2010 年度修士論文要旨

情報システム工学専攻

時間領域 Full wave 解析を用いた電離圏電子密度推定手法に関する研究
0955015 二谷 崇大
1. 目的
MF レーダを用いることで，電離圏下部の連続観測が可能となるが，電波による電子密度計測技術は 1970
年代以降大きな進展ないため，電子密度分布の導出過程や処理アルゴリズムなどの再検討により電子密度計測技術の向上・検証が国際的に期待されている．現在

MF レーダを用いた電離圏下部電子密度推定に用いられているアルゴリズムとして DAE 法がある．DAE 法とは電離圏 D，E 領域で分反射される左旋性偏波と右旋性偏波の反射量の違い（観測された受信電波比）から電子密度を推定する手法である．しかし，DAE 法に

図 1: 検証方法のブロックダイアグラムはいくつか問題点がある．そこで，時間領域 Full wave

3. RX /RO 及び，(kX − kO )/N の修正値法を用いて MF レーダの観測手法を再現し，DAE 法

MF レ ー ダ シ ミュレ ー ション の 結 果 を も と に ，RX /RO 及び，(kX − kO )/N に修正を加えた．図 2 に反射係数比 RX /RO ，図 3 に吸収係数 (kX − kO )/N を示す．それぞれ縦軸に高度，図 2 の横軸に反射係数比，図 3 の横軸に吸収係数を示す．これまでの MF レーダシミュレーションの結果から，RX /RO の高度約 80km以下の値において電子密度高度分布が正確に推定できない原因があると分かった．そこで，高度約 80km 以下の問題点・改良点の検討を行った．

2. 検証方法
電離圏中の電波伝搬特性は，Full wave 解析により求めることができる．これまでは，単一の周波数に対する各薄層中の解析解を求め，その境界に境界条件を適用することで電離圏全体の解析解を求めていた．しかし，MF レーダ送信パルス（バースト波）は広い周波数スペクトルを持つため，単一周波数ではなく広い周( ) *,+ - . / )021 3 4 3 5 - . + - . / )

波数帯域を取り扱う必要がある．パルス波の伝搬特性を解析するため，パルス波をフーリエ変換して，各周*,+ - . - / 0 1 2 0 1 3 454 672 0 1 3 498 0 :564;2 0 1 3 498 < :

波数毎に Full wave 計算を行い，逆フーリエ変換して伝搬後の波形を再現する．こうすることで時間領域における任意の波形の伝搬解析を行うことができ，Fullwave 解析によってパルス波を再現できるようになった．本研究では，この手法を時間領域 Full wave 法と呼ぶ．時間領域 Full wave 法で再現した電離圏反射波)(&'$ %# "!
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 （AX /AO ），予め仮定した反射係数（R），吸収係数（k ）が DAE 法のパラメータとなり，電子密度推定を行う．そして時間領域 Full wave 法でパラメータとしられた電子密度高度分布を比較することにより，DAE法で使用するパラメータの妥当性を検証した．図 1 に

て用いた電子密度高度分布と DAE 法を適用させて得                   

検証方法のブロックダイアグラムを示す．
図 2: 修正前と修正後の反 図 3: 修正前と修正後の吸射係数比 RX /RO収係数 (kX − kO )/N2010 年度修士論文要旨

情報システム工学専攻
で RX /RO の比を大きくした．この図の赤線は修正前
  きない場合があったため，DAE 法のパラメータとして用いる (kX − kO )/N に含まれる N を変更することで，の RX /RO ，青線は修正後の RX /RO である．RX /ROを修正しただけでは正確な電子密度高度分布推定がでより正確な電子密度高度分布が推定できると考え，本研究では修正を加えた (kX − kO )/N を 2 パターン作成しシミュレーションを行った．この図の青線は修正
2前の (kX − kO )/N （N = 10 cm
3−3（N = 10 cm−3−2），緑線は 10），赤線は 10−14倍−3倍（N = 10 cm

/ .

0 /,--.

*++,(' )%& ')( *&' (）した値である．


4. MF レーダシミュレーション
前節に示した修正値を DAE 法に用いることで，これ

らのパラメータの妥当性を検証する．表 1 に MF レー021 3 4 3 5 6 7 8 6 7 9 :;<: =#8 6 7 9 :?> 6 @;<: =#8 6 7 9 :?> A @B<7 : C D 1 E 5?F : 5 G 3 D H
          

132 4 56 4 2 7 89: 2 4 6 8<; =3>
132 4 56 4 2 7 89: 2 4 6 8<; ?@>132 4 56 4 2 7 89: 2 4 6 8<; 1A>
B@4 8 5 7 C DE<9 8 E F G 7 H
       

 !#" $    !#"$ %ダシミュレーションのパラメータを示す．MF レーダシミュレーションを行うに当たり，テストモデル，S-310-38 号モデル等の電子密度高度分布を用いた．テストモ
デルとは，高度 70km まで 10cm−3 で，そこから指数関数的になだらかに電子密度が増加する簡単なモデルである．S-310-38 号モデルとは，本研究室が S-310-38号を用いて観測した電波強度から推定した電子密度高度分布を推定したモデルである．このモデルは電子密度変化が大きく，最も現実的なモデルである．
図 4 と図 5 に得られた電子密度高度分布を示す．それぞれ，縦軸に高度，横軸に電子密度を示した．青線は2−3修正前の (kX −kO )/N（N = 10 cm−1），赤線は 10

図 4: テストモデルを用い 図 5: S-310-38 号モデルをて得られた電子密度高度分 用いて得られた電子密度高布度分布の範囲，10−1 倍した値（N = 103 cm−3 ）では 102 〜103 cm−3 の範囲，10−2 倍した値（N = 104 cm−3 ）では 103 〜104 cm−3 の範囲において正確な電子密度高度分布を推定できた．

5. まとめと今後の課題）

MF レーダシミュレーションを行うに当たり，新たに
時間領域 Full wave 解析法を開発した．また，DAE 法した値と，修正した RX /RO を用いた DAE 法を適用に使用されている反射係数比 RX /RO ，吸収係数 (kX −させて得られた電子密度高度分布である．図 4 の茶線

kO )/N の修正を行った．その結果，これまでより精度の良い電子密度高度分布推定ができるようになった．
測定する電子密度に応じて吸収係数 (kX − kO )/N を変更することで電子密度推定精度が向上するが，電子密度の大まかな値が分からないと吸収係数 (kX − kO )/Nを選択する事ができないため，測定条件によって適切な吸収係数 (kX − kO )/N を選択する手法の開発が必3倍（N = 10 cm−3−2），緑線は 104−3倍（N = 10 cmはテストモデル，図 5 の S-310-38 号モデルでの場合を示す．これらの図から，修正した RX /RO と，これまで使用されていた (kX − kO )/N の値（N = 102 cm−3 ）を用いた DAE 法で得られた電子密度は 101 〜102 cm−3
表 1: シミュレーションパラメータ
電波の進行方向鉛直上向き

磁場ベクトルと電波の0°進行方向のなす角偏波

O モード，X モード

計算領域（高度）

110km

衝突回数0

周波数

1.955MHz

パルス幅10ms

要である．また，本研究で求めた反射係数比 RX /RO及び吸収係数 (kX − kO )/N を更に微調整する事により，より正確な電子密度高度分布が得られると考えられる．