JP2009085965A - Lightning detection system and method - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To detect information pieces about both lightning discharges in a CG and an IC, using a plurality of remote-programmable sensors (RPS) arranged in different geographical positions, to classify them, to package them, to transmit them by compressed forms, to collect them in a central analyzer position, to expand the information pieces to determine a position of the lightning discharges, a magnitude thereof and a generation time thereof, in a central analyzer, and to correlate them each other. <P>SOLUTION: The present invention discloses a lightning detecting and data acquiring system. The plurality of remote programmable sensors is used to detect cloud-to-ground and IC lightning strokes. Each analog expression of the lightning stroke is converted into a digital signal. The digital signals are classified according to user changeable criteria. The classified digital signals are compressed and optionally decimalized. The compressed information is transmitted to a central position, and the compressed information is expanded in the central position, to be used for correlating the position, the magnitude and a moving route of the detected lightning stroke. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、稲妻検出システム及び方法に関し、特に、連続的に稲妻検出を行い、ユーザ選択可能な評価基準を可能にするプログラム可能なシステムに関する。   The present invention relates to a lightning detection system and method, and more particularly to a programmable system that provides continuous lightning detection and enables user-selectable evaluation criteria.

稲妻検出システム及びデータ取得システムは、稲妻放電の発生を検出し、稲妻放電の場所を決定し、放電についての他のデータを収集するのに使用される。従来の稲妻検出システムでは、複数のセンサが数10〜数100キロメートル離れて配置され、稲妻放電の電磁場を遠隔的に検出する。このような放電は、雲と地面の間(CG)又は雲の中(IC)で生じうる。センサからの情報は、中央局に伝送され、中央局ではセンサデータの解析が行われる。典型的には、放電の発生時間及び位置は、複数のセンサによって与えられたデータから決定する。   The lightning detection system and data acquisition system are used to detect the occurrence of lightning discharge, determine the location of the lightning discharge, and collect other data about the discharge. In the conventional lightning detection system, a plurality of sensors are arranged several tens to several hundreds kilometers apart to remotely detect the electromagnetic field of lightning discharge. Such discharges can occur between the cloud and the ground (CG) or in the cloud (IC). Information from the sensor is transmitted to the central station, where the sensor data is analyzed. Typically, the discharge occurrence time and position are determined from data provided by multiple sensors.

稲妻検出システム及びデータ取得システムのリモートセンサは、典型的には、多くの放電から成るCG及びICの稲妻閃光における双方の電磁場を検出する。2つのタイプの閃光を識別できるようにするのが重要になることがよくある。この目的のため、リモートセンサは、稲妻放電からの低周波(LF)及び超低周波(VLF)放出に直面することがよくある。アンテナが電気又は磁気の放電場の時間導関数に固有に応答するので、LF及びVLF(LF/VLF)検出器によって生成した電気信号は、通常は電気又は磁気の放電場を表す波形を生成するために解析前に積分される。CG及びICの放電を識別する電場又は磁場のいずれかを表す信号を解析することを、波形解析行うと称することにする。LF及びVLFの範囲の双方における稲妻信号を識別する周知の方法は、代表的信号におけるピークからゼロ振幅基準点と交差する瞬時までに経過した時間を調べることである。これは、ピーク・ツー・ゼロ(PTZ)解析方法と呼ばれる。比較的短いPTZ時間は、IC放電が生じた旨を表す良好な指標となる。他の周知の識別方法は、バイポーラテストと呼ばれ、このテストでは、その代表的信号を、第1ピークと、この第1ピークの予め決められた割合値より大きい反対の極性の次のピークとについて調べる。このような方法は、IC放電の別の良好な指標となる。IC放電に関するさらに別のテストは、この代表的信号における同じ極性の初期ピークより大きい次のピークの有無である。これは、いくつかのIC放電が、後続する大きめで且つ遅めのパルスの前に、多数の小さく且つ高速の先行する電磁パルスを有するという事実に基づいて予測するものである。放電がIC放電である旨を示すこのような基準がない場合、通常はCG放電であると想定される。CG及びICの事象間を識別するために確立されている全ての基準を適用しても、幾つかの事象は依然として誤って分類される。   The lightning detection and data acquisition system remote sensors typically detect both electromagnetic fields in CG and IC lightning flashes consisting of many discharges. It is often important to be able to distinguish between two types of flash. For this purpose, remote sensors often face low frequency (LF) and very low frequency (VLF) emissions from lightning discharges. Since the antenna is inherently responsive to the time derivative of the electrical or magnetic discharge field, the electrical signal generated by the LF and VLF (LF / VLF) detectors typically produces a waveform that represents the electrical or magnetic discharge field. To be integrated before analysis. Analyzing a signal representing either an electric field or a magnetic field that identifies the discharge of CG and IC will be referred to as performing waveform analysis. A well-known method of identifying lightning signals in both the LF and VLF ranges is to examine the time elapsed from the peak in the representative signal to the instant of crossing the zero amplitude reference point. This is called a peak-to-zero (PTZ) analysis method. A relatively short PTZ time is a good indicator that an IC discharge has occurred. Another well-known identification method is called bipolar test, in which the representative signal is the first peak and the next peak of opposite polarity that is greater than a predetermined percentage value of the first peak. Find out about. Such a method is another good indicator of IC discharge. Yet another test for IC discharge is the presence or absence of a next peak that is greater than the initial peak of the same polarity in this representative signal. This is to be expected based on the fact that some IC discharges have a number of small and fast preceding electromagnetic pulses before a subsequent larger and slower pulse. If there is no such criterion indicating that the discharge is an IC discharge, it is usually assumed to be a CG discharge. Even applying all established criteria to distinguish between CG and IC events, some events are still misclassified.

稲妻検出の他の方法は、稲妻放電からの超高周波(VHF)放射を監視することである。しかしながら、VHF検出システムは、IC稲妻におけるVHFパルス放射は約10分の1ミリ秒離れて生じるため、極めて高いデータレートで情報を処理するできるようにしなければならない。加えて、VHFシステムは、センサに対して直接的な照準線を有する稲妻の事象を検出できるだけである。このようなシステムは、フロリダにおけるケネディ宇宙センタにおけるNASAによって現在使用される。しかしながら、このシステムは、リアルタイムのマイクロ波通信システムを使用するため、センサと中央解析器との間の直接的な照準線にさらに制限される。加えて、NASAによって使用されるVHFシステムは、設置し保持するのが高価であることがわかっている。   Another method of lightning detection is to monitor very high frequency (VHF) radiation from lightning discharges. However, the VHF detection system must be able to process information at very high data rates because VHF pulse radiation in IC lightning occurs about a tenth of a millisecond apart. In addition, the VHF system can only detect lightning events that have a direct line of sight to the sensor. Such a system is currently used by NASA at the Kennedy Space Center in Florida. However, this system is further limited to a direct line of sight between the sensor and the central analyzer because it uses a real-time microwave communication system. In addition, the VHF system used by NASA has proven to be expensive to install and maintain.

低周波の電磁場信号を検出する、以前の稲妻検出システム及びデータ取得システムは、到着時間(TOA)及び磁気方向発見と、時間領域フィールド波形解析との組み合わせの周囲で設計されていた。これらのシステムの大部分において、センサは、主にアナログ装置である。稲妻検知用センサにアナログデバイスを使用することは、適度の事象を検出し、この代表的信号を捕らえ、これにおいて波形解析を行うのに、“トラックアンドホールド”回路の使用を必要とする。これらの“トラックアンドホールド”回路における遅延期間の蓄積により、これらのセンサは、センサがその後の稲妻事象を記録できない大きい“リアーム”時間、即ち“デッドタイム”時間を有する。実質的にデジタルであるより新しい稲妻検出システム及びデータ取得システムでも、幾らかのデッドタイムを有する。例えば、幾つかのこのようなシステムにおけるセンサは、5〜10ミリ秒の“デッドタイム”を有し、大部分の現在のデジタルセンサでも、1ミリ秒までの“デッドタイム”を有する。後者は、IC稲妻放電の制限された一部を検出することができるだけである。これは、部分的には、幾つかのIC稲妻放電は1ミリ秒間に生じるという事実による。しかしながら、CG稲妻閃光は、個々の放電間の比較的長い期間で、少なめの放電を有する傾向がある。前世代のセンサがCG及びICの電磁場信号を監視するように設計されている場合、かなりの時間部分がIC放電事象の処理に占められ、事象の記録を犠牲にしてしまう。センサのデッドタイム及びTOA位置方法に関する他の態様は、多数のリモートセンサが同じIC稲妻事象に応答するであろうと想定すると不確かなものとなる。遠隔の小さな振幅の事象は、電磁波が地球上を長い距離伝わるときに、電磁波が被る減衰によって、検出するのが困難になる。異なるセンサが異なる事象からの到着時間情報を発生する場合、この計算した放電位置は、かなりの誤差を有することになる。   Previous lightning detection and data acquisition systems that detect low-frequency electromagnetic field signals were designed around a combination of time-of-arrival (TOA) and magnetic direction finding and time-domain field waveform analysis. In most of these systems, the sensors are primarily analog devices. Using an analog device for the lightning detection sensor requires the use of a “track and hold” circuit to detect moderate events, capture this representative signal, and perform waveform analysis there. Due to the accumulation of delay periods in these “track and hold” circuits, these sensors have a large “rearm” time or “dead time” time during which they cannot record subsequent lightning events. Even newer lightning detection and data acquisition systems that are substantially digital have some dead time. For example, sensors in some such systems have a “dead time” of 5-10 milliseconds, and most current digital sensors have a “dead time” of up to 1 millisecond. The latter can only detect a limited part of the IC lightning discharge. This is due in part to the fact that some IC lightning discharges occur in 1 millisecond. However, CG lightning flashes tend to have less discharge with a relatively long period between individual discharges. If previous generation sensors were designed to monitor CG and IC electromagnetic field signals, a significant portion of the time was taken up in handling IC discharge events, at the expense of event recording. Other aspects regarding sensor dead time and TOA location methods become uncertain when multiple remote sensors assume that they will respond to the same IC lightning event. Remote small-amplitude events are difficult to detect when the electromagnetic waves travel long distances on the earth due to the attenuation they suffer. If different sensors generate arrival time information from different events, this calculated discharge location will have significant errors.

LF/VLF周波数において動作するアナログセンサは、CG及びICの稲妻放電の双方に対して調整するのが困難である。CGの電磁場信号の振幅中央値は、ICの電磁場信号振幅中央値より大きい桁に関する。これらのセンサの1つのゲインをIC事象の検出に最適化することで、センサが、近くのCG稲妻放電のきわめてより大きいエネルギーによって飽和することがよくある。従って、双方のタイプの電磁場信号に適応させるようにゲインを調節すると、IC事象を検出するセンサの能力が減少するのが通例である。遠くのIC稲妻放電は、地面を伝播することによって減衰するため、これらは、バックグランドの環境ノイズから識別するのが困難になる。   Analog sensors operating at LF / VLF frequencies are difficult to adjust for both CG and IC lightning discharges. The median amplitude of the CG field signal relates to an order of magnitude greater than the median field signal amplitude of the IC. By optimizing the gain of one of these sensors for the detection of IC events, the sensor is often saturated with the much greater energy of a nearby CG lightning discharge. Therefore, adjusting the gain to accommodate both types of electromagnetic field signals typically reduces the ability of the sensor to detect IC events. Since distant IC lightning discharges are attenuated by propagating through the ground, they are difficult to distinguish from background environmental noise.

稲妻検出システムが有用な情報を適時な方法で提供するために、センサ情報を中央位置に伝送する方法がなければならない。この中央位置は、多数のリモートセンサから情報を集めなければならず、次にこの情報は、稲妻放電の位置、大きさ及び発生時間を確立するために相関付けられる。存在する検出システムは、一般に、狭い帯域幅の通信システムを有し、センサが中央解析器に送ることができる情報の量を制限する。多くの存在する稲妻検出ネットワークにおいて、センサは中央局に低速電話モデム、通常は2400ないし9600ビットパー秒によって接続される。過去において、この通信制限は、前世代のアナログセンサの大きいデッドタイムが、収集され中央解析器に送られることができる情報の量を制限していたため、過度に決定的ではなかった。   In order for the lightning detection system to provide useful information in a timely manner, there must be a way to transmit sensor information to a central location. This central location must collect information from a number of remote sensors, and this information is then correlated to establish the location, magnitude, and time of occurrence of the lightning discharge. Existing detection systems generally have a narrow bandwidth communication system that limits the amount of information that a sensor can send to a central analyzer. In many existing lightning detection networks, the sensor is connected to the central office by a low speed telephone modem, typically 2400-9600 bit per second. In the past, this communication limitation was not overly deterministic because the large dead time of previous generation analog sensors limited the amount of information that could be collected and sent to the central analyzer.

センサ情報が中央局に到着すると、解析されなければならない。各センサからの情報は、他のセンサからの到来情報と比較される。この比較プロセスは、稲妻放電の位置、大きさ及び発生時間を決定するための対応するデータを見つけることを試みる。しかしながら、現在の相関技術は、放電間の時間がセンサ間の旅行時間より2桁以上短い場合、大量の情報を処理するのには不十分である。実際には、稲妻検出システムが、進歩した技術を使用して、増加された量の情報を送受信する場合、現在の中央解析器は、情報を現在の相関技術によって効率的に処理することができないであろう。   When sensor information arrives at the central office, it must be analyzed. Information from each sensor is compared with incoming information from other sensors. This comparison process attempts to find the corresponding data to determine the location, magnitude and time of occurrence of the lightning discharge. However, current correlation techniques are insufficient to process large amounts of information if the time between discharges is two orders of magnitude shorter than the travel time between sensors. In practice, if the lightning detection system uses advanced techniques to send and receive increased amounts of information, current central analyzers cannot efficiently process the information with current correlation techniques. Will.

稲妻検出システム及びデータ取得システムの最先端技術は、一般に、いくつかの特許によって部分的に現される。第1に、クリダー(Krider)他の米国特許第4198599号及び第4245190号明細書は、ゲート広帯域磁気方向発見センサのネットワークを記載している。これらのセンサは、CG稲妻閃光における復帰雷撃に対して敏感である。米国特許第4198599号明細書において、識別と分類は、時間領域フィールド波形の形状を調査することによって果たされる。短い立ち上がり時間(しきい値からピークまでの時間)は、さらなる解析が行われている間にアナログトラックアンドホールド回路において置かれている代表的信号の結果として生じる。これらのセンサは、主に興味があるCG放電によって指定される。検出された任意のIC稲妻放電は、放棄される。しかしながら、短い立ち上がり時間基準と事象持続時間の簡単なテストとを満たすCG及びIC事象の双方は、結果として、かなりの量のセンサデッドタイムを生じる。   The state of the art of lightning detection systems and data acquisition systems is generally manifested in part by several patents. First, U.S. Pat. Nos. 4,1985,599 and 4,245,190 to Krider et al. Describe a network of gated broadband magnetic direction finding sensors. These sensors are sensitive to return strokes in CG lightning flashes. In US Pat. No. 4,1985,599, identification and classification is accomplished by examining the shape of the time domain field waveform. A short rise time (threshold to peak time) occurs as a result of the representative signal being placed in the analog track and hold circuit while further analysis is being performed. These sensors are primarily designated by the CG discharge of interest. Any IC lightning discharge detected is abandoned. However, both CG and IC events that meet a short rise time criterion and a simple test of event duration result in a significant amount of sensor dead time.

