专利名称：雷发生位置标定装置以及雷发生地域推测方法
技术领域：
本发明涉及雷发生位置的标定和推测雷发生地域的技木。
背景技术：
如果雷云内的电荷持续分离、电场強度变大，则在作为绝缘体的大气中引起绝缘破坏，发生雷放电。雷放电产生于雷云中的正电荷与负电荷之间、雷云与其他雷云之间、雷云与大地之间等各种方向上。即，不仅在下方向，而且在横方向、上方向也产生雷放电。特别地，从雷云朝向大地的雷放电被称为落雷。雷云内以及雷云之间的放电的数量多于落雷的数量，也有其比约为10比I这样的报告。在落雷中，有雷云的负电荷向大地放电的负极性落雷、和雷云的正电荷向大地放电的正极性落雷。 在日本的夏季，负极性落雷的数量多于正极性落雷的数量，负的电荷的层比地面高7 IOkm左右。根据非专利文献1，落雷中的先导(上述电荷的发展)从雷云直至地上阶梯状地发展(梯级先导)，其ー步的长度是10 200m、速度约105m/s、时间间隔为30 125 μ sec。经验上已知该先导的发展伴随闪光和雷鸣。这些见解是通过非专利文献I记载的基于高速图像测量的落雷观测性研究而得到的。另外，还已知先导的发展是大气空间中的电荷移动，伴随该发展而放射电磁波。在非专利文献2以及专利文献I中公开了如下技术关注由雷的先导而放射的电磁波的、特别是VHF (Very High Frequency,甚高频)波带的脉冲状的电磁波,根据从配置为多个的天线接收到的各个电磁波之间的相位差，检测从该接收位置观察的朝向先导的位置的方向矢量(方位角和仰角)。但是，通过本测量方法得不到该接收位置至雷的位置即先导发展的位置的距离，以从多个观测地点得到的各个方位角以及仰角、即方向矢量的交点作为其发生位置(该方法被称为交会法)。在通过来自地上的图像测量光学地观测落雷现象的情况下，虽然以雷云与地上之间的落雷为对象的情况下适合，但对于雷云之间或者从雷云向上方发展的雷，雷云成为影子，在原理上难以得到其图像或者影像。另ー方面，根据非专利文献I以及专利文献I记载的方法，所关注的频带的电磁波还透射过雷云之间，所以还能够从地上观测成为雷云的影子的雷云之间或者从雷云向上方发展的雷的先导。专利文献I日本特开2001-4731号公报非专利文献I日本大気電気学会編、大気電気学概論、コロナ社200非专利文献2Takeshi Morimoto > Akimasa Hirata、Zen Kawasaki、TomooUshio、Akinori Matsumoto> Lee Jong Ho、“An Operational VHF Broadband DigitalInterferometer for Lightning Monitoring，，、IEEJ Trans. FM、Vol. 124、No. 12、2004、PP.1232-1238

发明内容
但是，不论哪个现有技术，如果雷发生位置与其观测位置的距离远离，则都难以实现该观测。在光学地观测落雷的情况下，通常，由于存在雷雨，所以随着直至观测位置的距离的延长，难以观察其闪光，难以正确地得到向雷发生位置的方向矢量。另外，电磁波在大气中的衰减随着频率的高频化而变得显著。虽然还基于落雷先导的强度，但认为该VHF波频带的电磁波的到达距离最大是IOkm左右。因此，在图像、影像观测、VHF波频带电磁波测量中的任意一个的情况下，为了观测几十km以上的宽范围的区域的雷发生位置，都需要某种手段。因此，本发明的课题在于提供一种能够在宽范围的区域中高精度地测定或者推测雷的活动状况、特别是其发生位置的技术。