特集

エアロゾル計測Ⅰ

エアロゾル計測用ライダーシステム
杉本 伸夫
国立環境研究所環境計測研究センター（〒305‒8506 茨城県つくば市小野川 16‒2）

Lidar System for Aerosol Measurement
Nobuo SUGIMOTO
National Institute for Environmental Studies, Center for Environmental Measurement and Analysis,
16‒2 Onogawa, Tsukuba, Ibaraki 305‒8506（Received November 30, 2019）
Lidar methods for measuring aerosols are explained. Details of the elastic backscattering lidar systemused in the Asian Dust and aerosol lidar observation Network（AD-Net）are presented as well as observation example. The range of lidar-sensitive aerosol particle size and the dependence of the lidar ratio on theparticle size are discussed using the Mie-scattering theory. Recent developments in multi-wavelength
Raman lidar and high-spectral-resolution lidar are also described.
キーワード：エアロゾル，ミー散乱ライダー，ラマン散乱ライダー，高スペクトル分解ライダー
Key Words: Aerosol, Mie scattering lidar, Raman scattering lidar, High-spectral-resolution lidar

1．はじめに多波長ラマン散乱ライダーや多波長高スペクトル分
解ライダーの開発の動向についても解説する．

エアロゾル計測用ライダーとひとくちに言って

2．概 論

も，例えば，計測の対象がローカルな煙突の排煙や沿道のエアロゾルの拡散なのか，都市スケールの大2.1 エアロゾル計測用ライダー手法

気汚染なのか，地域スケールの大気汚染や黄砂の輸エアロゾル計測用ライダーとして，装置として最送なのか，気候変動に係るエアロゾルの光学特性なも 簡 単 な の は ミ ー 散 乱 ラ イ ダ ー（Mie-scatteringのか，成層圏エアロゾルなのかによって計測システ

lidar）である．ミー散乱は光の波長と同じくらいの

ムは大きく異なる．計測の対象に加え，計測の目的

球形粒子による散乱で，Maxwell の方程式の厳密解によっても必要とされる時間空間分解能，計測精度を与えた Gustav Mie の名をとってミー散乱と呼ばが異なり，さらに，設置場所や運用の形態，可能なれる．ミー散乱ライダーは，弾性後方散乱ライダー

保守作業の頻度などの条件もライダー装置の仕様を（Elastic-backscattering lidar）とも呼ばれる．通常の決める重要な要素となる．本文では，エアロゾル計

ミー散乱ライダーでは大気構成分子（窒素，酸素な測用ライダーで観測するパラメータやライダーシス

ど）のレイリー散乱も同時に測定するので，Elas-

テムの基本的な事項について解説するとともに，エtic-backscattering lidar という呼称の方が物理的には

アロゾル計測用ライダーの一例として，東アジアの正しいように思われる．（但し，いわゆるレイリー

自 動 観 測 ラ イ ダ ー ネ ッ ト ワ ー ク（AD-Net: Asian

散乱には回転ラマン散乱も含まれ，またエアロゾル

Dust and aerosol lidar observation Network）の ラ イに は 吸 収 も あ る の で 厳 密 に 言 え ば elastic で も な

ダーについて詳しく紹介する．また，ミー散乱ライ

い．
）

ダーが感度を持つエアロゾルの粒径の範囲やライ

ミー散乱ライダーによるエアロゾル計測で求めた

ダー比（後述）に関する基本的な事項の解説を試み

い基本的な物理量は後方散乱係数と消散係数である

る．さらに，エアロゾルの光学特性の測定のためのが，ミー散乱ライダーで測定されるのはレーザー光©2020 Laser Radar Society of Japan14

エアロゾル計測用ライダーシステム（杉本 伸夫）

が伝播する間に減衰（消散）を受けた後方散乱信号

エアロゾルには性質が異なる様々な起源のものがのみである．言い換えれば，ライダー信号を表すラあり，実際の大気中ではそれらが混合している．こイダー方程式（3.3 章）には，後方散乱係数と消散れを理解するためにはエアロゾルの種類毎に濃度分係数の 2 つの未知数が含まれるが測定値はひとつし布を測定することが望まれる．複数の波長におけるかないので解くことができない．そこで，通常は後消散係数，後方散乱係数，偏光解消度の測定はこの

方散乱係数と消散係数の間に比例関係を仮定して解ような解析にも利用される．ライダーなどの光学的析を行う．消散係数対後方散乱係数比をライダー比な測定では化学組成を求めることは不可能であると呼ぶ．式の上では S 1 と表すのが一般的であるのが，光学的な特性で分類したエアロゾルコンポーネで，S 1（エ ス ワ ン）と も 呼 ば れ る． こ こ で，1 はント毎に濃度分布を求めることができる．具体的にミー散乱を意味する．後に出てくるが，2 はレイ

は，光吸収のない微小（サブミクロン）粒子（硫酸

リー散乱に対するものを表す．S 1 を仮定してライ塩などの大気汚染粒子），光吸収のない粗大（大きダー方程式を解いて得られたエアロゾルの消散係数

さ 1 ミクロンオーダー）粒子（海塩など），光吸収（あるいは後方散乱係数）の分布から汚染状況や大のある微小粒子（煤など，ブラックカーボン），非気の構造を把握することができる．

球形粒子（黄砂など）の 4 種類くらいに分類でき

後方散乱の偏光解消度の測定はミー散乱ライダー

る．その他，蛍光を利用するライダーも，エアロゾの付加的な機能として非常に有用である．偏光解消

ルの種類（生物起源のエアロゾルなど）の推定に有度とは，偏光（通常は直線偏光）したビームを送信用な手法となると考えられる．しかしながら蛍光をしたときの散乱光の偏光の乱れの度合いで，散乱体発する物質は多く，またエアロゾルの蛍光スペクトが球形のエアロゾル（液滴状の大気汚染エアロゾル

ルは一般にブロードであるので，1 波長で励起したなど）であれば偏光解消度はほぼゼロ，非球形の黄蛍光スペクトルのみから物質を特定することは困難

砂などでは大きな値を持つ．従って，黄砂などの非である．そこで，複数のレーザーを用いるなど物質

球形粒子の検知において大きな威力を発揮する．

を特定するための様々な研究が行われている．そのエアロゾルの放射特性や組成の解析を目的とする

一方で，物質は何であれ吸収した光を蛍光としてど観測では，消散係数と後方散乱係数を独立に計測す

れくらい出すかはエアロゾルの特性のひとつである

ることが求められる．大気構成分子の散乱をミー散という捉え方もある 1）．なお，エアロゾルの蛍光ラ

乱とは独立に測定し，その減衰項からエアロゾルのイダーは，背景光のために昼間は観測が困難であ

消散係数を求めるのがラマン散乱ライダーや高スペる．

ク ト ル 分 解 ラ イ ダ ー（high-spectral-resolution lidar（HSRL））である（第 4 章）
．ラマン散乱ライダー

2.2 ライダーシステムの基本的な事項

では通常，窒素分子の振動ラマン散乱を利用し，高ライダーシステムは，送信，受信，信号処理・スペクトル分解ライダーではレイリー散乱を利用す

データ収集システムから構成される．通常はパルス

る．窒素分子の振動ラマン散乱は（Stokes 線の場

レーザーを送信し，大気中のエアロゾルで散乱され合）レーザー波長より 2331 cm－1だけ低波長側にシた光を受信望遠鏡で集光して光電子増倍管（photo

フトするので測定は比較的容易であるが，ラマン散

multiplier tube: PMT）やアバランシェ・フォトダイ

乱断面積は小さく散乱光が微弱であることが難点でオード（APD）などの高速・高感度の検出器で電気ある．HSRL で利用するレイリー散乱の散乱断面積

信号に変換し，信号波形を記録する．送信したパルはラマン散乱断面積に比べて数桁大きいが，レイス が 散 乱 さ れ て 受 信 さ れ る ま で の 時 間（time of

