散乱計

散乱計または拡散計は、空気などの媒体における拡散散乱によって散乱された光線またはレーダー波の反射を測定する科学機器です。可視光を使用する拡散計は、空港や道路沿いに設置され、水平視程を測定するために使用されます。レーダー散乱計は、電波またはマイクロ波を用いて、表面の正規化レーダー断面積（σ 0 、「シグマゼロ」または「シグマノート」）を測定します。気象衛星に搭載されて風速や風向を測定することが多く、産業界では表面粗さの分析に使用されます。

光学

空港の散乱計（または拡散計）。

光学拡散計は、気象学において光学距離、つまり水平視程を測定するために使用される装置です。光源（通常はレーザー）と受信機で構成されています。両者は35度の角度で下向きに設置され、共通の領域に向けられます。光線に沿った空気による横方向の散乱は、減衰係数として定量化されます。晴天時の減衰係数（霧など）からの逸脱が測定され、その逸脱は視程に反比例します（損失が大きいほど、視程は低くなります）。

これらの装置は、自動気象観測所で一般視程、空港の滑走路沿いで滑走路視程、道路沿いで視程状況を測定するのに使用されています。これらの装置の主な欠点は、送信機と受信機の間の非常に狭い範囲の空気中で測定が行われることです。したがって、報告される視程は、機器周囲の一般的な状況（例えば、総観霧）のみを反映したものであり、必ずしもそうとは限りません（例えば、霧が部分的に広がる場合）。

レーダー

レーダー散乱計

レーダー散乱計は、マイクロ波エネルギーのパルスを地表に向けて送信し、反射エネルギーを測定することで動作します。ノイズのみの電力を別途測定し、信号＋ノイズの測定値から差し引くことで、後方散乱信号電力を決定します。 シグマ0（σ⁰）は、分布目標レーダー方程式を用いて信号電力測定値から計算されます。散乱計は、正確な後方散乱測定を行うために、非常に精密に校正されています。

宇宙搭載型散乱計測の主な用途は、海洋上の近地表風の測定である。[ 1 ]このような機器は風散乱計として知られている。異なる方位角からのシグマ0測定値を組み合わせることで、風と後方散乱を関連付ける地球物理学的モデル関数（GMF）を用いて、海洋上の近地表風ベクトルを決定することができる。海洋上では、レーダーの後方散乱は風によって発生する毛細管重力波による散乱によって生じ、毛細管重力波は一般に海洋上の近地表風と平衡状態にある。散乱メカニズムはブラッグ散乱として知られており、マイクロ波と共鳴する波によって発生する。

後方散乱電力は風速と風向に依存します。異なる方位角から見ると、これらの波からの観測される後方散乱は変化します。これらの変化を利用して、海面風、すなわちその速度と方向を推定することができます。この推定プロセスは、「風の取得」または「モデル関数の逆変換」と呼ばれることもあります。これは、散乱計の後方散乱とベクトル風を関連付けるGMF（経験的または半経験的形式）の正確な知識に基づく非線形逆変換手順です。取得には、GMFを使用した角度多様性散乱計測定が必要です。これは、散乱計が異なる方位角から海面上の同じ地点の複数の後方散乱測定を行うことによって得られます。

ユーメトサットのメトップA衛星搭載のASCAT（先進散乱計）装置で撮影された、カテゴリー4の強度の台風ソウリックのスナップショット。

散乱計による風速測定は、大気海洋相互作用や気候研究に利用されており、特にハリケーンの監視に有用である。[ 2 ]散乱計の後方散乱データは、植生、土壌水分、極地氷、南極の氷山の追跡[ 3 ]、そして地球規模の変動[ 4 ]の研究に応用されている。散乱計の測定は、宇宙から砂丘や雪丘の上の風速を測定するために利用されてきた。地球外への応用としては、宇宙探査機を用いた太陽系の衛星の研究が挙げられる。これは特に、NASA/ESAの土星とその衛星へのカッシーニ計画において顕著である。

NASA、ESA、NASDAは、数世代にわたる風散乱計を宇宙に打ち上げてきました。最初の運用可能な風散乱計はSeasat散乱計（SASS）として知られ、1978年に打ち上げられました。[ 5 ]これはKuバンド（14GHz）で動作するファンビームシステムでした。1991年にESAは欧州リモートセンシング衛星ERS-1先進マイクロ波計測器（AMI）散乱計を打ち上げ、[ 6 ]続いて1995年にERS-2 AMI散乱計を打ち上げました。両方のAMIファンビームシステムはCバンド（5.6GHz）で動作しました。1996年にNASAはNASDA ADEOS I衛星に搭載してKuバンドファンビームシステムであるNASA散乱計（NSCAT）を打ち上げました[ 1 ] 。 [ 7 ] NASAは1999年にQuikSCATでSeaWindsとして知られる最初の走査型散乱計を打ち上げた。これはKuバンドで動作した。2番目のSeaWinds機器は2002年にNASDA ADEOS-2で打ち上げられた。インド宇宙研究機関は2009年にOceansat-2プラットフォームでKuバンド散乱計を打ち上げた。ESA とEUMETSATは2006年にMetop -Aに搭載して最初のCバンドASCATを打ち上げた。[ 8 ] 2016年に打ち上げられたCyclone Global Navigation Satellite System （CYGNSS）は、搭載レーダー送信機を使用するのではなく、地球表面からの全地球測位システム（GPS）信号の反射を分析するバイスタティックアプローチを使用する8つの小型衛星の群である。

