ガス分布計測に関する研究 差分吸収ライダーによる火山性 802

平成 3

0

年 度 修 士 論 文

差分吸収ライダーによる火山性 802

ガス分布計測に関する研究

Study on S02 v o l c a n i c  g a s  d i s t r i b u t i o n   measurement by d i f f e r e n t i a l  a b s o r p t i o n  l i d a r  

首都大学東京大学院システムデザイン研究科

目次

］

．

 

はじ め

t

こ ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

．2 ．

1.1 

火山及び火山ガス がもたらす影態． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．2

l.2 

火山ガス観測の現状・ 課題 ．． ． ． ． ． ．

．

．

．．．．．．．．．．．．

． ． ． ． ． ． ． ．．

．．．．．．

．． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ．

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． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ．

5

1.3 

研究目 的 ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

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． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

．． ．

．．

．．

6

2.  SOi‑DlAL.......................................................................................................................... 7  2.1  DIAL

の解析方法

．．．．．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

．．．．．．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．．．．

． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．8

2.2  各 I~ ラメータの大気モデル．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．9

2.3 

環境設定 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

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． ． ．

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． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

．．．．

． ．

10 3.  SOrDlAL

に用V ヽ る最適波長の検討 ．

．．．．．．．．．．．．

． ． ． ． ． ． ．． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．

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． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

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．．．．．．．

． ． ． ．

13 3.1 

温度依存性による影孵の評価 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．．．．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

．．．．．．．

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． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．

．．．．13 3.2 

波 長依存性による影態の評価

．．．．．

． ． ． ． ． ． ． ．． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．．

．

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． ． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ．

．

．． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

18 4. 

高濃度区間におけるトー タルの測 定誤差 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．

．．．20 4.1  500m

地 点にお ける ト ータ ル の測定誤差 ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

．

．．．．．．．．．

．． ． ．

．．．．．．．．．．．20 4.2 

距離に対するトータルの測定誤差 ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．21

5.  Nd:YV04レーサ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ ²² 

5.1 

概要

．

．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．． ． ．

．．．

．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．．．

．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

．

．．

． ．

．．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．

．

．

．

． ． ． ． ． ．22

5.2  2

波長

Nd:YV04

レーザの設計 ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．

．．24 6.  DPSSレーザの発振波長の安定ィ

ヒ ． ． ． ． ． ． ．． ．

．

． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．・

・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・25 7. 

まとめ

．．．．．．．．．．．．．．．

． ．

．．．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．28

8. 

謝 辞 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．

．

．

． ．

．．．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ． ．

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． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．． ．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

29 9. 

参考文献 ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

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． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．．

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． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

．．．

． ．

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．

．

． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ． ．

30

ー

1 . はじめに

1.1

火山及び火山ガスがもたらす影響

現 在，国内には

111の活火山があり

， 世界でも有数の火 山国といえる

．

火山は時として大 きな災害を引き起こし ， 災害の要因となる火 山現象には，噴石，火砕流，融雪型火 山泥流，

溶岩流，火山灰，土石流，火山ガス等がある ．火山災害による原因別の死亡者数を表

l

に 示 す．大正

15年には，十勝岳で噴火により高温の岩屑なだれが発生し，残雪を溶かし 25

分あまりで火口

25km

の山麓の上富良野原野まで泥流が到達した．平成

3

年の雲仙岳の噴火 では、山頂溶岩ドームの成長とともに火砕流の流下距離は長くなり，

6月 3

日，到達距離

4.3kmの火砕流が生じて，集落付近などにいた43

名が巻き込まれて犠牲になったまた，

火山灰は時には数十

kmから数百km

以上運ばれて広域に降下・堆栢し，殷作物の被害，交 通麻痺，家屋倒壊，航空機のエンジントラブルなど広く社会生活に深刻な影密を及ぼす[ I

].

