JP2006337329A - 発雷位置推定システム及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 高い精度で雷の発生位置を推定することができる発雷位置推定システム及び方法を提供する。
【解決手段】 複数のセンサを配置し、発雷を感知したセンサ１ａ，１ｂ，１ｃの位置の重心Ｇを算出して、この重心Ｇの位置を発雷位置と推定する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、信号の発信源、特に雷の発生位置を推定する発雷位置推定システム及び方法に関する。

従来の発雷位置推定方法は、大きく分けてシングルセンサによるものと、マルチセンサによるものとがあった。シングルセンサの場合、発雷時の空電を観測し、その強度から距離を推定し、空電を受信した方向に延長して発雷位置を推定していた。

一方、マルチセンサの場合、通常互いに数百キロメートル離れた位置にセンサを配置し、センサ間で時刻同期を行い、空電の到達時刻からＴｏＡ法などで発雷位置を推定していた（非特許文献１参照）。
「雷害リスク」雷害リスク低減コンソーシアム著、ダイヤモンド社、第８章

しかし、シングルセンサによる発雷位置推定方法の場合、距離の推定が経験則に基づくものであり、信頼性が低かった。また、角度の微妙なずれが大きく推定位置を誤らせる原因になるという問題があった。

一方、マルチセンサによる発雷位置推定方法の場合は、光速で到達する空電の到達時刻差を用いることから、μ秒レベルでの時刻同期が必要となり、コスト高になっていた。また、センサを数百キロメートル離すことから誤差が大きくなりがちであるという問題があった。また、雑音や信号伝達速度のずれによる標定計算上の矛盾が発生し、正確な発雷位置の推定ができないという問題があった。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、高い精度で雷の発生位置を推定することができる発雷位置推定システム及び方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、発雷を感知して発雷情報を送信する複数のセンサからなるセンサ群と、このセンサ群と通信可能なサーバとからなる発雷位置推定システムであって、前記サーバは、前記発雷情報を受信する受信手段と、前記発雷情報に基づいて、発雷を感知した複数のセンサの位置の重心を発雷位置として算出する算出手段とを有することを特徴とする。

請求項２記載の発明は、前記センサ群に属する各センサは、センサ位置と発雷地点との距離と負相関のある正の値を発雷信号の重みとして検出する重み検出手段を有し、前記算出手段は、前記発雷情報と前記発雷信号の重みとに基づいて、発雷を感知した複数のセンサの位置の重み付き重心を発雷位置として算出することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、前記発雷信号の重みは、発雷時に発生する空電強度、又は電界強度、又は雷鳴の音声強度であることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、前記各センサは、雷鳴を感知することによって発雷を感知する雷鳴感知手段を有し、前記各センサ又は前記サーバの少なくともいずれか一方が、前記各センサが雷鳴を感知することによって発雷を感知した発雷感知時刻を記録する時刻記録手段を有し、前記算出手段は、前記発雷信号の重みとして、発雷を感知した複数のセンサ間の前記発雷感知時刻の差分時間を用いることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、複数のセンサからなるセンサ群により発雷を感知して発雷情報を送信する発雷感知ステップと、前記発雷情報に基づいて、発雷を感知した複数のセンサの位置の重心を発雷位置として算出する算出ステップとを有することを特徴とする。

請求項６記載の発明は、前記センサ群に属する各センサによりセンサ位置と発雷地点との距離と負相関のある正の値を発雷信号の重みとして検出する重み検出ステップを有し、前記算出ステップは、前記発雷情報と前記発雷信号の重みとに基づいて、発雷を感知した複数のセンサの位置の重み付き重心を発雷位置として算出することを特徴とする。

請求項７記載の発明は、前記発雷信号の重みは、発雷時に発生する空電強度、又は電界強度、又は雷鳴の音声強度であることを特徴とする。

請求項８記載の発明は、前記各センサにより雷鳴を感知することによって発雷を感知し、前記各センサ又は前記サーバの少なくともいずれか一方が、前記各センサが発雷を感知した発雷感知時刻を記録する時刻記録ステップを有し、前記算出ステップは、前記発雷信号の重みとして、発雷を感知した複数のセンサ間の前記発雷感知時刻の差分時間を用いることを特徴とする。

