電　波　部

図１　模擬降雨による141GHzの減衰特性

　　降雨による位相変動
　�鞄�立製作所中央研究所，当所間の伝搬実験システ ム（距離1.3�q）においては，4種類の電波（1.7，11.5， 34.5，81.8GHz）を同時に送受信しているので，1波を 用いたときよりも格段に豊富な情報が得られ，降雨の電 波への影響を容易に評価することができる。また，この システムにおいては，4波相互間において，コヒーレン スが保たれているため，降雨などの伝搬路上の媒質の影 響で生ずる位相変動を，2波の間の位相差として測定で きる特徴がある。
　図2は1979年8月3日に，この実験システムを用い て測定した降雨時（最大降雨強度90�o／h）におけるミ リ波帯及びセンチ波帯電波の振幅及び位相の変動例であ る。測定周波数81.8，34.5，11.5GHzにおける最大降雨 減衰量は，それぞれ35，20，4dBに達している。また， 同図最下段は，降雨による34.5GHz及び11.5GHzの周波 数間位相差を34.5GHzの波長で計数した値を示し，最大 120度の変化がある。実験室規模で，水滴による電波の 位相変動を測定した例は報告されているが，多数の雨滴 が伝搬路上に分布する野外の実際の伝搬路で，降雨によ る位相差変動が測定されたのは，この測定が最初である と思われる。

図２　降雨による各種電波の変動例、×印は推定値

　余談になるが，最近，地震予知などへの応用でVLBI （超長基線干渉計）システムが脚光を浴びている。VLBI システムでは，伝搬路長の変動分の評価が重要であり， 晴天時における変動要因である水蒸気などの評価をラジ オメ-タを用いて行っている。降雨時には，　このラジオ メータ法は，伝搬路長の変動分評価に対して無力に近い。 このため，現用のVLBIシステムでは，降雨時の運用を 断念せざるを得ない。しかしながら，上述のように，互いに コヒーレントで適当な2波を選び，降雨による位相変動 を測れば，降雨時においても，VLBIシステムを運用で きる可能性がある。
　　伝搬路上の平均降雨粒径分布を用いる 降雨域表周波数スケーリング法
　先に述べたように，伝搬路上の雨の粒径分布がわかれ ば，ミリ波帯電波の降雨による減衰や位相変動は容易に 計算できる。しかし，この逆は必ずしも容易ではない。 即ち，降雨中を伝搬したために生ずるミリ波電波の減衰 や位相変動から，伝搬路上の雨の粒径分布を算出するこ とは難しい。これは数学的には，積分方程式を解くこと に対応し，逆散乱問題の一種である。しかし，伝搬路上 の降雨粒径分布も，多数の電波を用いて測定した結果を 用い，かつ適当な仮定を置くと求めることができる。当 研究室では，　図2に示すような3波の減衰量あるいは これに周波数間の位相差を用いて，伝搬路上の平均的な 降雨粒径分布を推定する方法を提案し，その有効性を確 かめている。この場合，実用的には，降雨粒径分布を雨 滴直径に関する指数関数と仮定して差支えないことがわ かっている。図2の×印は，四つの測定量から決めた 伝搬路上の平均的な降雨粒径分布を基にして，それぞれ の周波数における降雨減衰及び周波数間位相差を再生し たものである。測定値（・印）からのずれは，この推定 法の精度を表わすものと考えられる。この方法は，10〜 100GHz帯の任意の周波数における降雨減衰及び位相差 を算出する場合にも全く同様に適用できる。この場合に おいても，同程度の推定精度が期待される。このように， 既知の降雨減衰量から，他の周波数における降雨減衰量 を推定することを周波数スケーリングと呼んでいる。以 上は，瞬時の測定値について，伝搬路上の平均的な降雨 粒径分布を用いる周波数スケーリング法について述べた ものであるが，この方法は累積分布のような統計量に対 しても適用することができる。
　このようにして，同一伝搬路における降雨減衰の推定 は，伝搬路上の降雨粒径分布を介して非常に正確に行う ことができるようになった。換言すれば，ミリ波帯及び センチ波帯電波に影響を与える降雨の特徴を，降雨減衰 の解析から，伝搬路上の平均降雨粒径分布N(D)という 物理量によって正確に把握できたことになる。また，ミ リ波帯電波を通信に用いる場合，降雨時にも運用する必 要があることから，伝搬距離は数�q以内に限定される。 この程度の距離において，降雨はほぼ一様と考えられる ので，伝搬路上の平均降雨粒径分布N(D)を介する降雨 減衰周波数スケーリング法は，ミリ波帯電波の降雨減衰 推定法として有効であると考えられる。即ち，当所に おいて取得した年間の降雨減衰累積分布などの統計量 からN(D)を決めると，このN(D)は降雨強度の関数と して表わされているので，降雨強度さえ与えれば，東京 近傍の降雨気候に類似のところ，即ちほぼ日本全国にお いて，適用できると考えられる。このN(D)を用いて， ほぼ日本全国において，30〜100GHzの周波数帯にわたる 精度良い降雨減衰推定ができる。
　図3は，昭和54年度1年間のデータの解析結果を降 雨強度の累積分布として示したものである。実線は，受 信地点に置いた雨量計で測定した降雨強度を示す。点線 は，1.3�qの伝搬路における三つの電波（11.5，34.5， 81.8GHz）の降雨減衰から，伝搬路上の平均降雨粒径分 布を導出し，これを基にして求めた，伝搬路上の平均的 な降雨強度を示す。両者は，広い範囲にわたって非常に よい一致を示している。これは，粒径分布推定法の妥当 性を示すとともに，1.3�q程度における平均的な降雨強度 は，1点における降雨強度測定で代表でき，このスケー ルでは降雨が統計的に一様であると考えてよいことを示 している。
　また，最近の解析によると，降雨が空間的に一様であ ると仮定すれば，ミリ波帯の適当な1波（例えば80GHz 帯の1波）の降雨減衰と降雨強度の測定値から，容易に 伝搬路上の平均降雨粒径分布を導出できることがわかっ ている。

