雷放電位置標定システム
【課題】位置精度を向上し、落雷と雲間放電の判別が可能な雷放電位置標定システムを提供する。
【解決手段】雷放電による電磁波がアンテナ２で受信された時刻（雷放電受信時刻という）を検出するための受信局１を所定半径円内に３局以上設置し、各受信局１はＶＬＦ−ＭＦ帯の電磁界をアンテナ２で受信し、その受信信号から振幅が所定値以上のピークを検出し、そのピークの時刻を雷放電受信時刻とし、少なくとも３局の受信局１における雷放電受信時刻を二次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した二次元位置を標定する。
【解決手段】雷放電による電磁波がアンテナ２で受信された時刻（雷放電受信時刻という）を検出するための受信局１を所定半径円内に３局以上設置し、各受信局１はＶＬＦ−ＭＦ帯の電磁界をアンテナ２で受信し、その受信信号から振幅が所定値以上のピークを検出し、そのピークの時刻を雷放電受信時刻とし、少なくとも３局の受信局１における雷放電受信時刻を二次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した二次元位置を標定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置精度を向上し、落雷と雲間放電のより正確な判別が可能な雷放電位置標定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
落雷があったときに、その落雷による被害を確かめたり復旧作業を行うために、落雷があった場所を早急に特定しなければならない。このためのシステムを従来は落雷位置標定システムと呼んでいる。落雷位置標定システムには、以下の３つのものが知られている。
【０００３】
１）交会法（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｆｉｎｄｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）によるもの
図７に示されるように、落雷により放出された電磁波を複数の受信局１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃにおいてそれぞれ磁界アンテナ１０２で受信し、各々の受信局１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃから見たその電磁波の到来方位を検出する。地図平面上に各受信局１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃから到来方位に向けて直線を描くと、これらの直線の交点あるいは交点に囲まれたあたりが落雷位置であると標定できる。２局以上の受信局、好ましくは一直線上に並ばない３局以上の受信局を設置すれば標定が可能である。
【０００４】
２）到達時間差法（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ Ｍｅｔｈｏｄ）によるもの
図８に示されるように、落雷により放出された電磁波が複数の受信局１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃにおいてそれぞれ電界アンテナ１１２で受信された時刻、すなわち落雷受信時刻を検出する。ある２つの受信局１１１ａ，１１１ｂに着目すると落雷受信時刻の差は、未知の落雷位置から一方の受信局１１１ａまで電磁波が伝搬に要した時間ｔ１と未知の落雷位置から他方の受信局１１１ｂまで電磁波が伝搬に要した時間ｔ２との時間差、すなわち到達時間差を表している。このような到達時間差ｔ１−ｔ２をもたらす点の集合は地図平面上に双曲線Ｌ１２で描くことができる。別の受信局の組からも同様に到達時間差ｔ１−ｔ３，ｔ２−ｔ３に基づいた双曲線Ｌ１３，Ｌ２３が得られるので、これらの双曲線Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ２３の交点が落雷位置であると標定できる。二次元標定に必要な３局以上の受信局、好ましくはチェック用局も含めて４局以上の受信局を設置すれば標定が可能である。
【０００５】
３）ハイブリッド法
上記の交会法と到達時間差法とを混合した方法である。
【０００６】
４）到達時間差法によるリーダ検出
これは落雷位置を標定するものではないが、到達時間差法を使用するので、参考に説明しておく。落雷とは、雲と大地とが電気的につながった状態で大電流が流れる現象である。この落雷に至る前に雲あるいは大地から先駆リーダが伸びてくるので、その現象を検知するのがリーダ検出である。
【０００７】
【表１】
【０００８】
これらの落雷位置標定システムの細部の特徴と性能比較をまとめると表１のようになる。すなわち、交会法は、二次元の位置標定をするものであり、受信する信号は磁界の信号である。受信する信号の帯域はＶＬＦ〜ＬＦ帯域であり、受信局設置間隔（最寄りの受信局間距離のこと）は数百ｋｍである。この方法による落雷位置標定誤差は数ｋｍ程度である。
【０００９】
到達時間差法（従来）は、二次元の位置標定をするものであり、受信する信号は電界の信号である。受信する信号の帯域はＶＬＦ〜ＬＦ帯域であり、受信局設置間隔は数百ｋｍである。この方法による落雷位置標定誤差は５００ｍ〜１ｋｍ程度である。
【００１０】
ハイブリッド法は、二次元の位置標定をするものであり、受信する信号は電界の信号と磁界の信号である。受信する信号の帯域はＶＬＦ〜ＬＦ帯域であり、受信局設置間隔は数百ｋｍである。この方法による落雷位置標定誤差は５００ｍ〜１ｋｍ程度である。
【００１１】
到達時間差法によるリーダ検出は、三次元でのリーダ位置の標定をするものであり、受信する信号は電界の信号である。受信する信号の帯域はＶＨＦ帯域であり、受信局設置間隔は数十ｋｍである。この方法での落雷位置標定誤差は不明である。
【００１２】
交会法、到達時間差法（従来）及びハイブリッド法は、少ない個数の受信局で数百ｋｍの広域をカバーできるという利点がある反面、落雷位置標定誤差が５００ｍ〜１ｋｍ程度と大きいという問題点がある。
【００１３】
到達時間差法によるリーダ検出（三次元）は、先駆リーダを検出するのが目的であって、落雷があったかどうかを特定することが難しく、落雷位置の標定には不適である。また、放電の極性が判定できないという問題もある。
【００１４】
【特許文献１】特開２００３−１３９８６８号公報
【特許文献２】特開昭６２−１６８０７４号公報
【特許文献３】特開２００３−２９４８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
既に述べたように、従来の落雷位置標定システムは、位置精度のよいものでも落雷位置標定誤差が５００ｍ〜１ｋｍ程度である。これは、建造物や送電線への落雷被害の確認、あるいは復旧作業着手という観点からすると、現場に赴いて実際の被害箇所を見つけるには範囲が広すぎ、好ましい位置精度とは言えない。従って、可及的に位置精度を向上させる必要がある。
【００１６】
従来の落雷位置標定システムは、雲と大地との間に生じる落雷（対地雷とも言う）と、雲中あるいは雲と雲同士で起きる雲間放電（雲内放電とも言う）との判別をするものもあるが、それは電磁波の形状により判定するもので、誤判定が多い。つまり、ある場所で雲間放電が起きても、その場所に落雷が発生したと誤判定する場合もある。このことは、建造物や送電線への落雷被害の確認、あるいは復旧作業着手という観点からすると、誤報を出していることにほかならない。従って、落雷と雲間放電とをより正確に判別して放電位置が標定できるシステム（以下、これを雷放電位置標定システムと言う）が提供されることが望まれる。