表

l

火山災害による原因別の死亡者数

死亡原因 死亡者数

火砕流

・

岩屑なだれ

36,800(48.4%) 

火山泥流

・

洪 水

28,400(37.4%) 

噴火後の飢饉 ． 疫 病

3,200(4.2%) 

降下火砕物 ・ 噴石

3,000(3.9%) 

火山ガス

・

酸性雨

1,900(2.5%) 

火山噴火による災害現象の一つである火山ガスは， 地下 のマグマに溶けている水素

(H),

酸素(

0)

，塩素(C

l)

， 硫黄（

S),

炭素(

C)

，窒素(N) などの揮発性成分が圧力低下などによって発 泡し，水蒸気（ 比0) ，フッ化水素(HF) ，塩化水素(

HCI)

，二酸化硫黄(

S02)

、硫化水素(

H2S),

二酸化炭素(CO か 水素(H ， 分 窒素(N

2)

，一酸化炭素(CO) ，メタン(CH4) などとなって地表に 放出される． マグマから分離した火山ガスは，地表に到達するまでの問に地下水との接触，

火山ガス成分相互の反応 ，地下にたまって いる硫黄や有機物からの

S02,H2S, CO2, CH4 

の供給などにより，個々の火山で，あるいは噴出している場所 ・温度などによって含まれ る成分と濃度が異なる ．一般に，火山ガスの主成分は 比

0

で

90

％以上 を占め， 比

0

以外の 化学組成はその温度によって異なる ．温度の 高い火山ガスには

HF,HCI, S02,  H2, CO

な

どが多く含まれ，温度の低い火山ガスでは 比S

, CO2,  N2

などが主成分となる[

2].

毒性をもつ成分や酸欠，熱により周辺の生態に 大きな影態があることも多く，吸った動 物や人間がその場で死亡することも珍しくない中毒に気づかず，手遅れとなり死亡する こともある ．噴火はしなくても，恒常的あるいは間歌的に火山ガスのみ を噴出する 火山も 多い 温度は数百 o c 以上であることが多く，空気よりも密度が高 いためくぼ地にたまりや すい特徴がある ．

