DE69524355T2 - Unwetterherd-Detektions- und -kartiervorrichtung - Google Patents

Description

Technisches Gebiet
• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Unwetterherd-Erkennungs- und -Kartographierungssystem. Insbesondere betrifft die Erfindung ein System zum Gruppieren Blitzschlagsdaten, um aktive Unwetterherde zu identifizieren und die Stellen dieser Unwetterherde zu schätzen.
Hintergrund der Erfindung
• Es ist bekannt, daß Gewitter eine ernsthafte Bedrohung für Flugzeuge durch die gefährlichen Turbulenzen, auf- und abwärts gerichtete Strömungen, Windscherkräfte und andere durch diese erzeugte gefährliche atmosphärische Störungen darstellen. Gewitter bestehen zumeist aus Gruppen von Unwetterherden, die über eine Vielzahl verschiedener Stufen im Sturm wachsen und sich auflösen. Die meisten gefährlichen Blitze treten im fortgeschritteneren Stadium der Unwetterherde gleichzeitig mit den gefährlichen atmosphärischen Störungen auf.
• Blitzschlagerkennungs- und -kartographierungssysteme mit Einrichtungen zum Erfassen von Blitzschlaginformationen, welche die Stellen jeweiliger einzelner Blitzschläge betreffen, sind bekannt aus: US 4 023 408; US 4 672 305; US 4 803 421; US 4 873 483; US 5 295 071; EP-A-0 058 467; EP-A-0 058 502 und US 5 245 274.
• Die starke Korrelation zwischen den bedrohlichen atmosphärischen Störungen und elektrischen Entladungen wurde von Ryan verwendet, um ein Wetterkartographierungssystem zu schaffen, das als Stormscope® bekannt ist, und das im US-Patent 4 023 408 offenbart wurde. Das Ryan-System ist in der Lage, elektromagnetische Strahlung vom Impulstyp zu messen, die durch die Atmosphäre von den starken elektrischen Strömen erzeugt werden, die im Blitzkanal während eines Blitzschlags fließen, um diesen zu erkennen. Das Ryan-System verwendet eine inverse Beziehung der gemessenen Strahlung, um den erkannten Blitzschlag auf einer Anzeige nach Bereich und Peilung bezogen auf eine Beobachtungsstelle zu kartographieren, die beispielsweise die Position des Flugzeugs sein kann. Bei einem Ausführungsbeispiel war die Beobachtungsstelle auf die Mitte des Anzeigeschirms kalibriert und jeder angezeigte Schlag trat als erhebliche Punktquelle mit einer Peilung und einer radialen Abmessung von der Mitte der Anzeige auf, wobei die radiale Abmessung proportional zur Bereichsmessung des entsprechenden Blitzschlags ist. Der Abstand zwischen dem angezeigten Schlag und der Anzeigenmitte ist nicht notwendigerweise eine Messung der tatsächlichen Entfernung zwischen Flugzeug und Blitzschlag, sondern vielmehr eine Näherung der Entfernung basierend auf einer Mischung aus Entfernungs- und Intensitätsinformationen über den erkannten Blitzschlag.
• Das an Coleman erteilte US-Patent 4 672 305 betrifft ein Blitzerkennungssystem, das ein Verhältnis von niederfrequenten (1,5 kHz) und hochfrequenten (500 kHz) Magnetfeldkomponenten verwendet, um die Reichweite zu erweitern. Das US-Patent 4 803 421 und das ausgeschiedene US-Patent 4 873 483, die beide an Ostrander erteilt wurden, betreffen Blitzerkennungs- und -kartographierungssysteme, welche Blitzstellen aus dem Verhältnis der integrierten Dichte zweier unterschiedlicher Feldkomponenten von durch Blitz erzeugten Signalen ermittelt. Ferner ist in dem Aufsatz "A Lightning Data Acquistion System" von B.M. Stevens, Hr., et al. für die International Aerospace and Ground Conference on Lightning and Static Electricity, Dayton, Ohio, 24. - 26. Juni 1986, ein Datenerfassungssystem zur Verwendung beim Sammeln von Blitzschlagdaten beschrieben.
• Das US-Patent 5 295 071 verwendet ein filterbasiertes Verfahren zum Schätzen der Stelle eines Blitzschlags. Das Blitzschlagsignal wird durch eine Reihe von Bandpassfiltern geleitet und die Filterausgangsignale dienen der Bestimmung des Bereichs und der Peilung des Blitzschlags.
• Zwar bietet jedes der zuvor genannten Systeme erhebliche Vorteile bei der Erkennung und Kartographierung von Blitzschlägen, jedoch bleiben verbesserungswürdige Bereiche. Beispielsweise schätzen viele dieser Systeme die Stelle jedes Blitzschlags basierend auf Einzelschlgverarbeitungsalgorithmen, d. h. einer Verarbeitung, welche den Ort eines Schlags unabhängig von den Ortsschätzungen für andere erkannte Schläge bestimmen. Infolgedessen sind derartige Systeme in ihrer Genauigkeit in dem Maße beschränkt, in dem die Stelleninformationen aus einem einzelnen Schlag erkannt werden können. Ein Bereich für Verbesserungen ist ein System, das die einzelnen Schläge zu Unwetterherden zusammenfaßt, so daß die Gesamtheit der Herde bereichsmäßig eingeordnet werden kann. Eine weitere Möglichkeit der Verbesserung bietet sich insbesondere bei einem System, bei dem die Örtlichkeit der Unwetterherde basierend auf der Historie von Blitzschlägen bestimmt werden kann. Die Stelle der jeweiligen Unwetterherde kann sodann als Gruppen von individuellen Blitzschlägen dargestellt werden. Eine derartige Anzeige schafft eine klare Angabe der Örtlichkeit der Unwetterherde.
• Ein anderes Feld für Verbesserungen ist ein zusätzliches Kriterium für das Erhöhen der Genauigkeit von Einzelschlagsystemen basierend auf den statistischen Eigenschaften mehrerer erkannter Blitzschläge. Insbesondere besteht ein Bedarf an einem System, das Einzelschlaginformationen für mehrere Schläge analysiert und die Informationen zusammenfaßt, um die Schlagstellengenauigkeit sowie die Unwetterherdstellengenauigkeit zu verbessern.
Überblick über die Erfindung
• Die Erfindung schafft ein Unwetterherd-Erkennungs- und -Kartographierungssystem mit einer Einrichtung zum Erhalten von Blitzschlaginformationen, welche die Stellen jeweiliger Blitzschläge betreffen, und einer Einrichtung zum Verarbeiten der Blitzschlaginformationen, um zusammengehörige Blitzschläge zu Gruppen, die jeweiligen aktiven Unwetterherden entsprechen, basierend auf einer vorbestimmten Verteilung von Blitzschlaginformationen zusammenzufassen, die Blitzschlägen innerhalb eines Unwetterherdes zugeordnet sind, und um jeden aktiven Unwetterherd basierend auf Blitzschlaginformationen der Blitzschläge der entsprechenden Gruppen zu lokalisieren.
• Um die genannten und einhergehenden Aufgaben zu erfüllen, weist die Erfindung ferner die im folgenden ausführlich beschriebenen und in den Ansprüchen besonders ausgeführten Merkmale auf. Die nachfolgende Beschreibung und die zugehörigen Zeichnungen beschreiben im Detail bestimmte illustrative Ausführungsbeispiele der Erfindung. Diese Ausführungsbeispiele geben jedoch lediglich einige wenige der verschiedenen Arten an, auf welche die Prinzipien der Erfindung angewandt werden können. Andere Aufgaben, Vorteile und neuartige Merkmale der Erfindung ergeben sich unter Bezugnahme auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Zusammenhang mit den Zeichnungen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
• Fig. 1A und 1B zeigen ein schematisches Funktionsblockdiagramm eines Blitzschlagerkennungs- und -kartographierungssystems, das zum Umsetzen der Prinzipien der vorliegenden Erfindung geeignet ist.
• Fig. 2 ist eine Darstellung eines exemplarischen physischen Ausführungsbeispiels des bevorzugten Systems, welche das Anzeigemodul und das Gehäuse des elektronischen Verarbeitungsabschnitts desselben zeigt.
• Fig. 3 ist eine Darstellung einer illustrativen Anzeige des Systems nach Fig. 1.
• Fig. 4 ist eine Kurve von Blitzschlagdaten, die über in ein vierminütiges Intervall unter Verwendung herkömmlicher Triangulationsverfahren erfaßt wurden.
• Fig. 5 ist ein Amplitudenhistogramm der Blitzschläge von Fig. 4.
