2020 Fiscal Year Annual Research Report
表層大気・ガスの特異な挙動の可視化と挙動メカニズムの解明
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19H02383
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
椎名 達雄 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (80304187)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | LED / ライダー / 表層大気 / 波浪 / 挙動 / 自給 / 自立 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
LEDライダーの機能化を図るべく、Mie散乱、Raman散乱および偏光計測が可能なように、干渉フィルタや偏光ビームスプリッタを搭載したライダーを製作し、粉塵の定量計測ならびに波浪の挙動計測を行った。いずれも同期した計測を行い、それぞれの計測波形の解析を通して、時間変化に伴う計測対象の動的インタラクション導出を検討した。粉塵の定量的計測では、チャンバ内にグリセリンミストや粉塵を充満させて、その沈降に伴う時間変化を透過率計と同期した計測で評価した。いずれのライダーも高い相関を持つとともに、相対計測であるライダーエコーを透過率計の粉塵量に値付けることができた。その結果をもとに、濃霧の観測結果を定量評価を行い、霧水量として具体的な値付けに応用することができた。波浪観測では波浪の挙動はもとより、表層大気の波浪挙動との相関や時間応答のズレ等、Ramanライダーによる水蒸気、大気窒素の挙動観測で可視化することができた。
昨年報告したように、LEDライダーの短パルス高繰返しの新しい発振回路を開発し、その基礎特性をまとめた。パルス幅は10nsから<5nsに、先頭出力は0.75Wから15Wにまで向上した。その結果として、信号対雑音比（SN比）は10dB以上向上し、より遠方のライダーエコーを高い分解能で得られるようになった。一方で、短パルスの高出力化によって、パルス発生時の電気ノイズも大きくなり、その遮蔽対策が必要になっている。
ソーラーパネルと蓄電池による自給型の構成を組み、実働できることまで確認している。一方で自動計測やスキャニング計測等の自立型へは取組みが続いている。ソフトウェアの開発と送受信制御（データ取得と観測姿勢データの同期）、気象データを含むデータ送受信、非常時停止処理、同期計測時のGPSによる時間校正等、順番に対応している状況である。
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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
LEDライダーの多機能化に関しては、計画通り進められている。Mie散乱に加えて、Raman散乱（大気窒素、水蒸気、他）、および偏光計測が可能なLEDライダーを試作している。LEDライダー用の高速高分解ホトンカウンタを製作しており、Mieライダーでは0.2sの積算時間で300mまでの大気計測が可能である。一方でRamanライダーでは2.0ｓの積算時間で３０ｍまでの大気計測が可能である。これはRaman散乱光がMie散乱光と比べて、1/1000の強度であることによる。LEDライダーの短パルス高繰返しの新しい発振回路を開発したことでSN比は１０ｄB向上しており、それによってより遠方の大気エコーを高分解に観測できるようになった。発振に伴う電気ノイズの課題は残っているが、電磁遮蔽の対策を徹底することで解決できる見込みである。
Mieライダー、Ramanライダー、および偏光ライダーと透過率計を含めた同期観測の実験を行い、良好な結果を得ている。グリセリンミスト、炭酸カルシウム、及び乾燥させた小麦粉等を粉塵に見立てた定量評価の実験を行い、各機器の観測結果との相関をとることができた。それによって相対計測のライダーエコーに値付けを行い、濃霧の定量評価を実現している。ライダーエコーから霧水量を換算することができている。また、波浪と表層大気の挙動観測も同期計測で行い、相互の光学特性を活かした観測結果を得られた。偏光計測では波浪エコーの偏光解消度を求め、波浪形状の推測を行い、また Raman計測では大気窒素と水蒸気エコーの時間差から表層大気と波浪の、相互の挙動のズレを可視化することができた。
LEDライダーの自給自立化に向けた機器開発は現在も続けている。ソーラーパネルと蓄電池による自給型の構成を組み、実働できることまで確認している。
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| Strategy for Future Research Activity |
LEDライダーの自給自立化に向けた機器開発を完成させる。すでにソーラーパネルと蓄電池による自給型の構成を組み、消費電力のモニタリングと太陽光発電による蓄電量、ならびにライダーの実働時間との対応に関して基礎実験と試作を進めている。次年度には仕様をまとめ、実観測実験にて評価を行う。
現在、計測の自動化に向けたソフトウェア開発を進めており、遠隔での操作と状況モニタ（ライダーエコーデータ、気象データ、ならびに同期のためのGPSによる時間校正等）のデータ通信に関して実験と実測での対応を図っている。今後機器開発完成させ、自給自立型ライダーとしての自動計測ならびに、遠隔での同期計測を目指す。単パルス高出力化によって電気ノイズが増えているため、電磁遮蔽等の対策を図り、機器の構成を固める。
次年度は表層大気と物質界面との相互作用を捉え、解析するための計測環境を整える。平時のみならず、突発的な挙動を捉えるためには常時観測、長時間観測が望ましく、そのために自給自立型のミニライダーが必要となる。同期した多点計測、多機能計測によって、対象とする表層大気と物質界面の相互作用を多角的に捉えることを目的とする。
さらに、次年度では計測データの可視化にも注力していく。特に表層大気と粉塵、ならびに海表面（波浪、潮流等）の動的インタラクションの導出と可視化を目指す。表層大気と波浪の挙動に関してはズレが観測されており、その動的インタラクションのメカニズムを抽出、可視化させる。これらの表層大気と計測ターゲット（粉塵、波浪）との相互作用を可視化させ、動的インタラクションのダイナミクスを解析する。地表面、砂面、海表面と表層大気との動的インタラクションの挙動を捉えるべく、実験データを蓄積を図る。具体的観測場所として、土木作業現場、砂浜、海上等を候補とする。気象因子との相関をとるためには長時間、長期間の測定が必要になる。
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