表 ］ より，火山ガスによる死亡事故は火砕流や火山泥流と 比べれば少な いが ，

1900

年以 降の火山災害で見ると，死亡者の約

2.5

％にあたる

1,900名が火山ガスで亡くな

っている

．

最も大きな火山ガス事故は，

1986年，アフリカのカメルーン国で発生したこの事故は火

口湖であるニオス 湖の湖水に溶けていた火 山性の

CO2

が約

lk

面 突出したことによって発生 し ，

1,734

名が死亡し，約

7,000

頭のウシが死亡 し た ま た ，

1979

年には，インドネシアの デ ィエン高原でも噴火によって放出された

CO

外こ よって

142

名が死亡し た

日本では，このように一度に多くの人命が蒋われる火山ガス事故は発生していないが，

時々火山ガスによる死亡事故が発生している

．これ

までの多 くの火山ガス 事故は，火山ガ スが噴出 し ている周辺の窪地や谷地形などで発生し ，また ，風が弱く藝天のときに発生 し ている．これは，

H2S, S02, CO2

などの成分が空気に比べて

1.2‑2.2

倍重いために低い場所 にたまりやすい性質であること，無風・船天のときには噴出した火山ガスが拡散しにくく，

地表近くが麻濃度になりやす いことから事故が起こりやすくなるためである

．

3 

火山ガスに含まれる成分のうち，

SO

孔ま，呼吸器を刺激し，せき，気管支喘息，気管支炎 などの障害を引き起こす．

S02

ガス濃度に対する人体への影密を表

2

に示す．

3040ppm

以 上で呼吸困難を引き起こし，

IOOppm

の濃度では

30

分〜

1

時間が耐えうる限界とされている

．

さらに，

400ppm

以上の場合，数分で生命に危険が及ぶ．

S02

による健康被害の代表的な例 として， 日本における第二次世界大戦後の四大公害事件とされ，

1961

年頃より発生した匹

l

日市ぜんそくが挙げられるまた， 三宅島では

2000

年（平成

12

年）の噴火以降，火山ガ スが放出され，

2011

年

3

月時点では，

l

日あたり

5001,500

トンの 二酸化硫黄が放出された．

表

2 S02

ガス濃度に対する人体への影懇

S02i

農度 人体への影態

0.3pprn‑1 ppm 

臭い検知

5ppm  

許容淡度 上気道刺激

30ppm 40ppm 

呼吸困難

50ppm  I OOppm  1

時間以上留まると危険

400 ppm  

数分で生命に危険が及ぶ

1.2

火山ガス観測の現状・課題

従来の

S02

濃度の計測方法として，直接計測と遠隔計測が挙げられる ． 直接計測として，

競測地点に直接赴き計測する方法や観測地点にセンサを設置する手法がある

[3]．

しかし，

観測地点に直接赴き計測するには人間 が火 山ガスに近づくため危険であり，また

2

次元ま たは

3

次元の分布観測を行うためには多数の箇所に設置しなければならない

．一方，

遠隔 計測する手法として差分吸収ライダー

(DIAL:DifferentialAbsorption Lidar)

が提案される

[4].

しかし，従来の

SO2‑DlAL

は大型であるため持ち運びが難しく，また，発がん性物質を含む 色素レーザを使用しているため，使用にあたり安全性に問題があるといえるさらに，レ ーザ出力が低下しやすいなどの欠点がある．

システムの小型化ができれば，運搬車やドローンなどの無人飛翔体に小型の

SOrDlAL

を 搭載でき，人体に有害な

S02

を含む火山ガスに人間が近づくことなく，また広範囲に渡る 観測が期待できる ．

5 

1 . 3 研究目的

従来の

SO2‑DIAL

の課題を踏まえ，可搬性に富む小型の

SOrDIAL

システムを新た提案す る．小型軽最化のため ，

LD

励起固体レーザ(

DPSS:DiodePumped Solid State)593 nm

の第

2

高 調波

297nm

付近を光源に使用することを想定 し ，

S02

涙度

30ppm士10%（士3ppm)

の精度で計 測することを目標とする．なお，

S02

の吸収断面租は温度依存性を持つため ，火 口付近の高 温場の影態を考盛する必要があるまた， レーザ出力が低下しやすい欠点を解決するにあ たり，

Nd:YV04レーザの発振波長 1064nmと1342nm

から和周波

593nmを生成する手法に

着目した．

SOrDIAL

は波長

297nm

付近を必要とするため，

593nm

の第

2

高調波で対応でき る．固体レーザで構成できるため ，システムの小型化が期待できる ．

本研究では，

S02

の吸収断面栢の温度依存性を考慮、した上で最適な観測波長を検討した．

また，

SOrDIAL

に要求される

297nm

の平均出力は

lW

であり，和周波

593nmだと 2W

必

要であるため ，実際の

DIAL

観測に必要な具体的な目標値である

593nmの平均出力が 2W

以上となる

Nd:YV04レーザの設計を行った．

2 .   SOrDIAL 

SOrDIAL

とは，

S02

の吸収の波長依存性を利用し，

S02

の吸収が大きい波長

(on

波長，入。

11)

と吸収が小さい波長

(off

波長，

Aof‑T)

に対応する

2

波長におけるライダー受信信号強度の差 分から濃度を求めるライダーシステムである ．

DIAL

の概念図を図

l

に示す．

Rl  R2 

入on:on

波 長

入off:off

波長

9.. 

9 ,  

I 

！ 

△r

距離分解能！

i 

器 □ 紅

光

望 遠 鏡

Pon(Rl)  Poff(Rl) 

Pon(R2)  Poff(R2) 

図

1 DIAL

の概念図

7 

2 . 1  DIAL の解析方法

on

波長及び

off

波長における距離

r

からのライダー受信光子数

P(r)

はそれぞれ

り

(r)

= 

^{(E/hv)MAr,qf](r) c△t  ( ~}

r r 

r2

了

xexp (‑2 Lr{a(R) 

+ 

n(R)

叫

^dR)

゜

(1) 

で与えられる

[5]．

ここで，

E：

パルスエネ

ル

ギー［

J]

，

h：

プランク定数，

v:

レーザ周波数

[Hz],

M ：

租算回数

， A ：

受信鏡面籾[mり，

n ：

ディテクターの贔子効率，

q ：光

学系の全効率， ~(r)

^: 

大気の後方散乱係数［ ／

m]，C:

光速[m

/s]，△t:

ゲート時間

， a(r):

消散係数であり

，C△t/2

は 距離分解能△r

,n：

対象ガスの密度[

Im

り

，CJ:

対象ガスの吸収断面租

[mり

である

．また，j=l,2 

は

on波長，off

波長に相当する

．

距離

RI,R2間

の平均気体濃度

n(/mり

は

1  P

。

ff(R2)P

。

n(Rl)

n = 2A

叫 卜

^(P

^。

^ff(R1)P

^。

^n(R2))

^］

⁽²⁾ 

で与えられる

［5].

