JP6540992B2 - 雪氷モニタリング装置 - Google Patents

Description

本発明は、透過部材と、透過部材の一方側から他方側に向けて電磁波を発信する発信機を有する発信ユニットと、透過部材の他方側から一方側に入射する電磁波を検知する受信機を有する受信ユニットとを備えた雪氷モニタリング装置に関し、透過部材の上部の積雪や凍結の状態や程度の検出に好適な雪氷モニタリング装置に関する。

道路面や滑走路面（以降「路面」と言う）の着氷・着雪状態をモニタリングすることは、安全管理上、重要である。
このため、路面上の積雪の深さを外部からの超音波の反射を利用して計測する技術が公知であり、外部からマイクロ波を利用して積雪等の状態を計測する技術が公知である。
しかしながら、外部（上方等）にモニタリング装置を設置する場合、設置スペースの確保、モニタリング装置への自然環境（雪、雨、風等）による影響、外部からの異物の衝突等によるモニタリング装置自体の破損が問題となる。

また、空港の滑走路では、航空機の離着陸の安全性に影響を与えるため、滑走路やその周囲の上方にモニタリング装置そのものを設置することには大きな制限がある。
さらに、航空機の機体表面の着氷・着雪状態のモニタリングにおいても、モニタリング装置を機体外側に設置することは、航空機の耐空性の観点から非常に困難である。
そこで、路面や構造物の内部に光を含む電磁波の発信装置を埋め込み、表面に向かって光を含む電磁波を発信できるようにし、電磁波の散乱波を検知するための受信装置を、路面や構造物の内部に埋め込んだ発信装置のそばに設置することで、外部設置することの問題点を解決したモニタリング装置が公知である（例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３等参照。）。

特開平９−１１３６３６号公報 特開平１０−２６７８３７号公報 特開２０００−２５８５５４号公報

特許文献１等で公知のモニタリング装置は、発信ユニット（投光器４）から発信した光の反射光を受信ユニット（受光器５）により検知するものであり、受光レベルを所定の閾値と比較して融雪装置の動作をオン・オフするものである。
この原理で融雪が必要な積雪か否かをある程度検知することは可能となるが、詳細な積雪の深さや質に関する状態をモニタリングすることはできなかった。
特許文献２等で公知のモニタリング装置は、波長の異なる複数の電磁波（赤外線）の反射率をセンサにより検出するものであり、それらの値から雪の含水率を測定するものである。
この原理で積雪の質に関しての情報をある程度得ることは可能であるが、積雪の深さをモニタリングすることはできず、また、雪以外の氷、水、泥等を区別して検出することもできず、詳細な質に関する状態をモニタリングすることはできなかった。
特許文献３等で公知のモニタリング装置は、２つの受信ユニット（光量センサー１）の一方で外部からの自然光の光量を検知し、他方で発信ユニット（発光体１１）から発信した光の反射光を含む光量を検知し、それら２つの情報から積雪の有無を判断するものである。
この原理で積雪の有無を判断することは可能となるが、詳細な積雪の深さや質に関する状態をモニタリングすることはできなかった。

そこで、本発明は前述した課題を解決するものであり、路面や構造物の内部に埋め込むことが可能であり、路面や構造物の表面に局所的に付着した雪等（雪・氷・水・泥など）の有無を判定できるとともに、詳細な積雪の深さや質に関する状態をモニタリングすることが可能な雪氷モニタリング装置を提供することを目的とする。

本発明に係る雪氷モニタリング装置は、透過部材と、前記透過部材の一方側から他方側に向けて電磁波を発信する発信機を有する発信ユニットと、前記透過部材の他方側から一方側に入射する電磁波を検知する受信機を有する受信ユニットとを備えた雪氷モニタリング装置であって、前記発信ユニット及び受信ユニットが、前記発信機から発信された電磁波の他方側から一方側に入射する散乱波を前記受信機で検知するように配置され、前記発信ユニットが、波長の異なる複数の電磁波を発信するように構成され、前記受信ユニットが、異なる位置の前記電磁波の散乱波の強度を検出するように構成されていることにより、前記課題を解決するものである。
なお、本明細書中の「電磁波」は、可視光やさらに波長に短いものも含む。

請求項１に係る雪氷モニタリング装置によれば、発信ユニットが、波長の異なる複数の電磁波を発信可能に構成され、受信ユニットが、異なる位置の電磁波の散乱波の強度を検出するように構成されていることにより、一次元あるいは二次元的な強度分布を検出することで、路面または構造物の表面に局所的に付着した雪等（雪・氷・水・泥など）の有無を判定でき、正確に積雪に関する情報のみを抽出することが可能となり、異なる波長毎の散乱波によって、深さや質を分離して高精度に求めることでき、詳細な積雪の深さや質に関する状態をモニタリングすることが可能となる。
また、発信ユニットと受信ユニットを一体とすることで、装置全体を小型化することが可能であり、設置場所の選択の自由度が向上するとともに、路面や構造物の内部等の必要な箇所に埋め込むことが可能となる。
また、小型化することで、表面の平均的な状態の計測ではなく、局所的な計測によって必要な箇所で高精度のモニタリングを実現できる。
さらに、路面や構造物の内部等の必要な箇所に埋め込むことで、外部の自然環境によるモニタリングの精度に対する影響を排除でき、外部からの異物の衝突等による破損等を防止することができる。