为了解决上述课题，推测雷的闪光、电磁波或者其他与雷的发生相伴的信号(例如还包括雷鸣等)的发生位置的本发明的雷发生位置测定系统包括多个雷放射观测装置(接收上述与雷的发生相伴的信号的物理量，输出向该雷的发生位置的方向矢量的测量装 置)和至少I个雷发生位置标定装置。雷放射观测装置在雷的观测对象的区域中配置有多个，经由接收元件接收从雷放射的信号，将表示从接收地点观察的信号的到来方向的方位角以及仰角、接收到该信号的时亥IJ、接收地点的位置信息、以及识别发送源的识别信息发送到上述雷发生位置标定装置。另外，上述雷发生位置标定装置从上述雷放射观测装置接收包括上述仰角的时间序列、上述方位角、上述时刻、上述识别信息、以及上述位置信息的观测数据，判定在从上述雷放射观测装置接收到的上述识别信息不同的上述仰角的时间序列的期间，该仰角的时间序列的时刻的间隔以及仰角的值是否类似，使用判定为类似的多个上述识别信息不同的上述观测数据(接收时刻、方位角以及仰角的时间序列)，标定雷的发生位置。根据本发明，能够提供一种能够在雷的宽范围的观测对象区域中高精度地标定或者推测雷的发生位置的技术。


图I是示出雷发生位置测定系统的结构例的图。图2是示出雷发生位置标定装置的功能例的图。图3是示出接收信息的一个例子的图。图4是示出判定仰角的时间序列的类似性的例子的图，(a)示出判定为类似的情况、(b)示出判定为不类似的情况。图5是示出标定雷的发生位置的处理的一个例子的图。图6是示出雷发生位置标定装置的处理流程的一个例子的图。图7是示出雷的发生位置的显示例的图。图8是示出雷放射观测装置的配置的一个例子的图。图9是示出变形例中的接收信息的一个例子的图。图10是示出变形例中的雷发生位置标定装置的存储部中存储的装置位置信息的一个例子的图。图11是示出变形例中的雷发生位置标定装置的处理流程的一个例子的图。
(符号说明)I :雷发生位置测定系统；10 :雷发生位置标定装置；13 :圆状的区域；21 :处理部；22 :通信部；23 :存储部；24 :类似判定部；25 :雷位置标定部；26 :雷预测部；60 :观测对象的区域；110 :雷放射观测装置；P :仰角；a :方位角。
具体实施例方式接下来，参照适当的附图，详细说明用于实施本发明的方式(以后，称为“本实施方式”)。(雷发生位置测定系统的结构)使用图I来说明本实施方式中的雷发生位置测定系统的结构例。如图I所示，本实施方式中的雷发生位置测定系统I包括雷发生位置标定装置10、以及经由网络11与雷发生位置标定装置10可通信地连接的雷放射观测装置110 (110a、IlObUlOc)。在雷的观测对象的区域配置有多个雷放射观测装置110。雷放射观测装置110通过具备使用了 360度方位照相机等的雷的闪光图像、影像观测单元、使用了无指向性麦克风等的雷鸣的检测单元、或者使用了天线等的从雷放出的电磁波的接收单元等，能够求出从观测地观察的向雷的发生位置的方向矢量(方位角a以及仰角0)。另外，雷放射观测装置110将方位角a以及仰角P的时间序列、该时间序列的时刻、以及观测地点的位置信息关联起来记录。另外，雷放射观测装置110在预先知道其设置位置的情况下预先存储位置信息。或者，雷放射观测装置110也可以具备GPS(Global Positioning System,全球定位系统)接收机(未图示)来取得位置信息。另外，雷放射观测装置110具备与其他雷放射观测装置110同步的时钟而取得时刻、或者具备GPS接收机而取得同步后的时刻。网络11的通信方式没有限定，既可以是有线也可以是无线。雷发生位置标定装置10使用从多个雷放射观测装置110经由网络11接收到的与雷发生位置的方向相关的信息，标定雷发生位置。