Spectrum儀器8通道數(shù)字化儀系統(tǒng)助力閃電研究

中國(guó)北京，2024年2月21日訊 —— 閃電發(fā)生的過(guò)程極其復(fù)雜，目前仍存在很多謎團(tuán)。在美國(guó)北卡羅來(lái)納州杜克大學(xué)任職的Cummer教授及其團(tuán)隊(duì)試圖揭開(kāi)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(shí)能夠在UHF和VHF頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生無(wú)線(xiàn)電波，這就為研究人員研究閃電帶來(lái)了極大的便利。然而，在閃電發(fā)生前和發(fā)生時(shí)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(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。因此，科學(xué)家們選擇了Spectrum儀器提供的ADC卡來(lái)解決這一棘手的問(wèn)題。Cummer教授及其團(tuán)隊(duì)的主要研究目的是了解閃電的成因，避免其對(duì)建筑物造成損壞。與此同時(shí)，研究人員還希望通過(guò)此次研究，了解氣候變化是否會(huì)導(dǎo)致雷暴天氣數(shù)量的變化。

杜克大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程教授Steven A. Cummer表示:“幾年前，還沒(méi)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(shí)記錄的數(shù)據(jù)都在1TB以上。因而，我們?cè)谟涗浽O(shè)備中使用了兩個(gè)Spectrum儀器提供的4通道M4i.4451-x8數(shù)字化儀卡。這兩個(gè)設(shè)備是通過(guò)Spectrum儀器的Star-Hub連接，使我們能夠同時(shí)從八個(gè)天線(xiàn)記錄數(shù)據(jù)。Star-Hub能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的完美同步，這對(duì)我們使用天線(xiàn)構(gòu)建干涉儀至關(guān)重要。通過(guò)不同天線(xiàn)發(fā)出信號(hào)之間的微小時(shí)差，我們就可以計(jì)算出每次閃電時(shí)間的位置，最遠(yuǎn)可達(dá)到50公里。這些ADC卡每個(gè)通道的采樣率都可達(dá)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(hào)?！?/p>

閃電發(fā)生前的重要一秒

Cummer教授研究的一部分集中在閃電剛剛開(kāi)始前和之后的時(shí)刻。閃電一旦形成，它的結(jié)構(gòu)就很容易被了解。這是一個(gè)長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的熱電離氣體的傳導(dǎo)通道。他解釋道：“我們所面臨的挑戰(zhàn)是如何在閃電開(kāi)始之前獲取數(shù)據(jù)。如果只依靠閃電的光學(xué)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(guò)Spectrum儀器的設(shè)置獲得閃電發(fā)生前的數(shù)據(jù)。卡片能夠持續(xù)記錄數(shù)據(jù)，對(duì)于不需要的數(shù)據(jù)則會(huì)被新的記錄所覆蓋。閃電事件是一個(gè)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?yàn)檫@些數(shù)據(jù)一直被記錄在內(nèi)存卡中，除非事件被觸發(fā)，否則這些數(shù)據(jù)不會(huì)被存儲(chǔ)下來(lái)。每張卡的內(nèi)存高達(dá)2GS，存儲(chǔ)空間足以為我們捕捉到每秒幾百兆的信號(hào)樣本，并將它寫(xiě)在SDD上。完成后，系統(tǒng)會(huì)迅速重置以記錄下一個(gè)閃電事件的數(shù)據(jù)。這對(duì)于從暴風(fēng)雨中獲取數(shù)據(jù)至關(guān)重要，因?yàn)殚W電每隔幾秒就會(huì)出現(xiàn)，并持續(xù)幾小時(shí)?！?/p>

Cummer教授表示他是通過(guò)Spectrum儀器提供的SBench6測(cè)試軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)這個(gè)8通道系統(tǒng)的控制和編程。他補(bǔ)充道：“整個(gè)過(guò)程非常簡(jiǎn)單，在研究項(xiàng)目我們也無(wú)需從頭開(kāi)始創(chuàng)建特殊的軟件程序?！?/p>

閃電伽馬輻射

Cummer教授及其團(tuán)隊(duì)所研究的另一謎團(tuán)是為什么有些閃電事件會(huì)產(chǎn)生高能伽馬輻射，而有些則不會(huì)。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(xiàn)探測(cè)器接收到了來(lái)自地球的信號(hào)，而科學(xué)家們?cè)疽詾檫@些信號(hào)只能來(lái)自外太空。雷暴中的伽馬射線(xiàn)是在閃電開(kāi)始時(shí)產(chǎn)生的。因此，在這個(gè)研究項(xiàng)目中獲得的事件前數(shù)據(jù)，將幫助物理學(xué)家們理解這種伽馬射線(xiàn)的產(chǎn)生。

閃電分析案例

帶有天線(xiàn)的8通道系統(tǒng)雖然能夠自由移動(dòng)，但該系統(tǒng)目前的使用地點(diǎn)被固定在了位于達(dá)勒姆的杜克大學(xué)。在2019年4月12日21時(shí)24分40秒（UTC），這里的閃電分析被記錄下來(lái)。值得注意的是，整個(gè)閃電發(fā)生在風(fēng)暴云中，因此只能看到漫射云。但是，通過(guò)VHF無(wú)線(xiàn)電測(cè)量獲取了下圖所示的完整結(jié)構(gòu)。得益于方位角和仰角，天空中的每個(gè)位置都清晰可見(jiàn)。閃電的時(shí)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(dòng)作播放了持續(xù)1秒的閃電。視頻中的每個(gè)點(diǎn)都是從閃電中檢測(cè)和定位的不同射電源。當(dāng)所有這些點(diǎn)一起顯示時(shí)，這些點(diǎn)清晰的勾勒出了閃電事件的空間和時(shí)間結(jié)構(gòu)。

Steven Cummer教授與Yunjiao Pu博士有關(guān)深入分析閃電事件的論文，請(qǐng)點(diǎn)擊此處。

關(guān)于Spectrum儀器

Spectrum儀器公司成立于1989年，采用獨(dú)特的模塊化理念設(shè)計(jì)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(dú)立的以太網(wǎng)設(shè)備（LXI）。在過(guò)去30年間，Spectrum的客戶(hù)遍布全球，旗下產(chǎn)品也被用于眾多行業(yè)領(lǐng)軍企業(yè)和知名大學(xué)。Spectrum儀器總部位于德國(guó)漢堡附近，旗下產(chǎn)品均享受5年質(zhì)保以及來(lái)自工程師團(tuán)隊(duì)的卓越服務(wù)。

審核編輯 黃宇