JPH11510252A - 雷ロケーティングシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 雷閃光の初期リーダーストロークの初期の放電を検知し且つその位置を決定するための雷検知システムである。初期の雷放電によりパルスが生成され、このパルスを用いて、雷を、具体的には、初期の雷放電の位置を、正確に検知することができる。ある実施形態では、少なくとも３つのセンサが、初期の雷放電からの第１のパルスを検知し、３つのセンサの各々におけるパルスの到着情報の時間差を用いてパルスの位置を決定する。別の実施形態では、１つのセンサを用いて、対応の初期の検知されたパルスの振幅から初期の雷放電の範囲を決定し、さらに、クロスループアンテナから方向を決定する。単一センサシステムの代替実施形態は、パルス振幅分布から得られるピーク振幅値から雷事象の距離を決定する。他の実施形態では、雷検知システムは、気象レーダーからの気象データを、検知された雷情報に組み入れることによって、より高度な雷ロケーションを与える。

Description

【発明の詳細な説明】 雷ロケーティングシステム 関連ケース情報 本願は、1995年７月26日付けで提出された米国仮出願第60/001,540号の利益を 享受する。 産業上の利用分野 本発明は、一般に、雷警報システムに関し、より特定的には、初期の雷放電を 検知し、処理するための初期雷警報システムに関する。 発明の背景 雷には、雲の中の電気放電、即ち、雲内（IC）放電と、地面対雲（CG）放電と がある。雷は、極性が逆の粒子が雲の中の異なる領域において集まるにつれて雲 の中の電界が増大したときに発生する。通常、電界は、強い上昇気流が、雲の中 央部または下部において負の空間電荷から上方に離れていく単極正電荷を有する 場合に形成される。降水および下降気流もまた、負の空間電荷を下方に搬送し得 る。さらに、下降気流は、雲粒子の帯電をもたらす。雷は、一般に、これらの強 い上昇気流および下降気流の位置付近で発生する。 雷は、リーダーチャネル(leader channel)で始まり、このリーダーチャネルか ら一連のチャネルブランチが雲内で成長し、広い範囲にわたるブランチチャネル 構造を形成する。IC雷に関しては、チャネル構造は雲内に残ったままである。CG 放電は、少なくとも１つのブランチが雲から地上へと延びていくときに発生する 。リーダーチャネルは、段階的に地上へと伝搬する。リーダーチャネルが地上か ら約100メートルの位置にあるとき、ストリーマは、地上から上方に伝搬し、階 段形前駆（stepped leader）と遭遇する。ストリーマと階段形前駆が遭遇すると 、イオン化空気の連続チャネルが雲から地上へと形成される。この時点で、大き な電流が地上から雲へと流れる。これは、リターンストローク（return stroke ） として知られている。 米国国立雷検知ネットワーク（National Lightning Detection Network）（NL DN）において用いられている雷ロケーションおよび保護（Lightning Location a nd Protection）(LLP)システムなどの典型的な雷検知システムは、CGリターンス トロークを検知するように動作する。一般に、CG放電に関連するリターンストロ ークは、IC放電のリターンストロークよりも何倍も大きい。それ故、このような システムは、通常、IC雷を検知しない。また、システムは、地面のポジションに 対応する位置を放電に割当てるが、数十マイル離れたところに存在し得るストロ ークの源に対する情報を提供しない。 従来の単一センサシステムのさらなる欠点は、RFノイズに対する感受性である 。超低周波（VLF）信号が検知の標的とされるため、CGリターンストロークを検 知するためのシステムは、周知のクロスループ(crossed loop)技術を用いて一般 的な嵐の挙動を提供することはできるが、距離に対して著しい誤りを免れない。 特に、単一センサVLFシステムは、ストローク強度から雷撃（lightning stroke ）の距離を決定するが、ストローク強度は、２または３のオーダーで変化し得る 。従って、言うまでもなく、これらのVLFシステムは、単一の観察ステーション から雷の範囲を正確に決定する能力はない。 公知のシステムの他の欠点は、雷の位置に関する表示制限である。さらに特定 的には、ディスプレイ上の単一ドットは、通常、完全な雷閃光(lightning flash )を示す。しかし、雷閃光は、初期リーダーから数十マイル延び得る。この為、 ドットの表示は、雷放電を含む一般的なエリアを提供し得るが、大気擾乱の源の 位置を正確に示さない。雷の源は、一般に、雹、氷衣、乱流、およびマイクロバ ーストなどの最も深刻な航空上の危険を示すエリアである。 いくつかのシステムのさらに他の欠点は、システムが、動作中に、雷撃の雷チ ャネルの多数の部分からのエネルギーおよび各ストロークからの多数のパルスを 検知および処理するため、非常に優れた処理能力を必要とすることである。この ようなシステムは、複雑であり、費用がかかる。 公知の単一ステーション雷検知システムに関しては、雷放電の大きさが固有に 変化するため、かなりの制限がなされる。例えば、雷チャネル構造は、水平およ び垂直方向の広範囲にわたってエネルギーを放出する。このため、アジマスおよ び距離決定について偏差誤差を生じる。雷放電は、３のオーダー程度で強度が変 化するので、検知された放電強度に基づいて距離を正確に決定することはできな い。また、ICおよびCG放電は異なる特性を有する。これらの要因は、IC雷とCG雷 とを区別する能力を有する正確な雷検知システムの製造において問題を生じる。 雷雨のとき、マイクロバーストとして知られる強い下降気流が上昇気流を生成 する雷に伴われることが頻繁にある。マイクロバーストは、特に航空機が危険な 状態にある特に離陸直後および着陸直前に、航空機に脅威を与える。航空機に対 するさらなる危険は、マイクロバーストが地上レベルに近づき、空気が水平に移 動し、航空機の失速および揚力の喪失の原因となり得る風の剪断領域を形成する ときに生じる。事実、過去数十年にわたって発生した航空機衝突における数百人 の死は、強い下降気流またはマイクロバーストおよびその結果生じる風の剪断に よるものであった。