基于高速摄像观测的闪电光学图像数值分析

李卫平，许 伟，任照环，赵生昊，何 静

（1.重庆市防雷中心，重庆 401147；2.重庆市气象安全技术中心，重庆 401147）

闪电通常伴随着强对流天气过程的发生，表现为云内、云间、云地之间的长距离放电现象。绝大部分云-地闪电启动于云内并向下传播，最终与地面突出物尖端启动的连接先导相接，形成下行正地闪或下行负地闪。闪电过程伴随着强烈的发光现象，对闪电通道光学特征进行分析通常能揭示闪电放电过程的更多细节特征，如闪电通道结构、梯级先导传播速度、路径、传播模式、回击速率和距离、连续电流、M 分量等。目前对闪电光学特征的研究一般基于条纹相机、ALPS（Automatic Lightning Progression feature observation System）、高速数字化摄像系统等[1-2]。

大约80%以上的负地闪由两个或两个以上的回击组成，有三分之一到二分之一的闪电产生两个或两个以上的接地点，单通道单回击闪电较为少见。基于高速摄像机拍摄的闪电光学资料，文献[3]分析了自然闪电梯级先导过程的二维传播速度和通道发光强度随时间的演化；文献[4]对回击的相对发光总量和回击前的先导平均发展速度相关性进行了研究；文献[5]对先导、回击、连续电流和M 分量的发光特征进行了分析。该文以2019 年8 月7 日在重庆陈家坪雷达楼架设的高速摄像机记录到的一次闪电击中高层建筑物的过程为研究对象，分析了单通道单回击下行负地闪的闪电通道光学特征，特别是对回击前先导发展模式、闪电分枝发展情况、回击瞬间电荷转移过程、回击后的连续电流及M 分量特征等进行了研究，探讨了闪电光学资料数值分析方法，为闪电观测及雷电防护工作提供了有价值的参考。

1 观测设备和数值分析方法

文中使用的闪电观测拍摄器材为日本Photron公司生产的Fastcam SAX M2 高速摄像机，镜头为Nikon AF50 1.4d，该设备采用12 bit 黑白C-MOS 图像传感器，支持最高拍摄速度为324 000 fps、最高分辨率为1 024×1 024 像素。高速摄像机拍摄时的基本参数如表1 所示。高速摄像机常态下处于待机状态，由触发装置对闪电进行检测，若检测到闪电即发出触发信号，启动高速摄像机对闪电通道进行连续拍摄并将数据存储于PC 上[6]。系统各装置之间的连接关系如图1 所示。8 月7 日17∶11，摄像系统记录了701 幅闪电通道图像，闪电持续时间约为35 ms。

图1 闪电通道拍摄装置连接图

高速摄像机记录的图像数据为1 024×760 像素的灰度图，灰度图像是一种具有从黑到白256 级灰度色阶的单色图像，图像中的每个像素用8 位数据表示，数值大小从黑到白为0～255。该文对闪电通道图像的数值分析方法主要有背景噪声消除、对数变换、图像叠加、闪电通道发光亮度积分等[7-8]，主要使用的数值分析工具为Matlab R2020b 及Photron FASTCAM Viewer。

背景噪声消除：为了消除背景噪声，将无闪电通道的若干幅图像矩阵A1～An相加后取平均值记为，并与有闪电通道的图像矩阵进行减法运算即可消除背景噪声，其运算过程为：

对数变换：闪电先导过程及连续电流后期的图像亮度较小，而回击瞬间的亮度值较高，两种情况均不利于对细节特征的发现，对数变换可以将图像的低灰度值部分进行扩展，显示出低灰度部分更多的细节，同时将高灰度部分进行压缩，减少高灰度部分对细节的掩盖，从而达到图像整体细节更为均匀的目的，其变换方法为：

将处理后的图像所有像素点的灰度值相加，即进行时域离散积分运算，可以得到闪电通道的相对发光亮度积分，M 分量过程的所有图像亮度积分相加即得到M 分量相对发光总量，先导过程、连续电流过程相对发光总量计算方法同上。积分运算如下：

为了计算闪电通道先导长度、回击速度等参数，使用摄像机与雷击点相对位置距离、摄像机垂直和水平视场角，利用三角函数即可简单地推导出图像上每一像素点代表的二维长度δ，则可计算闪电通道的二维长度（距离），如式（5）所示，同时可计算出二维速率。