【００１７】
特許文献１では、帰還電撃の電流値が大きいことをもって落雷という判定をしている。しかし、これは位置標定が二次元でしかできないので、間接的な現象で落雷と雲間放電とを判別しているに過ぎない。
【００１８】
また、雷放電観測や落雷報知の分野において、落雷位置だけでなく、雷電流の大きさや雷電流の極性（流れる方向のこと）を検出できることが望ましい。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、位置精度を向上し、落雷と雲間放電のより正確な判別が可能な雷放電位置標定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために本発明は、雷放電による電磁波がアンテナで受信された時刻（雷放電受信時刻という）を検出するための受信局を所定半径円内に３局以上設置し、各受信局はＶＬＦ−ＭＦ帯の電磁界をアンテナで受信し、その受信信号から振幅が所定値以上のピークを検出し、そのピークの時刻を雷放電受信時刻とし、少なくとも３局の受信局における雷放電受信時刻を二次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した二次元位置を標定するものである。
【００２１】
受信局は４局以上設置し、少なくとも４局の受信局における雷放電受信時刻を三次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した三次元位置を標定してもよい。
【００２２】
上記受信信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、その時系列から振幅が所定値以上のピークを検出してもよい。
【００２３】
上記サンプリング周期は１００ｎｓ以下であってもよい。
【００２４】
上記半径が５０ｋｍであってもよい。
【００２５】
標定した雷放電位置の高さにより、落雷と雲内放電とを区別してもよい。
【００２６】
上記アンテナにより電磁界の微分信号を上記受信信号として出力し、一方、この受信信号を積分して電磁界信号を求め、この電磁界信号がしきい値を越えたことで雷放電があったというイベントを検出し、この雷放電イベント検出時にのみ上記受信信号からの雷放電受信時刻の検出を行ってもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２８】
（１）位置精度を向上させることができる。
【００２９】
（２）落雷と雲間放電のより正確な判別が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３１】
図１に示されるように、本発明に係る雷放電位置標定システムは、雷放電による電磁波がアンテナで受信された雷放電受信時刻を検出するための受信局１（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，…）を半径５０ｋｍの円内に４局以上設置し、各受信局１はＶＬＦ−ＭＦ帯の電磁界をアンテナ２で受信し、その受信信号を１００ｎｓ以下のサンプリング周期でサンプリングし、その時系列から振幅が所定値以上のピークを検出し、そのピークの時刻を雷放電受信時刻とし、少なくとも４局の受信局１における雷放電受信時刻を三次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した三次元位置Ｐを標定するものである。
【００３２】
図１には示さないが、各受信局１からデータ回線を介して雷放電受信時刻を収集して４つ以上の受信局が求めた雷放電受信時刻を到達時間差法に適用するホスト装置が存在する。ホスト装置は、全ての受信局１の設置位置をｘ，ｙ，ｚ軸の三次元座標で記憶しており、各受信局１の雷放電受信時刻を三次元の到達時間差法に適用することで、雷放電が発生した三次元位置Ｐを標定することができる。
【００３３】
なお、受信局１が４つというのは、到達時間差法による三次元の位置標定に最低限必要な条件であり、受信局１が５つあれば、位置の誤差を小さくすることができる。
【００３４】
図２の例では、受信局１は、電界アンテナ２１、ＶＬＦ−ＭＦ帯の電界アンプ２２、Ａ／Ｄコンバータ２３、高精度時計２４、データ処理用コンピュータ２５、積分回路２６、トリガ回路２７を備える。
【００３５】
電界アンテナ２１は、電磁波の電界Ｅの微分信号ｄＥ／ｄｔを受信信号として出力するものである。ただし、電界アンテナ２１の出力は微弱であるので、後段におけるサンプリングに適したダイナミックレンジにするために、次の電界アンプ２２を使用する。
【００３６】
なお、アンテナは磁界アンテナでもよい。その場合、磁界アンテナは電磁波の磁界の微分信号を受信信号として出力することになる。電界アンテナ２１を用いるか、磁界アンテナを用いるかは受信局設置場所の条件により選択してもよい。なお、磁界アンテナの場合は、地面に平行で互いに直交する２成分を同時に観測するが、回路構成は図２に準じる。
【００３７】
電界アンプ２２は、電界アンテナ２１の出力を増幅するものである。電界アンプ２２は、少なくともＶＬＦ−ＭＦ帯（３ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）の帯域で減衰なく増幅ができる周波数特性を有するものである。なお、ＶＬＦ帯は３ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、ＬＦ帯は３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ、ＭＦ帯は３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ、ＨＦ帯は３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ、ＶＨＦ帯は３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚである。
【００３８】
Ａ／Ｄコンバータ２３のサンプリング周期は、１００ｎｓ以下である。
【００３９】
高精度時計２４は、他の受信局に収容されている同様の装置と時刻同期を図るためのものであり、例えば、ルビジウム高精度時計からなる。これらの高精度時計２４は、ＧＰＳシステム等を利用して１００ｎｓ以内の精度で同期を取るようにしてもよい。
【００４０】
データ処理用コンピュータ２５は、Ａ／Ｄコンバータ２３を用いてサンプリングした時系列をソフトウェアにより処理するものである。処理の詳細は後述する。
【００４１】
積分回路２６は、電界アンプ２２で増幅された受信信号を積分するものである。受信信号が電界の微分信号ｄＥ／ｄｔであるから、これを積分した積分回路２６の出力は電界Ｅの大きさ及び極性を表した電界信号である。
【００４２】
トリガ回路２７は、電界信号が雷放電の発生と関連する有意レベルに達したかどうかを判定する回路であり、電界信号がしきい値を越えたことで雷放電があったというイベントを検出するようになっている。トリガ回路２７の出力であるトリガ信号は、データ処理用コンピュータ２５に入力されている。
【００４３】
データ処理用コンピュータ２５は、雷放電イベント検出時にのみ、つまりトリガ信号が到着したときのみ受信信号からの雷放電受信時刻の検出処理を実行するようになっている。
【００４４】
