JP4893952B2 - 放射計 - Google Patents

Description

本発明は、多方向の放射量を計測する放射計に関し、特に、検出部を移動させることなく多方向の放射量を計測可能な放射計に関する。

放射量を計測する場合において、検出対象領域に対して受光部を向けて計測することが一般的に行われている。計測者は検出対象領域に対して受光部を向けて計測するときに、多方向の放射量を計測する場合が往々にある。このような場合には、計測者が受光部の向きを変える必要があるため、精度高く放射量を計測するためには計測器を受光部が少なくとも回転可能に支持させる機構を設ける必要がある。このような機構を具体的に実現したものとして、特開平８−６３２３２号公報に開示される太陽自動追尾装置がある。この太陽自動追尾装置は、検出対象領域に対してモータを用いて電動で受光部を移動させることができるだけでなく、光源となる太陽を自動的に追尾しながら太陽の放射量を計測する機能を有する。

この特許文献１の太陽自動追尾装置は、具体的な構成として、４素子の受光素子からなるセンサ部を収納したセンサ収納部を、太陽光を受けるための受光部を有する機器またはその機器を支持する支持台に、機器における太陽光の受光部の指向角度と取付角度が一致するように取付けたうえで、ピンホールを介して太陽光を各受光素子に入射せしめ、各受光素子の受光量が同一でないならば、それが同一となるように前記機器またはこれを支持する支持台を方位角方向および天頂角方向において駆動せしめるようにしたものである。これによれば、日中の天空での位置が時々刻々変化し、これにより描かれる軌跡も季節によって異なる太陽を、計測器などの機器は自動的に追尾し、当該機器における受光部は太陽を指向することができる。
特開平８−６３２３２号公報

しかしながら、前記背景技術は以上のように構成されていることから、太陽追尾のための複雑な機械機構が必要であり、その機械機構のため大型となり、高価となり、故障率が高くなり、メンテナンスの必要もあるという課題を有する。また、自動的に追尾しない構成であっても、受光部を回転可能にする機械機構が必要となり、同様の課題を有する。

本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、受光部を回転可能にする機械機構を不要とし、同一地点での多方向の放射量を計測することができる放射計を提供することを目的とする。

図１ないし図３は本発明の原理を説明する図である。
図１は本発明の放射計の構成を示しており、球（ファイバー配設体）の周面に放射状に一方の端部を配設された光ファイバーが集束されて一列に並設され、所定角度でグレーティングに対向し、同様にグレーティングにある角度での対向位置に２次元ＣＣＤアレイを配設した構成である。好ましくは、光ファイバーを配設した球を覆う球状且つ中空の被覆体（ファイバーケース）を備え、この被覆体の周面に内部の球周面に配設された光ファイバーの端部それぞれに対して３２分の開口角となる穴（ファイバーホール）を設けた構成であることが望ましい。

太陽の直達光、周縁光を計測するだけであれば、図２に示すように、半球の周面に放射状に光ファイバーの一方の端部を配設する構成でもよいが、地表面からの上向きの反射光を図１に示すように受ける場合には、光ファイバーの一方の端部を放射状に配設する周面の形状は球が望ましい。

図２の右上に示すように、半球の周面に放射状に配設された光ファイバーの一方の端部と前記被覆体の孔とで、太陽視直径（約３２［分］）の開口となるように設定することが望ましい。

図２の右下に示すように、グレーティングに対向する２次元ＣＣＤは、横方向（又は縦方向）が波長分解を示し、縦方向（又は横方向）が半球の位置スキャンを示す。なお、ここでは、全ての光ファイバーの他方の端部を一列に並設し、グレーティングに対向させ、グレーティングに２次元ＣＣＤを対向させている構成を説示したが、一部の（例えば、左半球に配設された）光ファイバーの他方の端部を一列に並設し、第１のグレーティングに対向させ、第１のグレーティングに第１の２次元ＣＣＤを対向させ、残りの（例えば、左半球に配設された）光ファイバーの他方の端部を一列に並設し、第２のグレーティングに対向させ、第２のグレーティングに第２の２次元ＣＣＤを対向させる構成とすることもできる。なお、ここでは２段構成を示したが、３段以上の複数段の構成とすることもできる。また、それぞれの光ファイバーの他方の端部の列に対して、グレーティング及び２次元ＣＣＤを用意したが、光ファイバーの他方の端部のいくつかの列又は全ての列に対して一つのグレーティング又は２次元ＣＣＤを用意してグレーティング又は２次元ＣＣＤを機械的に可動させることにより光ファイバーの他方の端部の各列に対応させる構成にすることもできる。

図３は本発明の原理のうち、光路に関する説明図である。球の周面に放射状に配設した光ファイバーの一方の端部が全天の外光を取り込み、光ファイバーのコアを介して光信号を伝搬して光ファイバーの他方の端部から射出させ、グレーティングに入射して反射され、２次元ＣＣＤアレイで光電変換されて電気信号になって出力される。