本請求項２に記載の構成によれば、発信ユニットが、複数の発信機を備えることにより、さらに容易に異なる波長の電磁波を発信することが可能となる。
また、受信ユニットが、複数の受信機を備えることにより、さらに容易に一次元あるいは二次元的な強度分布を検出することが可能となる。
本請求項３に記載の構成によれば、複数の受信機が、異なる位置に配置されていることにより、さらに広範囲に一次元あるいは二次元的な強度分布を検出することが可能となる。
本請求項４に記載の構成によれば、発信ユニットが、位置及び姿勢の少なくとも一方を変更可能な発信調整機構を備えることにより、設置環境や、積雪等の状態に応じて、電磁波を最適に発信することで、より高精度な計測分解能を得ることができ、詳細な積雪の深さや質に関する状態を、さらに高精度にモニタリングすることが可能となる。
また、受信ユニットが、位置及び姿勢の少なくとも一方を変更可能な受信調整機構を備えることにより、設置環境や、積雪等の状態に応じて、電磁波の一次元あるいは二次元的な強度分布を最適に検出することで、より高精度な計測分解能を得ることができ、詳細な積雪の深さや質に関する状態を、さらに高精度にモニタリングすることが可能となる。
本請求項５に記載の構成によれば、発信ユニットが、指向性を有する電磁波を発信する発信機を備えていることにより、発信ユニットから直接検出ユニットに到達する電磁波の影響を抑制し、詳細な積雪の深さや質に関する状態を、さらに高精度にモニタリングすることが可能となる。
指向性を有する電磁波を発信する発信機としては、電磁波自体に指向性を持つレーザー光等を発信するものや、偏向板や並行光化レンズ等の指向性フィルターを装着したものがあげられる。

本発明に係る雪氷モニタリング装置の概略説明図。 積雪の放射伝達モデルのグラフ。 実験例の参考写真。 実験例の計測結果グラフ。 本発明の一実施形態に係る雪氷モニタリング装置の説明図。

本発明は、透過部材と、透過部材の一方側から他方側に向けて電磁波を発信する発信機を有する発信ユニットと、透過部材の他方側から一方側に入射する電磁波を検知する受信機を有する受信ユニットとを備えた雪氷モニタリング装置であって、発信ユニット及び受信ユニットが、発信機から発信された電磁波の他方側から一方側に入射する散乱波を受信機で検知するように配置され、発信ユニットが、波長の異なる複数の電磁波を発信可能に構成され、受信ユニットが、異なる位置の電磁波の散乱波の強度を検出するように構成され、路面や構造物の内部に埋め込むことが可能であり、路面や構造物の表面に局所的に付着した雪等（雪・氷・水・泥など）の有無を判定できるとともに、詳細な積雪の深さや質に関する状態をモニタリングすることが可能なものであれば、その具体的な実施態様はいかなるものであってもよい。

本発明に係る雪氷モニタリング装置１００は、図１に概略的に示すように、透過部材１１０と、透過部材１１０の一方側から他方側に向けて電磁波を発信する発信機１２１を有する発信ユニット１２０と、透過部材１１０の他方側から一方側に入射する電磁波を検知する受信機１３１を有する受信ユニット１３０とを備えている。
発信機１２１は、例えばレーザー発振器であり、それ自体で異なる複数の波長のレーザー光を発信できるものであってもよく、発信ユニット１２０に、複数の発信機１２１が取付けられていてもよい。
また、発信調整機構によって発信ユニット１２０の位置及び姿勢の少なくとも一方を変更可能としてもよく、発信ユニット１２０は固定とし発信ユニット１２０内で発信調整機構によって発信機１２１の位置及び姿勢の少なくとも一方を変更可能としてもよい。

受信機１３１は、例えばＣＣＤ等の二次元光学センサであり、それ自体で波長の異なる複数の電磁波の散乱波の二次元的な強度分布を検出できるものであってもよく、受信ユニット１３０に複数の受信機１３１が取付けられ、全体として波長の異なる複数の電磁波の散乱波の一次元あるいは二次元的な強度分布を検出してもよい。
また、受信調整機構によって受信ユニット１３０の位置及び姿勢の少なくとも一方を変更可能としてもよく、受信ユニット１３０は固定とし受信ユニット１３０内で受信調整機構によって受信機１３１の位置及び姿勢の少なくとも一方を変更可能としてもよい。

このような雪氷モニタリング装置１００において、透過部材１１０の上方の積雪Ｓに対し、発信機１２１から入射する電磁波と受信機１３１で検出する電磁波の関係は波長によって異なっている。
図２に示すように、積雪の放射伝達モデルに基づけば、アルベド（入射電磁波に対する反射電磁波の比）は波長によって変化する（図中のｒｅ＝５０μｍは新雪に相当、１０００μｍはざらめ雪に相当）。
このことにより、反射・散乱する電磁波の量は、雪質と波長に対して大きく変化し、雪厚と雪質は、電磁波の波長に対する反射・散乱強度の関係から算出が可能である。
そして、受信機１３１によって異なる複数の電磁波の散乱波の二次元的な強度分布を検出することで、透過部材１１０の上方に局所的に付着した雪等（雪・氷・水・泥など）の有無を判定できる。

