| Project/Area Number |
22K04122
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 21030:Measurement engineering-related
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| Research Institution | Niigata University |
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Principal Investigator |
大河 正志 新潟大学, 自然科学系, 教授 (90213644)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
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| Keywords | 光波利用センサ / インフラサウンド / 微気圧変動 / IoT |
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| Outline of Research at the Start |
東日本大震災では，津波到達前に，津波発生に伴う微小気圧変動が国立天文台水沢観測所において観測されたことが報告されている。このような微小気圧変動を検出できるセンサを実現し，安価に設置できれば，津波到達前に確度の高い避難指示や減災対策を行う時間が得られ，尊い人命を救える可能性がある。また，本センサに適切な周波数帯域を設定することで，雪崩・土砂崩れ，火山噴火，雷等に伴うインフラサウンドの検出も可能である。そこで，本研究では，津波，雪崩，土砂崩れ等の自然災害による被害の軽減を目指し，周波数帯域を最適化した光波利用センサの実現および社会実装を念頭に置いたセンシングシステム開発とその評価を行う。
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| Outline of Annual Research Achievements |
光導波型微気圧センサの開発では，遮断周波数の低周波数化のため，遮断周波数の小孔面積依存性および印加圧力依存性について考察を行った。印加圧力振幅を500Pa，半密閉空間体積を12cm^3とし，小孔直径を10～50μmの範囲で変化させ，各小孔直径における周波数特性を評価した。その結果，遮断周波数が小孔直径の2乗すなわち小孔断面積に比例することを明らかにした。また，小孔直径を40μm，空間体積を12cm^3とし，印加圧力振幅を50～700Paの範囲で変化させ，周波数特性を評価した。その結果，遮断周波数が圧力振幅の約0.3乗に反比例することを明らかにした。さらに，遮断周波数のチューブ長依存性とチューブ内径依存性についても考察を行った。チューブ長依存性では，空間体積を12cm^3，チューブ内径を0.25mmとし，長さを 10～90mmの範囲で変えた。また，チューブ内径依存性では，空間体積を12cm^3，長さを10mmとし，内径を 0.13～0.38mmの範囲で変えた。その結果，遮断周波数はチューブ長に反比例し，チューブ内径に比例することが確認された。
ARMAモデルを用いた大気圧変動予測システムの開発では，予測精度について評価し，先の予測になるほど予測精度が劣化するものの，数10分先の予測には十分利用可能であることを確認した。また，模擬データを用いて，予測システムによる微気圧変動検知の可能性について考察した。構築した大気圧計測システムの実観測データ（1分間隔）に，正弦波状の微気圧変動を加算して，模擬的な微気圧変動データを作成した。微気圧変動は1周期で，その振幅を10～40Paとした。予測値には，1，5，10分後のものを使用し，模擬微気圧データとの差を評価したところ，5分後と10分後の予測値を用いたとき，両者の差が大きくなり，微気圧変動の検出が可能であることを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
これまで2年間の研究により，光導波型微気圧センサの特性評価をほぼ終え，遮断周波数の低周波数化への方針が明確になった。未だ目標としている遮断周波数0.1 mHz台を実現できていないが，半密閉空間体積を大きくすることにより，目標値の達成に支障がない状況となっている。しかし，センサの小型化の観点では，半密閉空間体積を大きくすることは避けたいので，引き続き検討を要する。また，大気圧測定による微気圧変動検出については，周期15分，振幅10～40Paの微気圧変動を組み込んだ模擬的な大気圧データを用いて，ARMAモデルによる大気圧変動予測（5分後，10分後）と大気圧実測値の差を指標とすることで微気圧変動検出の可能性を確認しており，今後測定システムに実装する予定である。
研究実績の概要には書いていないが，FBGファイバを用いたセンサ作製のため，センサ設計を完了しており，2024年度にはセンサ作製，特性評価等を行い，順調に研究が進めばシステムに組み込むことができる。また，センサ，Raspberry Pi（エッジデバイス），Webサーバ・データベースからなるシステムを構築し，サンプリング間隔0.1秒の大気圧，気温，湿度，微気圧変動データをTCP通信でサーバに転送し，データベースに保存した後，データベースの任意データを閲覧可能なことも確認している。現在のところ，動作確認を目的とした数日間の連続測定に留まっているが，問題なく動作しているため，長時間観測に向けての準備もほぼ完了していると言える。
以上のように，FBG化を含む光波利用微気圧センサ開発およびIoTシステム構築に関する目標をほぼ達成できており，「(2) おおむね順調に進展している」と判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
光導波型微気圧センサの遮断周波数に関する各種構造パラメータ依存性や印加圧力振幅依存性を基に，遮断周波数0.1mHzを実現するためのセンサ設計を行う。まずは，半密閉空間体積を大きくすることで，遮断周波数の低周波数化を目指すこととする。その後，圧力損失や空気の粘性等に注意しつつ，小孔直径，チューブ内径，チューブ長等を調整し，半密閉空間体積をできる限り小さくして，センサの小型化を図る。
ブラッググレーティングを用いた光導波型センサの開発に関しては，FBGと半密閉空間を組み合わせて微気圧センサを構成し，センサの特性評価を行う。また，測定システムに組み込み，微気圧変動検出の可能性および問題点について考察を行う。
IoTセンシングシステムの開発も並行して進め，引き続き，通常の大気圧変化をARMAやLSTM等を用いて予測し，その予測値からはずれた気圧変動が検知されたとき，異常と判断し，数値評価を行うシステムを構築する。さらに，「センサ・ゲートウェイ」，「ネットワーク」，「サーバ（データ保存・異常検知・警報発出等）」等からなるIoTセンシングシステムを構築する。そして，センシングシステム評価のため，新潟大学構内，KAGRA坑内にてインフラサウンド測定を行い，システムの有効性及び問題点について考察を行う。
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