雷は、一般に、強い上昇気流および下降気流の位置付近で始 まるため、マイクロバーストを初期のうちに検知することは、このような惨事を 避けるのに重要である。このような難問は、全米の様々な主要飛行場において、 ターミナルドップラー気象レーダー（Terminal Doppler Weather Radars）（TDW R）などの気象レーダーを配置することによって対応してきた米国連邦航空庁（F AA）によって部分的に取り組まれてきた。これらのレーダーは、レーダーへ向か う雨滴およびレーダーからの雨滴の半径方向速度を測定し、その測定結果から空 気の動きを推断する。しかし、ドップラー気象レーダーには、数百万ドル程度の かなりのコストがかかることに加えて、制限がある。例えば、降雨が垂直であり 、レーダーが水平付近で走査している場合、半径方向速度は検知されないので、 下降気流があったとしても検知されない。ドップラーレーダーは、降雨を内部に 有する流出空気を検知するように動作する。気象レーダーの他の欠点は、例えば ３分ずつの遅い走査、地上クラッターによる性能低下、および高いコストである 。 公知の雷検知システムは、潜在的なマイクロバーストの位置を決定する方法を 提供しない。なぜなら、CG放電とマイクロバーストとの相関関係が知られていな いためである。当業者には当然のことながら、雷チャネルと同様のスケールの波 長を有する信号を検知するVLFシステムは、数百メートルのスケールで雷を規定 しなければならないマイクロバーストの予想にはあまり適合しない。VLFシステ ムは、マイルのオーダーで波長を有するVLFエネルギーを放出するCGリターンス トロークを検知するが、マイクロバーストが予想され得るHFおよびVHF放射線を 多く含むIC雷のより短い前駆構造については、たとえあったとしても、めったに 検知し得ない。 現在、レーザおよび赤外（IR）をベースにしたシステムなどの風の剪断の状態 を検知するための他の技術が開発されている。これらの技術は、すでに形成され ているマイクロバーストの確認においてはいずれ成功し得るであろうが、事象予 報が達成される見込みはない。危険な気象の警報は、約数分または数秒前に行わ れるため、航空機が危険を回避するのには到底十分ではない。 上記を考慮すると、雷放電を検知し、雷の初期の警報、雷の源の方向および範 囲を含む正確な位置、雷のタイプ、および潜在的なマイクロバーストの位置を提 供する低コストの雷警報システムが所望される。 発明の要旨 本発明は、雷が、落雷前に検知されることが可能となる初期雷放電を検知する ための雷検知システムを提供することにより、前述および他の不利点を克服する 。初期放電は、雷の位置、および激しい上昇気流および下降気流、またはマイク ロバースト等による危険な気象状況を決定するために使われる情報を提供する。 第１の実施形態においては、雷検知システムは、各センサにつながるマスター ステーションが知る位置に配置される少なくとも３つのセンサを含む。センサは 、初期雷撃の初期雷放電によって生成されるパルスを検知する。各センサでは、 パルスの到着時間が記録され、この情報が、処理のためにマスターステーション に送られる。マスターステーションは、３つのセンサにおける、パルス到着の時 間差を用いて、初期放電の、２次元での起点位置を決定する。４つ以上のセンサ は、３次元での位置を提供する。 別の実施形態においては、雷検知システムは、初期雷放電（無線周波数パルス ）の位置を決定する単一のセンサを含む。初期パルスは、正または負の単極であ る。センサは、電界アンテナ（E-field antenna）およびクロスループアンテ ナ（crossed loop antenna）を含む。初期放電の距離は、初期パルスに対して一 定である検知されたパルスの振幅から決定される。初期放電は、地面に対して垂 直であるので、該振幅が、距離の関数で低下することが公知であるので、範囲が 正確に決定され得る。電界アンテナに関連して、クロスループアンテナは、初期 雷放電の方向を提供する。初期ＩＣ放電が負で、ＣＧ放電が正であるので、初期 放電の振幅は、対応するパルスの極性に基づいて割り当てられ得る。 単一センサの雷検知システムのさらなる実施形態は、雷撃に対応する一連のパ ルスを検知し、パルス振幅の分布からピーク値を決定する。ピーク値は、雷現象 の距離の決定に使用される。 別の実施形態においては、雷検知システムは、気象レーダーと、雷情報を含む 気象レーダー型ディスプレイを提供する雷検知器を含む。 図面の簡単な説明 本発明の他の特徴および利点は、添付の図面と関連して、以下の発明の詳細な 説明から明らかになるであろう。 図１は、雲の中で形成する雷の絵を示す。 図２は、静電位の経時的変化を示す、典型的な落雷閃光のグラフを示す。 図３は、図２の落雷閃光の電磁サイン（electromagnetic signature）のグラ フを示す。 図４は、静電位の経時的変化を示す、典型的な雲内雷フラッシュのグラフを示 す。 図５は、図４の雲内雷フラッシュの電磁サインのグラフを示す。 図６は、本発明による雷検知システムの第１の実施形態のブロック図である。 図７は、図６の雷検知システムの１部を構成するセンサのブロック図である。 図８は、図６の雷検知システムの１部を構成するマスターステーションのブロ ック図である。 図９は、図６の雷検知システムのディスプレイの一例の絵を示す。 図１０は、本発明による雷検知システムのさらなる実施形態のブロック図であ る。 図１１は、図１０の雷検知システムの１部を構成する電界アンテナおよび増幅 器の回路図である。 図１２は、図１０の雷検知システムの１部を構成するループアンテナおよび増 幅器の回路図である。 図１３Ａは、図１０の雷検知システムの１部を構成する電界パルス検知回路の 回路図である。 図１３Ｂは、図１０の雷検知システムの１部を構成する論理回路の回路図であ る。 図１４は、図１０の雷検知システムの１部を構成するパルス測定回路の回路図 である。 図１５Ａおよび図１５Ｂは、図１０の雷検知システムの１部を構成する処理装 置に関連する処理ステップを示すフロー図である。 図１６は、雷撃に対応するパルス振幅の分布例である。 図１７は、本発明による気象レーダーを含む雷検知システムの代替の実施形態 のブロック図である。 