リー散乱とミー散乱はレーザーと同じ中心波長でス

flight）から距離が，信号の強度からその距離のエ

ペクトル幅が異なるだけであるので，これらを分離

アロゾル濃度が分かる（送信ビームの減衰も考えなして測定するためには高分解能の分光素子を必要とくてはいけないが）．受信信号の記録には，トランする．これが，高スペクトル分解ライダーと呼ばれジェントレコーダやデジタル・オシロスコープなどる所以である．地球温暖化等に係るエアロゾルの放のアナログ・デジタル（AD）変換器を用いる方法

射特性を評価するためにはエアロゾルの微物理パラと光子計数法（photon counting）を用いる方法があメータ（単散乱アルベドや粒径）が重要であるが，る．

これらを推定するためには複数の波長において，消エアロゾル計測の場合，分子の吸収を測定する場

散係数，後方散乱係数，偏光解消度を測定すること

合などとは違って特に決まった波長のレーザーを用が求められる．多波長ラマン散乱ライダーや多波長いる必要はなく，Nd:YAG レーザーなどの一般的な

HSRL はそのための有効なライダー手法である．

レーザーが用いられることが多い．但し目に対する

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レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

安全性への配慮が必要であるので，特に掃引型のラと biaxial を比べると，送受信の光軸のミスアライ

イダーでは波長の選定に注意が必要である．目の安ンメントに対して coaxial の方が影響を受けにくい

全性については ANSI や JIS の基準がありこれを考ので優れているが 3），装置の設計が簡単な biaxial 方

慮する必要がある．さらに空港の周辺などでは，目式が採用される場合も多い．coaxial で送受信を同に対する安全性の基準を満たしていても目に見える

一の望遠鏡を用いる場合，特に偏光解消度の測定を波長は使えない場合があるので注意が必要である．

行う場合には，送受信光をどのように分離するかがしかしその一方で，エアロゾルの光学特性を観測対課題になる 4）．

象とする場合などでは可視域の測定も不可欠であ

距離分解測定を行うためにパルスレーザーではなる．その場合はビーム方向を鉛直上方に限定すると

くて，変調した CW レーザーを用いるライダー手

ともに，航空機を検知してレーザーを遮断する安全法もある．そのひとつが，擬似ランダム変調ライ装置を用いる方法で安全性を確保するのが妥当であ

ダーで，擬似ランダムコードで周期的に変調した

る．

CW レーザー光を送信し，受信信号と変調したコー

ライダーの信号強度は，レーザーのパワーと受信ドとの相関を計算することでライダー信号波形を得

望遠鏡の面積の積に比例する．背景光雑音（太陽光る 5）．CW レーザーのエネルギーを無駄にしないでなど）などのない理想的な場合，雑音はショットノ

距離分解測定ができるように思われるが，背景光雑イズ（光子の統計的な性質による雑音）のみで信号音のない場合には，CW レーザーから単純に（大部

強度の平方根に比例する．従って，この場合，信号分のエネルギーを捨てて）切り出したパルスを用い対雑音比（SN 比）は信号強度の平方根に比例する

た測定と比べて利点が得られない．これは雑音となことになる．パルスライダーには，パルス励起の Q

る受信光も増やしてしまうためである．しかし，スイッチレーザーを用いたパルスエネルギーが大きSN 比が背景光雑音で制限されている場合には，おく繰り返し数の低いものと，連続波（CW）励起のよそランダムコードの要素の数の平方根だけ SN 比Q スイッチレーザーを用いたパルスエネルギーは小が改善される．擬似ランダム変調ライダーに似た方

さく繰り返し数の高いものがある．後者は，NASA法に，カオス変調ライダーもある 6）．ヘテロダイン

で開発された Micro Pulse Lidar（MPL）で導入され検 波 で は FMCW（周 波 数 変 調 CW）ラ イ ダ ー がた手法である 2）．ライダー波形を同じ時間，繰り返

ハードターゲットの検知ではよく用いられるが，エし積算して測定を行う場合，背景光雑音のない条件

アロゾルの計測の例はあまりないようである．

下では得られる信号の SN 比は平均パワー（パルス以上はいずれも，基本的には time of flight で距離エネルギー掛ける繰り返し数）で決まるので両者に分解能を得ているが，ビームを少し離れた位置で撮差はないが，背景光雑音や熱雑音（赤外の場合）が像して画像から距離情報を得るバイスタティック・

無視できない場合には，1 ショットの信号強度が高イメージングライダーもある 7）．また，イメージン

い方が背景光の影響を受けにくく高い SN 比が得ら

グライダーの一種で，ビーム上のどの距離からの散れる．MPL において単一波長のレーザーと狭帯域

乱も撮像面で焦点を結ぶように撮像素子を傾けたの受信フィルターが用いられ，受信視野角も非常にScheimpflug ライダーも開発されている 8）．Scheimp-

狭く設計されているのは背景光を可能な限り除去す

flug ライダーは通常のイメージングライダーに比べる必要があるためである．

ると背景光の影響を受けにくい．一般にメージング

ライダーの送受信には，送受信の光軸を同軸にす

ライダーは，近距離まで測定できる利点があるが，る方法（coaxial）と分離して平行にする方法（biax-

遠距離で距離の二乗に比例して距離分解能が悪くなial）がある．coaxial の場合，受信望遠鏡の中央部る欠点がある．

（反射式望遠鏡の場合，副鏡の外側）からビームを

次節ではオーソドックスな大気エアロゾル計測用

送信するのが一般的であるが，送受信に同一の望遠

ライダーの例として，国立環境研究所で開発した鏡を用いる方法もある．coaxial，biaxial いずれの場

ミー散乱ライダーシステムの詳細を紹介する．ま合も散乱光を見る効率は近距離で低下する．この因た，装置の校正や測定例について述べる．

子は，幾何学的効率因子あるいは送受信の重なり関数と呼ばれる．ライダー方程式の中では Y（R）
で表されることが多いので，Y（R）（ワイアール）関数と呼ばれることもある．重なり関数には，近距離で散3．ミー散乱ライダーシステムの実例
3.1 黄砂と越境大気汚染エアロゾルの常時監視のためのライダーシステム

乱体積が視野から外れる効果と近距離からの散乱が本節では，国立環境研究所を中心に東アジアに展

ディフォーカスされる効果が関係している．coaxial

開しているライダーネットワーク（AD-Net）で用

16エアロゾル計測用ライダーシステム（杉本 伸夫）

Fig. 2

Fig. 1

Block diagram of the AD-Net two-wavelength（1064 nm,
532 nm）and polarization（532 nm）lidar.

