(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ストームセルにおける大気中の放電によって誘導された電磁信号の解析によりリアルタイムで地球の表面のストーム活動を監視する方法であって、地球電離層共振器において発生した極低周波（ELF）電磁界信号を記録し（２１１）、前記記録した信号を、そのパワースペクトル（Sx、Sy）を生成してスペクトル解析を行う方法において、更に、
前記パワースペクトル（Sx、Sy）を以下の式で表わされる共振曲線と一致させて、
【数１】
0005562237.tif 000006
但し、S(ω)は、一致したパワースペクトル、
ａは、背景色雑音のパラメータ、
ｂは、背景広帯域雑音のパラメータ、
αは、色雑音のスペクトル指数、
ωは、(振動)数
pkは、k番目の共振ピークの最大力値、
ekは、k番目の共振ピークの非対称のパラメータ、
ωkは、2πfkと同等であるk番目の共振ピークの共振比、
Гkは、k番目の共振ピークの半値幅、
前記地球電離層共振器におけるELFフィールド共振伝播モデルに基づいて一連の観測パラメータ（pk、fk、γk及びek）によって前記パワースペクトル（Sx、Sy）をパラメータ化するステップと、
前記放電の距離と強度に依存する前記観測パラメータ（pk、fk、γk及びek）をモデルパラメータデータベース（２１４）に含まれるベースパラメータ（pok、fok、γok及びeok）と比較するステップを含み、
前記放電の距離及び強度に依存する前記観測パラメータ（pk、fk、γk及びek）に最も近似するものとして選択された前記ベースパラメータを、前記放電（２１６）の位置と強度のマップ（M(x, y)）を作成するのに使用することを特徴とする方法。
【請求項２】
放電により発生したELF電磁界信号が、水平に、好ましくは互いに直交して、局部電界源がない地球の地域に地球の表面あるい地面に近い地下に南北及び東西方向に配置された2つの磁気誘導アンテナ（Hx, Hy）により記録され、これら信号は、増幅され、フィルタリングされ、そして例えばサンプリング周波数１８０Hzでデジタル観測信号(Ux, Uy)に処理された後、極低周波（ELF）電磁界信号として電子データ処理ユニットに無線で送信される、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
前記モデルパラメータデータベースが、地球電離層キャビティにおけるELF波伝播モデルの知識に基づいて作成される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ベースパラメータは、前記観測パラメータ（pk、fk、γk及びek）の、前記ベースパラメータ（pok、fok、γok及びeok）からの逸脱を最小化する手法を用いて、前記観測パラメータ（pk、fk、γk及びek）に値が最も近似するものとして選択される、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ストームセンターの活動を遠隔計測しその位置を決定するために使用される、リアルタイムで地球の表面におけるストーム活動を監視する方法および装置に関する。ストーム活動の監視は、航空及び海上輸送の安全性および天気予報において重要な役割を果たす。
【背景技術】
【０００２】
今日、雷雲内、雲間、及び雲と地上の間において発生する大気における放電を記録する幾つかの方法がある。
【０００３】
ストーム活動を監視する1つ目の方法は、上述したように雷雲内、雲間、及び雲と地上の間において発生する雷の発生の光学衛星観測に基づくものである。この方法は、衛星に取り付けられた器具により直接観測された地域の詳細な情報を提供する。観測される地域は、地球の表面のほんの小部分でしかないca.105 km2 をカバーするものである。その軌道監視システムは、広範囲に拡大された衛星ネットワークを使用しても、信頼性のあるストーム活動の全地球的監視システムを確保することはできない。
【０００４】
ストームを追跡する２つ目の方法は、大気中における放電が発生させるVLF、HF及びVHFラジオ周波数における電磁信号を探知することである。この方法では、放電の強度とその位置を判断するができる。しかしながら、その不利な点は、前記信号の範囲は、その周波数範囲内では、HFの数百キロの範囲内の距離、及びVLFの数千キロの範囲内の距離に限定されていることである。ステーションを使用して広範囲の地域を観測するには、高密度の追跡ステーションのネットワークが必要である。現在、最新の監視システムは、VLFおよびHF周波数範囲内に同時に登録された信号の分析を行っている。同システムは、高度に発展した国でしか作動していないため、地球の表面のわずかな割合しかカバーしていない。