另外，对于雷发生位置标定装置10，在后面详述。另外，在图I中，对于雷放射观测装置110，记载为3台，但不限于3台，而也可以是2台或者4台以上。在图I中，虚线所示的圆状的区域13用于在将设定到其中心的雷放射观测装置110配置于雷的观测对象的区域时，使该圆状的区域13覆盖该区域。对于该圆状的区域13，在后面详述。(雷发生位置标定装置)接下来，使用图2，说明雷发生位置标定装置10的功能例。如图2所示，雷发生位置标定装置10具备处理部21、通信部22、以及存储部23。通信部22从雷放射观测装置110接收与雷发生位置的方向相关的信息，将接收到的信息转送到处理部21。另外，接收到的信息至少如图3的接收信息301所示，是识别发送源的雷放射观测装置110的识别信息、设置有该雷放射观测装置110的位置信息(例如，纬 度经度等)、仰角P以及方位角a的时间序列、以及该时间序列的时刻。另外，处理部21将接收信息301存储到存储部23。另外，例如，在网络11是IPdnternet Protocol :因特网协议)网的情况下，图3所示的识别信息也可以是发送源的IP地址。另外，在能够根据发送源的IP地址取得雷放射观测装置110的位置的情况下，图3所示的位置信息不需要。相反地，如果位置信息能够代替识别信息，则识别信息不需要。返回图2,处理部21由未图不的CPU (Central Processing Unit,中央处理单兀)以及主存储器构成，将存储部23中存储的应用程序在主存储器中展开，具体化为后述的类似判定部24、雷位置标定部25、以及雷预测部26。类似判定部24判定在识别信息不同的仰角P 的时间序列之间，该仰角P的时间序列的时刻的间隔以及仰角P的值是否类似，即判定类似性。例如，图4是按照时间序列示意地描绘出方向矢量的仰角P (用□标记表示)的图。此处，图4(a)示出判定为仰角@的时间序列类似的情况。即，对于图4(al)所示的雷放射观测装置I IOa中的仰角P的时间序列，如果在规定的时间范围内使时刻稍微偏移，则与图4(a2)所示的雷放射观测装置IlOc中的仰角P的时间序列大致一致，仰角P的值的时间序列的倾向(例如，沿着时间序列连结仰角P的值而得到的线的形状)也类似。另外，在类似性的判定中，能够使用各种统计处理，没有特别限定，例如，也可以针对2个仰角P的时间序列求出相关系数，在是规定的值以上时判定为类似。另外，类似是指图4(al)以及图4(a2)所示的描绘(图4中的□标记)测定到从相同的雷放射的信号、即雷发生位置相同的情况。附带地，与图4(a2)的时刻t6附近的描绘对应的测定点在图4(al)中不存在。这表示雷发生位置稍微接近雷放射观测装置110c、远离雷放射观测装置110a，而未通过雷放射观测装置IlOa观测到的情形。在该描绘中，在进行统计处理的过程中处理为偏离值，能够根据类似性的判定去除。另外，图4(b)示出判定为仰角3的时间序列不类似的情况。即，对于图4(bl)所示的雷放射观测装置IlOa中的仰角P的时间序列的倾向(例如，按照时间序列连结仰角^的值而得到的线的形状)，即使使时刻偏移，也无法说与图4(b2)所示的其他观测地点处的仰角P的时间序列的倾向类似。即使假设仰角P的值的时间序列的倾向(例如，按照时间序列连结仰角P的值而得到的线的形状)一致，在超过规定的时间范围地时刻偏移的情况下，也能够判定为不同的雷。返回图2，雷位置标定部25使用由类似判定部24判定为类似的识别信息不同的2个以上的仰角P的时间序列、和与该仰角P的时间序列一起取得的方位角a的时间序列以及位置信息，标定雷发生位置。