Layout of the transmitter/receiver of the AD-Net lidar.

式である．受信望遠鏡の無限遠光に対する焦点面にピンホールを用いて受信視野角を 1 mrad に抑えた
後，コリメータレンズでほぼ平行にし，ダイクロイックミラーで 1064 nm と 532 nm を分ける．1064

いているライダーシステムを紹介する．AD-Net は

nm は APD（Licel 社のモジュール）を用いて検知

黄砂と越境大気汚染エアロゾルの常時観測を主目的する．532 nm は偏光プリズムを用いて平行成分ととするライダーネットワークで，現在，東アジアの垂直成分を分けてそれぞれ PMT モジュール（浜松

約 20 地点で連続観測を行なっている9）．ライダーのホトニクス）で検知する．APD および PMT の前に

ブロック図を Fig. 1 に示す．遠隔地で長期間自動連はそれぞれ，背景光を抑えるための干渉フィルター

続観測するために，可能な限り簡単な構成としていと光電面に集光するためのレンズを取り付けてある（開発の経緯については文献 10 を参照された

る．このため受信系全体を暗箱に入れる必要がな

い）．測定するパラメータは，1064 nm と 532 nm のい．2 つの PMT は光軸の回りに回転可能なマウン

2 波長の後方散乱係数と 532 nm の偏光解消度であトに偏光プリズムと一体で取り付けられ，偏光方向る． こ れ は NASA の 衛 星 搭 載 ラ イ ダ ー CALIOP/の微調整や偏光測定の校正（45 度に回して 2 つのCALIPSO の測定パラメータと同じでもある．2 波チャンネルの入射光量を同じにして校正データを取長の後方散乱信号を用いて雲とエアロゾルを判別し得する）を容易に行うことができる．全ての光学系

たり，偏光解消度を用いて黄砂と大気汚染性エアロは光学ブレッドボードの上にネジ止めされていて，ゾルを分離して濃度分布を推定することができる．

必要に応じて配置を変更することも可能である．

ライダー装置は天井に観測用のガラス窓を設置した

レーザー出力は直線偏光，偏光方向は上下方向であコンテナに搭載し，雨天でも観測を止めないこととる．ミラーで折り曲げる際は反射面が偏光方向に垂した．測定データは，インターネット（当初は地点

直あるいは平行になるように配置している．
（そう

によっては電話回線）で国立環境研究所に転送してでない場合，反射によって一般には楕円偏光にな一括してデータ処理を行っている．

る．
）望遠鏡に対する送信ビームの位置も偏光方向送受信系の配置図を Fig. 2 に示す．送信部は第二に直交するように配置した．受信光学系の設計は，高調波発生器付の小型のフラッシュランプ励起 Q

主望遠鏡のピンホールを通った光は全て検出器に入ス イ ッ チ YAG レ ー ザ ー（Quantel Big Sky, ultra-

るように，但し，ピンホール面の像を検出面に作らCFR），ビームエキスパンダ，送信ミラーで構成さないように設計されている．（検出面に像を作ると，れる．レーザーからは 532 nm と 1064 nm が同時にライダー信号が，検出面で感度が一様でないことにひとつのビームで出力される．レーザー出力は 30

よる影響を受けるおそれがある．）また，言うまでmJ（532 nm），20 mJ（1064 nm）， 繰 り 返 し は 10もなく干渉フィルターはできるだけ平行光で使う，Hz，パルス幅は約 10 ns である．レーザー光は，2

偏光プリズムは透過の方が偏光度が高いので垂直偏波長用の 5 倍のビームエキスパンダで口径を広げ，

光チャンネルに使うなどの配慮がされている．

ビーム広がり角を 1 mrad 以下に抑えた後，送信ミ

APD，PMT からの信号はトランジェントレコー

ラーで鉛直上方に送信される．送信ミラーの漏れ光

ダで記録する．現在 AD-Net の多くの地点で，16 bit

を利用して，受信信号記録のトリガパルスを取って分解能，25 MHz サンプリングのトランジェントレ

いる．受信望遠鏡には口径 20 cm のシュミットカセ

コーダ（タートル工業 TUSB-0216ADMH）を用いグレン型を用いている．送受信の配置は biaxial 方ている．1 レーザーショット毎に記録された信号は

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レーザセンシング学会誌

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Fig. 3 右上は，送信部の写真で左端がレーザー，
中央にビームエクスパンダ，右端が送信ミラーである．Fig. 3 右下は，受信系で左上が受信望遠鏡のコ
リメータレンズ，その下に折り返しミラーが見える．手前円筒状のものは APD モジュールである．
写真の装置の場合は窒素ラマン散乱チャンネル（607 nm）が追加されており，中央のミラーがダイ
ク ロ イ ッ ク ミ ラ ー， そ の 手 前 が ラ マ ン 散 乱 用 のPMT である．中央右奥に見える回転式のマウントに 532 nm 用の偏光プリズムと 2 つの PMT が取り
Fig. 3

Photographs of the AD-Net lidar in Tsukuba.（left）Overall
view,（right top）transmitter,（right bottom）receiver.

付けられている．

3.2 測定誤差，校正等
PC に転送され，指定したショット数積算した後，測定誤差にはランダム誤差（統計的な誤差）とシ

ハードディスクに記録される．AD-Net の通常運用

ステマティック誤差（系統的な誤差）がある．ライでは，15 分に 5 分間測定を行い 10 分間休止する

ダー計測におけるランダム誤差には光子そのもののモードで運用し，5 分間（3000 ショット）積算した

統計的な誤差（ショットノイズ），平均値が時間的データを記録している．これは，レーザーのフラッに変化しない背景光雑音，熱雑音などがある．一

シュランプの交換頻度を下げるためで，黄砂や越境方，系統的な誤差には，レーザーショットと同期し大気汚染エアロゾルの時間変化は遅いので時間分解た電気的な長周期雑音，強い信号の後ろが裾を引

能 15 分で十分であるという考察に基づいている．

く， あ る い は 凹 む 信 号 誘 導 雑 音（signal induced

また，ネットワーク観測の開始当初は，PC のディ

noise: SIN）などがある．その他，AD 変換器の量子スク容量や通信速度に制約があったことも理由のひ

化誤差もある．ランダム誤差は，信号のバラツキか

とつである．現在は，衛星観測の検証など必要に応ら評価できる．また，ライダー波形の積算回数を増じて連続に運転し，10 秒毎にデータを記録していやすことによって低減できる．系統的な誤差は，積る地点もある．また，5 分間の平均だけではなく，算では低減できず，評価も難しい．電気的な雑音に二乗平均も記録し，信号の分散を解析（例えば大気