図３に、受信局１の動作、とりわけデータ処理用コンピュータ２５が処理する動作を示す。また、図４（ａ）に受信信号（電界微分信号）の波形、図４（ｂ）に電界信号（受信信号を積分した信号）の波形を示す。ただし、この電界信号は、積分回路２６でアナログ積分した信号ではなく、データ処理用コンピュータ２５が電界微分信号を積分して得たものである。
【００４５】
以下、図２〜図４を用いてひとつの受信局１の動作を説明する。
【００４６】
電界アンテナ２１が電磁波の電界Ｅの微分信号ｄＥ／ｄｔを受信し、電界アンプ２２がこれを増幅して受信信号とする。Ａ／Ｄコンバータ２３は、このアナログの受信信号をサンプリング周期１００ｎｓ以下でサンプリングし、時系列を得る。以下、デジタルデータ処理では、この時系列を受信信号と見なす。
【００４７】
図４（ａ）に示されるように、受信信号ｄＥ／ｄｔは、振幅や周期が大小ランダムなピーク波形を時間的にランダムに含んでいる。図４（ａ）の電界微分信号は、ピーク波形４１があるので、図４（ｂ）の電界信号に比べて精度よくタイムスタンプが押せる（精度よく時刻検出が可能である）。なお、タイムスタンプとは、電界微分信号の時系列から最大値のサンプルを検出して、その時刻を検出することである。
【００４８】
そこで、積分回路２６が受信信号を積分することで電界Ｅを表した電界信号を作り、トリガ回路２７がその電界信号が雷放電の発生と関連する有意レベルに達したかどうかを判定する。ここで、図４（ｂ）の電界信号を見ると、図４（ａ）の受信信号に雷放電によるピーク波形４１が現れた瞬間、電界信号にも大きなピーク波形４４が現れている。つまり、トリガ回路２７は、電界信号がしきい値を越えたことで雷放電があったというイベントを検出する。このトリガ信号がデータ処理用コンピュータ２５に入力されると、データ処理用コンピュータ２５は、受信信号に対しての雷放電受信時刻の検出処理の実行を開始する。このように、イベントの検出は、電界信号（アナログ信号）がしきい値を越えたことを検出することでなされる。
【００４９】
データ処理用コンピュータ２５は、雷放電による電磁界微分信号のピークが抽出された瞬間を雷放電受信時刻とする。この動作をタイムスタンプと言い、雷放電受信時刻をタイムスタンプデータという。このとき、サンプリング周期が１００ｎｓ以下であるから、このサンプリング周期に同期されて検出される雷放電受信時刻は誤差が１００ｎｓ＋時計の精度以下である。
【００５０】
次いで、データ処理用コンピュータ２５は、抽出した雷放電によるピークの波高値を記録する。データ処理用コンピュータ２５は、雷放電受信時刻と波高値をデータ回線に出力してホスト装置に通知する。
【００５１】
次に、ホスト装置における処理を説明する。
【００５２】
図１の各受信局１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにおいて、それぞれ図４（ａ）のような時系列から雷放電受信時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４が得られる。ホスト装置は、全ての受信局１の設置位置をｘ，ｙ，ｚ軸の三次元座標で記憶しており、各受信局１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの設置位置を示した三次元空間において、各受信局１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにおける雷放電受信時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４を三次元の到達時間差法に適用することで、雷放電が発生した三次元位置Ｐを標定する。
【００５３】
具体的には、ホスト装置は、受信局１ａ，１ｂ間の到達時間差ｔ１−ｔ２をもたらす点の集合として回転双曲面Ｓ１（図示困難のため図示せず）を計算する。別の受信局の組からも同様に到達時間差ｔ２−ｔ３，ｔ３−ｔ４に基づいた回転双曲面Ｓ２，Ｓ３（図示せず）を計算する。これらの回転双曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の交点が三次元位置Ｐであるから、ホスト装置は、回転双曲面Ｓ１，Ｓ２の交線Ｋ１２を計算し、回転双曲面Ｓ２，Ｓ３の交線Ｋ２３を計算し、交線Ｋ１２と交線Ｋ２３との交点Ｐを計算する。
【００５４】
回転双曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が図示できないので、参考のため、回転双曲面Ｓ１と大地（ＸＹ平面）との交線Ｋ１０、回転双曲面Ｓ２と大地との交線Ｋ２０、回転双曲面Ｓ３と大地との交線Ｋ３０が示してある。これらの交線Ｋ１０，Ｋ２０，Ｋ３０はいずれも双曲線となる。
【００５５】
ここで、本発明と従来技術との比較をする。
【００５６】
本発明の最大の要点は、受信局間距離を従来より短くしたことである。受信局間距離が長いということは、雷放電発生位置から受信局までの距離も長いということである。従来技術は受信局間距離が長いために、次のような問題がある。
【００５７】
１）雷放電による電磁波が受信局まで伝搬していく過程において、途中の地形の複雑さとかそのローカルな場所特有の大地導電率の違いによって到達時間に誤差が生じる。ここで言う誤差とは、途中の地形が全くフラットで、大地導電率が無限大である場合における到達時間に比べた時間差のことである。雷放電発生位置から受信局までの距離が長ければ長いほど、この種の誤差、つまり電磁波自体が遅れて変歪して伝わることによる到達時間の誤差が大きくなる。
【００５８】
しかし、従来は経済的理由から受信局の設置数を極力少なくし、その少ない受信局でできるだけ広範囲を対象にした位置標定ができることを目指していたため、受信局間距離を長くすることになり、その結果、到達時間の誤差が大きくなることは避けられなかった。
【００５９】
２）時間計測における１００ｎｓの誤差は距離に換算して３０ｍの誤差となる。信号をデジタル処理しようとすると、サンプリング周期に起因する誤差は避けられない。サンプリング周期が長いと、それだけ位置標定の精度が低くなる。それならば、サンプリング周期を極力短くすれば、位置標定の精度向上に寄与するはずであると本出願人は考えた。
【００６０】
ところが、実際は、従来技術において、仮にサンプリング周期を短くしても、位置標定の精度向上に寄与する情報を得ることができない。その理由は次の項目で述べるので省くが、従来技術ではサンプリング周期を短くする意味がないため、サンプリング周期を短くすることは、検討されてこなかった。また、従来は１００ｎｓの誤差が問題視されるほどの高速サンプリング技術が提供されていなかったためもあって、サンプリング周期を短くすることは、検討されてこなかった。
【００６１】
３）雷放電発生位置から受信局までの距離が長いということは、電磁波の伝搬距離が長いということである。伝搬距離が長いと高周波ほど減衰しやすい。従って、雷放電発生位置において低周波から高周波までの電磁波が存在しても、受信局には低周波しか届かず、高周波は届かない。これは位置標定に利用可能な情報が伝搬途中で失われることを意味している。
【００６２】
このように、雷放電発生位置からの距離が長い受信局では、雷放電による電磁波のうち、高周波を受信できない。言い換えると、立ち上がりあるいは立ち下がりが急峻な受信信号が存在しない。具体的に言えば、図４（ａ）のピーク波形が存在しない。従って、前述したサンプリング周期の短縮を図っても意味がないことになる。
【００６３】