発明の詳細な説明 図１に示されるように、雷は、雲の対流サイクルにおける上昇気流１２が雲の 上部１４に正電荷を運ぶ時に生成される、雲１０中の電位の結果である。正電荷 は、雲の下部１６にとどまり、それによって、負電荷の大多数を有する中間層１ ８が、雲の上部１４と下部１６との間に形成される。従って、大きな電位勾配が 生じ、チャネルを形成する非イオン化大気によって初期雷放電につながる。初期 放電は、大気をイオン化し、イオン化された大気のチャネルを形成する。 初期ＩＣ放電２２は、雲１０の上部１４と中間部１８との第１の交点２４で起 こる。一般的に、この交点は、十分に発達した雷雨の場合、高度約９ｋｍである が、初期には、６または７ｋｍであり得る。初期ＣＧ放電２０は、雲１０の下部 １６と中間部１８との第２の交点２６で起こる。典型的には、初期ＣＧ放電の高 度は、約５ｋｍである。初期ＩＣおよびＣＧ雷放電２２および２０は、実質的に 垂直である。初期ＣＧ放電２０および初期ＩＣ放電２２は、逆の極性を有するこ とが認識される。初期ＩＣおよびＣＧ放電は、初期リーダーストロークの１部を 形成し、初期リーダーストロークから、一連のチャネル分岐が発達して、相対的 な分岐チャネル構造２８が形成される。一連のストロークは、閃光として知られ るチャネル構造を通って流れる。閃光は、一般的に、雷撃がチャネルを照らす時 の点滅として観測される。 初期ＩＣおよびＣＧ放電は、極性を除いては、実質的に同一である。しかし、 ＩＣ放電は、雷雨の間中存在するが、ＩＣ放電は、ほとんど常に、地面に到達す るＣＧストロークに数１０分先行する。従って、ＩＣ検知は、地面に到達するＣ Ｇ雷撃の前に、雷雨の早期警告を提供するために重要である。実際、ＣＧ雷を全 く生成しない雷雨もあれば、ほんのわずかのＣＧ閃光を生成する雷雨もあるので 、ＩＣ雷検知は、雷雨の検知において、はるかにずっと正確である。 図２に示されるように、ＣＧ閃光３２の静電サインは、初期リーダーストロー ク信号３４と、初期リターンストローク３６と、それに続く、後続のストローク ３８および後続のリターンストローク４０とを含む。従って、ＣＧ閃光３２は、 複数のストロークを含む。図示されるように、リターンストローク信号３６およ び４０として見られる、一連の正のステップは、ＣＧ放電を表す。初期リーダー ストローク３４は、初期リーダーストロークの一番最初に、初期放電４２を含む 。ＣＧ閃光３２は、数ミリ秒にわたって継続し、経時的な静電位の差異を測定す るための、０．１Ｈｚの低さの「低速アンテナ」サンプリングによって検知され 得る。 図３は、図２のＣＧ閃光３２から検知されたエネルギーを示す。初期リーダー ストローク３４の初期放電４２に対応して、初期パルス４４が存在する。初期パ ルス４４は、特有の振幅４６、エネルギー、および比較的一定の持続期間を有す る。初期リターンストローク３６は、対応する初期リターンストロークパルス４ ８を生成する。後続するリターンストローク４０は、ストロークパルス５０に対 応する。リターンストロークパルス５０には、リターンストロークパルスの振幅 よりも小さい振幅を有する一連のパルスとして表されているＱ-バースト(Q-burs ts)５２が続く。 図４および５は、ＩＣ閃光５４の電磁サインおよび対応して生じるパルスを示 す。図示されるように、ＩＣ閃光５４は、ＣＧ閃光３２と比較してあまり顕著で ない負のステップを有する。ＣＧリターンストロークに相当する反動ストリーマ (recoil streamer)５６は、対応するパルス５８を生成する。初期ＩＣリーダー ストローク６１の初期放電６０は、特有の振幅６４、エネルギー、および極性を 除いてはＣＧ初期パルスの持続期間と実質的に一致した持続期間を有する初期パ ルス６２に対応する。初期ＩＣおよびＣＧパルスを検知および処理することによ り、当該分野において、知られている雷検知システムを上回る利点をもたらす。 図６〜８に示すような第１の実施態様においては、雷検知システムは、雷放電 からＲＦエネルギーを検知するための複数のセンサを含む。雲中の本質的に全初 期雷放電によって送られたＲＦエネルギーは、地面に対して実質的に垂直である と信じられている(ただし、これに限定されることはない)。さらに、ほぼ全初期 雷放電から生成されたＲＦパルス、ＩＣおよびＣＧは、ストロークの最終的なエ ネルギー、または放電が最終的に地面に到達するか否かに関わらず、エネルギー 、振幅、および持続期間に関して実質的に類似している。従って、初期雷放電、 および対応するパルスは、早期および迅速な雷検知およびロケーションの基礎と なり得る。 第１の実施態様の雷検知システム１００は、５つのセンサ１０２、およびセン サからのデータを収集および処理するためのマスターステーション１０４を含む 。センサ１０２は、互いと間隔を開けられて構成され、各センサの正確な位置は マスターステーション１０４に知られている。例示的な実施態様においては、セ ンサ１０２は、１つのセンサを十字の中心にし、半径２５マイル以内に配置する 十字構成(cross configuration)で配置される。各センサに関連した(グローバル ポジショニングシステム)ＧＰＳユニットは、約５０フィートまで正確なロケー ションを提供し得るが、例示的な実施においては、各センサの緯度および経度に 関する正確度は１０フィート以内と知られている。センサ１０２のそれぞれは、 電話回線を介して、またはＲＳ−２３２シリアルコンピュータリンク１０６によ ってマスターステーション１０４に接続されている。ＲＳ−２３２リンクは、マ スターステーションの付近にあるセンサに適合されている。 代替の実施態様において、センサの異なる構成が可能である。３次元システム では最低４つのセンサが必要であり、２次元システムでは３つのセンサが必要と なる。１つの実施態様において、少なくとも１つのセンサがほぼ空港付近に配置 されている。また、１つ以上のセンサが、航空機に配置されて、マスターステー ションおよび他の航空機に情報を提供し得る。センサは、雷のロケーションの改 善された正確度を提供する十分なセンサ感度を有したまま何百マイルも離されて 配置され得る。さらにまた、センサは航空機ウィングチップに配置され得る。ウ ィングスパン距離は限定されるが、自動相関(autocorrelation)技術により、誤 差を受容可能なレベルにまで減少する。