(57)【要約】  ヒドロキシル（ＯＨ＊）大気光から中間圏界面領域内の温度を導出するために、ＯＨ＊発光の３本のラインの強度および基本位置の強度が、地上赤外分光計を用いて夜間に測定され、調和解析の形でのスペクトル解析を用いておよびローレンツ分布とドップラ分布の組合せの形で実施されるフォークト関数を使った適合化を用いて、測定されたＯＨ＊強度上に重畳された白色雑音を除去することにより、雑音を含んだＯＨ＊スペクトルを平滑化する。統計上の特徴的変数を用いることによって、および２つの方法、調和解析関数またはフォークト関数、のうちの１つを選択することによって、得られた平滑化済みスペクトルの原初スペクトルに対する適合化の質についての決定が下され、これにより温度が正確に決定される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒドロキシル（ＯＨ＊）大気光からの中間圏界面領域内の温度の導出を標準化するための方法であって、ＯＨ＊発光の３本のラインの強度および基本位置の強度を、地上赤外分光計を用いて夜間に測定する方法において、
ａ）  調和解析の形でのスペクトル解析方法を用いて、またはローレンツ分布とドップラ分布の組合せの形で実施されるフォークト関数を使った適合化を用いて、測定されたＯＨ＊強度上に重畳された白色雑音を除去することにより、雑音を含んだＯＨ＊スペクトルを平滑化すること、そして
ｂ）  統計上の特徴的変数を用いることによって、および２つの方法、調和解析関数またはフォークト関数、のうちの１つを選択することによって、得られた平滑化済みスペクトルの原初スペクトルに対する適合化の質についての決定が下され、それにより温度が正確に決定されること、
を特徴とする方法。
【請求項２】
調和解析において、スペクトルの強度の展開が、とりわけ等式（４）
【数１】
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という最小二乗法を使用することによって推定され、上式中、ｙｔは時点ｔにおけるＯＨ＊強度値を表わす
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
フォークト関数が、とりわけ等式（６）、
【数２】
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にしたがって実施され、上式中、ｆは周波数を表わし、ｆ０はラインの中心を表わし、αＬはローレンツ半値幅を、αＤはドップラ半値幅を表わし、ｆ’はそれを介して積分が実施されるダミー変数を表わしている
ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
平滑化されたスペクトルに基づいて、各スペクトルの構造の規定検査（ｄｅｆｉｎｅｄ  ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ）が、擾乱を受けたスペクトルの区別によって実施されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒドロキシル（ＯＨ＊）大気光からの中間圏界面領域内の温度の導出を標準化するための方法であって、ＯＨ＊発光の３本のラインの強度および基本位置の強度を、地上赤外分光計を用いて夜間に測定する方法に関する。
【０００２】
中間圏界面領域内の温度を測定するためには、オゾンと原子状水素の発熱反応により生成され垂直方向に約８キロメートルの拡がりを有し実質的に８７キロメートルのところにその重心をもつ励起されたヒドロキシル分子ＯＨ＊の層が中間圏界面の高度領域内に存在しているという状況を使用する（図１参照）。励起されたＯＨ＊分子は、可視および近赤外波長範囲内の放射線を放射する。近赤外範囲内におけるＯＨ＊（３，１）バンドの回転−振動遷移の発光は、それぞれ地上赤外分光計ＧＲＩＰＳ（地上赤外Ｐ−ｂｒａｎｃｈ分光計）を使用することによって、夜間に検出可能である。
【０００３】
温度の決定は、次の発熱反応：
【数１】
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により生成されたＯＨ＊分子の発光スペクトルを検査することによって実施される。
【０００４】
この反応によって放出される３２２ＫＪ／ｍｏｌのエネルギーは、分子を励起させてこれらが振動および回転振動させるのに充分なものであるが、電子的には分子はその基本状態にある。高い振動レベルから基本状態への連続的遷移の間、可視および赤外波長範囲内の放射線が放射される。
【０００５】
このプロセスにおいて、△ｖ＝２での遷移は最大の強度を有する。１．５２μｍと１．５５μｍのスペクトル範囲内にあるＯＨ＊（３，１）遷移（図２参照）は、これらの遷移内ではいわゆる「非局所的熱力学平衡（ＮＬＴＥ）効果」が無視できるものであることから、温度決定にとって特に有用である。従って、このような測定から検出された回転温度は、運動温度と直接関係する。