４）雷放電は地表面からせいぜい１５ｋｍ以下の高さで起きている。従来技術では受信局間距離が数百ｋｍであるため、雷放電発生位置から受信局までの距離も数百ｋｍ程度のことが多いと思われる。このような水平方向の広がりに対して高さ方向の広がりはほとんどないに等しい。仮に１０ｋｍの高さで雲内放電が起きても、受信局から見た仰角はゼロに近いことになる。また、数百ｋｍの距離を地上波として伝搬する電磁波の経路はもはや直線ではなく、地球の曲面に沿った曲線として扱わなければならない。このような距離では、図１の原理による三次元位置標定は不可能である。従って、高さを含めた位置標定を行うことは困難である。
【００６４】
本発明は、以上の問題点１）〜４）を全て解決している。
【００６５】
１）の問題点は、受信局を半径５０ｋｍの円内に４局以上設置したことで、受信局間隔が５０ｋｍ程度以内に短くなることで、直接的に解決されている。すなわち、受信局間隔が５０ｋｍ程度以内であるため、雷放電による電磁波が受信局まで伝搬する距離も応分に短くなる。このため、電磁波が途中の地形効果や有限な大地導電率による影響を受けにくく、電磁波自体が遅れて伝わることによる到達時間の誤差が抑制できる。
【００６６】
２）の問題点は、３）が解決されていること、つまり図４（ａ）のピーク波形が得られることが前提であるが、サンプリング周期を１００ｎｓ以下と短くしたことで、図４（ａ）のように多様なピーク波形を含んだ受信信号を漏らさず時系列として取り込むことができ、その結果、雷放電によるピーク波形を抽出できるようになる。このようにして、タイムスタンプの誤差が抑制できるので、位置標定の精度向上が期待できる。なお、サンプリング周期は好ましくは５０ｎｓ以下である。
【００６７】
３）の問題点は、受信局を半径５０ｋｍの円内に４局以上設置したことで、受信局間隔が５０ｋｍ程度以内となったので、電磁波の伝搬距離も応分に短くなり、高周波が減衰する前の電磁波を受信することができる。高周波受信のために、電界アンテナ２１及び電界アンプ２２にはＶＬＦ−ＭＦ帯において減衰がないものを使用する。これにより、受信局で高周波を受信して位置標定に利用することができる。具体例を図５、図６に示す。両図は比較のため縦軸スケール、横軸スケールとも統一してある。
【００６８】
図５に示した信号波形は、５０ｋｍ以内の雷放電から得られたものである。図５（ａ）の東西方向の磁界波形、図５（ｂ）の南北方向の磁界波形、図５（ｃ）の電界波形を見ると、同一の雷放電に起因してそれぞれの信号が特徴的な立ち上がりを示しており、かつ信号の大きさも十分大きいので、いずれの信号でもタイムスタンプに利用することができる。一方、図６に示した信号波形は、５０ｋｍ以遠の雷放電から得られたものである。図６（ａ）の東西方向の磁界波形、図６（ｂ）の南北方向の磁界波形、図６（ｃ）の電界波形を見ても、タイムスタンプに利用できそうな特徴的な立ち上がりはない。
【００６９】
なお、受信局で高周波を受信して位置標定に利用することが有利と述べたが、ここで言う高周波とはＭＦ帯のことである。ＶＨＦ帯は、別の理由で利用不可能である。すなわち、受信局に到達するＶＨＦ帯の信号は発生源、発生原因が落雷とは異なる。ＶＨＦ帯の信号は主として雲内の放電の前駆現象（リーダ等）として活発に発生する。落雷の際には、ＶＨＦ帯の信号はほとんど発生せず、位置標定に利用することができない。
【００７０】
以上のように、１）〜３）の問題点が解決されたことで、発明が解決しようとする課題の欄で述べた位置精度の不足という課題が解決されることになる。
【００７１】
４）の問題点も受信局間隔を５０ｋｍ以内としたことで解決される。つまり、本出願人は、受信局間距離を短くすれば、雷放電発生位置から受信局までの距離も短くなり、それに伴って高さ方向の標定誤差が小さくできると考えた。そして、高さ方向の標定誤差が小さくなれば、その標定結果を落雷と雲内放電の判別に利用できると考えた。落雷と雲内放電の判別が可能であれば、発明が解決しようとする課題の欄で述べた落雷と雲内放電の判別ができないという課題が解決されることになる。しかも、特許文献１のように間接的な現象で落雷と雲間放電とを判別するのではなく、標定した三次元の位置そのものが地面か空間かを表しているので、直接的に落雷と雲間放電とを判別できる。
【００７２】
なお、位置標定の基準点となる受信局の三次元位置は、例えば地図データであり、高さは標高（海抜）で表されるから、標定された雷放電の位置も高さは標高で表される。よって、その雷放電の位置が地面か空間かは、水平座標で地図データを参照して雷放電位置における地面の高さを得れば判定できる。地面の高さより所定値以上高い位置での雷放電は雲間放電という判定ができる。
【００７３】
なお、上記の実施形態では、受信局を半径５０ｋｍの円内に４局以上設置するものとしたが、３局であっても本発明は実施できる。仮に、半径５０ｋｍの円内に３局しか受信局が存在しないとしても、３つの雷放電受信時刻から二次元での標定が可能であり、その場合でも、円外にある４局目の受信局を利用して三次元の標定を行うようにすれば、それなりの高い精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施形態を示す雷放電位置標定システムの原理図である。
【図２】本発明の受信局を構成する回路構成図である。
【図３】本発明の受信局における処理手順図である。
【図４】本発明の受信局における信号波形の図であり、（ａ）は磁界微分信号の波形、（ｂ）は磁界信号（（ａ）を積分したもの）の波形を示す。
【図５】５０ｋｍ以内の雷放電から得られる信号波形の図であり、（ａ）は東西方向の磁界波形、（ｂ）は南北方向の磁界波形、（ｃ）は電界波形を示す。
【図６】５０ｋｍ以遠の雷放電から得られる信号波形の図であり、（ａ）は東西方向の磁界波形、（ｂ）は南北方向の磁界波形、（ｃ）は電界波形を示す。
【図７】従来の交会法の原理図である。
【図８】従来の二次元位置標定を行う到達時間差法の原理図である。
【符号の説明】
【００７５】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 受信局
２ アンテナ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位置精度を向上し、落雷と雲間放電のより正確な判別が可能な雷放電位置標定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
落雷があったときに、その落雷による被害を確かめたり復旧作業を行うために、落雷があった場所を早急に特定しなければならない。このためのシステムを従来は落雷位置標定システムと呼んでいる。落雷位置標定システムには、以下の３つのものが知られている。
【０００３】
１）交会法（Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ Ｆｉｎｄｉｎｇ Ｍｅｔｈｏｄ）によるもの
図７に示されるように、落雷により放出された電磁波を複数の受信局１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃにおいてそれぞれ磁界アンテナ１０２で受信し、各々の受信局１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃから見たその電磁波の到来方位を検出する。地図平面上に各受信局１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃから到来方位に向けて直線を描くと、これらの直線の交点あるいは交点に囲まれたあたりが落雷位置であると標定できる。２局以上の受信局、好ましくは一直線上に並ばない３局以上の受信局を設置すれば標定が可能である。
【０００４】
２）到達時間差法（Ｔｉｍｅ ｏｆ Ａｒｒｉｖａｌ Ｍｅｔｈｏｄ）によるもの
