JP2519657B2 - Lightning detection method and device - Google Patents

Lightning detection method and device

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JP2519657B2
JP2519657B2 JP5211064A JP21106493A JP2519657B2 JP 2519657 B2 JP2519657 B2 JP 2519657B2 JP 5211064 A JP5211064 A JP 5211064A JP 21106493 A JP21106493 A JP 21106493A JP 2519657 B2 JP2519657 B2 JP 2519657B2
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健一 原川
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、雷電の探知に係り、特
に地上施設等への落雷予測および避雷、あるいは雷の電
気エネルギの有効活用に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to detection of lightning, and more particularly to prediction of lightning strikes to ground facilities and lightning protection, or effective use of electric energy of lightning.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、落雷予測としては、気象レーダー
により雷雲を早期に発見する方法が知られており、空港
等で実用化されている。その他の雷電探知方法として
は、雲と地上との間の電界測定を行い予測する電界感知
型雷雲探知システム、電磁波受信機を利用した雷電探知
法等が知られている。
2. Description of the Related Art Conventionally, as a method for predicting lightning strikes, a method of detecting a thundercloud at an early stage by a weather radar has been known and has been put to practical use at airports and the like. Other known lightning detection methods include an electric field sensing type thundercloud detection system that measures and predicts an electric field between a cloud and the ground, and a lightning detection method using an electromagnetic wave receiver.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の方法の
うち気象レーダーによる方法では、雲の断面構造等の情
報を提供するのみで電荷の分布に関する情報までは提供
することはできず、雷雲か否かの判断はレーダー画像を
観察する人間に任されている。また、電界感知型雷雲探
知システムにおいては、正電荷と負電荷が垂直方向に分
布した通常の雷雲の場合、地上で電界を観測するだけで
は本質的にスカラー計測であり量とその方向とを同時に
計測するベクトル計測ではないため、上層の雲中におけ
る電位分布を正確に把握することが困難である。さら
に、この方法は雷雲の直下でなければ測定ができないた
め、流れてくる雷雲を事前に探知すること自体が非常に
困難であり、遠方からの雷雲を事前探知するには、広域
に多数の電位センサ等を配置すれば可能ではあるが、海
上から来る雷雲に対しては有効な対処法がないのが現状
であった。そして、電磁波受信機法とは、通常のアンテ
ナと受信機を用いて、雲中及び雲間放電時に発生する電
磁波を捕らえようとするものである。この方法は、安価
な市販の部品等を組み合せてシステム構築ができるとい
う利点があるが、電磁波の方位探知を瞬間的に行おうと
すると、アンテナ及び受信機等を多数配置し、それらの
受信信号を合成処理しなければ方位を算出することがで
きず、システム規模が大きくなりがちである。さらに、
空中放電のベクトルの把握が本質的に不可能である点が
問題点である。このように、従来の雷電探知方法では、
電界や、空中放電に伴う電磁波のみが探知に利用されて
いた。電界及び電磁波は、スカラー量としてとらえるた
め、電界センサを広域に設置したり、アンテナを全周方
向にめぐらせることにより方位を確認することはできた
が、電流の流れる方向を把握することはできなかった。
そのため、気象レーダー等による雲の構造に関するデー
タがあっても、これらを直接的に結び付けて雷電探知に
利用することができなかった。本発明は、上記の問題点
を解決するためになされたものであり、落雷位置及び空
中放電の位置と方向を検出することができる雷電探知方
法及び装置を提供することを目的とする。
However, among the above-mentioned methods, the method using the weather radar can only provide information such as the cross-sectional structure of clouds, but cannot provide information about the distribution of charges. It is up to the person observing the radar image to decide whether or not. In the electric field sensing type thundercloud detection system, in the case of a normal thundercloud in which positive and negative charges are vertically distributed, it is essentially a scalar measurement just by observing the electric field on the ground. Since it is not a vector measurement to measure, it is difficult to accurately grasp the potential distribution in the upper cloud. Furthermore, since this method can only be measured directly below the thundercloud, it is extremely difficult to detect the incoming thundercloud in advance. Although it is possible by arranging sensors etc., there is currently no effective countermeasure against thunderclouds coming from the sea. Then, the electromagnetic wave receiver method is intended to capture electromagnetic waves generated during discharge in clouds and between clouds using a normal antenna and receiver. This method has an advantage that a system can be constructed by combining inexpensive commercially available parts, etc., but if an attempt is made to instantaneously detect the direction of an electromagnetic wave, a large number of antennas and receivers are arranged and their received signals are The direction cannot be calculated without the synthesis process, and the system scale tends to increase. further,
The problem is that it is essentially impossible to grasp the vector of the air discharge. In this way, in the conventional lightning detection method,
Only electric fields and electromagnetic waves associated with air discharge were used for detection. Since the electric field and electromagnetic waves are captured as a scalar quantity, it was possible to confirm the azimuth by installing an electric field sensor in a wide area or by wrapping the antenna around the entire circumference, but it was not possible to grasp the direction of current flow. It was
Therefore, even if there is data on cloud structure from meteorological radar, it was not possible to link them directly and use them for detection of lightning. The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a lightning detection method and apparatus capable of detecting the position and direction of a lightning strike position and aerial discharge.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明に係る雷電探知方法は、雲の内部構造に関す
る雲データを気象探知手段により検出する第1ステップ
と、落雷の先行現象であるリーク電流や空中放電現象に
伴い発生する磁場を磁気検出手段により磁場ベクトルデ
ータとして検出する第2ステップと、当該磁場ベクトル
データから、雷電の電流の方向を逆推定する第3ステッ
プと、前記雲データと当該逆推定された電流方向とか
ら、着目している雲中の電荷分布を算出する第4ステッ
プと、地面の電位差または磁気を測定することにより地
電流を求め、雷雲に対する地電位の変化分布を算出する
第5ステップと、前記雲中電荷分布と当該地電位変化分
布とから、落雷する確率が最大の地上位置と、その場合
の雲における放電の位置及び電流の方向を割り出す第6
ステップと、を有して構成される。また、本発明に係る
雷電探知装置は、雲の内部構造に関する雲データを検出
する気象探知手段と、落雷の先行現象であるリーク電流
や空中放電現象に伴い発生する磁場を磁場ベクトルデー
タとして検出する磁気検出手段と、当該磁場ベクトルデ
ータから、雷電の電流の方向を逆推定する雷電流逆推定
手段と、前記雲データと当該逆推定された電流方向とか
ら、着目している雲中の電荷分布を算出する雲中電荷分
布算出手段と、地面の電位差または磁気を測定すること
により地電流を求め、雷雲に対する地電位の変化分布を
算出する地電位変化分布算出手段と、前記雲中電荷分布
と当該地電位変化分布とから、落雷する確率が最大の地
上位置と、その場合の雲における放電の位置及び電流の
方向を割り出す落雷予測手段と、を備えて構成される。
In order to solve the above-mentioned problems, the lightning detection method according to the present invention comprises a first step of detecting cloud data relating to the internal structure of clouds by a weather detection means and a preceding phenomenon of lightning strike. A second step of detecting a magnetic field generated by a leak current or an aerial discharge phenomenon as magnetic field vector data by the magnetic detection means, a third step of inversely estimating the direction of the electric current of the lightning from the magnetic field vector data, and the cloud. The fourth step of calculating the charge distribution in the cloud of interest from the data and the inversely estimated current direction, and the ground current is obtained by measuring the ground potential difference or magnetism, and the change of the ground potential with respect to the thundercloud. From the fifth step of calculating the distribution, the cloud charge distribution, and the ground potential change distribution, the ground position where the probability of a lightning strike is maximum and the discharge in the cloud in that case 6 to determine the direction of the location and current
And steps. In addition, the lightning detection device according to the present invention detects the cloud data regarding the internal structure of the cloud, the weather detection means, and the magnetic field generated by the leakage current or the aerial discharge phenomenon, which is a preceding phenomenon of lightning strike, as magnetic field vector data. From the magnetic detection means, the lightning current inverse estimation means for inversely estimating the direction of the electric current of the thunderstorm from the magnetic field vector data, and the cloud data and the inversely estimated current direction, the charge distribution in the cloud of interest. A cloud charge distribution calculating means for calculating the ground potential change distribution calculating means for calculating a ground current by measuring a ground potential difference or magnetism, and calculating a ground potential change distribution for a thundercloud, and the cloud charge distribution The ground potential change distribution and the lightning strike prediction means for determining the discharge position and current direction in the cloud in that case are configured from the ground potential change distribution.