ついては，望遠鏡を覆って受信光を遮断して信号波

境界層高度の推定，雲や雨の判別）に利用すること形を記録することによって評価することができる．

も試みている

信号誘導雑音（SIN）については評価が非常に難し．ハードディスクに記録したデータ

11）

は，毎時，国立環境研究所に転送している．

い．一般に，フォトンカウンティングよりもアナロ

Fig. 3 にライダー装置の写真を示す．左図の左側

グ方式で SIN は大きい．検出器や動作条件に依存のテーブルの上の黒い箱がライダー送受信部であし，条件を最適化することで低減できるが，程度のる．レーザーはパイプを通して送信される．これ差はあっても SIN は避けられないとも言える．対は，天井のガラス窓によるレーザー光の反射が受信

流圏下部のエアロゾルの観測で SIN が問題になる系に入ると悪影響があるためで，送信ビームをガラことは多くないが，エアロゾルの光学特性の解析なス窓までパイプを通すことによって，ガラス面の反どでは注意する必要がある．

射をパイプ内に戻すようになっている．窓ガラスは上方を測定するエアロゾルライダーで，エアロゾ

Schott 社テンパックス（BORO FLOAT 33）を用い

ルの少ない対流圏上部のレイリー散乱まで測定できて い る． コ ー テ ィ ン グ は 施 し て い な い． 厚 さ 5て い る 場 合 は， そ の 高 度 の 信 号 を 基 準 に し てmm，一辺 35 cm で，ガラスの周辺部には結露防止

Fernald 法 12）によって消散係数あるいは後方散乱係のためのヒータを貼っている．コンテナ内の温度は数のプロファイルを導出することができる．この場

空調機で制御されている．このライダーの場合は

合は，信号強度の絶対値の校正は必要ない．Fernald（MPL と比べると）温度条件は厳しくない（摂氏法ではライダー比の仮定が入るが，ライダー比の誤20～40 度程度）が，空調の風がライダー装置に直差に起因する誤差はエアロゾルが薄い場合は後方散接当らないように空調機の下に翼を付けるなど経験乱係数，濃い場合は消散係数において少ない 13）（文的な問題対策も行われている．なお，このライダー

献 14 の Fig. 2）．条件の良い場合を選んで Fernald

システムは柴田科学により製品化されている法で後方散乱係数のプロファイルを求め，ライダー（SIBATA L2S-SM II 型）．

信号と比較することによって，ライダーの装置定数18エアロゾル計測用ライダーシステム（杉本 伸夫）

（次節の
（2）
式）を求めることができる 9）．
偏光解消度測定では，レーザーの偏光度が十分にP(R) = Y(R)η0 P0 Ar

高いこと，偏光チャンネルの角度が正しいこと，2つの偏光チャンネルの感度が同じであることが必要

ct p β(R)exp −22R2R0α(r)dr （1）Y（R）は前節で述べた幾何学的効率因子，η 0 は送受である．前の 2 つは装置の製作時に調整されるが，

信光学系全体の効率，P 0 は送信レーザーパワー，

感度の校正は適当な頻度で行うことが必要である．

A r は受信望遠鏡の面積，t p はレーザーのパルス幅

AD-Net においては，望遠鏡口径よりも大きなシーである．β（R）
が測定対象である後方散乱係数であ

トポラライザを望遠鏡の前に 45 度に置いて校正る．分母の R 2 は散乱光が球面状に広がることによデータを記録し，両チャンネルの強度が同じになるるものである．
（送信ビームはほとんど広がらない

ようにデータに補正係数を掛ける方法で校正していで伝播するが，散乱光は球面状に広がり，受信望遠

る．

鏡はそのごく一部分を受信する．）exp の因子は距

低高度（近距離）から観測するライダーでは，幾離 R までの往復の透過率で，α（R）は消散係数であ

何 学 的 効 率 因 子（Y（R）） の 補 正 が 必 要 で あ る．

る．なお，α，β はそれぞれ，α＝α1＋α 2，β＝β 1＋β 2

Y（R）を推定するひとつの手法は，エアロゾルが大のようにエアロゾルに対するもの（添字 1）と大気

気下層でよく混合され濃度が均一である状況の測定

構成分子に対するもの（添字 2）の和として表されデータを選んで，補正後のライダー信号（後述の減る．ライダー方程式を簡略に（2）式のように書くと衰後方散乱係数）が高度方向に一定になるように

きの定数 C を装置定数と呼ぶ．

Y（R）を求める手法である．AD-Net でも通常はこ

15）の手法を用いている 9）．この他，いくつかの地点でP(R) = C

は，口径が小さく視野角の広い受信光学系（Y（R）
がより低高度で 1 になる）を追加して，これと比較することによって主望遠鏡の受信光学系の Y（R）
を

R

（2）

α(r)dr0

受 信 信 号 を 距 離（高 度）毎 の（時 間 分 解 能 ΔTの）光電子数 N で表すと以下のようになる．

求める手法も用いている．Y（R）が求められれば，信号に（1/Y（R））を掛けることで補正できるが，β(R)exp −2R2

N=M

低高度（近距離）で送信ビームが全く受信できない

ηP(R)∆Thν（3）

範囲では Y（R）
が 0 となるので補正は不可能であ

ここに，η は検出器の量子効率である．また，ライる．また，信号が小さすぎて補正係数が非常に大きダー信号を M ショット積算することを想定していな値となる高度範囲もデータの信頼性が低く利用でる．

きない．AD-Net のライダーの場合は，高度 120 m
以下のデータは使っていない．

測定されるライダー信号の信号対雑音比は次式で表される．ここでは信号のショットノイズと背景光雑音のみを考えている．Nsig，Nbg はそれぞれに相3.3 ミー散乱ライダーシステムのシミュレー

当する光電子数である．

ション

この節では AD-Net のライダーを例に，ライダー
測定のシミュレーションについて述べる．これは，

S NR =N sig（4）

N sig + Nbg

ライダー装置の設計時に予想される性能を評価した

以上に基づいて，AD-Net ライダーの受信信号とり，製作した装置の性能評価を行う上で必須であSN 比のシミュレーションを行った結果を以下に示る．

す．レーザー出力は，532 nm で 30 mJ，1064 nm でライダーの受信信号パワー（P）は，（1）式のラ

20 mJ，繰り返し数 10 Hz，パルス幅 10 ns，望遠鏡

イダー方程式で表される．ライダー方程式は，レーの口径 20 cm，受信視野角 1 mrad，検出器の量子効

ザーパルスが大気中を伝播して，それぞれの距離で率 5%，システム全体の光学的効率 30% とした．測散乱されて受光系に戻る過程を考えることによって

定では，3000 ショット（5 分間）積算する場合を考求められる．（1）式の P は受信信号パワー，R は距

え，距離分解能は 30 m（時間分解能 200 ns）とし離（または高度）である．R はレーザー光の往復のた．なお，ここでは Y（R）
＝1 とした．

伝播時間 T との間に R＝cT/2（ここに c は光速）の大気モデルは，大気構成分子については標準大関係があるので，ライダー方程式は受信信号の時間

気，エアロゾルについては，高度 2 km 以下に一様応答波形を表すものでもある．

に分布するとした．エアロゾルの後方散乱波長比（ β 1064 nm/β 532 nm）は 0.5，濃度は，532 nm にお19

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）比較する）ことが必要である．なお，前節で述べたような系統的な雑音は考えられていないことにも留意する必要がある．

3.4 観測例
AD-Net の観測例を Fig. 5 に示す．これは AD-Netのデータのホームページ（https://www-lidar.nies.go.jp/

AD-Net/）で公開している標準的なデータプロダクト

Fig. 4

Simulation of the AD-Net lidar measurement.（a）atmospheric model assumed in the simulation,（b）receiversignal photoelectron number,（b）signal-to-noise ratio.

