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Spectrum儀器8通道數(shù)字化儀系統(tǒng)助力閃電研究

發(fā)布時間:2024-02-21 來源:Spectrum儀器 責任編輯:admin

中國北京,2024年2月21日訊 —— 閃電發(fā)生的過程極其復雜,目前仍存在很多謎團。在美國北卡羅來納州杜克大學任職的Cummer教授及其團隊試圖揭開這層神秘的面紗。閃電經(jīng)常發(fā)生在不透明的云層中,使其成因變得更加神秘。值得慶幸的是,閃光發(fā)生時能夠在UHF和VHF頻率范圍內產(chǎn)生無線電波,這就為研究人員研究閃電帶來了極大的便利。然而,在閃電發(fā)生前和發(fā)生時有大量的數(shù)據(jù)需要被處理和記錄,這也為研究人員的工作帶來了巨大的挑戰(zhàn)。因此,科學家們選擇了Spectrum儀器提供的ADC卡來解決這一棘手的問題。Cummer教授及其團隊的主要研究目的是了解閃電的成因,避免其對建筑物造成損壞。與此同時,研究人員還希望通過此次研究,了解氣候變化是否會導致雷暴天氣數(shù)量的變化。



杜克大學電子與計算機工程教授Steven A. Cummer表示:“幾年前,還沒有一款儀器能夠獲取和處理如此大體量的數(shù)據(jù)。在活躍的雷暴天氣,我們通常每小時記錄的數(shù)據(jù)都在1TB以上。因而,我們在記錄設備中使用了兩個Spectrum儀器提供的4通道M4i.4451-x8數(shù)字化儀卡。這兩個設備是通過Spectrum儀器的Star-Hub連接,使我們能夠同時從八個天線記錄數(shù)據(jù)。Star-Hub能夠實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完美同步,這對我們使用天線構建干涉儀至關重要。通過不同天線發(fā)出信號之間的微小時差,我們就可以計算出每次閃電時間的位置,最遠可達到50公里。這些ADC卡每個通道的采樣率都可達到500MS/s,方便我們收集所需的數(shù)據(jù),14位分辨率也能確保我們獲取全部的微弱信號。”



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兩個完全同步的M4i.4451-x8被應用于閃電研究


閃電發(fā)生前重要一秒



Cummer教授研究的一部分集中在閃電剛剛開始前和之后的時刻。閃電一旦形成,它的結構就很容易被了解。這是一個長達數(shù)百米的熱電離氣體的傳導通道。他解釋道:“我們所面臨的挑戰(zhàn)是如何在閃電開始之前獲取數(shù)據(jù)。如果只依靠閃電的光學數(shù)據(jù),幾乎不可能獲得事件發(fā)生前的數(shù)據(jù)。但是現(xiàn)在,我們可以通過Spectrum儀器的設置獲得閃電發(fā)生前的數(shù)據(jù)??ㄆ軌虺掷m(xù)記錄數(shù)據(jù),對于不需要的數(shù)據(jù)則會被新的記錄所覆蓋。閃電事件是一個觸發(fā)器,它不僅能夠記錄事件下一秒的數(shù)據(jù),還能保留事件發(fā)生前一秒的數(shù)據(jù)。因為這些數(shù)據(jù)一直被記錄在內存卡中,除非事件被觸發(fā),否則這些數(shù)據(jù)不會被存儲下來。每張卡的內存高達2GS,存儲空間足以為我們捕捉到每秒幾百兆的信號樣本,并將它寫在SDD上。完成后,系統(tǒng)會迅速重置以記錄下一個閃電事件的數(shù)據(jù)。這對于從暴風雨中獲取數(shù)據(jù)至關重要,因為閃電每隔幾秒就會出現(xiàn),并持續(xù)幾小時?!?/p>



Cummer教授表示他是通過Spectrum儀器提供的SBench6測試軟件來實現(xiàn)對這個8通道系統(tǒng)的控制和編程。他補充道:“整個過程非常簡單,在研究項目我們也無需從頭開始創(chuàng)建特殊的軟件程序?!?/p>



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站在八個接收天線其中之一前的Cummer教授



閃電伽馬輻射



Cummer教授及其團隊所研究的另一謎團是為什么有些閃電事件會產(chǎn)生高能伽馬輻射,而有些則不會。這種情況大約是在30年前被發(fā)現(xiàn)的。衛(wèi)星上的伽馬射線探測器接收到了來自地球的信號,而科學家們原本以為這些信號只能來自外太空。雷暴中的伽馬射線是在閃電開始時產(chǎn)生的。因此,在這個研究項目中獲得的事件前數(shù)據(jù),將幫助物理學家們理解這種伽馬射線的產(chǎn)生。



閃電分析案例



帶有天線的8通道系統(tǒng)雖然能夠自由移動,但該系統(tǒng)目前的使用地點被固定在了位于達勒姆的杜克大學。在2019年4月12日21時24分40秒(UTC),這里的閃電分析被記錄下來。值得注意的是,整個閃電發(fā)生在風暴云中,因此只能看到漫射云。但是,通過VHF無線電測量獲取了下圖所示的完整結構。得益于方位角和仰角,天空中的每個位置都清晰可見。閃電的時間順序可以在視頻鏈接 (https://spectrum-instrumentation.com/videos/lightning.mp4)中的48秒視頻中看到。該視頻慢動作播放了持續(xù)1秒的閃電。視頻中的每個點都是從閃電中檢測和定位的不同射電源。當所有這些點一起顯示時,這些點清晰的勾勒出了閃電事件的空間和時間結構。


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Steven Cummer教授與Yunjiao Pu博士有關深入分析閃電事件的論文,請點擊此處



關于Spectrum儀器


Spectrum儀器公司成立于1989年,采用獨特的模塊化理念設計和生產(chǎn)了200余款數(shù)字化儀和發(fā)生器產(chǎn)品,其中包括PC卡(PCIe和PXIe)以及獨立的以太網(wǎng)設備(LXI)。在過去30年間,Spectrum的客戶遍布全球,旗下產(chǎn)品也被用于眾多行業(yè)領軍企業(yè)和知名大學。Spectrum儀器總部位于德國漢堡附近,旗下產(chǎn)品均享受5年質保以及來自工程師團隊的卓越服務。更多詳情,請訪問公司官網(wǎng)www.spectrum-instrumentation.com


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