【0005】[0005]

【作用】上記した構成を有する本発明によれば、SQU
IDセンサ等の磁気検出手段を備え、落雷の先行現象で
あるリーク電流または雲中放電等によって発生する磁界
をベクトル量のデータとして検出することができ、この
ベクトルデータから雷電の電流の方向を逆推定し、気象
レーダー等の気象探知手段による雲の構造、例えば断面
形状、風速等の観測データと組み合せることにより、雲
中の電荷分布を算出することができる。上記情報に、地
面の電位差または磁気の測定により求められる地電流か
ら算出される、雷雲に対する地電位変化分布を加え、上
記の雲中電荷分布と地電位変化分布とから、総合的に判
断することにより、落雷確率が最大の地上位置、そのと
きの雲の放電先の位置、及び放電電流の方向の予知が可
能となる。
According to the present invention having the above structure, the SQU
A magnetic detection means such as an ID sensor is provided, and a magnetic field generated by a leak current or cloud discharge, which is a preceding phenomenon of a lightning strike, can be detected as vector amount data. From this vector data, the direction of the current of lightning is reversed. The charge distribution in the cloud can be calculated by estimating and combining with the observation data such as the cloud structure, for example, the cross-sectional shape, the wind speed, etc. by the weather detection means such as the weather radar. To the above information, add the ground potential change distribution for the thundercloud, which is calculated from the ground current obtained by measuring the ground potential difference or magnetism, and make a comprehensive judgment from the above cloud charge distribution and ground potential change distribution. This makes it possible to predict the ground position where the lightning strike probability is maximum, the position of the cloud discharge destination at that time, and the direction of the discharge current.

【0006】[0006]

【実施例】以下、本発明の実施例を図にもとづいて説明
する。まず、本発明の第1実施例である雷電探知方法の
手順を図1に示す。まず、第1ステップとして、気象レ
ーダー11 〜1n により、雷雲と思われる雲Cを観測
し、その雲Cの運動データと雲内部の構造データ(例え
ば、雲Cの断面形状)である雲データを検出する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. First, FIG. 1 shows a procedure of a lightning detection method according to the first embodiment of the present invention. First, as a first step, the weather radars 1 1 to 1 n are used to observe a cloud C, which is thought to be a thundercloud, and the motion data of the cloud C and the structure data inside the cloud (for example, the cross-sectional shape of the cloud C) are clouds. Detect data.