（１）光ファイバーを球面に放射状に２次元配置し、太陽光の直達、散乱、周縁光のすべてを計測できる分光放射計、また、地表面分光反射率、アルベド、双方向反射率特性を計測する放射計
本発明に係る放射計は、複数の光ファイバーと、当該光ファイバーの一方の端部を放射状に外表面に２次元配置した球状のファイバーケースと、各光ファイバーの他方の端部からの光信号を信号処理系に適した信号にする光検出器とを備え、前記光ファイバーの一方の端部は、ファイバーケースの半球の中心位置から当該光ファイバーの一方の端部が配設されたファイバーケースの半球外表面上の位置への方向を向いて配置され、前記ファイバーケースには、前記光ファイバーの一方の端部毎に当該光ファイバーの一方の端部の向きに略円形状の孔となり且つ入射した外光を孔の周面で反射させないファイバーホールが形成されてなり、所定の計測地点における計測で、前記光検出器からの信号により得られる光ファイバーごとの放射量から地面方向を特定し、さらに鉛直下方向又は鉛直上方向を特定するものである。

このように本発明によれば、単一の検出部を有する放射計の如く放射計の受光部を移動させることなく、放射計を計測地点に配置するだけで太陽光の直達、散乱、周縁光の全てを計測することができるという効果を奏する。従来の少なくとも受光部を可動させるための機械機構が不要となって低廉に構成することができる他、この機械機構についての保守費用も不要となる。

また、ファイバーケースの鉛直上方向の半球外表面に配設された光ファイバーと、ファイバーケースの鉛直下方向の半球外表面に配設された光ファイバーとを用いることで、太陽光の直達、散乱、周縁光、地表面分光反射率、アルベド、双方向反射率特性を計測することができるという効果を奏する。機構を含まず、メンテナンスフリーとなる全天分光日射放射計を提供することが可能となる。

（２）ファイバーの出射光を一次元に並べ、グレーティング等連続分光を行い、半球からの太陽視直径に合わせた角度にて入射する太陽光を分光計測する放射計
本発明に係る放射計は必要に応じて、前記光ファイバーの他方の端部を一次元に並設させ、当該並設させた光ファイバーの他方の端部からの出射光を連続分光させる分光器を備えるものである。
分光器がグレーティングからなる場合において、このグレーティングの刻み間隔を調整することで分光における中心波長を可変とする連続分光方法を行うことができ、つまりは、その方法を実現できる放射計を提供することができる。

（３）本発明に係る放射計は必要に応じて、前記ファイバーホールは、光ファイバーの一方の端部面の中心点から見てファイバーホールの径が太陽視直径となるように形成するものである。

（４）計測した分光放射輝度から、太陽直達、散乱、周縁光、水蒸気量、オゾン全量、全大気・水蒸気・オゾン・空気分子・エアロゾルの光学的厚さ、エアロゾル複素屈折率、粒径分布、気温・湿度・気圧の鉛直分布を推定および表示する放射計
本発明に係る放射計は必要に応じて、前記光検出器からの出力信号により求められた分光放射輝度から、太陽直達、散乱、周縁光、水蒸気量、オゾン全量、全大気・水蒸気・オゾン・空気分子・エアロゾルの光学的厚さ、エアロゾル複素屈折率、粒径分布、気温・湿度・気圧の鉛直分布の少なくとも１つを算出する演算部と、演算部からの算出結果を受け取って表示する表示部を備えるものである。

演算部が各算出結果を導き出すためのアルゴリズムは所謂当業者であれば周知・慣用技術であり、ここでは詳細は省略する。具体的な算出方法を説示した文献として、例えば、「独習 リモートセンシング」（新井 康平著、森北出版、２００４年９月１５日第１版第１刷発行）がある。特に、同著１３４頁から記載されるサウンダの原理を用いて、大気の気温、水蒸気、その他大気の組成分子の鉛直分布を求めることができる。

演算部は算出結果を数値として表示部に送り出す他、グラフ形式にして表示部に送り出す構成とすることもできる。そうすることで、計測地点において計測した後に計測結果を分析するために研究室などに戻ってグラフ処理をコンピュータで行ってディスプレイに表示する手間が省かれ、その計測地点におけるグラフ表示に基づいて以降の計測を行うことができる。つまり、従来であればグラフ処理を研究室などで見て、再計測や追加計測を行っているため計測地点までの行き来に相当の時間がかかり、そのために研究が滞ることもあったが、本発明により研究の迅速化にも寄与することができる。

任意の高度における上向きおよび下向きの放射輝度を計測する放射計として把握することもできる。後説する図４に示す計測者が携帯できるタイプの放射計以外に、例えば、数十メートルの高さでの放射輝度を計測する場合には、所謂タワー計測で用いられる形態をとる。専用のタワーを建造してもよいし、アンテナ塔を借用して、例えば、タワーの影が入らないように先端に本発明の放射計を取付けた長尺物を水平方向に伸ばして計測することができる。