ここで，△

6 ：対象ガスの吸収断面禎のon

波長と

off

波長の差である

．

また，DfAL の測定誤差要因のうち，受信信号強度に起因する統計誤差は

丁 ＝ 1 

^a△r 

［ 麟 ｛仇 ＋ ^：

^p

^{［ i F + D } ］}

^{1/2  (3)} 

で与えられる

[5]．ここで，Bjf

ま背景光雑音，

F

はディテクターの雑音指数，

Dはダークカウ

ント

，i=l,2は距離Rl,R2

に，

j=l,2

は

on

波長

，off

波長に相当する

．

2 . 2 各パラメータの大気モデル

高度，波長における各パラメータの大気モデルは以下で与えられる．

後方散乱係数

_/3 ＝ /3mol + f3aero 

大気分子の後方散乱係数

レイリー散乱断面租

大気密度（近似式）

エアロゾルの後方散乱係数

/3mo! = O'rayN 

エアロゾルモデル

550 ⁴ 

O'ray = 5.45 X 10―32(

万 ― )

N 

= 

2.60 x 1025exp(‑0.108z) 

糾 。 ＝

Aerox

（ 平 ）

²

入 4

Aero 

= 

36.31exp(‑0.878z)(]mol

（ 国

消散係数

_a = amol 

+ 

aaero 

大気分子の硝酸

_amol=

了似。

^8冗 l

エアロゾルの消散係数

_aaer

。 =

s/3aero 

︐ 

2.3

環境設定

s o 此 オ ゾ ン(

03)

の吸収断面籾を図

2

に示す．S0

2

の吸収断面租は櫛状に分布しており，

吸収の強い箇所と弱い箇所が交互に続いている ．0

3

の吸収断面籾は右肩下がりとなってい る な お ，

294nm

以 下の波長帯域では対流圏オゾンによる吸収が大きく影孵し，また，

298nm

以上の波長帯域ではオゾン屈による太陽光吸収効果が弱く，大気透過率が

1

％を超えるため 昼 間 の 観 測 に 向 か な い 以 上 の こ と か ら ， 本 研 究 で は

294nm298nm

の波長帯域を用いる ．

[z

ul

苫

'o

x ] 

t

u o r p a s s o   s J J   u o q d J o s q ¥ i  

140 

0 0 0   0 0   2 0 8 6 4  

,

:~

•

20 

゜

^{290  291  292  293  294  295  296  297  298  299} 

W a v e l e n g t h   [ n m ]  

図

2 S02（実線） と03

（破線） の吸収断面租

火口から噴出する

S02

ガスの分布を測定することを想定し ，以下の条件を仮定した

．

海

抜1km

の地点で計測を行うものとし，

^S02

の濃度分布を水平距離

400‑600m

の地点で

30ppm,

それ以外の地点では

0.07ppm

としたまた，

^S02

と同じ吸収波長帯に吸収がある

⁰³

の濃度 を地表付近の平均値である

0.005ppm

一定としたさらに，上述で決定した波長範囲から，

成層圏オゾンにより太陽光は遮断されたものとし，背景光雑音は

0

と し た ま た ，小型，

低出力の

DPSS

レー ザを用いることを想定したため，受信望遠鏡直径を

O.lm,

パルスエネ

）レギーを

^O.OOIJ

とした本研究のシミュレーションにおける濃度設定条件を図

3,

シミュレ ーションに用いた各パ ラメータの値を表

3

に 示す．

レーザ

Om  400m  600m  1000m 

! 

^{I  I  I} 

: 0.07ppm : 30ppm : 0.07ppm :  S02i

農 度 ： （ ） ： （  ） ： （  ） ： 

:  i  i  i 

I  I  I  I 

〇 豆 農 度 ，

! 