第2に、ベント(Bent)他の米国特許第4543580号及び第4792806号明細書は、電磁場信号のTOAを測定し、この情報を用いて稲妻を位置決めするセンサのネットワークを開示している。これらのセンサは、IC放電とCG放電とを識別しない。しかしながら、これらのセンサは、クリダーの特許の磁気方向センサと同様のデッドタイム問題を受ける。多数のIC放電パルスが短い時間に生じる場合、多数のセンサが同じIC放電事象に応答する保証はない。   Second, Bent et al. U.S. Pat. Nos. 4,543,580 and 4,792,806 disclose a network of sensors that measure the TOA of electromagnetic field signals and use this information to locate lightning. These sensors do not distinguish between IC discharges and CG discharges. However, these sensors suffer from dead time problems similar to the magnetic direction sensor of Krider's patent. If multiple IC discharge pulses occur in a short time, there is no guarantee that multiple sensors will respond to the same IC discharge event.

興味ある他の特許は、マークソン(Markson)他の米国特許第6246367号明細書であり、この特許明細書において、稲妻検出システムは、アナログ−デジタル変換器(ADC)を使用し、代表的な電磁場信号の連続的な処理を与える。これは、前世代のセンサに固有のデッドタイム問題を除去する。マークソンは、バイポーラ比較器を使用し、CG又はICの閃光における第1広帯域放射パルスであると推論される特定のパルスの正及び負の極性バージョン間を識別することを記載している。マークソンは、データ相関プロセス及び到着時間差位置方法も使用する。マークソンのやり方は、明白に、ハイパスフィルタを使用して、代表的な電磁場信号の大部分の低周波成分をブロックするので、これは、閃光における初期パルスを検出するのに必ずしも有用でない。マークソンの特許の制限は、HF周波数範囲の特定の使用と、各々の閃光における第1パルスのみを検出及び処理することである。   Another patent of interest is Markson et al., US Pat. No. 6,246,367, in which the lightning detection system uses an analog-to-digital converter (ADC) and is representative of Provides continuous processing of electromagnetic field signals. This eliminates the dead time problem inherent in previous generation sensors. Markson describes using a bipolar comparator to distinguish between positive and negative polarity versions of a particular pulse that is inferred to be the first broadband radiation pulse in a CG or IC flash. Markson also uses a data correlation process and an arrival time difference location method. Markson's approach obviously uses a high-pass filter to block most of the low frequency components of a typical electromagnetic field signal, so this is not always useful for detecting the initial pulse in the flash. The limitations of the Markson patent are the specific use of the HF frequency range and the detection and processing of only the first pulse in each flash.

したがって、いくつかの点において、稲妻検出システム及びデータ取得システムの改善に対する必要性が存在していた。第1に、改善された信号調節方法が必要とされる。CG事象は、通常、CG復帰雷撃中に流れる電流のチャネル長及び量によって、LFにおいてIC事象より一桁大きい。上述したように、ゲインの増加、又は、等しく事象しきい値を減らすことは、結果として、アナログ検出及び評価システムを飽和するCG事象、又は、かなりの量のノイズのピックアップを生じる。ゲインの増加、又は、等しく事象しきい値を減らすことは、結果として、IC事象をマスクする不十分な検出を生じる。望まれないノイズ成分を除去する間、CG及びICの信号間のこの大きさの差の影響を減らす必要がある。電場及び磁場アンテナ双方の興味ある態様は、これらは、これらが検出している電磁場の時間導関数に比例する信号を発生することである。これらの微分アンテナは、IC及びCGの微分した代表的信号間の大きさ不均衡を実際に減少する。しかしながら、現世代センサは、アンテナそれ自身がダイナミックレンジ要件を減少させるという事実を使用せずに、微分した電磁場信号を電磁場を表す積分した信号に変換する積分方法を必ず課すことになる。加えて、稲妻タイプを識別する改善された分類方法に対する要望が存在する。   Accordingly, there has been a need for improvements in lightning detection systems and data acquisition systems in several respects. First, an improved signal conditioning method is needed. CG events are typically an order of magnitude larger than IC events at LF due to the channel length and amount of current that flows during a CG return lightning strike. As mentioned above, increasing the gain or equally reducing the event threshold results in a CG event saturating the analog detection and evaluation system, or a significant amount of noise pickup. Increasing gain or equally reducing the event threshold results in poor detection masking IC events. While removing unwanted noise components, the effect of this magnitude difference between CG and IC signals needs to be reduced. An interesting aspect of both electric and magnetic field antennas is that they generate signals that are proportional to the time derivative of the electromagnetic field they are detecting. These differential antennas actually reduce the magnitude imbalance between the differentiated representative signals of IC and CG. However, current generation sensors always impose an integration method that converts the differentiated electromagnetic field signal into an integrated signal representing the electromagnetic field without using the fact that the antenna itself reduces the dynamic range requirements. In addition, there is a need for improved classification methods for identifying lightning types.

本産業における他の要望は、新たな又は異なった波形解析技術でリモートセンサをプログラムできるようにすることである。また、より多くのIC及びCG情報を収容する改善されたデータ比較及びデータのデシメーション技術に対する要望もある。従って、新たなデータ相関技術は、増加した情報処理レートを扱うのに必要とされる。これらの相関技術は、到着時間及び方向情報の双方を扱う必要がある。   Another desire in the industry is to allow remote sensors to be programmed with new or different waveform analysis techniques. There is also a need for improved data comparison and data decimation techniques that accommodate more IC and CG information. Thus, new data correlation techniques are needed to handle increased information processing rates. These correlation techniques need to handle both arrival time and direction information.

従って、信号調整の新たな方法と、事象分類に関するユーザ変更可能なシステムと、データ比較の新たな方法と、CG及びIC事象を効率的に検出し、これらの位置、大きさ及び発生時間を決定する新たなデータ相関技術とを組み合わせた完全な稲妻検出及び情報取得システムに関する要望が存在する。   Therefore, a new method of signal conditioning, a user-changeable system for event classification, a new method of data comparison, and CG and IC events are efficiently detected and their location, size and time of occurrence are determined. There is a need for a complete lightning detection and information acquisition system combined with new data correlation techniques.

発明の要約
本発明は、上述した要望を、異なる地理的位置に配置された複数のリモートプログラム可能センサ(RPS)を使用し、CG及びICの稲妻放電の双方に関する情報を検出し、分類し、パッケージし、圧縮された形態で伝送することによって満たす。情報は、中央解析器位置に集められ、中央解析器にて、前記情報は、稲妻放電の位置、大きさ及び発生時間を決定するために、伸張され、相関される。稲妻放電から電磁場信号を検出し、導関数の代表的な電磁場信号を発生するように設計されたアンテナが使用される。導関数信号は、CG及びICの電磁場信号間の振幅不均衡を減少する利点を有する。フィルタは、微分信号の低周波部分を通過し、前記信号の基本成分を積分することなしに、周波ノイズを廃棄することによって、信号対ノイズ比を増加するように使用される。非線形増幅は、CG及びICの信号間の振幅不均衡を、より小さい振幅の信号に関してより大きい増幅を与えることによって、さらに減少する。増幅した信号は、次に、ADCによって処理して、増幅した微分信号をデジタル表現信号に変換する。この変換は、信号をデジタル的に処理及び格納することを可能にする。前記デジタル表現信号は、次に、デジタルプロセッサによって積分され、電場又は磁場を表す信号を与える。デジタル微分した電磁場信号と電磁場それ自身のデジタル表現信号は、デジタルプロセッサによって使用され、稲妻事象をCG又はICの事象のいずれかとして分類する。デジタル記憶と結合されたアナログ−デジタル変換は、稲妻放電の連続的な検出及び評価を可能にし、これは、前世代稲妻検出システムに固有の“デッドタイム”を除去する。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention uses a plurality of remote programmable sensors (RPS) located at different geographical locations to detect and classify information regarding both CG and IC lightning discharges. Fill by packaging and transmitting in compressed form. Information is collected at a central analyzer location where the information is stretched and correlated to determine the location, magnitude and time of occurrence of lightning discharge. An antenna designed to detect an electromagnetic field signal from a lightning discharge and generate a representative electromagnetic field signal of a derivative is used. The derivative signal has the advantage of reducing the amplitude imbalance between the CG and IC electromagnetic field signals. The filter is used to increase the signal-to-noise ratio by passing through the low frequency part of the differential signal and discarding the frequency noise without integrating the fundamental component of the signal. Non-linear amplification further reduces the amplitude imbalance between CG and IC signals by providing greater amplification for smaller amplitude signals. The amplified signal is then processed by the ADC to convert the amplified differential signal into a digital representation signal. This conversion allows the signal to be processed and stored digitally. The digital representation signal is then integrated by a digital processor to provide a signal representative of the electric or magnetic field. The digitally differentiated electromagnetic field signal and the digital representation signal of the electromagnetic field itself are used by the digital processor to classify lightning events as either CG or IC events. Analog-to-digital conversion combined with digital storage allows continuous detection and evaluation of lightning discharge, which eliminates the “dead time” inherent in previous generation lightning detection systems.

本発明は、新たなデータ圧縮プロセスを使用し、狭帯域通信チャネルによってデータを伝送する。稲妻放電の多数のデジタル信号パルス表現は、パルス列において一緒にグループ化される。最も大きいパルスは、基準パルスとして指定され、その大きさ、時間及び方向(利用可能なら)は、データ記録において含まれる。前記パルス列の他のパルスは、前記基準パルスの割合となる振幅と、前又は後のパルスの時間に対するタイムスタンプとによって表わされる。これは、パルス列におけるすべてのパルスを正確に定義するために伝送しなければならない情報を大きく減少させる。伝送された情報の量が依然として関連する通信チャネルの帯域幅を超える場合、稲妻検出システムにおけるRPSセンサは、前記情報の同期された部分を伝送するようにプログラムされることができ、すべてのセンサが同じ稲妻事象についての情報を報告するようにすることができる。   The present invention uses a new data compression process to transmit data over a narrowband communication channel. Multiple digital signal pulse representations of lightning discharges are grouped together in a pulse train. The largest pulse is designated as the reference pulse and its magnitude, time and direction (if available) are included in the data record. Other pulses of the pulse train are represented by an amplitude that is a proportion of the reference pulse and a time stamp relative to the time of the previous or subsequent pulse. This greatly reduces the information that must be transmitted in order to accurately define every pulse in the pulse train. If the amount of information transmitted still exceeds the bandwidth of the associated communication channel, RPS sensors in the lightning detection system can be programmed to transmit a synchronized portion of the information, and all sensors Information about the same lightning event can be reported.

前記情報は、中央解析器によって受信されるとアンパックされ、元のパルス振幅、時間及び方向(利用可能なら)情報が再生される。アンパックされたパルス情報は、複数のセンサ位置からの雷撃情報を相関させるのに使用される。この情報は、稲妻放電の大きさ、位置及び発生時間を決定するのに使用される。   The information is unpacked when received by the central analyzer and the original pulse amplitude, time and direction (if available) information is recovered. Unpacked pulse information is used to correlate lightning strike information from multiple sensor locations. This information is used to determine the magnitude, location and time of occurrence of the lightning discharge.

したがって、本発明の主な目的は、新奇な改善された稲妻検出システム及びデータ取得システム及び方法を提供することである。   Accordingly, it is a primary object of the present invention to provide a novel and improved lightning detection system and data acquisition system and method.

本発明の他の目的は、CG及びIC稲妻事象を識別する改善された能力を有する稲妻検出システム及びデータ取得システム及び方法を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a lightning detection system and data acquisition system and method with improved ability to identify CG and IC lightning events.

本発明のさらに他の目的は、CG及びICの稲妻の代表的な電磁場信号間の振幅不均衡を減少する稲妻検出システム及びデータ取得システム及び方法を提供することである。   It is yet another object of the present invention to provide a lightning detection system and data acquisition system and method that reduces amplitude imbalance between typical electromagnetic field signals of CG and IC lightning.

本発明の追加の目的は、稲妻放電によって生じた電磁場信号の連続的な検出及び処理を行う稲妻検出システム及びデータ取得システム及び方法を提供することである。   It is an additional object of the present invention to provide a lightning detection system and data acquisition system and method for continuously detecting and processing electromagnetic field signals generated by lightning discharge.

本発明の依然として他の目的は、雷撃の位置、大きさ及び発生時間を決定するための、
複数のリモートプログラム可能センサからの情報の改善された相関に関する稲妻検出システム及びデータ取得システム及び方法を提供することである。
Still another object of the present invention is to determine the location, size and time of occurrence of a lightning strike.
A lightning detection system and data acquisition system and method for improved correlation of information from a plurality of remote programmable sensors.

本発明のさらに他の目的は、センサの配置がリモートアクセスによって設定又は変更できる稲妻検出システム及びデータ取得システム及び方法を提供することである。   Still another object of the present invention is to provide a lightning detection system and a data acquisition system and method in which the arrangement of sensors can be set or changed by remote access.

上記及び他の本発明の目的、特徴及び利点は、添付した図面に関連して行われる本発明の以下の詳細な説明の考察に応じてより容易に理解されるであろう。   The above and other objects, features and advantages of the present invention will be more readily understood upon consideration of the following detailed description of the present invention taken in conjunction with the accompanying drawings.

図1を参照すると、稲妻検出システム及びデータ取得システム10の好適実施例が例示される。リモートプログラム可能センサ(RPS)12は、数10ないし数100キロメートル離れて分布される。これらのリモートセンサは、CG稲妻14又はIC稲妻16のいずれかとして雲22から稲妻放電によって発生された電磁場を検出するのに使用される。通信リンク18は、リモートセンサ12が情報を中央解析器22に送ることを可能にし、中央解析器22では、稲妻放電の位置、大きさ及び発生時間が決定される。   Referring to FIG. 1, a preferred embodiment of a lightning detection system and data acquisition system 10 is illustrated. Remote programmable sensors (RPS) 12 are distributed tens to hundreds of kilometers apart. These remote sensors are used to detect the electromagnetic field generated by the lightning discharge from the cloud 22 as either CG lightning 14 or IC lightning 16. The communication link 18 enables the remote sensor 12 to send information to the central analyzer 22 where the position, magnitude and time of occurrence of lightning discharge is determined.

