研究開発代表者）　西澤智明研究開発分担者）　杉本伸夫 、松井一郎　　 国立環境研究所　大気環境研究領域

環境研究総合推進費平成22年度終了予定課題成果発表会 [B0803課題]

次世代大気モニタリングネットワーク用多波長高スペクトル分解ライダーの開発

何を開発するのか？

Nd:YAGレーザーの３波長(1064, 532, 355nm)を用いて、

大気汚染粒子を識別する

昼夜自動連続測定可能・小型の高スペクトル分解ライダーの開発

開発するライダーの測定要素　　2波長(532, 355nm)での消散係数　　3波長(1064, 532, 355nm)での後方散乱係数　　2波長(1064, 532nm)での偏光解消度

発表内容

１　全体概要　　・背景　　・研究計画２　これまでの成果　　・サブテーマ１：システムとデータ処理手法の設計　　・サブテーマ２：自動波長同調システムの開発３　まとめと今後の予定　　　

背景

大気汚染の広域化→　国際協力の下でのネットワーク的観測・監視

現在のライダーネットワーク：『黄砂モニタリングネットワーク』

次世代のライダーネットワークに求められる要素　大気汚染粒子（＋黄砂）の定量測定　　●　エアロゾル種の分離測定（硫酸塩、煤、黄砂、海塩など）

→　マルチチャンネル測定

　　●　硫酸塩と煤の分離測定→　消散係数の測定

→　高スペクトル分解ライダー

　常時監視ネットワーク→　自動連続測定・小型

消散係数の測定原理

エアロゾルからの散乱信号

信号強度 信号強度

空気の分子からの散乱信号

散乱と消散

エアロゾル

空気の分子

消散散乱

高スペクトル分解ライダー技術 I

スペクトル幅の狭いレーザ

レーザーのスペクトル 散乱された光のスペクトル

エアロゾルの散乱

空気の分子の散乱（ドップラー広がり）

波長 波長

高スペクトル分解ライダー技術 II

ヨウ素フィルター(532nm)

波長

ファブリペロ干渉計(355nm)

波長

散乱された光のスペクトル

狭帯域光学フィルター

狭帯域レーザー: injection-seeded, Nd:YAG laser (1064, 532, 355nm)

Iodine filter (532nm)[Liu et al. 1999]

λ

Etalon (355nm)[Imaki et al. 2005]

Backscattered light spectrum

ParticleMolecule

(Doppler broadening)

λ

本研究のHSRL技術

大気汚染粒子の定量的なデータを常時取得

広域ネットワーク観測→　越境大気汚染等の動態把握

本研究で開発されるライダー　小型・自動連続運転・エアロゾルタイプを識別

国際協調の下で　・実態把握・データ共有　・対策効果の検証

対策立案

環境施策（大気汚染）

本研究実施後のアウトプット・環境施策への貢献

アウトプット

数値モデル（大気汚染）

検証４次元同化

知見の提供

発表内容

１　全体概要　　・背景　　・研究計画２　これまでの成果　　・サブテーマ１：システムとデータ処理手法の設計　　・サブテーマ２：自動波長同調システムの開発３　まとめと今後の予定　　　

開発項目[サブテーマ1]　システム設計と構築　　送受信系の適切な光学設計とシステムの構築

　

　データ解析手法の開発　　消散係数、後方散乱係数、偏光解消度　　を自動抽出する手法の開発

[サブテーマ2]　自動波長同調システムの開発　　レーザー、ヨウ素フィルター、　　ファブリペロ干渉計の自動波　　長同調システムを開発

開発するライダーシステムの概要

研究計画

H20年度 H21年度 H22年度

ヨウ素フィルターの吸収波長とレーザ波長の自動同調システム（レーザー波長固定手法）

ファブリペロ干渉計の透過波長とレーザ波長の自動同調システム

個々の同調システムを統合、性能評価

サブテーマ2（自動波長同調システムの開発）

・システム全体の設計・532nmHSRL・1064nmチャンネル・355nmラマンチャンネル

355nmHSRLシステムの構築

データ自動処理システムの構築、性能評価

サブテーマ1（システムと・データ処理手法の設計）

全体の流れ ライダーシステムの構築（設計・組み立て） 実測・解析・性能評価

直接＋間接経費

3000万円・532HSRLシステム・1064チャンネル・ラマンチャンネル・レーザー借料

3000万円・355HSRLシステム・レーザー借料

1300万円・成果公表費・消耗品・ソフトウェア・HD・レーザー借料

発表内容

１　全体概要　　・背景　　・研究計画２　これまでの成果　　・サブテーマ１：システムとデータ処理手法の設計　　・サブテーマ２：自動波長同調システムの開発３　まとめと今後の予定　　　

