运用量子遗传算法反演雷暴云电荷结构的研究

张 宇，陈加清，苏满堂，杨 杰（解放军理工大学气象海洋学院，雷电防护与电子伪装实验室，南京，210000）



运用量子遗传算法反演雷暴云电荷结构的研究

张 宇，陈加清，苏满堂，杨 杰
（解放军理工大学气象海洋学院，雷电防护与电子伪装实验室，南京，210000）

摘要：本文采用量子遗传算法结合三圆盘模型对雷暴云电荷结构进行反演.结果表明：利用量子遗传算法可以很好地对雷暴云电荷结构以及大气电场仪和雷暴云的距离进行反演，在对电荷的反演中发现电荷结构的准确性在大气电场仪距离雷暴云5000-6000m时达到峰值，这种方法实施仅利用地面大气电场资料进行反演，相比于飞机穿云探测简单方便，利用量子遗传算法根据大气电场仪资料就可以对雷暴云电荷结构和距离进行比较准确的反演.

关键词：雷暴云电荷结构；反问题；量子遗传算法

0　引言

雷暴带来的闪电及其闪电带来的电磁脉冲对人类生活造成了严重危害，因此对雷暴云电荷结构进行反演和定位有利于我们对其进行提前预警，对研究雷电物理及其效应也有很大帮助.利用高时空分辨率的闪电甚高频辐射源定位来推断参与闪电放电的云内电荷源的位置.对闪电定位的方法主要有如时间差法和门控磁脉冲定向法以及利用雷达对雷暴云进行定位，但这些方法无法反演雷暴云内部电荷结构.所以我们选取了利用地面电场观测数据对雷暴云电荷结构进行反演的方法。

1　方法和模型

1.1量子遗传算法

1.1.1量子编码

在量子遗传算法中，使用了一种新的基于量子比特的编码方式，即用一对复数定义一个量子比特位，一个具有m个量子比特位的系统可以描述为

1.2三层带电圆盘模型

假设雷云中典型的从上到下正负正三级荷电结构可以用相应极性的带电圆盘来模拟.空间中的总场描述为：

不同的反演方法即确定具体的解空间搜索原则，使目标函数趋于极小值，得到模型参数的近似最优解。

3　量子遗传算法反演验证

利用模拟得到雷暴云电荷结构，计算出距离雷暴云m的大气电场的值，运用计算出的值采用量子遗传算法进行反演。

首先根据三圆盘模型，计算出大气电场变化的值，取hp=8000m， hB=6500m， pp=0.2nC·m-3， pn=0.05nC·m-3，a=1000m， al=1000m.计算得到的地面大气电场值的数量级在103-104V·m-1.在雷暴边缘处第三类椭圆积分函数有奇异，我们对这部分结果进行了rlowess插值处理。

我们利用得到的结果，选取R=1000 m，R=3000 m，R=5000 m，R=7000 m时的大气电场值利用量子遗传算法进行反演.反演采用三层带电圆盘模型，设遗传代数为200。

表1　利用量子遗传算法反演出的不用距离的参量Table 1 Parameters of the inversion of thundercloud

R（m）为雷暴云到测站之间的距离，E（V/m）表示该距离的地面大气电场强度，分别表示利用量子遗传算法反演出来的两个圆盘之间的大气电荷密度hp 、hB分别表示两个圆盘的高度.

由上式我通过三层带电圆盘模型我们得到图6，图6蓝色实线表示标准值，蓝色点线表示R=2000时的反演值，‘--’线表示R=4000时的反演值，绿色实线表示R=6000m时的反演值，红色实线表示R=8000m时的反演值，由此我们可以看出由在距离6000 m的时候反演值和真实值最接近，准确性由R=6000 m，R=4000 m，R=2000 m，R=8000 m依次递减.

4　结论

证明了雷暴云电荷结构反演的可行性和精确性.并总结得出了以下规律.

（1）三层带电圆盘结构能够对雷暴云电荷结构进行很好的模拟，但是存在在雷暴边缘处第三类椭圆积分函数有奇异的问题，该问题主要通过插值法解决.

（2）量子遗传算法能够通过量子编码和量子旋转门对种群进行更新，相比于遗传算法具有求解速度更快，解的稳定性更强，能够跳出局部最优值等优点.

（3）在对电荷的反演中我们发现电荷结构的准确性在大气电场仪距离雷暴云5000-6000 m时达到峰值，精确性在低于或高于5000-6000 m都开始降低.

上述结果可以应用于实际，利用大气电场仪所得的地面电场资料，对雷暴云电荷结构进行反演，从而得到大气电荷结构的空间分布。

参考文献

［1］ Qie X S， Zhang Q L， Yuan T， Zhang T L 2013 Lightning Physics（Beijing： Science Press） p18 （in Chinese） ［郄秀书，张其林，袁铁，张廷龙 2013 雷电物理学（北京：科学出版社） 第18页］

［2］ Qie X S， Zhou Y J， Yuan T 2003 Acta Phys. Sin.Chinese Journal of Geophysics46 743 （in Chinese）［郄秀书，周筠珺，袁铁 2003 地球物理学报 46 743］

［3］ Han Y Q， Zhong Z， Wang Y F， Du H D 2013 Acta Phys. Sin. （4） 530 （in Chinese）［韩月琪，钟中，王云峰，杜华栋2003 物理学报 （4） 530］

Research on the inversion of 3 dimension simulation of thundercloud based on quantum genetic algorithm*

Zhang Yu，Chen Jiaqing，Su Mantang，Yang Jie
（PLA Univ.of Sci.& Tech.，National Key Laboratory of Science and Technology on Electromagnetic Effects and Electro-optical Engineering，Nanjing，211101，China）

Abstract：In this paper，the quantum genetic algorithm is used to inverse the structure of thundercloud charge with the Three-level electrostatic model of thunderstorm cell，and we simulate the charge structure of thunderstorm cloud to verify the quantum genetic algorithm based on Meso-NH model.The results show that: the use of quantum genetic algorithm can inverse the thundercloud charge structure and the distance between electric-field at ground and thundercloud efficiently，this method used only electric-field data，comparing to the plane through the cloud detection this method is simple and convenient.

Keywords：thundercloud charge structure；quantum genetic algorithm；inversion