【０００６】
図２では、１．２μｍ〜１．７μｍの範囲内の大気光スペクトルが示されている。さらにここでは、ＯＨ＊振動バンド（５，３）、（４，２）、（３，１）、（２，０）、（８，５）および（７，４）が示されている。温度決定のために用いられる３つのＯＨ＊発光ラインには矢印が付いている。
【背景技術】
【０００７】
発光測定からのＯＨ＊分子の回転温度−ひいては環境の運動温度−の導出は、ＯＨ＊分子のｖ’３からｖ’’１までの遷移の発光強度Ｉとその回転温度Ｔｒｏｔの間の以下の相互関係を用いて得られる：
【数２】
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式中、
Ｉ（…）は、ｖ、Ｊ、ｉにより定義づけされる遷移の強度であり〔光子ｓ−１・ｃｍ３〕、
Ｎｖ’は、状態ｖ’の占有数であり〔ｃｍ−３〕、
Ａ（…）は、自然発光についてのアインシュタイン係数であり〔ｓ−１〕、
ｉは、二重分岐（ｄｏｕｂｌｅｔ  ｂｒａｎｃｈ）の記号であり、
ｖは、振動レベルの記号であり、
Ｊは、回転パルス量子数であり、
Ｑｖ’（Ｔｒｏｔ）は、回転状態の和であり、
Ｆｉ、ｖ’（Ｊ’）は、振動レベルｖ’に関する回転レベルの項値であり〔ｃｍ−１〕、
ｋは、ボルツマン定数＝０．６９４８ｃｍ−１Ｋ−１であり、そして
Ｔｒｏｔは、回転温度である〔Ｋ〕。
【０００８】
値Ｎｖ’およびＱｖ’（Ｔｒｏｔ）は、検出が困難であるが、ここで論述される３つの遷移全てについて等しい。これらの値を知ることなく所望の結果に達するために、まず等式２を次のものに変換する：
【数３】
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式中、
【数４】
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である。
【０００９】
測定された３つの遷移Ｐ１（２）、Ｐ１（３）およびＰ１（４）の発光ラインについて、Ｆｉ、ｖ’（Ｊ’）に対しＩｎ（Ｉ（…）／〔２（２Ｊ’＋１）・Ａ（…）〕）がプロットされるものと想定される。その後、回帰ラインの勾配の逆数値としてＫ・Ｔｒｏｔを得るために線形回帰が実施される。ＯＨ＊分子の回転温度について得られた結果は、環境の運動温度を示す。
【００１０】
温度導出のためのここで記載された方法においては、温度を決定するには４つの測定値、特に１．５２４μｍ、１．５３３μｍおよび１．５４３μｍの波長におけるＯＨ＊発光の３本のラインの強度（図３）ならびに約１．５４７μｍでのグラウンド位置の強度だけで充分であることから、１．５２μｍと１．５５μｍの間の非常に小さい波長領域のみが対象となる。
【００１１】
連夜の測定期間の後、測定されたスペクトルは、その肯定的な有用性について目視検査され、必要であれば、「擾乱」スペクトルが除外される。ＯＨ＊強度には雑音が重畳され、このことから「良好な」スペクトルが合計されて全領域スペクトルを形成する。スペクトルを平均することにより、雑音削減効果が達成される。この合計スペクトルの中で、３本のＯＨ＊発光ラインの「ピーク」の最高値の位置ならびにすでに記載された最低点の位置が検出される。
【００１２】
次のステップ中、各々の個別スペクトル内で、最高値と最低値の位置がそれぞれ規定される。それらは、３本の発光ライン（３つの最高値）とバックグラウンド位置（１つの最低値）について先に合計スペクトル内で決定されたものである。かくして、重畳された雑音に起因して、決定された最高値がＯＨ＊ラインの現在の強度最高値に対応せず、雑音に基づくことになる可能性がある。このことは、温度誤差の増大を引き起こすことから、将来決定すべき温度値に対する多大な影響を有し得る。
【００１３】
個別スペクトルにおいて、その後これらの位置における強度が読みとられる。かくして、各スペクトルについて４つの強度値が得られ、そのうち４番目はバックグラウンド補正のためのバックグラウンド点を表わす。各スペクトルの中で、温度はこのとき３つの強度値から計算される。
【００１４】
しかしながら、中間圏界面領域内の温度を決定するための慣習的な方法は、ＧＲＩＰＳによって測定されたＯＨ＊強度に基づいて手作業で実施され、ゆえに、きわめて主観的な性質を帯びたものである。さらに、最先端の温度評価においては、信号雑音の問題を充分に考慮することができない；従って、強度に重畳された雑音によって計算上の温度値が完全に決定され、かくしてデータの精度の信頼性が制限されることになる可能性がある。
【００１５】