の 1 ヶ月の表示の一例である．Fig. 5 の上から 3 つは，532 nm の減衰後方散乱係数，532 nm の体積偏光解消度，1064 nm の減衰後方散乱係数で，ミー散乱ライダーの基本的な観測パラメータである．減衰

いてミー/レイリー後方散乱比が 2 とした．ライ

後方散乱係数とは
（1）
式の β
（R）
exp
［－2∫ 0R α
（r）
dr］
の

ダー比はいずれの波長も 50 sr とした．Fig. 4（a）にことで，距離二乗補正信号 P（R）
R 2 に比例するが，

仮 定 し た 大 気 モ デ ル の 後 方 散 乱 係 数 を 示 す．

近距離で β（R）を与えるように装置定数が校正されFig. 4（b）に受信信号光電子数，Fig. 4（c）に SN 比をている 9）．体積偏光解消度は，受信信号の垂直偏光示す．ここで，昼間の背景光に相当する光電子数に成分の平行偏光成分に対する比 P（R）
（R）
であ
/P‖
⊥

ついては，実測で経験的に得られた値を用いた．

る．体積偏光解消度にはエアロゾルのミー散乱成分

このようなシミュレーションで得られる SN 比だけでなく大気構成分子のレイリー散乱成分も含まは，理想的な場合に到達可能な最大値である．実際れている．ミー散乱成分のみの偏光解消度は粒子偏の大気の測定では仮定した条件と異なる場合が多い

光解消度と呼ばれる．

ので，条件の近いデータを選んで比較する（あるいFig. 5 の下の 2 つは解析データで，非球形粒子

は測定事例と近い条件でシミュレーションを行って（黄砂）と球形粒子（主に大気汚染性のエアロゾル）

Fig. 5

Example of AD-Net data（Osaka, May 2017）. From top, the attenuated backscattering coefficient at 532 nm,
the volume depolarization ratio at 532 nm, the attenuated backscattering coefficient at 1064 nm, the dust
extinction coefficient at 532 nm, and the spherical aerosol extinction coefficient at 532 nm. A slightly strong
dust event is seen from May 7 to 8 in the dust extinction coefficient plot.

20エアロゾル計測用ライダーシステム（杉本 伸夫）の消散係数を見積もったものである．これは，粒子偏光解消度を用いて，黄砂と球形粒子の混合比を求め，Fernald 法で求めた消散係数を黄砂と球形粒子に分割したものである 9, 16, 17）．この方法では，大気エアロゾルは，黄砂とその他の球形粒子という 2 種類の混合物であると仮定する．黄砂は大きな粒子偏光解消度を持つ（例えば 0.35）．球形粒子は小さな
粒子偏光解消度を持つ（例えば 0.05）．実際に観測される粒子偏光解消度はその間の値を取るので，観測値が表されるように 2 成分の混合比を求める．また，消散係数を求める際にはライダー比の仮定（S 1＝50 sr）も用いている．以上のような簡単な仮定にFig. 6

Backscattering cross-section（solid line）and extinction
cross-section（dotted line）at 532 nm（green）and 1064 nm（red）as a function of particle diameter calculated with the
Mie theory.

基づいた手法であるが，黄砂とその他のエアロゾルが良く分離できることが光学パーティクルカウンタ

532 nm の ラ イ ダ ー は ど の 粒 径 に 感 度 を 持 つ か，（OPC）との比較などで確認されている．黄砂消散

1064 nm ではどうか，本節ではそれらについて少し

係数は，黄砂現象の解析や化学輸送モデルの検証や詳しく考察する．まず，ここでは，測定するエアロ

同化，黄砂の健康影響の疫学研究など数多くの応用ゾルとして単一の球形粒子を考える．Fig. 6 は波長研究に利用されている ．一般に黄砂は 1 ミクロン

532 nm と 1064 nm に対する後方散乱断面積（実線）以上の大粒子で，大気汚染性エアロゾルは多くが 1と消散断面積（点線）の粒径依存性を示す．複素屈

ミクロン以下の粒子であると考えられているが，折率は黄砂（鉱物ダスト）に対するものを使っていPM2.5（直径 2.5 ミクロン以下の粒子の重量濃度）

る．単一の球形粒子の後方散乱断面積は粒径に対し9）という観点では，PM2.5 にも多くの黄砂粒子が含まて激しく振動する．振動の包絡線を見ると，532 nmれている．地上サンプリング観測と下層のライダーの後方散乱は直径 2 ミクロンあたりにピークを持

データの比較から，ライダーで求められる 532 nm

ち，1064 nm では 4 ミクロンあたりにピークを持つの黄砂消散係数は，黄砂 PM2.5（直径 2.5 ミクロン

ことが分かる．消散断面積には後方散乱断面積のよ以下の黄砂粒子の重量濃度）と良い相関を持つこと

うな大きな振動は見られない．単一粒子の消散断面が分かっている 18）．次節で考察するように，ミー散積は，（振動を別とすれば）粒径が波長よりも大き乱理論の計算からも 532 nm のライダーは PM2.5 にい領域では粒径の二乗に比例して大きくなる．ライ

感度が高いことが示される．

ダーでは，測定する散乱体積の中の粒径が異なる多AD-Net のデータは準リアルタイムで公開されており，黄砂の飛来状況の速報（ナウキャスト）に活数のエアロゾル粒子の散乱を同時に観測するので，エアロゾルの粒径分布が重要である．

用されている．黄砂輸送モデルへのライダーデータ

次にエアロゾルの粒径分布を考え，その分布におの同化については，予報の改善を目的とするものと

いてどの粒径が後方散乱および消散に寄与している

事後解析を目的とするものがある．これまで，後者かを考察する．ここでは，黄砂（ダスト）を想定

について研究が行われ，ライダーデータの同化にし，体積粒径分布が，モード半径 2 ミクロン，標準

よって輸送された黄砂の再現精度が改善されるだけ

偏 差 2.2 の lognormal 分 布（例 え ば 文 献 19）の
（6）

でなく，黄砂発生源と発生量の推定にもデータ同化式）の場合を考える．（実際にはダストは非球形で手法が有用であることが示されている．予報のためあるため楕円体モデルが使われることが多いが，このデータ同化では発生源に近いデータが必要であこではミー散乱理論で取り扱える球形粒子を考えり，現在のネットワークでは対応が難しい．発生源

