散乱・吸収過程を用いる計測技術の逆問題

• 研究課題/領域番号: 01045018
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 大学協力
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 北村 新三 神戸大学, 工学部, 教授 (80029131)
• 研究分担者: 安藤 四一 神戸大学, 工学部, 助教授 (30031115) ; 賀谷 信幸 神戸大学, 工学部, 助教授 (30093503) ; 松本 治弥 神戸大学, 工学部, 教授 (80031053) ; 吉村 武晃 神戸大学, 工学部, 助教授 (70031127) ; SIGELMANN R. ワシントン大学, 電気工学科, 教授 ; LEUNG TSANG ワシントン大学, 電気工学科, 教授 ; 石丸 昭 ワシントン大学, 電気工学科, 教授 ; TSANG Leung Department of Electrical Engineering, University of Washington, Professor ; SIGELMANN Rubens A. Department of Electrical Engineering, University of Washington, Professor
• 研究期間 (年度): 1989 – 1990
• 研究課題ステータス: 完了 (1990年度)
• 配分額: 3,900千円 (直接経費: 3,900千円); 1990年度: 1,900千円 (直接経費: 1,900千円); 1989年度: 2,000千円 (直接経費: 2,000千円)
• キーワード: 散乱 / 吸収 / 逆問題 / ニュ-ラル・ネットワ-ク / 光 / 音波 / 電磁波 / レ-ザ-レ-ダ

研究概要

本研究はワシントン大学(米国ワシントン州立、シアトル市)と神戸大学との協同で、光波、音波および電磁波の散乱・吸収過程に関し、逆問題としての理論的・実験的解析および非接触計測としての応用を研究することが目的で行われた。すなわち、微粒子あるいは物体粗表面からの散乱・吸収に関する基礎理論と遠隔対象物質の同定などの逆問題の解析について、両大学でのこれまでの研究成果の交換と具体的な課題を設定した協同研究を二年間おこなった。
本協同研究における最大の研究成果は、散乱過程の逆問題の解法にニュ-ラル・ネットワ-クを適用し、その有用性が実証された点である。この逆問題解法へのニュ-ラル・ネットワ-クの適用は神戸大学・北村により提案され、レ-ザ-レ-ダ-による多波長レ-ザ-の散乱デ-タからのエアロゾルの粒径分布測定に適用した。その結果、解析が困難なFredholm積分方程式が、既知の測定デ-タと粒径分布を学習させることにより、新たな観測デ-タから精度の高い解を高速に求められることを証明した。さらに、体積後方散乱係数に関する式のみでも解を得ることが可能なこと、粒径範囲に関しても有用な情報を得ることができることを示した。また、ワシントン大学では3波長の光の散乱からの粒径分布測定、人工衛星からのリモ-トセンシングのデ-タ解析や多波長後方散乱に適用し、一度学習が完了すれば10%以下の誤差で高速に解が求まることを示した。
光の多重散乱過程の研究においては、二つの研究課題を取り上げ協同研究を行った。一つは粗面表面での多数回反射する散乱過程で、Back Scattering Enhancement現象やShadow効果の解析である。他の一つは散乱物質内部での多重散乱である。前者の課題では表面の縦粗さの高さが光の波長に近い粗面が詳細に検討された。その結果、ワシントン大学・石丸によりEnhancement現象は表面粗さのスペクトルに依存すること、 Kirchhoff近似に基づく理論により物理過程が説明でき、数値計算結果と一致することが示された。また、後者に関しては二重層による散乱を協同研究テ-マとした。とくに二平面での散乱を神戸大学で、粒子と平面の組合せをワシントン大学で受け持った。二平面の場合、第一粗面が完全粗面であれば第二粗面からの散乱積分強度の二次モ-メントを二回測定すれば、第二粗面の縦粗さと横相関長とを分離できる事を示した。ワシントン大学では、氷の上に積もる雪からの散乱を検討し、共偏光断面積は周波数と雪の結晶の大きさに、共偏光散乱断面積は小数ではあるが大きな雪の結晶に大きく依存することを明かとした。さらに、高次の散乱に関し、分離偏光の散乱の増加、偏光角の減少、沿面における位相のずれなどが見られることが判明した。
エアルゾルや粗面と同様にプラズマも電磁波を散乱する。しかしながら、電離層中におけるプラズマは希簿なため、周波数の高いマイクロ波に対してはほとんど散乱がない。ところが、将来宇宙から地上にエネルギ-を送電する宇宙太陽発電衛星ができたならば、送電用マイクロ波があまりにも強いため、電離層プラズマに散乱される可能性が高い。この散乱現象を実験するためロケット実験を行ったところ、ジャイロ周波数の1.5倍の近傍にプラズマ波の励起が観測された。この波動励起は従来考えられていたプロセスに当てはまらない。そこで計算機シュミレ-ションを用いて、このプラズマ波の励起過程を検討するため、粒子コ-ドを開発した。この粒子コ-ドにより基本的な誘導ラマン散乱が確認され、ロケット実験で観測されたプラズマ波の励起条件を現在検討している。この研究においてマイクロ波送信用のアンテナの特性や人工衛星からのマイクロ波リモ-トセンシング技術についての意見交換を行った。
音波に関しても金属表面からの散乱や、コンサ-ト・ホ-ルのような室内での音の散乱、音波の伝搬方向の可逆性などについて有益な意見交換が行われた。
以上に示した様に、学術協定大学である神戸大学のワシントン大学の間で、光波、音波および電磁波の散乱・吸収過程に関し、積極的な意見交換、協同研究がおこなわれ、研究成果はもとより人的交流にも大きな成果が得られたことを報告する。

研究成果

• [文献書誌] 浦、北村: "多波長レ-ザ-レ-ダによるエアロゾル粒径分布計測ー逆問題のニュ-トラルネットワ-クによる解法の提案" レ-ザ-研究. 17. 148-157 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 浦、北村: "神経回路網による第一種Fredholm積分方程式の新しい解法" システム制御情報学会論文誌. 2. 350-356 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 北村、浦、石丸: "ニュ-ラルネットワ-クによる積分方程式の解法" 京都大学原子炉実験所「原子炉中性子のより有効な利用のための数理物理学研究会」報告書、KURRIーTRー332. (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Ishimaru, R.J.Marks II, L.Tsang, Chi M.Lam, D.C.Park and S.Kitamura: "Particleーsize distribution determination using optical sensing and neural networks" Optics Letters. 15. 1221-1223 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Yoshimura, K.Kato, N.Morino and K.Nakagawa: "Measurements of two roughness parameters under speckle pattern illumination" Optics Communications. 75. 208-214 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Yoshimura, K.Kato and K.Nakagawa: "Surfaceーroughness dependence of the intensity correlation function under speckleーpattern illumination" Journal of the Optical Society of America. 7. 