（５）本発明に係る放射計は、前記ファイバーケースが、中空の表面に複数の穴であるファイバーホールが形成され、当該複数のファイバーホール以外から外光を取り込まないようにした黒色の球状体とされ、前記光ファイバーが、前記ファイバーケースの表面のファイバーホール毎に一方の端部を固定されると共に、他方の端部を集束させて配列され、前記光ファイバーの他方の端部に対して、所定角度で配設している光学的なスペクトル取得手段と、当該スペクトル取得手段からの取得したスペクトルの出力方向に対向している、前記光検出器としてのイメージセンサとを備え、ファイバーケースの表面に形成されたファイバーホールから取り込まれた外光を一方の端部を固定された光ファイバーが受け、当該光ファイバーの内部を通過して他方の端部から出力されたスペクトルをイメージセンサが計測するものである。

スペクトル取得手段は後説する実施形態では、グレーティングを例として記載しており、その他に、プリズム及びグリズムを用いることができる。
イメージセンサは構成する実施形態では、２次元ＣＣＤアレイを例として記載しており、その他に、ＣＭＯＳセンサアレイ、赤外線センサアレイを用いることもできる。なお、ライナアレイを並列してエリアアレイを構成してもよい。

各ファイバーホールは、空間的に分離されており、光ファイバーの一方の端部が対応しないファイバーホールから光を受けることはない。また、ファイバーホールも黒色であることが望ましく、ファイバーケースの表面の孔から取り込まれた光が内部の仕切りに反射することなく吸収される。

ファイバーケースを黒色にするのは、例えば、ファイバーケースの成形物質自体を黒色にする方法と、ファイバーケース表面のみを黒色に着色する方法がある。
これら前記の発明の概要は、本発明に必須となる特徴を列挙したものではなく、これら複数の特徴のサブコンビネーションも発明となり得る。

（本発明の第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態に係る放射計について図に基づき説明する。
[１．構成]
本実施形態に係る放射計は、図４に示すように、ファイバーボール１０、ファイバー管２０、リモコン把持部３０からなる。

［１．１ ファイバーボール］
ファイバーボール１０は、図５（ａ）に示すように、所定厚みを有する中空の例えば樹脂成形で作られる球体であるファイバーケース１２と、このファイバーケース１２に収納される光ファイバー１１からなる。ファイバーボール１０の周面には円錐台形の穴であるファイバーホール１２ａが放射状に無数に形成されている。ファイバーホール１２ａは所定厚みの中空の球体を樹脂成形した後に、ファイバーボール１０の周面から円錐台形を切り抜き加工して円錐台形のファイバーホール１２ａを形成してもよいし、樹脂成形（圧縮成形、ブロー成形、真空形成）時にファイバーホール１２ａも形成される金型を使用して樹脂成形のみでファイバーケース１２を形成してもよい。

ファイバーケース１２のファイバーホール１２ａの底面部分には光ファイバー１１と略同じ径の孔であるファイバー先端保持孔１２ｂがファイバーホール１２ａの上面と中心軸を同じにして形成されている。図５（ｂ）は図５（ａ）のあるファイバーホール１２ａに着目したファイバーケース１２の部分詳細斜視図である。この図５（ｂ）が示すように、光ファイバー１１をファイバー先端保持孔１２ｂにファイバーケース１２の内部から挿通し、光ファイバー１１の一方の端部をファイバー先端保持孔１２ｂの先端面と同一面で保持している。ファイバーホール１２ａ毎に光ファイバー１１を挿通する必要があり、ファイバーホール１２ａの形成数個挿通処理が必要となる。本実施形態では、後説するようにファイバー管２０とファイバー１０が連通しているため、ファイバーケース１２の下方部分に連通穴が形成されており、この連通穴を利用して前記光ファイバー１１の挿通処理を行うことができる。連通穴が形成されない場合であっても、挿通処理時にファイバーケース１２を分断し、例えば、半球ずつに分断してそれぞれの半球に対してファイバーホール１２ａへの光ファイバー１１の挿通処理を行った後に、ファイバーケース１２の半球同士を元通りに接合させることもできる。このようなファイバーケース１２の分断結合方法を用いた光ファイバー１１の挿通処理を用いることで、計測処理用基板５０自体を内蔵するファイバーボール１０を作成することもできる。

