JPH07104417B2

JPH07104417B2 - 複合センサー付き積雪検層ゾンデ

Info

Publication number: JPH07104417B2
Application number: JP23630192A
Authority: JP
Inventors: 修阿部
Original assignee: 科学技術庁防災科学技術研究所長
Priority date: 1992-08-13
Filing date: 1992-08-13
Publication date: 1995-11-13
Anticipated expiration: 2010-11-13
Also published as: JPH0666957A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、積雪層構造の垂直方向
における雪質を識別、検知する複合センサー付き積雪検
層ゾンデに関する。

【０００２】

【従来の技術】表層雪崩の予測にとって重要な積雪の垂
直方向の構造観察には、観測部に穴を掘り、積雪層の断
面構造を目視により観察する方式や、所定の錘を間欠的
に落下させ、雪中に棒を貫入してその貫入抵抗を測定す
るラムゾンデによる観測方式、あるいは円錐形状の先端
部を積雪層に貫入し、その貫入抵抗をストレンゲージに
より測定する方式が用いられているが、積雪層断面構造
観察方式は穴を掘る関係上、手間がかかり、かつ、連続
したデータを得ることが困難であり、また、ラムゾンデ
測定方式も時間がかかる上、同様に連続データが得にく
いという問題がある。さらに、ストレンゲージによる貫
入抵抗測定方式は、積雪に対する貫入抵抗それ自体を測
定するものであるから、積雪層構造を直接検知し得ない
という問題がある。

【０００３】そこで、上述した問題を解消するために、
本出願人は、特開平３−２１１４２１号公報において、
貫入棒の円錐形状先端部に送光用光フィバーと、このフ
ァイバーからの送光光が雪により拡散反射された反射光
を取り込む１本の受光用光ファイバーとからなる光拡散
反射光検出部を設け、貫入棒を積雪層に貫入して深度レ
ベルを測定しながら、光学的に積雪層構造状態を連続的
に検出する積雪検層ゾンデを提案した。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光拡散
反射光は、送光用光ファイバーからの送光光を雪粒から
拡散反射された光を検出するものであるから、薄い積雪
層に対しては鋭敏に検出することができるものの、低密
度雪や、濡れ雪の場合には共にその検出値が低下し、何
れの雪質であるかを識別し得ないという問題がある他、
表層雪崩の発生原因となるよく発達した霜ざらめ雪を検
出した場合でも、その値が低下する傾向があるため、こ
れを低密度雪や、濡れ雪の場合と区別して検知し得ず、
表層雪崩の予測にとって最も重要な霜ざらめ雪層の存在
の有無を正確し検知し得ないという問題がある。

【０００５】本発明は、上述した課題に鑑みてなされた
もので、その目的とするところは、貫入棒の積雪層に対
する貫入深度レベルを検出するとともに、光拡散反射
率、貫入抵抗、及び電気伝導度を検出、記録し、これに
より積雪の光学的性質、力学的性質、及び電気的性質の
物理量を同時的に把握し、これら三種の物理量を相互補
完して積雪層構造の垂直方向の雪質状態を正確に、しか
も、連続的に検知し得る複合センサー付き積雪検層ゾン
デを提供するにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の複合センサー付
き積雪検層ゾンデは、ロッド本体と、円錐形状の先端部
を具備する力伝達ロッドとを備える貫入棒と、円錐形状
の先端部に、送光用光ファイバー、及び送光用光ファイ
バーの周囲に、送光用光ファイバーから送光された送光
光が雪により反射された拡散反射光を受光する複数の受
光用光ファイバーを配設してなる光拡散反射光検出部
と、円錐形状の先端部の外周の周面方向に配設された一
対の電極により雪の濡れ度合を示す抵抗変化を検出する
電気抵抗検出部と、ロッド本体、及び力伝達ロッドの対
向面にロードセルを設け、貫入棒を積雪層に貫入する際
の雪の硬さを示す応力を検出する貫入抵抗検出部と、貫
入棒の積雪層に対する貫入深度を検出する深度レベル検
出部とを備えるプローブと、光拡散反射光検出部の検出
信号を入力されて光拡散反射率を求める信号処理部と、
抵抗検出部からの検出信号を入力されて電気伝導度を求
める信号処理部と、貫入抵抗検出部からの検出信号を入
力されて貫入抵抗を求める信号処理部と、深度レベル検
出部からの検出信号を入力されて深度レベルを求める信
号処理部と、各信号処理部からの出力信号を入力され、
その出力信号を各別に記録する多チャンネル記録装置と
を備えるよう構成したものである。