また、積雪量の違いを散乱光の強さで検知する実験を行なった。
図３に示すように、−２０℃に調温された実験室の中に、透過部材１１０としてガラス製の水槽を準備し、その下部に発信ユニット及び受信ユニットを設置した。
発信ユニット及び受信ユニットは専用のステージに設置され、お互いの距離を手動で変更できる機構を備えている。
水槽に厚さの異なる２種類の雪（３０ｍｍ、９０ｍｍ）を入れて、水槽下部の発信ユニットから鉛直に対し１５°の角度でレーザーを照射し、受信ユニットでその散乱光を鉛直に対し１５°の角度で受光して強度を計測した。
この機構を用いて、発信ユニットと受信ユニットの距離を０ｍｍから６０ｍｍまで変化させて、散乱光強度の分布を併せて計測した。
その計測結果は、図４に示すとおりであり、雪の厚さにより光強度の分布が異なり、この装置で、雪の状態を検知できることがわかる。
これらにより、本発明に係る雪氷モニタリング装置１００によれば、詳細な積雪の深さや質に関する状態をモニタリングすることが可能となる。

本発明を滑走路に適用した一例を、図５に示す。
雪氷モニタリング装置１００ａは、滑走路Ｌに設けられた収容空間に設置されている。
透過部材１１０は滑走路Ｌと同一平面をなすように設置され、発信機１２１を有する発信ユニット１２０は透過部材１１０に対する発信角度を変更可能に設けられており、受信機１３１（図示せず）を有する受信ユニット１３０は発信ユニット１２０側から５列透過部材１１０に向けて設けられている。
収容空間には、受信ユニット１３０及び発信ユニット１２０の電源・制御部１４０が設けられており、外部からの電源供給、姿勢制御、検出信号の出力等を行なうように構成されている。
このような雪氷モニタリング装置１００ａを、滑走路Ｌの適宜の箇所に１つあるいは複数配置することで、航空機の障害とならず、外部の自然環境によるモニタリングの精度に対する影響を排除し、外部からの異物の衝突等による破損等を防止しつつ、滑走路全体の詳細な積雪の深さや質に関する状態をモニタリングすることが可能となる。

本発明の雪氷モニタリング装置は、前述の例に限定されず、また、設置箇所も道路、橋梁等の他の構造物や、航空機や車両等の移動体であってもよく、様々な分野に応用可能である。
さらに、本発明では波長の異なる複数の電磁波の散乱波の二次元的な強度分布を検出するため、積雪以外の雪・氷・水・泥等の検出や付着パターンの解析等も行なうことが可能であり、それらのモニタリング装置としても応用可能である。

１００ ・・・ 雪氷モニタリング装置
１１０ ・・・ 透過部材
１２０ ・・・ 発信ユニット
１２１ ・・・ 発信機
１３０ ・・・ 受信ユニット
１３１ ・・・ 受信機
１４０ ・・・ 電源・制御部
Ｓ ・・・ 積雪
Ｌ ・・・ 滑走路

Claims (5)

1. 透過部材と、前記透過部材の一方側から他方側に向けて電磁波を発信する発信機を有する発信ユニットと、前記透過部材の他方側から一方側に入射する電磁波を検知する受信機を有する受信ユニットとを備えた雪氷モニタリング装置であって、
   前記発信ユニット及び受信ユニットが、前記発信機から発信された電磁波の他方側から一方側に入射する散乱波を前記受信機で検知するように配置され、
   前記発信ユニットが、所定の波長の電磁波又は波長の異なる複数の電磁波を発信可能に構成され、
   前記受信ユニットが、雪氷内の入射部と異なる位置の前記電磁波の散乱波の強度を検出するように構成され、
   前記発信ユニットにより発信された波長の異なる複数の電磁波の各波長の強度と前記受信ユニットにより受信された電磁波の反射・散乱の各波長の強度との関係に基づき雪氷の質をモニタリングし、又は前記受信ユニットにより受信された雪氷内の入射部と異なる位置の電磁波の反射・散乱波の強度に基づき雪氷の厚さをモニタリングする
   ことを特徴とする雪氷モニタリング装置。
2. 前記発信ユニットあるいは前記受信ユニットの少なくとも一方が、複数の発信機あるいは複数の受信機を備えていることを特徴とする請求項１に記載の雪氷モニタリング装置。
3. 前記複数の受信機が、異なる位置に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の雪氷モニタリング装置。
4. 前記発信ユニットあるいは前記受信ユニットの少なくとも一方が、位置及び姿勢の少なくとも一方を変更可能な発信調整機構あるいは位置及び姿勢の少なくとも一方を変更可能な受信調整機構を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の雪氷モニタリング装置。
5. 前記発信ユニットが、指向性を有する電磁波を発信する発信機を備えていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の雪氷モニタリング装置。