在标定雷发生位置时，从判定为类似的多个方向矢量中抽出2组方向矢量，以使它们的距离(虚线的长度)为最小的方式进行运算，求出其中点(假想的雷发生位置)(参照图5)。进而，对于其他2组方向矢量，也以使它们的距离(虚线的长度)为最小的方式进行运算，并计算中点。然后，计算所计算出的中点的位置(例如，纬度经度)的平均值，从而能够将该平均值的位置决定为雷发生位置。该方法的特征点在于，并非根据多个方向矢量总括地求出雷的发生位置，而是通过针对每2组循环地求出假想的雷发生位置，从而能够使用统计处理将导致推测位置极端不同的结果的方向矢量作为偏离值而排除。作为成为这样的偏离值的方向矢量的判定方法，例如有使用前面叙述的根据2组方向矢量得到的最小距离的方法。根据包括成为偏离值的方向矢量的2组方向矢量得到的最小距离相比于根据没有成为偏离值的2组方向矢量得到的最小距离，成为非常大的值，所以能够容易地判定成为偏离值的方向矢量。
雷预测部26从外部的服务器(未图示)等取得至少包括云的运动的气象信息数据(风速、风向、气温、气压等)，执行预测由雷位置标定部25标定的雷发生位置的移动，并推测雷发生地域的运算。存储部23存储上述的应用程序、从雷放射观测装置110接收到的信息(例如，接收信息301)、以及处理部21的处理结果等。另外，存储部23既可以内置于雷发生位置标定装置10，也可以外装于雷发生位置标定装置10。(雷发生位置标定装置的处理流程例)接下来，使用图6，说明雷发生位置标定装置10的处理流程例(适当参照图2)。在步骤S601中，处理部21的类似判定部24取得从雷放射观测装置110经由通信部22接收到的、仰角P以及方位角a的时间序列、该时间序列的时刻、识别信息、以及位置信息而作为观测数据。 在步骤S602中，处理部21的类似判定部24判定在识别信息不同的仰角P的时间序列之间，该时间序列的时刻的间隔以及仰角P的值是否类似。在步骤S603中，处理部21的雷位置标定部25使用由类似判定部24判定为类似的2个以上的仰角P的时间序列、和与该仰角P的时间序列一起取得的方位角a的时间序列以及位置信息，标定雷发生位置。此处，如果与雷的观测对象的区域60 —起示意地三维显示通过步骤S603标定的雷发生位置(□标记)的时间序列的一个例子，则如图7所示。图7中描绘出的多个雷发生位置表现图4(al)的描绘。另外，在图7中，水平面的宽度方向的轴表示纬度、纵深方向的轴表示经度、高度方向的轴表示高度。(雷放射观测装置的配置)接下来，使用图8，说明雷放射观测装置110的配置。如图8所示，在设定了雷的观测对象的区域60时，虚线所示的圆状的区域13被配置成覆盖观测对象的区域60。此处，覆盖并非是指覆盖建造物、山等阴影、隧道内等例外的全部场所，而是指包括作为观测对象的范围。另外，雷放射观测装置110被设定在圆状的区域13的中心。另外，图8示出将雷放射观测装置110设置于地上(包括大厦的屋顶)的固定的观测地点的情况。进而，雷放射观测装置110在具备GPS接收机116的情况下能够随时取得位置信息，所以也可以搭载于车辆、飞机、船等移动体。在移动体上搭载雷放射观测装置110的情况下，雷放射观测装置110根据移动体的行进方向校正方位角a，根据高度将仰角^校正为地上的数值，并发送到雷发生位置标定装置10。另外，如上所述，大多数雷放电在雷云内以及雷云之间发生，特别地，在飞机上搭载雷放射观测装置110来测定从雷放射的电磁波时，对提高标定雷发生位置时的精度是有效的。另外，如果在海上，则在船上搭载雷放射观测装置110来测定从雷放射的电磁波时，能够可靠地测定正接近陆地的雷云的移动，所以对提高推测雷发生地域时的精度是有效的。