CG稲妻放電は、一般に、VLF/LF周波数範囲において、IC事象より振幅において10倍大きい。リモートセンサ12のアナログ構成要素の飽和を防ぐために、CG代表的信号とIC代表的信号との間の振幅不均衡を減少する手段が設けられる。センサ12は、また、これら代表的信号の信号対ノイズ比を増加する手段を有する。加えて、センサ12は、アナログ代表的信号をデジタル信号に変換し、このデジタル信号は次にCG又はICの稲妻のいずれかとして分類される。信号が分類されたら、センサは、信号のグループが、パルスの列とみなされるのに十分に時間において共に近いかどうかを決定する。このようなパルス列に関して、センサは、信号情報を圧縮されたデータにパッケージし、これらのデータワードを中央解析器20に伝送する。分離されたパルスは、特徴付ける特徴のより豊富な組と共に単独で伝送される。通信リンクがすべての情報を処理するのに不十分な場合、リモートセンサ12は、情報のデシメートし、前記情報の同期部分のみを送る。   The CG lightning discharge is typically 10 times greater in amplitude than the IC event in the VLF / LF frequency range. In order to prevent saturation of the analog components of the remote sensor 12, means are provided to reduce the amplitude imbalance between the CG representative signal and the IC representative signal. The sensor 12 also has means for increasing the signal to noise ratio of these representative signals. In addition, the sensor 12 converts the analog representative signal into a digital signal, which is then classified as either CG or IC lightning. Once the signals are classified, the sensor determines whether the group of signals is close together in time enough to be considered a train of pulses. For such a pulse train, the sensor packages the signal information into compressed data and transmits these data words to the central analyzer 20. The separated pulses are transmitted alone with a richer set of characterizing features. If the communication link is insufficient to process all the information, the remote sensor 12 decimates the information and sends only the synchronized portion of the information.

中央解析器20は、リモートセンサ12から送られたデータワードを受け、前記ワードを伸張して稲妻放電情報を得るのに使用される。相関技術を用い、複数のセンサ12からの情報は、稲妻放電14、16の大きさ、位置及び発生時間を決定するのに使用される。   The central analyzer 20 is used to receive the data word sent from the remote sensor 12 and expand the word to obtain lightning discharge information. Using correlation techniques, information from the plurality of sensors 12 is used to determine the size, position and time of occurrence of the lightning discharges 14,16.

稲妻閃光は、反対の極性の電荷蓄積間で生じる。稲妻閃光は、電荷蓄積間の空気がイオン化され、導電チャネルを形成するため、小さい絶縁破壊によって始まる。CG閃光において、チャネルが雲から地面まで形成されると、大量の電気が雲と地面との間で流れる。これらの大電流を生じる放電は、復帰雷撃と呼ばれる。代表的なCG稲妻閃光は、4つの復帰雷撃を有する。これらの雷撃は、代表的に、数十ミリ秒離れている。CG雷撃によって発生された電磁場の波形30は、図2において示される。この図は、第1負ピーク32と、第1負トラフ34と、第2負ピーク36と、ゼロ交差点38と、第1正ピーク40と、第1正トラフ42と、第2正ピーク44とを例示する。第2信号46は、電磁場の時間導関数に応じるアンテナ12による検出後の電磁場の波を表す電気信号を説明する。   A lightning flash occurs between charge accumulations of opposite polarity. A lightning flash begins with a small breakdown because the air during charge accumulation is ionized and forms a conductive channel. In a CG flash, when a channel is formed from the cloud to the ground, a large amount of electricity flows between the cloud and the ground. The discharge that generates these large currents is called a return stroke. A typical CG lightning flash has four return strokes. These lightning strikes are typically tens of milliseconds apart. A waveform 30 of the electromagnetic field generated by the CG lightning strike is shown in FIG. This figure shows a first negative peak 32, a first negative trough 34, a second negative peak 36, a zero crossing point 38, a first positive peak 40, a first positive trough 42, and a second positive peak 44. Is illustrated. The second signal 46 describes an electrical signal representing the wave of the electromagnetic field after detection by the antenna 12 according to the time derivative of the electromagnetic field.

IC閃光における放電の数は、CG閃光における雷撃の数より約10倍多い。他方において、CG稲妻雷撃によって生じる電磁場の振幅中央値は、IC放電によって生じるものより約10倍大きい。IC放電におけるパルス間の期間は、CG稲妻に関するよりかなり小さい。最も大きい振幅の電磁場パルスは、一般に、これらのパルス列の中央において生じる。IC放電によって発生された電磁場の波形50は、図3において示される。この図は、多数の顕著なパルス52と、いくつかの小さいないし中くらいのパルス54とから成る電磁場パルス列を例示する。第2信号波形56は、(微分)アンテナ12による検出後の電磁場の時間導関数の電気表現信号を説明する。   The number of discharges in the IC flash is about 10 times greater than the number of lightning strikes in the CG flash. On the other hand, the median amplitude of the electromagnetic field produced by CG lightning strike is about 10 times greater than that produced by IC discharge. The period between pulses in the IC discharge is much smaller than for CG lightning. The largest amplitude electromagnetic field pulses generally occur in the middle of these pulse trains. The waveform 50 of the electromagnetic field generated by the IC discharge is shown in FIG. This figure illustrates an electromagnetic field pulse train consisting of a number of prominent pulses 52 and several small to medium pulses 54. The second signal waveform 56 describes the electrical representation signal of the time derivative of the electromagnetic field after detection by the (differential) antenna 12.

図4は、IC及びCG放電の範囲を正規化した信号振幅の経験的に決定された累積的分布を示す。範囲の正規化は、結果として、センサと放電との間の実際の距離に依存しない信号振幅値を生じる。図4における第1曲線70は、CG事象の範囲を正規化した表現である。領域は、センサ位置から100kmに範囲を正規化されたLLP単位における信号強度である。第1曲線70を参照すると、CG稲妻事象の50パーセントは、120LLP単位より大きい振幅を有し、50パーセントは120LLP単位未満である。CG事象の約80パーセントは、180LLP単位未満の振幅を有し、20パーセントは180LLP単位より大きい。第2曲線72は、IC閃光内の大きく顕著な放電の範囲を正規化した分布を表わし、第3曲線74は、すべてのIC放電の範囲を正規化した分布を例示する。すべてのIC事象の約70パーセントは、1LLP未満である。この振幅不均衡は、CG及びIC事象双方がLF/VLF周波数範囲において同じセンサによって検出されるべき場合、稲妻検出及び処理に対する新奇なアプローチを必要とする。   FIG. 4 shows an empirically determined cumulative distribution of signal amplitudes normalized for IC and CG discharge ranges. Range normalization results in signal amplitude values that are independent of the actual distance between the sensor and the discharge. A first curve 70 in FIG. 4 is an expression obtained by normalizing the range of the CG event. The region is the signal intensity in LLP units, the range of which is normalized to 100 km from the sensor position. Referring to the first curve 70, 50 percent of CG lightning events have an amplitude greater than 120 LLP units, and 50 percent are less than 120 LLP units. About 80 percent of CG events have an amplitude of less than 180 LLP units and 20 percent are greater than 180 LLP units. The second curve 72 represents a distribution in which a large and prominent discharge range in the IC flash is normalized, and the third curve 74 illustrates a distribution in which all IC discharge ranges are normalized. About 70 percent of all IC events are less than 1 LLP. This amplitude imbalance requires a novel approach to lightning detection and processing if both CG and IC events are to be detected by the same sensor in the LF / VLF frequency range.

図5に向けると、ブロック図は、本発明による稲妻検出システム及びデータ取得システムの機能的態様を例示する。微分アンテナ92は、稲妻放電によって発生された電場又は磁場のいずれかを検出するのに使用される。アンテナ92は、検出された電磁場の波のアナログ表現信号(電気的検出信号)を出力し、これをリモートプログラム可能センサ94に送る。リモートセンサ94の第1段は、CG代表的信号とIC代表的信号との間の振幅不均衡を減らし、ノイズを減らし、調節された電気的検出信号をデジタル表現に変換するのに使用される信号調節回路96である。代表的信号が調節されると、これは事象分類段98に渡され、事象分類段98では、デジタル代表的信号は評価され、どんなタイプの事象(CG又はIC放電のいずれか)が電磁場を生じたかを決定する。リモートセンサは、結果として興味ある信号のみが蓄積されるユーザ選択可能な基準に基づいてプログラムすることができる。蓄積された興味ある信号は、データ圧縮ソフトウェア100によって処理される。必要なら、これらは、データデシメーション段102によっても処理され、任意のデジタルデータ伝送手段を使用して中央解析器104に伝送される。中央解析器は、位置決定部108が後段にあるデータ伸張部105及びデータ相関部106を使用し、稲妻事象の大きさ、位置及び発生時間を決定する。   Turning to FIG. 5, a block diagram illustrates functional aspects of a lightning detection system and data acquisition system according to the present invention. The differential antenna 92 is used to detect either the electric or magnetic field generated by the lightning discharge. The antenna 92 outputs an analog representation signal (electrical detection signal) of the detected electromagnetic field wave and sends it to the remote programmable sensor 94. The first stage of the remote sensor 94 is used to reduce amplitude imbalance between the CG representative signal and the IC representative signal, reduce noise, and convert the conditioned electrical detection signal to a digital representation. A signal adjustment circuit 96 is provided. Once the representative signal is adjusted, it is passed to the event classification stage 98, where the digital representative signal is evaluated and any type of event (either CG or IC discharge) produces an electromagnetic field. Decide. The remote sensor can be programmed based on user-selectable criteria that result in only the signal of interest being accumulated. The accumulated signal of interest is processed by the data compression software 100. If necessary, these are also processed by the data decimation stage 102 and transmitted to the central analyzer 104 using any digital data transmission means. In the central analyzer, the position determination unit 108 uses the data decompression unit 105 and the data correlation unit 106 in the subsequent stage to determine the size, position, and occurrence time of the lightning event.

図6を参照すると、リモートプログラム可能センサ110の好適実施例の構造的ブロック図が例示される。アナログフロントエンド112は、電磁アンテナからアナログ代表的信号を受け、この代表的信号を、フィルタ及び増幅構成要素124を使用してフィルタ処理し、前記代表的信号を、クロスポイントスイッチ126を使用してADC114及び増幅比較器128に渡す。比較器128は、アナログ代表的信号の振幅が以前決定された値を超えるかどうかを決定し、“パルス”の開始を示すのに使用される。パルスが開始したことの決定に応じて、グローバルポジショニングシステム(GPS)装置130は、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)116における時間タグファーストインファーストアウト(FIFO)132において格納されるタイムスタンプを与えるのに使用される。ADC114は、クロスポイントスイッチ126によって与えられた信号の連続的なデジタル化を行う。ADCは、20MHzにおいてサンプル化された12ビットの分解能を有するデジタル信号を発生する。デジタル化された信号は、上述されたFPGA116内のデジタル加算器134に送られる。加算器134は、4つのデジタルサンプルのグループを加算し、14ビット分解能を有する5MHzサンプルを発生するのに使用される。これらの14ビットデジタルサンプルは、FPGA116における信号FIFO136において置かれる。FPGAによって与えられるクロック信号は、信号FIFO136から、シンクロナスダイナミックランダムアクセスメモリ装置(SD−RAM)120において存在するリングバッファ138へのデジタルサンプルの流れを制御するのに使用される。リングバッファ138へのアクセスは、デジタル信号プロセッサ(DSP)118の一部であるダイナミックメモリアクセスコントローラ(DMA)140によって生じる。DMAコントローラ140は、また、FPGA116における時間タグFIFO132からSD−RAM120における時間タグバッファ142へ、事象タイムスタンプを転送する。DSP118において備わる中央プロセッサユニット(CPU)144は、リングバッファ138において格納されたデータと、時間タグバッファ142において格納されたタイムスタンプ情報とを評価するのに使用される。興味ある信号を表わすデータは、SD−RAM120における結果バッファ146において置かれる。情報は、次に、DSP−PCインタフェース148を経て、ホストパーソナルコンピュータ122に進み、ホストパーソナルコンピュータ122では、伝送のためにパッケージされる。   Referring to FIG. 6, a structural block diagram of a preferred embodiment of the remote programmable sensor 110 is illustrated. The analog front end 112 receives an analog representative signal from the electromagnetic antenna, filters the representative signal using a filter and amplification component 124, and uses the crosspoint switch 126 to filter the representative signal. The data is passed to the ADC 114 and the amplification comparator 128. A comparator 128 is used to determine whether the amplitude of the analog representative signal exceeds a previously determined value and to indicate the start of a “pulse”. In response to the determination that the pulse has begun, the global positioning system (GPS) device 130 provides a time stamp that is stored in a time tag first in first out (FIFO) 132 in the field programmable gate array (FPGA) 116. used. The ADC 114 performs continuous digitization of the signal provided by the crosspoint switch 126. The ADC generates a digital signal with a 12-bit resolution sampled at 20 MHz. The digitized signal is sent to the digital adder 134 in the FPGA 116 described above. Adder 134 is used to add a group of four digital samples and generate a 5 MHz sample with 14-bit resolution. These 14-bit digital samples are placed in a signal FIFO 136 in the FPGA 116. The clock signal provided by the FPGA is used to control the flow of digital samples from the signal FIFO 136 to the ring buffer 138 present in the synchronous dynamic random access memory device (SD-RAM) 120. Access to the ring buffer 138 occurs by a dynamic memory access controller (DMA) 140 that is part of a digital signal processor (DSP) 118. The DMA controller 140 also transfers the event time stamp from the time tag FIFO 132 in the FPGA 116 to the time tag buffer 142 in the SD-RAM 120. A central processor unit (CPU) 144 provided in the DSP 118 is used to evaluate the data stored in the ring buffer 138 and the time stamp information stored in the time tag buffer 142. Data representing the signal of interest is placed in a result buffer 146 in the SD-RAM 120. The information then proceeds through the DSP-PC interface 148 to the host personal computer 122 where it is packaged for transmission.

リモートプログラム可能センサ110の信号調節及び分類態様は、以後アドレスされ、図7、8、9と、図10A−10Hにおけるフローチャートとによって例示される。   Signal conditioning and classification aspects of the remote programmable sensor 110 are addressed thereafter and are illustrated by the flowcharts in FIGS. 7, 8, and 9 and FIGS. 10A-10H.