• Fig. 6 ist eine Kurve der kumulativen Summe der log&sub1;&sub0;-Amplituden der Schlagdaten von Fig. 4 mit einer dieser überlagerten Kurve, die eine kumulative Verteilung einer Gauss'schen Kurve mit der selben mittleren und Standard- Abweichung wie die kumulative Summe der log&sub1;&sub0;-Amplituden darstellt.
• Fig. 7 ist ein Softwareflußdiagramm zum Programmieren des Systems nach den Fig. 1A und 1B, um dieses in einem Blitzschlagerkennungs- und -kartographierungsmodus gemäß der vorliegenden Erfindung zu betreiben.
• Fig. 8A ist eine erfindungsgemäße Kurve der Schlagdatendichte, die zwei aktive Herde in einem exemplarischen Peilungsbereich darstellt.
• Fig. 8B ist ein erfindungsgemäßes Softwareflußdiagramm zum Programmieren des Systems, um festzustellen, ob ein Blitz erfolgt ist.
• Fig. 9 ist ein erfindungsgemäßes Softwareflußdiagramm zum Programmieren des Systems für die Handhabung aktiver Zellen.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
• Die vorliegende Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen im einzelnen beschrieben, wobei gleiche Bezugszeichen insgesamt für gleiche Elemente verwendet werden. Die vorliegende Erfindung ist zum Erkennen der elektromagnetischen Felder, die mit einzelnen Blitzschlägen einhergehen, und zum Verarbeiten der aus derartigen Feldern erhaltenen Informationen ausgebildet, um die Stellen der Blitzschläge zu kartographieren.
• Bei einem exemplarischen Ausführungsbeispiel verarbeitet das System zunächst Einzelschlagdaten, um eine grobe Bereichs- und Peilungsschätzung zu entwickeln, die die Position jedes Blitzschlags beschreibt. Das System kategorisiert sodann die Informationen jedes Blitzschlags in eine vordefinierte Peilungssektor in Abhängigkeit von der Peilungsschätzung. Darüber hinaus berechnet das System die logarithmische Verteilung der mit jeder Peilungssektor einhergehenden Bereichsschätzungen, indem es den Logarithmus der Bereichsschätzungen berechnet. Basierend auf der logarithmischen Verteilung führt das System eine Bereichskomprimierung durch, indem es die Bereichsschätzungen in logarithmischen Raum zusammenfaßt, um aktive Unwetterherde zu identifizieren und zu lokalisieren.
• Insbesondere verwendet das System nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein als logarithmisch normales (im folgenden "log-normal" genanntes) erkanntes Verteilungsverhältnis von Blitzschlägen, um die Bereichsgenauigkeit zu erhöhen. Es hat sich gezeigt, daß ein aktiver Blitzherd in einer festen Entfernung von einem Sensor eine Anzahl von Blitzschlägen erzeugt, deren Amplituden log-normal verteilt sind. Das System verwendet diese Informationen, um die Blitzschlaginformationen zu aktiven Herden in jeweiligen Peilungssektors zusammenzufassen. Insbesondere werden neue Blitzschläge, die als von einem existierenden aktiven Herd stammend festgestellt werden, als in einem Bereich befindlich identifiziert, der entweder dem mittleren oder medianen Bereich der 10 g-normalen Verteilung der Blitzschläge in dem betreffenden aktiven Herd entspricht.
• Auf diese Weise werden die Einzelschlagblitzschlagdaten in logarithmischem Raum zu aktiven Herden zusammengefaßt (z. B. komprimiert), die einen Bereich aufweisen, welcher dem Mittelwert oder Median der logarithmischen Verteilung innerhalb des aktiven Herds entspricht. Somit konvergieren die Bereichsschätzungen der jeweiligen Blitzschläge in einem gegebenen aktiven Herd im mittleren oder medianen Bereich, um den Mittelpunkt des aktiven Herds festzulegen. Diese Informationen werden sodann angezeigt, um genau definierte aktive Unwetterherde darzustellen und/oder werden anderweitig zur Unwetterverfolgung etc. verwendet.
• Die Fig. 1A und 1B zeigen ein Funktionsblockdiagramm eines Blitzschlagerkennungs- und -kartographierungssystems, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung anwendet. Insbesondere ist in Fig. 1B ein Antennenmodul 10 dargestellt, das eine herkömmliche Doppelschleifenantenne zum Abtasten und Empfangen des von einem Blitzschlag abgestrahlten Magnetfeldes aufweist. Das Modul 10 weist mit der Schleifenantenne verbundene Konditionierungsschaltungen zum Erzeugen von Signalwellenformen auf, welche als X und Y bezeichnet sind und die empfangenen Komponenten des Magnetfeldes angeben. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Signale X und Y im wesentlichen orthogonal. Ferner weist das Antennenmodul 10 eine Abtastantenne auf, die nicht-direktional sein kann und dem Abtasten und Empfangen eines von einem Blitzschlag abgestrahlten elektrischen Feldes dient, und sie kann ferner eine mit der Abtastantenne verbundene Konditionierungsschaltung zum Erzeugen einer Signalwellenform E aufweisen, welche das empfangene elektrische Feld repräsentiert.
• Die erzeugten Signale X, Y und E werden über einen Pfad 12 zur weiteren Konditionierung an jeweilige Filter/Verstärker 14, 16 und 18 geliefert. Die drei Signale X, Y und E werden ferner an eine Fehlerkonditionierungsschaltung 20 geliefert. Die konditionierten Signale X, Y und E werden über einen Pfad 22 an jeweilige Eingänge eines Multiplexers 24 geliefert. Darüber hinaus erzeugt ein Referenzsignalgenerator 26 ein Referenzsignal über den Pfad 28 an einen anderen Eingang des Multiplexers 24 und ein anderes Referenzsignal über den Pfad 30 an einen Referenzsignaleingang eines Hochgeschwindigkeits-Analog- Digital-Wandlers 32.
• Ein Datenerfassungssteuerblock 34 (ACQ) steuert das Abtasten der Signalwellenformen X, Y und E und des Referenzsignals über den Pfad 36 und steuert deren Digitalisierung durch den Wandler 32 mit Signalen über den Pfad 38. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden die digitalisierten Abtastungen als Abfolge von Datenabtastungen erzeugt, die mit einer Rate von 333 Kiloabtastungen pro Sekunde und jeder der Signalwellenformen X, Y und E entsprechend und diese wiedergebend geliefert und über einen 8-Bit-Datenbus 40 an einen Signalwellenformspeicher 42 zum Speichern in diesem geleitet. Der ACQ-Steuerblock 34 adressiert den Speicher 42 unter Verwendung eines Adressenbusses, um das Speicherregister jeder der digitalisierten Datenabtastungen zu bestimmen.
• Der ACQ-Steuerblock 34 koordiniert seine Betriebsaktivitäten mit einem programmierten Digitalsignalprozessor (DSP) 46 unter Verwendung von bidirektionalen Signalleitungen 48. DerACQ-Steuerblock 34 kontrolliert ferner den Betrieb von drei digitalen Gattern 50, 52 und 54 durch Signale auf dem Pfad 56. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der DSP 46 in der Lage, den Speicher 42 unter Verwendung des Adreßbusses 58 über das Gatter 50 zu adressieren und ferner den Inhalt des adressierten Speicherregisters des Speichers 42 über einen Teil des Datenbus 60 durch das Gatter 52 zu lesen. Der DSP 46 ist ferner in der Lage, den ACQ-Adressenbus 44 durch das Gatter 54 über seinen Datenbus 60 zu lesen. Der Digitalsignalverarbeitungsabschnitt weist ferner ein Festwertspeichermodul (ROM) 62 und ein Direktzugriffsspeichermodul (RAM) 64 auf, die beide über den Adressen- und Datenbus 58 und 60 mit dem DSP 46 verbunden sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel verarbeitet der DSP 46 die Datenabtastungen der Abfolgen von abgetasteten Datenwellenformen, um einen Blitzschlag zu erkennen, und erkennt eine Position desselben für einen Kartographierungsvorgang wie im folgenden näher beschrieben.
• Ferner werden bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Operationen des DSP 46 in hohem Maße durch einen programmierten Steuerprozessor oder Mikrocontroller 70 gesteuert, der Signalleitungen über einen Pfad 72 verwendet, welcher den Prozessor 70 und den DSP 46 verbindet. Ferner werden verarbeitete Daten, wie beispielsweise die Position des erkannten Blitzschlags in bezug auf eine Beobachtungsstelle, vom DSP46 über einen Kommunikationsbus 74, der beide Einheiten verbindet, an den Steuerungsprozessor 70 geliefert. Der Steuerverarbeitungsabschnitt weist ferner einen Festwertspeicher (ROM) 76 und einen Direktzugriffsspeicher (RAM) 78 auf, die durch einen Adressenbus 80 und einen Datenbus 82 mit dem Steuerprozessor 70 verbunden sind.
