| 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
超音波風速温度計およびシンチロメータを用いて連続観測を行えるよう電源や記録計、設置方法の検討を行い、学内で連続観測を開始し、さらに計測条件の良い場所で光学的計測と合わせた集中観測を実施した。
(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
昨年度の成果のひとつとして、高解像度計算のためには大気乱流の再現性の向上が必要であることがわかった。そこで本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予報計算を実施した。本研究では特に地上付近での大気揺らぎの再現を目標としているため、このLESモデルには気象モデルの惑星境界層の計算に組み込んだ。これによりさらなる高解像度化が可能となった。また夏期に実施された合同観測結果との比較により、高解像度予測結果は妥当であることが確認された。ただし現在のモデルでは高解像度化に限界があることも確認された。これは今年度導入したLESモデルが水平方向一様を仮定した鉛直1次元モデルのモデルであることが原因で明瞭な乱流の再現がされていないためと考えられる。
(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。本年度は、屋外にて距離1kmの経路に光を伝搬させ、大気揺らぎの影響を強く受ける環境での計測実験を行った。射出時の波面を制御した複数の光の同時照射により、光が大気中の同じ経路を伝搬しても、複数光の重ね合わせた効果を確認することができた。
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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
超音波風速温度計およびシンチロメータを用いて連続観測を行えるよう計測システムの整備を進め、蓄電池とソーラーパネルによる観測システムを整備し、集中観測への準備を行い、電源のない屋外での集中観測を行った。また学内を対象に連続観測を行い長期連続データの取得に向けて観測システムの整備を行った。更に、気象モデルの直接比較検証に適した上空の風を計測するドップラーライダーの導入を進めデータ取得を開始した。
(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
大気揺らぎの原因となる大気乱流の再現性を高めるために，乱流モデルのひとつである鉛直1次元のLESモデルをこれまでの気象モデルに導入し，より解像度の高い大気乱流場の再現を行った．また夏期に実施した合同観測の結果と比較して，数値計算の結果が妥当であったことを確認した．これらの活動により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
屋外で波面を操作した複数の光を重ね合わせて空間に射出するため、波面を複数のモードに分割して、各モードをシングルモードファイバへ結合するデバイスに着目した。空間光変調器と比べて波面操作への自由度は少ないが、光学系の微調が困難な屋外実験には適しているこのデバイスを光の伝送系に採用した。このデバイスを利用して4本の光を伝送し、理論検討で見込んだ受信面の安定照射を確認できた。
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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
安定して連続データが取得できるようになった計測システムを用い、学内での連続観測に取り組みデータを取得するとともに、より条件の良い場所での集中観測を行い、取得した観測データの解析を進める。
(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
本研究では光学的な大気揺らぎに係る大気乱流の再現が重要である。そのため今年度は乱流モデルのひとつであるLESモデルを気象モデルに導入し、その再現計算を行った。ただし今年度のLESモデルは水平方向一様を仮定した鉛直1次元のモデルである。今後さらに高い再現性を得るために、今後は3次元のLESモデルを導入することを検討する。
(3) 通信光の波面操作による照射の安定化
昨年度の実験では、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が確認できた。よって今後は、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。複数光の伝送によって符号誤り率が改善することを示す。
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