アナログ処理
アンテナフィルタネットワーク300の基本構成要素は、図7において示される。アンテナ301は、微分信号をローパスフィルタ302(4極又はそれ以上)及びハイパスフィルタ304に与える。前記フィルタには、光非線形増幅段306が続く。電場及び磁場双方のアンテナは、これらが監視する電磁場信号の時間導関数に依存する信号を発生する。したがって、このアンテナ301は、微分アンテナと呼ばれる。アンテナ301のこの微分特性は、微分電磁信号がCG及びIC代表的信号間の振幅不均衡を2ないし4分の1に減少することが発見されているため、重要である。前世代稲妻検出システムは、このアンテナ特性を使用しなかった。実際には、大部分の稲妻検出システムは、アンテナ出力を積分し、電磁場の真の表現を得る。
Analog Processing The basic components of the antenna filter network 300 are shown in FIG. The antenna 301 provides the differential signal to a low-pass filter 302 (four poles or more) and a high-pass filter 304. The filter is followed by an optical nonlinear amplification stage 306. Both electric and magnetic field antennas generate signals that depend on the time derivative of the electromagnetic field signal they monitor. Therefore, this antenna 301 is called a differential antenna. This differential characteristic of antenna 301 is important because it has been discovered that differential electromagnetic signals reduce the amplitude imbalance between CG and IC representative signals by a factor of two to four. Previous generation lightning detection systems did not use this antenna characteristic. In practice, most lightning detection systems integrate the antenna output to get a true representation of the electromagnetic field.

4極ローパスフィルタ302は、微分信号に対する良好な過渡的応答を与えるのに使用される。ローパスフィルタ302の出力は、約300ヘルツのカットオフ周波数を有するハイパスフィルタ304に送られる。このフィルタの目的は、50/60ヘルツ電力線ノイズのようなおそらく人工の任意の信号を除去することである。これらの2つのフィルタ間の周波数範囲において、フィルタ処理は用いられない。これは、興味がある信号が存在するかもしれないこの帯域じゅうの信号の微分特性を保存する。前記フィルタのこの調整は、0.5−1MHz未満の周波数を積分されることなく通過させるように調整可能なアナログリーク型積分器を効果的に形成する。本発明の任意の構成要素は、CG及びIC代表的信号間の振幅不均衡をさらに減らす非線形増幅器306の使用である。図8の第1曲線310は、好適実施例における微分アンテナを含むリーク型フィルタネットワークの周波数応答を示す。第2曲線312は、時定数が過度の人工無線周波数ノイズを除去するように調整されたリーク型フィルタネットワークの周波数応答を例示する。   A 4-pole low pass filter 302 is used to provide a good transient response to the differential signal. The output of the low pass filter 302 is sent to a high pass filter 304 having a cutoff frequency of about 300 hertz. The purpose of this filter is to remove any possibly artificial signals such as 50/60 Hz power line noise. No filtering is used in the frequency range between these two filters. This preserves the differential characteristics of the signal throughout this band where the signal of interest may exist. This adjustment of the filter effectively forms an analog leak integrator that can be adjusted to pass frequencies below 0.5-1 MHz without being integrated. An optional component of the present invention is the use of a non-linear amplifier 306 that further reduces the amplitude imbalance between the CG and IC representative signals. A first curve 310 in FIG. 8 shows the frequency response of a leaky filter network including a differential antenna in the preferred embodiment. The second curve 312 illustrates the frequency response of a leaky filter network tuned to remove artificial radio frequency noise whose time constant is excessive.

好適実施例の非線形増幅器306は、小さい振幅の信号を大きい振幅の信号より不均衡に大きく増幅する。この用途に適した2つのタイプの非線形増幅器は、対数増幅器及び区分的線形増幅器である。これらのタイプの増幅器の双方は、CG及びIC信号間の振幅不均衡を12−24dB減少することができる。図9は、これらの非線形増幅器の入力−出力特性を例示する。第1曲線330は、対数増幅器の応答を示し、第2曲線332は、区分的線形増幅器の応答を例示する。   The non-linear amplifier 306 of the preferred embodiment amplifies a small amplitude signal more disproportionately than a large amplitude signal. Two types of nonlinear amplifiers suitable for this application are logarithmic amplifiers and piecewise linear amplifiers. Both of these types of amplifiers can reduce the amplitude imbalance between CG and IC signals by 12-24 dB. FIG. 9 illustrates the input-output characteristics of these nonlinear amplifiers. The first curve 330 shows the logarithmic amplifier response, and the second curve 332 illustrates the piecewise linear amplifier response.

図10Aを参照すると、微分代表的アナログ信号は、図5のアンテナ92から受けられる。ステップ150及び151は、代表的信号から高周波ノイズを除去するのに必要なローパスフィルタ処理と、それに続く、電力線ノイズを除去するのに使用されるハイパスフィルタ処理である。光非線形増幅152は、小さい振幅の信号を大きい振幅の信号より不均衡に大きく増幅し、CG及びIC信号間の振幅不均衡を減らすのに使用される。   Referring to FIG. 10A, a differential representative analog signal is received from antenna 92 of FIG. Steps 150 and 151 are the low pass filtering required to remove high frequency noise from the representative signal followed by the high pass filtering used to remove power line noise. Optical nonlinear amplification 152 is used to amplify small amplitude signals more disproportionately than large amplitude signals and reduce amplitude imbalance between CG and IC signals.

データ収集
図10Aにおける非線形増幅152に続いて、クロスポイントスイッチ154を使用し、アナログ情報は、しきい値比較156及びデジタル化162に送られる。代表的信号が予め決められた振幅値を超える場合、“しきい値交差時間”は、ステップ158において図6のGPS装置130を使用して確立され、ステップ160によって時間タグFIFO132内に置かれる。しきい値比較156と同時に、20MHzのレートにおける12ビット分解能連続デジタル化162は、図6のADC114において生じる。LF/VLFセンサにおいて、4つのサンプルごとにステップ166においてFPGA116のデジタル加算器134を使用して共に加算される。その結果、14ビット分解能を有する5MHzデータサンプルストリームは、ステップ168によってFPGA116の信号FIFOにおいて格納される。サンプルが終端に達するまでFIFO136を経て移動するプロセスは、ステップ170によって示される。FPGA116及びDMAコントローラ140によって与えられた制御ロジックは、信号FIFO136からSD−RAM120のリングバッファへのデジタルサンプルの流れを制御し、これは図10Bのステップ172によって示される。リングバッファ内のデータサンプルのアドレスにおいて内在するのは、1秒の割合値へのタイムスタンプである。DSP118における別個のクロック信号は、ステップ174によるリングバッファ138からDSPのCPU144中へのデータサンプルの読み出しを調整するのに使用される。実際には、ステップ172におけるリングバッファ中へのデータの伝送は、常に、ステップ174におけるリングバッファ外及びDSP CPU中へのデータの伝送の(時間において)数サンプル先である。このタイムラグは、一般に、図10Bにおける“未来バッファ”173によってグラフィックに表わされ、このラグが、DSPがステップ176において現在調査されているサンプルのいずれかの側における数個のサンプルを調査することを可能にする事実を記号化する。ステップ178は、時間タグバッファ142からCPU144へ次のタイムスタンプを与える。ステップ176は、現在のデータサンプルが、タイムスタンプによって示されるしきい値交差時間において又はその後に生じたかどうかの決定である。そうであれば、ステップ180は、デジタル化信号の振幅が、事象の終了に関して確立されたしきい値未満であったかどうかを決定するのに使用される。そうであれば、ステップ178によって再生されたタイムスタンプによるパルス開始を発生した事象は終了した、すなわち、パルスは終了したとみなされる。ステップ182は、時間タグバッファを興味ある次の事象に進めるのに使用され、ステップ184のパルス分類に進む。ステップ180の結果が、パルスは完了したとみなされず、我々はちょうどパルスを開始するであった場合、ステップ186及び188は、ノイズレベルより上の絶対的な大きさを有する現在のパルス内の第1データサンプルの時間を見つけるのに使用される。この時間は、タイムスタンプは現在のパルスが(ノイズフロアより高く設定された)予め決められたしきい値大きさを超ええた後にのみ記録されるため、ステップ178において再生されたタイムスタンプと同じではない。
Data Collection Following non-linear amplification 152 in FIG. 10A, analog information is sent to threshold comparison 156 and digitization 162 using crosspoint switch 154. If the representative signal exceeds a predetermined amplitude value, a “threshold crossing time” is established using the GPS device 130 of FIG. 6 at step 158 and placed in the time tag FIFO 132 by step 160. Simultaneous with threshold comparison 156, 12-bit resolution continuous digitization 162 at a rate of 20 MHz occurs in ADC 114 of FIG. In the LF / VLF sensor, every four samples are added together using the digital adder 134 of the FPGA 116 at step 166. As a result, a 5 MHz data sample stream having 14-bit resolution is stored in the signal FIFO of FPGA 116 by step 168. The process of moving through the FIFO 136 until the sample reaches the end is indicated by step 170. The control logic provided by the FPGA 116 and DMA controller 140 controls the flow of digital samples from the signal FIFO 136 to the ring buffer of the SD-RAM 120, which is indicated by step 172 in FIG. 10B. Inherent in the address of the data sample in the ring buffer is a time stamp to a rate value of 1 second. A separate clock signal at DSP 118 is used to coordinate the reading of data samples from ring buffer 138 into DSP CPU 144 at step 174. In practice, the transmission of data into the ring buffer in step 172 is always several samples ahead (in time) of the transmission of data out of the ring buffer and into the DSP CPU in step 174. This time lag is generally graphically represented by the “future buffer” 173 in FIG. 10B, which causes the DSP to examine several samples on either side of the sample currently being examined in step 176. Symbolize the fact that makes possible. Step 178 provides the next time stamp from the time tag buffer 142 to the CPU 144. Step 176 is a determination of whether the current data sample occurred at or after the threshold crossing time indicated by the timestamp. If so, step 180 is used to determine if the amplitude of the digitized signal was below an established threshold for the end of the event. If so, the event that caused the start of the pulse with the time stamp reproduced by step 178 is considered to be finished, ie the pulse is considered finished. Step 182 is used to advance the time tag buffer to the next event of interest and proceeds to pulse classification in step 184. If the result of step 180 is that the pulse is not considered complete and we have just started the pulse, steps 186 and 188 are the first in the current pulse with an absolute magnitude above the noise level. Used to find the time of one data sample. This time is not the same as the time stamp reproduced in step 178 because the time stamp is recorded only after the current pulse exceeds a predetermined threshold magnitude (set higher than the noise floor). Absent.

ステップ189及び190は、すべての以前のデータ値の重み付けされた合計に現在のデータ値を数的に加えることによって、代表的な電磁場信号を発生するのに使用され、前記重み付けは、サンプルの年齢の関数である。このプロセスは、デジタル積分器を構成し、興味ある帯域中の電磁場信号を、この点を通過する微分した電磁場信号を使用して再生する。図11は、本発明によるデジタル積分器の時間領域応答314を示す。図12は、本発明によるデジタル積分器の周波数領域応答316を示す。図10Cのステップ192の完了において、データサンプルはここで3つの成分、タイムスタンプと、導関数の電磁場信号の値と、代表的な電磁場信号それ自身の値とを有する。デジタル積分後の電磁場パルス293全体の表現信号は、図13において例示される   Steps 189 and 190 are used to generate a representative electromagnetic field signal by numerically adding the current data value to the weighted sum of all previous data values, said weighting being the age of the sample Is a function of This process constitutes a digital integrator and regenerates the electromagnetic field signal in the band of interest using the differentiated electromagnetic field signal passing through this point. FIG. 11 shows the time domain response 314 of a digital integrator according to the present invention. FIG. 12 shows the frequency domain response 316 of a digital integrator according to the present invention. At the completion of step 192 of FIG. 10C, the data sample now has three components, a timestamp, the value of the derivative electromagnetic field signal, and the value of the representative electromagnetic field signal itself. The representation signal of the entire electromagnetic field pulse 293 after digital integration is illustrated in FIG.

ピーク及びトラフとゼロ交差決定
ステップ194及び196は、ゼロ交差点に関する導関数信号の探索によって代表的な電磁場信号におけるピーク及びトラフを探すのに使用される。実際には、微分信号は、ある程度のノイズを含み、時間導関数におけるすべての小さい高周波符号変化を電磁場信号における重大なピーク及びトラフとしてフラグ立てすることなく、顕著なピーク及びフラグを保持するため、平滑化193(デジタルフィルタ処理)される必要がある。好適実施例において、この平滑化は、現在のサンプルのいずれかの側におけるいくつかのサンプルを含む。代表的な電磁場信号293の第1ピーク294と、第1トラフ295と、第2ピーク296と、ゼロ交差点297とは、図13において示される。現在のパルスにおけるピークの数は、ステップ200において記録される。ステップ202によれば、電磁場の代表的信号が極性的に変化した場合、ゼロ交差時間は、ステップ204において記録され、カウンタは、図10Dのステップ206において増分される。データサンプルが、ピーク、トラフ及びゼロ交差時間に関してテストされると、次のデータサンプルは、図10Dのステップ208においてDSPのCPU144中に読み出され、プロセスは、図10Bのステップ174に戻る。
Peak and Trough and Zero Crossing Determination Steps 194 and 196 are used to look for peaks and troughs in the representative electromagnetic field signal by searching the derivative signal for the zero crossing. In practice, the differential signal contains some noise and retains significant peaks and flags without flagging all small high frequency sign changes in the time derivative as significant peaks and troughs in the electromagnetic field signal, Smoothing 193 (digital filter processing) needs to be performed. In the preferred embodiment, this smoothing includes several samples on either side of the current sample. A first peak 294, a first trough 295, a second peak 296, and a zero crossing point 297 of an exemplary electromagnetic field signal 293 are shown in FIG. The number of peaks in the current pulse is recorded in step 200. According to step 202, if the representative signal of the electromagnetic field changes in polarity, the zero crossing time is recorded in step 204 and the counter is incremented in step 206 of FIG. 10D. Once a data sample has been tested for peak, trough and zero crossing times, the next data sample is read into the DSP's CPU 144 at step 208 in FIG. 10D and the process returns to step 174 in FIG. 10B.

図10A、10B、10C及び10Dによって例示されるプロセスステップは、興味ある信号を検出し、情報を収集するのに使用される。特に、ステップ208の終わりにあたって、以下の情報が決定されている、すなわち、(1)電磁場の代表的信号の現在のパルスにおけるピークの数、(2)現在のパルスにおけるトラフの数、(3)現在のパルスの各々のピーク及びトラフの時間及び振幅、(4)現在のパルスにおけるゼロ交差の数及び時間。   The process steps illustrated by FIGS. 10A, 10B, 10C and 10D are used to detect signals of interest and collect information. In particular, at the end of step 208, the following information has been determined: (1) the number of peaks in the current pulse of the representative signal of the electromagnetic field, (2) the number of troughs in the current pulse, (3) The time and amplitude of each peak and trough of the current pulse, (4) the number and time of zero crossings in the current pulse.