• Der Steuerungsprozessor oder Mikrocontroller 70 ist zum Treiben einer Anzeigeeinheit 84 über den Datenbus 82 unter Verwendung eines Steuerblocks 86 und eines Treiberblocks 88 programmiert, welche beide Teil des Anzeigemoduls 84 sein können. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist das Anzeigemodul 84 eine Flüssigkristallanzeige (LCD) mit einer Array in der Größenordnung von 64 · 64 Pixel. Ein Hilfslogikblock 90 koordiniert Betriebsaktivitäten mit dem Steuerungsprozessor 70 unter Verwendung eines bidirektionalen Signalpfads 92, um C ber einen bidirektionalen Pfad 94, der mit den verschiedenen Modulen des Steuerungsverarbeitungsabschnitts verbunden ist, wie beispielsweise den Speichern 76 und 78 zum Freigeben und Steuern von Lese- und Schreibvorgängen, Logiksignale zu erzeugen und zu empfangen. Der Signalpfad 94 ist ebenfalls mit dem Steuerblock 86 verbunden, um auch dessen Operationen freizugeben und zu steuern.
• Der Steuerungsprozessor 70 ist ferner in der Lage, die Helligkeit und den Kontrast des Anzeigemoduls 84 unter Verwendung eines Zwei-Kanal- Analog/Digital-Wandlers 98 zu steuern, der über den Datenbus 82 mit dem Prozessor 70 verbunden ist. Die Freigabe und Steuerung des Wandlers 96 erfolgt über Signale auf dem Pfad 94. Ein Ausgangssignal des Wandlers 96 regelt den Kontrast der Anzeigeeinheit 84 über den Pfad 98 und das andere Signal stellt die Helligkeit eines Hinterleuchtungsmoduls 100 des Anzeigemoduls 84 über den Pfad 102 ein. Eine Photozelle 104, die nahe der Anzeigeeinheit 84 angeordnet ist, mißt Umgebungslichtbedingungen und erzeugt ein diese wiedergebendes Signal über den Pfad 106. Der Steuerungsprozessor 70 ist in der Lage, das Signal 106 durch einen Analog/Digital-Wandler 108 und den Datenbus 82 zu lesen. Auch hier geben die Signale des Pfads 94 den Wandler 108 frei und betreiben diesen.
• Des weiteren können Benutzerinterfacedrucktasten, die als Softkeys bezeichnet werden und durch den Block 110 wiedergegeben sind, vom Steuerungsprozessor 70 durch ein digitales Gatter 112 und den Datenbus 82 gelesen werden. Das Gatter 112 ermöglicht ferner das Lesen anderer Digitalsignale wie beispielsweise Antennenbefestigungsjumper, die durch den Block 114 widergegeben sind, und ein durch den Block 116 dargestelltes Mikrophonsperrsignal. In ähnlicher Weise wird das Gatter 112 durch die Logiksignale des Pfads 94 freigegeben und gesteuert.
• Schließlich ist der Steuerungsprozessor 70 in der Lage, ein Antennentestsignal über den Pfad 120 an das Antennenmodul 10 zum Testen der X, Y und E empfangenden Schaltungen desselben zu erzeugen. Die resultierenden Testsignale der X-, Y- und E-Schaltungen werden über den Pfad 12 und durch die Konditionierungsschaltung 20 an den A/D-Wandler 108 geleitet, damit diese durch den Steuerungsprozessor 70 über den Datenbus 82 gelesen werden. Des weiteren ist der Steuerungsprozessor 70 in der Lage, die Energiequelle des Systems zu überwachen, indem die Busspannung über den Pfad 122 unter Verwendung des A/D-Wandlers 108 und des Datenbusses 82 gelesen wird.
• Die vorangehende Beschreibung des Funktionsblockausführungsbeispiels der Fig. 1A und 1B dient lediglich als Überblick über das Blitzschlagsystem. Eine detailliertere Beschreibung der Merkmale und Elemente des Blitzschlagsystems der Fig. 1A und 1B und deren Betrieb findet sich im US-Patent 5 295 071, erteilt am 15. März 1994, und im US-Patent 5 295 072, das ebenfalls m 15. März 1994 erteilt wurde, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung ist. Darüber hinaus ist die gesamte Offenbarung der gemeinsam übertragenen US-Patentanmeldung 08/274 924, angemeldet am 13. Juli, 1994, mit dem Titel "Lightning Strike Detection and Mapping System", durch Bezugnahme Bestandteil der vorliegenden Anmeldung.
• Diese Patente und die Patentanmeldung beschreiben Verfahren zum Betreiben des Systems der Fig. 1, um eine Bereichsschätzung und eine Peilungsschätzung für jeden erkannten Blitzschlag, d. h., Einzelschlagdaten, zu erhalten. Allgemein gesagt werden die X-, Y- und E-Komponenten der empfangenen Signale verarbeitet, um eine Bereichsschätzung und eine Peilungsschätzung des erkannten Blitzschlags basierend auf deren Spitzenstromamplituden zu erhalten. Es ist ersichtlich, daß der Systembetrieb und die Hardware der vorliegenden Erfindung im wesentlichen ähnlich den Systemen gemäß den genannten Patenten 071 und 072 und der Patentanmeldung sind, mit Ausnahme der hier erwähnten Ausnahmen.
• Das erfindungsgemäße System ist dahingehend einzigartig, daß es ferner eine statistisch basierte Verarbeitung der Einzelschlagdaten durch den DSP 46 und den Prozessor 70 durchführt. Die Daten der Einzelschlagbereichsschätzung und der Peilungsschätzung werden zu Anfang erhalten, beispielsweise unter Verwendung eines der in den genannten Patenten und der Patentanmeldung beschriebenen Verfahren. Daher wurde hier auf weitere Einzelheiten bezüglich des anfänglichen Erfassens von Einzelschlagbereichschätzungs- und Peilungsschätzungsdaten für jeden Blitzschlag verzichtet. Die folgende Beschreibung konzentriert sich vorwiegend auf die zusätzliche statistisch basierte Verarbeitung der Einzelschlagdaten zur Verbesserung der Bereichsgenauigkeit. Es ist ersichtlich, daß zahlreiche andere Verfahren zum anfänglichen Erhalten von Einzelschlagbereichsschätzungen und Peilungsschätzungen alternativ verwendet werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.
• Fig. 2, auf die kurz Bezug genommen werden soll, zeigt ein exemplarisches physisches Ausführungsbeispiel des bevorzugten Systems, wobei das Anzeigemodul 124 und der in einem Gehäuse enthaltene elektronische Verarbeitungsabschnitt bei 126 dargestellt ist. Vier Softkeys oder Drucktasten A, B, C und D sind am unteren Ende des Anzeigeabschnitts 124 in einer Deckglaseinrichtung 128 vorgesehen, die eine Platten-LCD-Einheit 130 umgibt. Die Photozelle oder das Umgebungslichtmeßinstrument kann nahe der Anzeige 130 angeordnet sein, beispielsweise in dem Deckglas 128.
• Fig. 3 zeigt ein Beispiel einer Schirmanzeige, die auf der LCD-Einheit 130 durch die Softwareroutine der Fig. 7 entsprechend der vorliegenden Erfindung erzeugt wurde. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel liefert das System eine volle 360º- Blitzschlagerkennung und -kartographierung. Der Ursprung O der Anzeige gibt die Position des Sensors an, beispielsweise des Antennenmoduls 10 der Fig. 1B. Um den Ursprung O gebildete konzentrische Kreise dienen als Referenzindikatoren für Bereiche r, die jeweils, wie angegeben, gleich 50, 100, 150, 200 und 250 nautischen Meilen (nm) vom Sensor sind. Der Peilungswinkel θ gibt den Winkel des Blitzschlags relativ zu einer referenzachse an und kann gleich einem beliebigen Winkel zwischen 0º und 360º sein. Der Mikrocontroller 7ß ist derart programmiert, daß er das Anzeigen der vom System 10 verarbeiteten Blitzschlagdaten auf der LCD-Einheit 130 mit der entsprechenden Bereichsschätzung r und dem Peilungswinkel θ bewirkt. Da das System die Blitzschlagschätzungen basierend auf der Position des aktiven Herds, von dem die Blitzschläge ausgehen, zusammenfaßt, erzeugt das System eine Anzeige, welche die Position jedes Unwetterherds durch eine genau definierte Zusammenfassung von Blitzschlägen klar identifiziert.
• Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Anzeige nominell in n Peilungssektoren b&sub0; bis bn-1 unterteilt, wobei jeder Peilungssektor, wie dargestellt, einen Abschnitt von 360/n Grad darstellt. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel ist n gleich 32 und die Peilungssektoren b&sub0; bis b&sub3;&sub1; sind gleich Abschnitten von 360/32)º. Somit enthält der Peilungssektor b&sub0; den durch θ = 0 bis 11,25 Grad definierten Abschnitt, der Peilungssektor b&sub1; enthält den durch θ = 11,25 bis 22,5 Grad definierten Abschnitt, der Peilungssektor b&sub2; enthält den durch θ = 22,5 bis 33,75 Grad definierten Abschnitt, etc.
• Aktive Unwetterherde erscheinen auf der Anzeige als Gruppen von dunklen Pixeln auf einem hinterleuchteten Schirm. Als Beispiel zeigt Fig. 3 aktive Herde C1-C5, die im Bereich des Systems zu einem bestimmten Zeitpunkt erkannt wurden. Der Peilungssektor b&sub2; enthält den aktiven Herd C1 mit einem Bereich, der bei ungefähr 190 nm vom Ursprung O zentriert ist. Der aktive Herd C2 ist durch den aktiven Herd C2a, der in dem Peilungssektor b&sub1; befindlich ist, und den aktiven Herd C2b gebildet, der sich im Peilungssektor b&sub0; befindet. Die aktiven Herde C2a und C2b haben Bereiche, die bei ungefähr 150 nm und 140 nm zentriert sind. Der Peilungssektor b&sub3;&sub1; enthält aktive Herde C3 und C4, deren Bereiche bei ungefähr 65 nm und 230 nm zentriert sind.
Zugrundeliegende Theorie
• Die Bereichsschätzungen für die aktiven Herde, wie vom System in Fig. 3 angezeigt, basieren auf einer statistischen Analyse der den jeweiligen aktiven Herden zugeordneten Blitzschläge. Zum besseren Verständnis der Art und Weise, wie das Blitzschlagerkennungs- und -kartographierungssystem eine Anzeige wie die in Fig. 3 erzeugt, folgt eine kurze Beschreibung der der statischen Analyse zugrundeliegenden Theorie. Zuerst ist es ersichtlich, daß die Amplitude eines Blitzschlags als eine beliebige variable mit einer zugehörigen Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (pdf.) ist. Zweitens ist ersichtlich, daß die pdf charakterisiert werden kann und die Charakterisierung zum Liefern eines statistischen Verfahrens für die Blitzschlagbereichsbestimmung verwendet werden kann.
• Ein aktiver Unwetterherd in einem festen Bereich r von einem Sensor erzeugt Blitzschläge mit einer beliebigen Amplitude. In den meisten Fällen ist der geschätzte Bereich für einen bestimmten Blitzschlag proportional zum Umkehrwert der Amplitude. Der Fehler in der Bereichsschätzung ist ebenfalls eine beliebige Variable. Durch das Charakterisieren der Amplitudenwahrscheinlichkeitsdichtefunktion des Blitzherds wird auch die Bereichsschätzungswahrscheinlichkeitsdichtefunktion charakterisiert. Wie im folgenden näher erläutert, hat sich gezeigt, daß die Amplitude logarithmisch normal verteilt ist und die Bereichschätzung ebenfalls logarithmisch normal verteilt ist. Die Durchschnitts- und die Standardabweichung von beliebigen Variablen wie diesen kann berechnet werden. Die Standardabweichung der Bereichsschätzung ist in gewisser Weise eine untere Begrenzung des Fehlers, der von einem Einzelschlagverarbeitungsalgorithmus unter Verwendung von amplituden-basierter Bereichsbestimmung erzeugt wird.
• Diese statistischen Eigenschaften können als Beispiel dargestellt werden. Fig. 4 zeigt eine Karte von Blitzschlägen über einen Intervall von ungefähr vier Minuten, basierend auf exemplarischen LPATS triangulationsbasierten archivierten Daten, die mittlerweile von GeoMet Data Services, Tucson, Arizona, kommerziell erhältlich sind. Die LPATS Daten enthalten Daten für ungefähr 1100 Blitzschläge. Es existieren mehrere isolierte und relativ entfernte aktive Herde oder Stürme (die zumeist über 150 nm entfernt sind), wie in Fig. 4 dargestellt. Es ist ein naher Sturm bei ungefähr θ = 30º und r = 20 nm vorhanden. Fig. 5 zeigt ein Histogramm der Spitzenstromamplituden der gemessenen LPATS Blitzschläge von Fig. 4. Da LPATS Triangulation verwendet, um die Blitzschlagdaten zu erhalten, ist das LPATS System in der Lage, den Blitzschlagbereich r zu berechnen, ohne auf die Amplitude der gemessenen Blitzschlagsignale (z. B. die X-, Y- und E-Komponenten) angewiesen zu sein.
• Die Amplitude für jeden Blitzschlag nach Fig. 5 kann, wie ersichtlich, aus der Signalstärke und dem bekannten Bereich des Schlags erhalten werden.
• Wie aus der Fig. 5 ersichtlich, ähnelt das Amplitudenhistogramm der Blitzschlagdaten demjenigen einer logarithmisch normalen Verteilung. Insbesondere ist der Logarithmus der Amplitudendaten normal, d. h. Gauss'sch. Diese Beobachtung ist in Fig. 6 verifiziert, die einen Vergleich zwischen der kumulativen Verteilungsfunktion einer Gauss'schen Kurve darstellt, der eine kumulative Verteilung des Basis-10-Algorithmus der Amplitudenschätzungen aus den LPATS Daten überlagert ist. Insbesondere zeigt die Abszisse in Fig. 6 den Basis-10-Logarithmus (log&sub1;&sub0;) der Spitzenstromamplitudenschätzung in kilo- Ampere (kA) für jede Blitzschlag in den LPATS Daten. Die Ordinate zeigt die normalisierte kumulative Summe des log&sub1;&sub0; der Amplituden für die jeweiligen Blitzschläge in den LPATS Daten. Die gestufte Kurve in Fig. 6 ist eine Aufzeichnung der log&sub1;&sub0; LPATS gemessenen Amplitudendaten, während die glatte Kurve die kumulative Verteilung einer angepaßten Gauss'schen Kurve darstellt. Die Durchschnitts- und die Standardabweichung der Gauss'schen Kurve ist der Durchschnitts- und Standardabweichung der Log-Amplitudendaten gleich gemacht, d. h. angepaßt. Es ist ersichtlich, daß die Übereinstimmung zwischen den gemessenen und den angepaßten Kurven sehr eng ist.
• Es sei darauf hingewiesen, daß der Durchschnitt der Log-Amplituden-LPATS- Daten 1,59 beträgt, so daß der Durchschnitt der Amplitudendaten ungefähr 38,9 kilo-Ampere (kA) beträgt. Die Standardabweichung der Log-Amplitudendaten beträgt 0,21. Es ist ersichtlich, daß die Verwendung eines Logarithmus mit anderem Basiswert, beispielsweise log&sub9;, in einem anderen Ausführungsbeispiel erfolgen kann, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die vorliegende Erfindung sieht die austauschbare Verwendung von log&sub1;&sub0; und log&sub9; vor.
• Die Fig. 5 und 6 geben daher an, daß die Spitzenstromamplituden von Blitzschlägen logarithmisch normal verteilt sind. Es wird daher geschlossen, daß ein Unwetterherd, der sich in einem festen Bereich vom Sensor befindet, eine Anzahl von Blitzschlägen erzeugt, deren Amplituden logarithmisch normal verteilt sind. Es wird, basierend auf herkömmlicher Theorie, ferner geschlossen, daß der Bereich des Unwetters proportional zum Umkehrwert der Amplitude der empfangenen Schlagwellenform ist. Wenn somit die Amplitude A des Blitzschlags logarithmisch normal ist, ist die Bereichsschätzung r = k/A, wobei k eine Konstante ist, logarithmisch normal. Ferner hat der Basis-10-Logarithmus des Bereichs, d. h. log&sub1;&sub0;(r), die selbe Standardabweichung wie der Basis-10- Algorithmus der Amplitude, d. h. log&sub1;&sub0;(A).
Systembetrieb
• In Fig. 7 ist ein Softwareflußdiagramm nach dem das System in den Fig. 1A und 1B programmiert ist, um Blitzschlagbereichskompression basierend auf der zuvor genannten statistischen Theorie durchzuführen.