他の実施態様においては、典型的に小さ い空港の近くに配置される無人雷警報ステーションに、雷データが提供される。 ここで、図７のブロック図を参照すると、各センサ１０２は、アンテナからの 信号を増幅するためのプリアンプ１１２と連絡する雷アンテナ１１０を含む。例 示の実施態様においては、アンテナ１１０は、１５０ｋＨｚから５０ＭＨｚの範 囲のＲＦエネルギーを検知する。バイポーラコンパレータ１１４は、初期雷放電 に対応する所定の範囲内の特性を有するパルスを検知するために、プリアンプ１ １２に結合される。検知されたパルスは、概して、約１００ナノ秒の立ち上がり 時間、およびいくらか長いたち下がり時間を有する約１μ秒を下回る持続期間を 有する。コンパレータは、正および負のパルスが検知される点でバイポーラであ る。ＧＰＳアンテナ１１８を含むＧＰＳユニット１１６は、センサ処理装置がＧ ＰＳユニットと連絡することを可能にする双方向ＧＰＳデータ信号１２２を介し て、位置、時間、および日付情報をセンサ処理装置１２０に付与する。ＧＰＳユ ニット１１６は、１秒パルス信号１２４を、カウント値シグナル１２８により処 理装置１２０に結合されたカウンタ１２６に提供する。コンパレータ１１４は、 事象信号１３０によりカウンタ１２６およびセンサ処理装置１２０に接続される 。例示の実施態様において、事象信号１３０は、センサ処理装置１２０への割り 込み(interrupt)として接続される。センサ処理装置１２０と結合されているの は、事象データ記憶能力を提供するためのメモリ１３２である。記憶された事象 情報をマスターステーション１０４に付与するために、モデム１３４およびシリ アルリンク１３６が、センサ処理装置１２０に結合されている。 ＧＰＳユニット１１６は、時間に関する基準系を提供する。時間基準を得るた めに他の方法も使用し得ることが理解される。ＧＰＳユニット１１６はまた、セ ンサのロケーションを提供し得るが(約50フィート以内)、測定した緯度および経 度測定により、より高い正確度が得られる(10フィート以内)。ＧＰＳユニット１ １６からのパルス信号１２４は、１秒毎に一度能動となり、カウンタ１２６をリ セットする働きをする。カウンタ１２６は、約４０ＭＧｚの周波数を有し、従っ て約２５ナノ秒のクロック期間を付与する結晶発振器１３８により増分される。 動作においては、コンパレータ１１４は、所定の振幅を上回る振幅を有するパ ルスを検知すると事象信号１３０を能動にする。能動にされた事象信号１３０は 、カウンタ１２６が増分されるのを止め、センサ処理装置１２０に割り込みを付 与する。センサ処理装置１２０は、検知されたパルスの時間に対応するカウント 値信号１２８を介して、カウンタ１２６内の値を読む。カウンタ１２６は、事象 に対して「時間スタンプ」を付与する。より詳細には、検知されたパルスの時間は 、ＧＰＳユニット１１６からの最後の１秒パルス以降の時間に対応するカウンタ １２６内の値から知られる。次いで、センサ処理装置１２０は、所定の時間の間 、例えば０．５〜１．５秒の間、カウンタ１２６へのいかなる事象信号も制止す る。これにより、ＧＰＳユニット１１６がカウンタ１２６をリセットすることが 可能になる。コンパレータ１１４によって検知された各初期放電パルス(事象)は 、最新の１秒ＧＰＳ時間更新(カウンタ値)から得たＧＰＳ位置、日付、および時 間を含む事象情報、ならびに極性を割り当てられている。パルス情報は、センサ 処理装置１２０の制御下でメモリ１３２に保持される。センサの最小記憶容量は 、１００の雷事象である。メモリ１３２内の記憶された事象情報は、マスタース テーション１０４によってモデムまたはシリアルリンクを介して検索される。図 示しないが、さらなる実施態様において、事象のピーク電圧情報を付与するため に、センサ１０２はまた、プリアンプ１１２とセンサ処理装置１２０との間に結 合されるバイポーラピーク検知器１４０を含み得る。 本願に記載する例示的な実施態様において、初期雷撃に関連した初期パルスを 指す場合、一連の初期パルスも含み得る。第１初期パルスを確認するため、初期 リーダーの第１部分からの、例えば、５または10パルスなどの所定数のパルスが 処理され得る。あるいは、精度を向上させるために、処理は、いくつかのパルス の平均を含み得る。さらに、タイムサンプルは、ミリ秒以上のオーダーであり得 る。通常、初期放電の前に、検知されたRF放射線に対して比較的静かな期間（通 常少なくとも約数百マイクロ秒）がある。例示的な実施態様は、システムが他の 初期パルスまたは事象を処理する準備ができる前に約１秒の期間を提供し得る。 しかし、本発明は、発生した雷を連続して処理する他の実施態様を含む。 図８に示すように、マスターステーション104は、制御処理装置142とディスプ レイ144とを有する。初期雷放電パルスに関連する事象情報は、情報を処理し、 処理した情報をユーザが見ることができるようにするディスプレイ144に提供す る制御処理装置142によって取り出される。マスターステーション104は、事象デ ータについてセンサ102のそれぞれをポーリングし、事象データが存在する場合 には格納されている事象データをリクエストする。マスターステーション104は 、センサ102から得られる事象データを処理し、３次元における事象の位置を決 定する。制御処理装置142は、まず、事象の到着時間（TOA）に従って事象をグル ープ分けする。最小平均二乗アルゴリズム（least mean square algorithm）は 、検知されたパルスの到着時間差（TDOA）から、検知されたパルス（事象）に対 応する初期雷放電の高さを含む位置を決定する。最小平均二乗アルゴリズムは、 当該技術分野で周知である。処理された雷事象データは、ディスプレイ144上に 表示される。制御処理装置142は、ディスプレイ144と関連して、雷撃率に関する 情報および雷率に関する変化率を提供する。ストローク率および変化率は、IC雷 およびCG雷について個別に得られ、および全雷率、即ち、ICおよびCG雷について も得られる。 図９は、収集された初期雷放電情報の例示的なディスプレイ145である。図示 するように、低危険エリア146、中危険エリア148、および高危険エリア150など の変化する雷強度のエリアを示す。