2254-2259 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] T.Yoshimura, K.Fujiwara and E.Miyazaki: "Statistical properties of intensity fluctuations produced by rough surfaces under the speckle pattern illumination" Proc.of SPIEーThe international Society for Optical Engineering. 1332. 835-842 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Kuga, A.Ishimaru and Q.MA: "The secondーorder multiple scattering theory for the vector radiative transfer equation" Radio Science. 24. 247-252 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Kuga and A.Ishimaru: "Backscattering enhancement by randomly distributed very large particles" Applied Optics. 28. 2165-2169 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Ishimaru: "Diffusion of light in turbid material" Applied Optics. 28. 2210-2215 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.L.Broschat, E.I.Thorsos and A.Ishimaru: "The phase perturbation technique vs an exact numerical method for random rough surface scattering" Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 3. 237-256 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] B.Wen, L.Tsang, D.P.Winebrenner and A.Ishimaru: "Dense medium radiative transfer theory: Comparison with experiment and application to microwave remote sensing and polarimetry" IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 28. 46-59 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.L.Broschat, E.I.Thorsos and A.Ishimaru: "A heuristic algorithm for the bistatic radar cross section for random rough surface scattering" IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 28. 202-206 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] C.E.Mandt, L.Tsang and A.Ishimaru: "Copolarized and depolarized backscattering enhancement of random discrete scatterers of large size based on secondーorder ladder and cyclical theory" Journal of the Optical Society of America. 7. 585-592 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.J.Sierman, Y.Tsang and A.Ishimaru: "Effect of a random medium on microwabe imaging" IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 38. 763-766 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.H.Lou, L.Tsang, C.H.Chan and A.Ishimaru: "Monte Carlo simulations of scattering of waves by a random rough surface with the finite element method and the finite difference method" Microwave and Optical Technology Letters. 3. 150-154 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Q.Ma, A.Ishimaru and Y.Kuga: "Scattering and depolarization of waves incident upon a slab of random medium with refractive index different from that of the surrounding media" Radio Science. 25. 419-426 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.Shimizu and A.Ishimaru: "Differential fourier transform technique for the inverse scattering problem" Applied Optics. 29. 3428-3433 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Q.Ma, A.Ishimaru, P.Phu and Y.Kuga: "Transmission, reflection, and depolarization of an optical wave for a single leaf" IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 28. 865-872 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] J.S.Chen and A.Ishimaru: "Numerical simulation of the secondーorder Kirchhoff approximation from very rough surfaces and a study of backscattering enhancement" Journal of the Acoustical Society of America. 88. 1846-1850 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Ishimaru and J.S.Chen: "Scattering from very rough surfaces based on the modified secondーorder Kirchhoff approximation with angular and propagation shadowing" Journal of the Acoustical Society of America. 88. 1877-1883 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] L.Tsang, Z.Chen, R.J.Marks II, S.Oh and A.Chang: "Inversion of snow parameters from passive microwave remote senseng measurements by a neural network trained with a multiple scattering model" IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] L.Tsang: "Polarimetric passive microwave remote sensing of random discrete scatterers and rough surfaces" Journal of Electromagnetic Waves and Applications.