• Beginnend beim Block 200 in Fig. 7 tritt das System in einen Blitzschlagerkennungs- und -kartographierungsmodus ein. In diesen Modus tritt es beispielsweise in Reaktion auf eine Bedienereingabe ein. Im Block 202 erkennt und erfaßt das System Einzelschlagdaten für einen neuen Blitzschlag. Die Einzelschlagdaten können beispielsweise die X-, Y- und E-Signalkomponenten basierend auf der Spitzenstromamplitude des Blitzschlags beinhalten, die über den Pfad 22 in Fig. 1A geliefert werden. Als nächstes verarbeitet der DSP 46 (Fig. 1A) im Block 204 die Einzelschlagdaten, um eine grobe Bereichsschätzung rg und Peilungsschätzung θ zu berechnen. Die spezifische Verarbeitung im Block 204 zum Bestimmen der groben bereichsschätzung rg und Peilungsschätzung θ kann auf einem der in den genannten US-Patenten 5 295 071 und 5 295 072 oder der genannten US-Patentanmeldung 08/274 924 beschriebenen Verfahren basieren. Noch allgemeiner kann die grobe Bereichsschätzung rg und Peilungsschätzung θ im Block 204 basierend auf den folgenden grundlegenden Gleichungen für Einzelschlagdaten bestimmt werden:
• rg = k/A und θ = arcta n X/Y,
• wobei k eine bekannte Konstante (beispielsweise durch Sensorkalibrierung bestimmt) und A die Stromamplitude des Blitzschlags angibt.
• Im Block 206 berechnet der DSP 46 den Logarithmus der groben Bereichsschätzung rg. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel werden Logarithmen mit der Basis 10 verwendet, obwohl es ersichtlich ist, daß andere Logarithmen, wie der natürliche Logarithmus, in einem anderen Ausführungsbeispiel verwendet werden kann, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen. Danach klassifiziert im Block 208 der DSP 46 den Blitzschlag in die geeigneten Peilungssektoren b&sub0; bis b&sub3;&sub1; (Fig. 3) basierend auf der Peilungsschätzung θ. Wenn beispielsweise die Einzelschlagpeilung θ im Block 204 gleich 5º ist, wird der Blitzschlag in den Peilungssektor b&sub0; klassifiziert. Wenn die Peilungsschätzung θ beispielsweise gleich 350º ist, wird der Blitzschlag in den Peilungssektor b&sub3;&sub1; klassifiziert, usw.
• Im Block 210 stellt der DSP 46 fest, ob der erkannte Blitzschlag einem, aktiven Herd innerhalb des im Block 208 identifizierten Peilungssektors zugeordnet werden kann. Es ist ersichtlich, daß jeder aktive Herd in einem gegebenen Peilungssektor durch den Durchschnittswert der logarithmischen Verteilung der Schlagamplituden in diesem Herd bestimmt ist. Der DSP 46 speichert zusammen mit dem Mikrocontroller 70 die Schlagdaten für die erkannten Blitzschläge in einem Systemspeicher, beispielsweise einem RAM 64 oder RAM 78 (die entsprechend bemessen sind). Die Schlagdaten werden im Speicher entsprechend den jeweiligen Peilungssektors b&sub0; bis b&sub3;&sub1; aufgeteilt, die im Block 208 identifiziert wurden. Der DSP 46 ist zum Berechnen der log&sub1;&sub0; Verteilung der Bereichsdaten für den Schlag programmiert, die jedem Herd in den jeweiligen Peilungssektors zugeordnet sind, und zum Identifizieren des Durchschnitts oder Medians der log&sub1;&sub0; Daten in jedem Herd. Die logarithmische Verteilung gibt die Frequenz oder Dichte an, mit der die log&sub1;&sub0; der Bereichsschätzungen in einem jeweiligen Herd auftritt. Um die Berechnung der logarithmischen Verteilung jedes aktiven Herds zu vereinfachen, werden die Blitzschlagdaten bezeichnet und im Systemspeicher mit einer Markierung gespeichert, welche den bestimmten aktiven Herd angibt, welchem der Blitzschlag zugeordnet ist, wie, wie im folgenden beschrieben, in den Blöcken 210 und 222 festgestellt. Fig. 8A zeigt die log&sub1;&sub0; Verteilung, welche die Dichte der Blitzschlagbereichsdaten für den Peilungssektor b&sub3;&sub1; der Fig. 3 wiedergibt. Die Blitzschlagdaten, die dem aktiven Herd C3 zugeordnet sind, haben eine logarithmisch normale Verteilung mit einem Durchschnitt bei m3, und die Blitzschlagbereichsdaten, die dem aktiven Herd C4 zugeordnet sind, haben eine logarithmisch normale Verteilung mit einem Durchschnitt bei m4. Der Durchschnitt für jeden Herd kann beispielsweise durch Erkennen der Spitzen der Dichtekurven erkannt werden. Die Standardabweichung jedes Herds wird als ein fester bekannter Wert σ angenommen. Wenn die groben Bereichsschätzungen auf den erkannten Spitzenströme basieren, ist σ gleich 0,21 eingestellt, wie durch die Analyse der vorgenannten LPATS Daten ermittelt.
• Um festzustellen, ob der gegenwärtig erkannte Blitzschlag einem aktiven Herd im Block 210 zugeordnet werden kann, werden die Entfernungen des gegenwärtigen erkannten Blitzschlags von jedem Herd innerhalb des selben Peilungssektors vom DSP 46 wie folgt berechnet:
• di = abs(Irin - mi)/σi
• wobei "abs" den Absolutwertoperator bezeichnet; "Irin" gleich dem log&sub1;&sub0; der groben Bereichsschätzung rg nach der Feststellung im Block 208 ist; und "mi" und "σi" die Durchschnitts- und Standardabweichung für den i-ten aktiven Herd in dem Peilungssektor angeben.
• Der Wert von di in bezug auf jeden aktiven Herd liegt in Einheiten der Standardabweichung vor. Der DSP 46 bestimmt den Mindestwert von di in bezug auf jeden aktiven Herd im Block 210 und der aktive Herd, der dem Mindestwert von di entspricht, d. h. dem aktiven Herd, der dem gegenwärtigen Schlag am nächsten ist, wird dadurch identifiziert. Der DSP 46 wendet eines oder mehrere vordefinierte Kriterien an, um festzustellen, ob der gegenwärtige Blitzschlag in der Tat ausreichend nahe liegt, um diesem bestimmten, als dem nächsten festgestellten aktiven Herd zugeordnet werden zu können. Generell wird der gegenwärtige Blitzschlag als ausreichend nahe an dem aktiven Herd angesehen, vorausgesetzt, der Abstand di ist ausreichend gering, um sicher zu sein, daß der Blitzschlag aus einem Herd kommen könnte, dessen Bereich durch den Durchschnitt mi wiedergegeben ist. Bei einer logarithmisch normalen Verteilung befinden sich ungefähr 5% der Blitzschläge in einem bestimmten Herd in einer Entfernung di > 2 vom Durchschnitt, und ungefähr 0,5% befinden sich in einer Entfernung di > 3 vom Durchschnitt. Es wird daher ein Schwellenwert, der vorzugsweise im Bereich von di = 2 bis 3 liegt, verwendet, um anzugeben, ob ein Blitzschlag ausreichend nahe liegt, um einem aktiven Herd zugeordnet werden zu können. Anders ausgedrückt: wenn der DSP 46 feststellt, daß der gegenwärtige Blitzschlag eine grobe Bereichsschätzung rg mit einem log&sub1;&sub0; hat, die innerhalb wenigstens zweier oder dreier Standardabweichungen des logarithmischen Durchschnitts des nächsten existierenden aktiven Herds im Peilungssektor liegt, werden die gegenwärtigen Blitzschlagdaten diesem bestimmten aktiven Herd im Block 210 zugeordnet. Es sei darauf hingewiesen, daß die Verwendung eines Schwellenwerts, der größer als 3 Standardabweichungen ist, zur Erzeugung eines großen Herds im Peilungssektor führt, während das Verwenden eines Schwellenwerts, der kleiner als 2 Standardabweichungen ist, zur Bildung von zahlreichen kleinen Herden im Peilungssektor führt.