図５（ｃ）に示すように円柱状にファイバーホール１２ａを形成することもできる。図５（ｄ）は図５（ｃ）のあるファイバーホール１２ａに着目したファイバーケース１２の部分詳細斜視図である。本発明のファイバーボール１０は、光ファイバーの径、ファイバーケース１２の大きさ、ファイバーホール１２ａの大きさ、ファイバーホール１２ａの個数により様々なファイバーボール１０を得ることができ、例えば、図５（ａ）のファイバーボール１０に対してより多くのファイバーホール１２ａを形成し、また、光ファイバー１１をマイクロメータレベル（例えば、２０［μｍ］、１０［μｍ］）とした場合のファイバーボールの部分詳細断面図が図５（ｅ）である。
ファイバーケース１２の周面及びファイバーホール１２ａ部分は黒色に着色されており、ファイバーホール１２ａ内に入射した外光がファイバーホール１２ａの周面でできる限り反射しないようにしている。

ファイバーケース１２の全球面方向にファイバーホール１２ａが等間隔に形成されている。ただし、ファイバーボール１０の底部にはファイバーホール１２ａは形成されておらず、内部で集束された光ファイバー１１がファイバー管２０を通ってリモコン把持部３０に到達している。ファイバーケース１２内でケーブル結束具を用いて集束された後、ファイバー管２０内でも移動しないようにファイバー管２０の内面に固定されている。

図６は本実施形態に係るファイバーボールのスケールの一例を模式的に説明する図である。ファイバーホール１２ａの開口部が、光ファイバー１１の一方の端部面の中心を中心点として３２［分］の開口となるように形成する。図６では、ファイバーケース１２の直径を５［ｃｍ］、光ファイバー１１の直径を２０［μｍ］、ファイバーホールの深さを１４．３［ｍｍ］とすると、前記３２［分］の開口となるために、ファイバーホール１２ａは１．１［ｍｍ］の開口となる。そして、２０［μｍ］の光ファイバー１１を集束させると、１［ｃｍ］以下の束となる。また、この直径５［ｃｍ］のファイバーボール１０の周面に１．２５［ｍｍ］間隔でファイバーホール１２ａを形成すると、全ファイバーホール数は４０９６［個］となる。

［１．２ リモコン把持部］
リモコン把持部３０は、図４、図７及び図８に示すように、ＯＮ／ＯＦＦ表示ランプ３１、計測中ランプ３２、気泡管水平器３３、ＯＮ／ＯＦＦボタン３４、計測開始／停止ボタン３５、メモリカード用開口３６、ＵＳＢ用開口３７、把持部ケース３８、グレーティング４１、２次元ＣＣＤアレイ４２、計測処理用基板５０、マイクロコンピュータ５１、ＥＥＰＲＯＭ５２、二次電池５３、ＵＳＢインタフェース５４及びメモリカードインタフェース５５からなる。

把持部ケース３８は管状になっており、その管内上面に計測処理用基板５０が内面に配設されて固定されている。計測処理用基板５０上には図８に示すように、２次元ＣＣＤアレイ４２、ＯＮ／ＯＦＦ表示ランプ３１、計測中ランプ３２、マイクロコンピュータ５１、ＥＥＰＲＯＭ(Electronically Erasable and Programmable Read Only Memory)５２、二次電池５３、ＯＮ／ＯＦＦボタン３４、計測開始／停止ボタン３５、ＵＳＢインタフェース５４及びメモリカードインタフェース５５が実装されている。計測処理用基板５０上の各実装要素は、マイクロコンピュータ５１と制御信号用に電気的に接続し、二次電池５３と電力供給用に電気的に接続している。図８では制御用信号線を図示しているが、電力供給用線は省略している。なお、本実施形態では、ＥＥＰＲＯＭである内蔵型記憶手段、メモリーカードである携帯型記憶手段、ＵＳＢインタフェース５４である外部コンピュータを用いたが、いずれか一つでもよいし、他の記憶手段を用いた構成でもよいし、出力結果を一時的に記憶して表示出力するのみの構成であってもよい。また、図８中破線で示している小型モータ７２及びリニアエンコーダ７３は本実施形態では使用しない。

マイクロコンピュータ５１は、ＯＮ／ＯＦＦ表示ランプ３１、計測中ランプ３２に対して発光の制御を行う。マイクロコンピュータ５１は、ＯＮ／ＯＦＦボタン３４、計測開始／停止ボタン３５からの入力信号を受ける。マイクロコンピュータ５１は、２次元ＣＣＤアレイ４２に対して放射量の計測の開始を命じ、２次元ＣＣＤアレイ４２からの放射量の検出値（２次元ＣＣＤアレイの各フォトダイオードからの電荷量又はそれをＡ／Ｄ変換、放射量に変換したもの）を受け付ける。マイクロコンピュータ５１は、データをＥＥＰＲＯＭ５２に対してデータを送り出し、また、逆に、ＥＥＰＲＯＭ５２からデータを読み出す。送り出すデータは２次元ＣＣＤアレイ４２により取得した放射量の検出値である。マイクロコンピュータ５１は、ＵＳＢインタフェース５４に連結されるＵＳＢケーブル（図示しない）を介して接続される外部コンピュータ（図示しない）からのデータを受け付け、逆に、外部コンピュータに対してデータを送り出す。マイクロコンピュータ５１は、メモリカードインタフェース５５にスロットインされるメモリカード（図示しない）に対してデータを送り出す。ここで、逆に、マイクロコンピュータ５１がメモリカードからデータを受け付ける構成としてもよい。