【0007】次に、第2ステップとして、磁気検出手段
である複数のSQUIDセンサ21〜2n により、落雷
の先行現象であるリーク電流や空中放電D等の現象によ
り発生する磁場をベクトル量として計測する。この場
合、21 〜2n は、磁気センサ、特に高感度の磁気セン
サであれば他の形式のものであってもよい。次に、第3
ステップとして、上記の計測によりベクトル量としてと
らえられた磁場から雷雲C内の雷電の電流を逆に推定す
る。
[0007] Next, as a second step, a plurality of SQUID sensors 2 1 to 2 n is a magnetic detecting means, the magnetic field generated by phenomena such as leakage current and atmospheric discharge D is prior phenomenon of lightning as a vector quantity measure. In this case, 2 1 to 2 n may be of a magnetic sensor, or any other type as long as it is a highly sensitive magnetic sensor. Next, the third
As a step, the electric current of the thunderbolt in the thundercloud C is estimated in reverse from the magnetic field captured as a vector quantity by the above measurement.

【0008】そして次に、第3ステップとして、上記の
雲データと逆推定電流値から、雷雲C中における正負の
電荷e+ やe- の分布を算出する。次に、第4ステップ
として、地電流(地表面Gを流れる電流)IG を、電位
差または磁気等を測定するセンサ等により測定し、上記
の監視している雷雲Cに対する地電位の変化の分布を算
出する。
[0008] and then, as a third step, from the cloud data and reverse the estimated current value, the charge e + and e of the positive and negative in the thundercloud C - to calculate the distribution. Next, as a fourth step, the ground current (current flowing through the ground surface G) I G is measured by a sensor or the like that measures a potential difference or magnetism, and the distribution of changes in the ground potential with respect to the monitored thundercloud C is measured. To calculate.

【0009】また、次に、第5ステップとして、上記の
各処理の結果を総合して予測処理し、落雷が最も起こり
やすい確率となっている地上Gの位置と、そのときの雷
雲Cの放電予想位置、及び放電予想電流の方向等を算出
する。最後に、第6ステップとして、上記の落雷予測算
出結果を、他の誘雷システム等へ情報提供したり、「避
雷警報」等の気象情報等として提供する。
Next, as a fifth step, the results of each of the above-mentioned processes are comprehensively predicted, and the position of the ground G at which the probability of a lightning strike is most likely to occur and the discharge of the thundercloud C at that time are calculated. Calculate the expected position and the expected discharge current direction. Finally, as a sixth step, the above-described lightning strike prediction calculation result is provided to other lightning protection systems and the like, and is also provided as weather information such as "lightning protection warning".

【0010】次に、本発明の第2実施例の構成を図2に
示す。図に示すように、雷電探知装置であるこの落雷予
測システム100は、地上Gにおいて広域に配設された
複数の気象レーダー11 〜1n 及びSQUIDセンサ2
1 〜2n 及び地電流測定センサ31 〜3n と、解析系2
0と、画像表示装置11及び印刷出力装置12を備えて
構成されている。
Next, the configuration of the second embodiment of the present invention is shown in FIG. As shown in the figure, this lightning strike prediction system 100, which is a lightning detection device, includes a plurality of meteorological radars 1 1 to 1 n and SQUID sensors 2 arranged in a wide area on the ground G.
1 to 2 n, ground current measuring sensor 3 1 to 3 n , and analysis system 2
0, an image display device 11 and a print output device 12.

【0011】上記の解析系20は、雲運動・雲構造解析
装置5と、磁場ベクトル解析装置6と、雷電流逆推定装
置7と、雷雲中電荷分布算出装置8と、地電位変化分布
算出装置9と、落雷位置・方向予測処理装置10と、を
有している。この解析系20は、個々の装置を組み合せ
てもよいが、実際には、全体を一つのメインフレームの
コンピュータシステム、ワークステーション、あるいは
パーソナル・コンピュータによって構成することができ
る。
The above-mentioned analysis system 20 includes a cloud motion / cloud structure analysis device 5, a magnetic field vector analysis device 6, a lightning current inverse estimation device 7, a thundercloud charge distribution calculation device 8, and a ground potential change distribution calculation device. 9 and a lightning strike position / direction prediction processing device 10. The analysis system 20 may be a combination of individual devices, but in actuality, the whole can be constituted by one mainframe computer system, workstation, or personal computer.

【0012】次に、本システムの動作について説明す
る。まず、気象レーダー11 〜1n により、雷雲と思わ
れる雲Cを観測し、その雲Cの運動データと雲内部の構
造データ等を収集し、雲運動・雲構造解析装置5へ出力
する。雲運動・雲構造解析装置5は、収集データを解析
し、雲データを検出する。この場合、気象レーダー11
〜1n と雲運動・雲構造解析装置5は、気象探知手段を
構成している。
Next, the operation of this system will be described. First, the weather radars 1 1 to 1 n observe a cloud C which is considered to be a thundercloud, collect motion data of the cloud C and structure data inside the cloud, and output the data to the cloud motion / cloud structure analysis device 5. The cloud movement / cloud structure analysis device 5 analyzes the collected data and detects cloud data. In this case, the weather radar 1 1
.About.1 n and the cloud movement / cloud structure analysis device 5 constitute meteorological detection means.

