散乱計

散乱計または拡散計は、空気などの媒体で拡散によって散乱された光線またはレーダー波の戻りを測定する科学機器です。可視光を使用する拡散計は、水平視程を測定するために空港や道路沿いに設置されています。レーダー散乱計は、電波またはマイクロ波を使用して、表面の正規化されたレーダー断面積(σ ⁰、「シグマゼロ」または「シグマノート」) を決定します。これらは、風速と風向を調べるために気象衛星に搭載されることが多く、業界では表面の粗さを分析するために使用されています。

光学

光学拡散計は、気象学で光学範囲または水平視程を調べ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ます。両方とも、共通の領域に向けて 35 度の角度で下向きに配置されます。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、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、一般的な視程を測定する自動気象観測所、滑走路視程を測定する空港の滑走路沿い、または視程状況を測定する道路沿いに設置されています。主な欠点は、送信機と受信機の間の非常に小さな空気量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、一般的な状況 (たとえば総観霧) における機器の周囲の一般的な状況のみを表します。常にそうであるとは限りません (たとえば、霧がまだらになっている場合)。

レーダー

レーダー散乱計は、マイクロ波エネルギーのパルスを地球の表面に向けて送信し、反射エネルギーを測定することによって動作します。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いて、後方散乱信号電力を決定します。シグマ-0 (σ⁰) は、分散ターゲットレーダー方程式を使用して信号電力測定値から計算されます。散乱計の機器は、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。

宇宙散乱計測の主な用途は、海洋上の地表付近の風の測定である。^{[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)を使用して、海洋表面上の地表付近の風の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、風によって生成された毛細管重力波からの散乱によって生じ、この毛細管重力波は一般に海洋上の地表付近の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から発生する。

後方散乱パワー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た後方散乱は異なります。これらの変化を利用して、海面風、つまりその速度と方向を推定できます。この推定プロセスは、「風の取得」または「モデル関数の反転」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反転手順です。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、異なる方位角から海面の同じ場所の複数の後方散乱測定を行う散乱計によって提供されます。

散乱計による風の測定は、大気と海の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効です。^[2]散乱計の後方散乱データは、植生、土壌水分、極地の氷、南極の氷山の追跡^[3]、地球規模の変化^[4]の研究に利用されています。散乱計の測定は、宇宙から砂丘や雪丘の上の風を測定するために使用されています。地球外への応用としては、宇宙探査機を使用した太陽系の衛星の研究があります。これは特に、土星とその衛星への NASA/ESA カッシーニミッションの場合に当てはまります。

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 Scatterometer (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衛星に搭載されたKuバンドファンビームシステムであるNASA Scatterometer (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ました。これはKuバンドで動作しました。 2基目のSeaWinds機器は、2002年にNASDA ADEOS-2に搭載されて打ち上げられました。インド宇宙研究機関は、 2009年にOceansat-2プラットフォームにKuバンド散乱計を搭載して打ち上げました。ESA とEUMETSATは、 2006年に Metop -Aに搭載して最初のCバンドASCATを打ち上げました。^[8] 2016年に打ち上げられたサイクロン全地球航法衛星システム（CYGNSS）は、搭載されたレーダー送信機を使用するのではなく、地球の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つの小型衛星のコンステレーションです。

植物学への貢献

散乱計は、陸地間の強い植物相の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Science誌に「南半球における長距離拡散手段としての風」というタイトルで発表された論文では、 1999 年から 2003 年にかけてSeaWinds 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。彼らは、植物相の類似性と風のつながりとの間には、地理的な近さよりも強い相関関係があることを発見しました。これは、南半球では風が多くの生物にとって拡散手段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プ面の粗さを測定する計測に広く使用されています。^[9]散乱計は、従来の触針法に代わる高速で非接触の地形評価法を提供します。^[10]^[11]散乱計は真空環境に対応しており、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簡単に統合できます。^[12]^[13]

用途

地球観測衛星や搭載機器への使用例と運用開始日: ^[14]

ADEOS I搭載の NSCAT (NASA 散乱計) 装置(1996–97)
QuikSCATの SeaWinds 機器(2001–2009)
SCATSAT-1搭載の OSCAT-2 装置(2016 年打ち上げ)
Oceansat-2の SCAT 機器(2009–2014)
国際宇宙ステーションにおけるISS-RapidScat （2014～2016年）
MetOp衛星のASCAT
CYGNSS衛星群（2016年打ち上げ）

参考文献

^ ab 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。
^ PS Chang、Z. Jelenak、JM Sienkiewicz、R. Knabb、MJ Brennan、DG Long、およびM. Freeberg。海洋警報および予報環境における衛星リモートセンシング海洋表面ベクトル風の運用上の使用と影響、海洋学、第22巻、第2号、pp. 194〜207、2009年。
^ KM Stuart および DG Long、「SeaWinds Ku バンドマイクロ波散乱計を使用した大型の表層氷山の追跡」、Deep-Sea Research Part II、doi :10.1016/j.dsr2.2010.11.004、第 58 巻、pp. 1285–1300、2011 年。
^ DG Long、MR Drinkwater、B. Holt、S. Saatchi、C. Bertoia。散乱計画像データを使用した全球氷および陸地気候研究、EOS、アメリカ地球物理学連合の取引、第82巻、第43号、503ページ、2001年10月23日。
^ WL Grantham他「SeaSat-A衛星散乱計」IEEE Journal of Oceanic Engineering、Vol. OE-2、pp 200–206、1977年。
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^ 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のセンサー検証と較正、IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、第37巻、第3号、pp. 1517–1542、1999年。
^ J. Figa-Saldaña、JJW Wilson、E. Attema、R. Gelsthorpe、MR Drinkwater、および A. Stoffelen。気象運用 (MetOp) プラットフォーム上の高度な散乱計 (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。
^ John C. Stover. SPIE Optical Engineering Press、1995年 – 科学 – 321ページ。
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^ 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。McGraw-Hill、LCCN 16-12915
^ John M. Guerra. 「実用的な全統合型散乱計」、Proc. SPIE 1009、表面測定および特性評価、146 (1989 年 3 月 21 日)
^ 「散乱測定法による粗さ」ZebraOptical . 2016年12月30日閲覧。
^ 「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。

外部リンク

NASA/JPL 物理海洋学ウェブサイト
ESA 散乱計サイト
散乱計気候記録の先駆者
NOAA 天気サイト

[Naderi1991-1] 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、およびM. Freeberg。海洋警報および予報環境における衛星リモートセンシング海洋表面ベクトル風の運用上の使用と影響、海洋学、第22巻、第2号、pp. 194〜207、2009年。

[3] KM Stuart および DG Long、「SeaWinds Ku バンドマイクロ波散乱計を使用した大型の表層氷山の追跡」、Deep-Sea Research Part II、doi :10.1016/j.dsr2.2010.11.004、第 58 巻、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使用した全球氷および陸地気候研究、EOS、アメリカ地球物理学連合の取引、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衛星搭載の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のセンサー検証と較正、IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing、第37巻、第3号、pp. 1517–1542、1999年。

[8] J. Figa-Saldaña、JJW Wilson、E. Attema、R. Gelsthorpe、MR Drinkwater、および A. Stoffelen。気象運用 (MetOp) プラットフォーム上の高度な散乱計 (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。McGraw-Hill、LCCN 16-12915

[12] John M. Guerra. 「実用的な全統合型散乱計」、Proc. SPIE 1009、表面測定および特性評価、146 (1989 年 3 月 21 日)

[13] 「散乱測定法による粗さ」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。