人工衛星搭載型ガス検知システム

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国土強靭化ソリューション、温暖化防止ソリューション、持続可能な社会インフラ実現ソリューションを兼ね備えた人工衛星搭載型ガス検知システムは、衛星光電子工学応用火山性噴火ガス検知赤外（IR）分光・FT-IR分光レーザーリモートセンシングモジュールをオプションとして実装することで、人工衛星搭載型ガス検知システムは、地上に発生・噴出したガス発生地点・ガス種・量・濃度・移動方向・移動速度等を検知するガス検知衛星光電子工学技術として、リアル物理データとして、主成分である水蒸気や二酸化炭素のほか、二酸化硫黄（亜硫酸ガス）、硫化水素や塩化水素等の各種火山性噴火予兆ガスを、サブppmから%レベルまでの広い濃度範囲に渡って常時収集（例えば、１時間に一回収集）することで①２４時間常時、②リアルタイム、かつ③in situ観測（モニタリング）を実現している。

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[１]噴出ガスの検知・予知・予測構成

（１）人工衛星搭載型ガス検知システムでは、火山性噴火ガス検知赤外（IR）分光・FT-IR分光レーザーリモートセンシングモジュールがリモートセンシングした噴火前兆データ（宏観異常データ）である上記火山性噴火予兆ガス情報を用いて、システム内の人工知能プロブラムが人海戦術やガス発生地点・ガス種・量・濃度の予測判断の専門家の知識や直感、個人差・ばらつき・ムラ等に依存しない、ガス発生地点・ガス種・量・濃度・移動方向・移動速度等の２４時間常時・リアルタイム・in situでの定性·定量解析による予知・予測を実現している。

（２）人工衛星搭載型ガス検知システムの光源である超高出力フェムト秒レーザーは、核兵器・通常兵器無効化ソリューションとして人工進化研究所（AERI https://www.aeri-japan.com/）が提供している対戦闘機・対ミサイル・対ICBM用次世代迎撃レーザーシステム（ＡＥＲＩ・ＨＥＬ地対空防衛システム／ミサイル防衛システム https://www.aeri-japan.com/anti-icbm-interceptor-lasersystem ）と共通の高エネルギーレーザー（ＨＥＬ）モジュールを用いている。

（３）人工進化研究所（AERI https://www.aeri-japan.com/）の高エネルギーレーザー（ＡＥＲＩ・ＨＥＬ技術）は、５０ＭＷクラスのスーパーパワーで、空間分解能１０平方μｍ～１０平方ｍｍ、可変波長紫外～中赤外領域の任意波長が選択でき、ＣＷ～フェムト秒（１０ｆｓ程度）の超短パルス幅といった高分解能と高時間分解能を有する極短パルスを、２００ｋｍ程度の超遠距離で任意に生成できる。

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[２]【総括】

人工進化研究所（AERI https://www.aeri-japan.com/）が提供する人工衛星搭載型ガス検知システムは、ガス発生地点・ガス種・量・濃度・移動方向・移動速度等の２４時間常時・リアルタイム・in situでの定性·定量解析による数値化・可視化を可能とすることができる。

特に、本人工衛星搭載型ガス検知システムは火山噴火性のガス噴出検知した地点を２４時間常時・リアルタイム・in situでの定性·定量解析による数値化・可視化して迅速かつ正確な対応を執ることが可能となるという火山噴火監視の体制の革新的進歩を実現できるようになる。

従来、火山を有する都道府県・市町村の各自治体では現在、政府機関や大学、研究者らが人海戦術で、火山警戒地域に点在（定点設置）された地震計や傾斜計、伸縮計という各種の高精度の観測装置を用いた計器観測、及び人手による現地観測を通して噴火の監視が行われる。日本では、特に注意が必要と判断されている約３０箇所の活火山で、気象庁や大学などの研究機関が観測所を設けるなどして常時観測を行っている。これらの火山観測地域では、散布設置されているGPSによる隆起や地温の観測や通常の地震観測によりカバーされるものの、観測装置の散布密度・散布数は全く不十分であり、かつ観測装置は精度・確度や迅速性が欠けているという課題があった。本人工衛星搭載型ガス検知システムはこの課題を解決できる革新的技術である。

