| 研究領域 | 散乱・揺らぎ場の包括的理解と透視の科学 |
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| 研究課題/領域番号 |
20H05892
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| 研究種目 |
学術変革領域研究(A)
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| 配分区分 | 補助金 |
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| 審査区分 |
学術変革領域研究区分(Ⅱ)
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| 研究機関 | 東海大学 |
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研究代表者 |
高山 佳久 東海大学, 情報通信学部, 教授 (30358915)
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| 研究分担者 |
玉川 一郎 岐阜大学, 流域圏科学研究センター, 教授 (40273198)
小林 智尚 岐阜大学, 大学院工学研究科, 教授 (50205473)
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| 研究期間 (年度) |
2020-11-19 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
122,070千円 (直接経費: 93,900千円、間接経費: 28,170千円)
2024年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
2023年度: 4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 45,110千円 (直接経費: 34,700千円、間接経費: 10,410千円)
2021年度: 42,900千円 (直接経費: 33,000千円、間接経費: 9,900千円)
2020年度: 26,520千円 (直接経費: 20,400千円、間接経費: 6,120千円)
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| キーワード | 精密気象観測 / 数値気象モデル / 空間光通信 / 揺らぎ / 散乱透視学 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
マルチスケールの散乱・揺らぎ現象の光学特性を明らかにし、揺らぎの向こうを透視する散乱透視学において、本研究では実問題における散乱透視学の一つとなる情報通信における散乱場として、メートルからキロメートルスケールの地表層空気における散乱と揺らぎの計測と制御を行う。このため、まず、精密気象観測と気象データ解析によって大気の乱流、特に慣性小領域の変動などから大気の光学特性とその変動を明らかにする。次にこの結果を超高解像度数値気象モデルに取り込み、気象による光学的な影響の短時間予測を行う。これらの成果を通信光の波面操作に反映し、揺らぎを通した空間光通信の通信品質を向上させる。
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| 研究実績の概要 |
(1) 精密気象観測による大気の光学特性の推定
昨年度整備した超音波風速温度計およびシンチロメータによる岐阜大学屋上での連続長期観測を行い、データの取得に合わせて、ソーラーパネル等を用いたシステムの強風などへの対候性の改善を図った。同様に前年度導入した風ライダーも岐阜大学構内で連続観測を行った。超音波風速温度計には熱電対を用いた大気屈折率観測を追加し、100m以上のパスでの計測を行うシンチロメータと合わせて大気揺らぎとそれをもたらす大気乱流の計測を整え、北海道での集中観測に参加し、総合的なデータを取得した。
(2) 超高解像度数値気象モデルを用いた大気揺らぎの光学的影響の予測
昨年度はこれまでの気象モデルに乱流モデルのひとつであるLarge Eddy Simulation (LES)モデルを組み合わせて、より高解像度な予報計算を可能とした．しかし用いたLESモデルが鉛直1次元モデルであったためにこのモデルによる高解像度化には限界があることも確認された．そこで本年度は3次元LESモデルを用いて、地上付近の大気揺らぎとして、水平解像度10mスケール，鉛直解像度1mスケールでの大気運動の解析を可能し、地上付近での3次元の風速分布および温度の空間分布を得ることが出来た。得られた結果から、大気の風速分布には流下方向に延びるストリート構造が見られ、それによって周辺とは温度の異なる領域が縞状に存在していることが確認された。
(3) 通信光の波面操作による照射の安定化
波面操作による照射の安定化では、精密気象観測および超高解像度数値気象モデルから得た空気の散乱・揺らぎのパワースペクトルを考慮し、同時照射する複数の通信光の波面を制御する光学系を構築した。距離約600mの屋外環境において光を伝送し、提案手法の適用によって大気揺らぎの影響を抑えた照射が可能であることを確認できた。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
(1)精密気象観測による大気の光学特性の推定
集中観測により、高度1.6m付近の光路に対して、地表面大気間の熱輸送に伴う大気揺らぎについて観測条件や解析方法を整えると、既往の実験式が10～30分程度の平均値について成立することが確認でき、現在その適用範囲、限界について解析中である。また、大気揺らぎの短時間の変動の解析方法や予測推測方法について研究を進めている。一方、大学構内で行っている長期観測からは、大気揺らぎの日変化や長期変動を解析し、季節変化はあまり大きくないこと、建物屋上で観測データも、高度などのパラメタの設定を工夫すると実験式を用いて、平地同様の実験式で表現できることを見出した。今後精度等詳しい解析を進める。
(2) 超高解像度数値気象モデルを用いた大気揺らぎの光学的影響の予測
これまでの気象モデルに加え3次元の乱流モデル（LESモデル）を導入することにより、水平解像度10mスケール、鉛直解像度1mスケールでの大気の運動の解析が可能となった。またその解析結果から、大気揺らぎに関わる大気の運動と温度分布が再現できた。これらの活動に当初の計画通りの解像度での大気運動場の解析が可能となった。このように予定通りの進捗を得た。
(3) 通信光の波面操作による照射の安定化
空間光変調器を用いて波面を操作した光を合波し、空間に伝送する光学系を構築した。屋外で強く大気揺らぎを受ける環境で光を伝送し、波面操作によって光の照射の安定化を確認した。
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| 今後の研究の推進方策 |
(1)精密気象観測による大気の光学特性の推定
昨年度までに取得したデータの解析を中心に、大気揺らぎの10～30分程度の平均値について、熱や摩擦などを用いた実験式の適用範囲等の解析を進め、気象モデルの出力からの大気揺らぎの推定とその限界を明らかにする。また、この実験式では扱えない短時間の変動に対し、変形しながら風によって流されてくる揺らぎの解析を進め、観測データを用いた短時間の予測に可能性を明らかにし、（2）で導入されたLESを用いた結果との関係を明らかにする。
(2) 超高解像度数値気象モデルを用いた大気揺らぎの光学的影響の予測
3次元の乱流モデル（LESモデル）を導入することにより、当初の計画通りの解像度での大気運動場の解析が可能となった。今後はこの再現された高解像度の大気運動場から大気の揺らぎを推定する。
(3) 通信光の波面操作による照射の安定化
複数光の同時照射により、大気揺らぎを被った光による受信面の照射を安定にすること、および同時照射する複数の光を同じデータで変調し、受信側で符号誤り率を計測する計測系を構築した。今後は、複数光の伝送による符号誤り率が改善することを確認する。
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