パルス分類
パルスが図10Bのステップ180において終了したと決定されると、プロセスは、ステップ184から図10Eのステップ242に進み、ここで、パルス分類が開始する。パルス分類は、ステップ244においてパルスに関するデフォルト値をIC事象として確立することによって開始する。全体のパルス持続時間は、ステップ246において評価される。パルスが持続時間において短すぎるか、パルス内の任意のピークの最大振幅が小さすぎる場合、事象はノイズと評価され、ステップ248において廃棄され、ゼロ交差、ピーク及びトラフのカウントはステップ250においてゼロにされ、プロセスは図10Bのステップ174に戻る。パルスが十分な持続時間を有する場合、ステップ252においてゼロ交差の過度の数に関して評価される。多すぎるゼロ交差は、ノイズの他の指標となり、この場合において、パルスはステップ248において廃棄され、プロセスは図10Bのステップ174に戻る。新たなパルス分類プロセスは、ステップ256によって例示され、ここで、パルスは、第1極性の最大ピークから反対の極性の最大ピークまで、短い時間の間に評価される。このテストの結果は、このテスト後、すべてのパルスは図10Fのステップ260におけるバイポーラ振幅比テストに進むため、一時的に保存されなければならない(ステップ257及び258)。このパルス分類パラメータは、第1ピーク294と第2ピーク296との間の時間によって与えられる。これらのピーク間に短い時間差を有するパルスは、ICパルス又はリーダパルスとして分類される。
Pulse Classification If it is determined that the pulse has ended in step 180 of FIG. 10B, the process proceeds from step 184 to step 242 of FIG. 10E, where pulse classification begins. Pulse classification begins by establishing a default value for the pulse as an IC event in step 244. The total pulse duration is evaluated at step 246. If the pulse is too short in duration or the maximum amplitude of any peak in the pulse is too small, the event is evaluated as noise and discarded in step 248 and zero crossings, peaks and trough counts are zeroed in step 250. The process then returns to step 174 of FIG. 10B. If the pulse has sufficient duration, it is evaluated at step 252 for an excessive number of zero crossings. Too many zero crossings is another indicator of noise, in which case the pulse is discarded in step 248 and the process returns to step 174 in FIG. 10B. The new pulse classification process is illustrated by step 256, where the pulses are evaluated in a short time from the maximum peak of the first polarity to the maximum peak of the opposite polarity. The result of this test must be temporarily saved (steps 257 and 258) since after this test all pulses proceed to the bipolar amplitude ratio test in step 260 of FIG. 10F. This pulse classification parameter is given by the time between the first peak 294 and the second peak 296. Pulses with a short time difference between these peaks are classified as IC pulses or leader pulses.

バイポーラ振幅比テスト
ステップ260は、任意のその後の反対極性ピークの最大のもの(図13の299)が、最初の極性の最大ピーク294のあらかじめ決められた割合値より大きいかどうかを決定するのに使用される。反対極性ピーク時間差(図10Eの256)が短い事象において、バイポーラ振幅比は、バイポーラIC放電パルスと、ユニポーラに近くなる傾向にあるリーダパルスとを識別する。したがって、ステップ260の後、反対極性ピーク時間テストの結果は調査されなければならない(ステップ261、263)。バイポーラ振幅比260が大きく、反対極性ピーク時間結果が真である場合(ステップ263)、パルスは、リーダによると分類される(ステップ264)。好適実施例において、リーダパルスは、IC放電パルスの特別な場合と考えられる。ステップ264及び265を過ぎて、他のテストは必要とされず、IC放電パルス情報は図10Hのステップ284において保存される(267)。他方において、バイポーラ振幅比が大きい場合、反対極性ピーク時間結果は偽であり(ステップ263)、パルスは、ステップ270において、遠くのCG雷撃によると分類される。最終的に、バイポーラ振幅比が小さく、反対極性ピーク時間結果が偽である場合(ステップ261)、パルスは、ステップ268において、CG復帰雷撃(遠くない)によると分類される。いずれかの事象において、パルス分類はステップ271において続く。任意に、分類は、IC放電を除去するのに使用される場合、パルスは、ステップ266において廃棄されてもよく、プロセスは図10Bのステップ174に戻る。
The bipolar amplitude ratio test step 260 determines whether the maximum of any subsequent opposite polarity peak (299 in FIG. 13) is greater than a predetermined percentage value of the maximum peak 294 of the first polarity. used. In events where the opposite polarity peak time difference (256 in FIG. 10E) is short, the bipolar amplitude ratio distinguishes between bipolar IC discharge pulses and leader pulses that tend to be close to unipolar. Therefore, after step 260, the results of the opposite polarity peak time test must be examined (steps 261, 263). If the bipolar amplitude ratio 260 is large and the opposite polarity peak time result is true (step 263), the pulse is classified according to the reader (step 264). In the preferred embodiment, the leader pulse is considered a special case of an IC discharge pulse. Beyond steps 264 and 265, no other tests are required and the IC discharge pulse information is saved in step 284 of FIG. 10H (267). On the other hand, if the bipolar amplitude ratio is large, the opposite polarity peak time result is false (step 263) and the pulse is classified in step 270 as due to a distant CG lightning strike. Eventually, if the bipolar amplitude ratio is small and the opposite polarity peak time result is false (step 261), the pulse is classified in step 268 as CG return lightning strike (not far). In any event, pulse classification continues at step 271. Optionally, if classification is used to remove the IC discharge, the pulse may be discarded at step 266 and the process returns to step 174 of FIG. 10B.

ピーク・ツー・ゼロテスト
ゼロ時間に対する第1ピークは、図10Fのステップ271において評価される。図13のピーク・ツー・ゼロ時間298が持続時間において比較的長い場合、パルスはその分類をCG事象として保持する。ピーク・ツー・ゼロ時間298が短い場合、パルスは、ステップ262において、IC事象として再分類される。いずれかの事象において、パルス分類は図10Gのステップ274において続く。
Peak-to-zero test The first peak for zero time is evaluated in step 271 of FIG. 10F. If the peak-to-zero time 298 in FIG. 13 is relatively long in duration, the pulse retains its classification as a CG event. If the peak-to-zero time 298 is short, the pulse is reclassified as an IC event in step 262. In either event, pulse classification continues at step 274 of FIG. 10G.

第1ピークより大きい第2ピークテスト
図10Gのステップ274は、同じ極性の2つ以上のピーク(図13の294、296)が、反対の極性のピーク299の前に生じるかどうかを決定する。生じなければ、パルス分類はステップ282において終了する。そうでなければ、追加のテスト276は、パルス内の同じ極性の第2ピーク296が、パルスの第1ピーク294より十分に大きいかどうかを決定するのに使用される。真であれば、パルスは、ステップ280において雲放電として再分類される。そうでなければ、パルスは、CG放電としてその分類を保つ。いずれかの場合において、分類はステップ282において終了し、プロセスは、パルス情報の記録、図10Hのステップ284に進む。
Second Peak Test Greater Than First Peak Step 274 in FIG. 10G determines whether two or more peaks of the same polarity (294, 296 in FIG. 13) occur before peaks 299 of opposite polarity. If not, the pulse classification ends at step 282. Otherwise, an additional test 276 is used to determine whether the second peak 296 of the same polarity in the pulse is sufficiently larger than the first peak 294 of the pulse. If true, the pulse is reclassified as a cloud discharge in step 280. Otherwise, the pulse keeps its classification as a CG discharge. In either case, the classification ends at step 282 and the process proceeds to record pulse information, step 284 of FIG. 10H.

パルス情報保存
図10Hのステップ284は、パルス情報及び事象分類を格納するプロセスを開始する。ステップ286において、パルスは、以下の情報によって規定される、すなわち、しきい値交差時間、開始時間、第1及び第2ピーク時間、第1立ち上がり時間、第1及び第2ピーク振幅、ピーク・ツー・ゼロ時間、逆極性ピーク時間及び振幅、第1ゼロ交差における電磁場導関数、パルス分類。ステップ288において、この情報は、図6におけるSD−RAMの結果バッファ146において格納される。この時点において、プロセスは、新たなデータサンプルを得て(ステップ289)、図10Bのステップ174に戻る。同時に、288において結果バッファに保存されたパルス情報は、パルス列を見つけ処理する他のプロセス290に利用可能になる。
Save Pulse Information Step 284 of FIG. 10H begins the process of storing pulse information and event classification. In step 286, the pulse is defined by the following information: threshold crossing time, start time, first and second peak times, first rise time, first and second peak amplitudes, peak to two. Zero time, reverse polarity peak time and amplitude, electromagnetic field derivative at the first zero crossing, pulse classification. In step 288, this information is stored in the SD-RAM result buffer 146 in FIG. At this point, the process obtains a new data sample (step 289) and returns to step 174 of FIG. 10B. At the same time, the pulse information stored in the result buffer at 288 is made available to other processes 290 that find and process the pulse train.

図14のフローチャートは、個々のパルスをパルス列にグループ化するプロセスを例示する。パルス列処理は、ステップ412において開始し、パルス情報が図10Hのステップ288において結果バッファ146に格納されたとき開始する。最も最近のパルスと前のパルスとの間の時間は、ステップ414において評価される。2つのパルス間の期間が予め決められた量を超える場合、前のパルスはステップ416で調査され、存在するパルス列の一部であるかどうかを決定する。そうであれば、存在するパルス列は、終了したとみなされ、データはステップ422において圧縮され、圧縮されたデータは、ステップ424においてホストPC122に送られ、前のパルスとその関連するパルス列とは、ステップ426において結果バッファ146から除去され、パルス列バッファは、ステップ428においてきれいにされる。前のパルスが存在するパルス列の一部ではない場合、間のパルスは、図10Hのステップ286において保存されたすべてのパラメータと共に、ステップ418においてホストPC122に転送され、ステップ420において結果バッファ146から除去される。ステップ414において評価された期間が、予め決められた量未満であるとわかった場合、ステップ430において、前のパルスは評価され、存在するパルス列に属するかどうかを決定する。そうであれば、任意のPTKテストはステップ432において行われ、ステップ436において、最新パルスの振幅は評価され、現在のパルス列の任意の前のパルスより大きいかどうかを決定する。現在のパルス列の任意の前のパルスより大きいことがわかった場合、最新パルスはステップ438においてフラグ立てされる。ステップ430に戻って、前のパルスが現在のパルス列の一部ではない場合、ステップ434において、前のパルスで開始する新たなパルス列が形成され、プロセスはステップ432、436及び438に進む。このプロセスの最終ステップは、ステップ440において、最新パルスを結果バッファ146における第2最新パルスの位置に移動し、次に、ステップ412に戻り、次のパルスの到着を待つことである。最大待ち時間は、活動がほとんどない場合、合理的な期間内でパルスが中央解析器に伝送されるのを確実にするのにも使用される。   The flowchart of FIG. 14 illustrates the process of grouping individual pulses into pulse trains. Pulse train processing begins at step 412 and begins when pulse information is stored in result buffer 146 at step 288 of FIG. 10H. The time between the most recent pulse and the previous pulse is evaluated at step 414. If the period between two pulses exceeds a predetermined amount, the previous pulse is examined at step 416 to determine if it is part of an existing pulse train. If so, the existing pulse train is considered complete, the data is compressed in step 422, and the compressed data is sent to the host PC 122 in step 424, where the previous pulse and its associated pulse train are The result buffer 146 is removed at step 426 and the pulse train buffer is cleaned at step 428. If the previous pulse is not part of an existing pulse train, the intervening pulses are transferred to the host PC 122 at step 418 along with all parameters stored at step 286 of FIG. 10H and removed from the result buffer 146 at step 420. Is done. If the time period evaluated in step 414 is found to be less than the predetermined amount, in step 430 the previous pulse is evaluated to determine if it belongs to an existing pulse train. If so, an optional PTK test is performed at step 432 and at step 436 the amplitude of the latest pulse is evaluated to determine if it is greater than any previous pulse in the current pulse train. If it is found that it is greater than any previous pulse in the current pulse train, the latest pulse is flagged at step 438. Returning to step 430, if the previous pulse is not part of the current pulse train, then in step 434, a new pulse train starting with the previous pulse is formed and the process proceeds to steps 432, 436 and 438. The final step in this process is to move the latest pulse to the position of the second latest pulse in the result buffer 146 in step 440 and then return to step 412 to wait for the arrival of the next pulse. The maximum latency is also used to ensure that pulses are transmitted to the central analyzer within a reasonable period of time when there is little activity.

前世代の稲妻検出システムにおいて、“プレトリガ抑制”テストは、CG雷撃が反対の極性の事象によって直前に先行されるかどうかを決定することから成る。そうであれば、現在のパルス及び前のパルスの双方は、これらはおそらくIC放電又はノイズ又は干渉によって生じたとみなされるため、廃棄される。これらの従来のシステムにおいて、これらのパルスを廃棄することは、アナログハードウェアをさらなる解析に拘束するよりも効率的だとみなされていた。しかしながら、本発明において、より完全なプレトリガ抑制テストを行うことがより効率的であることがわかった。図15を参照すると、フローチャートは、図14において参照されたプレトリガ抑制テストを例示する。このテストは、ステップ450で開始する。現在のパルスは、ステップ452において評価され、CG雷撃かどうかを決定する。そうでない場合、プロセスは、パルス列処理アルゴリズムステップ466に戻る。しかしながら、現在のパルスがCG雷撃である場合、最初にステップ453においてホストPCに伝送され、図10Hのステップ286において完全な特徴データセット保存される。次に、前のパルスは、ステップ454において調査され、IC事象であるかどうかを決定する。そうでない場合、プロセスは、ステップ466におけるパルス列処理アルゴリズムに戻る。現在のパルスがCG雷撃の結果であり、前のパルスがIC事象によって生じた場合、アルゴリズムの次のステップ456は、現在のパルス及び前のパルスが反対の極性を有するかどうかを決定することである。そうでない場合、プロセスは、ステップ466におけるパルス列処理アルゴリズムに戻る。双方のパルスが反対の極性を有する場合、現在のパルス列は、ステップ458−464において廃棄され、プロセスは、図14のステップ412に戻る。   In previous generations of lightning detection systems, the “pretrigger suppression” test consists of determining whether a CG lightning strike is immediately preceded by an event of opposite polarity. If so, both the current pulse and the previous pulse are discarded as they are probably caused by IC discharge or noise or interference. In these conventional systems, discarding these pulses was considered more efficient than constraining the analog hardware to further analysis. However, it has been found that it is more efficient to perform a more complete pretrigger suppression test in the present invention. Referring to FIG. 15, the flowchart illustrates the pre-trigger suppression test referenced in FIG. This test begins at step 450. The current pulse is evaluated at step 452 to determine if it is a CG lightning strike. If not, the process returns to pulse train processing algorithm step 466. However, if the current pulse is a CG lightning strike, it is first transmitted to the host PC in step 453, and the complete feature data set is saved in step 286 of FIG. 10H. The previous pulse is then examined at step 454 to determine if it is an IC event. Otherwise, the process returns to the pulse train processing algorithm in step 466. If the current pulse is the result of a CG lightning strike and the previous pulse was caused by an IC event, the next step 456 of the algorithm is to determine if the current pulse and the previous pulse have opposite polarities. is there. Otherwise, the process returns to the pulse train processing algorithm in step 466. If both pulses have opposite polarities, the current pulse train is discarded at steps 458-464 and the process returns to step 412 of FIG.

