较小，因此利用1kHz以内QTEM波反演雷电放电电荷矩是合理的。

需要说明的是：根据对脉冲响应函数敏感性的分析可知，脉冲响应的波形与电离层电子密度分布密切相关。一天中电离层的状态随着时间而改变，模拟的脉冲响应与实际电离层条件下的脉冲响应存在一定的差异，这种差异是导致通过本申请方法得到的地闪电荷矩与真实地闪放电电荷矩之间差异的主要原因。

图3示出了本申请实施例中一次负地闪放电在1442km处产生的水平横向磁场波形示意图。

在一些实施例中，通过取自陆高鹏等人网上公开的雷电磁场波形数据集，利用本申请方法得到地闪脉冲电荷矩与数据集中给出的结果进行对比，验证本申请方法的可靠性，如图3所示。其中，探测站位于Duke Forest(35.971°N，-79.094°E)，甚低频磁天线的带宽为50Hz-30kHz，蓝色线条为对甚低频磁天线测量到的波形进行500Hz低通滤波后波形。利用申请方法模拟典型夜间条件下观测距离为1442km时的脉冲响应，将脉冲响应经过500Hz低通滤波并将幅值扩大455倍得到红色曲线。通过对比可以看出，模拟的波形在波头部分与实测波形十分吻合。因此，可以得到该地闪放电500Hz以内的电荷矩约为-455C·km，且放电尺度远小于2ms(500Hz对应的周期)。而数据集中利用ULF频段磁天线数据反演得到的地闪脉冲电荷矩为-459C·km，再次验证了通过本申请提供方法得到的结果的可靠性。

需要注意的是：通过本申请提供方法得到的结果和观测的结果在波尾部分的差异主要由于模拟中采用的电离层E层电子密度与实际电离层电子密度之间的差异导致。

此外，除非权利要求中明确说明，本申请所述处理元素和序列的顺序、数字字母的使用、或其他名称的使用，并非用于限定本申请流程和方法的顺序。尽管上述披露中通过各种示例讨论了一些目前认为有用的发明实施例，但应当理解的是，该类细节仅起到说明的目的，附加的权利要求并不仅限于披露的实施例，相反，权利要求旨在覆盖所有符合本申请实施例实质和范围的修正和等价组合。例如，虽然以上所描述的系统组件可以通过硬件设备实现，但是也可以只通过软件的解决方案得以实现，如在现有的服务器或移动设备上安装所描述的系统。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

针对本申请引用的每个专利、专利申请、专利申请公开物和其他材料，如文章、书籍、说明书、出版物、文档等，特此将其全部内容并入本申请作为参考。与本申请内容不一致或产生冲突的申请历史文件除外，对本申请权利要求最广范围有限制的文件(当前或之后附加于本申请中的)也除外。需要说明的是，如果本申请附属材料中的描述、定义、和/或术语的使用与本申请所述内容有不一致或冲突的地方，以本申请的描述、定义和/或术语的使用为准。