(变形例)在上述实施方式中，说明了雷发生位置标定装置10从雷放射观测装置110取得位置信息的情况，但在雷放射观测装置110被设置到地上的固定的观测地点的情况下，也可以不接收位置信息。以下，作为变形例，以与上述实施方式不同的点为焦点，说明雷发生位置标定装置10如图9所示地作为接收信息901从雷放射观测装置110接收识别信息、仰角^以及方位角a的时间序列、以及该时间序列的时刻的情况(适当参照图1、2)。另外，变形例中的雷发生位置测定系统以及雷发生位置标定装置的结构与上述的雷发生位置测定系统I以及雷发生位置标定装置10相同，所以使用相同的符号，并省略了它们的图示。在雷放射观测装置110被设置到地上的固定的观测地点的情况下，雷放射观测装置Iio的位置信息预先已知。即，雷发生位置标定装置10的存储部23存储有接收信息901、以及将识别信息和位置信息关联起来的装置位置信息1001 (参照图10)。另外，雷发生位置标定装置10中的处理流程如图11所示。在步骤SllOl中，处理部21的类似判定部24作为观测数据而取得经由通信部22从雷放射观测装置110接收到的仰角0以及方位角a的时间序列、时间序列的时刻、以及识别息。
在步骤S1102中，处理部21的类似判定部24判定在识别信息不同的仰角P的时间序列之间，该时间序列的时刻的间隔以及仰角P的值是否类似。在步骤SI 103中，处理部21的雷位置标定部25参照装置位置信息1001，求出与由类似判定部24判定为类似的2个以上的仰角P的时间序列的识别信息建立有关联的位置信息，并且使用判定为类似的2个以上的仰角P的时间序列、与该仰角P的时间序列一起取得的方位角a的时间序列、以及与识别信息关联起来的位置信息，标定雷发生位置。以上，本实施方式以及变形例中的雷发生位置测定系统I通过在各观测地点(设定有雷放射观测装置110的地点)测定到的仰角P的时间序列之间判定类似性，并使用判定为类似的仰角P、方位角a的时间序列、以及位置信息，能够高精度地标定雷发生位置。另外，将雷放射观测装置HO设定到具有规定的半径的圆状的区域13的中心，并配置成该圆状的区域13覆盖观测对象的区域60。这对于雷云内以及雷云之间的雷放电来说，对提高标定雷发生位置时的精度是有效的。另外，通过将雷放射观测装置110搭载到移动体，能够实现观测对象的区域60中的雷发生位置的推测、雷云的移动预测的精度提高。另外，雷发生位置标定装置10也可以构成为综合本实施方式记载的雷发生位置标定装置10的功能、和变形例记载的雷发生位置标定装置10的功能，而能够对应于从移动体的观测地点接收位置信息的情况以及不从固定的观测地点接收位置信息的情况这双方。
权利要求
1.一种雷发生位置标定装置，与多个雷放射观测装置经由网络可通信地连接，该多个雷放射观测装置发送表示从雷的观测地点观察的从雷放射的信号的到来方向的仰角以及方位角、接收到该信号的时刻、所述观测地点的位置信息、以及识别发送源的识别信息，所述雷发生位置标定装置的特征在于，具备 通信部，从所述雷放射观测装置接收包括所述仰角的时间序列、所述方位角、所述时亥IJ、所述识别信息以及所述位置信息的观测数据； 类似判定部，判定在从所述雷放射观测装置接收到的所述识别信息不同的所述仰角的时间序列之间，该仰角的时间序列的时刻的间隔以及仰角的值是否类似；以及 雷位置标定部，使用由所述类似判定部判定为类似的多个所述识别信息不同的所述观测数据，标定所述雷的发生位置。