言うまでもなく、ディスプレイの他の実施態 様は、色または次元が異なり得る。例えば、３次元ディスプレイは、高さ情報を 提供し得る。他の実施態様において、複数のディスプレイは、２つ以上の高度範 囲に関する情報を提供し得る。 IC雷の高解像度マッピングおよび強度決定により、雷検知システムは、マイク ロバースト事象を予想する能力を有する。マイクロバーストは、以下に記載する ように、IC雷から検知され得る。このことは、本願で参考のために援用するMark sonらの米国特許第4,996,473号に開示されている。マイクロバースト下降気流は 、一般に、本発明の雷検知システムの解像度内で、直径が約１から２kmである。 雷は、部分的には、対流サイクルにおける上昇気流によって生じるため、上昇気 流の外周に沿って強いIC雷放電が発生することになる。上昇気流はマイクロバー ストよりも先に発生するため、特定の特性を有するIC雷、および特に雷放電率の 急峻な増加に基づいてマイクロバーストを予想することが可能となることは公知 である。特に、雷率は単調に急峻な増加を遂げ、マイクロバーストに関連した最 大流出速度に達する約５分から10分前に最大となる。例えば、IC雷率が１分当た り５ストロークの率に増加し、その後率が減少するとき、マイクロバーストが発 生する可能性は90%よりも高い。 パルス情報はまた、１分当たりのストロークから得られる嵐の強度の測定値を 提供する。典型的な雷検知システムにおいて、嵐の強度は、単位時間当たりの閃 光として測定される。閃光当たりのストローク数は、平均約４であるが、少なく とも約１から７の範囲にわたるため、全閃光の測定値は、嵐の強度の正確な測定 値ではない場合もある。実験証拠は、強い嵐ほど、閃光当たりのストローク比が 大きくなることを示唆している。本発明による雷検知システムは、１分当たりの ストロークおよび単位時間当たりの閃光の関数として、嵐の強度を提供する。 雲の高さもまた、嵐の強度を決定する上で重要な要因である。雷は、雲の高さ の５乗に比例する。従って、雲の高さが10%増加すると、雷率は約２倍になる。 雲の高さの増加は、レーダによって検知されないこともある。乱流雲の空気速度 は、雲の高さに比例するため、垂直方向の空気移動、即ち上昇気流は、雷レーダ と密接に関連している。正確に雷雲の位置を把握しておくと、航空機を雷雲の上 方または下方で飛行させることが可能となり、航空機交通の妨げを最小限にでき るという利点がある。気象のずれに関連するコスト、遅延、およびフラストレー ションは周知である。従って、正確な雷放電の高さを提供する雷検知システムが 意義のある利点を与えることは言うまでもない。 雷情報は、航空機に対する危険な気象警報を提供するために用いられる。雷雲 付近での航空機に対する危険としては、霊、氷衣、乱流、およびマイクロバース トが挙げられる。CG雷とIC雷との振幅比は、約10kHzで約10：１であり、1.5MHz より高い場合、比は、約１：１である。VHF信号エネルギーは、周波数分の１の 率で減衰するが、VHF雷放射線は、少なくとも200kmの距離で検知され得る。周波 数が高くなると、ノイズと同様に信号も小さくなるので、S/N比は、およそ同じ ままである。他の実施態様において、雷検知システムは、周波数範囲だけ雷放電 の差を含むため、複数の周波数ビン（frequency bins）を提供する。この周波数 ビンもまた、表示が可能である。 雷検知システムは、モードＳデータリンクを介して航空機とデータ通信し得る 。モードＳデータ通信は、1996年度末までには、全国で使用可能になると期待さ れる。雷データは、航空機に与えられ、パイロットは危険な気象状況を回避する と共に、不必要な別ルート飛行を最小限にすることができる。TDOA処理の代替と して、他の実施態様は、初期放電パルスの位置を決定するための方向探知器の使 用を含む。方向探知器は、雷検知技術において公知である。他の実施態様におい て、少なくとも１つの方向探知器は、航空機上に配置される。方向探知器からの 情報は、モードＳトランスポンダまたは他のデータリンクを介してマスターステ ーションと通信される。他の実施態様は、大半の航空機に配置され、空中雷検知 ネットワークを形成し、雷データベースを絶えず更新する雷センサを含む。 図１０から図１４は、単一のセンサを有する雷検知システムの第２実施態様を 示す。従来の単一のセンサ雷検知システムは、雷の範囲データを正確に提供する ことがきなかった。これは、主に、雷の強度および方向の変化に起因する。本発 明の雷検知システムは、初期雷放電の公知の特性を利用し、放電源の位置を決定 し、ICパルスとCGパルスとの間の差から高さを推断する。特に、初期雷放電は、 地上に対して垂直であり、距離の関数で低下する公知の振幅を有する。初期パル スはまた、約１マイクロ秒の公知の持続時間を有する。さらに、ICおよびCG放電 は、極性によって識別可能である。単一のセンサシステムは、航空機または地上 に配置されるように設計されている。 一例としてのシングルセンサ雷検知システム２００は、電界アンテナ２０２と 、クロスループアンテナ２０４とを含む。クロスループアンテナ２０４は、基準 ループ（reference loop）２０６とクアドラチャーループ（quadrature loop） ２ ０８とを含む。電界アンテナ２０２とクロスループアンテナ２０４とは各々、初 期雷放電により放射された進行波の電界成分および磁界成分を検知する。電界ア ンテナ２０２は、電界増幅器兼フィルタ２１０に接続され、基準ループ２０６は 基準増幅器兼フィルタ２１２に接続され、そしてクアドラチャーループアンテナ ２０８はクアドラチャー増幅器兼フィルタ２１４に接続される。増幅器フィルタ ２１０、２１２および２１４は各々、対応する電界、基準、およびクアドラチャ ーパルス測定回路２１６、２１８および２２０に接続され、測定回路２１６、２ １８および２２０はそれぞれ、Ａ／Ｄコンバータ２２２にアナログ入力信号を供 給する。磁気および電気信号の経路は、一例としての実施の形態において同一の 特性を有する。Ａ／Ｄコンバータ２２２は、処理装置２２４に出力信号を供給す る。電界増幅器兼フィルタ２１０はまた、信号フィルタ２２６にも接続され、信 号フィルタ２２６はパルス検知回路２２８に出力を供給する。