本発明によれば、複数のセンサからなるセンサ群により発雷を感知し、発雷を感知した複数のセンサの位置の重心を算出して、この重心の位置を発雷位置と推定するので、多少の雑音等の障害があっても高い精度で雷の発生位置を推定することができる。

以下、本発明の発雷位置推定システム及び方法を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。

（実施例１）
図１は本発明の発雷位置推定システムの概要を示す図である。本発明の発雷位置推定システムは、数ｋｍ間隔で密に配置された複数のセンサ１ａ，１ｂ，１ｃ・・・と、各センサと通信回線を介して通信可能なサーバ２とから構成される。

図２は本発明の実施例１の発雷位置推定システムの構成を示すブロック図である。各センサはそれぞれ同じ構成であるため、センサ１ａを例にその構成を説明する。

図２に示すようにセンサ１ａは、雷鳴等を感知することにより発雷を感知して感知信号を出力する感知部１１と、感知部１１から入力された感知信号を時刻とともに記録する記録部１２と、記録部１２に記録した感知信号が発雷による発雷信号であるかどうかを判断する判断部１３と、記録部１２に記録した感知信号が発雷によるものである場合に発雷情報をサーバ２に送信する通信部１４とを有する。

サーバ２は、各センサからの発雷情報を受信する通信部２１と、通信部２１で受信した発雷情報について、どこまでが同じ発雷によるものかを判断する判断部２２と、発雷推定位置を算出する計算部２３と、各センサの位置を記録するデータベース部２４と、計算部２３で算出した結果を出力する出力部２５とを有する。

次に、実施例１の発雷位置推定システムの動作及び発雷推定位置を算出する方法を説明する。

図３は図２に示す発雷位置推定システムの動作を示すフローチャートである。まず、ステップＳ１１０では、各センサが処理を行い、発雷を感知したセンサはサーバ２に発雷情報を送信する。

そして、ステップＳ１２０では、サーバ２の通信部２１が各センサからの発雷情報を受信し、判断部２２に出力する。次に、ステップＳ１３０では、判断部２２は、通信部２１が受信した発雷情報について、それが１つの発雷による発雷情報のうちの最後の発雷情報であるかどうかを判断する。判断する方法としては、発雷情報を受信してから所定の時間の空白がある場合に、空白前の最後に受信した発雷情報が１つの発雷による最後の発雷情報であると判断する。また、あらかじめ１つの発雷によるものとして受け入れる発雷情報の数を設定しておき、その数の発雷情報を１つの発雷によるものと判断してもよい。

最後の発雷情報である（ＹＥＳ）ときは、ステップＳ１４０に進み、最後の発雷情報でない（ＮＯ）ときは、ステップＳ１１０に戻る。

そして、ステップＳ１４０では、計算部２３は、発雷を感知したセンサからなる感知センサ群の重心を算出する。各センサの位置はデータベース部２４に記録されている。その後、算出結果は出力部２５を介して他の機器等に出力される。

次に、上記ステップＳ１１０における各センサの処理について、図４に基づいて説明する。図４はセンサの処理手順を示すフローチャートである。

まず、ステップＳ２１０では、センサ１ａの感知部１１は発雷を感知して感知信号を記録部１２に出力し、記録部１２は感知信号を時刻とともに記録する。感知部１１は、発雷時に発生する空電、電界、雷鳴の音声等を観測することによって発雷を感知する。

次に、ステップＳ２２０では、判断部１３は、記録部１２に記録した感知信号が発雷信号であるかどうかを判断する。発雷信号である（ＹＥＳ）ときは、ステップＳ２３０に進み、通信部１４が発雷情報をサーバ２に送信する。発雷信号でない（ＮＯ）ときは、ステップＳ２１０に戻る。

次に、上記ステップＳ１４０における重心の計算方法について、図５に基づいて説明する。図５は本発明の実施例１における発雷推定位置を算出する方法を説明する図である。以下の説明では、センサ位置を表現するために、サーバ位置を原点とし、東と北をそれぞれＸ軸とＹ軸の正方向とした１目盛り１ｋｍの座標を用いる。

図５において、発雷が発生し、センサ１ａ，１ｂ，１ｃが発雷を感知し、発雷情報をサーバ２に送信する。センサ１ａ，１ｂ，１ｃの位置はそれぞれＡ（１，５），Ｂ（２，１），Ｃ（３，６）であるとする。なお、各センサの位置はデータベース部２４に記録されているが、各センサが発雷情報とともに位置をサーバ２に伝達してもよい。