る．
）Fig. 7 は，想定した粒径分布を体積粒径分布付近では簡易なライダーであるシーロメータ（雲底と数粒径分布で表したもの（相対単位，横軸はリニ高度計）を黄砂観測に利用することや，さらに簡易

アスケールであることに注意）と，数粒径分布を各なライダーの開発なども検討している．

粒径の後方散乱断面積，消散断面積と掛け合わせ
た，粒径ごとの後方散乱および消散への寄与を表す

3.5 ミー散乱ライダーで測定されるエアロゾルの粒径と後方散乱・消散の関係

曲線（相対単位）を Fig. 6 に書き加えたものである．ダストを想定した粒径分布であっても数粒径分

ミー散乱は波長と同じくらいの大きさの粒子によ

布は小粒子で非常に大きく，0.3 ミクロン付近にる散乱であるといわれるが，例えばレーザー波長がピークを持つ．粒径ごとの後方散乱および消散への21

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

Fig. 7

Assumed particle size distribution（blue）（in relative
units）and contribution of each particle size to backscattering（solid line）and extinction（dotted line）（in relative
units）at 532 nm（green）and 1064 nm（orange）.

寄与を見ると，532 nm では後方散乱，消散ともに

Fig. 8

Dependence of the lidar ratio on particle radius.

2.5 ミクロン以下の粒子の寄与がほとんどである．
また，消散の方が後方散乱よりも小粒子の寄与が大λ－A と表すときの A のことである．原典は大気混濁

きい．前節で黄砂消散係数と PM2.5 の相関が良い

度 に 関 す る Anders Knutsson Ångström の 1961 年 のことを述べたが，これを裏付けるものである．（実Tellus の論文．なお，Anders Knutsson Ångström は，

際には黄砂は非球形ではあるが，非球形の効果は主

長さの単位で知られる Anders Jonas Ångström の孫に後方散乱に現れ，下に述べるように S 1 に影響すである．）

る．）1064 nm では，後方散乱への寄与の半分くらFig. 6，7 において，消散断面積と後方散乱断面

いが 2.5 ミクロン以上の粒子であることが分かる．

積を比べると，消散断面積の方が小粒径まで大きい

もし Fig. 7 において，粒径分布を持つダストモデ

ので，ライダー比（S 1）は小粒径側で大きくなるよルに対してではなくて粒径毎に後方散乱・消散係数

うに思われる．これを確認するために Fig. 8 に，もの波長比やライダー比を考察すると，これらのパラ

う少し広い粒径範囲で粒径毎に S 1 を計算した例を

メータは粒径に依存して大きく変化することが分か示す．この図は横軸が半径で log スケールになってる．
（なお，ライダー比は，4π×（消散断面積/後方いる．（なお，大気放射のコミュニティーでは粒径

散乱断面積）で求められる．
）また，後方散乱と消といえば半径を意味することが多いので注意．一般

散では波長比が異なることも分かる．これらのことには粒径は篩（ふるい，sieve）の目の大きさに由来から，粒径分布を仮定したモデルを考える場合も，しているので直径である．
）球形粒子で複素屈折率

モード径や標準偏差（分布の幅）が変わると，ライは Fig. 6，7 と ほ ぼ 同 じ で あ る．1064 nm の S 1 はダー比や，後方散乱波長比，消散係数波長比が変化

532 nm のものを横軸を 2 倍だけシフトしたものとすることが理解できる．

ほぼ重なる．小粒径側ではライダー比は大きい値に想定した lognormal の粒径分布を持つダストの後なっている．大粒子側でもライダー比は大きいが，方散乱係数，消散係数は Fig. 7 の粒径毎の寄与を粒

横軸をシフトしても 532 nm の S 1 の方が大粒子側径で積分することによって求められ，さらに，後方（半径 1 ミクロン以上）で大きいのは複素屈折率の散乱波長比や消散係数波長比（あるいはオングスト

虚数部が 532 nm の方が大きい（つまり吸収が大きローム指数＊），各波長の消散係数対後方散乱比い）ためである．

（ライダー比，S 1）がそれぞれ計算される．この例
で は， 後 方 散 乱 波 長 比（ β 1064 nm/β 532 nm）は0.97， 後 方 散 乱 オ ン グ ス ト ロ ー ム 指 数 で 表 す と0.045， 消 散 係 数 波 長 比（α 1064 nm/α 532 nm）はところで，粒径が小さくなると，レイリー散乱に近くなるので，レイリー散乱のライダー比（S 2）の理論的な値，S 2＝8π/3 sr＝8.38 sr に近づくはずであるが，Fig. 8 では小粒子で非常に大きい．これは複1.08， 消 散 オ ングストローム指数は－0.11， ラ イ

素屈折率の虚数部が 0 でないためである．実際，虚ダ ー 比 は，532 nm で 18.5 sr，1064 nm で 20.6 sr と数部を 0 にしてみると，半径 0.01 ミクロンで，532なる．ここでは非球形性が考慮されていないため，

nm で S 1＝8.43 sr，1064 nm で S 1＝8.39 sr と な る．

ライダー比は小さな値となっているが，実際の黄砂

なお，虚数部が 0 の場合の消散係数，後方散乱係数のライダー比は両波長ともに 50 sr 程度である．
（＊

を 532 nm と 1064 nm で比べてみると 532 nm で 16

オ ン グ ス ト ロ ー ム 指 数 は，α，β の 波 長 依 存 性 を倍大きく，波長の 4 乗に逆比例していてレイリー散22

エアロゾル計測用ライダーシステム（杉本 伸夫）

乱に近いことが分かる．

測定に用いる提案は古く，1976 年の Hinkley 編の成

複素屈折率の虚数部が 0 でない場合（すなわち吸書の Melfi による章にも記載されている 20）．しかし

収がある場合），Fig. 8 に見られるように小粒子側ながら，エアロゾルの消散係数の測定手法として定でも大粒子側でも S 1 が大きくなることは興味深い．

式化されたのは 1990 年頃になってからであった 21）．

消散断面積，後方散乱断面積の粒径依存性を見る

一方，HSRL は Fiocco らの 1971 年の論文まで遡ると，S 1 の増加は小粒子側では吸収によって消散がが 22），測定システムの提案は 1980 年頃で，金属蒸大きくなるためで，大粒子側では吸収によって後方気フィルターを用いる方法 23）と干渉計を用いる方散乱が小さくなるためである．

法 24, 25）がほぼ同時期に提案されている．Shipley et

本節の最初の問いに対する答えをまとめるとおよal.（1983）では，HSRL によりエアロゾルの散乱パ

そ以下のように言える．まず，後方散乱は直径が波ラメータを求める手法が詳細に述べられている 26）．

長以下の粒子にはほとんど感度がない．感度が高い

消散係数の導出についても述べられているので提案のは直径が波長から波長の 5 倍程度の粒子であるはラマン散乱ライダーよりも早いと言える．ヨウ素（屈折率にも依存する）．消散係数はもう少し小さいセルを使った HSRL は 1994 年に Piironen らにより粒子にも大きい粒子にも感度がある．消散係数と後報告されている 27）．