O.OOSppm 

！ 

火山

図

3

統計誤差シミュレー ションの

S02

濃度設定条件

11 

表3

シミュレーションに用いた各パラメータ

E 

パルスエネルギー

0.00 I [J] 

M 

栢算回数

600,000 

d 

受信望遠鏡直径

O. l[m] 

n 

ディテクターの量子効率

0.3  q 

光学系の全効率

0.2 

△r 

距離分解能

20[m] 

BJ 

背景光雑音

F 

デイテクターの雑音指数 ゜

I  D 

ダークカウント

レーザの繰り返し周波数

20[kH

゜

z] 

3 .   SOrDIAL に用いる最適波長の検討

式(

1)

に含まれる

S02

の吸収断面禎

6

，式（

2),(3)

に含まれる

S02

の差分吸収断面租△

6

は温度 依存性と波長依存性を，消散係数

a

，大気の後方散乱係数

P

は波長依存性を持っため，測定 精度に影態を及ぼす．

SO2‑DIAL

に用いる最適波長を検討するにあたり，上述の温度依存性・

波長依存性を考胞する必要がある ．

3 . 1 温度依存性による影響の評価

吸収スペクトル分布は温度に依存し，また，物質ごとにその依存度が異なる ．

HJTRAN

データベースより取得した，

298K

から

358K

まで

20K

刻みの

S02

吸収断面稜を図

4,各波

長における

S02

吸収断面和の温度依存性△c

r/

△

Tを図5

示す．図

4,図5

より，

S02

吸収断面 籾の山 ・ 谷では温度依存性が大きく ， 傾きの部分は温度依存性が小さくなっていることが 分かる ．

13 

4 

︐ 

2  8 8 9 9 9 0   1 1 1 1 1 0  

＋ 

E E E E E E   0 0 0 0 0 0   2 0 0 0 0 0   1 1 8 4 2 0  

[‑ OE hN E3 ]u o1 :p as   ss o J : >  

UO

!t dJ os qv  

6.00E‑19 

298K  318K 

‑338k 

‑358k  294.5 

図4

295  295.5  296  296.5  Wavelength [nm] 

各 温度におけるS02吸収断面栢

297  297.5  298 

仁 •V/b<

1.6E‑25  1.4E‑25  1.2E‑25  lE‑25  8E‑26  6E‑26  4E‑26  2E‑26 

゜

^{294  294.}5  295  295.5  296  296.5  297  297.5  298 

想定した温度と実際の温度が異なると△c

r

の値がずれ，誤差が生じる

．

しかし，

SO2‑DIAL

の 視線方向の温度分布を計測するには別の温度ライダーを用意する必要があり，機動性に欠

ける

．

そこで，

S02

吸収断面和の温度依存性△c

r/

△

Tが小さく，かつ， 2

波長の△c

r/tiTが同値であ

る組み合わせを選択することにより

，温度依存性の影轡を抑制する方法を新たに提案する．

ライダー観測点の温度を

T

。とし、

T

。 十 △Tにおける△c

r

は

△o(T

。＋△T) =  {aon(Ti。)＋ dT言｝—｛(J。ff(T。)＋ dT言｝

＝ 知

^{(To)‑CJ0tt(T}

)・ 。 ： 言 ＝ 言

⁽⁴⁾ 

で表すことができ，△

G

。

119A6

。

tT

は

on

波長，

off

波長における温度変化に伴う吸収断面租の変 化最である．式(

4)