計測処理用基板５０は把持部ケース３８の内面に、把持部ケース３８の上面に形成されたＯＮ／ＯＦＦ表示ランプ用孔、計測中ランプ用孔、ＯＮ／ＯＦＦボタン用孔、計測開始／停止ボタン用孔にＯＮ／ＯＦＦ表示ランプ３１、計測中ランプ３２、ＯＮ／ＯＦＦボタン３４、計測開始／停止ボタン３５が合致するように内設している。

把持部ケース３８はファイバー管２０と連通している。ファイバー管２０とリモコン把持部３０の境界部分に光ファイバー１１の受光側と逆側になる他端面が一列に整列しており、それに所定角度をもってグレーティング４１が配設されている。グレーティング４１は２次元ＣＣＤアレイ４２に対して定まった角度で配設されており、光ファイバー１１からの外部からの入射光を受けて２次元ＣＣＤアレイ４２に反射させている。

２次元ＣＣＤアレイ４２ではホトダイオード（図示しない）からの信号が順次出力され、アナログ処理、ＡＤ変換などの周知の情報処理技術を経てマイクロコンピュータ５１に入力される。なお、マイクロコンピュータ５１で２次元ＣＣＤアレイ４２からの信号を情報処理する機能を荷うこともできるし、マイクロコンピュータ５１と２次元ＣＣＤアレイ４２の間に２次元ＣＣＤアレイ４２からの信号を処理する素子を配設することもできる。

［１．３ 光路説明］
図７は本実施形態の計測時の光ファイバーからの光路説明図である。ファイバーホール１２ａから取り込まれた外光は対応する光ファイバー１１に取り込まれ、光ファイバー１１のコアを通って、グレーティング４１に入射される。グレーティング４１に入射された光はグレーティング４１の表面で反射され、回折格子の原理に基づきスペクトルを反射方向に配設された２次元ＣＣＤアレイ４２にて取得する。
２次元ＣＣＤ４２では光ファイバー１１毎のグレーティング４１からの反射光を計測する。つまり、図７の水平方向の一列が一の光ファイバーの放射量を計測することになる。

［１．４ 観測波長］
観測対象により次の箇条書きのように観測波長が異なる。
・水蒸気：
７２０，８１０，９４０［ｎｍ］→相対湿度プロファイル，９３６［ｎｍ］：水蒸気
・酸素：
７６２［ｎｍ］，１０７０［ｎｍ］→気圧
・オゾン：
４４０−７４０［ｎｍ］（６００［ｎｍ］）、３０５，３１２，３２０［ｎｍ］
・二酸化炭素：
７８０−１２４０［ｎｍ］（６９０［ｎｍ］）→気温プロファイル
・大気光学的厚さ
３６８，５００，６７０，７７２，８６２，１０２０［ｎｍ］
このように観測対象により観測波長が異なるため、例えば、３０４ないし１０７２［ｎｍ］を１［ｎｍ］間隔に分光し、計７６８チャンネル用意する構成とする。そうすると、４０９６［個：光ファイバー数］×７６８［チャンネル］エレメント数の２次元ＣＣＤが必要となる。この例によれば、植生等を観測対象物とした場合に、可視から近赤外波長域の分光反射が有効となる。

［１．５ 計測した放射量を用いた］
図９は本実施形態に係る放射計による観測概要図である。本発明の放射計により、直達光、スカイライト散乱光、上向き放射ラジアンス及び周縁光を略同時に受光部を動かすことなく計測することができる。

［２．動作］
使用者は放射量を計測したい地点で、図４に示すように、リモコン把持部３０のボタンなどが配設されている方向を鉛直上方向にしてＯＮ／ＯＦＦボタン３４を押下する。リモコン把持部３０の所定側を鉛直上方向にするのは、ファイバー管２０がリモコン把持部３０の先頭面からリモコン把持部３０の延出方向に形成され（水平部２０ａ）、途中でリモコン把持部３０の延出方向に対して略直角に曲折し（垂直部２０ｂ）、先端部分がファイバーボール１０に取り込まれ、予め定められたファイバーボール１０の天頂１０ａが鉛直上方向を向くようになるからである。前記ファイバー管２０が水平部２０ａ及び垂直部２０ｂから構成されることで、ファイバーボール１０の検出面に対して、ファイバー管２０の影がかからないようにしている。また、使用者は、把持部ケース３８の水平部２０ａの延出方向が所定方位に向くようにしている。使用者のＯＮ／ＯＦＦボタン３４の押下により、ＯＮ／ＯＦＦ表示ランプ３１が点灯する。