図８に示されるように、落雷により放出された電磁波が複数の受信局１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃにおいてそれぞれ電界アンテナ１１２で受信された時刻、すなわち落雷受信時刻を検出する。ある２つの受信局１１１ａ，１１１ｂに着目すると落雷受信時刻の差は、未知の落雷位置から一方の受信局１１１ａまで電磁波が伝搬に要した時間ｔ１と未知の落雷位置から他方の受信局１１１ｂまで電磁波が伝搬に要した時間ｔ２との時間差、すなわち到達時間差を表している。このような到達時間差ｔ１−ｔ２をもたらす点の集合は地図平面上に双曲線Ｌ１２で描くことができる。別の受信局の組からも同様に到達時間差ｔ１−ｔ３，ｔ２−ｔ３に基づいた双曲線Ｌ１３，Ｌ２３が得られるので、これらの双曲線Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ２３の交点が落雷位置であると標定できる。二次元標定に必要な３局以上の受信局、好ましくはチェック用局も含めて４局以上の受信局を設置すれば標定が可能である。
【０００５】
３）ハイブリッド法
上記の交会法と到達時間差法とを混合した方法である。
【０００６】
４）到達時間差法によるリーダ検出
これは落雷位置を標定するものではないが、到達時間差法を使用するので、参考に説明しておく。落雷とは、雲と大地とが電気的につながった状態で大電流が流れる現象である。この落雷に至る前に雲あるいは大地から先駆リーダが伸びてくるので、その現象を検知するのがリーダ検出である。
【０００７】
【表１】
【０００８】
これらの落雷位置標定システムの細部の特徴と性能比較をまとめると表１のようになる。すなわち、交会法は、二次元の位置標定をするものであり、受信する信号は磁界の信号である。受信する信号の帯域はＶＬＦ〜ＬＦ帯域であり、受信局設置間隔（最寄りの受信局間距離のこと）は数百ｋｍである。この方法による落雷位置標定誤差は数ｋｍ程度である。
【０００９】
到達時間差法（従来）は、二次元の位置標定をするものであり、受信する信号は電界の信号である。受信する信号の帯域はＶＬＦ〜ＬＦ帯域であり、受信局設置間隔は数百ｋｍである。この方法による落雷位置標定誤差は５００ｍ〜１ｋｍ程度である。
【００１０】
ハイブリッド法は、二次元の位置標定をするものであり、受信する信号は電界の信号と磁界の信号である。受信する信号の帯域はＶＬＦ〜ＬＦ帯域であり、受信局設置間隔は数百ｋｍである。この方法による落雷位置標定誤差は５００ｍ〜１ｋｍ程度である。
【００１１】
到達時間差法によるリーダ検出は、三次元でのリーダ位置の標定をするものであり、受信する信号は電界の信号である。受信する信号の帯域はＶＨＦ帯域であり、受信局設置間隔は数十ｋｍである。この方法での落雷位置標定誤差は不明である。
【００１２】
交会法、到達時間差法（従来）及びハイブリッド法は、少ない個数の受信局で数百ｋｍの広域をカバーできるという利点がある反面、落雷位置標定誤差が５００ｍ〜１ｋｍ程度と大きいという問題点がある。
【００１３】
到達時間差法によるリーダ検出（三次元）は、先駆リーダを検出するのが目的であって、落雷があったかどうかを特定することが難しく、落雷位置の標定には不適である。また、放電の極性が判定できないという問題もある。
【００１４】
【特許文献１】特開２００３−１３９８６８号公報
【特許文献２】特開昭６２−１６８０７４号公報
【特許文献３】特開２００３−２９４８２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
既に述べたように、従来の落雷位置標定システムは、位置精度のよいものでも落雷位置標定誤差が５００ｍ〜１ｋｍ程度である。これは、建造物や送電線への落雷被害の確認、あるいは復旧作業着手という観点からすると、現場に赴いて実際の被害箇所を見つけるには範囲が広すぎ、好ましい位置精度とは言えない。従って、可及的に位置精度を向上させる必要がある。
【００１６】
従来の落雷位置標定システムは、雲と大地との間に生じる落雷（対地雷とも言う）と、雲中あるいは雲と雲同士で起きる雲間放電（雲内放電とも言う）との判別をするものもあるが、それは電磁波の形状により判定するもので、誤判定が多い。つまり、ある場所で雲間放電が起きても、その場所に落雷が発生したと誤判定する場合もある。このことは、建造物や送電線への落雷被害の確認、あるいは復旧作業着手という観点からすると、誤報を出していることにほかならない。従って、落雷と雲間放電とをより正確に判別して放電位置が標定できるシステム（以下、これを雷放電位置標定システムと言う）が提供されることが望まれる。
【００１７】
特許文献１では、帰還電撃の電流値が大きいことをもって落雷という判定をしている。しかし、これは位置標定が二次元でしかできないので、間接的な現象で落雷と雲間放電とを判別しているに過ぎない。
【００１８】
また、雷放電観測や落雷報知の分野において、落雷位置だけでなく、雷電流の大きさや雷電流の極性（流れる方向のこと）を検出できることが望ましい。
【００１９】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、位置精度を向上し、落雷と雲間放電のより正確な判別が可能な雷放電位置標定システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記目的を達成するために本発明は、雷放電による電磁波がアンテナで受信された時刻（雷放電受信時刻という）を検出するための受信局を所定半径円内に３局以上設置し、各受信局はＶＬＦ−ＭＦ帯の電磁界をアンテナで受信し、その受信信号から振幅が所定値以上のピークを検出し、そのピークの時刻を雷放電受信時刻とし、少なくとも３局の受信局における雷放電受信時刻を二次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した二次元位置を標定するものである。
【００２１】
受信局は４局以上設置し、少なくとも４局の受信局における雷放電受信時刻を三次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した三次元位置を標定してもよい。
【００２２】
上記受信信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、その時系列から振幅が所定値以上のピークを検出してもよい。
【００２３】
上記サンプリング周期は１００ｎｓ以下であってもよい。
【００２４】
上記半径が５０ｋｍであってもよい。
【００２５】
標定した雷放電位置の高さにより、落雷と雲内放電とを区別してもよい。
【００２６】
上記アンテナにより電磁界の微分信号を上記受信信号として出力し、一方、この受信信号を積分して電磁界信号を求め、この電磁界信号がしきい値を越えたことで雷放電があったというイベントを検出し、この雷放電イベント検出時にのみ上記受信信号からの雷放電受信時刻の検出を行ってもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００２８】
（１）位置精度を向上させることができる。
【００２９】
（２）落雷と雲間放電のより正確な判別が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００３１】