2 分析过程和结果

对照ADTD 闪电定位资料，闪电发生的经纬度为E106.51°，N29.52°，强度为-33.9 kA，是一次单通道单回击的下行负地闪，接地点为重庆市渝中区某高层建筑。对回击发生前所有图像像素矩阵叠加后输出，闪电先导通道如图2（a）（此处对图像亮度进行了增强）所示。可以看出，除主放电通道外，回击发生前先导通道依次发展出了四个主要分枝（Branch），为了方便分析，以高速摄像机被触发开始拍摄的时间为0 时刻，分别将四个分枝按照生成发展的时间顺序依次标记为Branch1（+150 μs）、Branch2（+1 650 μs）、Branch3（+2 700 μs）和Branch4（+4 600 μs），其中，Branch1 发展过程中与主放电通道在视觉上交叉后继续向下发展；Branch2 的发展距离最长且在末端出现三个子分枝；Branch3 向下发展过程中出现两个子分枝；Branch4 出现后向右下方发展，与Branch3 在视觉上交叉后继续向右下方发展。主放电通道在接近地面时出现三个较短分枝，其中，最左侧的分枝首先与地面建筑物相接并最终发展成为主放电通道，回击发生在+6 500 μs 时刻，通道发光亮度积分在+6 550 μs 时达到峰值。主放电通道的二维长度为1 199 m，二维发展速度约为2.4×107m·s-1。闪电通道发光亮度在+6 600 μs 时降为峰值的50%左右，推测回击脉冲半峰值时间约为100 μs。文献[9]对闪电回击速度、半峰值时间研究报道数据分别为2.0×107～2.0×108m·s-1、10～250 μs，这次观测相关数据在其报道数据范围内。值得注意的是，如图2（b）所示，先导通道叠加图像和回击瞬间图像非常相似，说明回击瞬间除主放电通道在云-地之间转移大量电荷外，部分电荷也沿先导预先击穿的分枝通道发生了云-空转移，导致分枝先导通道出现较亮的发光。但Branch1 在回击前与回击瞬间有一处较明显的区别，主要表现在回击发生前，Branch1 为向下发展且距离较长，发展的终点超越Branch4 出现位置后继续向下并出现分枝，但在回击瞬间，Branch1 的生成位置出现了两个发光较亮的短分枝，分别记为Branch1.1 和Branch1.2。对比先导通道叠加图像可以发现，在梯级先导发展过程中，在这两个短分枝相应位置短暂出现了发光较暗的先导通道，随着Branch1 的发展，其亮度逐渐变暗并消失，直至回击瞬间这两个短分枝亮度突然增强。发生该现象可能的原因是：在先导发展过程中，电荷在Branch1.1 和Branch1.2 发生云-空转移持续的时间较短，通道发光亮度也迅速减弱，但预先击穿的通道并未随着发光减弱而消失，所以在回击瞬间，仍有部分电荷沿着Branch1.1 和Branch1.2 转移导致通道发光。在+6 600 μs 时刻，Branch1 再次出现了较亮发光，表明电荷并没有继续沿着Branch1.1 和Branch1.2 这两个短分枝转移，而是从Branch1 发生了云-空转移，如图2（c）所示。

图2 回击前后闪电通道对比图

2.1 先导发展过程分析

将闪电通道中相应分枝图像与高速摄像机所有照片进行“与”运算，即可得到具有时序特征的主通道及各分枝梯级先导发展时序图，从而可以单独对主通道或分枝的先导发展情况进行分析。对各通道发光亮度进行积分，可以较为直观地对其发光特征进行对比分析。回击发生前各分枝发光亮度积分对比曲线如图3 所示，可以看出，在回击发生前，各分枝积分曲线呈锯齿状并随时间推移有逐步增加的趋势，与梯级先导的发展特征相吻合，即“梯级前进&先导通道头部发光亮度较高”。由于Branch2在视觉上未与任何其他分枝或主放电通道交叉，截取Branch2 在+4 650～+5 650 μs 共1 000 μs 的先导通道照片进行对比（为使图像更加便于观察，对闪电通道亮度进行了增强[10-11]），如图4 所示。可以很明显地看出，先导通道头部亮度最大，尾部亮度较暗。随时间发展，通道长度变化趋势为逐渐变长，反映在亮度积分曲线上为其峰值的逐步增加。可以看出，积分曲线能较直观地反映出先导通道发光亮度变化。

图3 闪电通道分枝发光亮度积分曲线对比

图4 +4 650～+5 650 μs Branch2先导通道发展过程

从发光亮度积分数值来看，各分枝先导通道发展过程中亮度积分峰值基本在1 000～4 000 μs 之间，这可能是梯级先导在发展过程中电荷转移数量方面无量级上的明显突变。图3中Branch1在+5 000～+5 650 μs时段内出现了明显超过趋势的连续尖峰，原因是分枝向下发展过程中与主通道在视觉上交叉导致亮度积分值过高。