使用者は、前説のようにファイバーボール１０の天頂１０ａを天頂方向に向かせ、ファイバーボール１０が所定方位を向くようにした状態で計測開始／停止ボタン３５を押下することで、計測中ランプ３２が点灯すると共に、２次元ＣＣＤアレイ４２により計測が開始される。

前記［１．３ 光路説明］で説示したように、２次元ＣＣＤアレイ４２にて側光量を計測し、マイクロコンピュータ５１に各光ファイバー１１の所定の各単波長成分の放射量が送り出される。マイクロコンピュータ５１は取り込んだ放射量をＥＥＰＲＯＭ５２に記録する。マイクロコンピュータ５１に現在の計測で計測された放射量が送り出され、記録された後に、計測中ランプ３２が所定期間点滅して消灯する。これにより、使用者は計測が終了したことを認識する。

その後に、使用者がメモリカードをメモリカードスロット３６に挿入することで、マイクロコンピュータ５１を介してＥＥＰＲＯＭ５２上の放射量がメモリカードに転送される。または、外部コンピュータ（不図示）に連結したＵＳＢケーブルの他端をＵＳＢインタフェース３７に連結し、マイクロコンピュータ５１を介してＥＥＰＲＯＭ５２上の放射量を外部コンピュータに取り込む。

［３．効果］
このように略全球面に対して光ファイバー１１の端部を外向きに配設し、光ファイバー１１への入射光をグレーティング４１を介して光ファイバー１１毎に２次元ＣＣＤアレイ４２で計測するので、検出部であるファイバーボール１０自体を計測時に機械的に動かすことなく色々な方向の放射量を計測することができる。

なお、本実施形態では、計測が同じ天頂角となるように、気泡管水平器３３を用いて計測し、さらに、同じ方位となるように同じ方向を向いて計測しているが、単に、太陽の直達光、周縁光、散乱光を計測する場合には、太陽の直達光を計測している光ファイバー１１を特定することができれば計測可能であるため、同じ天頂角及び方位で計測する必要はなく、気泡管水平器３３も不要である。雲がない場合に計測した放射量から直達光を計測した光ファイバー１１を特定することができる。

（その他の実施形態）
［変形例］
前記第１の実施形態に係る放射計は一例であり、本発明の原理を逸脱しない範囲での変更例をとることができる。例えば、前記第１の実施形態では、ファイバー管２０及びリモコン把持部３０を具備する構成となっているが、これらの構成要素を具備せずにファイバーボール１０の中心部分に、計測処理用基板５０を内設し、ボタン、ランプ等をファイバーボール１０の周面のファイバーホール１２ａが形成されていない箇所に設けた構成をとることもできる。

使用形態としては計測地点にファイバーボール１０を置いてボタンを押下して計測を開始する。または、計測地点にファイバーボール１０を吊るしてボタンを押下して計測を開始する。特に、前者の使用形態である場合に放射量から地面方向を特定し、さらに、地面方向のうち鉛直下方向は円形放射状に放射量が小さくなることから鉛直下方向を特定し、逆に、鉛直上方向を特定することもできる。
気泡管水平器３３を具備しなくてもよい構成も可能であるのは、前記第１の実施形態と同様である。

［シリンドリカルレンズ（円柱レンズ）］
図１０は本実施形態に係るシリンドリカルレンズを適用した構成例である。
前記第１の実施形態においては、光ファイバー１１のグレーティング４１側の端部とグレーティング４１の間の光ファーバー１１からの入射光の光路上に拡散防止用シリンドリカルレンズ６１を配設することもでき、光ファイバー１１からの入射光が光ファイバー１１の配設方向１１ａに広がることを防止している。拡散防止用シリンドリカルレンズ６１の曲面形成方向６１ａが光ファイバー１１の配列方向１１ａと同方向となるように、拡散防止用シリンドリカルレンズ６１を配設している。

また、拡散防止用シリンドリカルレンズ６１とグレーティング４１の間の拡散防止用シリンドリカルレンズ６１からの透過光の光路上に平行光用シリンドリカルレンズ６２を配設することもでき、シリンドリカルレンズ６１からの透過光を平行光にしている。平行光用シリンドリカルレンズ６２の曲面形成方向６２ａが光ファイバー１１の配列方向と直交するように平行光用シリンドリカルレンズ６２を配設している。

このようにシリンドリカルレンズ６１、６２を用いて、光ファイバー１１からの入射光を隣接入射光に影響を与えることないように受けることがないように拡散させず、また、グレーティング４１での反射光が適切なスペクトルとなるように平行光としているので、より精度高く放射量を取得することができる。