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] S.H.Lou, L.Tsang, C.H.Chan and A.Ishimaru: "Application of finite element method to Monte Carlo simulations of scattering of waves by random rough surfaces" Journal of Electromagnetic Waves and Applications.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] A.Ishimaru: "Scattering in Volumes and Surfaces,M.NietoーVesperinas and J.C.Dainty,editors" Elsevier, 1-15 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] L.Tsang and K.H.Ding: "Vol.3 of Progress in Electromagnetic Research,Edited by J.A.Kong" Elsevier, 75-142 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] K.H.Ding and L.Tsang: "Vol.1 of Progress in Electromagnetic Research, edited by J.A.Kong" Elsevier, 241-295 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Pu Qing and S. Kitamura: "Measurement of aerosol size distribution by using a multi-wavelength laser radar" The Review of Laser Engineering. 17. 148-157 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Pu Qing and S. Kitamura: "A method to solve Fredholm integral equations of the first kind by using a neural network" Transactions of the Institute of Systems, Control and Information Engineers. 2. 350-356 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T. Yoshimura, K. Kato, N. Morino and K. Nakagawa: "Measurements of two roughness parameters under speckle pattern illumination" Optics Communications. 75. 208-214 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T. Yoshimura, K. Kato and K. Nakagawa: "Surface-roughness dependence of the intensity correlation function under speckle-pattern illumination" Journal of the Optical Society of America. 7. 2254-2259 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T. Yoshimura, K. Fujiwara and E. Miyazaki: "Statistical properties of intensity fluctuations produced by rough surfaces under the speckle pattern illumination" Proc. of SPIE-The international Society for Optical Engineering. 1332. 835-842 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A. Ishimaru, R. J. Marks II, L. Tsang, Chi M. Lam, D. C. Park and S. Kitamura: "Particle-size distribution determination using optical sensing and neural networks" Optics Letters. 15. 1221-1223 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y. Kuga, A. Ishimaru and Q. Ma: "The second-order multiple scattering theory for the vector radiative transfer equation" Radio Science. 24. 247-252 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y. Kuga and A. Ishimaru: "Backscattering enhancement by randomly distributed very large particles" Applied Optics. 28. 2165-2169 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A. Ishimaru: "Diffusion of light in turbid material" Applied Optics. 28. 2210-2215 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. L. Broschat, E. I. Thorsos and A. Ishimaru: "The phase perturbation technique vs an exact numerical method for random rough surface scattering" Journal of Electromagnetic Waves and Applications. 3. 237-256 (1989)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] B. Wen, L. Tsang, D. P. Winebrenner and A. Ishimaru: "Dense medium radiative transfer theory : Comparison with experiment and application to microwave remote sensing and polarimetry" IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 28. 46-59 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. L. Broschat, E. I. Thorsos and A. Ishimaru: "A heuristic algorithm for the bistatic radar cross section for random rough surface scattering" IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 28. 