より，

S02

吸収断面和の温度依存性△GIA

Tが小さく，かつ， 2

波長のAG

IAT

が同値である組み合わせを選択することにより，湿度変化に伴う吸収断面租の変化菌部分 の計算をする必要がなくなり ， ライダー観測点の温度

T

。のみで△o を決定することが出来る ． つま り，温度分布を計測しなくても

S02

浪度分布観測を行う ことが可能となる

．そこで，

前述の組み合わせか ら 測定誤差が最小となる

2

波長を選択し，

S02

浪度の観測誤差

10％以内

が得られるか検討した

500m

地点における

60K

の温度差から得られる測定誤差を図

6

に示す． 提案した条件を満

15 

たす

2

波長の組み合わせから，測定誤差が最小となる

on

波長

297.69nm, off

波長

297.39nm

を 最 適 波 長 と す る こ の

2

波長において，

2.3

のモデル全区間の気温を

298Kと設定した場

合 、

DIAL

測定値は

29.98ppm

となり設定値

30ppmとの誤差は0.04％となることが分かった．

今回，

HTTRAN

より取得したデータにA

(JI

△

T

が全く同値である

2

波長がなかったため，△(

JI

△

T

が近しい

2

波長を選択したそのため，前述の誤差が生じたと考えられる取得したデー タ上の最適波長組での△(

JI

△

Tの影密は無視できるレベルなので，誤差0

になる波長組がそれ に近いところにあるのは自明である

297.69nm  296.0 

[ E u ]  

296.5 

q : : i 6 u a 1 a l

AeM 

297.0 

297.5 

298.0  296.0 

297.

3 9 n 3  

‑ 15 

10 

E r r o r  

n 5 ]  

5 

゜

296.5 297.0  Wavelength 

297.5 

[nm) 

298.0 

図

6 500m

地点における

60K

の温度差から得られる測定誤差

図

4

，図

5に決定した最適波長を加えたものを図7,

図

8

に示す．図

6,

図

7,

図

8より，

的／△Tが小さい箇所 ( 296

.

6

nm

など）は

S02

の吸収が強く測定精度に影密を及ぼし，誤差が 大きくなってしまう

．また， S02

の吸収が弱 い箇所 ( 297

.

5n

m

など）は△

cr

/ △

Tが大

きいため 測定精度に影態を及ぼし，誤差が大きくなってしまう ．以上のことか ら，最適波長とする

2

波長 は今回のような箇所から選択されたと考える ．

8 8   1 1  

︱

︱

︱  

E E  

0 0   2 0   1 1  

[‑

0E

lN

E3

] 

297.39nm  297.69nm 

: 8 . 0 0 E

‑

19 

§ 

g ^U') 

^{6 . 0 0 E ‑ 1 9}  

g 

~

4 . 0 0 E ‑ 1 9   298K 

. g  

^318K 

e 

_{c5  2.00E‑19  ‑338K} 

差 ー

^358K

O.OOE+OO 

294  294.5  295 

2 9 5 . 5   296  2 9 6 . 5   297 

297.5  298 

Wavelength  (nm] 

図

7

各温度における

S02

吸収断面稼と最適波長

1.6E

‑25 

1

.

4E

‑25  1 . 2 E ‑ 2 5  

‑

ヽ

: 

lE‑25  8E‑26 ・

 ・

＜］b  

6E‑26  4E‑26  2E‑26 

゜ 294  294.5  295 

297.39nm  297.69nm 

295

.

5  296  296.5  297  297.5  298 

Wavelength [nm] 

図

8

各波長における

S02

吸収断面栢の温度依存性△c r / △

T

と最適波長

1

7 

3 . 2 波長依存性による影響の評価

DIAL

測定では

2

波長の差が大きいと

DlAL

方程式で示したように後方散乱係数 P や消散 係数

a

などの波長依存するパラメータが測定精度に影孵する

．そこで，波長依存性を無視し

た場合と波長依存性を考應した場合で

，DIAL

方程式の波長依存性による影密について検討

した．

波長依存性を考慮した場合の距離

Rl,R2

間の平均気体濃度

n[/m

りは

1  P

。

ttCR2)P0n(Rl)(J

。

ff(R2)(J

。

n(Rl)

n 

= 

2△(J△r

卜

^(P

^。

^ff(R1)P

^。

^n(R2)

） ‑

^ln 

((J。ff(R1)(J。~)]- x-Y-Z

で与えられる

［5].

ここで，

x

＝竺皿

L

△a 

aero  ^N[G△6[G 

△a 

Y =  _△6 

'z  = 

_△6 

(5) 

である

．

△ 屯

no!