パルス検知回路２ ２８は、論理回路２３０に接続され、論理回路２３０は、タイミング信号をパル ス測定回路２１６、２１８および２２０のそれぞれに供給する。論理回路２３０ は、処理装置２２４に接続される。処理装置２２４は、シリアルデータ出力信号 ２３２を供給する。 図１１は、電界アンテナ２０２および増幅回路２１０の１つの実施の形態を示 す。アンテナ２０２は、第１の実施の形態において、約２０ｐｆｄの容量を有す る直径約３ｃｍの平板である。アンテナの他の実施の形態は、細線と球面とを含 む。増幅回路２１０は、増幅器２４０と、帰還関係で増幅器に接続されるＲＣネ ットワーク２４２とを含む。アンテナ２０２は、増幅器２４０の正の入力に接続 されている。回路の感度は、アンテナ容量に対する増幅器入力の分路容量の割合 により決定される。分路抵抗および分路容量は、電界チャネルの低周波数カット オフを決定し、高周波数カットオフはＲＣネットワーク容量により決定される。 図１２は、基準ループアンテナ２０６および増幅回路２１２の一例としての実 施の形態を示す。一例としての実施の形態において、クアドラチャーループアン テナ２０８および増幅回路２１４は基準回路と等価である。基準ループアンテナ ２０６は、電界平板アンテナ２０２とほぼ同一の時定数を有する、長さ６ｃｍの アンテナを含む。２つのコイル方向ファインダは、当該分野において周知である 。 多くの他の選択肢が可能であることが理解される。ループアンテナ２０６は、多 層配線を有するフェライトロッドを含み、静電的にシールドされている。ループ アンテナ２０６は、広域差動オペアンプ２５４の正の入力２５０と負の入力２５ ２との間に接続されている。増幅器の出力２５６は、帰還関係で抵抗器２５６を 介して負の入力２５２に接続されている。回路２１２の低周波数カットオフは、 コイルターミナル抵抗により決定され、高周波数カットオフは、一次共振周波数 により決定される。 図１３Ａは、図１０のフィルタ２２６およびバイポーラパルス検知回路２２８ の１つの実施の形態を示す。電界増幅器兼フィルタ回路２１０の出力は、パルス 検知回路２２８に信号を供給し、パルス検知回路２２８は、電位パルスの電圧と 所定の閾値電圧とを比較する。パルス検知回路２２８は、パルス電圧レベル信号 ２６２を、出力信号２６６を有する第１のコンパレータ２６４と出力信号２７０ を有する第２のコンパレータ２６８とに供給する、第１の増幅器２６０を含む。 第１の基準増幅器２７２は、正の閾値電圧信号２７４を第２のコンパレータ２６ ８に供給し、第２の基準増幅器２７６は、負の閾値電圧信号２７８を第２のコン パレータ２６４に供給する。 動作中、パルス電圧レベル信号２６２が、正の閾値電圧信号２７４よりも大き い正の電圧レベルを第２のコンパレータ２６８に供給するとき、第２のコンパレ ータの出力信号２７０は、アクティブである。パルス電圧レベル信号２６２が負 の閾値電圧信号２７８よりも大きい負の電圧レベルを第１のコンパレータ２６４ に供給するとき、第１のコンパレータの出力信号２６６は、アクティブである。 記載した回路の他の実施の形態も可能であることが理解される。 図１３Ｂは、図１０の論理回路２３０の一例としての実施の形態を示す。論理 回路２３０は、ワンショットマルチバイブレータ２８２に接続された第１のＯＲ ゲート２８０を含む。第１のＯＲゲート２８０は、第１および第２のコンパレー タ出力２６６および２７０を受け取る。第１および第２のＮＯＲゲート２８６お よび２８８を含むラッチ２８４は、マルチバイブレータ２８２に接続されている 。第２のＯＲゲート２９０は、ラッチ２８４に接続されており、図１０の処理装 置２２４にパルス検知信号２９２を供給する。ラッチ２８４は、リセット信号２ ９ ４を処理装置２２４から受け取る。マルチバイブレータ２８２にはまた、保持／ 検知信号２９８を供給するインバータ２９６が接続されている。ラッチ２８４に はまた、測定／リセット信号２９７を供給するバッファ２９９が接続されている 。動作中、第１または第２のコンパレータ出力信号２６６または２７０（図１３ Ａ）のいずれかがアクティブであるとき、第１のＯＲゲート２８０はワンショッ ト２８２をトリガーし、それによりラッチ２８４を、処理装置２２４（図１０） に送られるパルス検知信号２９２を活性化するように設定する。トリガーされた ワンショット２８２は、保持／検知信号２９８を活性化する。処理装置２２４が アクティブなパルス検知信号２９２を検知してから所定時間経過後、処理装置は リセット信号２９４をアクティブにし、それによりラッチ２８４および測定／リ セット信号２９７をリセットする。 図１４は、図１０のパルス測定回路２１６、２１８および２２０の一例として の実施の形態を示す。増幅器兼フィルタ回路２１０、２１２および２１４の各々 に接続されたパルス測定回路は、一例としての実施の形態において等価である。 パルス測定回路２１６は、約２６のゲインを有する増幅器３００と、約４００ｎ ｓの遅延を提供する、増幅器３００の出力に接続された遅延回路３０２を含む。 遅延は、スイッチ過渡が安定することを可能にする。回路２１６はピーク検知回 路３０４を含み、ピーク検知回路３０４は、正および負のパルスを処理する互い に並列な経路を含む。遅延ライン３０２の出力側且つパルス検知回路３０４の前 段に、第１のスイッチ３０６が接続される。第１のスイッチ３０６は、図１３Ｂ の保持／検知信号２９８により活性化されて、パルス情報がピーク検知回路３０ ４に伝搬することを可能にする。ピーク検知回路３０４は、第１および第２の増 幅器３０８および３１０を含み、所定のレベルよりも高い電圧の場合、キャパシ タ３１２がキャパシタの電圧を第２の増幅器３１０に供給するように充電する。 第２のスイッチ３１４は、キャパシタ３１２と並列に、第２の増幅器３１０の入 力に接続されており、キャパシタを放電し、それにより、図１３Ｂの測定／リセ ット信号２９７がアクティブでないとき、すなわち測定すべきパルスがないとき に、回路を有効にオフにする。ピーク検知回路は当業者に周知であることが理解 される。一例としての実施の形態において、ピーク検知回路３０４は、約５０ｎ ｓの応答時間を有する。ビーク検知回路３０４は、正のピーク値信号３１６と負 のピーク値信号３１８とを図１０のＡ／Ｄコンバータ２２２に供給する。