方散乱係数で粒径に対する感度が異なるので，同じ多波長ラマン散乱ライダーによりエアロゾルの微組成のエアロゾルであっても粒径分布によってライ

物理パラメータ（単散乱アルベドや粒径）を推定す

ダー比は異なる．

る 手 法 は ド イ ツ の Leibniz Institute for Tropospheric

4．ラマン散乱ライダー，高スペクトル分解
ライダー

Research（TROPOS）で開発された．TROPOS では
6 波長を同時計測するラマン散乱ライダーが開発さ
れ 28），インバージョン法によりエアロゾルの単散乱

エアロゾルの光学特性やエアロゾル種の推定のたアルベドと有効半径を求める手法が開発された 29）．

めには多波長で後方散乱係数，消散係数，偏光解消

それまでにも，多波長ミー散乱ライダーからエアロ度を測定することが必要である．消散係数を後方散

ゾルの粒径を推定する研究はいくつかあったが，複乱係数と独立に測定する手法にはラマン散乱ライ数の波長で独立に測定した消散係数と後方散乱係数

ダーと高スペクトル分解ライダー（HSRL）があを用いることで初めてエアロゾルの微物理パラメー

る．いずれも大気構成分子の散乱プロファイルを利タの導出が可能となったもので画期的であった．そ用してエアロゾルによる減衰成分（消散係数）を測の後，測定波長は Nd:YAG レーザーの基本波，第定する．
（大気構成分子の鉛直分布は既知と考えれ

二，第三高調波の 3 波長（1064 nm, 532 nm, 355 nm

ば，散乱プロファイルの減衰成分のうち大気構成分の 後 方 散 乱 係 数 と 532 nm と 355 nm の 消 散 係 数）子によるもの以外がエアロゾルによるものである．）

で十分であることが示された 30）．その後，偏光解消

ラマン散乱ライダーは通常窒素分子の振動ラマン散

度も入れて，非球形粒子の微物理量の推定ができる

乱ライダー散乱，HSRL はレイリー散乱を利用すようにインバージョン法が拡張された 31）．多波長ラる．ラマン散乱に比べてレイリー散乱の方が散乱断

マン散乱ライダーは欧州の多数の研究グループで開面積が数桁大きいので HSRL は感度が高く，昼夜発され，欧州のライダーネットワーク EARLINETを問わず高感度の計測が可能である．レイリー散乱で用いられている．なかでも，TROPOS で開発さの中心波長はミー散乱と同じで，違いは散乱スペク

れた POLLY は最も完成度の高い多波長ラマン散乱

トルの波長幅のみである．レイリー散乱は大気分子

ライダー装置のひとつである32, 33）．国立環境研におの運動によるドップラー幅が広いが，ミー散乱はほいても，AD-Net ライダーの設計を拡張して多波長

とんど送信レーザーと同じスペクトル幅である．

ラマン散乱ライダーを開発し，現在 3 地点において

HSRL では散乱光のスペクトル幅の違いを利用して連続観測を行っている 9, 34）．

レイリー散乱とミー散乱と分離する．そのために干HSRL の開発ではいくつかの異なるアプローチが渉計や分子フィルターを高分解能の分光素子として取られている．ひとつは，NASA の航空機搭載多波用いる．

長 HSRL である．1 号機，2 号機があるが，いずれラマン散乱ライダーも HSRL も，提案された当も，532 nm ではヨウ素セル，355 nm ではマイケル

初はエアロゾルの消散係数の測定が主目的ではな

ソン干渉計を用いた HSRL，1064 nm ではミー散乱

く，ラマン散乱ライダーでは水蒸気や大気汚染ガス

ライダーで，3 波長とも偏光解消度の測定も行ってが，HSRL では気温プロファイルの測定が主要ないる 35）．地上のフィールド観測用の HSRL としてターゲットであった．ラマン散乱ライダーを視程のは，ウィスコンシン大学で開発された HSRL があ

23

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

る．これはマイクロパルス方式の HSRL で，同一の望遠鏡を用いて送受信が行われる36）．既に，極域における長期間の観測など多くの実績がある．その一方で，多波長化を目指してはいないように思われる．
国立環境研究所においても古くから HSRL の開発を行ってきた．エアロゾルに関しては，ヨウ素セルを用いた 532 nm の HSRL を開発し 37），その後，532 nm ではヨウ素セル，355 nm では干渉計を用いたシステムを開発した 38）．現在は，遠隔地において長期間運用可能な HSRL の開発を目指して，2 波長とも干渉計を用いたシンプルな構成の HSRL の開発を進めている．ねらいは，ラマン散乱ではむ

39, 40）Fig. 9Concept of HSRL using a periodically scanning interferometer in the receiver.

ずかしい昼間も夜間と同様の感度で連続して観測を行うことにある．このシステムの特徴は，1 フリン

最大，最小に対応する信号を求めて解析することがジ分，周期的にスキャンする干渉計を用いることにできる．このためレーザー波長の制御は必要なく，ある．また，このときレーザー送信光の一部を参照

仮にレーザーの波長や干渉計の特性が変化しても，光として同じ干渉計に入射してライダー信号と同時変化がスキャン速度に比べて十分に遅い限りは解析に記録する．これによって，レーザーは単一縦モーが可能である．この手法はひとつの干渉計を用いたドを維持するだけでよく，波長の制御を行う必要が2 波 長 の 測 定 に も 拡 張 で き る． こ れ ま で に，355

ない．

nm，532 nm の HSRL 測定を同時に行えることが実

Fig. 9 に一波長の場合の測定の概念を示す．Fig. 9

証されている．この場合は 532 nm で 1 フリンジ，

中の右上の図中の点線が大気の散乱のスペクトルを

355 nm で 1.5 フリンジに相当する分をスキャンし示す．中央の鋭いピークがミー散乱である．レイている．

リー散乱は，ほぼガウス関数で表され半値全幅はまた，さらに簡易な HSRL を目指して，マルチ

532 nm の場合およそ 2.5 GHz くらい（波数で表せ

モードレーザーを用いた HSRL の開発も行っていば約 0.083 cm －1，波長では約 2.4 pm）である．ミーる．この場合はレーザーの制御は必要なくなる．既散乱のスペクトルはレーザーのスペクトルとほぼ同に市販のマルチモード Nd:YAG レーザーの第 2 高調

じである．その下段の図は干渉計の透過率を表し，波を用いてシステムを試作し測定に成功した 41, 42）．

スキャンによって透過率のピークが移動する．上段

ただし，市販のレーザーでは縦モード間隔が狭く，の図の実線（ハッチした部分）のスペクトルは，干受信系に非常に長い干渉計を用いる必要があるため

渉計の透過率のピークがレーザー波長に等しいとき

受信システムの効率に限界がある．そこで，レーの信号光のスペクトルである．Fig. 9 の左下にライザーの開発も含て計測システムを最適化するためのダー受信信号を概念的に示す．干渉計の透過率の研究を計画している．

