[A-AS07] 大気化学

[AAS07-09] 成層圏オゾン観測の高効率化を実現する周波数変調型局部発振器を用いたミリ波受信機の開発

*彦坂 拓海¹、中島 拓¹、谷口 暁星²、萩本 将都²、長浜 智生¹、谷川 貫太¹、鈴木 和司¹、原田 健一³、藤井 慎人³、下山 幸一郎³、竹沢 公佑³ (1.名古屋大学宇宙地球環境研究所、2.名古屋大学大学院理学研究科理学専攻、3.エレックス工業（株）)

キーワード：大気オゾン観測、ミリ波分光

ミリ波・サブミリ波帯の電波天文観測において、ヘテロダイン受信機の局部発振器(LO)の周波数を変調(FM)することにより、観測効率の大幅な向上を実現可能な新しい観測手法であるFMLOが提案されている(Taniguchi et al. 2020)。この手法は、LOの周波数を高頻度(10 Hz)で変調しながら同時に分光計の出力を取得し、時系列データ上で離散的となる分子輝線と相関雑音とみなせる準連続波成分を主成分分析を用いた統計的解析によって分離する。これにより、観測方向(on点)とリファレンス方向(off点)を順次切り替えて観測する従来のスイッチング観測で必要だったoff点の取得が不要となるため、観測の高効率化が実現されるが、観測対象の星間分子だけでなく地球大気の輝線成分も同時に検出されてしまうという課題があった。我々はこれを逆手にとり、FMLOを地球大気の分子輝線観測に応用することを考えた。FMLOをミリ波ラジオメータに用いることで、リファレンス方向の観測が不要となるため、成層圏オゾンの濃度分布を従来の2倍以上の時間分解能でモニタリングすることが可能となる。しかしながら、オゾン輝線は一般的な星間物質と比べて広がっている(裾野の幅でおよそ1 GHzである)ため、天文観測用のFMLOの変調パラメータではスペクトルの形状を正しく捉えることは難しいことが分かっており、大気観測用に最適な変調パラメータの検討が重要となる。
我々は、まず大気モデルを用いたシミュレーションによって、110.85 GHzのオゾン分子のモデルスペクトルに対してFMLOの手法を用いて疑似観測を行い、どのような変調パラメータで元のスペクトルが復元できるかを調べた。その結果、最大変調幅をオゾン分子の輝線幅と同等の1 GHz以上にすることで幅の広い輝線でも復元が可能であることが分かった。そこで、このような広い周波数変調に対応できるように、周波数帯域は0.1–4 GHz、周波数分解能は75 kHzという性能を持つデジタル分光計を用いた新たな受信システムを開発した。この分光計には、データの積分開始と同時に出力される10 Hzのトリガー信号の機能を搭載した。トリガー信号に反応させてLOの原振の信号発生器の周波数変調を行うことで、他の制御装置を必要とせずに分光計の積分とLO周波数変調のタイミングを合わせることができる。さらにこのトリガー信号は、分光計の積分開始のタイミングに対して±20 msの範囲で前後に動かすことも可能であり、周波数変調と積分開始のタイミングの精確な同期を行うことができる。構築したシステムでこのタイミングのずれを測定したところ、トリガー信号を積分開始より4.4 ms遅らせることで、タイミングのずれを0.1ms以下にすることに成功した。これを用いて、実験室内において信号発生器を用いたテストシグナルを分子輝線の模擬信号として受信機に入力し、周波数変調された分光データの取得とそのデータの復調ができることを確認した。現在、名古屋大学のキャンパス内でFMLOを用いたオゾン分子輝線の試験観測の準備を進めている。