そして、サーバ２の計算部２３は、センサ１ａ，１ｂ，１ｃの位置の重心Ｇを計算する。

Ｇ（（１＋２＋３）／３，（５＋１＋６）／３）＝（２，４）
以上より、発雷推定位置は（２，４）となる。

このように実施例１の発雷位置推定システム及び方法によれば、発雷を感知したセンサ１ａ，１ｂ，１ｃの位置の重心Ｇを算出して、この重心Ｇの位置を発雷位置と推定するので、多少の雑音等の障害があっても比較的高い精度で雷の発生位置を推定することができる。応用先として発雷警報サービスを考えた場合、誤差が小さければおおよその位置がわかれば十分であり、本発明の効果は高い。また、センサは低感度のものでもよいため様々な機器に組み込むことが可能であり、標定にかかるコストを下げることができる。

なお、上記説明では発雷を感知したセンサが３つである場合について説明したが、発雷を感知したセンサはいくつであってもよい。

（実施例２）
図６は本発明の実施例２における発雷推定位置を算出する方法を説明する図である。実施例２の発雷位置推定システムの構成及び動作は実施例１と同様であるが、実施例２では、感知部１１は発雷信号の重みとして雷鳴の音声強度を検出し、これを発雷情報とともにサーバ２に送信する。

図６において、発雷が発生し、センサ１ａ，１ｂ，１ｃが発雷を感知し、発雷情報と雷鳴の音声強度とをサーバ２に送信する。センサ１ａ，１ｂ，１ｃの位置はそれぞれＡ（１，１），Ｂ（５，４），Ｃ（１，３）であり、センサ１ａ，１ｂ，１ｃで検出した音声強度はそれぞれ１０ｄＢ，２０ｄＢ，５０ｄＢであるとする。

そして、サーバ２の計算部２３は、センサ１ａ，１ｂ，１ｃの位置の重み付き重心Ｇを計算する。

Ｇ（（１×１０＋５×２０＋１×５０）／（１０＋２０＋５０），（１×１０＋４×２０＋３×５０）／（１０＋２０＋５０））＝（２，３）
以上より、発雷推定位置は（２，３）となる。

このように実施例２の発雷位置推定システム及び方法によれば、発雷信号の重みとして雷鳴の音声強度を検出し、発雷を感知したセンサ１ａ，１ｂ，１ｃの位置の重み付き重心Ｇを算出して、この重み付き重心Ｇの位置を発雷位置と推定する。これにより、実施例１と同様の効果を得ることができる。

なお、上記説明では発雷信号の重みとして雷鳴の音声強度を用いたが、距離と負相関のある正の値であれば空電強度や電界強度を用いてもよい。また、距離と正相関の値を観測する場合はその逆数などを用いればよい。また、正の値にならない場合は適宜調整を行えばよい。

（実施例３）
図７は本発明の実施例３における発雷推定位置を算出する方法を説明する図である。実施例３の発雷位置推定システムの構成及び動作は実施例１と同様である。

図７において、発雷が発生し、センサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄが雷鳴を感知することによって発雷を感知し、発雷情報と記録部１２に記録した時刻とをサーバ２に送信する。センサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの位置はそれぞれＡ（１，４），Ｂ（６，１），Ｃ（１，１），Ｄ（３，１）であるとする。

実施例３では、１つの発雷について最後に発雷を感知したセンサが発雷を感知した時刻を基準とし、その基準時刻と各センサが発雷を感知した時刻との差分時間を発雷信号の重みとする。

最後に発雷を感知したのはセンサ１ｄであり、センサ１ａ，１ｂ，１ｃが発雷を感知した時刻はセンサ１ｄが発雷を感知した時刻のそれぞれ３秒前、１秒前、４秒前であるとする。この時間を発雷信号の重みとするが、実施例３では重みを正の値とするため便宜上１を加えることとする。したがって、センサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの重みはそれぞれ４，２，５，１となる。

そして、サーバ２の計算部２３は、センサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの位置の重み付き重心Ｇを計算する。

Ｇ（（１×４＋６×２＋１×５＋３×１）／（４＋２＋５＋１），（４×４＋１×２＋１×５＋１×１）／（４＋２＋５＋１））＝（２，２）
以上より、発雷推定位置は（２，２）となる。