： 大気分子の消散係数の

on

波長と

off

波長の差， △

O.aero

:エアロゾ

J

レの消散係

数の

on

波長と

off

波長の差，

N1G：

干渉する測定対象外の気体 の濃度[

Im

汀 ， △

6IG：

干渉する

測定対象外 の気体の

on

波長と

off

波長の差分吸収断面租[

rn2]

の差である

．なお

，受信信号

以降の項は全て波長依存するため，選択した

2

波長の差が大き い場合は波長依存性を考廊

する 必要 が あ る ま た ，

Y

はエアロゾルの消散係数を用いているため不安定な要素となる ．

本研究では，エアロゾ

J

レのモデルを一様 と し た

3.1で決定した最適波長on

波長

297.69nm, off

波長

297.39nm

における

500m

地点での

S02

濃度の設定値

30pprn

との誤差を表

4

に示す．

表

4

より

，

決定した最適波長

on

波長

297.69nm,off

波長

297.39nm

において

，

設 定 値

30ppm

との誤差は波長依存性を無視した場合

0.04%，

波長依存性を考慮した場合

0.05％であること

が 分 か っ た い ず れ も ト ー タ ル の 目 標 で あ る

10％の精度に対して小さな値であるため，本

研究では最適波長の組み合わせにおける波長依存性は考慮しなくても問題ないことが示さ れ た

表4

最適波長の組み合わせにおける

500m

地点での設定した

S02

濃度との誤差

DIAL測

定値

[ppm]

設定値との

DIAL測

定値

[ppm]

設定値との

（波長依存性無視） 誤 差［

％］ （

波長依存性考慮） 誤 差［

％］

29.99  0.04  29.99  0.05 

19 

4 . 高濃度区間におけるトータルの測定誤差

4 . 1  500m 地点におけるトータルの測定誤差

2.3

の条件において，最適波長における式(

3)

を用いて

SN

から得られる統計誤差，また，

噴気付近の平均温度

418K

における誤差（温度依存性による誤差）を算出し， トータルの誤 差が目標である

10

％以内に収まるか検討した．

3.1

で示した最適波長

on

波長と

off

波長の組 み合わせにおけるトータルの誤差を表

5

に示す．

表

5より， 3.1

で決定した最適波長

on

波長

297.69nm,off

波長

297.39nm

における

SN

から 得られる測定誤差は

1.26

％であり，吸収断面積の温度依存性による誤差

0.08

％を考揺しても トータルで

1.34％の誤差となるこのことから，目標である 10

％の精度に収めることが可能 であることが分かった

表

5

最適波長におけるトータルの誤差

DIAL

測定値 設定値との

lK

あたりの

418K

の

I

牧 気中 統計誤差 トータルの

[ppm] 

誤差［％ ］ 誤差［ ％ ］ の誤差［ ％ ］

［

％

］ 

誤差［ ％ ］

29.99  0.04  0.0007  0.08  1.26  1.34 

4.2

距離に対するトータルの測定誤差

2.3

の条件において，高濃度区間の

S02

濃度を

30ppm,l 5ppm, 5ppm

に変更した場合におけ るト

ータルの測定誤差を算出したなお，

トータルの測定誤差の算出は

4.1

と同様の方法で 行う．最適波長における距離に対するトータルの測定誤差を図

9

に示す．

図

9

より，

S02i

農度

15ppm,5ppm

においては，高濃度区間

400m600 m

で統計誤差が

10%

以内に収まっていることが分かった．

SO

げ農度

30ppm

では，距離が延びるほど急激に誤差 が増加することも分かった．

1000 

，° ↓  100 

゜

~ ^↑ 

測

踵

₁₀ 

彼

c 

. 一

、.

e  ニ

_ヘ ¹ 

々 l 

.J.. 

0.1 

0.01 

＼ ー＇

400 

ー 30ppm

‑ 15ppm  ー Sppm

450  500 

距 離

[m]

図

9

距離に対するトータルの測定誤差

21 

550  600 

5 .  Nd:YV04 レーザ

5 . 1 概要

Nd:YV04レーザは，物理的・光学的 ・

機械的特性に俊れており ，高出カ ・ 高安定などの 特徴がある ．

LD

励起固体レーザ用としては効率的なレーザの

1

つであり ， 従来の

SOrDIAL

は液体である色素レーザを用いているのに対し，

Nd:YY04レーザは固体であるためメンテ

ナンスも容易である

[6].