【０００５】
３つ目の方法は、VLFだけの範囲内の追跡信号を用いるものである。1つのステーションの範囲は、千キロメートルまでである。現在、その世界システムは、27つの測定ステーションで構成されている。
【０００６】
極低周波（ELF）の電磁界信号の伝播は、2006年発行のJournal of Geophysical Research第111号、 A10304、doi:10.1029/2005JA011429における 「Studies
of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition
method based on asymmetry of Schumann resonance curves」（シューマン共振曲線の非対称性に基づくフィールド分解法を使用した球殻の空洞におけるELFの伝播の研究）と題するポーランドのクラクフにおけるヤギエロニアン大学の研究者達により発表された研究の結果から知られる。同研究論文における主張によると、曲線の非対称および観測されたELFスペクトルにおける共振周波数のピークの可変は、定在波フィールドが重ね合わさり、ソースから伝播する波動場で共振モードを作成することで発生する。解決すべき課題は、両方のフィールドの要素を分けて、共振器で別々に測定することが可能であるか否かであった。この問題に関して提案されている新しいアプローチは、１つのアンテナで電界あるいは磁界の要素を観測して得たスペクトルの非対称あるいは信号スペクトルを測定するものである。同アプローチにおいて、共振器のどの点における信号スペクトルに共鳴成分フィールドに関係する対照的な部分と進行波に関係する非対称的な部分があると推定されていた。フィールド成分｜ａ(θ, f)｜2のパワースペクトルは、以下の式を使って計算される。
【０００７】
【数１】
0005562237.tif 000002
【０００８】
上記の式は、共振器のいずれかの点から1つの進行波源までの概略距離θを決定することができる。
【０００９】
上述した大気中放電の観測方法は、観測基地を相当拡大したとしても、地球の全表面のストーム活動の全地球的監視を可能することはできない。また、上記の方法のいずれも、大気中の放電の100パーセントの検出効率を保証するものはない。現在、上記の方法の有効性は、使用された方法及び信号解析アルゴリズム次第で、60から80パーセントであると推定される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１０】
2006年発行のJournal of Geophysical Research第111号、 A10304、doi:10.1029/2005JA011429における 「Studies
of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition method
based on asymmetry of Schumann resonance curves」（シューマン共振曲線の非対称性に基づくフィールド分解法を使用した球殻の空洞におけるELFの伝播の研究）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、地球の全表面に亘るストーム活動の全地球的監視の方法および装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のストーム活動の監視方法は、上述した方法に類似して、ストームセルにおける大気中の放電によって引き起こされる電磁信号の解析に基づくものである。本発明は、地球電離層共振器において誘導された極低周波（ELF）電磁界信号を記録し、地球電離層共振器における極低周波数 (ELF) 電磁場に関する共振伝播モデルに基づいて、スペクトル解析を行うものである。次に、放電とアンテナの位置の距離、即ちソース間の距離に依存する特性、及び強度を分離して、モデルデータベースのパラメータと比較する。最も近似している一連のベースパラメータが、それらのソースの位置と強度を特定する。解析は、リアルタイムで行うことが可能であり、結果はストーム活動マップの形式で示すことができる。
【００１３】