図３　降雨強度の累積分布

　　あとがき
　同一伝搬路において多数の周波数を用いて降雨減衰を 測定し，そのデータ解析から，伝搬路上の平均的な降雨 粒径分布を求めること，また，より簡便な方法として1 波の降雨強度測定から同様の降雨粒径分布を求め得るこ とについて述べた。ミリ波通信回線などの降雨減衰予 測の場合には，伝搬距離が数�q以下と比較的短かいこ とから，上述の分布を年間統計などの意味で求めておけ ば，ほぼ日本全国におけるミリ波帯（30〜100GHz）降 雨減衰推定が容易に行えると考えられる。現在，ミリ波 帯の四つの大気の窓でそれぞれ1波ずつ選び（50，82， 141，246GHz），東京経済大学，当所間の810mの伝搬路に おける伝搬実験を準備している。このシステムによる測 定結果を用いて，伝搬路上の平均降雨粒径分布を求めれ ば，ミリ波帯全域（30〜300GHz）にわたる降雨減衰の推 定が可能となる。また，このデータは，数�q以内の伝搬 路であれば，ほぼ日本全国におけるミリ波帯降雨減衰推 定にそのまま使えるものと期待されている。
　降雨減衰から降雨粒径分布を求めることは，数学的に はFredholm型第一種の積分方程式を解くことと等価で あり，同様のことは，各種リモートセンシングによるデ ータ解析において，しばしば見られる。一般にこの方程 式の解は一意的に決まらないので，場合に応じた指導原 理を導入し物理的に無理のない解を求めることになる。 降雨粒径分布の場合は，粒径に関する指数型関数を仮定 することで一応の成功をみている。

（超高周波伝搬研究室長　古濱洋治）

衛星計測部

スペースチェンバ

　このチェンバは，図1のように，直径1.2m，長さ約 3.2mの円筒形で，厚さ5�oのスンレス鋼で作られて いる。外壁には4本の円環コイルが取り付けられており， これらに最大300Aの電流を流すことにより，中心軸上に 50ガウスまでの均一な磁場をかけることができる。チェ ンバの排気系は，22インチの油拡散ポンプを主体とし て，8時間以内にチェンバ内の真空度を10^-7Torr台に する能力がある。排気装置は，チェンバ直下にピット を掘って，すべてその中に収納された。この装置を使用 してISS-bに搭載したプラズマ測定器の試験，較正実験 も行われた。