ピークがレーザー波長に等しいときにミー散乱成分

国立環境研究所においては，多波長ラマン散乱ラが大きく，干渉計の透過率のミニマムがレーザー波

イダーおよび多波長 HSRL のデータを用いて，エ長に等しいときにはレイリー散乱成分がほとんどでアロゾル種を分離して，それぞれの濃度分布を推定ある．これらのライダー信号から，ミー散乱とレイする解析手法の開発を進めてきた34, 43, 44）．この手法

リー散乱のプロファイルが導出される．レーザーのでは，エアロゾル種毎の光学特性のモデルを仮定

スペクトルおよび干渉計の特性に起因するクロス

し，観測されるエアロゾルはこれらが混合（外部混

トークがあるが，参照信号（ライダー信号の最初の合）しているものと考える．多波長ライダーで観測部分）を用いることによって評価し取り除くことがされたパラメータ（後方散乱係数，消散係数，偏光できる．原理的には，レーザーあるいは干渉計を制解消度）が最もよく再現されるように，混合比と濃御してミー散乱信号の最大と最小に対応する信号を度を決定する．推定できるエアロゾル種は，測定さ記録する方法が効率は良いが，レーザーおよび干渉れるパラメータに依存するが，2.1 章で触れたよう計の制御が必要である．干渉計を 1 フリンジ分掃引に光学的に分離できる 4 種類（光吸収のない微小粒しながら参照信号とライダー信号を同時に記録する子，光吸収のない粗大粒子，光吸収のある微小粒手法では，データ解析時に参照信号からミー散乱の子，非球形粒子）である．この手法は，エアロゾル

24エアロゾル計測用ライダーシステム（杉本 伸夫）の光学特性のモデルの仮定に基づくものではあるが，汎用性が高く，異なる測定パラメータを持つライダーによる観測の整合性の確保などにおいても有用であると考えている 45）．

5．おわりに
以上，大気エアロゾル計測用ライダーについて解説した．大気観測分野のハイエンドからは，遠隔地でメンテナンスフリーで長期間連続運用可能な高感度のマルチパラメータライダーが望まれている．技
術的な方向はやはり HSRL である．国立環境研究所でも，このような方向を目指して HSRL の開発を進めている．HSRL の原理は 1971 年の Fiocco らの実験にまで遡るもので，基本に立ち返って考える
ことの面白さを感じさせるものでもある．新たな発見は難しいにせよ，工夫のしどころはまだまだあるのではないかと期待している．一方，簡易な弾性後
方散乱ライダーも，例えば黄砂発生域の大気下層のモニタリングなどにおいてニーズが大きい．この場
合には低価格化が課題で，違った意味での工夫が必要である．また，簡易なライダーについては，本文では触れなかった様々な応用分野でもニーズがあるものと期待される．本文が何らかの役に立てば幸い
である．
謝

辞

西澤智明さんにはミー散乱の計算等で，神 慶孝
さんにはライダー信号のシミュレーション等で多大な協力をいただいた．
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杉

本

伸

夫

1978 年大阪大学大学院基礎工学研究科修士終了．1979 年国立公害研究所（現 国 立 環 境 研 究 所）入 所．1985 理
学 博 士（東 京 大 学 理 学 系 研 究 科）．
レーザーを用いた能動遠隔計測手法の開発と大気の観測研究に従事．大気汚染 NO 2 の差分吸収ライダー，成層圏オゾンライダーの開発，ADEOS
衛星搭載レトロリフレクター（RIS）を用いた地上衛星
間レーザー長光路吸収実験などを手掛けた．また，対流圏エアロゾル観測ライダーネットワーク（AD-Net）を構築し，黄砂や越境大気汚染エアロゾルの研究を推進 し た．2014 年 に 定 年 退 職 後，2019 年 3 月 ま で フ ェローとして国立環境研究所に勤務．現在は，国立環境研究所客員研究員および名古屋大学宇宙地球環境研究所客員教授．日本気象学会，日本エアロゾル学会，日本リモートセンシング学会会員．米国光学会，SPIE シ
ニア会員．

26

エアロゾル計測用ライダーシステム（杉本 伸夫）

付録：エアロゾル観測用ライダー写真集（国立環境研究所におけるエアロゾルライダー研究）

A-1 車 載 型 ス キ ャ ニ ン グ ラ イ ダ ー（波 長 1064 nm）（1978–85 ご ろ）．（左）全 景．（中 央）送 受 信 系． 送 信 部： 東 芝 製
Nd:YAG レーザー．繰り返し 20 パルス/秒．ウェッジプリズム 2 枚のビームアラインメント装置．受信部：口径 30 cm のカセ
グレン型望遠鏡（清原光学製），光電子増倍管は RCA-7102 型，量子効率は 0.03%（1064 nm）．（右）信号処理記録系．トランジェントレコーダは岩通 DM-901（8bit，1024 セグメント，100M サンプリング/秒），コンピュータは NOVA-02．データはオープンリールの磁気テープに記録．

A-2 大型スキャニングライダー（波長 532 nm）（1979–2008）．東芝製．（左）全景．（中央上）送受信系．送信部：Nd:YAG
レーザー．パルスエネルギー 400 mJ（532 nm），繰り返し 25 パルス/秒．受信望遠鏡は口径 1.6 m，カセグレン型．（右上）
操作卓とレーザー電源．レーザーはオシレータと 3 段のアンプ．（右下）架台制御装置，データ収集装置．トランジェントレ
コーダは岩通 DM-902．（中央下）測定制御，データ収集用コンピュータ．東芝 TOSBAC 7-40．データはオープンリールの磁

気テープに記録．

A-3 自動運転ライダー（波長 694.3 nm）（1979）．（左）送受信系．送信部：ルビーレーザー．パルスエネルギー 1J，繰り返
し 1 パルス/分．受信望遠鏡は口径 30 cm，フレネルレンズを用いた屈折式．（右）レーザー電源，測定制御，データ収集処理装置．トランジェントレコーダは川崎エレクトロニカ製．距離二乗補正後方散乱プロファイルをペンレコーダで表示するよう設計されていた．

27

レーザセンシング学会誌

第 1 巻第 1 号（2020）

A-4 初期のネットワークライダー．（左）1996 年頃のつくばの連続観測ライダー．（右）現在の AD-Net ライダーのプロトタ
イプ．2001 頃．

A-5 連続自動観測ライダーのバリエーション．（上）海洋地球研究船「みらい」搭載ライダー（1999 頃–2011）．二波長（1064 nm，532 nm）偏光ライダー（532 nm）（下）航空機搭載ライダー（2003 頃）．偏光ライダー 355 nm．

A-6 多波長ラマン散乱ライダーと HSRL．（左）多波長ラマン散乱ライダー（2012–）．1064 nm，532 nm，355 nm で後方散乱，532 nm，355 nm で消散および偏光解消度を測定．写真は九州大学．（右）干渉計を使ったマルチモード HSRL の実験
システム（写真は 2016）．

28