[차세대 낙뢰 보호 시스템의 개발 ①] 차세대 낙뢰 위치 표정 시스템의 실용화

 

 

기존 시스템의 표정 원리와 구성｜초기 LLS는 센서인 수직 전계 안테나와 루프형 자계 안테나로 낙뢰에서 방사된 전파의 도래 방위를 측정하고, 센서 2국에서 측정한 전파 도래 방위를 토대로 삼각 측량의 원리를 이용해 전파 방사원인 낙뢰의 위치를 추정하는 구조였다. 다만, 3국 이상의 센서 데이터를 사용할 경우에는 표정이 한 점으로 정해지지 않아 해석 장치의 각 센서에서 측정한 전파 도래 방위의 차이의 이승의 합이 최소가 되는 위치를 탐색하는‘최적화 표정’을 행한다. 전파 도래 방위 오차는 도래 방위에 의존하지만, 센서 근방 환경이 바뀌지 않는 한 그 특성이 변하지 않기에 오차의 방위 특성을 피드백하는 것으로 표정 오차를 줄였다. 시스템 전체의 표정 정확도를 높이려면 많은 낙뢰에 이 최적화 표정 방법을 적용하는 것이 바람직하나, 낙뢰에서 방사되는 전파의 피크 값은 10㎄~100㎄ 범위를 중심으로 분포하는 뇌 전류 값에 비례하기에 표정에 참가하는 센서가 3국 이상이 되도록 센서의 다이내믹 레인지Dynamic Range와 설치 간격을 맞춰야 한다. 다만, 표정에 유효한 전파는 방사 성분이라서 낙뢰로부터 약 10㎞ 이상 떨어진 지점에 센서를 설치한다. 한편, 전파 도래 방위 오차가 표정 정확도에 미치는 영향은 센서에서 낙뢰까지 거리에 비례하기에, 센서 설치 간격을 좁힐수록 표정 정확도가 높아진다. 그러나 이는 센서수의 증가, 즉 비용 증가를 초래한다. 그렇기에 이러한 조건을 종합적으로 고려해 센서 배치와 설정을 최적화하고 도호쿠(東겗) 전역의 낙뢰 관측을 가능케 한 시스템이 바로 1991년도에 운용을 시작한 최초의 LLS다. 이 시스템에서는 도호쿠 지역을 둘러싸도록 센서 9대를 배치해 감도를 Medium, 전자계 파형 처리를 개시하는 신호 강도의 역치 値를 표준의 절반으로 해 소전류 낙뢰에 대한 감도를 표준의 2배로 하는 한편, 도호쿠 전역에서 최대 300㎄ 낙뢰를 표정할 수 있는 다이내믹 레인지를 확보했다. 또한, 낙뢰를 중심으로 하는 정삼각형 정점에 근방 센서가 위치할 때 표정 조건이 가장 좋기에 그러한 센서 배치를 목표로 했다. 이때 전파의 도래 방위에 영향을 주는 구조물이나 환경 노이즈가 적고 평탄한 토지를 선정했다. 다만, 일반 전력 설비와 같이 보수할 수 있게 센서는 도호쿠전력㈜ 구역 내에 설치했다. 그 후 센서를 GPS 시계를 탑재한 IMPACT 타입(현재 Vaisala사 제품)으로 갱신한 것 말고도 일부 센서를 재배치했다(<그림 2> 참조). IMPACT 센서는 전파 도래 방위뿐 아니라 전파 수신 시각도 측정하는데, 전파의 전반傳搬거리에 비례해 늦다. 해석 장치는 앞서 설명한 최적화 표정 방법으로 각 센서에서 측정한 전파 수신 시각에서 되돌아가 산출한 낙뢰 발생 시각의 차이의 이승의 합이 최소가 되는 전파 방사원의 위치를 탐색해 이를 낙뢰 위치로 한다. 정확도는 전파 수신 시각 정확도에만 의존하기에, 도래 방위를 토대로 한 표정처럼 낙뢰에서 센서까지 거리는 상관이 없어 센서 설치 간격에 제약이 없으나, 최적화 표정에 필요한 3국 이상의 센서가 표정에 참가해야 한다. 최적화 표정 방법에서는 전파 도래 방위와 수신 시각을 함께 다룰 수 있어 센서가 2국이라 할지라도 4개의 정보를 이용해 높은 정확도로 표정할 수 있다. 다만, 전파 수신 시각을 토대로 한 표정 결과는 전파 도래 방위를 토대로 한 것보다 정확도가 높아 전파 도래 방위의 역할은 실질적으로 전파 수신 시각에 큰 오차가 있을 때 체크하거나 표정의 보조에 지나지 않게 됐다. 이러한 갱신으로 표정의 정확도와 신뢰도를 월등히 높인 시스템은 1994년도부터 올해(2011년)까지 18년 가깝게 안정적으로 가동했다. 이만큼 장기간동일 사양의 LLS로 얻은 낙뢰 데이터는 일본에 없으며, 도호쿠 지역의 낙뢰 기초 자료로 앞으로도 활용할 예정이다.