202-206 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] C. E. Mandt, L. Tsang and A. Ishimaru: "Copolarized and depolarized backscattering enhancement of random discrete scatterers of large size based on second-order ladder and cyclical theory" Journal of the Optical Society of America. 7. 585-592 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M. J. Sierman, Y. Tsang and A. Ishimaru: "Effect of a random medium on microwave imaging" IEEE Transactions on Antennas and Propagation. 38. 763-766 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. H. Lou, L. Tsang, C. H. Chan and A. Ishimaru: "Monte Carlo simulations of scattering off waves by a random rough surface with the finite element method and the finite difference method" Microwave and Optical Technology Letters. 3. 150-154 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Q. Ma, A. Ishimaru and Y. Kuga: "Scattering and depolarization of waves incident upon a slab of random medium with refractive index different from that of the surrounding media" Radio Science. 25. 419-426 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K. Shimizu and A. Ishimaru: "Differential fourier transform technique for the inverse scattering problem" Applied Optics. 29. 3428-3433 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Q. Ma, A. Ishimaru, P. Phu and Y. Kuga: "Transmission, reflection, and depolarization of an optical wave for a single leaf" IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing. 28. 865-872 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] J. S. Chen and A. Ishimaru: "Numerical simulation of the second-order Kirchhoff approximation from very rough surfaces and a study of backscattering enhancement" Journal of the Acoustical Society of America. 88. 1846-1850 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A. Ishimaru and J. S. Chen: "Scattering from very rough surfaces based on the modified second-order Kirchhoff approximation with angular and propagation shadowing" Journal of the Acoustical Society of America. 88. 1877-1883 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] L. Tsang, Z. Chen, R. J. Marks II, S. Oh and A. Chang: "Inversion of snow parameters from passive microwave remote sensing measurements by a neural network trained with a multiple scattering model" IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. in press.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] L. Tsang: "Polarimetric passive microwave remote sensing of random discrete scatterers and rough surfaces" Journal of Electromagnetic Waves and Applications. in press.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S. H. Lou, L. Tsang, C. H. Chan and A. Ishimaru: "Application of finite element method to Monte Carlo simulations of scattering of waves by random rough surfaces" Journal of Electromagnetic Waves and Applications. in press.
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] A. Ishimaru: Scattering in Volumes and Surfaces, M. Nieto-Vesperinas and J. C. Dainty, editors Amsterdam : Elsevier Science Publishers. Experimental and theoretical studies on enhanced backscattering from scatterers and rough surfaces, 1-15 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] L. Tsang and K. H. Ding: Vol. 3 of Progress in Electromagnetic Research, edited by J. A. Kong, Elsevier,. Polarimetric signatures of random discrete scatterers based on vector radiative transfer theory, 75-142 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] K. H. Ding and L. Tsang: Vol. 1 of Progress in Electromagnetic Research, edited by J. A. Kong, Elsevier,. Effective propagation constants in media with densely distributed dielectric particles of multiple sizes and permitivities, 241-295 (1990)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より