【0013】次に、雲運動・雲構造解析装置5は、この
雲データを落雷位置・方向予測処理装置10へ出力す
る。この場合、雲Cの運動性状データの精度をさらに高
めるため、風速、風向等の測定器、及びデータ処理装置
等を本システム100に組み込んでもよい。
Next, the cloud movement / cloud structure analysis device 5 outputs this cloud data to the lightning strike position / direction prediction processing device 10. In this case, in order to further improve the accuracy of the motion property data of the cloud C, a measuring device for wind speed, wind direction, etc., a data processing device, etc. may be incorporated in the system 100.

【0014】上記雲観測と同時に、複数のSQUIDセ
ンサ21 〜2n により、上記の対象雲Cについて、落雷
の先行現象であるリーク電流や空中放電D等の現象によ
り発生する磁場をベクトル量として計測し、得たデータ
を磁場ベクトル解析装置6へ出力する。この場合、複数
のSQUIDセンサ21 〜2n と磁場ベクトル解析装置
6は、磁気検出手段を構成している。
Simultaneously with the cloud observation, a plurality of SQUID sensors 2 1 to 2 n are used as a vector quantity to generate a magnetic field generated by a phenomenon such as a leak current or an aerial discharge D, which is a preceding phenomenon of a lightning strike, with respect to the target cloud C. The measured data is output to the magnetic field vector analysis device 6. In this case, the plurality of SQUID sensors 2 1 to 2 n and the magnetic field vector analysis device 6 constitute magnetic detection means.

【0015】この際、上記の雲観測、磁場計測と同時平
行して、地電位測定センサ31 〜3n により、上記の対
象雲Cの直下の地表面Gについて、地電位または磁気等
の測定を行い、得たデータを地電位変化分布算出装置9
へ出力する。
[0015] At this time, above the cloud observed, and co-parallel to the magnetic field measurement, the ground potential measuring sensor 3 1 to 3 n, the ground surface G directly below the above-mentioned target cloud C, the measurement of such earth potential or magnetic And the obtained data is used as a ground potential change distribution calculation device 9
Output to.

【0016】次に、上記のSQUIDセンサ21 〜2n
及び磁場ベクトル解析装置6によりベクトル量として計
測された磁場データに基づき、雷電流逆推定装置7にお
いて、雷雲C内の雷電流の方向が逆に推定される。
Next, the above SQUID sensors 2 1 to 2 n
The direction of the lightning current in the thundercloud C is estimated in reverse by the lightning current reverse estimation device 7 based on the magnetic field data measured as the vector quantity by the magnetic field vector analysis device 6.

【0017】この電流方向逆推定の方法について、図3
を参照しつつ説明する。まず、問題の定式化を行うた
め、推定の対象である雷電の電流を数学的に表現する方
法を考える。いま求める対象は、雷電の電流の中心的な
位置を推定することであるから、雷電を電流双極子とし
て扱うこととする。電流双極子は、6個のパラメータに
よって完全に記述される。すなわち、その位置について
は、x座標,y座標,z座標によって記述され、その方
向については、z軸となす角度θ,x軸となす角度φに
よって記述され、その電流値については、アンペア値I
によって記述される。
FIG. 3 shows the method of inverse estimation of the current direction.
Will be described with reference to. First, in order to formulate the problem, we consider a method of mathematically expressing the current of the Raiden, which is the estimation target. Since the object to be obtained now is to estimate the central position of the electric current of the lightning, we will treat it as a current dipole. The current dipole is completely described by 6 parameters. That is, its position is described by x-coordinates, y-coordinates, and z-coordinates, its direction is described by an angle θ formed by the z-axis, and an angle φ formed by the x-axis, and its current value is expressed by an ampere value I.
Described by.

【0018】そして、電流双極子が生成する磁場につい
ては、Biot-Savart の法則である下記の式 B(r)=(μo /4π)・{I・n×(r−s)}/|r−s|3 …(1) によって与えられる。
Regarding the magnetic field generated by the current dipole, the following equation, which is the Biot-Savart law, B (r) = (μo / 4π)  {In × (rs)} / │r −s | 3 (1)

【0019】上式(1)において、sは電流双極子の位
置を、nは電流双極子の方向を表わす単位ベクトルを、
rは測定位置を、μo /4πは比例定数を、それぞれ示
している。
In the above equation (1), s is the position of the current dipole, n is the unit vector representing the direction of the current dipole,
r represents a measurement position, and μo / 4π represents a proportional constant.

【0020】以上の考察により、雷電の電流方向を逆推
定する問題は、上式(1)を制約条件として、N個の磁
気センサの測定結果から電流双極子の上記の6パラメー
タを推定する問題に帰着する(図3参照)。
From the above consideration, the problem of inversely estimating the current direction of the lightning current is that the above six parameters of the current dipole are estimated from the measurement results of the N magnetic sensors with the above equation (1) as a constraint condition. (See Figure 3).