Ａ／Ｄ コンバータ２２２は、電界、基準およびクアドラチャー回路経路の各々について 正および負のピーク値信号を受け取る。 図１５Ａおよび図１５Ｂは、図１０の処理装置２２４に送信される事象データ に関連する処理ステップの一実施形態のフローチャート４００を示す。処理装置 は、ステップ４０２において周辺機器４０２を初期化し、ステップ４０４におい てトリガーを待つ。トリガーを受信すると、処理装置は、ステップ４０６におい てＡ／Ｄコンバータから値を読み出す。ステップ４０８において、非雷事象をス クリーニングによって排除するために、Ａ／Ｄコンバータ値から算出されたＥ／ Ｈ比を所定の値と比較する。雷放電のＥ／Ｈ比は約３７７であり、許容可能な値 の範囲の一例は、雷放電Ｅ／Ｈ比の数パーセント以内である。そのパルスのＥ／ Ｈ比が許容可能な範囲内であることが分かった後、ステップ４１０において、事 象のレンジ(range)および方位を計算する。方位は、以下のようなＡ／Ｄチャネ ルから計算する。 処理装置は、各値の符号を保存しながら、各チャネルの正負の値の絶対値の大 きい方を選択する。基準およびクアドラチャー値の大きさを示す値(magnitude v alue)は、 Ｖｍａｇ＝ＳＱＲＴ（Ｅ１²＋Ｅ２²）である。 次に、基準およびクアドラチャー値を正規化する。 Ｖｒｅｆ＝Ｅ１／Ｖｍａｇ Ｖｑｕａｄ＝Ｅ２／Ｖｍａｇ 次に、主角(principal angle)を以下のように計算する。 Ｖｒｅｆ＞０．７０７の場合、Φ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｖｑｕａｄ） さもなくば、Φ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｖｒｅｆ） 元の値の符号を用いて、以下のように、主角を合計角(total angle)に変換する 。 Ｅ０の符号 Ｅ１の符号 Ｅ２の符号 合計角 ＋ ＋ ＋ θ＝Φ ＋ − ＋ θ＝１８０−Φ ＋ − − θ＝１８０＋Φ ＋ ＋ − θ＝３６０−Φ − − − θ＝Φ − ＋ − θ＝１８０−Φ − ＋ ＋ θ＝１８０＋Φ − − ＋ θ＝３６０−Φ このようにして、初期放電の方向、即ち方位を決定する。 レンジは、パルスの振幅から決定する。初期パルスは、距離の関数として減少 する既知の振幅を有するので、レンジを以下のように直接決定することができる 。 レンジ＝（レンジファクター１／Ｅ０） レンジファクター１の初期設定値は、例えば図１１の回路から得られる実験デ ータに基づいて２０．０である。無論、他の値を用いてもよい。 Ｅ／Ｈ比は、以下のように計算する。 Ｅ／Ｈ＝Ｅ０／Ｖｍａｇ 電子回路ゲインは、Ｅ／Ｈが約１．０になるように調節してある。 雷事象のＥ／Ｈ比は約３７７であるが、一実施形態例においてＥ／Ｈ比が約１ になるように回路増幅ゲインを調節することが可能である。 ステップ４１２において、処理装置は、コンパスから航空機の機首方位(headi ng)を計算する。ステップ４１４において、処理装置は、機首方位を用いて方位 をノースアップ(north up)に変換する。その後、ステップ４１６において、方位 データをフォーマットしてディスプレイ装置に送信する。処理装置は、ステップ ４１８において１秒間待機してから、次のトリガーを待つ。 ＩＣ放電とＣＧ放電とを区別した後、検知された雷放電の高度を割り当てるこ とができる。図１に示すように、約５ｋｍの初期設定高度をＣＧ放電に、そして 、約９ｋｍをＩＣ放電に割り当て得る。ライティング速度(lighting rates)およ び変化率に基づく、雷雨の成熟度(maturity)および強度に基づいて、高度の精度 をさらに高めることができる。 図４および図５に関連して図１６に示すように、１回の雷撃の間のパルス振幅 のプロット６３は、レイリー分布に近似する分布を示している。詳細には、例え ばストローク５９の間の反動ストリーマ５６に対応する中間パルス(between pul ses)５８の間には、当該分野において知られているように、約１マイクロ秒の長 さの一連のパルスが検知される。１つの雷事象の間に、何千ものパルスが絶え間 なく発せられている。パルス振幅プロット６３は、比較的急速にピーク値に達し 、その後、振幅が比較的ゆっくりと減少していることを示している。初期パルス ６２の後にもパルスが発生していることが理解される。 別の実施形態においては、単一のセンサを持つ雷検知システムによって、１回 の雷撃に相当する約１マイクロ秒の長さの一連のパルスを検知し、これにより、 レイリー分布に近似するパルス振幅分布からピーク値を求める。このピーク値を 用いて、雷事象の距離を決定する。ある実施形態例においては、約２０個のパル スを用いて１つのピーク値を決定するが、パルス数が異なる他の分布も可能であ り、また、本発明において想定されている。従って、初期パルスを検知する必要 はない。典型的に５マイクロ秒のオーダーである立ち上がり時間(rise time)に よってリターンストロークを排除することが可能である。あるいは、より大きな レンジを提供する場合、ＣＧリターンストロークを検知して、ＣＧリターンスト ロークに対応するパルス振幅のレイリー分布からピーク値を決定する。従って、 全振幅閃光(overall amplitude flash)あるいは異なる周波数の振幅の比を利用 する単一センサシステムと比較して、より正確な事象の位置を求めることが可能 である。 図１７は、別の実施形態による、非気象海洋レーダーおよび雷検知器を有する 雷検知システムを示す。典型的な海洋レーダーは、降雨を感知して、検知された 気象条件をディスプレイ上に表示する。気象レーダーに接続された単一ステーシ ョン雷検知器によって、この表示内容に雷データを加える。さらに、雷位置の精 度を高めるために、雷検知器はレーダー降雨データを用いる。 ある実施形態例においては、雷検知システム４００は、海洋レーダー４０２と 、単一のセンサを持つ雷検知装置４０４とを有し、ディスプレイ４０６に気象お よび雷情報をそれぞれ表示する。海洋レーダーの一例は、Marine division of R aytheonが製造する船舶レーダーである。