研究計画

H20年度 H21年度 H22年度

ヨウ素フィルターの吸収波長とレーザ波長の自動同調システム（レーザー波長固定手法）

個々の同調システムを統合、性能評価

サブテーマ2（自動波長同調システムの開発）

・システム全体の設計・532nmHSRL・1064nmチャンネル・355nmラマンチャンネル

355nmHSRLシステムの構築

データ自動処理システムの構築、性能評価

サブテーマ1（システムと・データ処理手法の設計）

全体の流れ ライダーシステムの構築（設計・組み立て） 実測・解析・性能評価

直接＋間接経費

3000万円・532HSRLシステム・1064チャンネル・ラマンチャンネル・レーザー借料

3000万円・355HSRLシステム・レーザー借料

1300万円・成果公表費・消耗品・ソフトウェア・HD・レーザー借料

ファブリペロ干渉計の透過波長とレーザ波長の自動同調システム

受信系（355nmHSRL)

システムの組み立て

小型コンテナ

全体（1階&2階）

受信系（532HSRL, 1064nm)一階部分全体

Preliminary measurement IHalf day measurement (17LT Aug. 20 ~ 9LT Aug. 21)

at Tsukuba (140.12E, 36.05N), JapanMeasured signals

P532,Mie+Ray

P1064

δ532

Derived particle opt. prop.Backscatter [/km/sr]

Extinction [/km]

Extinction / Backscatter [sr]

Particle depolarization ratio

Cloud

P532,Ray

発表内容

１　全体概要　　・背景　　・研究計画２　これまでの成果　　・サブテーマ１：システムとデータ処理手法の設計　　・サブテーマ２：自動波長同調システムの開発３　まとめと今後の予定　　　

研究計画

H20年度 H21年度 H22年度

ヨウ素フィルターの吸収波長とレーザ波長の自動同調システム（レーザー波長固定手法）

個々の同調システムを統合、性能評価

サブテーマ2（自動波長同調システムの開発）

・システム全体の設計・532nmHSRL・1064nmチャンネル・355nmラマンチャンネル

355nmHSRLシステムの構築

データ自動処理システムの構築、性能評価

サブテーマ1（システムと・データ処理手法の設計）

全体の流れ ライダーシステムの構築（設計・組み立て） 実測・解析・性能評価

直接＋間接経費

3000万円・532HSRLシステム・1064チャンネル・ラマンチャンネル・レーザー借料

3000万円・355HSRLシステム・レーザー借料

1300万円・成果公表費・消耗品・ソフトウェア・HD・レーザー借料

ファブリペロ干渉計の透過波長とレーザ波長の自動同調システム

開発するライダーシステムの概要

18

波長調整システムのコンセプト

１）レーザー波長をヨウ素吸収線に固定する（レーザー波長固定手法）

２）エタロンの透過波長をレーザー波長に合わせる（エタロン透過波長調整手法）

ヨウ素フィルターの吸収波長とレーザー波長の自動同調システム I

レーザー

ピンホール

PC ADC

送信温度制御

装置 検出器

AOM

AOM

I2cell

＋側へシフト

−側へシフト

吸収線の中心波長

ピンホール

AOM

ヨウ素フィルター

検出器

使用する吸収線No.1111: 532.2419(nm)No. 1110: 532.2449(nm)

1111

1110

ファブリペロ干渉計の透過波長とレーザー波長の自動同調システム

エ タ ロ ン

検出器1

1m(集光径D=4mm)

検出器2

圧力調整装置

エタロン

穴空きミラー検出器１

１m

加圧

穴空きミラーの設置箇所にできる信号強度のパターンを再現

4mm

4mm

穴空きミラー(D= 3mm)

Finness = 10FSR = 5GHz

ファブリペロ干渉計の透過波長とレーザー波長の自動同調システム

Measured signalsSimulated signals

Maximum transmittance for Mie scatter

Preliminary measurement IIOne day measurement (17LT Dec. 18 ~ 13LT Dec. 19)

