雷电是大气中最剧烈的放电现象，可导致电力崩溃、通讯中断、交通瘫痪、森林火灾及油库化工厂爆炸等，其引发的直接和次生灾害每年在全球范围内造成数万人伤亡，严重威胁社会经济发展和生态安全。然而，对雷电的精细探测和深入了解有很大的难度。雷电发生具有极强的瞬时性和时空随机性，一次雷电持续时间通常不超过1秒，期间包含空气击穿、梯级先导、直窜先导、回击、反冲先导等多时空尺度放电子过程，这些过程的发展速度达10⁴ m/s到10⁸ m/s量级，对观测系统的时空精细分辨能力和信息精准解析能力有着极高的要求。长期以来，国际上雷电射频定位或成像系统大多局限于单一频段探测，难以同时兼顾宽频段覆盖、超高时空分辨率与偏振信息获取，制约了人们对雷电始发与放电物理机制的认识，以及对雷暴天气的精准预报。

　　在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目（批准号：42027803）资助下，中国科学院大气物理研究所郄秀书研究员团队突破了上述技术瓶颈。团队创新将FPGA（现场可编程门阵列）技术应用于雷电高精度、高分辨率探测，攻克宽频段高信噪比、大动态范围、双偏振矢量探测等关键技术难题，研制出覆盖甚低频至甚高频、多频段互补、多物理量协同的宽频带高信噪比探测仪以及基于FPGA的高速数据采集与实时处理器。团队还发展了到达时间差法、电磁时间反转和甚高频干涉成像的多源数据融合定位算法，提出了非共面天线阵列设计和低仰角误差修正方案，并将偏振信息融入雷电射频成像。

　　项目研制的“基于FPGA的雷电射频三维成像系统”，实现了放电过程和通道可分辨的高精度三维动态精细探测和偏振成像，使雷电高精度精细探测水平实现跨越式提升：低频段成像时间分辨率达微秒量级、空间定位精度达40米；甚高频段分布式测站间的时间同步精度达纳秒量级、成像时间分辨率达亚微秒量级、空间定位精度达米级。通过构建低频段与甚高频段协同的宽频带探测体系，既能刻画大尺度放电过程，又可分辨精细放电通道结构，有效弥补了国际上单一频段雷电成像系统的不足。相关成果已获国家发明专利授权11项。

　　目前系统已实现从实验室样机向野外稳定运行装备的工程化转化，在华北平原、青藏高原和内蒙古等地示范应用，取得了一系列重要科学发现，包括首次观测到闪电负先导通道上的侧向再放电现象、首次在高海拔地区观测到反三极性电荷结构雷暴云等。该系统可为雷电和强雷暴临近预警业务提供重要技术支撑，并可为星载闪电成像仪提供高精度地基验证。该系统的成功研制显著提升了我国雷电高分辨率探测技术水平，为雷电和雷暴科学研究提供了新的探测手段，对增强灾害性强对流天气的防灾减灾能力具有重要意义。

图 基于FPGA的雷电射频三维成像系统。左：集成探测子站，包括覆盖不同频段的探测天线、FPGA高速采集和处理器和GPS/北斗授时时钟；中：一次多回击雷电的三维成像；右：一次双击地点雷电过程的三维成像