極低周波(ELF)フィールドにおける波共鳴伝播の特異的性質により、1つの装置で地球の大気中の全ての放電からの信号を記録し、記録された信号により、10,000ｋｍ(キロメートル)までの距離のストーム活動マップを明確に作成することができる。さまざまな大陸に設置された幾つかの装置を活用することで、地球的スケールで地理座標におけるストーム活動の明確な画像化が可能になる。
【００１４】
極低周波(ELF)電磁界信号は、互いに直交し、地面上あるいは地面に近い地下にそして南北(NS)及び東西(EW)方向に配置された2つの水平磁場アンテナを使用して局所電場が存在しない地域で記録されるのが好ましい。同信号は、増幅され、フィルターにかけられ、そして例えばサンプリング周波数180Hzでデジタル観測信号に処理された後、無線でスペクトル解析が行われる電子データ処理ユニットに送信される。次いで、発生した信号パワースペクトルは、共鳴曲線と一致され、同スペクトルがパラメータ化される。次に、同パラメータは、地球電離層共振器、ケイブ、あるいは導波管におけるELF波伝播モデルによって作成されたモデルデータベースに保存されたベースパラメータと比較される。そして、観測パラメータの同ベースパラメータからの逸脱を最小限にする手段を使用して最も近似した値の一連のベースパラメータが選択される。一連のベースパラメータは、大気中の放電が発生するストーム源の位置と強度を再現するものである。一連のベールパラメータに基づいて、ソースのマップが作成される。
【００１５】
パワースペクトルSx、Syそれぞれをパラメータ化するためには、以下の式を使って共鳴曲線と一致させることが勧められる。
【００１６】
【数２】
0005562237.tif 000003
【００１７】
但し、S(ω)は、一致したパワースペクトル、
ａは、背景色雑音のパラメータ、
ｂは、背景広帯域雑音のパラメータ、
αは、色雑音のスペクトル指数、
ωは、(振動)数、
pkは、k番目の共振ピークの最大力値、
ekは、k番目の共振ピークの非対称のパラメータ、
ωkは、2πfkと同等であるk番目の共振ピークの共振比、
Гkは、k番目の共振ピークの半値幅である。
【００１８】
本発明のもう一つの目的は、2つの水平磁場アンテナを備えたリアルタイムで地球の表面のストーム活動を監視する装置を提供することであり、同アンテナは、互いに南北(NS)及び東西(EW)方向に沿って、互いに直交し、また地面上あるいは地面に近い地下に配置されていて、2つの同一の信号経路及び信号増幅器、フィルター、アナログ・デジタル・コンバータ及び制御装置を持つブロック・レコーディング観測信号の遮蔽電線により互いに接続されており、そのクロックは、システム受信機によりGPSの時間と同期化されていて、そのデータ電子処理装置は、ELF信号のスペクトル解析に適応されるアルゴリズム及びストームの放電源の距離及び活動によって決まる特性を測定するアルゴリズムに従ってプログラム化されたものである。
【００１９】
そのブロック記録観測信号は、好ましくはアナログ・デジタル・コンバータが処理したデータを送信する送信アンテナに接続され、計数部が、ブロック記録観測信号に接続された送信アンテナと通信する受信アンテナに接続される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
以下、本発明を、実施例を用いて以下のとおり添付図面を参照して説明する。
【００２１】
【図１】図１は、地球とELF電磁波を発生するストームセンターを示すものである。
【図２】図２は、ストーム活動を監視する方法のフローチャートである。
【図３Ａ】図３Ａは、ELF電磁界の受信アンテナを示すものである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、リアルタイムで地球の表面のストーム活動を監視する装置を示すものである。
【図３Ｃ】図３Ｃは、リアルタイムで地球の表面のストーム活動を監視する装置を示すものである。
【図４】図４は、最初の３つの最大伝播に関して選択された３つの共振ピークを示すものである。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図示された実施形態は、説明することのみを目的とするものであり、添付請求項により定義される本発明の範囲を限定するものではない。
【００２３】
図１ないし図４は、リアルタイムで地球の表面のストーム活動を監視する装置を示すものであり、その発明による解決法は、ストームセンターの活動およびそのストームセンターの地球の表面の位置の遠隔計測に使用されるストーム活動監視装置により提示される。同じ機能を持つ装置の要素あるいはユニットは、全ての図面において同一あるいは特定の図とその数字に割り当てられた最初の一桁のみが異なる数字あるいは記号が使用されている。