以上

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備考：赤外分光法

１．【概要】

（１）赤外分光法（infrared spectroscopy、 略称IR）0.8～1000μｍの赤外領域の光を分子に照射すると、赤外線の振動周期と原子の振動周期が一致する場合に、個々の原子、原子団はそれぞれの周期に応じてエネルギーを吸収し、振動は基底状態から励起状態に変化する。この吸収が赤外線スペクトルの吸収となって現れる。原子は分子構造に応じた固有の振動を有するため、吸収スペクトルを解析することで分子構造に関する知見を得る手法。最もよく利用されるのは、中赤外の領域（2.5～25μｍ）で、この領域の吸収スペクトルは、分子振動のなかでも、双極子モーメントの変化を伴う振動によって生じる振動スペクトルである。対象物の分子構造や状態を知るために使用される。

（２）物質は、赤外線を照射すると、それを構成している分子が光のエネルギーを吸収し、量子化された振動あるいは回転の状態が変化する。したがって、ある物質を透過（あるいはある物質で反射）させた赤外線は、照射した赤外線よりも、分子の運動の状態遷移に使われたエネルギー分だけ弱いものとなっている。この差を検出することで、分子に吸収されたエネルギー、言い換えれば対象分子の振動・回転の励起に必要なエネルギーが求められる。

（３）分子の振動・回転の励起に必要なエネルギーは、分子の化学構造によって異なる。したがって、照射した赤外線の波数を横軸に、吸光度を縦軸にとることで得られる赤外吸収スペクトルは、分子に固有の形を示す。これにより、対象とする物質がどのような構造であるかを知ることができ、特に有機化合物の構造決定によく使われている。スペクトルのうち、波数が1500cm-1以上の部分を診断領域、それ以外の部分を指紋領域という。前者は二重結合、三重結合そして水素原子と結合するものの、後者は単結合の振動励起の結果が表される。また、同じ分子であっても、温度や周囲の状況（自由に動いているか、何かの表面に吸着しているか、など）によって、赤外スペクトルは微妙に変化する。これより、物質の表面構造などについても知ることができる。

 

２．【手法】

赤外分光法には（１）熱赤外分光法（Thermal infrared spectroscopy 略称TIR）、（２）近赤外線分光法（near‐infrared spectroscopy 略称NIRS）、（３）FTIR (フーリエ変換赤外分光法) 等の手法がある。

（１）熱赤外分光法（Thermal infrared spectroscopy 略称TIR）

TIRとは赤外分光法の一つであり、物体の構成物質を決定する目的で広く使われている。物体全体や表面から放出された熱赤外線を測定し、その電磁スペクトルを解析して既知の物質のスペクトルと比較することで構成物質を決定できる。

（２）近赤外線分光法（near‐infrared spectroscopy 略称NIRS）

NIRSとは、近赤外線領域での分光法。測定対象に近赤外線を照射し、吸光度の変化によって成分を算出する近赤外拡散反射スペクトル分析機能を備えている。特長として、近赤外線は中赤外線・遠赤外線と比較して吸収が極めて小さいため、切片等を作成することなく、非破壊・非接触での測定ができる。

実用化のための難点としては、近赤外線分光法では倍音・三倍音を観測すること、光の吸収は様々な要因が複合しているために成分との直接的な関連付けが困難なことなどがあった。しかし、コンピュータの低価格化と多変量解析(ケモメトリックス)の発達により、定量分析に応用することが可能となった。

（３）FTIR (フーリエ変換赤外分光法)

FTIRとは、IR(赤外分光法)のうち、FTIR 原理が適用（信号を時間領域で記録した後、周波数領域にフーリエ変換）されたもの。FTIRは波長を変化させて試料に赤外線を照射するのではなく、連続光を試料に照射し、干渉パターンをフーリエ変換することで分子構造に応じた吸収スペクトルを取得し、物質中の原子団（基）の情報を得る手法。連続光による全波数域の入射光を同時に測定できることから、短時間で高感度の測定が可能。

FTIRには透過法反射法と測定法がある。透過法としては、KBr錠剤法、ヌジョール法、KBrプレート法、薄膜法、液膜法、溶液法、ガス測定法等がある。反射法としては、ATR法、拡散反射法、正反射法（正反射光）、正反射法（透過反射光）、高感度反射（RAS）法等がある。

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