対流圏界面の特性を測定するため、独国特許第６９６  ２７  ８０４  Ｔ４号明細書（２００４年２月２６日）は、約１１８〜１１９ＧＨｚの周波数範囲をもつ周波数可変マイクロ波放射計を含む装置において、この放射計が入力信号としてマイクロ波信号と周波数選択信号を受取り出力信号として入力された周波数出力信号に対応する測定された周波数における測定されたパワーレベルを生成する装置について記載している。測定されたパワーレベルの最低値が生成されるような形で周波数選択信号を標的周波数へと変更するためにフィードバック制御が設定される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
かくして、本発明の目的は、測定データの評価の恒常的に均一な質が保証されている、ヒドロキシル（ＯＨ＊）大気光からの中間圏界面領域内の温度の導出を標準化する方法を提供することにある。本発明に従うと、これは、請求項１の前掲部に従った方法において、この請求項の特徴づけ部分の中で示された特徴により、可能になっている。請求項１に直接的にまたは間接的に従属する請求項の中で、有利な修正が規定されている。
【００１７】
本発明にしたがって実施される評価データの標準化は、温度の時系列を、例えば気候上の傾向などとは独立した形で客観的に検査できるという有利な結果を有する。同様に、ＧＲＩＰＳを用いて得られたデータは、完全に自動化された要領で、すなわち監視することなく、ひいてはいつでも使える状態で評価され得、ゆえに例えば、気候観測のため中間圏界面内で日常的な温度監視を実施する目的で世界的ネットワーク（中間圏界面変化の検出用ネットワーク、ＮＤＭＣ）内で、個々の測定計器の相容性を可能にする。
【００１８】
図面は以下の図を示す。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】約８７ｋｍの高度レベルでヒドロキシル分子（ＯＨ＊）により励起される層を示す、衛星クレマンチーヌ上から撮影した写真である。
【図２】１．２μｍ〜１．７μｍの範囲内の大気光スペクトルであり、横座標は波数（ｃｍ−１）を表わし、縦座標は相対強度を表わす。
【図３】１８０Ｋの回転温度における、ＧＲＩＰＳにより記録された標準的ＯＨ＊スペクトルである。
【図４】ヒドロキシル（ＯＨ＊）大気光から中間圏界面領域内の温度の導出を標準化するためのブロック図である。
【図５ａ】異なる質のスペクトルの実施例である。
【図５ｂ】異なる質のスペクトルの実施例である。
【図５ｃ】異なる質のスペクトルの実施例である。
【図５ｄ】異なる質のスペクトルの実施例である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図４に図解的に表わされた、ヒドロキシル（ＯＨ＊）大気光からの中間圏界面領域内の温度の導出を標準化するアプローチ法について記載する。
【００２１】
Ｐ１（２）、Ｐ１（３）およびＰ１（４）の遷移の振動および回転遷移の放射線強度間の比率の上述の検出は、約８７ｋｍの高度レベルにおける温度について有利なほどに正確な結論を引き出すことを可能にする。取り上げた各スペクトルについて１つの温度値が得られる。図５ａ〜５ｄにおいては、異なる質の４つの「原初スペクトル」が表わされている。各スペクトルの雑音は、白色雑音であって大気雑音ではないため、恒常である。
【００２２】
雑音の除去のためには、２つの異なるアプローチ法が並行して利用される。ａ）統計指向アプローチ法、およびｂ）物理駆動型（ｐｈｙｓｉｃａｌｌｙ  ｍｏｔｉｖａｔｅｄ）アプローチ法である。
【００２３】
統計的固有値（統計的モーメント）を用いて、それぞれに原初スペクトルに対する平滑化されたフィット曲線の適合化の質が検出されており、又、それぞれに最高の適合化を生み出す温度決定のための方法が選択されている。
【００２４】
雑音を含むＯＨ＊スペクトルに対して実行されたスペクトルの適合化（「フィット曲線」とも呼ばれる）により、生スペクトル内の信号対雑音比が不良である場合でも温度評価を行なうことができ、その結果、データ収量は大幅に増加する。さらに、雑音を含むスペクトルの平滑化およびそれに付随する信頼性ある温度値決定に関係するこの方法によって、個々の温度誤差は最小限におさえられることになる。同様に、上述の２つの方法の間の差異は、個々の温度値の精度の最初の推定を可能にする。
【００２５】
２つの方法について以下で簡単に記載する。
【００２６】
ａ）有効なスペクトル解析方法、つまりいわゆる調和解析（ＨＡ）（低域フィルタリング）を用いて、雑音が除去される。これを行なう上で、スペクトルの強度の展開は、正弦波振動の線形組合せによってモデリングされる：
【数５】
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【００２７】
最小二乗法を用いて、モデルパラメータＡｉ、ψｉならびにτｉは、以下の通りに推定されるものとする：
【数６】
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【００２８】
等式（５）の二乗量が０である場合、モデル曲線は、データ点の展開を正確に表わしている。許容された振動の数に応じて、データ展開において増々細密な構造がモデリングされることになる。
