闪电的成因复杂，至今仍不清楚。在美国北卡罗来纳州杜克大学，库默教授的团队试图解开这些秘密。闪电通常完全发生在不透明的云层中，因此无法看到发生了什么。然而，闪电也会产生超高频和甚高频频率范围内的无线电波，可以对其进行捕捉和研究。所面临的挑战是，需要在闪光事件发生前和发生期间的几秒钟内处理和记录大量数据。科学家们选择了光谱仪器公司的 ADC 卡来应对这一挑战。这项研究的目的是了解闪电是如何形成的，利用这些知识更好地保护建筑物免受破坏，同时了解气候变化是否会导致闪电风暴增多或减少。
两台 M4i.4451-x8 数字转换器同步用于闪电研究
杜克大学电气与计算机工程系教授 Steven A. Cummer 解释说："几年前，还没有任何东西能够捕捉和处理所涉及的海量数据。在活跃的雷暴期间，我们经常需要每小时记录超过 1 TeraByte 的数据。我们选择了具有四个通道的仕必纯 M4i.4451-x8 数字转换器卡，并在记录设备中使用了其中两个通道。它们通过仕必纯的 Star-Hub 连接，使我们能够同时从八个天线进行录音。Star-Hub 可确保一切完全同步，这一点至关重要，因为我们使用这些天线组成了一个干涉仪。通过不同天线上信号之间的微小时间差，我们就能计算出每次闪电事件的位置，最远可达 50 公里。采集卡每个通道的采样率为每秒 500 兆采样，可以收集到我们所需的大量数据，14 位的分辨率确保我们能够捕捉到所有微小的信号。
闪电发生前的重要一秒
库默尔教授的研究部分集中在闪电开始之前和之后的瞬间。我们已经了解闪电形成后的结构--它是一条长达数百米的热电离气体导电通道。"一个挑战是，我们试图在闪电开始之前捕捉数据。如果依靠对闪电的光学数据捕捉，这种事件前数据几乎是不可能获得的，因为没有简单的方法从时间上收集这些数据"，他解释说。"但现在，有了基于频谱的设置，我们就能获得闪电前的数据。存储卡不断记录数据，然后在不需要时进行覆盖。闪电事件是一个触发器，不仅能记录下一秒的数据，还能保留事件发生前几分之一秒的数据。每张卡的内存容量为 2 千兆采样，足以捕捉每秒几百兆采样的信号，然后将其写入 SDD。这样，系统就能迅速复位，记录下一个闪电事件的数据。这对于捕捉暴风雨中的数据至关重要，因为在暴风雨中，每隔几秒钟就会发生一次闪电，持续数小时。"关于 8 通道系统的软件，Cummer 教授评论说，他使用仕必纯的测量软件 SBench 6 来控制和编程这些卡。"他说："这个软件非常容易使用，而且功能多样，在这个项目中不需要花时间从头开始创建专门的软件程序。
Cummer 教授在装置中的八根天线之一前
闪电伽马辐射
库莫尔教授和他的团队正在研究的另一个谜团是，为什么有些闪电事件会产生高能伽马辐射，而有些则不会。这种情况大约在 30 年前就被发现了。卫星上的伽马射线探测器接收到了来自地球的信号，而科学家们认为这些信号只应该来自深空。雷暴中的伽马射线是在闪电开始时产生的，因此这个项目收集到的事件前数据将使物理学家能够了解这种伽马射线的产生。
闪电分析实例
带有天线的 8 频道系统可以四处移动，但到目前为止，它一直在杜克大学的一个固定地点运行。世界协调时 2019 年 4 月 12 日 21 时 24 分 40 秒，这里分析的闪电被记录下来。值得注意的是，整个闪光发生在暴风云内，因此只能看到被漫射光照亮的云层。但是，通过甚高频无线电测量，可以捕捉到整个结构，如图所示。
有了方位角和仰角，天空中的每一个位置都清晰可见。从链接的 48 秒视频中可以看到闪电的时间顺序，该视频以慢动作的方式显示了持续 1 秒的闪电。视频中的每一个点都是闪电中不同的无线电信号源。当这些点组合在一起时，就形成了一部非常清晰的闪电事件时空结构影片。
视频链接：
https://spectrum-instrumentation.com/videos/lightning.mp4
Steven Cummer 教授和蒲云蛟博士的这篇研究论文深入分析了这一闪电事件：
https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2019GL085635
关于光谱仪器公司
仕必纯仪器公司（Spectrum Instrumentation）成立于 1989 年，采用独特的模块化理念，设计并生产了 200 多种数字转换器和信号发生器产品，包括 PC 卡（PCIe 和 PXIe）和独立以太网单元（LXI）。30 年来，仕必纯的客户遍布全球，其中包括许多 A 级行业领先企业和几乎所有著名大学。公司总部位于德国汉堡附近，以 5 年质保和直接来自设计工程师的出色支持而闻名。有关仕必纯的更多信息，请访问：https://spectrum-instrumentation.com。
