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1 遠距離海洋レーダによる 対馬暖流分岐流の観測計画 杉谷茂夫 1 岩井宏徳 1 雨谷純 1 森本昭彦 2 藤井智史 3 滝川哲太郎 4 市川香 5 久島萌人 2 川村誠治 6 花土弘 6 1. 情報通信研究機構沖縄電磁波技術センター 2. 名古屋大学地球水循環研究センター 3. 琉球大学工学部 4. 水産大学校海洋生産管理学科 5. 九州大学応用力学研究所 6. 情報通信研究機構電磁波計測研究所 海洋レーダ研究集会九州大学応用力学研究所 2013 年 12 月 19 日

2 お話の概要 対馬暖流観測の概要 観測に用いる海洋レーダの概要 NICT 遠距離海洋レーダ バイスタティク受信機の開発 ビーコン局の開発 分散型海洋レーダの開発

3 対馬暖流の流路 対馬暖流は台湾海峡を通過する台湾暖流を起源とし東シナ海陸棚上を通り対馬海峡から日本海へ流入し 津軽海峡 宗谷海峡から流出する Korea Japan China

4 対馬暖流の流路流路 対馬暖流は台湾海峡を通過する台湾暖流を起源とし東シナ海陸棚上を通り対馬海峡から日本海へ流入し 津軽海峡 宗谷海峡から流出する 対馬暖流の流路および流路変動については1980 年代から多くの研究がされてきた これまでの研究により示唆されている対馬暖流の流路を大別すると以下の3つに分けられる 最近の研究では 対馬暖流の流路は 2 分枝もしくは 3 分枝であるという報告が多い

5 対馬海峡通過直後の対馬暖流の流路を詳しく調べると 2 分枝 3 分枝流路よりもより複雑な流路を取ることが示唆されている 人工衛星データ 数値モデル Ito et al. (2013) 広瀬ら (2009)

6 表層塩分の季節変化 ゴミ赤潮クラゲ

7 遠距離海洋レーダ ( 情報通信研究機構 :NICT 沖縄 ) 石垣局と与那国局による観測 黒潮 遠距離海洋レーダ与那国局の遠景

8 分散型遠距離海洋レーダー開発 実証実験 (2010 年より準備 ) 科学研究費補助金基盤研究 (A) H25 H28 遠距離海洋レーダを用いた対馬暖流の流路観測と流路分岐メカニズムの解明 森本昭彦 ( 研究代表者 ) 杉谷茂夫 滝川哲太郎 藤井智史 市川香 雨谷純 広瀬直毅

9 対馬暖流観測実験海洋レーダサイト 対馬局 レーダサイト 1 局の探査距離は約 200Km 対馬局と相島局の概要 対馬局のレーダは石垣島に設置されていた既存の遠距離海洋レーダを設置する 相島局にはバイスタティク受信によるレーダサイトを設置する ( 送信しない ) 相島局 相島局設置場所の航空写真 レーダサイト 韓国 本州 * 国土地理院地図より引用 対馬暖流観測範囲

10 相島局 * 国土地理院地図より引用

11 アンテナ設置予定地 ( 相島局 ) 相島局アンテナ配置図

12 対馬局 * 国土地理院地図より引用

13 アンテナ設置場所までのアクセス道 ( 対馬局 )

14 送受信アンテナ設置場所

15 対馬局アンテナ配置

16 受信アンテナ設営テスト 2013 年 12 月 4 日

17 遠距離海洋レーダのアンテナシステム NICT 遠距離海洋レーダ局は9MHz 帯の周波数を用いて海況情報を取得するレーダ局であるダ局である NICT 遠距離海洋レーダ局は送信用に3 素子の八木アンテナ1 本を用いてファンビーム送信を行うのに対して 受信用には2 素子の八木アンテナを16 本用いることよりデジタルビームフォーミングを行うフェーズドアレイ方式で ビービム幅を狭くして必要な海域を観測する手法を用いている ( 与那国と石垣局の場合 ) 9.2MHz TX RX RX RX RX RX 送信機 1 台 受信機 16 台

