Spectrum仪器8通道数字化仪系统在闪电研究方面具有重要的应用价值

发布日期:2024-02-26     269 次

2024年2月21日讯 —— 闪电发生的过程极其复杂,目前仍存在很多谜团。


在美国北卡罗来纳州杜克大学任职的Cummer教授及其团队试图揭开这层神秘的面纱。闪电经常发生在不透明的云层中,使其成因变得更加神秘。值得庆幸的是,闪光发生时能够在UHF和VHF频率范围内产生无线电波,这就为研究人员研究闪电带来了极大的便利。然而,在闪电发生前和发生时有大量的数据需要被处理和记录,这也为研究人员的工作带来了巨大的挑战。因此,科学家们选择了Spectrum仪器提供的ADC卡来解决这一棘手的问题。


Cummer教授及其团队的主要研究目的是了解闪电的成因,避免其对建筑物造成损坏。与此同时,研究人员还希望通过此次研究,了解气候变化是否会导致雷暴天气数量的变化。


杜克大学电子与计算机工程教授Steven A. Cummer表示:“几年前,还没有一款仪器能够获取和处理如此大体量的数据。在活跃的雷暴天气,我们通常每小时记录的数据都在1TB以上。因而,我们在记录设备中使用了两个Spectrum仪器提供的4通道M4i.4451-x8数字化仪卡。这两个设备是通过Spectrum仪器的Star-Hub连接,使我们能够同时从八个天线记录数据。Star-Hub能够实现数据的完美同步,这对我们使用天线构建干涉仪至关重要。通过不同天线发出信号之间的微小时差,我们就可以计算出每次闪电时间的位置,最远可达到50公里。这些ADC卡每个通道的采样率都可达到500MS/s,方便我们收集所需的数据,14位分辨率也能确保我们获取全部的微弱信号。”

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两个完全同步的M4i.4451-x8被应用于闪电研究


闪电发生前的重要一秒


Cummer教授研究的一部分集中在闪电刚刚开始前和之后的时刻。闪电一旦形成,它的结构就很容易被了解。这是一个长达数百米的热电离气体的传导通道。他解释道:“我们所面临的挑战是如何在闪电开始之前获取数据。如果只依靠闪电的光学数据,几乎不可能获得事件发生前的数据。但是现在,我们可以通过Spectrum仪器的设置获得闪电发生前的数据。卡片能够持续记录数据,对于不需要的数据则会被新的记录所覆盖。闪电事件是一个触发器,它不仅能够记录事件下一秒的数据,还能保留事件发生前一秒的数据。因为这些数据一直被记录在内存卡中,除非事件被触发,否则这些数据不会被存储下来。每张卡的内存高达2GS,存储空间足以为我们捕捉到每秒几百兆的信号样本,并将它写在SDD上。完成后,系统会迅速重置以记录下一个闪电事件的数据。这对于从暴风雨中获取数据至关重要,因为闪电每隔几秒就会出现,并持续几小时。”


Cummer教授表示他是通过Spectrum仪器提供的SBench6测试软件来实现对这个8通道系统的控制和编程。他补充道:“整个过程非常简单,在研究项目我们也无需从头开始创建特殊的软件程序。”

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站在八个接收天线其中之一前的Cummer教授



闪电伽马辐射


Cummer教授及其团队所研究的另一谜团是为什么有些闪电事件会产生高能伽马辐射,而有些则不会。这种情况大约是在30年前被发现的。卫星上的伽马射线探测器接收到了来自地球的信号,而科学家们原本以为这些信号只能来自外太空。雷暴中的伽马射线是在闪电开始时产生的。因此,在这个研究项目中获得的事件前数据,将帮助物理学家们理解这种伽马射线的产生。



闪电分析案例


带有天线的8通道系统虽然能够自由移动,但该系统目前的使用地点被固定在了位于达勒姆的杜克大学。在2019年4月12日21时24分40秒(UTC),这里的闪电分析被记录下来。值得注意的是,整个闪电发生在风暴云中,因此只能看到漫射云。但是,通过VHF无线电测量获取了下图所示的完整结构。得益于方位角和仰角,天空中的每个位置都清晰可见。闪电的时间顺序可以在视频链接 (https://spectrum-instrumentation.com/videos/lightning.mp4)中的48秒视频中看到。该视频慢动作播放了持续1秒的闪电。视频中的每个点都是从闪电中检测和定位的不同射电源。当所有这些点一起显示时,这些点清晰的勾勒出了闪电事件的空间和时间结构。

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