【0021】この場合、方程式の形式上からは、未知数
の個数が6個であるから、6個以上の測定点があれば、
原理的にはこの問題は解決可能である。しかし、実際に
は、これを解析的に解くのは非常な困難を伴うため、数
理計画法の最適化アルゴリズムを利用するとよい。
In this case, since the number of unknowns is 6 from the equation form, if there are 6 or more measurement points,
In principle, this problem can be solved. However, in practice, it is very difficult to solve this analytically, so it is advisable to use an optimization algorithm of mathematical programming.

【0022】具体的には、まず、2箇所の測定点それぞ
れにおいて、x,y,z方向の磁場をそれぞれ計測す
る。これにより、独立な6個の測定値が得られる。次
に、電流双極子が測定点において生成する磁場の値と実
際の測定値との誤差をεi としたときの誤差2乗和Σ
{εi2 を目的関数とし、これを最小化するように数
値解法を用いてパラメータを探索していく。
Specifically, first, the magnetic fields in the x, y, and z directions are measured at each of the two measurement points. This gives 6 independent measurements. Next, when the error between the value of the magnetic field generated by the current dipole at the measurement point and the actual measured value is ε i , the error sum of squares Σ
With {ε i } 2 as the objective function, the parameters are searched by using the numerical solution method so as to minimize it.

【0023】本実施例においては、いわゆる「反復法」
に基づく数値解法を用いるが、反復法とは、以下のよう
な手順によって数値解を探索する方法である。すなわ
ち、まず第1手順として「初期設定」を行う。初期設定
とは、変数xk のうち、k=0の初期点xo の値を与え
ること等をいう。次に、第2手順として、所定の停止条
件が満足されている場合には、そのxk を解とみなす。
所定の停止条件を満足するxk が無い場合には、次の第
3手順へ移行する。第3手順では、探索方向dkを決定
する。次いで、第4手順では、dk 方向での「きざみ幅
αk 」を、「直線探索法」等によって求める。次に、第
5手順において、 xk+1 =xk +αk ・dk ……………………(2) とおく。そして、第6手順として、k=k+1とおい
て、再び上記の第2手順以降の手順を実行する。
In this embodiment, the so-called "iteration method" is used.
The iterative method is a method of searching for a numerical solution by the following procedure. That is, first, "initial setting" is performed as the first procedure. The initial setting refers to, for example, giving the value of the initial point x o at k = 0 among the variables x k . Next, as a second procedure, when a predetermined stop condition is satisfied is considered a solution that x k.
If there is no x k that satisfies the predetermined stop condition, the process proceeds to the next third procedure. In the third procedure, the search direction d k is determined. Next, in a fourth procedure, the “step width α k ” in the d k direction is obtained by a “straight line search method” or the like. Next, in the fifth procedure, x k + 1 = x k + α k · d k ............ (2). Then, as a sixth procedure, k = k + 1, and the above-described second and subsequent procedures are executed again.

【0024】上記の反復法の第2手順における「停止条
件」としては、勾配ベクトルの大きさ‖▽f(xk )‖
や点列{xk }の変動‖xk −xk-1 ‖が、ある程度小
さくなったら求める解に収束した、とみなす場合が多
い。上記の反復法の例として、まず「最急降下法(Stee
pest Descent Method )」が挙げられるが、この方法
は、目的関数の勾配ベクトルは関数を局所的に最大にす
る方向を示すことから、この方向と逆の方向に進めば、
最大の傾斜に沿ってf(x)の値を下げることができる
だろう、との考えに基づくものである。この最急降下法
によれば、k回目の探索ベクトルdk は、次式 dk =−▽f(xk ) ……………………(3) で与えられる。しかし、上記の探索方向は、大域的な解
を探索する場合には最良の探索戦略とは限らず、途中で
停滞してしまうことも多い。最急降下法は、直線探索を
上手に行えば大域的収束性が保証されるが、反面、収束
速度が非常に遅い、という欠点がある。
The "stop condition" in the second step of the above iterative method is the magnitude of the gradient vector ‖ ▽ f (x k ) ‖.
And the sequence of points {x k} of variation ‖x k -x k-1 ‖ has converged to a solution for determining Once decreased to a certain extent, and often considered. As an example of the above iterative method, first, the “steepest descent method (Stee
pest Descent Method) ", but since the gradient vector of the objective function indicates the direction that maximizes the function locally, if you proceed in the opposite direction,
This is based on the idea that the value of f (x) could be reduced along the maximum slope. According to this steepest descent method, the k-th search vector d k is given by the following equation: d k = −∇f (x k ) ... (3) However, the above search direction is not always the best search strategy when searching for a global solution, and often stagnates on the way. The steepest descent method guarantees global convergence if a straight line search is performed well, but has the drawback that the convergence speed is very slow.

【0025】他の方法として、「ニュートン法(Newton
Method )」がある。ニュートン法は、目的関数を点x
k で2次近似したモデル関数 f(xk+d)≒f(xk)+▽f(xkTd+(1/2)dT2f(xk)d …(4) の最小点に向かう方向を探索ベクトルに選んでいる。す
なわち、k回目の探索方向は、連立1次方程式 ▽2 f(xk )d=−▽f(xk ) ……………………(5) を解くことによって求まる。この探索方向を用いること
により、局所的二次収束性が実現される。
As another method, "Newton method (Newton method)
Method)). Newton's method uses the objective function x
minimum of second-order approximation model function f (x k + d) ≒ f (x k) + ▽ f (x k) T d + (1/2) d T ▽ 2 f (x k) d ... (4) with k The direction toward the point is selected as the search vector. That is, the k-th search direction is obtained by solving the simultaneous linear equations ∇ 2 f (x k ) d = -∇f (x k ) ... (5). By using this search direction, local quadratic convergence is realized.