18 バイスタティク受信予備実験 in 与那国 モノスタティクレーダとバイスタティクレーダ 側方散乱を利用して散乱体の様子を調べる バイスタティク 1 送信機に対して複数の受信機を展開可能 コスト削減 周波数資源の有効利用 技術的な課題 ブラッグの散乱条件がモノスタティクより複雑 遠隔地での時刻同期 与那国 石垣間で実験 バイスタティク受信の概念図

19 バイスタティック海洋レーダ受信機開発の背景 NICT の研究開発 : パッシブレーダ技術 自ら電波を出す従来型レーダと異なり 既に他の目的で放射されている電波を利用して 情報を得る技術 与那国 2011 年 9 月 20 日 ~9 月 22 日および2012 年 6 月 11 日 ~6 月 14 日 ( 川村他 2012, 2013) 青色 :NICT 海洋レーダ水色 :TORI テスト観測 (2012/6/11から) 中心周波数 :4.58MHz TORI 國研院台灣海洋科技研究中心 Taiwan Ocean Research Institute

20 与那国島でのバイスティク受信システム ch1 ch2 ch3 ch4 ch5 ch6 ch7 ch8 GPS antenna Signal generator GPS receiver 10 MHz (for phase calibration) USRP N210 1 PPS AMP&Filter Divider of GPS signals USRP N210 LAN GPS antenna PC

21 バイスタティック海洋レーダ受信機開発のための検討事項 ソフトウェア無線機 USRP (Universal Software Radio Peripheral) 8 チャンネル ADボード M2i.4932-exp(SPECTRUM 社 ) 台湾レーダからのバイスタティック散乱波受信実験他で利用実績あり 100MHz でサンプリングして 任意のレートまでデシメーション ( 間引き ) 可能 ADボードの分解能は14ビット 16チャンネルの受信には USRP を 16 台使用 各 USRPの同期のずれをある程度の頻度で確認しなければならない M2i.4932-expを2 台使用で 16チャンネルの信号を同期サンプリング可能 ADボードの分解能は16ビット 最大サンプリング周波数 31.25MHz, 帯域 >15MHz 純粋にADしかしないので IQ 分離やデシメーションなどのデジタル信号処理をソフトウェアで行わなければならない デジタル信号処理部分を Graphics Processing Unit(GPU) 上に実装 (* 処理の並列化による高速化を図る )

22 バイスタティック海洋レーダ受信機開発のための検討事項 最小限のアナログ部 受信アンテナから AD ボード ( サンプラー ) までアンプとバンドパスフィルタのみで MHz±11kHz の送信信号 ( 直達波 ) および海面からの散乱波を受信 アナログ部の開発には時間とお金がかかる 一度作ってしまうと変更がきかない 複数チャンネルの同期 16 本 (15 本?) の受信アンテナ ( チャンネル ) からの信号を同期サンプリング 各アンテナでの受信信号の同期が取れないと デジタルビームフォーミングができない AD ボードで各チャンネルの同期が完全に取れることを保証するか 各チャンネルのネの位相のずれを後で補正できるようにする 広いダイナミックレンジ 対馬 相島間は直線距離で約 160km 離れている (* 与那国 石垣 与那国 台湾間は約 120km) 送信局および散乱波源から受信局への距離が遠いため 微弱な信号を検出できるように広いダイナミックレンジが必要