【０００７】

【作用】貫入棒を積雪層に貫入させつつ、その貫入深度
レベルを測定する一方、貫入棒の先端部に設けた光拡散
反射光検出部からの積雪の光学的性質を示す検知信号、
抵抗検出部から検出した雪の濡れ度合を電気的性質にて
示す検知信号、及び貫入抵抗検出部からの雪の硬さ、軟
らかさの力学的性質を示す検知信号とを多チャンネル記
録計、もしくはデジタルメモリ等により記録し、記録さ
れた貫入棒の各深度レベルにおける三種類の物理量を比
較し、相互補完しながら積雪構造の垂直方向における雪
質を連続的に検知する。

【０００８】

【実施例】以下に本発明の詳細を、添付した図面に示す
実施例に基づいて説明する。図１（Ａ）は本発明の装置
に適用するプローブの一半を断面にて示す部分図、同
（Ｂ）は光拡散反射光検出部に適用する送光用光ファイ
バーと、４本の受光用光ファイバーとの平面図を示し、
図２は複合センサー付き積雪検層ゾンデの要部を概略的
に示す図である。

【０００９】図１（Ａ）に示すプローブ１おいて、ロッ
ド２の周面には、上部に嵌合穴を具備し、下端面に図示
しないストレンゲージを内蔵したロードセル５が取り付
けられている棒状の真鍮製挟着具３が嵌合された上、固
定ピン３Ａにより固定され、さらに、挟着具３の周面下
方には、固定ピン４Ａにより、スチール製の円筒状のケ
ース４が嵌合、固定されてロッド本体を形成する。

【００１０】ケース４の下半分の内周面には、摺動摩擦
低減用のテフロンからなり、中央部に貫通孔を有する案
内筒７が、上記したロードセル５の下端面に対して若干
の間隙を介在させて固定ピン７Ａにより固定されてい
る。案内筒７の貫通孔には、垂直方向に摺動可能なスチ
ール製の力伝達ロッド９が挿入されるとともに、このロ
ッド９の上部に取り付けたストッパ６により、ロッド９
の上端面がロードセル５の下端面に対向するよう位置決
めされている。この力伝達ロッド９の周面軸方向に１本
の溝８を穿設し、案内筒７からこの溝８と係合する係止
ピン８Ａによりロッド９を固定し、これにより、力伝達
ロッド９の回転が防止される。

【００１１】さらに、力伝達ロッド９の下方には、スチ
ール製のストッパ１３が取り付けられ、この下方にテフ
ロン製の円錐形状の先端部１０が取り付けられている。
この先端部１０の中心部下方には光拡散反射光を検出す
る検出部１５が設けられる一方、先端部１０の周面方向
にはテフロンの絶縁路を介在させて真鍮製の一対の電極
１１、１２が設けられている。光拡散反射光検出部１５
は、図１（Ｂ）に示すように、送光用光ファイバー１６
の外周には、反射光をより平均的に受光するために４本
の受光用光ファイバー１７・・・が設けられている。