［スリットによる光ファイバー毎の検出方法］
図１１は本実施形態に係る可動スリットを適用した構成例である。
前記第１の実施形態においては、全ての光ファイバー１１からの外光の入射光がグレーティング４１に入射して反射され、２次元ＣＣＤアレイ４２に到達して該当部位の電荷が転送される構成であったが、図１１に示すように、光ファイバー１１とグレーティング４１の光路上にスリット７１ａが位置し、且つ、光ファイバー１１の配列方向に移動可能に構成されるスリット板７１を具備させる。

スリット板７１のスリット７１ａの幅は、光ファイバー１１の径以下に形成されている。
スリット板７１は、周知のスライド機構と接続し、このスライド機構と可動子が接続する小型モータ７２を介して光ファイバー１１の配列方向に移動可能に構成される。なお、ここでは、モータを一例として示したが、空気シリンダ、ソレノイドなどのアクチュエータをモータの代替技術として使用してもよい。

スリット板７１にはスリット７１ａ以外のリニアエンコーダ用の孔（不図示）が形成されており、発光部と受光部の一対からなる光学式リニアエンコーダ７３によりスリット板７１の位置をマイクロコンピュータ５１が光学式リニアエンコーダ７２の出力により把握している。よって、マイクロコンピュータ５１は、小型モータ７２に駆動電圧を印加してスリット７１ａが所望の光ファイバー１１のグレーティング４１の端部の正面に対向させている。これにより、グレーティング４１には全ての光ファイバー１１からの外光が入射するのではなく、スリット７１ａを通過してきた所望の光ファイバー１１からの外光のみが入射し、反射されて２次元ＣＣＤアレイ４２により検出される。
前記［シリンドリカルレンズ（円柱レンズ）］の拡散防止用シリンドリカルレンズ６１及び／又は平行光用シリンドリカルレンズ６２をスリット板７１の前後にさらに具備させた構成であってもよい。

［方位取得手段内蔵型］
前記各実施形態においては、把持部ケース３８の水平部２０ａの延出方向が所定方位（例えば、北）に向くようにして計測したが、デジタル方位計（デジタルコンパス）又はＧＰＳレシーバからなる方位取得手段を把持部ケース３８に内設し、計測時にその方位取得手段から計測時方位を取得して計測値と共に記録する構成であってもよい。また、記録する場合には所定方位を基準として計測値を並び替えて記録時には常に同じ方位にデータが並ぶように情報処理して記録することもできるし、各光ファイバー１１毎の計測値に対して方位を属性として関連付けて記録することもできる。

［天頂角取得手段内蔵型］
前記各実施形態においては、気泡管水平器３３を用いてファイバーボール１０の天頂１０ａが鉛直上方向を向くようにしているが、ファイバーボール１０の天頂１０ａの天頂角（天頂方向となす角度であって、地平線の方向が９０度。）を求める鉛直上方向取得手段（例えば、鉛直器、自動天頂鉛直器、レーザ鉛直器）を具備し、前説［方位取得手段内蔵型］と同様に計測時に鉛直上方向取得手段により天頂角を取得し、同様に記録する構成であってもよい。

［グレーティングの代替手段］
前記各実施形態においては、グレーティングを用いたが、プリズム又はグリズムを使用してもよい。

［２次元ＣＣＤアレイの代替手段］
前記各実施形態においては、イメージセンサとして２次元ＣＣＤを用いたが、ＣＭＯＳセンサアレイ、赤外線センサアレイといった任意の２次元イメージセンサを用いることができる。

［本発明による放射計により計測した放射量から求めるグラフ例］
本発明の放射計により、直達光、散乱光、周縁光の波長毎の放射量を計測することができ、計測した放射量から周知技術・慣用技術のアルゴリズム（サウンダの原理など）を用いて、各種の観測値（オゾン全量、全大気・水蒸気・オゾン・空気分子・エアロゾルの光学的厚さ、エアロゾル複素屈折率、粒径分布、気温・湿度・気圧の鉛直分布）を推定することができ、さらに、グラフ化することもできる。例えば、図１２ないし図１４のエアロゾル複素屈折率と粒径分布に関するグラフを求めることができ、所定波長域（例えば、５００［ｎｍ］周辺）の放射量を用いて、複素屈折率の実部、虚部及びユンゲパラメータを求めてグラフ化したものである。図１５は植生の双方向反射率特性を求めてグラフ化したものであり、図１５（ａ）が森林について、図１５（ｂ）が草地についてである。なお、一点鎖線が枯れている森林又は草地に関するものであり、二点鎖線が生い茂っている森林又は草地に関するものである。

以上の前記各実施形態により本発明を説明したが、本発明の技術的範囲は実施形態に記載の範囲には限定されず、これら各実施形態に多様な変更又は改良を加えることが可能である。そして、かような変更又は改良を加えた実施の形態も本発明の技術的範囲に含まれる。このことは、特許請求の範囲及び課題を解決する手段からも明らかなことである。