本発明の要約において言及したように、RPSセンサは、前世代センサより少なくとも一桁多い稲妻放電を検出し評価することができる。したがって、稲妻情報を中央解析器に送る改善された方法が必要とされる。本発明は、図14のプロセスによってパルス列において生じる稲妻放電に関する新たなデータ圧縮プロセスを使用する。最大パルスは、基準パルスと、その振幅、時間及び方向(利用可能なら)とが、88ビットデータ記録において含まれるため、設計される。パルス列における他のパルスは、基準パルスの割合値となる振幅と、前又は次のパルスのいずれかの時間に対するタイムスタンプとによって表され、24ビットデータ記録によって表わされる。これは、伝送しなければならない情報を大きく減少する。   As mentioned in the summary of the present invention, the RPS sensor can detect and evaluate at least one digit more lightning discharge than the previous generation sensor. Therefore, an improved method for sending lightning information to a central analyzer is needed. The present invention uses a new data compression process for lightning discharge produced in the pulse train by the process of FIG. The maximum pulse is designed because the reference pulse and its amplitude, time and direction (if available) are included in the 88-bit data record. Other pulses in the pulse train are represented by an amplitude that is a percentage value of the reference pulse and a time stamp relative to the time of either the previous or next pulse, and represented by a 24-bit data record. This greatly reduces the information that must be transmitted.

図16を参照すると、6個の電磁パルス470は、これらの関係する数分の1秒時間472と、マイクロ秒における時間474と、振幅476とを列挙される。これらのパルス例は、2001年8月6日午前0時において生じた。第1パルスは、この日の午前0時の500ミリ秒後に生じ、図17において詳細に表される。この例における最大パルスの完全なタイムスタンプは、1970年1月1日(UNIX(登録商標)時間)から997056000秒である。このタイムスタンプの32ビット16進法表現480は、3B6DDE00hである。割合値の時間カウントは、500マイクロ秒を予め決められた時間単位によって割ることによって導き出され、前記時間単位は、20MHz ADCの使用のため、好適実施例において50ナノ秒である(各々の50ナノ秒周期は“50ナノ秒カウント”)。50ナノ秒で割った500マイクロ秒は、10000個の割合値の時間カウントを生じる。この割合値の時間カウントの16進法表現482は、2710hである。第1パルス471の振幅(4400カウント)の16進法表現484は、1130hである。この特定のセンサは、方向情報を与えず、359.99度の値を角度測定として指定することによって指示する。この角度情報の16進法表現486は、7FFFhである。このパルスがIC放電によって発生されたことの決定は、“1”のバイナリ値488によって示される(CG雷撃は“0”ビットを発生する)。   Referring to FIG. 16, six electromagnetic pulses 470 are listed with their related fractional second time 472, time 474 in microseconds, and amplitude 476. These pulse examples occurred at midnight on August 6, 2001. The first pulse occurs 500 milliseconds after midnight on this day and is represented in detail in FIG. The complete time stamp of the maximum pulse in this example is from January 1, 1970 (UNIX time) to 97056000 seconds. The 32-bit hexadecimal representation 480 of this time stamp is 3B6DDE00h. The time count of the percentage value is derived by dividing 500 microseconds by a predetermined time unit, which is 50 nanoseconds in a preferred embodiment (each 50 nanoseconds) for the use of a 20 MHz ADC. Second cycle is "50 nanosecond count"). 500 microseconds divided by 50 nanoseconds results in a time count of 10,000 rate values. The hexadecimal representation 482 of the time count of this percentage value is 2710h. The hexadecimal representation 484 of the amplitude (4400 counts) of the first pulse 471 is 1130h. This particular sensor gives no direction information and indicates by specifying a value of 359.999 degrees as the angle measurement. The hexadecimal representation 486 of this angle information is 7FFFh. The determination that this pulse was generated by an IC discharge is indicated by a binary value 488 of “1” (CG lightning strikes generate “0” bits).

データ圧縮
図18及び19と、図20A−20Dのフローチャートの例示は、パルス列をデータ記録中に圧縮するプロセスを例示するのに使用される。
Data Compression The illustrations of the flowcharts of FIGS. 18 and 19 and FIGS. 20A-20D are used to illustrate the process of compressing a pulse train during data recording.

パルスのグループ化中(図14)、最大振幅パルスは確認される。この例において、図16の第2パルス473は、5100カウントの振幅を有する最大である。時間と、秒カウントの割合値と、振幅と、角度と、分類と、より小さいパルスの割合値となる振幅が含まれるかどうかを示す追加のビットとを含む最大振幅パルス473のバイナリ表現は、本発明によって発生される。図18は、圧縮アルゴリズムによる本例に関する最大パルスの88ビット圧縮表現490を示す。最大振幅パルス473の16進法表現は、図18におけるバイナリ表現490によって示される。   During the grouping of pulses (FIG. 14), the maximum amplitude pulse is confirmed. In this example, the second pulse 473 of FIG. 16 is a maximum with an amplitude of 5100 counts. The binary representation of the maximum amplitude pulse 473, including time, fractional value of second count, amplitude, angle, classification, and an additional bit that indicates whether the amplitude that results in the fractional value of the smaller pulse is included, is Generated by the present invention. FIG. 18 shows an 88-bit compressed representation 490 of the maximum pulse for this example according to the compression algorithm. The hexadecimal representation of the maximum amplitude pulse 473 is shown by the binary representation 490 in FIG.

本発明によれば、最大振幅パルス473以外の同じパルス列におけるパルスは、最大パルス473に対する割合値となる振幅と、前又は次のパルスに対する時間差とによって表される。最大パルス前の各々のパルスに関して、時間差は、現在パルスの50ナノ秒時間カウントを、これに続くパルスの50ナノ秒時間カウントから引くことによって確立され、結果として、負である13ビット符号付きバイナリ数を生じる。同様に、最大パルス後の各パルスに関して、時間差は、現在パルスの50ナノ秒カウントを、その前のパルスの50ナノ秒カウントから引くことによって与えられ、結果として、正である13ビット符号付き値を生じる。最大パルス以外のすべてのパルスに関して、パルスの割合値となる振幅は、現在パルスの振幅に1000を掛け、最大パルスの振幅で割り、結果を最も近い整数に四捨五入することによって計算される。この整数は、次に、10ビットバイナリ数によって表される。1ビットバイナリフラグは、パルスがCG事象によるか(“0”)、又はIC事象によるか(“1”)を示すのに使用される。13ビット時間差と、1ビット分類フラグと、10ビットの割合値となる振幅とは、一緒に連結され、図19におけるバイナリ表現500と、これらの16進法等価物502とを発生する。したがって、図16の6個のパルスは、最大振幅パルスに関して図18の1つの88ビットデータ記録490と、最大パルス以外の5個のパルスに関して図19の5個の24ビットデータ記録500とによって表される。本発明の他の任意の実施例は、上記で言及された13ビット時間差及び10ビットの割合値となる振幅より、15ビット符号付き時間差値及び8ビットの割合値となる振幅値を使用する。この23ビットデータ記録設計の他のバージョンは、最大期間と振幅分解能との間のトレードオフを考慮するように使用されてもよい。   According to the present invention, pulses in the same pulse train other than the maximum amplitude pulse 473 are represented by an amplitude that is a ratio value to the maximum pulse 473 and a time difference with respect to the previous or next pulse. For each pulse before the maximum pulse, the time difference is established by subtracting the 50 ns time count of the current pulse from the 50 ns time count of the following pulse, resulting in a 13-bit signed binary that is negative. Yield number. Similarly, for each pulse after the maximum pulse, the time difference is given by subtracting the 50 nanosecond count of the current pulse from the 50 nanosecond count of the previous pulse, resulting in a positive 13-bit signed value. Produce. For all pulses other than the maximum pulse, the amplitude resulting in the pulse percentage is calculated by multiplying the current pulse amplitude by 1000, dividing by the maximum pulse amplitude, and rounding the result to the nearest whole number. This integer is then represented by a 10-bit binary number. The 1-bit binary flag is used to indicate whether the pulse is due to a CG event (“0”) or an IC event (“1”). The 13-bit time difference, the 1-bit classification flag, and the 10-bit percentage amplitude are concatenated together to produce the binary representation 500 in FIG. 19 and their hexadecimal equivalent 502. Thus, the six pulses of FIG. 16 are represented by one 88-bit data record 490 of FIG. 18 for the maximum amplitude pulse and five 24-bit data records 500 of FIG. 19 for five pulses other than the maximum pulse. Is done. Other optional embodiments of the present invention use a 15-bit signed time difference value and an 8-bit ratio value amplitude value than the 13-bit time difference and 10-bit ratio value amplitude referred to above. Other versions of this 23-bit data recording design may be used to account for the trade-off between maximum duration and amplitude resolution.

図20A−20Dは、本発明による圧縮プロセスを例示するのに使用される。ステップ504において、最大振幅の位置が認識される。ステップ506において、最大パルスの32ビットタイムスタンプ及び25ビット50ナノ秒カウントが格納される。振幅の割合値が、パルス列の他のパルスの表現において使用されるべき場合(ステップ508)、振幅の割合値フラグビットはステップ512においてセットされ、そうでなければ、ステップ510においてきれいにされる。最大パルスの振幅の14ビットバイナリ表現は、ステップ514において格納される。方向情報が与えられる場合(ステップ516)、最大パルスの方位角の15ビットバイナリ表現は、ステップ520において発生され、そうでない場合、359.99度に関する15ビットバイナリ表現は、ステップ518において使用される。プロセスは、図20Bのステップ522において続き、ここで、事象の形式を示すフラグがセットされる。バイナリ“1”は、IC事象を示し、“0”は、CG事象を示す。“現在パルス”ポインタは、ステップ524において、最大パルスの前のパルスを現すデータ構造にセットされる。13ビット値は、ステップ528及び530において、現在パルスと、パルス列におけるそのすぐ後のパルスとの間の時間差に関して発生される。ステップ532において、プロセスは、振幅の割合値が使用されているかどうかを決定し、そうであれば、10ビット値が、ステップ534及び536において、最大パルスのすぐ前のパルスの振幅の割合値に関して発生され、分類ビットが、図20Cのステップ538においてセットされる。ステップ524において初期化されたポインタは、次に、ステップ540においてディクレメントされ、プロセスは、ポインタがパルス列の開始に達するまで、図20Bのステップ526へループする。   20A-20D are used to illustrate the compression process according to the present invention. In step 504, the position of maximum amplitude is recognized. In step 506, the 32-bit timestamp of the maximum pulse and the 25-bit 50 nanosecond count are stored. If the amplitude percentage value is to be used in the representation of other pulses in the pulse train (step 508), the amplitude percentage value flag bit is set in step 512, otherwise it is cleared in step 510. A 14-bit binary representation of the maximum pulse amplitude is stored in step 514. If direction information is provided (step 516), a 15-bit binary representation of the maximum pulse azimuth is generated in step 520, otherwise a 15-bit binary representation for 359.999 degrees is used in step 518. . The process continues at step 522 of FIG. 20B where a flag indicating the type of event is set. Binary “1” indicates an IC event, and “0” indicates a CG event. The “current pulse” pointer is set in step 524 to a data structure representing the pulse before the maximum pulse. A 13-bit value is generated in steps 528 and 530 for the time difference between the current pulse and the immediately following pulse in the pulse train. In step 532, the process determines whether an amplitude percentage value is used, and if so, the 10-bit value is determined in steps 534 and 536 with respect to the amplitude percentage value of the pulse immediately before the maximum pulse. The classification bit is generated and set in step 538 of FIG. 20C. The pointer initialized in step 524 is then decremented in step 540 and the process loops to step 526 in FIG. 20B until the pointer reaches the start of the pulse train.

ポインタが列の開始に達したら、最大パルスの前のすべてのパルスが符号化されたことを示し、ポインタは、最大パルス後の第1パルスにリセットされる(図20Cのステップ542)。13ビット値は、図20Cのステップ546及び548において、最大パルスと、パルス列においてそれより前のパルスとの間の時間差に関して発生される。図20Dのステップ550において、プロセスは、振幅の割合値が使用されているかどうかを決定し、そうである場合、10ビット値は、ステップ552及び554において、最大パルス直後のパルスの振幅の割合値に関して発生され、分類ビットは、図20Dのステップ556においてセットされる。ステップ542におけるポインタセットは、ステップ558においてインクリメントされ、プロセスは、ポインタがパルス列の終了に達するまで、図20Cのステップ544へループする。これが生じる場合、情報は、本発明によって圧縮され、図20Dのステップ560において中央解析器に伝送される準備ができ、この時点において、プロセスは終了する(ステップ562)。   When the pointer reaches the beginning of the column, it indicates that all pulses before the maximum pulse have been encoded, and the pointer is reset to the first pulse after the maximum pulse (step 542 in FIG. 20C). A 13-bit value is generated in steps 546 and 548 of FIG. 20C for the time difference between the maximum pulse and the previous pulse in the pulse train. In step 550 of FIG. 20D, the process determines whether an amplitude percentage value is being used, and if so, the 10-bit value is the amplitude percentage value of the pulse immediately following the maximum pulse in steps 552 and 554. The classification bit is set in step 556 of FIG. 20D. The pointer set in step 542 is incremented in step 558 and the process loops to step 544 in FIG. 20C until the pointer reaches the end of the pulse train. If this occurs, the information is compressed according to the present invention and is ready to be transmitted to the central analyzer in step 560 of FIG. 20D, at which point the process ends (step 562).