【００１２】図２に示すように、プローブ１の外周下方
の図示しない雪面上には、垂直方向に磁極を有する環状
磁石２０が配置されていて、プローブ１を積雪層に貫入
すると、プローブ１の適宜の位置に設けた、軸方向に直
流電流を供給された図示しない強磁性管が環状磁石２０
に次第に近接するにつれて、環状磁石１０からの次第に
強くなる軸方向磁界が加えられ、これにより、強磁性管
の磁界と、環状磁石２０の磁界との合成磁界により磁歪
が発生し、強磁性管のまわりにねじれが発生するが（ヴ
ィーデマン効果）、この合成磁界をホール素子により検
出するか、もしくは強磁性管の周面軸方向に貼着した２
個のストレンゲージにより検出し、これをリード２１を
介してレベル信号処理部３１に送り、プローブ１の貫入
深度レベルに応じた電圧信号を４チャンネルのアナログ
式記録装置４０に入力し、これをメートル（ｍ）に変換
する。

【００１３】また、プローブ１の貫入時に、積雪層の硬
さ、軟らかさを示す応力をロードセル５により検出し、
これをリード２２を介して貫入抵抗信号処理部３２に入
力し、貫入抵抗に応じた電圧信号を記録し、ニュートン
（Ｎ）に変換する。さらに、光拡散反射率信号処理部３
３から６６０ｎｍの赤外変調光を送光用光ファイバー１
６に送光し、この送光光を雪に照射し、霜ざらめ雪、ざ
らめ雪等の雪の種類に応じて変化する積雪粒子の拡散反
射光を４本の受光ファイバー１７・・により受光する。
この受光光を光拡散反射率信号処理部３３に送出し、フ
ォトセル等の光電変換素子により変換された出力電圧Ｖ
_Pを記録装置４０に入力し、このＶ_Pから、Ｒ＝（０．
２０６×Ｖ_P）／（３４．７×１００）の演算により光
拡散反射率（％）を求める。

【００１４】また、積雪が乾いているか、濡れているか
を識別するため、リード２６から送られて来る直流電流
を、電極１１、１２間に流し、その間に存在する雪の濡
れ度合を示す電気抵抗ｒ_aを検出し、リード２５を介し
て電気伝導度信号処理部３４に入力し、電圧信号Ｖ_mに
変換し、記録装置に入力する。この処理部３４での電気
伝導度の検出について説明すると、図３に示すように、
電極１１、１２間の可変抵抗ｒ_aと、これに直列接続さ
れた固定抵抗ｒ_c＝１００ｋΩ、及び記録装置４０の入
力インピーダンスｒ_d＝１００ｋΩの並列回路とからな
る測定回路が形成されている。そして、合成抵抗ｒ
_tは、ｒ_t＝ｒ_a＋１／（１／ｒ_c＋１／ｒ_d）で示さ
れ、この式のｒ_c、ｒ_dに上述の既知数を代入すると、
ｒ_t＝ｒ_a＋５０、０００なる。これを電源電圧、Ｖ_b
＝Ｉ×ｒ_tの式に代入し、そして、電源電圧Ｖ_bは、後
述するように３．２Ｖであるから、Ｖ_b（３．２）＝Ｉ
×（ｒ_a＋５０、０００）となるが、Ｉ×５０、０００
は端子Ｔ_b、Ｔ_c間の記録電圧Ｖ_mに他ならない。従っ
て、この電圧Ｖ_mを用い、ｒ_a＝（３．２−Ｖ_m）／
（Ｖ_m／５０、０００）の演算を行い、求めたｒ_aの逆
数、Ｅ＝１／ｒ_aから電気伝導度を算出する。

【００１５】記録装置４０では、レベル信号処理部３１
からのゾンデ１の貫入レベル（ｍ）を示す信号を磁気テ
ープに記録するとともに、光拡散反射率Ｒ（％）、貫入
抵抗Ｆ（Ｎ）、電気伝導度Ｅ（１／ｋΩ）の各振幅に応
じた電圧変化を記録する。測定値解析・表示部４１で
は、各信号処理部３１乃至３４からの出力信号を入力さ
れ、Ａ／Ｄ変換器により、例えば、２／１、０００
（秒）毎にサンプリングし、デジタル演算により光拡散
反射率Ｒ、貫入抵抗Ｆ、及び電気伝導度Ｅに変換した数
値を表示部にデジタル表示させ、さらには、これを図示
しないプロッタに出力する。