P532,Mie+Ray

P1064

δ532

P532,Ray

Backscatter [/km/sr]

Extinction [/km]

Extinction / Backscatter [sr]

Particle depolarization ratio

δλ ~ ±0.1pm(at 532nm)

レーザー波長固定

ΔZ=180mΔT=30min

Cloud

Preliminary measurement II (355nm)

Range corrected P(mirror)

Range corrected P(hole)

Range corrected P(Mie+Ray)

Z = 1km

ΔZ=6m, ΔT=15min

+ Raman 387nm

Preliminary measurement III (355nm)12/18 pressure = 3.5kpa ケース　（透過率大）

測定値

ΔZ=6m, ΔT=15min

Mie ABC & Ray ABC 後方散乱係数 β

エアロゾル　Z = 0.5 ~ 1.0 km : β~0.005 , α ~ 0.35, => S ~ 70sr　Z ~ 1.2 km : β~0.002 , α ~ 0.07　　　　 => S ~ 35sr　Z ~ 1.8 km： β~0.004 , α ~ 0.18　　　　 => S ~ 45sr

Note:　後方散乱係数 β : km-1sr-1

　消散係数α：　km-1

これまでの成果公表

◯　査読付き論文・proceedings (7)Nishizawa, T., et al., Geoscience and Remote Sensing, IEEE Transactions, 46, 4094-4103, 2008.Nishizawa, T., et al., 24th International Laser Radar Conference, 361-364, 2008.Sugimoto, N., et al., 24th International Laser Radar Conference, 192-195, 2008.Nishizawa, T., and N. Sugimoto,, Earozoru Kenkyu, 24, 242-249, 2009.Nishizawa, T., et al., 25th International Laser Radar Conference, 903-906, 2010.Nishizawa, T., et al., J. Quant. Spectro. Rad. Trans., 112, 254-267, 2010.Nishizawa, T., et al., SPIE Asia-Pacific Remote Sensing, in print, 2011.

◯　学会（9）Nishizawa, T., et al., 24th International Laser Radar Conference, USA, 2008.Sugimoto, N., et al., 24th International Laser Radar Conference, USA, 2008.西澤智明ら,　日本気象学会 2008年度秋季大会, 茨城県, 2008.西澤智明ら,　第27回レーザセンシングシンポジウム, 栃木県、2009.Nishizawa, T., et al., 25th International Laser Radar Conference, Rusia, 2010.Nishizawa, T., et al., 3rd APRS, Korea, 2010.西澤智明ら　第28回レーザセンシングシンポジウム, 滋賀県, 2010.Nishizawa, T., et al., SPIE Asia-Pacific Remote Sensing, Korea, 2010.Nishizawa, T., et al., A-Train symposium, USA, 2010.

◯　受賞（１）Nishizawa, T., et al., 平成22年度　広野賞　レーザレーダ研究会 (第28回レーザーセンシングシンポジウム）　

発表内容

１　全体概要　　・背景　　・研究計画２　これまでの成果　　・サブテーマ１：システムとデータ処理手法の設計　　・サブテーマ２：自動波長同調システムの開発３　今後の予定　　　