【0026】しかし、ニュートン法においては、関数の
「ヘッセ行列」が必要であり、このヘッセ行列を解析的
に計算するのに非常な労力を要する、という欠点があっ
た。また、大域的収束性が保証できない、という短所も
有していた。そこで、上記の最急降下法とニュートン法
の長所を活かしつつ、その欠点を補いうる数値解法が模
索され、現在では、上記のニュートン法をさらに改良し
た「準ニュートン法(Quasi-Newton Method )」が広く
用いられている。
However, the Newton's method has a drawback in that a "Hesse matrix" of a function is required, and it takes a great deal of labor to analytically calculate this Hessian matrix. It also has the disadvantage that global convergence cannot be guaranteed. Therefore, a numerical solution that can make up for the shortcomings while utilizing the advantages of the steepest descent method and the Newton method has been sought. Widely used.

【0027】以上の方法によって推定された電流双極子
の位置と方向が求める雷電の位置と電流の方向となる。
この場合、雷電流逆推定装置7は雷電流逆推定手段に相
当している。
The position and the direction of the current dipole estimated by the above method are the position and the direction of the current of the thunderbolt to be obtained.
In this case, the lightning current reverse estimating device 7 corresponds to the lightning current reverse estimating means.

【0028】そして、上記の逆推定電流値及び雲データ
とから、雷雲中電荷分布算出装置8は、雷雲C中におけ
る正負の電荷e+ やe- の分布を算出し、落雷位置・方
向予測処理装置10へ送る。この場合、雷雲中電荷分布
算出装置8は雲中電荷分布算出手段に相当している。
Then, from the above-mentioned reverse estimated current value and cloud data, the thundercloud electric charge distribution calculation device 8 calculates the distribution of positive and negative electric charges e + and e in the thundercloud C, and a lightning strike position / direction prediction process is performed. Send to device 10. In this case, the in-cloud charge distribution calculation device 8 corresponds to an in-cloud charge distribution calculation means.

【0029】上記の解析と平行して、上記の地電位測定
センサ31 〜3n により測定され入力された地電位また
は磁気等のデータから、地電位変化分布算出装置9は、
地電流(地表面Gを流れる電流)IG を、算出し、現在
監視している雷雲Cに対する地電位の変化の分布をとら
え、落雷位置・方向予測処理装置10へ送る。ここに、
地電位変化分布算出装置9は地電位変化分布算出手段に
相当している。
In parallel with the above analysis, the ground potential change distribution calculating device 9 uses the data such as the ground potential or magnetism measured and input by the ground potential measuring sensors 3 1 to 3 n to
The ground current (current flowing on the ground surface G) I G is calculated, the distribution of changes in the ground potential with respect to the thundercloud C that is currently being monitored is captured, and sent to the lightning strike position / direction prediction processing device 10. here,
The ground potential change distribution calculating device 9 corresponds to the ground potential change distribution calculating means.

【0030】そして、最終的に、落雷位置・方向予測処
理装置10は、送られてきた雷雲Cの運動データ、雷雲
内部の構造データ、雷雲中の電荷分布データ、地電位の
変化解析データ等に基づき、総合的に予測処理を行い、
現在監視している雷雲Cにおいて、落雷が最も起こりや
すい確率となっている地上Gの位置と、その場合の雷雲
Cからの放電予想位置、及び放電予想電流の方向等を割
り出す。ここに、落雷位置・方向予測処理装置10は落
雷予測手段に相当している。
Finally, the lightning strike position / direction prediction processing device 10 collects the transmitted motion data of the thundercloud C, structural data inside the thundercloud, charge distribution data in the thundercloud, ground potential change analysis data, and the like. Based on the comprehensive prediction process,
In the currently monitored thunder cloud C, the position of the ground G where the lightning strike is most likely to occur, the expected discharge position from the thunder cloud C, the direction of the expected discharge current, and the like are determined. The lightning strike position / direction prediction processing device 10 corresponds to lightning strike prediction means.

【0031】また、落雷位置・方向予測処理装置10
は、上記の落雷予測算出結果を、他の誘雷システム等へ
情報提供したり、画像表示装置11からの画像表示出
力、あるいは印刷出力装置12からのプリント出力等に
より、気象情報等として「避雷警報」等を出す。
The lightning strike position / direction prediction processing device 10
Provides the above-described lightning strike prediction calculation information to other lightning protection systems or the like, or outputs image display output from the image display device 11 or print output from the print output device 12 as “lightning protection”. "Warning" is issued.

【0032】上記の雷電探知方法あるいは雷電探知装置
により、工場や化学プラント等の地上施設への落雷予測
および避雷が可能となる。また、空港における航空機へ
の落雷予測および避雷も可能となる。
With the above-mentioned lightning detection method or lightning detection device, it is possible to predict lightning strikes to ground facilities such as factories and chemical plants and to prevent lightning. In addition, it is also possible to predict lightning strikes and lightning strikes on aircraft at airports.