【００１６】なお、電源部５０は、レベル信号処理部３
１、及び光拡散反射率信号処理部３３に１２Ｖの直流電
圧を、貫入処理部３２には４．８Ｖの直流電圧を、電極
１１、１２には３．２Ｖの直流電圧を供給するものであ
る。

【００１７】このように構成した装置の作用を、以下に
説明する。測定する積雪層の上にプローブ１の先端部１
０が貫入し得る孔を設けた図示しない発泡スチロール板
を置き、この上に環状磁石２０を位置させた状態で、人
手によりプローブ１を積雪層に順次貫入すると、環状磁
石２０と、プローブ１に設けた、直流電流を供給される
図示しない強磁性管との相対位置が深度として検出さ
れ、これをレベル信号処理部３１を介してアナログ式記
録装置４０に入力し、レベル深度を逐次記録する。

【００１８】同時に、プローブ１の貫入中の光拡散反射
光検出部１５では、送光用光ファイバー１６からの送光
光が積雪粒子を照射し、雪質や、雪粒子の状態に応じた
反射光強度を４本の受光用光ファイバー１７・・により
受光し、これを光拡散反射率信号処理部３３に送信し、
雪質や、積雪粒子に応じた反射率％を出力する。また、
ロードセル５では、プローブ１の貫入時の応力、即ち、
雪の硬さ度合を示す貫入抵抗を記録値、ニュートン
（Ｎ）に変換した信号を出力し、さらに電極１１、１２
間に存在する雪の濡れ度合に対応して通電する抵抗変化
を示す信号を電気伝導度信号処理部３４に入力し、電気
伝導度に変換して出力し、これらを記録装置４０に送出
する。記録装置４０では、各積雪深度レベルの光拡散反
射率Ｒ、電気伝導度Ｅ、及び貫入抵抗Ｆの各物理量の垂
直方向分布が同時的に記録される。

【００１９】そして、測定値解析・表示部４１で表示さ
れた各深度レベルにおける光拡散反射率Ｒ、電気伝導度
Ｅ、及び貫入抵抗Ｆの光学的、電気的、及び力学的物理
量を比較し、相互補完しつつ判断し、積雪構造の垂直方
向における雪質の状態を正確に、かつ連続的に検知す
る。即ち、光拡散反射率Ｒは低密度の雪や、濡れ雪では
低下するため、光拡散反射率Ｒの単一測定だけではその
両者の雪質は判別不能であるが、電気伝導度Ｅの記録波
形を見て０であれば低密度の雪、大であれば濡れ雪と識
別出来るから、光拡散反射率Ｒと、電気伝導度Ｅとの対
比から雪質を正確に判別出来る。

【００２０】また、よく発達した霜ざらめ雪では、光拡
散反射率Ｒが低下し、貫入抵抗Ｆも小さくなるが、電気
伝導度Ｅを評価尺度に加えると、電気伝導度Ｅが０であ
れば、乾燥した状態であるから、霜ざらめ雪層の存在を
確定できる。従って、表層雪崩の原因となる霜ざらめ雪
の存在の有無を検出することで、表層雪崩の発生予測を
行うことが出来る。

【００２１】次に、積雪層構造が全く異なるケースにつ
いて野外実験した垂直分布データを図４、図５に示し、
図６では、図５で実験した場所と同一の場所で夜間に測
定したケースを示す。なお、各図に示すものは、野外実
験で得たデータを、深度レベルに対応する光拡散反射率
Ｒ、貫入抵抗Ｆ、及び電気伝導度Ｅをそれぞれプロット
し直して示したものである。

【００２２】図４は、１９９２年２月２６日、１１時１
５分、米国、ユタ州、パークシティで野外実験した垂直
分布データを示すもので、深さ０．３８ｍから地面迄
は、良く発達した最大粒径８ｍｍ程度で、指先で軽く触
れただけで崩れる程脆い霜ざらめ雪層が見られた。光拡
散反射率Ｒは、霜ざらめ雪層に達した所で急激に低下し
ている。一方、同じ深さでの貫入抵抗Ｆの変化は、低下
傾向はそれ程急激ではない。これは、プローブの円錐形
状の先端部全体が、上層部分から完全に抜け出ないうち
は、霜ざらめ雪層本来の貫入抵抗Ｆにならないからであ
る。電気伝導度Ｅは、全層が乾き雪であるため、全層に
わたってほぼ０であった。