23 フェーズドアレイ受信アンテナシステムを用いた遠距離海洋レーダ NICT 遠距離海洋レーダ局は9MHz 帯の周波数を用いて海況情報を取得するレーダ局である NICT 遠距離海洋レーダ局は送信用に3 素子の八木アンテナ1 本を用いてファンビーム送信を行うのに対して受信用には2 素子の八木アンテナを16 本用いてデジタルビームフォーミングを行うフェーズドアレイ方式により ビーム幅を狭くして必要な海域を観測 する手法を用いている ( 石垣 与那国局の場合 ) 使用する電波が9MHzと短波帯で波長の長い周波数のためアンテナの構造は大きい 受信用アンテナを設置した際に土地の形状などの制約によりビームパターンに影響を及ぼす可能性が多分にあるため 設計時の理想的なビームパターンを形成することができたかどうかの検証が必要である 9.2MHz TX RX RX RX RX RX 送信機 1 台 受信機 16 台

24 ビーコン局を用いたアンテナパターン測定の概念図 ビームパターンの検証を行うために船舶に搭載可能で遠距離海洋レーダと同じ周波数帯を送信可能なビーコン局を製作する ビーコン局は船舶に搭載して受信用アンテナのビーム方向に垂直になるように船舶を航行させ 海上からの送信によるビーコン局の追尾を陸地に設置した遠距離海洋レーダの受信アンテナで行うことにより受信アンテナのビームパターン構成の検証に用いる 遠距離海洋レーダ与那国局の遠景

25 分散型海洋レーダの開発 分散型海洋レーダの開発コンセプト NICT OKINAWA アンテナ 無線 LANなどで他局と位置情報や送受信データ接続 送受信機箱 イメージ図 NICT OKINAWA どこにでも簡単に配線いらず 無線機に安価で汎用性の高いソフトウェア無線装置をアンテナ毎に 1 台ずつ送受信機 (A/D,D/A D/A 変換器 ) として取付 利用する これにより1 本 1 本のアンテナに送受信を備えた無線機が展開されることとなり 送受信のタイミングおよびデータのやり取りり取りを無線機間の無線 ( 有線 )LANで共有する事によりアンテナ構成全部が一つの無線システムとして稼働する事を目指す 技術課題 1 分散型レーダでの位相同期技術 アンテナとレーダー受信機能が一体となったレーダー素子をアレイ合成し それぞれのレーダー素子を位相制御することで 複数の受信機を位相同期し 希望方向へのアンテナパターン形成するための分散型受信機の位相同期技術の開発 技術課題 2 コンパクト化とコストダウン技術 通信技術開発の進んでいるソフトウェア無線技術を応用することによる機器のコンパクト化と廉価な機器の開発 従来のレーダー技術では 大型 高コストである 実用 普及のためには 小型化 廉化である事が不可欠 量産化を前提にし ソフトウェア無線で利用されているFPGAなどのデバイスを利用することによる機器のコンパクト化を行い 併せて廉価なレーダの製造を目指す

26 対馬暖流観測実験の今後の予定 来年 2 月 ~3 月 ( 年度内 ) アンテナ設置完了 来年度の早い時期にはレーダ局の稼働を開始 ビーコン局を新青丸 (2014 年度予定 ) に搭載し遠距離海洋レーダの受信アンテナビームパターンの検証を行う 対馬観測局と相島観測局の受信アンテナは環境に配慮した設置となっているため 特に受信ビームの 特性把握は必要事項 新青丸により観測実施 ( 係留系 ブイ観測 ) 分散型海洋レーダの開発と安定した運用の実証実験

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<4D F736F F F696E74202D A43976D838C815B835F8CA48B868F5789EF82B782AC82BD82C92E > 遠距離海洋レーダによる 対馬暖流分岐流のバイスタティク観測 杉谷 茂夫1 雨谷 純1 岩井 宏徳2 森本 昭彦3 久島萌人4 藤井 智史5 滝川哲太郎6 市川香7 1. 情報通信研究機構 沖縄電磁波技術センター 2. 情報通信研究機構 センシングシステム研究室 3. 愛媛大学 沿岸環境科学研究センター 4. 名古屋大学 宇宙地球環境研究所 5. 琉球大学工学部 6.長崎大学院水産 7.九州大学応用力学研究所

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