図１に示されるように、本発明に係る雷放電位置標定システムは、雷放電による電磁波がアンテナで受信された雷放電受信時刻を検出するための受信局１（１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，…）を半径５０ｋｍの円内に４局以上設置し、各受信局１はＶＬＦ−ＭＦ帯の電磁界をアンテナ２で受信し、その受信信号を１００ｎｓ以下のサンプリング周期でサンプリングし、その時系列から振幅が所定値以上のピークを検出し、そのピークの時刻を雷放電受信時刻とし、少なくとも４局の受信局１における雷放電受信時刻を三次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した三次元位置Ｐを標定するものである。
【００３２】
図１には示さないが、各受信局１からデータ回線を介して雷放電受信時刻を収集して４つ以上の受信局が求めた雷放電受信時刻を到達時間差法に適用するホスト装置が存在する。ホスト装置は、全ての受信局１の設置位置をｘ，ｙ，ｚ軸の三次元座標で記憶しており、各受信局１の雷放電受信時刻を三次元の到達時間差法に適用することで、雷放電が発生した三次元位置Ｐを標定することができる。
【００３３】
なお、受信局１が４つというのは、到達時間差法による三次元の位置標定に最低限必要な条件であり、受信局１が５つあれば、位置の誤差を小さくすることができる。
【００３４】
図２の例では、受信局１は、電界アンテナ２１、ＶＬＦ−ＭＦ帯の電界アンプ２２、Ａ／Ｄコンバータ２３、高精度時計２４、データ処理用コンピュータ２５、積分回路２６、トリガ回路２７を備える。
【００３５】
電界アンテナ２１は、電磁波の電界Ｅの微分信号ｄＥ／ｄｔを受信信号として出力するものである。ただし、電界アンテナ２１の出力は微弱であるので、後段におけるサンプリングに適したダイナミックレンジにするために、次の電界アンプ２２を使用する。
【００３６】
なお、アンテナは磁界アンテナでもよい。その場合、磁界アンテナは電磁波の磁界の微分信号を受信信号として出力することになる。電界アンテナ２１を用いるか、磁界アンテナを用いるかは受信局設置場所の条件により選択してもよい。なお、磁界アンテナの場合は、地面に平行で互いに直交する２成分を同時に観測するが、回路構成は図２に準じる。
【００３７】
電界アンプ２２は、電界アンテナ２１の出力を増幅するものである。電界アンプ２２は、少なくともＶＬＦ−ＭＦ帯（３ｋＨｚ〜３ＭＨｚ）の帯域で減衰なく増幅ができる周波数特性を有するものである。なお、ＶＬＦ帯は３ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、ＬＦ帯は３０ｋＨｚ〜３００ｋＨｚ、ＭＦ帯は３００ｋＨｚ〜３ＭＨｚ、ＨＦ帯は３ＭＨｚ〜３０ＭＨｚ、ＶＨＦ帯は３０ＭＨｚ〜３００ＭＨｚである。
【００３８】
Ａ／Ｄコンバータ２３のサンプリング周期は、１００ｎｓ以下である。
【００３９】
高精度時計２４は、他の受信局に収容されている同様の装置と時刻同期を図るためのものであり、例えば、ルビジウム高精度時計からなる。これらの高精度時計２４は、ＧＰＳシステム等を利用して１００ｎｓ以内の精度で同期を取るようにしてもよい。
【００４０】
データ処理用コンピュータ２５は、Ａ／Ｄコンバータ２３を用いてサンプリングした時系列をソフトウェアにより処理するものである。処理の詳細は後述する。
【００４１】
積分回路２６は、電界アンプ２２で増幅された受信信号を積分するものである。受信信号が電界の微分信号ｄＥ／ｄｔであるから、これを積分した積分回路２６の出力は電界Ｅの大きさ及び極性を表した電界信号である。
【００４２】
トリガ回路２７は、電界信号が雷放電の発生と関連する有意レベルに達したかどうかを判定する回路であり、電界信号がしきい値を越えたことで雷放電があったというイベントを検出するようになっている。トリガ回路２７の出力であるトリガ信号は、データ処理用コンピュータ２５に入力されている。
【００４３】
データ処理用コンピュータ２５は、雷放電イベント検出時にのみ、つまりトリガ信号が到着したときのみ受信信号からの雷放電受信時刻の検出処理を実行するようになっている。
【００４４】
図３に、受信局１の動作、とりわけデータ処理用コンピュータ２５が処理する動作を示す。また、図４（ａ）に受信信号（電界微分信号）の波形、図４（ｂ）に電界信号（受信信号を積分した信号）の波形を示す。ただし、この電界信号は、積分回路２６でアナログ積分した信号ではなく、データ処理用コンピュータ２５が電界微分信号を積分して得たものである。
【００４５】
以下、図２〜図４を用いてひとつの受信局１の動作を説明する。
【００４６】
電界アンテナ２１が電磁波の電界Ｅの微分信号ｄＥ／ｄｔを受信し、電界アンプ２２がこれを増幅して受信信号とする。Ａ／Ｄコンバータ２３は、このアナログの受信信号をサンプリング周期１００ｎｓ以下でサンプリングし、時系列を得る。以下、デジタルデータ処理では、この時系列を受信信号と見なす。
【００４７】
図４（ａ）に示されるように、受信信号ｄＥ／ｄｔは、振幅や周期が大小ランダムなピーク波形を時間的にランダムに含んでいる。図４（ａ）の電界微分信号は、ピーク波形４１があるので、図４（ｂ）の電界信号に比べて精度よくタイムスタンプが押せる（精度よく時刻検出が可能である）。なお、タイムスタンプとは、電界微分信号の時系列から最大値のサンプルを検出して、その時刻を検出することである。
【００４８】
そこで、積分回路２６が受信信号を積分することで電界Ｅを表した電界信号を作り、トリガ回路２７がその電界信号が雷放電の発生と関連する有意レベルに達したかどうかを判定する。ここで、図４（ｂ）の電界信号を見ると、図４（ａ）の受信信号に雷放電によるピーク波形４１が現れた瞬間、電界信号にも大きなピーク波形４４が現れている。つまり、トリガ回路２７は、電界信号がしきい値を越えたことで雷放電があったというイベントを検出する。このトリガ信号がデータ処理用コンピュータ２５に入力されると、データ処理用コンピュータ２５は、受信信号に対しての雷放電受信時刻の検出処理の実行を開始する。このように、イベントの検出は、電界信号（アナログ信号）がしきい値を越えたことを検出することでなされる。
【００４９】
データ処理用コンピュータ２５は、雷放電による電磁界微分信号のピークが抽出された瞬間を雷放電受信時刻とする。この動作をタイムスタンプと言い、雷放電受信時刻をタイムスタンプデータという。このとき、サンプリング周期が１００ｎｓ以下であるから、このサンプリング周期に同期されて検出される雷放電受信時刻は誤差が１００ｎｓ＋時計の精度以下である。
【００５０】
次いで、データ処理用コンピュータ２５は、抽出した雷放電によるピークの波高値を記録する。データ処理用コンピュータ２５は、雷放電受信時刻と波高値をデータ回線に出力してホスト装置に通知する。
【００５１】
次に、ホスト装置における処理を説明する。
【００５２】
図１の各受信局１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにおいて、それぞれ図４（ａ）のような時系列から雷放電受信時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４が得られる。ホスト装置は、全ての受信局１の設置位置をｘ，ｙ，ｚ軸の三次元座標で記憶しており、各受信局１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄの設置位置を示した三次元空間において、各受信局１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄにおける雷放電受信時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，ｔ４を三次元の到達時間差法に適用することで、雷放電が発生した三次元位置Ｐを標定する。
