观测的主要对象是雷云对地放电。观察方法主要采取野外大面积观测和建立固定的雷电观测站两种。

主要有示波器和录波仪、分流器和感应线圈、磁钢棒、高速摄影机和数字化高速摄像系统、雷电定位系统等。

记录雷电流波形的仪器。雷电流波形使用存储深度很长的示波器或录波仪进行记录。

分流器主要用于针式观测塔的雷电流测量。感应线圈除用于针式观测塔外，还常用于电视塔等大塔体的雷电流测量。中国电力系统也在大量的输电线路杆塔上安装基于感应线圈、数字采样系统与远程通信传输系统的雷电流参数观测系统。

利用剩磁测定雷电流幅值和极性的磁性材料棒。采用不易饱和、矫顽磁力大和涡流损耗小的铁磁材料制作，常用的由阿尔尼合金粉（铝15%、镍24%、铜4%、铁57%）与环氧粉压制而成。

用磁钢棒测量流经载流导体（例如避雷针、避雷线）的雷电流时，可将它放在载流导体的附近（图1）。磁钢棒的一端涂以红色标记，安装时这一端指向统一规定的方向。当幅值为的雷电流通过载流导体时，磁钢棒处的最大磁场强度（）为：

式中为磁钢棒和载流导体间的距离。雷电流流过之后，磁钢棒上保持的剩磁由磁钢棒处的最大磁场强度和磁钢棒的磁化曲线决定。检测磁钢棒的剩磁即可推算出雷电流的幅值，检查磁钢棒红色端的极性即可决定雷电流的极性。磁钢棒红色端的极性可用指南针来检查，造成磁钢棒剩磁的雷电流值可用正切检磁计法或交流退磁法来确定。磁钢棒的测量误差为±10%～±20%。

图1 用磁钢棒测量流经载流导体的雷电流

用来拍摄快速发展的光学过程照片的摄影机，是研究雷电发展过程的重要工具之一。过去广泛采用的机械式高速摄影机，从结构上可分为鼓轮型和转镜型，从拍摄功能上可分为轨迹记录（扫描）式和连续分幅式。对于雷电这种不可控的自然现象，高速摄影机是以等待方式工作的，即在一定的范围内摄影机的快门始终开启，记录可从任何瞬间开始。

①鼓轮型（图2）。胶片固定在鼓轮内表面，接成环形。当鼓轮高速旋转时，离心力使胶片紧贴鼓轮，转速的极限取决于鼓轮的强度，其最高旋转线速度可达100米/秒，拍摄频率达每秒10⁵幅。波依斯相机具有两套固定的三棱镜与透镜，可在胶片上形成闪电AB的两个像。当鼓轮高速旋转时，由A向B发展的放电前沿将在胶片上形成逆着鼓轮旋转方向倾斜的扫描轮廓，根据轮廓的斜率可求出放电发展的速度。连续分幅式的鼓型相机可以形象地记录雷电完整的发展过程，其光路比波依斯相机复杂。为了形成尽可能清晰的闪电整体分幅照片，在画幅曝光时间内，像与胶片间要相对静止，这就必须采取补偿措施。鼓轮型相机广泛应用反射镜补偿，被摄目标的像经一系列透镜后在一个转速为鼓轮的整数倍的多面体反射镜上形成中间像，再经过中继透镜系统在胶片上形成相对静止的像。多面体反射镜既补偿了胶片运动，同时还起到光学快门的作用。

图2 鼓轮型相机的工作原理

②转镜型（图3）。胶片固定在某一位置，光线经透镜系统进入相机，由反射镜反射到胶片上。当反射镜依箭头方向旋转时，反射角同时发生变化，胶片上的感光点随之移动。旋转反射镜（转镜）的转动惯量很小，又可通过抽真空等办法减少阻力，其旋转速度比鼓轮型高得多。由图3可见，反射光线的旋转角速度为镜面旋转角速度的2倍，光线扫描速度可达50千米/秒，分幅拍摄频率达每秒10⁷幅以上。

图3 转镜型相机的工作原理

除上述两种高速拍摄机外，有些国家还使用旋转胶片的高速摄影机，这种高速摄影机的胶片是环形的，其最高旋转线速度为50米/秒。

采用最新的感光技术及数字处理技术，可以拍摄高达100万幅/秒的数字化图像序列。这种数字化高速摄像系统采用CMOS作为感光器件，结合高速数字转换系统，实现图像的数字化，并采用DSP等高速数据处理系统实现图像的压缩、转储与传输。

在雷电工程技术领域应用最广泛的手段。20世纪70年代末期由美国科学家提出并实现。它是一套全自动、大面积、高精度、实时雷电监测系统，能实时遥测并显示地闪的时间、位置、雷电流峰值和极性、回击次数以及每次回击的参数，雷击点的分时彩色图能清晰地显示雷暴的运动轨迹。它主要由探测站、中心站、用户系统3部分构成（图4）。此外，通信系统是其重要支撑环节。

图4 雷电定位系统示意图

①探测站是雷电地闪信号的采集、识别、处理、时钟标定及发送单元，主要由电磁场天线、雷电波形识别及处理单元、高精度晶振及GPS时钟单元、通信、电源及保护单元构成，它测定地闪电磁辐射场的特征量并输出每次回击到达的时间、方向、相对信号强度等，并将原始测量数据实时发送中心站。

②中心站是数据处理及系统控制中心，负责雷电探测信息接收、定位计算、数据处理、存储管理以及系统各单元之间的协调控制，采用时差和方向综合定位模型解算出地闪的时间、位置、雷电流峰值和极性、回击次数等参数信息。