2

波長

Nd:YV04

レーザの概要図を図

10

に示す． ここで，

LO:

励起光源ポンヒ゜ ング波長

808nm, M :

ミラーである ．

LOI

で励起される

Nd:YV04

から

1064nm

が ，

LD2

で励起され る

Nd:YV04

から

1342nm

が そ れ ぞ れ 生 成 さ れ る こ の

2

波長は

M2

および

M3

で合波され

PPKTP

結晶に入射し ，和周波の

593nm

が生成される ． 和周波とは

2

次の非線形光学効果を 利用した振動分光法であり，

2

つの光を試料へ同時に照射することで

2

つの光の和の周波数 の 光 が 発 生 す る な お ，和周波は式の原理で生成される．

1  1  1 

—+-＝一

ふ

A2 入3

(6) 

また ，

BBO

結晶でこの第

2

高調波を取ることにより，

SOrDIAL

の光源

297nm

の紫外光を 得ることができるまた，パルス光生成のため

V3+:YAG

結晶のパッシプ

Q

スイッチを用い ることで，小型化

・

省電力化を図る

．従来のライダー観測ではアクティブQ

スイッチを使 用することが多かったが，今回は過飽和吸収体であるパッシプ

Qスイッチを使用する

．

LDl 

1342nm  LD2 

Nd:YV04 

M2  MS 

図

10 Nd:YV04

レ ーザの概要図

23 

5 . 2  2 波長 Nd:YV0 4 レーザの設計

593nm

の平均出力が

2W

以上となる

Nd:YV04

レーザーの設計を行う ． 結晶長

lci

を固定し，

1342nm

におけるビーム径を

R1=0.lcm, I 064nm

におけるビーム径を

R2=0.lcm

とした．

LDI, LD2

の平均出力をそれぞれ ow から

30W

まで変化させた時の和周波平均出力をシミュレー

ション し た．

LDI,LD2

の平均出力に対する和周波平均出力を図

11

に示す．

図

11

より ，

LDI

は

13W

で和周波平均出力の最大値をとり，

LD2

の変化に対して和周波 平均出力は単調増加している

．

尾根線（赤線）に注目すると，和周波平均出力の極値は直 線で近似ができ，

LDl

の平均出力を

ETl,LD2

の平均出力を

ET2

としたとき ，

EI= l.57E[ + 6.86  (7) 

で与えられる ． 式

(7)

の条件下において，和周波平均出力の最大値が

3W

となり，

DIAL

観測 に十分な出力を得ることが可能であることが分かった．

[ M ]

﹂

a

M o d : i n d : i n o   A , u a n b a J J _E ｀

n s  

3 . 5 

3 . 0  

2 . 5 

2 . 0 

1.5 

1 . 0 

6 .   DPSS レーザの発振波長の安定化

3.1

で決定した最適波長との差に対する

S02

濃度設定値

^30ppm

との誤差を図

¹²

に示す．

図

¹²

より，

^8.8pm

ずれると約

³

％の誤差が生じる ．これは，出力波長が決定した最適波長か らずれることにより

S02

吸収断面和の値もずれるため誤差が生じたと考えられる ．このこ とから，観測の際に波長がずれると目標とする士

¹⁰

％の精度に収まらない可能性が考えられ，

DPSSレーザの発振波長の安定が重要となる

．

3 

．> ． 

塁

^{0  2.5} 

謝

2 

臨 e 

. . l J  

1.5 

E 

c 

゜

^m CL  ¹ 

華 製

忍

IIIIa 0.5 

゜ ゜

^{ー 2  3  最適波長との差4  5} 

^[pm

^{]6  7  8} 

図

12

最適波長 との差に対する

S02

濃度設定値

30ppm

との誤差

25 

そこで， 試作機用に購入した市販の

DPSS

レーザ

(593nm)

の発振波長の温度依存性を検討 し た 購 入 し た

DPSS

レーザを図

13, DPSS

レーザの温調方法を図

14

に示す． 今 回 ペ ル チェ素子をアルミ板で挟み ，その上に

DPSS

レーザを固定し温調した ．

DPSS

レーザを温調

しない場合

・

温調した場合における発振波長の揺らぎを計測した

図

13

試作機用に購入した

DPSS

レーザ

DPSS 

P e l t i e r   Aluminum  Aluminum 

亡

TEC