• Während das vorliegende Ausführungsbeispiel den Durchschnitt für Mi und die Standardabweichung für sigmai verwendet, ist es ersichtlich, daß andere Messungen der Mitte und der Ausbreitung der Verteilung verwendet werden könnten, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Zwei Messungen, die beispielsweise anstelle des Durchschnitts verwendet werden können, sind 1) der Median und 2) der Mittelpunkt zwischen den 25%- und 75% -Kumulativverteilungspunkten der kumulativen Verteilungsfunktion. Ähnlich kann der Abstand zwischen den 25%- und 75%-Kumulativverteilungspunkten, wenn er geeignet skaliert ist, die Standardabweichung für sigmai ersetzen. Die Werte 25% und 75% können ebenfalls auf andere Werte verändert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Vorausgesetzt, daß der Blitzschlag ausreichend nahe ist, um einem aktiven Herd im Block 210 zugeordnet werden zu können, geht das System zum Block 212 über, in dem die grobe Bereichsschätzung rg durch Berechnen einer verfeinerten Bereichsschätzung r verbessert wird. Insbesondere die Bereichsschätzung r für den Blitzschlag wird gleich dem Bereich gesetzt, der durch den logarithmischen Durchschnitt mi für diese Zelle wiedergegeben ist, d. h. r = 10mi, wodurch die Daten der groben Bereichsschätzung wirksam komprimiert werden. Im Block 214 wird der Durchschnitt für diesen Herd aktualisiert, und zwar basierend auf den Logarithmen der im Systemspeicher gespeicherten komprimierten Bereichsschätzungen der zuvor erkannten Blitzschläge und den groben Bereichsschätzungen rg des neuen Blitzschlags, und der aktualisierte Durchschnitt und die komprimierten Herddaten für sämtliche Blitzschläge in diesem Herd werden sodann im Systemspeicher gespeichert. Das System geht dann zum Block 216 über, in dem die Anzeige 130 (Fig. 2) aktualisiert wird, um so Informationen basierend auf dem neu erkannten Blitzschlag einzubeziehen. Dies kann eine Anzeige des Blitzschlags ähnlich der in Fig. 3 dargestellten Anzeige beinhalten, wobei der neu erkannte Schlag bei seiner jeweiligen Peilungsschätzung θ und der komprimierten Bereichsschätzung r dargestellt ist. Das System kann ferner die Position der Mitte des aktiven Herds basierend auf dem im Block 214 berechneten, aktualisierten Durchschnittswert und beispielsweise der mittleren Peilung sämtlicher dem Herd zugeordneter Blitzschläge anzeigen. Die Mitte des Herds kann durch ein "X" oder eine andere Markierung auf der Anzeige gekennzeichnet werden. Das System geht sodann zum Block 218 über, in dem das System den Vorgang von Fig. 7 für den nächsten erkannten Blitzschlag wiederholt.
Beispiel:
• Es sei angenommen, daß ein aktiver Herd vier diesem zugeordnete Blitzschläge L1-L4 aufweist, wobei anschließend ein fünfter Blitzschlag L5 erkannt wird, der zum Herd gehört, beispielsweise im Block 202 der Fig. 7. Vor dem Komprimieren sind die dem Herd zugeordneten Daten wie folgt:
• * Es sei darauf hingewiesen, daß der log&sub1;&sub0;-Herddurchschnitt nicht genau gleich dem Durchschnitt der log&sub1;&sub0; Bereiche der Blitzschläge L1-L4 ist, da der Herddurchschnittunter Verwendung der groben Bereichsschätzung rg für den letzten dem Herd hinzugefügten Schlag berechnet wurde (Block 214 der Fig. 7).
• "X" bedeutet nicht anwendbar.
• Nach dem Komprimieren ist der geschätzte Bereich r des Schlags L5 gleich dem Herddurchschnitt gesetzt (Block 212), beispielsweise r = 1,22, und der Herddurchschnitt wird unter Verwendung der groben Bereichsschätzung rg des Schlags L5 aktualisiert (Block 214), woraus sich folgendes ergibt:
• Wenn der gegenwärtig erkannte Blitzschlag im Block 210 als nicht ausreichend nahe an einem im Block 208 identifizierten existierenden aktiven Herd im Peilungssektor erachtet wird, oder wenn in dem Peilungssektor keine aktiven Herde existieren, geht der Vorgang zum Block 220 über. Im Block 220 stellt das System basierend auf einem vorbestimmten Kriterium fest, ob der gegenwärtig erkannte Blitzschlag einen neuen aktiven Herd darstellt. Die genauen Kriterien für das Vorliegen eines neuen aktiven Herds können beliebige von mehreren unterschiedlichen Tests sein. Im folgenden werden zwei Beispiele angeführt, wie ein erkannter Blitzschlag als neuer Herd bestimmt werden kann.
• Nach einem ersten Kriterium akzeptiert der DSP 46 jeden Schlag im Block 220 als einen neuen Herd. Es sei darauf hingewiesen, daß dies dazu führt, daß keine Schlagdaten unterdrückt werden und zahlreiche aktive Herde erzeugt werden. Das System geht zum Block 222 über, in dem der DSP 46 einen neuen Herd erzeugt, der den gegenwärtig erkannten Schlag beinhaltet, mit einem geschätzten Bereich r, der gleich der groben Bereichsschätzung rg ist und stellt den logarithmischen Durchschnitt des neuen Herdes entsprechend der groben Bereichsschätzung rg ein, d. h. gleich dem log&sub1;&sub0; (rg). Das System geht zum Block 216 über, in dem die Anzeige aktualisiert wird. Die gegenwärtigen Schlagdaten, welche den neuen Herd bilden, werden im Systemspeicher gespeichert und anschließend in bezug auf nachfolgend erkannte Blitzschläge als existierender aktiver Herd behandelt.
• Nach einem zweiten Kriterium stellt ein Schlag einen neuen aktiven Herd im Block 220 dar, wenn der Schlag einer aus einem "Flash" mit mehreren Blitzschlägen ist. Flashes weisen üblicherweise 3 bis 4 Schläge auf, jedoch manchmal auch bis zu 25 Schläge, welche den selben Peilungswinkel haben und um 20 bis 100 Millisekunden (msek) beabstandet sind. Bei dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist ein "Flash" zwei oder mehr Schläge mit Peilungen innerhalb von 5 Grad zueinander auf, die innerhalb von 0,5 Sekunden auftreten, obwohl bei anderen Ausführungsbeispielen andere Definitionen verwendet werden können.
• Fig. 8B zeigt ein exemplarisches Softwareablaufdiagramm zum Programmieren des DSP 46, beginnend mit dem Block 240 zum Erkennen eines Flash-Zustands zum Identifizieren eines neuen Herdes im Block 220. Im Block 242 stellt der DSP 46 fest, ob nach dem gegenwärtig verarbeiteten Blitzschlag weitere Blitzschläge innerhalb fünf Grad und 0,5 Sekunden vom gegenwärtigen Schlag erkannt wurden. Auf diese Weise richtet sich das System stets auf ein "Fenster" mit 0,5 Sekunden Vorlauf, um zu erkennen, ob der verarbeitete Schlag Teil eines Flashs ist. Wenn innerhalb von 5 Grad oder 0,5 Sekunden weitere Schläge auftreten, geht das System zum Block 224 über, in dem der gegenwärtige Schlag und jeder zukünftige Schlag innerhalb von 5 Grad und 0,5 Sekunden als Teil des selben Flashs identifiziert und werden wie folgt verarbeitet: im Block 246 stellt der DSP 46 den nächstliegenden Schlag fest, der im Flash enthalten ist, indem die den im Flash enthaltenen Schlägen zugeordnete minimale grobe Bereichsschätzung identifiziert wird. Der DSP 46 stellt sodann die Bereichsschätzung r für alle Schläge im Flash gleich der groben Bereichsschätzung rg für den nächsten Schlag ein. Dies ist darin begründet, daß sämtliche Schläge, die von einem Flash ausgehen, als im wesentlichen im selben Bereich auftretend angenommen werden. Der Bereich, der dem nächsten aller Schläge im Flash entspricht, wird mm Block 246 verwendet, um den Bereich des gesamten Flashs festzulegen, da ein Flash üblicherweise aus einem oder mehreren Grundschlägen besteht, und manchmal auch einige Leiteraktivität aufweist. Der erste Grundschlag ist üblicherweise der stärkste und die nachfolgenden Schläge sind üblicherweise ungefähr halb so stark wie der Vorgänger. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird davon ausgegangen, daß der nächstliegende Schlag der stärkste ist und höchstwahrscheinlich dem ersten Grundschlag entspricht; es sei jedoch angemerkt, daß andere Mittel zum Schätzen des Bereichs aus der Vielzahl von Schlägen im Flash verwendet werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
• Wenn im Block 242 der DSP 46 feststellt, daß keine weiteren Blitzschläge innerhalb von 5 Grad und 0,5 Sekunden vom gegenwärtigen Schlag auftreten, geht das System zum Block 248 weiter, in dem es schließt, daß der gegenwärtige Schlag nicht Teil eines Flashs ist. Entweder nach dem Block 246 oder dem Block 248 kehrt das System zum Block 220 der Fig. 7 zurück. Wenn der Blitzschlag las Teil eines Flashs im Vorgang von Fig. 8B erkannt wurde, bildet der DSP 46 einen neuen Herd im entsprechenden Peilungssektor. Der neue Herd weist einen identischen Bereich und jeweilige Peilungsdaten für jeden der nach dem Block 246 der Fig. 5B festgestellten im Flash enthaltenen Schläge auf. Die Daten für den neuen Herd werden im Systemspeicher gespeichert und anschließend als existierender aktiver Herd für nachfolgende Blitzschläge behandelt. Die Anzeige wird im Block 216 aktualisiert, wodurch die Schlagdaten im neuen Herd in die Anzeige aufgenommen werden, und das System geht zum Block 218 über.