リモートプログラム可能センサ12と中央解析器20との間の情報の伝送は、パケット又はメッセージとして生じる。これらのメッセージは、いくつかの8ビットバイナリワードで形成される。パケットのサイズは、パルス列におけるパルスの数によって可変である。パルス列におけるパルスがより多くなると、メッセージはより大きくなる。各々のメッセージは、パルス列における最大パルスを表す11バイトを含む。メッセージは、振幅の割合値が使用されている場合、パルス列における各々の追加のパルスに関する他の3バイトも含む。そうでない場合、メッセージは、パルス列における各々の追加のパルスに関する1と4分の3(実際には2)バイトを含む。   Transmission of information between the remote programmable sensor 12 and the central analyzer 20 occurs as a packet or message. These messages are made up of several 8-bit binary words. The size of the packet is variable depending on the number of pulses in the pulse train. The more pulses in the pulse train, the larger the message. Each message includes 11 bytes representing the maximum pulse in the pulse train. The message also includes the other 3 bytes for each additional pulse in the pulse train if the amplitude percentage value is used. Otherwise, the message contains 1 and 3/4 (actually 2) bytes for each additional pulse in the pulse train.

ときどき、VHF周波数範囲において動作するセンサにおいて特に、パルス列の圧縮さえ、リアルタイムにおいて、すべてのパルスを利用可能な通信システムによって伝送することを可能にするのには不十分である。このような状況において、センサは、特定の期間において生じるパルス又はパルス列の一部のみを選択し、これらのみを伝送することができる。より特には、時間は、秒の開始を基準とする短い期間(例えば、50ミリ秒周期)に分割される。通信システムにおける情報のバックアップの事象において(出力バッファにおけるデータ蓄積によって明らかなように)、データ量は、これらの期間の集合における最初の数事象に減少する。例えば、我々は、1秒における20の50ミリ秒周期の各々からの最初の事象のみを伝送することができる。この“データデシメーション”アルゴリズムは、GPS時間情報によってネットワークにおけるすべてのセンサ間で同期され、その結果、すべてのセンサは、同じ期間に対応するデータを伝送することを保証される。中央解析器の動作は、以下に説明される。   Sometimes, even in sensors operating in the VHF frequency range, even pulse train compression is insufficient to allow all pulses to be transmitted by available communication systems in real time. In such a situation, the sensor can only select and transmit only some of the pulses or pulse trains that occur in a particular time period. More particularly, the time is divided into short periods (eg, 50 millisecond periods) relative to the start of the second. In the event of information backup in a communication system (as evidenced by data accumulation in the output buffer), the amount of data decreases to the first few events in the set of these periods. For example, we can only transmit the first event from each of the 20 50 millisecond periods in 1 second. This “data decimation” algorithm is synchronized between all sensors in the network by GPS time information, so that all sensors are guaranteed to transmit data corresponding to the same period. The operation of the central analyzer is described below.

データ伸張
情報が中央解析器によって受けられると、伸張されなければならない。図21A−21Cのフローチャートは、リモートプログラム可能センサから受けたメッセージを伸張するのに必要なプロセスを表す。メッセージにおけるバイト数は、図21Aのステップ572において決定される。最大パルスのタイムスタンプは、ステップ574におけるメッセージから抽出され、振幅の割合値の使用は、ステップ578において決定される。メッセージにおけるパルスの合計数は、振幅の割合値が使用されない場合、ステップ580において、振幅の割合値が使用される場合、ステップ582において決定される。このアルゴリズムは、ステップ572において決定されたメッセージ全体におけるバイト数をとり、最大振幅パルスを記述するのに必要なワード数、7ワードを引く。この結果は、圧縮されたパルスを表すのに必要なバイト数、振幅の割合値が使用されない場合は2、振幅の割合値が使用される場合は3で割られる。1の量が、前記商に加えられ、パルス列におけるパルスの全体数を発生する。
Data decompression When information is received by the central analyzer, it must be decompressed. The flowchart of FIGS. 21A-21C represents the process necessary to decompress a message received from a remote programmable sensor. The number of bytes in the message is determined in step 572 of FIG. 21A. The maximum pulse time stamp is extracted from the message in step 574 and the use of the amplitude percentage value is determined in step 578. The total number of pulses in the message is determined in step 580 if the amplitude percentage value is not used, and in step 582 if the amplitude percentage value is used. This algorithm takes the number of bytes in the entire message determined in step 572 and subtracts 7 words, the number of words needed to describe the maximum amplitude pulse. This result is divided by the number of bytes required to represent the compressed pulse, 2 if the amplitude percentage value is not used, and 3 if the amplitude percentage value is used. A quantity of 1 is added to the quotient to generate the total number of pulses in the pulse train.

最大パルスの振幅は、ステップ584において決定され、事象分類は、ステップ586において決定される。ループカウンタは、図21Bのステップ588においてゼロに初期化される。ループは、パルス列におけるすべての残りのパルスを通して進むのに使用される。各々の符号付き時間差は、ステップ592において、圧縮されたデータストリームから抽出され、最大パルス(決定ステップ594において決定されたように、ループを通じて第1回目ならステップ602、又は、決定ステップ596において決定されたように、時間差が符号を変化した場合、ステップ600)、又は、最も最近デコードされたパルスの時間(ステップ598)のいずれかのタイムスタンプに加えられ、各々のパルスが発生した絶対時間を発生する。パルス分類は、ステップ604において決定される。図21Cのステップ606は、振幅の割合値が圧縮されたデータにおいて含まれるかどうかを決定するのに使用される。そうであれば、各々のパルスの実際の振幅は、図21Cのステップ608及び610において再生される。ループカウンタは612においてインクリメントされ、プロセスは図21Bのステップ590に戻る。ループは、ループカウンタが、パルス列におけるすべてのパルスが伸張されたことを示す、ステップ580又はステップ582において決定されたパルス数に等しくなるまで続く。この時点において、プロセスは、図21Cのステップ614において終了する。   The maximum pulse amplitude is determined in step 584 and the event classification is determined in step 586. The loop counter is initialized to zero in step 588 of FIG. 21B. The loop is used to proceed through all remaining pulses in the pulse train. Each signed time difference is extracted from the compressed data stream in step 592 and determined in step 602 or decision step 596 if it is the first pulse through the loop (as determined in decision step 594). As such, if the time difference changes sign, it is added to the time stamp of either step 600) or the time of the most recently decoded pulse (step 598) to generate the absolute time that each pulse occurred. To do. The pulse classification is determined in step 604. Step 606 of FIG. 21C is used to determine whether an amplitude percentage value is included in the compressed data. If so, the actual amplitude of each pulse is recovered in steps 608 and 610 of FIG. 21C. The loop counter is incremented at 612 and the process returns to step 590 of FIG. 21B. The loop continues until the loop counter is equal to the number of pulses determined in step 580 or step 582, indicating that all pulses in the pulse train have been stretched. At this point, the process ends at step 614 of FIG. 21C.

情報が伸張されたら、他のリモートプログラム可能センサ12からの情報と比較され、稲妻事象の位置、振幅及び発生時間を決定する。同じ稲妻事象によって発生されたパルス列を検出することによって与えられた増加された情報により、改善された相関技術が必要とされる。   Once the information is decompressed, it is compared with information from other remote programmable sensors 12 to determine the location, amplitude and time of occurrence of the lightning event. With the increased information provided by detecting the pulse train generated by the same lightning event, improved correlation techniques are needed.

パルス相関
4つのパルス列は、図22において例示される。第1パルス列650は、稲妻事象からセンサまでの最も早い到着時間と、多いパルス数(13)とによって示されるように、稲妻活動の場所に最も近いリモートプログラム可能センサ12によって検出される。第2パルス列652は、より後の到着と、より小さい振幅のより少ない(8)パルスとによって示されるように、第1パルス列650を発生したセンサより稲妻活動からさらに遠くに位置するリモートプログラム可能センサ12によって検出される。第3パルス列654に関するリモートプログラム可能センサ12は、第2パルス列を発生するセンサより稲妻活動からさらに遠くに位置する。第3パルス列654は、振幅が第1又は第2パルス列のものより著しく小さいパルスを4個のみ有する。第4パルス列656は、稲妻活動から最も遠いリモートプログラム可能センサ12によって検出される。3個のパルスのみがこのパルス列において明白である。
Pulse Correlation Four pulse trains are illustrated in FIG. The first pulse train 650 is detected by the remote programmable sensor 12 closest to the location of the lightning activity, as indicated by the earliest arrival time from the lightning event to the sensor and the high pulse number (13). The second pulse train 652 is a remotely programmable sensor located farther from the lightning activity than the sensor that generated the first pulse train 650, as indicated by later arrivals and fewer (8) pulses of smaller amplitude. 12 is detected. The remote programmable sensor 12 for the third pulse train 654 is located further from the lightning activity than the sensor generating the second pulse train. The third pulse train 654 has only four pulses whose amplitude is significantly smaller than that of the first or second pulse train. Fourth pulse train 656 is detected by remote programmable sensor 12 furthest from lightning activity. Only three pulses are evident in this pulse train.

本発明によるユニークな相関アプローチは、3個のリモートプログラム可能センサ12又は方向情報を有する2個のリモートプログラム可能センサ12のいずれかを使用し、高い信頼性のパルス源位置を提供する。方向情報がリモートプログラム可能センサ12によって与えられない場合、初期のTOAに基づく位置を与えるために、3個のセンサの理論的な理想的部分集合が選択される。このセンサの論理的組は、他の可能な相関されたパルスの組を減少するのに使用される。必要なTOA差を決定するために、各々のセンサに関する時間窓内のすべてのパルスは、図23の表を発生する信号振幅を減少することによってソートされる。次に、これらの振幅ソートされたリストのトップにおける最大パルスを有する3個のセンサは、上述した理想的部分集合として選択される。この選択は、最大振幅パルスは実質的に垂直の稲妻放電によって発生され、あるセンサにおいて検出された最大パルスは他のセンサにおいて検出された最大パルスであると思われるという事実に基づく。図22の例において、部分集合は、第1パルス列650と、第2パルス列652と、第3パルス列654とを発生するリモートプログラム可能センサ12を含む。これらのパルス列は、これらは最大振幅パルスを所有するため、すべてのセンサによって報告されたパルス列から選択される。3個の理想的センサの各々からの最大パルスは、図23において示すような1H、2F及び3Cである。これら3つのパルス間の時間を使用して、評価されたTOAに基づく位置及び発生時間とは、放電に関して決定される。次に、評価された放電位置からすべてのセンサまでの移動時間の予期される値は、決定され、図24において示される相対時間差アルファ、ベータ及びガンマを引くことによって、パルス列を時間において調節するのに使用される。第2パルス列652、第3パルス列654及び第4パルス列656を各々スライドするのに使用されるアルファ、ベータ及びガンマの値は、関連するセンサの各々に信号が達するのにかかる時間から第1センサに達するのにかかる時間を引いた差によって与えられる。調節後、最初の3個のセンサにおける最大振幅パルスの到着時間は、図24におけるパルス660のグループ化によって示されるように、第4パルス列656のパルス4Bと一致する。同様に、第2最大相関パルスは、図24におけるグループ化662によって示されるように、第4パルス列656の4Cと一致し、最終的に、第3最大パルスは、グループ化658によって示されるように、第4パルス列656の4Aに対応する。少なくとも1個、(図24におけるように)好適にはより多くのパルス間期間が調和することがわかった場合、種々のセンサ間の正しい相関を有する確率は1に近い。パルス列が図24におけるように調和することがわからない場合、図23における振幅ソートされたリストからの3個のセンサからのパルスの異なった組み合わせは、新たな評価された放電位置を発生するのに使用され、プロセスは終了を開始する。このプロセスは、好適実施例において、プロセスは3又は4回試みられるだけであるが、パルスが調査し尽くされるまで、任意の回数繰り返されてもよい。この相関プロセスは、同様の振幅の規則的な間隔のパルスの存在においても良好に働くという利点を有する。   The unique correlation approach according to the present invention uses either three remote programmable sensors 12 or two remote programmable sensors 12 with direction information and provides a reliable pulse source position. If direction information is not provided by the remote programmable sensor 12, a theoretical ideal subset of three sensors is selected to provide an initial TOA based position. This logical set of sensors is used to reduce other possible correlated pulse sets. To determine the required TOA difference, all pulses in the time window for each sensor are sorted by reducing the signal amplitude generating the table of FIG. The three sensors with the largest pulses at the top of these amplitude sorted lists are then selected as the ideal subset described above. This selection is based on the fact that the maximum amplitude pulse is generated by a substantially vertical lightning discharge, and the maximum pulse detected in one sensor is likely to be the maximum pulse detected in another sensor. In the example of FIG. 22, the subset includes a remote programmable sensor 12 that generates a first pulse train 650, a second pulse train 652, and a third pulse train 654. These pulse trains are selected from the pulse trains reported by all sensors because they possess the largest amplitude pulses. The maximum pulses from each of the three ideal sensors are 1H, 2F and 3C as shown in FIG. Using the time between these three pulses, the estimated TOA based location and generation time is determined for the discharge. Next, the expected value of travel time from the estimated discharge position to all sensors is determined and the pulse train is adjusted in time by subtracting the relative time differences alpha, beta and gamma shown in FIG. Used for. The alpha, beta, and gamma values used to slide the second pulse train 652, the third pulse train 654, and the fourth pulse train 656, respectively, are calculated from the time it takes for the signal to reach each of the associated sensors. Given by the difference minus the time it takes to reach. After adjustment, the arrival times of the maximum amplitude pulses in the first three sensors coincide with pulse 4B of the fourth pulse train 656, as shown by the grouping of pulses 660 in FIG. Similarly, the second largest correlated pulse coincides with 4C of the fourth pulse train 656, as shown by grouping 662 in FIG. 24, and finally the third largest pulse is as shown by grouping 658. , Corresponding to 4A of the fourth pulse train 656. If it is found that at least one, preferably more inter-pulse periods (as in FIG. 24) are matched, the probability of having the correct correlation between the various sensors is close to one. If the pulse train is not known to match as in FIG. 24, different combinations of pulses from the three sensors from the amplitude sorted list in FIG. 23 are used to generate a new estimated discharge position. And the process begins to finish. This process, in the preferred embodiment, is only attempted 3 or 4 times, but may be repeated any number of times until the pulse is exhausted. This correlation process has the advantage that it works well in the presence of regularly spaced pulses of similar amplitude.

代わりの相関プロセスは、方向発見能力を有する少なくとも2個のセンサを有する稲妻検出システムに使用される。相関プロセスは、ちょうど2個のセンサからの角度及び時間測定が使用され、放電位置及び発生時間の初期評価を発生し、そこから他のセンサへの移動時間が評価されることを除き、上述した方法と同じである。   An alternative correlation process is used for a lightning detection system having at least two sensors with direction finding capabilities. The correlation process is described above, except that angle and time measurements from just two sensors are used to generate an initial assessment of discharge location and time of occurrence, from which travel times to other sensors are evaluated. The method is the same.