【００５３】
具体的には、ホスト装置は、受信局１ａ，１ｂ間の到達時間差ｔ１−ｔ２をもたらす点の集合として回転双曲面Ｓ１（図示困難のため図示せず）を計算する。別の受信局の組からも同様に到達時間差ｔ２−ｔ３，ｔ３−ｔ４に基づいた回転双曲面Ｓ２，Ｓ３（図示せず）を計算する。これらの回転双曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３の交点が三次元位置Ｐであるから、ホスト装置は、回転双曲面Ｓ１，Ｓ２の交線Ｋ１２を計算し、回転双曲面Ｓ２，Ｓ３の交線Ｋ２３を計算し、交線Ｋ１２と交線Ｋ２３との交点Ｐを計算する。
【００５４】
回転双曲面Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３が図示できないので、参考のため、回転双曲面Ｓ１と大地（ＸＹ平面）との交線Ｋ１０、回転双曲面Ｓ２と大地との交線Ｋ２０、回転双曲面Ｓ３と大地との交線Ｋ３０が示してある。これらの交線Ｋ１０，Ｋ２０，Ｋ３０はいずれも双曲線となる。
【００５５】
ここで、本発明と従来技術との比較をする。
【００５６】
本発明の最大の要点は、受信局間距離を従来より短くしたことである。受信局間距離が長いということは、雷放電発生位置から受信局までの距離も長いということである。従来技術は受信局間距離が長いために、次のような問題がある。
【００５７】
１）雷放電による電磁波が受信局まで伝搬していく過程において、途中の地形の複雑さとかそのローカルな場所特有の大地導電率の違いによって到達時間に誤差が生じる。ここで言う誤差とは、途中の地形が全くフラットで、大地導電率が無限大である場合における到達時間に比べた時間差のことである。雷放電発生位置から受信局までの距離が長ければ長いほど、この種の誤差、つまり電磁波自体が遅れて変歪して伝わることによる到達時間の誤差が大きくなる。
【００５８】
しかし、従来は経済的理由から受信局の設置数を極力少なくし、その少ない受信局でできるだけ広範囲を対象にした位置標定ができることを目指していたため、受信局間距離を長くすることになり、その結果、到達時間の誤差が大きくなることは避けられなかった。
【００５９】
２）時間計測における１００ｎｓの誤差は距離に換算して３０ｍの誤差となる。信号をデジタル処理しようとすると、サンプリング周期に起因する誤差は避けられない。サンプリング周期が長いと、それだけ位置標定の精度が低くなる。それならば、サンプリング周期を極力短くすれば、位置標定の精度向上に寄与するはずであると本出願人は考えた。
【００６０】
ところが、実際は、従来技術において、仮にサンプリング周期を短くしても、位置標定の精度向上に寄与する情報を得ることができない。その理由は次の項目で述べるので省くが、従来技術ではサンプリング周期を短くする意味がないため、サンプリング周期を短くすることは、検討されてこなかった。また、従来は１００ｎｓの誤差が問題視されるほどの高速サンプリング技術が提供されていなかったためもあって、サンプリング周期を短くすることは、検討されてこなかった。
【００６１】
３）雷放電発生位置から受信局までの距離が長いということは、電磁波の伝搬距離が長いということである。伝搬距離が長いと高周波ほど減衰しやすい。従って、雷放電発生位置において低周波から高周波までの電磁波が存在しても、受信局には低周波しか届かず、高周波は届かない。これは位置標定に利用可能な情報が伝搬途中で失われることを意味している。
【００６２】
このように、雷放電発生位置からの距離が長い受信局では、雷放電による電磁波のうち、高周波を受信できない。言い換えると、立ち上がりあるいは立ち下がりが急峻な受信信号が存在しない。具体的に言えば、図４（ａ）のピーク波形が存在しない。従って、前述したサンプリング周期の短縮を図っても意味がないことになる。
【００６３】
４）雷放電は地表面からせいぜい１５ｋｍ以下の高さで起きている。従来技術では受信局間距離が数百ｋｍであるため、雷放電発生位置から受信局までの距離も数百ｋｍ程度のことが多いと思われる。このような水平方向の広がりに対して高さ方向の広がりはほとんどないに等しい。仮に１０ｋｍの高さで雲内放電が起きても、受信局から見た仰角はゼロに近いことになる。また、数百ｋｍの距離を地上波として伝搬する電磁波の経路はもはや直線ではなく、地球の曲面に沿った曲線として扱わなければならない。このような距離では、図１の原理による三次元位置標定は不可能である。従って、高さを含めた位置標定を行うことは困難である。
【００６４】
本発明は、以上の問題点１）〜４）を全て解決している。
【００６５】
１）の問題点は、受信局を半径５０ｋｍの円内に４局以上設置したことで、受信局間隔が５０ｋｍ程度以内に短くなることで、直接的に解決されている。すなわち、受信局間隔が５０ｋｍ程度以内であるため、雷放電による電磁波が受信局まで伝搬する距離も応分に短くなる。このため、電磁波が途中の地形効果や有限な大地導電率による影響を受けにくく、電磁波自体が遅れて伝わることによる到達時間の誤差が抑制できる。
【００６６】
２）の問題点は、３）が解決されていること、つまり図４（ａ）のピーク波形が得られることが前提であるが、サンプリング周期を１００ｎｓ以下と短くしたことで、図４（ａ）のように多様なピーク波形を含んだ受信信号を漏らさず時系列として取り込むことができ、その結果、雷放電によるピーク波形を抽出できるようになる。このようにして、タイムスタンプの誤差が抑制できるので、位置標定の精度向上が期待できる。なお、サンプリング周期は好ましくは５０ｎｓ以下である。
【００６７】
３）の問題点は、受信局を半径５０ｋｍの円内に４局以上設置したことで、受信局間隔が５０ｋｍ程度以内となったので、電磁波の伝搬距離も応分に短くなり、高周波が減衰する前の電磁波を受信することができる。高周波受信のために、電界アンテナ２１及び電界アンプ２２にはＶＬＦ−ＭＦ帯において減衰がないものを使用する。これにより、受信局で高周波を受信して位置標定に利用することができる。具体例を図５、図６に示す。両図は比較のため縦軸スケール、横軸スケールとも統一してある。
【００６８】
図５に示した信号波形は、５０ｋｍ以内の雷放電から得られたものである。図５（ａ）の東西方向の磁界波形、図５（ｂ）の南北方向の磁界波形、図５（ｃ）の電界波形を見ると、同一の雷放電に起因してそれぞれの信号が特徴的な立ち上がりを示しており、かつ信号の大きさも十分大きいので、いずれの信号でもタイムスタンプに利用することができる。一方、図６に示した信号波形は、５０ｋｍ以遠の雷放電から得られたものである。図６（ａ）の東西方向の磁界波形、図６（ｂ）の南北方向の磁界波形、図６（ｃ）の電界波形を見ても、タイムスタンプに利用できそうな特徴的な立ち上がりはない。
【００６９】
なお、受信局で高周波を受信して位置標定に利用することが有利と述べたが、ここで言う高周波とはＭＦ帯のことである。ＶＨＦ帯は、別の理由で利用不可能である。すなわち、受信局に到達するＶＨＦ帯の信号は発生源、発生原因が落雷とは異なる。ＶＨＦ帯の信号は主として雲内の放電の前駆現象（リーダ等）として活発に発生する。落雷の際には、ＶＨＦ帯の信号はほとんど発生せず、位置標定に利用することができない。
【００７０】
以上のように、１）〜３）の問題点が解決されたことで、発明が解決しようとする課題の欄で述べた位置精度の不足という課題が解決されることになる。
【００７１】