本発明の原理図である。 本発明の原理図（部分詳細）である。 本発明の原理図（光路）である。 本発明の第１の実施形態に係る放射計の使用状態図及びインタフェースの一例である。 本発明の第１の実施形態に係るファイバーボールの正面図とその部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るファイバーボールのケース開口幅の説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る放射計の構成模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測処理用基板の実装構成例である。 本発明の第１の実施形態に係る放射計による観測概要説明である。 本発明のその他の実施形態に係る放射計の構成模式図である。 本発明のその他の実施形態に係る放射計の構成模式図である。 本発明のその他の実施形態に係るエアロゾル複素屈折率と粒径分布と光学的厚さの関係のグラフ図である。 本発明のその他の実施形態に係るエアロゾル複素屈折率と粒径分布と散乱光の関係のグラフ図である。 本発明のその他の実施形態に係るエアロゾル複素屈折率と粒径分布とオーリオール（太陽周縁光）の関係のグラフ図である。 本発明のその他の実施形態に係る植生の双方向反射率特性の例である。

符号の説明

１０ ファイバーボール
１０ａ 天頂
１１ 光ファイバー
１１ａ 配列方向
１２ ファイバーケース
１２ａ ファイバーホール
１２ｂ ファイバー先端保持孔
２０ ファイバー管
２０ａ 水平部
２０ｂ 垂直部
３０ リモコン把持部
３１ ＯＮ／ＯＦＦ表示ランプ
３２ 計測中ランプ
３３ 気泡管水平器
３３ａ 標線
３３ｂ 気泡
３４ ＯＮ／ＯＦＦボタン
３５ 計測開始／停止ボタン
３６ メモリカード用開口
３７ ＵＳＢ用開口
３８ 把持部ケース
４１ グレーティング
４２ ２次元ＣＣＤアレイ
５０ 計測処理用基板
５１ マイクロコンピュータ
５２ ＥＥＰＲＯＭ
５３ 二次電池
５４ ＵＳＢインタフェース
５５ メモリカードインタフェース
６１ 拡散防止用シリンドリカルレンズ
６１ａ 曲面形成方向
６２ 平行光用シリンドリカルレンズ
６２ａ 曲面形成方向
７１ スリット板
７１ａ スリット
７２ 小型モータ
７３ リニアエンコーダ

Claims (5)

1. 複数の光ファイバーと、
   当該光ファイバーの一方の端部を放射状に外表面に２次元配置した球状のファイバーケースと、
   各光ファイバーの他方の端部からの光信号を信号処理系に適した信号にする光検出器とを備え、
   前記光ファイバーの一方の端部は、ファイバーケースの半球の中心位置から当該光ファイバーの一方の端部が配設されたファイバーケースの半球外表面上の位置への方向を向いて配置され、
   前記ファイバーケースには、前記光ファイバーの一方の端部毎に当該光ファイバーの一方の端部の向きに略円形状の孔となり且つ入射した外光を孔の周面で反射させないファイバーホールが形成されてなり、
   所定の計測地点における計測で、前記光検出器からの信号により得られる光ファイバーごとの放射量から地面方向を特定し、さらに鉛直下方向又は鉛直上方向を特定することを
   特徴とする放射計。
2. 前記光ファイバーの他方の端部を一次元に並設させ、
   当該並設させた光ファイバーの他方の端部からの出射光を連続分光させる分光器を備える
   前記請求項１に記載の放射計。
3. 前記ファイバーホールは、光ファイバーの一方の端部面の中心点から見てファイバーホールの径が太陽視直径となるように形成する
   前記請求項１又は２に記載の放射計。
4. 前記光検出器からの出力信号により求められた分光放射輝度から、太陽直達、散乱、周縁光、水蒸気量、オゾン全量、全大気・水蒸気・オゾン・空気分子・エアロゾルの光学的厚さ、エアロゾル複素屈折率、粒径分布、気温・湿度・気圧の鉛直分布の少なくとも１つを算出する演算部と、
   演算部からの算出結果を受け取って表示する表示部を備える
   前記請求項１ないし３のいずれかに記載の放射計。
5. 前記ファイバーケースが、中空の表面に複数の穴であるファイバーホールが形成され、当該複数のファイバーホール以外から外光を取り込まないようにした黒色の球状体とされ、
   前記光ファイバーが、前記ファイバーケースの表面のファイバーホール毎に一方の端部を固定されると共に、他方の端部を集束させて配列され、
   前記光ファイバーの他方の端部に対して、所定角度で配設している光学的なスペクトル取得手段と、
   当該スペクトル取得手段からの取得したスペクトルの出力方向に対向している、前記光検出器としてのイメージセンサとを備え、
   ファイバーケースの表面に形成されたファイバーホールから取り込まれた外光を一方の端部を固定された光ファイバーが受け、
   当該光ファイバーの内部を通過して他方の端部から出力されたスペクトルをイメージセンサが計測することを特徴とする
   前記請求項１に記載の放射計。

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