相関プロセスの依然として他の拡張は、これらの動きに対して基本水平成分を有する稲妻放電の伝播の移動経路を追跡するのに使用される。わずかに異なったパルス間期間によって異なったセンサからの相関されたパルスを認知することは、パルス列の発生中稲妻の水平移動によって生じたパルス列の拡張又は短縮を示す。最初の2つの相関方法のいずれかは、大きい程度のタイミングが、わずかに異なったパルス間間隔を考慮するために、細かいスケールのパルス相関において許可される限り、使用されてもよい。2つ又は3つのソースが位置決めされ得る場合、伝播速度及び方向は評価されてもよい。これらの評価は、次に、相関プロセスにさらなる改良を与えるために、他のセンサからのパルス列の短縮又は拡張を予測するのに使用されてもよい。この相関技術は、稲妻放電の異なったブランチを分離するのに有用である。TOAに基づく位置は、前のパラグラフにおいて記載したプロセスを通じて決定され、TOAが4つ以上ある場合における最終的な最適化された位置を得るだけでなく、初期位置評価(開始位置)も得る。   Yet another extension of the correlation process is used to track the travel path of lightning discharge propagation that has a fundamental horizontal component for these movements. Recognizing correlated pulses from different sensors with slightly different inter-pulse periods indicates an expansion or shortening of the pulse train caused by the horizontal movement of lightning during the generation of the pulse train. Either of the first two correlation methods may be used as long as a large degree of timing is allowed in fine scale pulse correlation to account for slightly different inter-pulse spacing. If two or three sources can be positioned, the propagation speed and direction may be evaluated. These estimates may then be used to predict pulse train shortening or expansion from other sensors to provide further improvements to the correlation process. This correlation technique is useful for separating different branches of lightning discharges. The position based on the TOA is determined through the process described in the previous paragraph, not only to obtain the final optimized position when there are more than 4 TOAs, but also to obtain the initial position evaluation (starting position).

上記を考慮して、本発明によるシステムは、先行技術の稲妻検出及び解析システムを超える多数の利点を与えることがわかる。第1に、本システムは、デッドタイムを評価しながらCG及びIC事象の双方を検出する能力を有する。第2に、リモートプログラム可能センサは、微分された及び/又は圧縮された波形の解析により、CG事象によって忙殺されることなしに、IC事象に対する増加した感度を有する。第3に、本システムは、新たな圧縮及び伸張スキームを使用し、増加した事象情報を、制限された広帯域通信チャネルによって、中央解析器まで伝送する能力を有する。加えて、本システムは、新たな相関技術を使用し、中央解析器において複雑なパルス列を生じる事象を相関し、これによって、正確なTOAに基づく位置を与える能力を有する。   In view of the above, it can be seen that the system according to the present invention provides a number of advantages over prior art lightning detection and analysis systems. First, the system has the ability to detect both CG and IC events while evaluating dead time. Second, remote programmable sensors have increased sensitivity to IC events without being overwhelmed by CG events by analysis of differentiated and / or compressed waveforms. Third, the system has the ability to transmit increased event information to a central analyzer over a limited broadband communication channel using a new compression and decompression scheme. In addition, the system has the ability to use new correlation techniques to correlate events that produce complex pulse trains in the central analyzer, thereby providing an accurate TOA based position.

上述した明細書において用いられた用語及び表現は、ここでは、説明の用語として使用され、限定の用語として使用されず、図示及び説明した特長又はその一部の等価物を除くこのような用語及び表現の使用において意図はなく、本発明の範囲は、請求項によってのみ規定され、制限されることは認識される。   The terms and expressions used in the above specification are used herein as descriptive terms, not as limiting terms, such terms and features excluding features shown and described or some equivalent thereof. It is recognized that there is no intention in the use of the expression and that the scope of the invention is defined and limited only by the claims.

本発明による雲対地面放電及び雲内放電についてのデータを取得する好例のシステムの物理的配置の例示である。FIG. 4 is an illustration of the physical layout of an exemplary system for obtaining data for cloud-to-ground and in-cloud discharges according to the present invention. 雲対地面放電によって発生された代表的なLF/VLF電磁場波形及び対応する時間導関数波形の例示である。FIG. 4 is an illustration of a representative LF / VLF electromagnetic field waveform and corresponding time derivative waveform generated by a cloud-to-ground discharge. IC放電によって発生された代表的なLF/VLF電磁場波形及び対応する時間導関数波形の例示である。FIG. 4 is an illustration of a representative LF / VLF electromagnetic field waveform and corresponding time derivative waveform generated by an IC discharge. 雲対地面放電及びIC放電の範囲を正規化された信号振幅分布の経験的に得られた累積的分布を示す。Fig. 4 shows an empirically obtained cumulative distribution of signal amplitude distributions normalized for cloud-to-ground discharge and IC discharge ranges. 本発明による稲妻検出システム及びデータ取得システムの好適実施例の機能的ブロック図である。1 is a functional block diagram of a preferred embodiment of a lightning detection system and data acquisition system according to the present invention. FIG. 本発明による稲妻検出システム及びデータ取得システムの好適実施例の構造的ブロック図である。1 is a structural block diagram of a preferred embodiment of a lightning detection system and data acquisition system according to the present invention. FIG. 本発明によるアンテナフィルタネットワークのブロック図である。1 is a block diagram of an antenna filter network according to the present invention. FIG. 図7のアンテナフィルタネットワークの2つの好例の周波数応答のグラフである。8 is a graph of two exemplary frequency responses of the antenna filter network of FIG. 2つの非線形増幅器のゲインのグラフである。It is a graph of the gain of two nonlinear amplifiers. 本発明による個々の稲妻放電パルスに関する検出及びデータ取得方法の好適実施例の動作のフローチャートである。6 is a flowchart of the operation of a preferred embodiment of a detection and data acquisition method for individual lightning discharge pulses according to the present invention. 本発明による個々の稲妻放電パルスに関する検出及びデータ取得方法の好適実施例の動作のフローチャートである。6 is a flowchart of the operation of a preferred embodiment of a detection and data acquisition method for individual lightning discharge pulses according to the present invention. 本発明による個々の稲妻放電パルスに関する検出及びデータ取得方法の好適実施例の動作のフローチャートである。6 is a flowchart of the operation of a preferred embodiment of a detection and data acquisition method for individual lightning discharge pulses according to the present invention. 本発明による個々の稲妻放電パルスに関する検出及びデータ取得方法の好適実施例の動作のフローチャートである。6 is a flowchart of the operation of a preferred embodiment of a detection and data acquisition method for individual lightning discharge pulses according to the present invention. 本発明による個々の稲妻放電パルスに関する検出及びデータ取得方法の好適実施例の動作のフローチャートである。6 is a flowchart of the operation of a preferred embodiment of a detection and data acquisition method for individual lightning discharge pulses according to the present invention. 本発明による個々の稲妻放電パルスに関する検出及びデータ取得方法の好適実施例の動作のフローチャートである。6 is a flowchart of the operation of a preferred embodiment of a detection and data acquisition method for individual lightning discharge pulses according to the present invention. 本発明による個々の稲妻放電パルスに関する検出及びデータ取得方法の好適実施例の動作のフローチャートである。6 is a flowchart of the operation of a preferred embodiment of a detection and data acquisition method for individual lightning discharge pulses according to the present invention. 本発明による個々の稲妻放電パルスに関する検出及びデータ取得方法の好適実施例の動作のフローチャートである。6 is a flowchart of the operation of a preferred embodiment of a detection and data acquisition method for individual lightning discharge pulses according to the present invention. 電磁場の時間導関数の表現信号の数値積分に関する本発明によるデジタルフィルタの時間領域応答を示す。Fig. 4 shows the time domain response of a digital filter according to the invention with respect to the numerical integration of the signal representing the time derivative of the electromagnetic field. 電磁場の時間導関数の表現信号の数値積分に関する本発明によるデジタルフィルタの周波数領域応答を示す。Fig. 3 shows the frequency domain response of a digital filter according to the invention with respect to the numerical integration of the signal representing the time derivative of the electromagnetic field. 本発明によるシステムによって一般的な電磁場波形において行われる解析を例示する。2 illustrates an analysis performed on a general electromagnetic field waveform by a system according to the present invention. 本発明による個々のパルスをパルス列にグループ化するプロセスを例示するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a process for grouping individual pulses into a pulse train according to the present invention. “プレトリガ抑制”テストを例示するフローチャートである。6 is a flowchart illustrating a “pretrigger suppression” test. 累積的にパルス列を形成する6個の電磁パルスの時間及び振幅を示す表である。It is a table | surface which shows the time and amplitude of six electromagnetic pulses which form a pulse train cumulatively. 図16の第1パルスの10進法及び16進法表現を示す表である。It is a table | surface which shows the decimal system and hexadecimal system expression of the 1st pulse of FIG. 本発明によって圧縮された図16の最大パルスの二進法及び16進法表現を例示する。16 illustrates binary and hexadecimal representations of the maximum pulse of FIG. 16 compressed according to the present invention. 図16のパルス列の最大パルス以外のすべてのパルスの二進法及び16進法表現を例示する。17 illustrates binary and hexadecimal representations of all pulses other than the maximum pulse in the pulse train of FIG. 本発明による圧縮プロセスを例示するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a compression process according to the present invention. 本発明による圧縮プロセスを例示するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a compression process according to the present invention. 本発明による圧縮プロセスを例示するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a compression process according to the present invention. 本発明による圧縮プロセスを例示するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating a compression process according to the present invention. 本発明による伸張プロセスを例示するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an expansion process according to the present invention. 本発明による伸張プロセスを例示するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an expansion process according to the present invention. 本発明による伸張プロセスを例示するフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an expansion process according to the present invention. 図21A−21Cの伸張プロセスによって再生されるような異なったリモートプログラム可能センサにおける電磁パルスの到着を示す時間グラフである。22 is a time graph illustrating the arrival of electromagnetic pulses at different remote programmable sensors as regenerated by the stretching process of FIGS. 21A-21C. FIG. 本発明による振幅及びセンサ位置によってソートされた図22のパルスに関する表である。23 is a table for the pulses of FIG. 22 sorted by amplitude and sensor position according to the present invention. 本発明による相関プロセスを示す時間調節されたグラフである。4 is a timed graph illustrating a correlation process according to the present invention.

Claims (6)

稲妻検知センサを備える稲妻検出システムであって、
前記稲妻検知センサは、
稲妻によって発生した電磁場を検知するためのセンサ部と、
前記検知した電磁場を表すデジタルデータを生成するためのデジタルプロセッサとを有し、
前記デジタルデータは、
第1極性の1つ以上のピークと第2極性の1つ以上のピークとを有する少なくとも1つのパルスを規定しており、
前記デジタルプロセッサは、
前記第1極性の1つ以上のピークの最大値と、前記前記第2極性の1つ以上のピークの最大値と、所定のクロックを基準にして当該各最大値の間の時間とを識別するとともに、該時間を予め決定された基準値と比較し、前記時間が前記基準値未満である場合に、前記パルスをIC放電に関するものとして分類することを特徴とする、稲妻検出システム。
A lightning detection system including a lightning detection sensor,
The lightning detection sensor
A sensor unit for detecting electromagnetic fields generated by lightning,
A digital processor for generating digital data representing the detected electromagnetic field;
The digital data is
Defining at least one pulse having one or more peaks of a first polarity and one or more peaks of a second polarity;
The digital processor is
Identifying a maximum value of one or more peaks of the first polarity, a maximum value of one or more peaks of the second polarity, and a time between the maximum values with reference to a predetermined clock. And comparing the time with a predetermined reference value, and classifying the pulse as being related to IC discharge when the time is less than the reference value.
前記線サブは、前記電磁場の時間導関数を表すアナログ信号を生成するように適合させており、前記稲妻検知センサは、前記アナログ信号をデジタル化するためのアナログ−デジタルコンバータを有し、前記デジタルプロセッサは、前記デジタル化したアナログ信号を積分して前記デジタルデータを生成するように適合させていることを特徴とする、請求項1に記載の稲妻検出システム。   The line sub is adapted to generate an analog signal representative of a time derivative of the electromagnetic field, and the lightning detection sensor comprises an analog-to-digital converter for digitizing the analog signal, The lightning detection system of claim 1, wherein the processor is adapted to integrate the digitized analog signal to generate the digital data. 前記デジタルプロセッサは、前記デジタル化したアナログ信号のゼロ交差点を判断することによって前記ピークを識別するように適合させていることを特徴とする、請求項2に記載の意杏間検出システム。   The system of claim 2, wherein the digital processor is adapted to identify the peak by determining a zero crossing of the digitized analog signal. 稲妻検知方法であって、
前記稲妻検知センサは、
稲妻によって発生した電磁場を検知するステップと、
前記検知した電磁場を表すデジタルデータを生成するデジタルデータ生成ステップであって、前記デジタルデータが、第1極性の1つ以上のピークと第2極性の1つ以上のピークとを有する少なくとも1つのパルスを規定している、デジタルデータ生成ステップと、
前記第1極性の1つ以上のピークの最大値と、前記前記第2極性の1つ以上のピークの最大値と、所定のクロックを基準にして当該各最大値の間の時間とを識別するステップと、
該時間を予め決定された基準値と比較するステップと、
前記時間が前記基準値未満である場合に、前記パルスをIC放電に関するものとして分類するステップと、
を含むことを特徴とする、稲妻検出方法。
A lightning detection method,
The lightning detection sensor
Detecting electromagnetic fields generated by lightning,
Digital data generation step for generating digital data representative of the detected electromagnetic field, wherein the digital data has at least one pulse having one or more peaks of a first polarity and one or more peaks of a second polarity; A digital data generation step,
Identifying a maximum value of one or more peaks of the first polarity, a maximum value of one or more peaks of the second polarity, and a time between the maximum values with reference to a predetermined clock. Steps,
Comparing the time with a predetermined reference value;
Classifying the pulse as relating to IC discharge if the time is less than the reference value;
A method of detecting lightning, comprising:
前記電磁場の時間導関数を表すアナログ信号を生成するステップと、
前記アナログ信号をデジタル化するステップと、
前記デジタル化したアナログ信号を積分して前記デジタルデータを生成するステップと、
を更に含むことを特徴とする、請求項4に記載の稲妻検出方法。
Generating an analog signal representing the time derivative of the electromagnetic field;
Digitizing the analog signal;
Integrating the digitized analog signal to generate the digital data;
The lightning detection method according to claim 4, further comprising:
前記デジタル化したアナログ信号のゼロ交差点を判断することによって前記ピークを識別するステップを更に含むことを特徴とする、請求項5に記載の稲妻検出方法。   6. The lightning detection method according to claim 5, further comprising the step of identifying the peak by determining a zero crossing of the digitized analog signal.
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