• Wenn im Block 220 der erkannte Blitzschlag als keinen neuen Herd repräsentierend festgestellt wird, wird er zu einem ungültigen Blitzsignal erklärt und wird weder komprimiert, noch aufgetragen. In diesem Fall werden die Schlagdaten unterdrückt und das System geht direkt vom Block 220 zum Block 218 über. Das System geht zum Block 200 zurück, um das Erkennen des nächsten Blitzschlags abzuwarten. Die genannten Vorgänge werden sodann für nachfolgende Schläge wiederholt, wobei die Mehrzahl von Schlägen eine grobe Bereichsschätzung aufweist, die entsprechend dem Durchschnitt des nächstliegenden existierenden Herds komprimiert ist oder zum Erstellen neuer Zellen verwendet werden. Da das System auf der Neigung von Blitzschlägen basiert, einer logarithmisch normalen Verteilung folgt, ermöglicht das System ein genaueres Konvergieren der Bereichsschätzungen auf die genaue Position des aktiven Herds.
• Unter Bezugnahme auf Fig. 9 wird im folgenden die Herdverwaltung und - verfolgung durch die vorliegende Erfindung beschrieben. Fig. 9 zeigt ein Softwareflußdiagramm zum Programmieren des Mikrocontrollers 70 und des DSP 46 zum Verwalten der Herdaktivität in den jeweiligen Peilungssektors, so daß Verfolgungsinformationen angezeigt werden können. Beginnend am Block 280 mit der Einleitung des Blitzerkennungs- und -kartographierungsmodus, überwachen der Mikrocontroller 70 und der DSP 46 die fortlaufende Herdaktivität sämtlicher aktiver Herde. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein aktiver Herd jedoch als inaktiv geworden angesehen, wenn über den Block 210 oder den Block 222 keine neuen Schläge über einen bestimmten Zeitraum mit diesem Herd verbunden werden (Fig. 7). Wenn der Herd als inaktiv angesehen wird, löscht das System die Schlagdaten, die diesem bestimmten Herd zugeordnet sind, aus dem Speicher. Wenn die Anzeige aktualisiert ist, tritt ein inaktiver Herd nicht länger auf der Anzeige auf. Auf diese Weise führen aktive Blitzherde, die sich relativ zum Ursprung bewegen, zur Erzeugung von neuen aktiven Herden entlang der Bewegungsrichtung. Zur gleichen Zeit werden aktive Herde am Ende dieser Bewegung schließlich inaktiv und werden von der Anzeige gelöscht. Auf diese Weise verfolgt das System die aktiven Herde während ihrer Bewegung.
• Unter Bezugnahme auf den Block 280 stellt sich ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel zum Überwachen der Herdaktivität wie folgt dar: im Block 282 wird der Mikrocontroller 70 und/oder der DSP 46 programmiert, um für jeden im Systemspeicher gespeicherten aktiven Herd festzustellen, ob ein neuer Schlag dem aktiven Herd innerhalb der letzten T Sekunden hinzugefügt wurde. Wenn ja, gelten die jeweiligen Herde als aktiv und das System verbleibt in einer Schleife um den Block 280. Falls nicht, werden die Herde, zu denen keine neuen Schläge addiert wurden, im Block 284 als inaktiv festgestellt. Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Zeitspanne T aus 60 Sekunden eingestellt; jedoch kann eine andere Zeitspanne verwendet werden, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.
• Im Block 286 löscht das System die im Systemspeicher bezüglich jedes als inaktiv identifizierten Herdes gespeicherten Schlagdaten. Das System aktualisiert sodann die Anzeige im Block 288, wodurch die den inaktiven Zellen zugeordneten Blitzschlagdaten nicht länger auf der Anzeige erscheinen. Die tatsächliche Aktualisierung der Anzeige im Block 288 kann so programmiert sein, daß sie nach einer kurzen Verzögerung (z. B. fünf Minuten) nach der Identifizierung von Herden als inaktiv auftritt, um so beispielsweise eine Sicherheitsmarge für ein Flugzeug zu schaffen. Im Block 290 kehrt das System zum Block 280 zurück, wodurch das System mit dem Überwachen der Herdaktivität fortfährt.
• Es ist daher ersichtlich, daß das erfindungsgemäße System eine statistisch basierte Analyse von Einzelschlagbereichsdaten für mehrere Blitzschläge durchführt und die Bereichsdaten basierend auf der Analyse komprimiert. Die Einzelschlagdaten für jeden Schlag weisen eine grobe Bereichsschätzung rg und eine Peilungsschätzung θ auf. Die Einzelschlagpeilungsschätzung θ gilt als ausreichend genau, um auf eine Komprimierung verzichten zu können.
• Das System mißt und klassifiziert die Einzelschlagdaten für jeden neuen Schlag in einen entsprechenden Peilungssektor. Die Peilungsschätzung für jeden neuen Schlag ist gleich der Einzelschlagpeilungsschätzung. Die Bereichsschätzung für jeden Schlag ergibt sich, indem zuerst versucht wird, den Schlag einem aktiven Herd in dem entsprechenden Peilungssektor zuzuordnen. Falls der Schlag einem aktiven Herd zugeordnet werden kann, wird die Bereichsschätzung des Schlags gleich dem logarithmischen Durchschnitt der Bereichsverteilung der anderen Schläge gesetzt, die von dem selben aktiven Herd stammen. Wenn der Schlag keinem aktiven Herd in dem Peilungssektor zugeordnet werden kann, wird einer oder mehrere Tests ausgeführt, um festzustellen, ob der Schlag einen neuen Herd bildet. Dieser Vorgang wird sodann für den nächsten Blitzschlag wiederholt. Das System überwacht die Blitzschlagdaten und die aktiven Herde weiter. Tritt in einem aktiven Herd keine Aktivität innerhalb einer vorbestimmten Zeitspanne auf, gilt der Herd als inaktiv geworden. Mit dem Entstehen und dem Auflösen von Unwetterherden erkennt das System die neuen Herde und liefert weiter Positionsinformationen auf der Anzeige, bis die Herde aufgelöst sind und inaktiv sind.
• Das bevorzugte Ausführungsbeispiel sieht keine speziellen Einrichtungen zum Teilen oder Kombinieren von Herden vor. Derartige Teilungen und Kombinationen treten natürlich im zeitlichen Verlauf des Herdlokalisierungs- und -verfolgungsvorgang auf. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das System programmiert werden, um zu erkennen, wann die Durchschnittsbereiche zweier Herde ausreichend nahe sind (z. B. innerhalb einer Standardabweichung) und die Herddaten beider Herde zu einem aktiven Herd kombinieren.
• Die beschriebene vorliegende Erfindung verwendet eine feste Bereichsstandardabweichung σ (z. B. σ = 0,21), die durch das Analysieren von LPATS Amplitudendaten erhalten wird. Es ist jedoch ersichtlich, daß bei anderen Ausführungsbeispielen die Standardabweichung auf anderen Kriterien beruhen kann. Beispielsweise kann der Wert von σ gleich der Bereichsschätzungsstandardabweichung gesetzt werden, die durch den spezifischen Einzelschlagverarbeitungsalgorithmus erzeugt wird, der zum Erhalten der groben Bereichsschätzung und der Peilungsschätzung verwendet wird. Als anderes Beispiel kann σ aus den Herdschlagdaten in ähnlicher Weise geschätzt werden, in der der Durchschnitt mi geschätzt wird.
• Die vorliegende Erfindung wurde hauptsächlich im Zusammenhang mit der Verwendung des Durchschnitts der Bereichsdaten im logarithmischen Raum beschrieben. Die Prinzipien der Erfindung können jedoch basierend auf einem oder mehreren Kennzeichen der logarithmischen Verteilung, beispielsweise dem logarithmischen Median des aktiven Herds, ausgeführt werden. Anders ausgedrückt können die genannten Vorgänge unter Verwendung des Medians der aktiven Herddaten statt dem Durchschnitt ausgeführt werden. Neuen Schlägen, die einem aktiven Herd zugeordnet sind, wird ihrerseits eine bereichsschätzung entsprechend dem Herdmedian zugeordnet wird. In beiden Fällen konvergieren die Bereichsschätzungen in Richtung der Mitte des Herdes. Ferner wurde die vorliegende Erfindung zwar vorwiegend als mit Basis-10-Logarithmen arbeitend beschrieben, jedoch können Logarithmen mit anderer Basis verwendet werden, beispielsweise insbesondere Basis-e-Logarithmen.