【0033】本発明は、さらに発展・応用が可能であ
る。すなわち、上記の落雷予測システム100により、
落雷の位置や時刻等が正確に予知できるようになるの
で、レーザビームやロケット等により雷電のエネルギの
解放を誘発させ、放出されたエネルギを超伝導リング等
によるエネルギ蓄積技術等によって蓄積する雷電エネル
ギ蓄電システムを構築することができ、雷電の電気エネ
ルギを有効に活用することが可能となる。
The present invention can be further developed and applied. That is, by the above lightning strike prediction system 100,
Since it becomes possible to accurately predict the location and time of a lightning strike, a laser beam, a rocket, etc. will trigger the release of the energy of the thunderstorm, and the emitted energy will be stored by energy storage technology such as a superconducting ring. A power storage system can be constructed, and it is possible to effectively utilize the electric energy of thunderbolt.

【0034】特に、本発明により、雲中における電荷分
布及び地電位の分布から、最も落雷の起こりやすい地上
点Gの位置とそのときの雲Cにおける放電位置、放電電
流の方向が割り出せれば、レーザビーム等の誘雷システ
ムに対し制御情報の提供や、蓄電システムに対し電荷の
極性に関する情報提供が可能になる。
In particular, according to the present invention, if the position of the ground point G at which lightning is most likely to occur, the discharge position in the cloud C at that time, and the direction of the discharge current can be determined from the charge distribution and the ground potential distribution in the cloud, It is possible to provide control information to a lightning protection system such as a laser beam and information on the polarity of electric charge to a power storage system.

【0035】なお、本発明は、上記実施例に限定される
ものではない。上記実施例は、例示であり、本発明の特
許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な
構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなる
ものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
The present invention is not limited to the above embodiment. The above-described embodiment is an exemplification, and has substantially the same configuration as the technical idea described in the claims of the present invention, and any device having the same function and effect can be realized by the present invention. It is included in the technical scope of the invention.

【0036】例えば、上記実施例の雷電探知方法及び雷
電探知装置においては、気象レーダーやSQUIDセン
サ、電流測定センサ等を地上Gに配設し、陸上での落雷
予測を行う例について説明したが、これは、全く同様の
原理により、航行中の船舶上への落雷予測および避雷、
あるいは飛行中の航空機への落雷予測および避雷を行う
ことが可能である。それらの場合には、地電流や地電位
の解析のかわりに、船体や機体の表面電流、あるいは船
体や機体の電位の解析を行うことになる。
For example, in the lightning detection method and the lightning detection device of the above-described embodiment, an example in which a weather radar, an SQUID sensor, a current measuring sensor, etc. are installed on the ground G to predict a lightning strike on land has been described. This is based on exactly the same principle as the prediction of lightning strikes and lightning strikes on ships during navigation,
Alternatively, it is possible to perform lightning strike prediction and lightning protection for an aircraft in flight. In these cases, instead of analyzing the ground current or the ground potential, the surface current of the hull or the body or the potential of the hull or the body is analyzed.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上説明したように、上記構成を有する
本発明によれば、SQUIDセンサ等の磁気検出手段を
備え、落雷の先行現象であるリーク電流または雲中放電
等によって発生する磁界をベクトル量のデータとして検
出することができ、このベクトルデータから雷電の電流
の方向を逆推定し、気象レーダー等の気象探知手段によ
る雲の構造、例えば断面形状、風速等の観測データと組
み合せることにより、雲中の電荷分布を算出することが
できる。上記情報に、地面の電位差または磁気の測定に
より求められる地電流から算出される、雷雲に対する地
電位変化分布を加え、上記の雲中電荷分布と地電位変化
分布とから、総合的に判断することにより、落雷確率が
最大の地上位置、そのときの雲の放電先の位置、及び放
電電流の方向の予知が可能となる。そして、これによ
り、空港や工場等における落雷被害の防止が可能とな
る、という利点を有している。
As described above, according to the present invention having the above-mentioned configuration, the magnetic field generated by the leakage current or the cloud discharge which is a preceding phenomenon of a lightning strike is provided by the magnetic detection means such as the SQUID sensor. It can be detected as a quantity data, and the direction of the current of the thunderbolt can be inversely estimated from this vector data and combined with the observation data such as the cloud structure, such as the cross-sectional shape and the wind speed, by the weather detection means such as the weather radar. , The charge distribution in the cloud can be calculated. To the above information, add the ground potential change distribution for the thundercloud, which is calculated from the ground current obtained by measuring the ground potential difference or magnetism, and make a comprehensive judgment from the above cloud charge distribution and ground potential change distribution. This makes it possible to predict the ground position where the lightning strike probability is maximum, the position of the cloud discharge destination at that time, and the direction of the discharge current. This has the advantage that it is possible to prevent damage from lightning strikes at airports, factories, and the like.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施例である雷電探知方法の手順
を説明する概念図である。
FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a procedure of a lightning detection method that is a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2実施例である落雷予測システムの
全体構成を示すブロック図である。
FIG. 2 is a block diagram showing the overall configuration of a lightning strike prediction system that is a second embodiment of the present invention.