很多学者都对闪电主放电通道先导的发展速率进行了研究，但对分枝的梯级先导发展速率的报道较为少见。在此次观测中，摄像机与雷击点距离为2.5 km，镜头视场角为46°，利用三角函数可以简单地推导出图像上每一像素点代表的垂直和水平长度δ均为2 m。对相邻图像的先导头部像素之间的距离进行统计，利用欧氏距离公式计算出两点间的距离，则主放电通道总长为1 199 m，每相邻图像时间间隔为50 μs，从而求得各分枝及主放电通道先导传播的二维速率如表2 所示，平均速率介于2.04×105～2.58×105m·s-1之间，最大速率介于4.56×105～5.72×105m·s-1之间。文献[12]报道的正极性和负极性地闪先导的平均速率量级为105m·s-1；文献[1]对四个闪电梯级先导传播速率进行了分析，得出有分枝闪电梯级先导的传播速率0.1×105m·s-1～3.9×105m·s-1；文献[13]分析了19 个下行负闪电梯级先导的传播速率范围在0.6×105～11.0×105m·s-1之间。表2 列出的主通道及四个分枝的梯级先导传播速率与文献[8]报道的数据非常接近，且主放电通道梯级先导与分枝通道梯级先导之间的最大速率、平均速率无显著差别，表明在这次观测中，梯级先导在主放电通道和分枝通道中的二维速率基本一致。需要说明的是，由于该处计算的速率为二维速率，所以最小速率往往取决于拍摄速度及图像分辨率，就此次观测而言，如果相邻图像之间先导头部只相差一个像素的位置即2 m，则计算出来的最小速率为0.4×105m·s-1，正如表2 中Branch2、Branch3 所反映，但这并不代表梯级先导真实速率如此，最大速率往往更能反映真实情况。

表2 主放电通道及分枝二维速率对比

2.2 连续电流过程光学特征分析

利用高速摄像图像计算连续电流的发生时刻及持续时间，是基于闪电通道在流过电流时发光的假设，即假定闪电通道亮度的变化与流过通道的电流变化成比例[14]。据此，对高速摄像机拍摄照片中的闪电通道发光亮度进行时域离散积分运算，得到闪电通道相对发光亮度积分及其变化曲线，为了反映整个积分曲线的变化情况，纵轴数据为以10 为底的对数，如图5 所示。由于此次记录为单回击闪电，所以连续电流的持续时间为回击脉冲之后直到通道不再发光为止。一般来讲，根据持续时间的长短将连续电流过程分为三类[15]：①长连续电流过程，即持续时间大于40 ms。②短连续电流过程，即持续时间在10～40 ms 范围内。③持续时间为10 ms 以下的为极短连续电流过程。此次地闪回击脉冲结束至通道不再发光共持续571 幅照片，即连续电流持续时间为28.5 ms，为短连续电流过程，持续时间落在了Saba等讨论的所谓负回击的“拒绝区域”，即峰值电流大于20 kA 的负回击从来没有超过40 ms 的连续电流[16]。在回击脉冲之后，发光亮度积分经历了较长时间的衰减，且衰减曲线基本为条一直线，如不考虑M 分量的影响，则相对发光亮度积分变化趋势为幂级数衰减至0，该特征与文献[17]报道的利用人工引雷中出现的连续电流波形特征之一相符。

图5 闪电通道相对发光亮度积分曲线

2.3 M分量光学特征分析

一般把连续电流上叠加的电流脉冲称为M 分量。M 分量首次被Fisher 等在1993 年对负极性触发闪电的电流直接测量中研究，Campos 等在观测负闪电报道中指出平均每个连续电流有5.5 个M 分量。假定亮度与闪电通道电流直接成比例，对回击脉冲之后的闪电通道发光亮度进行积分，从图6 中可以明显发现在此次闪电连续电流之上叠加了三个M 分量，分别记为M1、M2、M3，其最大发光亮度积分分别为1.78×106、8.23×106、4.20×106，三者之间在数量级上无显著差别，亮度积分最大为M2 分量，与回击脉冲发光亮度积分最大值相差约10 倍；三个M 分量的持续时间、时间间隔及光学特征等参数如表3 所示。文献[18]报道的闪电M 分量的持续时间几何平均值、时间间隔几何平均值分别为0.9 ms、2.1 ms，表2 所列数据较之偏小。同时应该注意到，M3 分量是叠加在M2 分量之上的，如果将其看成是一个M 分量，则其持续时间应该更长，约为1.8 ms，非常接近文献[11]的报道数据[19-22]。

图6 M分量发光亮度积分曲线

表3 M分量光学特征对比

3 结论

1）基于闪电通道亮度的变化与流过通道的电流的变化成比例，利用高速摄像图像亮度积分对闪电通道发光特征进行数值化分析，初步探讨了单通道单回击闪电放电主通道、先导通道的发展过程，对连续电流及三个M 分量进行了分析，探讨了闪电光学图像数值分析方法，为闪电观测及雷电防护工作提供了有价值的参考。

2）回击发生前的先导发展通道叠加图像与回击瞬间图像基本一致，回击瞬间电荷除沿主放电通道发生云-地转移外，还沿预先击穿的分枝发生云-空转移。积分曲线能直观地反映出主放电通道、闪电分枝先导头部发光亮度变化，从发光亮度积分数值来看，梯级先导在发展过程中电荷转移数量方面无量级上的明显突变；主放电通道与分枝的二维传播速率无显著差别，平均速率介于2.04×105～2.58×105m·s-1之间，最大速率介于4.56×105～5.72×105m·s-1之间。

3）这次观测到的连续电流持续时间为28.5 ms，为短连续电流过程，相对发光亮度积分总量表现为幂级数衰减。三个M 分量的持续时间、时间间隔偏小，峰值较小的M 分量可能会叠加在峰值较大的M分量之上。