【００２３】図５は、１９９２年２月２６日１５時５
分、米国、ユタ州、アルタで野外実験した垂直分布デー
タを、同じ場所での雪温、雪質、密度の測定結果ととも
に示すものである。なお、深度レベル（ｍ）の右側に
は、国際表示記号で雪質の種類を示すとともに、厚さ１
ｃｍ未満の積雪層については、特別に点線で示した上、
その左側に雪質記号を記入してある。測定時には雪面付
近で融解が進行しており、雪温は０℃であり、これに対
応して光拡散反射率Ｒは雪面近くの濡れ雪層で低下し、
電気伝導度Ｅは逆に大きくなっている。しかし、０．１
５ｍ以下の電気伝導度Ｅがほぼ０であることから、融解
した浸透水が深部迄到達していないと推測される。深さ
０．５３ｍ乃至０．８２ｍのしまり雪層における光拡散
反射率Ｒの変動幅はほぼ同じである。一方、貫入抵抗Ｆ
は雪面付近では非常に小さく、深くなるにつれて次第に
増大し、その垂直分布はその融解進行中の雪面付近を除
き、密度データとほぼ対応している。

【００２４】深さ０．３ｍの貫入抵抗Ｆの小さなピーク
波形は、２枚の氷板の位置に対応しているが、ピークの
形から２枚の氷板を分離することは出来なかった。な
お、貫入抵抗Ｆは、深さ１ｍのところで最大となり、ゾ
ンデがここで停止し、これ以上貫入させることは出来な
かったが、これはゾンデがスキー滑走路の硬い積雪層に
当たったためである。この時の貫入抵抗Ｆは、ロードセ
ルの測定範囲１００（Ｎ）を超えていた。

【００２５】図６は、図５で示すデータ採取場所と同一
の場所で、かつ２日後の、１９９２年２月２８日２１時
４０分、米国、ユタ州、アルタで夜間、野外実験した垂
直分布データを示すが、この間、降雪がなく好天が続い
たので、積雪量のざらめ化が進んでいた筈である。しか
し、測定時には放射冷却により凍結が進み、雪面付近は
既に硬化していた。光拡散反射率Ｒは、深さ０．４ｍ乃
至０．６ｍのところを除いて大部分が低下していた。ま
た、貫入抵抗Ｆは、雪面付近の凍結した部分で特に大き
くなっているが、その下層には低下した部分が存在す
る。ただし、光拡散反射率Ｒが依然として大きな値を示
した深さ０．４ｍ乃至０．６ｍのところでは、貫入抵抗
Ｆも大きいままである。

【００２６】深さ０．７ｍにおける貫入抵抗Ｆの大きな
ピークは、図５で示す例では貫入出来なかった硬い積雪
層を突き抜けたものである。一方、電気伝導度Ｅは３箇
所に濡れ雪に対応したピークがあることから、既に浸透
水が深部に迄到達し、ざらめ化が促進されていたことが
分かる。特に、深さ０．３９ｍに見られる鋭いピーク
は、同じ深さの光拡散反射率Ｒが殆ど０に低下している
ことから、ここにかなり濡れた薄い積雪層があると考え
られる。電極間隔は１ｍｍしかないので、電気伝導度Ｅ
は薄い積雪層の変化にも追随できると考えられる。な
お、深さ０．１ｍ乃至０．２ｍの部分の電気伝導度Ｅが
殆ど０であり、かつ光拡散反射率Ｒ、貫入抵抗Ｆが共に
小さい値を示しているから、ここでは内部融解が進んで
脆くなった積雪層が存在すると考えられる。