４）の問題点も受信局間隔を５０ｋｍ以内としたことで解決される。つまり、本出願人は、受信局間距離を短くすれば、雷放電発生位置から受信局までの距離も短くなり、それに伴って高さ方向の標定誤差が小さくできると考えた。そして、高さ方向の標定誤差が小さくなれば、その標定結果を落雷と雲内放電の判別に利用できると考えた。落雷と雲内放電の判別が可能であれば、発明が解決しようとする課題の欄で述べた落雷と雲内放電の判別ができないという課題が解決されることになる。しかも、特許文献１のように間接的な現象で落雷と雲間放電とを判別するのではなく、標定した三次元の位置そのものが地面か空間かを表しているので、直接的に落雷と雲間放電とを判別できる。
【００７２】
なお、位置標定の基準点となる受信局の三次元位置は、例えば地図データであり、高さは標高（海抜）で表されるから、標定された雷放電の位置も高さは標高で表される。よって、その雷放電の位置が地面か空間かは、水平座標で地図データを参照して雷放電位置における地面の高さを得れば判定できる。地面の高さより所定値以上高い位置での雷放電は雲間放電という判定ができる。
【００７３】
なお、上記の実施形態では、受信局を半径５０ｋｍの円内に４局以上設置するものとしたが、３局であっても本発明は実施できる。仮に、半径５０ｋｍの円内に３局しか受信局が存在しないとしても、３つの雷放電受信時刻から二次元での標定が可能であり、その場合でも、円外にある４局目の受信局を利用して三次元の標定を行うようにすれば、それなりの高い精度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明の一実施形態を示す雷放電位置標定システムの原理図である。
【図２】本発明の受信局を構成する回路構成図である。
【図３】本発明の受信局における処理手順図である。
【図４】本発明の受信局における信号波形の図であり、（ａ）は磁界微分信号の波形、（ｂ）は磁界信号（（ａ）を積分したもの）の波形を示す。
【図５】５０ｋｍ以内の雷放電から得られる信号波形の図であり、（ａ）は東西方向の磁界波形、（ｂ）は南北方向の磁界波形、（ｃ）は電界波形を示す。
【図６】５０ｋｍ以遠の雷放電から得られる信号波形の図であり、（ａ）は東西方向の磁界波形、（ｂ）は南北方向の磁界波形、（ｃ）は電界波形を示す。
【図７】従来の交会法の原理図である。
【図８】従来の二次元位置標定を行う到達時間差法の原理図である。
【符号の説明】
【００７５】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ 受信局
２ アンテナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雷放電による電磁波がアンテナで受信された時刻（雷放電受信時刻という）を検出するための受信局を所定半径円内に３局以上設置し、各受信局はＶＬＦ−ＭＦ帯の電磁界をアンテナで受信し、その受信信号から振幅が所定値以上のピークを検出し、そのピークの時刻を雷放電受信時刻とし、少なくとも３局の受信局における雷放電受信時刻を二次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した二次元位置を標定することを特徴とする雷放電位置標定システム。
【請求項２】
受信局は４局以上設置し、少なくとも４局の受信局における雷放電受信時刻を三次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した三次元位置を標定することを特徴とする請求項１記載の雷放電位置標定システム。
【請求項３】
上記受信信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、その時系列から振幅が所定値以上のピークを検出することを特徴とする請求項１又は２記載の雷放電位置標定システム。
【請求項４】
上記サンプリング周期は１００ｎｓ以下であることを特徴とする請求項３記載の雷放電位置標定システム。
【請求項５】
上記半径が５０ｋｍであることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の雷放電位置標定システム。
【請求項６】
標定した雷放電位置の高さにより、落雷と雲内放電とを区別することを特徴とする請求項２記載の雷放電位置標定システム。
【請求項７】
上記アンテナにより電磁界の微分信号を上記受信信号として出力し、一方、この受信信号を積分して電磁界信号を求め、この電磁界信号がしきい値を越えたことで雷放電があったというイベントを検出し、この雷放電イベント検出時にのみ上記受信信号からの雷放電受信時刻の検出を行うことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の雷放電位置標定システム。
【請求項１】
雷放電による電磁波がアンテナで受信された時刻（雷放電受信時刻という）を検出するための受信局を所定半径円内に３局以上設置し、各受信局はＶＬＦ−ＭＦ帯の電磁界をアンテナで受信し、その受信信号から振幅が所定値以上のピークを検出し、そのピークの時刻を雷放電受信時刻とし、少なくとも３局の受信局における雷放電受信時刻を二次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した二次元位置を標定することを特徴とする雷放電位置標定システム。
【請求項２】
受信局は４局以上設置し、少なくとも４局の受信局における雷放電受信時刻を三次元の到達時間差法に適用して雷放電が発生した三次元位置を標定することを特徴とする請求項１記載の雷放電位置標定システム。
【請求項３】
上記受信信号を所定のサンプリング周期でサンプリングし、その時系列から振幅が所定値以上のピークを検出することを特徴とする請求項１又は２記載の雷放電位置標定システム。
【請求項４】
上記サンプリング周期は１００ｎｓ以下であることを特徴とする請求項３記載の雷放電位置標定システム。
【請求項５】
上記半径が５０ｋｍであることを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の雷放電位置標定システム。
【請求項６】
標定した雷放電位置の高さにより、落雷と雲内放電とを区別することを特徴とする請求項２記載の雷放電位置標定システム。
【請求項７】
上記アンテナにより電磁界の微分信号を上記受信信号として出力し、一方、この受信信号を積分して電磁界信号を求め、この電磁界信号がしきい値を越えたことで雷放電があったというイベントを検出し、この雷放電イベント検出時にのみ上記受信信号からの雷放電受信時刻の検出を行うことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の雷放電位置標定システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００７−１２１１２７（Ｐ２００７−１２１１２７Ａ）
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１４１６２（Ｐ２００５−３１４１６２）
【出願日】平成１７年１０月２８日（２００５．１０．２８）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１７日（２００７．５．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２８日（２００５．１０．２８）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【出願人】（５０４１３７９１２）国立大学法人 東京大学 (1,942)
【Ｆターム（参考）】
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