植物学への貢献

散乱計は、陸地間の 植物相の強い類似性を説明するために、風による異方性（方向依存）の長距離拡散という、19 世紀半ばに遡る仮説を証明するのに役立ちました。

2004年5月にサイエンス誌に掲載された「南半球における長距離拡散媒体としての風」と題する論文では、1999年から2003年にかけてシーウィンズ散乱計で測定された風の方位角と風速の毎日の測定値が使用されました。その結果、植物相の類似性は地理的な近接性よりも風のつながりとより強い相関関係にあることが分かりました。これは、南半球では風が多くの生物の拡散媒体であるという考えを裏付けています。

半導体および精密製造

散乱計は、半導体や精密機械加工産業における研磨面やラッピング面の粗さの計測に広く利用されている。[ 9 ]散乱計は、従来の触針法に代わる高速で非接触な地形評価方法を提供する。[ 10 ] [ 11 ]散乱計は真空環境に対応し、振動の影響を受けにくく、表面処理やその他の計測ツールと容易に統合できる。[ 12 ] [ 13 ]

用途

国際宇宙ステーションにおけるISS-RapidScatの位置の図

地球観測衛星や搭載機器への利用例および運用開始時期： [ 14 ]

参考文献

  1. ^ a b F. Naderi、MH Freilich、DG Long（1991年6月）。「宇宙搭載レーダーによる海上風速測定：NSCAT散乱計システムの概要」 IEEE紀要。79 ( 6 ): 850–866。doi : 10.1109/5.90163。
  2. ^ PS Chang, Z. Jelenak, JM Sienkiewicz, R. Knabb, MJ Brennan, DG Long, M. Freeberg. 海洋警報・予報環境における衛星リモートセンシング海面ベクトル風の運用利用と影響,海洋学, 第22巻第2号, pp. 194–207, 2009.
  3. ^ KM StuartとDG Long、「SeaWinds Kuバンドマイクロ波散乱計を使用した大型板状氷山の追跡」、 Deep-Sea Research Part II、 doi： 10.1016/j.dsr2.2010.11.004、Vol.58、pp.1285–1300、2011年。
  4. ^ DG Long、MR Drinkwater、B. Holt、S. Saatchi、C. Bertoia. 散乱計画像データを用いた全球氷と陸地気候研究、 EOS、アメリカ地球物理学連合誌、第82巻、第43号、503ページ、2001年10月23日。
  5. ^ WL Grantham他「SeaSat-A衛星散乱計」 IEEE Journal of Oceanic Engineering、Vol. OE-2、pp 200–206、1977年。
  6. ^ E. Attema、「ERS-1衛星搭載用アクティブマイクロ波計測器」、 IEEE紀要、79、6、pp.791–799、1991年。
  7. ^ WY Tsai, JE Graf, C. Winn, JN Huddleston, S. Dunbar, MH Freilich, FJ Wentz, DG Long, WL Jones. NASA散乱計の打ち上げ後センサー検証および校正, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing , Vol. 37, No. 3, pp. 1517–1542, 1999.
  8. ^ J. Figa-Saldaña, JJW Wilson, E. Attema, R. Gelsthorpe, MR Drinkwater, A. Stoffelen. 気象実用プラットフォーム（MetOp）上の高度散乱計（ASCAT）：欧州の風散乱計の後継機、 Canadian Journal of Remote Sensing、第28巻、第3号、2002年6月。
  9. ^ John C. Stover. SPIE Optical Engineering Press、1995年 – 科学 – 321ページ。
  10. ^ Myer, G, et al (1988)「原子間力顕微鏡への新しい光学的アプローチ」、応用物理学論文集、53、1045–1047
  11. ^バウマイスター、セオドア他 (1967) 機械技術者のための標準ハンドブック. マグロウヒル, LCCN 16-12915
  12. ^ John M. Guerra. 「実用的な全統合型散乱計」, Proc. SPIE 1009, 表面測定と特性評価, 146 (1989年3月21日)
  13. ^ 「散乱計測法による粗さ測定」 ZebraOptical . 2016年12月30日閲覧。
  14. ^ 「散乱測定と海洋ベクトル風：衛星研究」フロリダ州立大学。 2016年12月30日閲覧。
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