Claims (23)

1. Unwetterherd-Erkennungs- und -Kartographierungssystem mit einer Einrichtung zum Erhalten von Blitzschlaginformationen (10-122, 202, 204), welche die Stellen jeweiliger Blitzschläge betreffen, und

einer Einrichtung zum Verarbeiten (206-216) der Blitzschlaginformationen, um zusammengehörige Blitzschläge zu Gruppen, die jeweiligen aktiven Unwetterherden entsprechen, basierend auf einer vorbestimmten Verteilung von Blitzschlaginformationen zusammenzufassen, die Blitzschlägen innerhalb eines Unwetterherdes zugeordnet sind, und um jeden aktiven Unwetterherd basierend auf Blitzschlaginformationen der Blitzschläge der entsprechenden Gruppen zu lokalisieren.

2. System nach Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Verarbeiten die Blitzschläge zu den Gruppen basierend auf einer vorbestimmten statistischen Verteilung der Blitzschlaginformationen zusammenfaßt.

3. System nach Anspruch 2, bei dem die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung (206-212) aufweist, welche die Blitzschläge zu jeweiligen aktiven Unwetterherden entsprechenden Gruppen zusammenfaßt, indem sie eine logarithmische Verteilung der Blitzschlaginformationen bestimmt.

4. System nach Anspruch 3, bei dem die Blitzschlaginformationen Bereichsdaten (204) beinhalten, die den Bereich der Blitzschläge angeben, und dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfassungseinrichtung eine Einrichtung (206-210) aufweist, die jeden der Blitzschläge mit einem der aktiven Unwetterherde basierend auf einer logarithmischen Verteilung der Bereichsdaten verbindet.

5. System nach Anspruch 3, bei dem die Blitzschlaginformationen ferner die Peilung der Blitzschläge angebende Peilungsdaten (204) aufweist, und dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung (208) zum Zuordnen der jeweiligen Blitzschläge zu den aktiven Unwetterherden in Abhängigkeit von den Peilungsdaten aufweist.

6. System nach Anspruch 2, bei dem die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung (210, 220, 222) zum Lokalisieren jedes der aktiven Unwetterherde basierend auf der statistischen Verteilung der Blitzschlaginformationen aufweist, welche die Blitzschläge betreffen, die in der dem aktiven Unwetterherd entsprechenden Gruppe zusammengefaßt sind.

7. System nach Anspruch 2, bei dem die statistische Verteilung eine logarithmisch normale Verteilung aufweist.

8. System nach Anspruch 7, bei dem die Position jedes aktiven Unwetterherds basierend auf einem Durchschnittswert der logarithmisch normalen Verteilung bestimmt wird.

9. System nach Anspruch 7, bei dem die Position jedes aktiven Unwetterherdes basierend auf einem Medianwert der logarithmisch normalen Verteilung (212, 214, 220, 222) bestimmt wird.

10. System nach Anspruch 2, bei dem die Blitzschlaginformationen eine Bereichsschätzung (204) für jeden der jeweiligen Blitzschläge aufweisen; und dadurch gekennzeichnet, daß die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung zum Zusammenfassen der Blitzschläge zu Gruppen entsprechend jeweiligen aktiven Unwetterherden durch Bestimmen einer logarithmischen Verteilung der Bereichsschätzungen (206, 210, 220, 212, 2229 aufweist.

11. System nach Anspruch 10, bei dem für jede der Gruppen eine logarithmische Verteilung der Bereichsschätzungen, die den darin enthaltenen Blitzschlägen entsprechen, eine Standardabweichung innerhalb eines vorbestimmten Schwellenwerts aufweist.

12. System nach Anspruch 10, ferner mit einer Einrichtung zum Berechnen einer Peilungsschätzung (204) für jeden der jeweiligen Blitzschläge basierend auf den Blitzschlaginformationen und dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfassungseinrichtung (208) die Blitzschläge zu den Gruppen in Abhängigkeit von den Peilungsschätzungen gruppiert.

13. System nach Anspruch 10, bei dem die Zusammenfassungseinrichtung eine Einrichtung (212) zum Verfeinern der Bereichsschätzung für wenigstens einen der Blitzschläge in der Gruppe basierend auf den Bereichsschätzungen anderer Blitzschläge in der Gruppe aufweist.

14. System nach Anspruch 13, bei dem die verfeinerte Bereichsschätzung auf einer logarithmischen Verteilung (212) der Bereichsschätzungen für die anderen Blitzschläge basiert.

15. System nach Anspruch 14, bei dem die verfeinerte Bereichsschätzung auf wenigstens einem Durchschnittswert und Medianwert (212) der logarithmischen Verteilung der Schätzungen für die anderen Blitzschläge basiert.

16. System nach Anspruch 13 mit einer Einrichtung (214, 216) zum Anzeigen der aktiven Unwetterherde basierend auf den verfeinerten Bereichsschätzungen der Blitzschläge.

17. System nach Anspruch 1, bei dem die Verarbeitungseinrichtung eine Einrichtung (210, 220) zum Identifizieren neuer aktiver Unwetterherde basierend auf Blitzschlägen aufweist, die nicht nach vorbestimmten Kriterien einer Gruppe von Blitzschlägen zugeordnet sind, welche einem existierenden aktiven Unwetterherd entsprechen.

18. System nach Anspruch 17 mit einer Einrichtung (202) zum Empfangen von Blitzschlaginformationen, die einen erkannten Blitzschlagangeben, und dadurch gekennzeichnet, daß die Identifizierungseinrichtung aufweist: eine Einrichtung (210), die einen erkannten Blitzschlag zu einem existierenden aktiven Unwetterherd zuordnet, wenn ein erstes vorbestimmtes Kriterium erfüllt ist; eine Einrichtung zum Zuordnen des erkannten Blitzschlags zu einem neuen aktiven Unwetterherd, wenn ein zweites vorbestimmtes Kriterium erfüllt ist; und eine Einrichtung (242, 248) zum Zurückweisen der den erkannten Blitzschlag angebenden Blitzschlaginformationen als ungültig, wenn weder das erste, noch das zweite Kriterium erfüllt ist.

19. System nach Anspruch 18, bei dem das erste Kriterium auf einem Vergleich eines Logarithmus der Blitzschlaginformationen, welche den erkannten Blitzschlag wiedergeben, mit Logarithmen anderer Blitzschlaginformationen (210) basiert.

20. System nach Anspruch 18 mit einer Einrichtung zum Verarbeiten der Blitzschlaginformationen, um Blitze zu erkennen, die zwischen den Blitzschlägen auftreten; und dadurch gekennzeichnet, daß das zweite vorbestimmte Kriterium auf der Bestimmung basiert, ob der erkannte Blitzschlag einem Blitz (240, 241) zugeordnet ist oder nicht.

21. System nach Anspruch 1 mit einer Einrichtung (282, 284) zum Überwachen des Aktivitätslevels jedes der aktiven Unwetterherde und zum Klassifizieren von Unwetterherden als inaktiv, wenn das Aktivitätslevel unter ein erstes vorbestimmtes Kriterium fällt.

22. System nach Anspruch 21 mit einer Einrichtung (288) zum Anzeigen der Positionen der aktiven Unwetterherde, und einer Einrichtung (286) zum Entfernen eines als inaktiv klassifizierten Unwetterherds von der Anzeigeeinrichtung.

23. System nach Anspruch 1 mit einer Anzeigeeinrichtung, die von der Verarbeitungseinrichtung zum Anzeigen (214, 216) der Positionen der aktiven Unwetterherde basierend auf einer Kompression der Blitzschlaginformationen zu jeder Zelle gesteuert ist.