【００２４】
図１は、地球100及びストームセンター101を示す概略図である。同ストームセンターは、空気キャビティ104においてELF電磁界信号を発生する、換言すると、その信号は、地球の電離層共振器において、地球電離層キャビティ104においてあらゆる方向に伝播しているELF電磁波の信号102及び103である。図1においては、とりわけ、電離層105及び地面106の間の空気キャビティ104において左回りに伝播する第1電磁波102及び右回りに伝播する第2電磁波103を発生させる１つの大気中の放電109が示されている。これらの電磁波は、互いに干渉しながら何周も地球を回り、互いに垂直に有利な位置に配置された受信アンテナ110及び120に届く。ストームセンター101が発生させる電磁波の干渉により、特定の周波数の電磁波が減衰され、一連の共振ピークが発生する。
【００２５】
図２は、リアルタイムで地球の表面におけるストーム活動を監視する方法の概略フローチャートである。第1ステップ211において、放電によって発生した電磁界の要素Hx及びHyが、2つの磁気アンテナで記録される信号を発生させる。ステップ212において、それらの信号は同一のスペクトル解析が行われ、パワースペクトルSx及びSyが生成される。地球の電離層におけるELF信号伝播の共振の性質により、それらのスペクトルは、その後の最大の伝播と関連する一連の共振ピークという形をとる。ステップ213において、各パワースペクトルSx及びSyは、以下で詳細に説明される特定の数式により表される共鳴曲線と一致される。その一致方法の結果は、スペクトルのパラメータ化である。各スペクトルSx及びSyは、一連の観測パラメータpk、fk、γk及びekに割り当てられる。そして、ステップ214において、各信号の一連のパラメータは、モデルパラメータ・データベースBに保存されているベースパラメータpok、fok、γok及びeokと比較される。比較システムの作業は、一連の観測パラメータpk、fk、γk及びekに一番近い値の一連のベースパラメータpok、fok、γok及びeokを選択することである。この目的を達成するために、観測パラメータpk、fk、γk及びekのベースパラメータpok、fok、γok及びeokからの逸脱を最小限に抑えるために使用される1つの最小化手段が適用される。モデルパラメータ・データベースBは、例えば、大気中の観測された放電の確認後、ステップ215における地球電離層キャビティにおけるELF波伝播モデルの知識を適用して作成される。アンテナなどのオブザーバーと放電などのソースの間のそれぞれの距離、及び放電のそれぞれの強度には特徴的な一連のベースパラメータがあるため、観測パラメータpk、fk、γk及びekをベースパラメータpok、fok、γok及びeokに割り当てることにより、ソースの位置とその強度のマッピングが可能になる。ステップ216で、ソースのマッピングが作成される。得られたマップの分解能は、信号分解のステップ213で得られたスペクトル観測パラメータpk、fk、γk及びekの数とその測定に伴う局所的ノイズのレベルに完全に依存する。同観測パラメータpk、fk、γk及びekは、放電の距離及び強度に依存する特性であり、同放電の位置及び強度を復元し、ストームのソース（M(x, y)）のマップを作成する基準となる。マップの不明確さは、界分布のベースセットの形式に完全に依存する、即ち想定される伝播モデルの派生物である。
【００２６】
図３A の概略図に示されているのは空気キャビティに発生するELF電磁界301であり、Hx、Hy、及びHzの要素を有し、そのうちのHxとHyは、好ましくは互いに直交しかつ局所電界源がない地球の地域に配置された2つの水平、指向性受信アンテナAx 321及び Ay 322により受信される。アンテナAx 321及び Ay 322は、通常は、例えば、1ｍ(メートル)の長さで中心の断面が1ｃｍ2(平方センチメートル)である誘導性、能動、磁気アンテナである。好ましくはアンテナAx 321及び Ay 322は、もし外部電界があればそれから遮蔽され、地面106あるいは地面に近い地下に通常は南北(NS)及び東西(EW)方向に配置される。そして、ELF電磁界301により、それらの指向性アンテナAx 321及び Ay 322において信号Ux 331とUy 332が発生する。
【００２７】