ある実施形態例においては、単一セン サ第１パルス測定技術(single sensor first pulse ranging technique)を用い て雷までの距離を求め、そして、単純なクロスループによって第１パルスの方向 を得る。 別の実施形態による雷検知システムは、点線で示した光学雷検知器４０８を有 する。光学的な雷検知を行うシステムは、米国特許第5,057,820号および米国特 許第5,396,220号（共に、Marksonら）に開示されている。これらの特許を、本明 細書中に参考として援用する。ある実施形態例においては、光検知器４０８は、 ４５°の扇形８個に分割されている。検知された雷を、雷放電から検知した光強 度に基づいて、３つのレンジビン(range bins)、即ち、０〜５海里（ＮＭ）、５ 〜１０ＮＭおよび１０〜３０ＮＭの１つに入れる。 初期パルスのレンジは、雷検知システムによって、典型的に約１マイクロ秒の 長さおよび急峻な立ち上がりを有するパルスの振幅から決定する。パルス振幅は 、そのパルスの期間にわたって比較的一定である。信号強度が距離に関して１／ レンジで減少するという事実に基づいて、検知されたパルスの振幅からレンジを 決定する。単数あるいは複数の初期パルスの測定値は、約１００マイクロ秒の期 間において、初期リーダーチャネルの初めの約１００メートルに対応する。単数 あるいは複数の初期パルスのみを処理すれば、全雷撃および閃光を計算するシス テムと比較して、システム処理の複雑さおよび容量を低減することが可能である 。 パルス情報をディスプレイ４０６用にフォーマットし、気象レーダー４０２から の気象データと併せて、これをユーザが見る。 本発明の概念の上記および他の実施例は例示的なものであることが意図されて おり、本発明の実際の範囲は、以下の請求項によって決まる。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．雷検知システムであって、 ＲＦエネルギーを検知するための少なくとも１つのセンサを備え、該少なくと も１つのセンサは、該検知されたＲＦエネルギーを表す出力信号を与え、 該少なくとも１つのセンサの出力信号に応答して、雷閃光の初期リーダースト ロークの初期の雷放電によって生成された少なくとも１つのパルスに対応する該 ＲＦエネルギーを検知するための信号処理装置をさらに備え、 該信号処理装置は、該初期の雷放電の位置を決定する、雷検知システム。 ２．前記少なくとも１つのセンサは、既知の位置に構成され前記初期の雷放電の ２次元の位置を与えるための３つのセンサを備える、請求項１に記載の雷検知シ ステム。 ３．前記初期の雷放電の位置は、前記３つのセンサ間での、前記少なくとも１つ のパルスの到着データの時間差から決定される、請求項２に記載の雷検知システ ム。 ４．前記到着データの時間差は、最小平均二乗アルゴリズムで処理される、請求 項３に記載の雷検知システム。 ５．前記少なくとも１つのセンサは、既知の位置にあり前記初期の雷放電の３次 元の位置を与える４つのセンサを備える、請求項１に記載の雷検知システム。 ６．前記少なくとも１つのセンサは、十字構成で配置される５つのセンサを備え る、請求項１に記載の雷検知システム。 ７．前記少なくとも１つのセンサは、航空機に配置される、請求項１に記載の雷 検知システム。 ８．前記信号処理装置は、初期の雷の放電率を決定することをさらに含む、請求 項１に記載の雷検知システム。 ９．前記初期の雷の放電率を用いてマイクロバーストを予測する、請求項８に記 載の雷検知システム。 １０．前記信号処理装置は、雲内の初期雷放電と地面対雲の初期雷放電とを区別 する、請求項１に記載の雷検知システム。 １１．前記センサは、前記検知された少なくとも１つのパルスの電場強度の磁場 強度に対する比を比較して、雷ではない事象を除外する、請求項１に記載の雷検 知システム。 １２．時間基準を与えるためのＧＰＳユニットをさらに備える、請求項１に記載 の雷検知システム。 １３．嵐の強度は、初期の放電のストローク率に基づく、請求項１に記載の雷検 知システム。 １４．ＩＣ雷ストローク率とＩＣ雷ストローク変化率とに基づいてマイクロバー ストを予測する、請求項９に記載の雷検知システム。 １５．雷検知システムであって、 間隔を空けて配置された少なくとも３つのセンサを備え、該少なくとも３つの センサの各々は、 雷閃光の初期リーダーストロークの初期の雷放電に対応する所定の特性を 有するパルスを検知するためのパルス検知回路と、 該パルス検知回路と連絡し、該検知されたパルスの各々に到着時間を関連 付けるための時間回路と、 該時間回路と連絡し、該時間回路を制御するため、および、該パルス検知 回路と連絡し、該検知されたパルスに対応するデータを収集するためのデジタル 回路とを備え、該雷検知システムは、 該少なくとも３つのセンサの各々と連絡し、該少なくとも３つのセンサの各々 についての該検知されたパルスの各々に関連する該到着時間を収集して処理する ためのマスターステーションをさらに備える、雷検知システム。 １６．単一センサ雷検知システムであって、 雷放電からＲＦエネルギーを検知するための１つのセンサと、 該センサと連絡し、雷閃光の初期リーダーストロークの初期の雷放電によって 放射される該ＲＦエネルギーに対応する初期パルスを検知するための信号処理装 置とを備え、 該処理装置は、該初期パルスから該初期の雷放電の位置を決定する、単一セン サ雷検知システム。 １７．雷検知システムであって、 気象データを与えるための気象レーダーと、 該気象レーダーに結合される雷検知ユニットとを備え、該雷検知ユニットは、 雷閃光の初期の雷ストロークの初期の雷放電に対応するパルスを検知して処理す るためのものであり、該雷検知ユニットは、該初期の雷放電の位置を与え、 該初期の雷放電の該位置は、該気象データによって与えられる該気象データと 組み合わされる、雷検知システム。 １８．雷を検知する方法であって、 雷放電からＲＦエネルギーを検知する工程と、 該ＲＦエネルギーを処理して、該ＲＦエネルギーに対応するパルスを生成する ステップと、 該パルスを処理して、該パルスのうちのどれが、該雷放電の初期リーダースト ロークの初期の雷放電によって放射された該ＲＦエネルギーに対応するかを決定 する工程と、 該初期の雷放電に対応する該パルスを処理して、該初期の雷放電の位置を決定 する工程とを包含する、方法。