【００２９】
ｂ）ローレンツ分布とドップラ分布の組合せであるいわゆるフォークト関数を介して適合化が実施される：
【数７】
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式中
ｆは周波数を表わし、
ｆ０はラインの中心を表わし、
αＬはローレンツ半値幅を表わし、
αＤはドップラ半値幅を表わし、
ｆ’は、それを介して積分が行なわれるダミー変数を表わす。
【００３０】
それぞれ方法ａ）およびｂ）の結果としてもたらされる平滑化スペクトル（調和解析を用いた適合化の一実施例として図５ａ〜５ｄ内の太いラインを参照）は、次に３つの最高値（またはバックグラウンド補正のための付加的な方法として使用されるべき最低値点）を得るため、そしてその後温度決定のために利用される。
【００３１】
次に、適合化されたスペクトルを使用することによる温度決定から出発して、平滑化スペクトルに基づき、各スペクトルの構造の自動検査を用いて擾乱スペクトルの区別が行なわれる。スペクトルが、規定された構造パラメータの全てを満たさない場合、それは削除され、従って温度評価に入れることは認められない。かかる構造パラメータの例としては、文献中で既知である３つのＯＨ＊ピークの位置がある；ピークが規定された波長範囲外にある場合、このスペクトルは「擾乱」として分類される。「良好な」スペクトルのみがさらなる温度決定プロセスに通過することを許される。
【００３２】
図５ａ〜５ｄに示されているのは、以下で簡単に記載される異なる質のスペクトルの４つの実施例であり、本明細書で適用されている雑音除去方法は調和解析（ＨＡ）である。
【００３３】
図５ａ〜５ｄは、さまざまなＯＨ＊スペクトルの例を示し、ここで、
ａ）細いラインの曲線は原初スペクトルを表わし（相対的単位で表わした強度対時間）、
ｂ）太いラインの曲線は、調和解析（ＨＡ）を用いて得られたフィット曲線を表わす。
【００３４】
図５ａ中のスペクトル１ｂは、ＨＡにより検出されたフィット曲線が原初の曲線を極めて忠実に表わすことから、非常に良好なスペクトルである。
【００３５】
図５ｂ中のスペクトル２ｂも同様に、非常に優れた質のものである。強度だけは図５ａのスペクトル１ｂよりも幾分か低いが、温度は３つの最高値の相互の比率から導出され、絶対強度の強さから導出されるわけではないため、これは大して重要ではない。同様に図５ｂのスペクトル２ｂにおいては、原初の曲線は、平滑化スペクトルにより充分うまく適合化されている。異常値は、ＨＡの方法によって除去される。
【００３６】
図５ｃの中のスペクトル３ｂは、最初に言及した２つのスペクトルとは異なり、むしろ擾乱を受けていると思われるスペクトルを提示する。しかしながら、その構造パラメータとの関係においてこのスペクトルを検討した結果、このスペクトルはさらなる解析に入れることが許可されることになる。前記スペクトルは、たとえ最初の２つのスペクトルに比べ「悪い」視覚的外観を有しているとしても、実際、信頼性ある温度値の決定を正に可能にし、従って、当該方法の有効性を見事に実証する。
【００３７】
図５ｄ中のスペクトル４ｂは、非常に強い擾乱を受けたスペクトルの一実施例として役立つ。これは、構造検査に不合格となり、自動的に削除され、従って温度の決定のさらなる解析に入れることは許可されない。
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図１】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年3月19日(2009.3.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
ヒドロキシル（ＯＨ＊）大気光からの中間圏界面領域内の温度の導出を標準化するための方法であって、ＯＨ＊発光の３本のラインの強度および基本位置の強度を、地上赤外分光計を用いて夜間に測定する方法において、
ａ）  調和解析の形でのスペクトル解析を用いて、またはローレンツ分布とドップラ分布の組合せの形で実施されるフォークト関数を使った適合化を用いて、測定されたＯＨ＊強度上に重畳された白色雑音を除去することにより、雑音を含んだＯＨ＊スペクトルを平滑化すること、
ｂ）  平滑化されたスペクトルに基づいて、各スペクトルの構造の規定検査を用いて、擾乱を受けたスペクトルの区別を実施すること、および
ｃ）  統計上の特徴的変数を用いることによって、および２つの方法、調和解析関数またはフォークト関数、のうちの１つを選択することによって、得られた平滑化済みスペクトルの原初スペクトルに対する適合化の質についての決定が下され、それにより温度が正確に決定されること、
を特徴とする方法。
【国際調査報告】
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