【図3】図1または図2における電流逆推定の原理を説
明する概念図である。
FIG. 3 is a conceptual diagram illustrating the principle of reverse current estimation in FIG. 1 or FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 〜1n 気象レーダー 21 〜2n SQUIDセンサ 31 〜3n 地電流測定センサ 5 雲運動・雲構造解析装置 6 磁場ベクトル解析装置 7 雷電流逆推定装置 8 雷雲中電荷分布算出装置 9 地電位変化分布算出装置 10 落雷位置・方向予測処理装置 11 画像表示装置 12 印刷出力装置 20 解析系 100 落雷予測システム C 雷雲 D 放電 e+ ,e- 電荷 G 大地 IG 地電流1 1 to 1 n weather radar 2 1 to 2 n SQUID sensor 3 1 to 3 n locations amperometric sensor 5 cloud motion-cloud structure analysis apparatus 6 field vector analyzer 7 lightning current reverse estimating device 8 thundercloud the charge distribution calculation device 9 ground potential change distribution calculating device 10 lightning strike position and direction prediction processor 11 the image display device 12 print output device 20 analysis system 100 lightning forecast system C thundercloud D discharge e +, e - the charge G earth I G land current

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 小室 貴紀 千葉県印旛郡印西町武西学園台2−1200 株式会社超伝導センサ研究所内 (72)発明者 風見 邦夫 千葉県印旛郡印西町武西学園台2−1200 株式会社超伝導センサ研究所内 (72)発明者 春田 康博 千葉県印旛郡印西町武西学園台2−1200 株式会社超伝導センサ研究所内 審査官 長井 真一 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (72) Inventor Takanori Komuro 2-1200 Inzai Gakuendai, Inzai-cho, Inba-gun, Chiba Inside the Superconducting Sensor Laboratory Co., Ltd. Tai 2-1200 In the superconducting sensor laboratory (72) Inventor Yasuhiro Haruta Takenishi Gakuen, Inzai-cho, Inba-gun, Chiba Tai 2-1200 Inside the superconducting sensor laboratory Examiner Shinichi Nagai

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 雲の内部構造や運動性状に関する雲デー
タを気象探知手段により検出する第1ステップと、 落雷の先行現象であるリーク電流や空中放電現象に伴い
発生する磁場を磁気検出手段により磁場ベクトルデータ
として検出する第2ステップと、 当該磁場ベクトルデータから、雷電の電流の方向を逆推
定する第3ステップと、 前記雲データと当該逆推定された電流方向とから、着目
している雲中の電荷分布を算出する第4ステップと、 地面の電位差または磁気を測定することにより地電流を
求め、雷雲に対する地電位の変化分布を算出する第5ス
テップと、 前記雲中電荷分布と当該地電位変化分布とから、落雷す
る確率が最大の地上位置と、その場合の雲における放電
の位置及び電流の方向を割り出す第6ステップと、を有
することを特徴とする雷電探知方法。
1. A first step of detecting cloud data relating to the internal structure and motion characteristics of clouds by a meteorological detection means, and a magnetic field generated by a magnetic detection means for generating a magnetic field associated with a leakage current or an aerial discharge phenomenon which is a preceding phenomenon of a lightning strike. In the cloud of interest from the second step of detecting as vector data, the third step of inversely estimating the direction of the current of the lightning from the magnetic field vector data, and the cloud data and the inversely estimated current direction. The fourth step of calculating the electric charge distribution of the ground, and the fifth step of calculating the ground current by measuring the ground potential difference or magnetism to calculate the change distribution of the ground potential with respect to the thundercloud. The cloud charge distribution and the ground potential. From the change distribution, the ground position where the probability of a lightning strike is the maximum, and the sixth step of determining the position of the discharge in the cloud and the direction of the current in that case, Lightning detection method according to claim.
【請求項2】 雲の内部構造や運動性状に関する雲デー
タを検出する気象探知手段と、 落雷の先行現象であるリーク電流や空中放電現象に伴い
発生する磁場を磁場ベクトルデータとして検出する磁気
検出手段と、 当該磁場ベクトルデータから、雷電の電流の方向を逆推
定する雷電流逆推定手段と、 前記雲データと当該逆推定された電流方向とから、着目
している雲中の電荷分布を算出する雲中電荷分布算出手
段と、 地面の電位差または磁気を測定することにより地電流を
求め、雷雲に対する地電位の変化分布を算出する地電位
変化分布算出手段と、 前記雲中電荷分布と当該地電位変化分布とから、落雷す
る確率が最大の地上位置と、その場合の雲における放電
の位置及び電流の方向を割り出す落雷予測手段と、を備
えたことを特徴とする雷電探知装置。
2. Meteorological detection means for detecting cloud data relating to cloud internal structure and movement properties, and magnetic detection means for detecting magnetic field generated as a result of leakage current or aerial discharge phenomenon, which is a preceding phenomenon of lightning strike, as magnetic field vector data. And a charge current inverse estimation means for inversely estimating the current direction of the lightning current from the magnetic field vector data, and a charge distribution in the cloud of interest from the cloud data and the inversely estimated current direction. An electric charge distribution calculation means in the cloud, an earth potential change distribution calculation means for calculating an earth current change by measuring an electric potential difference or magnetism on the ground to calculate an electric potential change distribution with respect to a thundercloud, the in-cloud electric charge distribution and the earth potential A lightning strike characterized by having a ground position where the probability of a lightning strike is maximum based on the change distribution and a lightning strike prediction means for determining the position of discharge in the cloud and the direction of the current in that case. Detection equipment.
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