上記信号Ux 331とUy 332に関する地球電離層導波管あるいは地球電離層キャビティにおけるELF界の共振伝播モデルに基づくスペクトル解析を行う前に、要約すれば、空気キャビティ、距離およびソース強度の特性の分離、及び指向性磁気受信アンテナAx 321及び Ay 322において発生する信号Ux 331とUy 332は、観測信号を例えば100メートルの長さの遮蔽ワイヤーで、ブロードバンド低ノイズ増幅器Gx 341及びGy 342のインプットに、好ましくは図３B及び図３Cに示すように2つの別々の同一のプロセシング経路に記録するブロックに送信され、増幅された後、同信号は、例えば1-60Hzの通過帯域のローパス・アンチエイリアス・フィルターBPFx 351及びBPFy 352を通過し、次に例えば、制御システムuP 365に接続された16ビットのアナログデジタル・コンバータA/Cx
361及びA/Cy 362においてアナログからデジタル形式に処理される。信号のサンプリングは、例えば周波数180Hzで両方のアナログ・デジタル・コンバータA/Cx
361及びA/Cy 362において同期して行われる。上記及び以下に記載の２つのブロックを含む装置は、制御システムの時計が同期化されたGPS受信機364を備える。デジタル信号Ux 331とUy 332は、アナログ・デジタル・コンバータにおいて処理されたデータを送信するアンテナT 367を持つ低出力無線送信システム366あるいは導波管線路に向けられる。デジタル信号Ux 331とUy 332が、継続解析のために通信リンクを使用して例えばPCなどの制御システムに送信される別の解決法も可能である。しかしながら、その解決方法では、測定経路にノイズが入る恐れがある。図3Bに示される有利な解決法では、上述したように例えばPCなどの計数ユニットへの信号の送信が、無線あるいは光で行われるのに対して、今までに説明された全装置は、電線路から離れて配置され、独立した電源から供給される。
【００２８】
本実施形態において、デジタル信号Ux 331とUy 332は、例えば、アンテナから3-10キロメートル離れて配置されていて受信アンテナ377を持つ無線受信システム376に受信され、デコードされ、例えば本線からとったPCなどの計数ユニット375に送信される。同計数ユニット375は、電子処理システムであり、ELF信号スペクトル解析のアルゴリズム及び放電源に依存した距離および活動の特性の決定に関するアルゴリズムに従ってプログラムされている。その計数ユニット375において、デジタル信号Ux 331とUy 332は、観測信号Ux 231及びUy 231のパワースペクトルSx及びSyを発生させる同一のスペクトル解析が行われ、ブロックDFTx 371及びDFTy 372におけるフーリエ変換を使用して共振曲線が一致される。地球電離層キャビティにおけるELF観測信号の伝播の共振特性により、同スペクトルは、表1及び図４においてグラフ状に示される連続最大伝播と接続する一連の共振ピークあるいはピーク411、412、及び413の形状である。
【００２９】
【表１】
0005562237.tif 000004
【００３０】
次のステージで、ブロックDx 381及びDy 382において、以下の式で表される共振曲線が、各パワースペクトルSx及びSyと一致される。
【００３１】
【数３】
0005562237.tif 000005
【００３２】
上記式において、
S(ω)は、一致したパワースペクトル、
ｂは、背景色雑音のパラメータ、
ａは、背景広帯域雑音のパラメータ、
αは、色雑音のスペクトル指数、
ωは、（振動）数、
pkは、k番目の共振ピークの最大力値、
ekは、k番目の共振ピークの非対称のパラメータ、
ωkは、2πfkと同等であるk番目の共振ピークの共振比、
Гkは、 k番目の共振ピークの半値幅
である。
【００３３】
上記式は、2006年発行のJournal of Geophysical Research第111号、 A10304、doi:10.1029/2005JA011429における 「Studies
of ELF propagation in the spherical shell cavity using a field decomposition