③用户系统是将雷电信息与电网、地理信息等融合一体的计算机软件系统，终端用户具备客户/服务器网络系统、网站式开放型用户终端、掌上式用户终端等多种用户模式。

LLS是采用多个探测站同时测量雷电LE/VLE电磁辐射场，剔除云闪信号，对地闪定位。典型地闪和云闪放电的磁场波形如图5所示。地闪和云闪的主要区别在于：①地闪有明显的波前突变R，并在R之后出现主峰P1，次峰P2、P3…，一般小于P1；云间放电没有R突变，有多个波前次峰。②对地放电没有或仅有很小的负过冲。当脉冲形状逻辑判别电路接收的磁场信号满足上升时间为1～24微秒、峰值之后20微秒之内不改变极性、20微秒之内次峰不大于1.25倍主峰时，则信号可确认为对地放电而被接收。

图5 典型地闪和云闪放电的磁场波形

LLS的多站典型定位方法有定向法、时差法和综合定位法三种。

①定向法。地闪磁场辐射波穿过探测站的正交框形天线，在南北与东西方向天线（对应X-Y轴）产生的磁场强度分别为和，由，即可求得雷击点相对探测站的方位角。当A点发生雷云对地雷击，方向探测站S1、S2分别测定雷电方位角，由三角定位原理可计算出雷击点A的位置，较多观测量可平差求最优值并估计误差（图6）。

图6 定向法定位原理

②时差法。探测站中新增高精度同步时钟，可测量雷电波到达时刻，精度达0.1微秒级。图7中A、B、C代表探测站，设P为地闪位置。探测站A、B、C分别测定雷电波到达时间，计算出雷电波到达各探测站的时间差，，，每2站都有一时间差及对应的距离差，构成一条双曲线，雷击发生在这条双曲线上的某一点。两条双曲线的交点P即为雷击点，而P′是两条双曲线另一个数学解，即伪雷击点。4个站及以上系统能剔出P′，可平差求最优值并估算精度。

图7 时差法定位原理

③综合定位法。将定向法与时差法二者综合起来，在一个站上同时获取方向和时间观测量。它可增加观测量，提高精度，解决某些特殊问题（如剔除P′）。综合定位法是当前使用最广的方法，中国电网90%以上的雷电定位系统均采用综合定位法。

人工引雷试验观测指在雷暴环境下利用一定的装置和设施，人为在某一指定地点触发闪电并进行的观察。1960年美国最早实现人工引雷，之后法国、日本和中国等国家也相继成功实现了人工引雷。世界上著名的人工引雷场有美国佛罗里达大学的户外引雷场、中国甘肃兰州和广州从化引雷试验观测场。

雷电观测站是集中多种仪器对雷云放电进行观察并直接测量和遥感测量的场所。有固定和移动两种。观测内容包括观察雷云起电和雷云放电的物理现象，测量雷电流的波形、陡度、幅值和极性等多种雷电参数。

具有代表性的观测站有美国纽约帝国大厦观测站、瑞士圣萨尔瓦托山观测站、南非观测站、莫斯科电视塔观测站和中国石榴岗观测站。

①美国纽约帝国大厦观测站。建于1939年，高380米。第一次使用凹孔放电管示波器和磁钢棒测量雷电流波形和幅值。在780米远处使用波依斯旋转照相机拍摄雷云放电发展过程。拍摄的照片首次展示了由楼顶发展起来的向上先导引发的上行雷。

②瑞士圣萨尔瓦托山观测站。位于北纬45°59′、东经8°57′，标高914米，1943年建成第一个60米高的木质塔，1958年改用等高的无线电发射塔。1950年建成第二座90米高的铁塔。在两个塔上均装设了响应时间为16纳秒的分流器和分辨率为0.5微秒的专用阴极射线示波器。1950年采用8架莱卡照相机进行全视野夜间照相。1967年采用电场仪记录电场变化。从1946～1974年共记录到1786次雷电流示波图，拍摄了清晰的放电发展过程的照片，首先发现了脉冲正电流雷电。

③南非观测站。位于南纬25°50′、东经28°0′的一座小山上，1973年建立一座60米高的绝缘塔。塔下安装有阴极射线示波器，照相机和电视摄影机均在远处用甚高频无线电设备遥控进行观测。用电视摄影廉价地获得大量雷云放电发展过程的资料，可用以确定雷云放电的一般特性。

④莫斯科电视塔观测站。位于北纬55°45′、东经37°40′，塔高537米，用感应线圈和示波器测量雷电流。建站以后的四个半雷季中，遭雷击143次，平均每年32次，有一次雷暴中遭12次雷击。观测结果表明所遭受的雷击主要特征是：多数雷击为上行雷，其中一部分雷击起始于塔下方12～36米处，有2次雷击打在塔顶下方200～300米；高大塔体具有吸引雷击的效果，即除塔体本身吸引雷击外，距塔体1000米之内比1000～3000米内的对地放电数要多。

⑤中国石榴岗观测站。1960年建于中国广东省广州市东南郊的石榴岗，站上建有高45米木质塔一座，在塔顶装有总长约2500米的环形直击雷接收网，环形面积约350000平方米。用分流器和阴极射线示波器记录雷电流波形，用磁钢棒记录雷电流幅值和沿辐射接地体的电流分布，用电容分压器测量塔顶电位，用旋转照相机拍摄放电发展过程，还装有水平天线电场仪和框形天线磁场仪。6年观测期间雷击塔体5次。