【００２７】なお、複合積雪検層ゾンデの貫入深度レベ
ルの検出には、雪面に磁気スケールを立設し、プローブ
１に磁気ヘッドを設け、プローブの貫入に伴って変位す
る磁気ヘッドにより磁気スケールを検出し、その移動量
をデジタルで検出するマグネ・スケール等の移動量検出
用ＡＤ変換器を用いるよう構成することも可能である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、プロ
ーブの貫入深度レベルを検出するとともに、雪質状態を
示す光拡散反射率、貫入抵抗、及び電気伝導度を同時的
に検出し、これらの光学的、力学的、及び電気的性質を
示す検出物理量を深度レベルと共に記録装置により各別
に記録する構成であるから、貫入深度レベルに対応する
雪質状態を示す３物理量の垂直分布を同時的に、かつ連
続的に検知することが出来る上、同一深度レベルにおけ
る光拡散反射率、貫入抵抗、及び電気伝導度の値を相互
比較し、かつ、相互補完しながら単一物理量のみでは判
別し得ない雪質の判別が行えるため、雪質状態の判別を
正確に行うことが可能となり、さらに、表層雪崩の発生
の原因となる霜ざらめ雪層の存在の有無を正確に判別す
ることが出来、表層雪崩の発生予測を一層確実なものに
することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）は本発明の複合センサー付き積雪検層
ゾンデのプローブの要部を示す一部断面図、（Ｂ）は光
拡散反射光検出部を構成する送光用光ファイバーと、４
本の受光用光ファイバーとの平面図である。

【図２】本発明の複合センサー付き積雪検層ゾンデの
要部のブロック図である。

【図３】電極間の雪の濡れ度合による抵抗変化を検出
する抵抗測定回路図である。

【図４】本発明の装置により測定した野外実験データ
を示す図である。

【図５】本発明の装置により測定した別の場所での野
外実験データを示す図である。

【図６】本発明の装置により、図５の実験場所と同一
の場所で、かつ時間を異にした野外実験データを示す図
である。

【符号の説明】

１プローブ、２ロッド、５ロードセル、９力伝
達ロッド、１０円錐形状の先端部、１１及び１２電
極、１５光拡散反射光検出部、１６送光用光ファイ
バー、１７受光用ファイバー、３１深度レベル信号
処理部、３２貫入抵抗信号処理部、３３光拡散反射率
信号処理部、３４電気伝導度信号処理部、４０アナ
ログ式多チャンネル記録装置、４１測定値解析・表示
部、５０電源部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｇ０１Ｎ 27/04 Ｚ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ロッド本体と、円錐形状の先端部を具備
する力伝達ロッドとを備える貫入棒と、上記円錐形状の
先端部に、送光用光ファイバー、及び該送光用光ファイ
バーの周囲に、該送光用光ファイバーから送光された送
光光が雪により反射された拡散反射光を受光する複数の
受光用光ファイバーを配設してなる光拡散反射光検出部
と、上記円錐形状の先端部の外周の周面方向に配設され
た一対の電極により雪の濡れ度合を示す抵抗変化を検出
する電気抵抗検出部と、上記ロッド本体、及び力伝達ロ
ッドの対向面にロードセルを設け、上記貫入棒を積雪層
に貫入する際の雪の硬さを示す応力を検出する貫入抵抗
検出部と、上記貫入棒の積雪層に対する貫入深度を検出
する深度レベル検出部とを備えるプローブと、上記光拡
散反射光検出部の検出信号を入力されて光拡散反射率を
求める信号処理部と、上記抵抗検出部からの検出信号を
入力されて電気伝導度を求める信号処理部と、上記貫入
抵抗検出部からの検出信号を入力されて貫入抵抗を求め
る信号処理部と、深度レベル検出部からの検出信号を入
力されて深度レベルを求める信号処理部と、上記各信号
処理部からの出力信号を入力され、該出力信号を各別に
記録する多チャンネル記録装置とを備えることを特徴と
する複合センサー付き積雪検層ゾンデ。