大气电场是大气电学的基本参数,晴天时地面具有垂直向下的大气电场,雷暴天气时地面大气电场显著增强。大气电场信号的特征研究对雷电预警、闪电机理分析、保障航空航天活动顺利进行等具有重要的意义。大气电场信号具有非平稳信号的特征。利用现代非平稳信号处理手段分析雷暴电场,为雷电预警和雷暴云荷电结构研究提供新的思路。本文的主要研究内容和结论包括:(1)以新型FPGA器件Artix-7为核心,结合传感和调理、宽带放大、单端转差分、高速采集、北斗定位等模块设计了大气电场探测系统。软核Microblaze实现数据处理和控制;(2)研究非平稳信号处理手段分析大气电场信号特征的方法,采用Hilbert-Huang变换分别提取了晴天和雷暴天气的固有模态分量和Hilbert二维谱,发现晴天的电场IMF分量振荡均匀且幅值较小,以长振荡周期为主,频率稳定;雷暴天气的IMF分量幅值出现脉冲状的变化,以短周期振荡为主。基于此,提出基于大气电场幅值和Hilbert能量谱的联合雷电预警方法,结合江苏省闪电定位系统的监测数据,进行了实验分析,结果表明预警概率有一定提高,雷电提前预警时间约31min。(3)针对目前雷暴云荷电模型的研究多为数值模拟的问题,研究了基于实测大气电场数据反演雷暴云荷电模型参数的方法。基于球对称电荷模型,采用量子遗传算法非线性反演了雷暴云的荷电量、电荷与观测点的距离。实验结果表明荷电结构呈偶极性,混合算法(QGA＿fmincon)很好地解决了量子遗传算法对初值的依赖性。