図1　大電力マイクロ波ビーム実験

　　これからの研究課題
　最近の宇宙技術の発達は目ざましいが，宇宙と地上を 結ぶ通信には，伝搬路上の電離層と大気の影響を受けに くいマイクロ波帯の周波数の電波が多く使用されている。
　しかし，この周波数帯の電波ですら，電離層が擾乱す ると位相や振幅に変動を受け，受信電波にシンチレーシ ョンが生ずることはよく知られている。たとえば，電波 リモートセンシングの先端技術である合成開口レーダは， やはりマイクロ波帯の電波を使用し，地上からの散乱波 の精密な位相合成によって昼夜，天候によらず光学写真 に匹敵する高分解能の映像が得られる画期的なレーダで あるが，電離層擾乱が画質に与える影響に関しては不明 であり，解明すべき問題である。また，将来のエネルギ ー源として検討されている太陽発電衛星（SPS）構想に よれば，宇宙で発電された電力はマイクロ波ビームによ って地上へ送電されることになっている。この場合，電 離層プラズマは大電力マイクロ波によって著しく加熱さ れ，屈折率の不均一を生じてビームの変形や分裂をひき 起す可能性がある。さらに，電波の異常散乱や電離層擾 乱の発生によって周囲の電磁環境に影響を及ぼすかも知 れない。このように，マイクロ波を使った新しい宇宙技 術と電離層との間には，それぞれ解決すべき問題がある。 これらの諸現象を実験室内に模擬的に再現させることが できれば，現象の解明と関連技術の開発に役立つであろ う。
　　電離層中のマイクロ波伝搬の模擬実験
　マイクロ波が電離層中を伝わる間の位相や振幅の変動 を実験室内に再現させることを考えてみる。一般に，電 波がプラズマ中を伝搬する間のプラズマによる位相の遅 れ分は，伝搬路中の全電子数に比例し，電波の周波数に 反比例する。観測によれば，電離層の垂直柱状電子密度 は10^16〜10^18個／�u程度なので，実験室内の長さ1mのプ ラズマ柱によって同じだけの位相遅れを起させるために は，電子密度10^10〜10^12個／cm^3の均一なプラズマを発生 させれば良いことになる。さらに，高エネルギーマイク ロ波と電離層プラズマとの相互作用のシミュレーション を行うには，プラズマの加熱や熱拡散などが電離層と同 様の機構で生ずる必要がある。図1は，我々の実験装 置の概念図である。プラズマの外周の磁場コイルは，プ ラズマの径方向への拡散を制御するためのものである。 このプラズマに十分波長の短かい電波をビーム状に入射 することによって，プラズマ容器の壁面の影響を軽減す るとともに，ビームの変形の様子を詳しく調べることが できる。
　　マルチポールプラズマ
　上述の実験のためには，電子密度10^10〜10^12個／�p^3で 空間的に十分均一なプラズマが必要であるが，マルチポ ール方式のプラズマが正にこれらの要求にかなうものと 期待される。この方式は，1972年にUCLAで開発された もので，その特徴は，図2のように，プラズマ発生容 器を金属壁面のかわりに，永久磁石を格子状に並べた磁 気籠構造にしたことである。永久磁石の極性は，図の様 に，隣り同士の格子が逆向きになるように配置されてい るので，格子間の磁力線は互いに結合して閉じ，磁極上 にのみカスプを生ずる形となる。このようにすると，フ ィラメントから放出される熱電子は磁場に捕えられて容 器から外へ逃げられず，まれにカスプに吸収される以外 は，再び容器内に反射される。そのため，熱電子の容器 内での滞在時間が非常に延び，低いガス圧でも電離効率 が高くなるので，高密度のプラズマが発生できる。ガス 圧が低いと熱電子と中性ガスとの衝突距離が長くなるた め，熱電子が容器全体に行きわたり，発生するプラズマ の密度分布の均一性も良くなる。

図2　マルチポール型プラズマ源

　今回製作したマルチポールプラズマ容器は，断面が一 辺60�pの正方形で長さ120�pの直方体をしており，これ をスペースチェンバの中に入れて使用する。容器の中に は直径0.2�o，長さ10�p程度のタングステン線を数本取 り付け，熱陰極放電によりプラズマを発生させた。初期 的な実験によれば，数Aの放電電流で電子密度10^10個／�p^3 台，電子温度2〜3万度の非常に均一なプラズマが得ら れた。電子密度は，放電電流を増やすことによってさら に上昇すると思われる。一応満足すべきプラズマが得ら れたので，今後はマイクロ波ビーム系の製作を行い，目 的の実験を行う予定である。
　　おわりに
　宇宙環境を理解するには，地上観測，飛しょう体観測 および理論的考察が必須であることは当然であるが，完 壁な観測を期するには宇宙はあまりにも広大である。そ れ故宇宙を実験室内にシミュレートして，実験的に解明 することが必要になってくる。
　観測で新しいデータを取得して理解，体系化すること が自然科学の基本的な手順であり，この意味においても 宇宙研究においてのスペースチェンバ実験はその一助と なるものである。
　今後ともスペースチェンバの中には「金の卵」が存在 し，育つであろうことを念願している。

　　　　　　　　　　平磯支所長　宮崎　茂
第二衛星計測研究室　主任研究官　森　弘隆