2.根据权利要求I所述的雷发生位置标定装置，其特征在干， 所述雷位置标定部在由所述类似判定部判定为类似的多个所述识别信息不同的所述观测数据中，从由判定为类似的所述仰角和所述方位角构成的方向矢量中选择出2组方向矢量，求出它们的距离为最小时的中点，计算所计算出的所述中点的位置的平均值，将该平均值的位置标定为所述雷的发生位置。
3.根据权利要求I或者2所述的雷发生位置标定装置，其特征在干， 所述雷发生位置标定装置还具备雷预测部，该雷预测部根据至少包括云的运动的气象信息数据，预测由所述雷位置标定部标定的所述雷的发生位置的移动，并推测雷发生地域。
4.根据权利要求I 3中的任意一项所述的雷发生位置标定装置，其特征在干， 所述雷放射观测装置设置于具有规定的半径的圆状的区域的中心，所述圆状的区域配置成包括所述雷的发生位置的观测对象的区域。
5.一种雷发生位置标定装置，与搭载于移动体的雷放射观测装置经由网络可通信地连接，该雷放射观测装置向雷发生位置标定装置发送表示从雷的观测地点观察的从雷放射的信号的到来方向的仰角以及方位角、接收到该信号的时刻、从GPS即全球定位系统接收机取得的所述观测地点的位置信息以及识别发送源的识别信息，所述雷发生位置标定装置的特征在于，具备 通信部，从所述雷放射观测装置接收包括所述仰角的时间序列、所述方位角、所述时亥IJ、所述识别信息以及所述位置信息的观测数据； 类似判定部，判定在从所述雷放射观测装置接收到的所述识别信息不同的所述仰角的时间序列之间，该仰角的时间序列的时刻的间隔以及仰角的值是否类似；以及 雷位置标定部，使用由所述类似判定部判定为类似的多个所述识别信息不同的所述观测数据，标定所述雷的发生位置。
6.一种雷发生地域推測方法，是与多个雷放射观测装置经由网络可通信地连接的雷发生位置标定装置中使用的雷发生地域推測方法，该雷放射观测装置发送表示从雷的观测地点观察的从雷放射的信号的到来方向的仰角以及方位角、接收到该信号的时刻、所述观测地点的位置信息以及识别发送源的识别信息，所述雷发生地域推測方法的特征在干， 所述雷发生位置标定装置执行如下步骤 从所述雷放射观测装置接收包括所述仰角的时间序列、所述方位角、所述时刻、所述识别信息以及所述位置信息的观测数据的步骤；类似判定步骤，判定在从所述雷放射观测装置接收到的所述识别信息不同的所述仰角的时间序列之间，该仰角的时间序列的时刻的间隔以及仰角的值是否类似；以及 雷位置标定步骤，使用通过所述类似判定步骤判定为类似的多个所述识别信息不同的所述观测数据，标定所述雷的发生位置；以及 雷预测步骤，根据至少包括云的运动的气象信息数据，推測通过所述雷位置标定步骤标定的雷的发生位置的移动，推测雷发生地域。
全文摘要
本发明提供一种雷发生位置标定装置以及雷发生地域推测方法。在宽范围的区域中高精度地测定或者推测雷的发生位置。雷发生位置测定系统(1)包括雷放射观测装置(110)和雷发生位置标定装置(10)。多个雷放射观测装置(110)配置于雷的观测对象的区域，将包括表示雷的发生位置的方向的仰角以及方位角的时间序列、该时间序列的时刻、观测地点的位置信息、以及识别发送源的识别信息的观测数据发送到雷发生位置标定装置(10)。雷发生位置标定装置(10)接收观测数据，判定在识别信息不同的仰角的时间序列之间，该仰角的时间序列的时刻的间隔以及仰角的值是否类似，使用判定为类似的2个以上的所述识别信息不同的观测数据，标定雷的发生位置。
文档编号G01W1/10GK102681034SQ20121006421
公开日2012年9月19日 申请日期2012年3月13日 优先权日2011年3月14日
发明者加藤宗, 安芸贵史, 梅田智章, 横山和孝, 高桥信之 申请人:株式会社日立工业设备技术