method based on asymmetry of Schumann resonance curves」（シューマン共振曲線の非対称性に基づくフィールド分解法を使用した球殻の空洞におけるELFの伝播の研究）と題する論文から導入されたものであり、背景色雑音を表すパラメータ、背景広帯域雑音を表すパラメータ、及び色雑音のスペクトル指数を用いて完成されたものである。背景色雑音を表すパラメータa、背景広帯域雑音を表すパラメータb、及び色雑音のスペクトル指数αを追加することで、観測された背景と曲線の一致が向上し、マップを作成するために必要なスペクトルパラメータの決定の正確度が増したため、それらのパラメータを使用するのが好ましい。パラメータa及びb、そして指数αは決定されるが、マップの作成には使用されないことに注意しなければならない。
【００３４】
前記一致方法を使用した結果、パラメータ化ブロックParamx 391及びParamy 392においてスペクトルがパラメータ化される。各スペクトルSx及びSyにつき、4つの現在の観測パラメータpk、fk、γk及びekが各k番目のモードに起因し、パラメータ化が行われる。次の段階において、各信号Ux及びUyの4つの同観測パラメータpk、fk、γk及びekは、コンパレータ396において地球電離層キャビティにおけるELF波伝播の知識に基づいて作成されたモデルパラメータ・データベースB 390に保存された一連のベースパラメータpok、fok、γok及びeokと比較される。コンパレータ396の作業は、一連の観測パラメータpk、fk、γk及びekに一番近い値の一連のベースパラメータpok、fok、γok及びeokを選択することである。この目的を達成するために、観測パラメータpk、fk、γk及びekのベースパラメータpok、fok、γok及びeokからの逸脱を最小限に抑えるために使用される1つの最小化手段が適用される。データベース390は、長期的観測結果に基づく地球電離層キャビティにおけるELF波伝播モデルの知識の強みを基づいて作成される。オブザーバーとソース間のそれぞれの距離、及び放電のそれぞれの強度には特徴的な一連のベースパラメータがあるため、観測パラメータpk、fk、γk及びekをベースパラメータpok、fok、γok及びeokに割り当てることにより、ソースの位置とその強度を復元することが可能になる。即ち、観測パラメータpk、fk、γk及びekは、モデル・パラメータ・ベースBのパラメータである一連のベースパラメータpok、fok、γok及びeokと比較される。一連のベースパラメータpok、fok、γok及びeokは、一連の観測パラメータpk、fk、γk及びekの最近似として選択された後、放電あるいは放電のソース及び/あるいはストームセンターの位置と強度を復元する。好ましい実施形態における電子処理ユニットは、スペクトル解析に関する多数の論文から良く知られているELF信号スペクトル解析のアルゴリズム及びストームの距離および活動に依存する特性の決定のアルゴリズムに基づいてプログラムされている。
【００３５】
次の段階において、ソースのマップM(x, y)が作成される。即ち、作成ブロック395において、地球の表面のストームセンターの分布及び強度のソースマップM(x, y)が作成される。得られたマップの解像度は、信号の分解の段階で得られたスペクトル分布パラメータの数、計測中に生じたノイズレベルに直接的に依存する。マップの不明確さは、磁界分布のベースグループの形に依存する、即ちそれらは想定される伝播モデルの派生物である。
【００３６】
他のソースによって確認された及び/あるいは地球の表面のストーム活動を監視する他の方法によって確認された一連の観測パラメータpk、fk、γk及びekは、モデルデータベースB 390に追加しても良く、それにより、放電源あるいはストームセンターの位置と強度を連続的に復元する一連のベースパラメータpok、fok、γok及びeokの補足となる。
【００３７】
多数の受信装置が使用された場合、地球の表面マップにおけるストームセンターの位置及び強度の分解能が大いに増すため、データは計数ユニットにおいて分析されるデータ収集センターに衛星あるいはインターネットリンクで送信しても良い。
【００３８】
本発明による解決法は、選択された実施形態により提示されたものである。しかしながら、これらの実施形態は本発明を限定するものではない。同解決法の本質的な性質を変更しないで修正をすることも可能である。示された実施形態だけが本発明による解決法の適用の可能性ではない。
【図１】
0005562237.tif 000007
【図２】
0005562237.tif 000008
【図３Ａ】
0005562237.tif 000009
【図３Ｂ】
0005562237.tif 000010
【図３Ｃ】
0005562237.tif 000011
【図４】
0005562237.tif 000012