今後の方針

◯　測定データの蓄積

◯　残った課題の処理　・ファイバースクランブラーの検討　・自動データ処理プログラムの構築　・性能評価（NIES 532HSRL、387nmラマンとの比較）

◯　多波長HSRLから導出された光学パラメタを用いた

　　　エアロゾル分類推定解析　　４種エアロゾル（硫酸塩、ブラックカーボン、ダスト、海塩）の分類

・４種エアロゾルの消散係数鉛直分布・３種エアロゾルの粒径（硫酸塩、ブラックカーボン、海塩）　　　

アクションアイテム

データ解析手法の概念設計（エアロゾル種導出）

要検討項目の選別・検討 部品の選定

レーザー波長可変性 PMT, APD ADコンバータ

望遠鏡

ファイバースクランブラー

ヨウ素吸収線の選別

部品の購入

1064nm偏光測定部の組み立て

532nm偏光測定部の組み立て

コンテナの準備

レーザー波長可変特性試験

ヨウ素セル

ファイバースクランブラー特性試験

AOモジュ

レーター

ミラー、レンズ、フィルター

システム全体の概念設計

キーコンポーネントの設計

エタロン

エタロン透過波長可変性 マウント

システム全体のレイアウト

355nmHSRLの組み立て

レーザー波長固定システム組み立て

自動化プログラムの作成

自動化へ向けた基礎データ取得（ヨウ素吸収線のスペクトル）

レーザー PMTAPD

ADCPC

オプティカルベンチ

望遠鏡

ミラー、レンズ、フィルター ファイバー

エタロン・レーザ波長同調システム組み立て

自動化プログラムの作成

自動化へ向けた基礎データ取得（エタロン透過スペクトル）

エタロン透過波長可変特性試験

フォトンカウンター

エタロン圧力・温度調整装

置エタロン

532nmHSRLの組み立て

532HSRL(NIES)との実測比較自動化プログラムの作成

データ処理手法の検討とプログラム作成

387nmラマン測定との実測比較

青：H20の課題緑：H21の課題桃：H22の課題

387nmラマン信号測定部組み立て

アクションアイテム

データ解析手法の概念設計（エアロゾル種導出）

要検討項目の選別・検討 部品の選定

レーザー波長可変性 PMT, APD ADコンバータ

望遠鏡

ファイバースクランブラー

ヨウ素吸収線の選別

部品の購入

1064nm偏光測定部の組み立て

532nm偏光測定部の組み立て

コンテナの準備

レーザー波長可変特性試験

ヨウ素セル

ファイバースクランブラー特性試験

AOモジュ

レーター

ミラー、レンズ、フィルター

システム全体の概念設計

キーコンポーネントの設計

エタロン

エタロン透過波長可変性 マウント

システム全体のレイアウト

355nmHSRLの組み立て

レーザー波長固定システム組み立て

自動化プログラムの作成

自動化へ向けた基礎データ取得（ヨウ素吸収線のスペクトル）

レーザー PMTAPD

ADCPC

オプティカルベンチ

望遠鏡

ミラー、レンズ、フィルター ファイバー

エタロン・レーザ波長同調システム組み立て

自動化へ向けた基礎データ取得（エタロン透過スペクトル）

エタロン透過波長可変特性試験

フォトンカウンター

エタロン圧力・温度調整装

置エタロン

532nmHSRLの組み立て

532HSRL(NIES)との実測比較自動化プログラムの作成

データ処理手法の検討とプログラム作成

青：H20の課題緑；H21の課題桃：H22の課題

黄：終了

387nmラマン信号測定部組み立て

自動化プログラムの作成

387nmラマン測定との実測比較

NIES algorithms

[Bac

ksca

tter]

532532

1064 Sea-salt

Dust

[Depolarization]

Air-pollution

2+1 data[Nishizawa et al., 2007, 2010]

Air-pollution (SF-NT-OC-BC)

Sea-salt

Dust

Dust

BC

SF-NT-OC

[Bac

ksca

tter]

532

532

1064

[Extinction]

1α+2 data[Nishizawa et al., 2008]

Dust

BCSF-NT-OC

532

532

1064

532

Algorithm using 1+2+1 data

Sea-salt

Dust[Depolarization]

SF-NT-OC

[Bac

ksca

tter]

[Exti

nction]

BC

●Extinction coefficients for 4 aerosol components at each layer

Assumption:1)External mixture of 4 components2)Lognormal size distribution3)Mode radius4)Refractive index5)Spheroid for dust

532

532

1064

532

Algorithm using 2+3+2 data

Sea-salt

Dust[Depolarization]

SF-NT-OC

[Bac

ksca

tter]

[Exti

nction]

BC

355

1064355

●Extinction coefficients for 4 aerosol components at each layer●Mode radii for 3 aerosol components at each layer

(SF-NT-OC, sea-salt, dust

Assumption:1)External mixture of 4 components2)Log-normal size-distribution3)Refractive index4)Spheroid for dust

ライダーネットワーク

国立環境研究所のライダーネットワーク

消散・後方散乱・偏光

後方散乱

散乱

球形（硫酸塩等）

非球形（黄砂）

消散・後方散乱

入射光は減衰

偏光

エアロゾル識別の原理

消散

後方

散乱

532 1064

355

532

1064

煤硫酸塩等

海塩 ダスト

355

532

偏光

後方

散乱

532

532

1064

煤

海塩 ダスト

偏光解消度

硫酸塩等

従来のライダー（黄砂モニタリングネット

ワークのライダー）

３種エアロゾルの濃度

　　開発するライダー

・４種エアロゾルの濃度・３種エアロゾルのサイズ