このように実施例３の発雷位置推定システム及び方法によれば、最後に発雷を感知したセンサが発雷を感知した時刻を基準とし、その基準時刻と各センサが発雷を感知した時刻との差分時間を発雷信号の重みとし、発雷を感知したセンサ１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの位置の重み付き重心Ｇを算出して、この重み付き重心Ｇの位置を発雷位置と推定する。これにより、実施例１と同様の効果を得ることができる。また、各センサが音波（雷鳴）を感知することによって発雷を感知するので、必要なセンサ間の時刻同期を秒レベルに抑えることができる。

なお、本発明は発雷位置の推定を主たる目的としているが、発雷に限らず、各種信号の発信源推定に応用することが可能である。例えば、地震波を使った震源地の推定や、赤外線による移動物の位置推定などに応用することができる。

本発明の発雷位置推定システムの概要を示す図である。 本発明の実施例１の発雷位置推定システムの構成を示すブロック図である。 図２に示す発雷位置推定システムの動作を示すフローチャートである。 センサの処理手順を示すフローチャートである。 本発明の実施例１における発雷推定位置を算出する方法を説明する図である。 本発明の実施例２における発雷推定位置を算出する方法を説明する図である。 本発明の実施例３における発雷推定位置を算出する方法を説明する図である。

符号の説明

１ａ〜１ｄ センサ
２ サーバ
１１ 感知部
１２ 記録部
１３，２２ 判断部
１４，２１ 通信部
２３ 計算部
２４ データベース部
２５ 出力部

Claims (8)

1. 発雷を感知して発雷情報を送信する複数のセンサからなるセンサ群と、このセンサ群と通信可能なサーバとからなる発雷位置推定システムであって、
   前記サーバは、
   前記発雷情報を受信する受信手段と、
   前記発雷情報に基づいて、発雷を感知した複数のセンサの位置の重心を発雷位置として算出する算出手段と
   を有することを特徴とする発雷位置推定システム。
2. 前記センサ群に属する各センサは、センサ位置と発雷地点との距離と負相関のある正の値を発雷信号の重みとして検出する重み検出手段を有し、
   前記算出手段は、前記発雷情報と前記発雷信号の重みとに基づいて、発雷を感知した複数のセンサの位置の重み付き重心を発雷位置として算出することを特徴とする請求項１に記載の発雷位置推定システム。
3. 前記発雷信号の重みは、発雷時に発生する空電強度、又は電界強度、又は雷鳴の音声強度であることを特徴とする請求項２に記載の発雷位置推定システム。
4. 前記各センサは、雷鳴を感知することによって発雷を感知する雷鳴感知手段を有し、
   前記各センサ又は前記サーバの少なくともいずれか一方が、前記各センサが雷鳴を感知することによって発雷を感知した発雷感知時刻を記録する時刻記録手段を有し、
   前記算出手段は、前記発雷信号の重みとして、発雷を感知した複数のセンサ間の前記発雷感知時刻の差分時間を用いることを特徴とする請求項２に記載の発雷位置推定システム。
5. 複数のセンサからなるセンサ群により発雷を感知して発雷情報を送信する発雷感知ステップと、
   前記発雷情報に基づいて、発雷を感知した複数のセンサの位置の重心を発雷位置として算出する算出ステップと
   を有することを特徴とする発雷位置推定方法。
6. 前記センサ群に属する各センサによりセンサ位置と発雷地点との距離と負相関のある正の値を発雷信号の重みとして検出する重み検出ステップを有し、
   前記算出ステップは、前記発雷情報と前記発雷信号の重みとに基づいて、発雷を感知した複数のセンサの位置の重み付き重心を発雷位置として算出することを特徴とする請求項５に記載の発雷位置推定方法。
7. 前記発雷信号の重みは、発雷時に発生する空電強度、又は電界強度、又は雷鳴の音声強度であることを特徴とする請求項６に記載の発雷位置推定方法。
8. 前記各センサにより雷鳴を感知することによって発雷を感知し、前記各センサ又は前記サーバの少なくともいずれか一方が、前記各センサが発雷を感知した発雷感知時刻を記録する時刻記録ステップを有し、
   前記算出ステップは、前記発雷信号の重みとして、発雷を感知した複数のセンサ間の前記発雷感知時刻の差分時間を用いることを特徴とする請求項６に記載の発雷位置推定方法。
   
   

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