特許 7089746 デジタルスノーゾンデ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-15

(45)【発行日】2022-06-23

(54)【発明の名称】デジタルスノーゾンデ

(51)【国際特許分類】

   G01W 1/14 20060101AFI20220616BHJP

   G01N 21/359 20140101ALI20220616BHJP

【ＦＩ】

G01W1/14 J

G01N21/359

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2018119748

(22)【出願日】2018-06-25

(65)【公開番号】P2020003220

(43)【公開日】2020-01-09

【審査請求日】2021-04-15

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成３０年度、国立研究開発法人科学技術振興機構 イノベーションハブ構築支援事業、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】501138231

【氏名又は名称】国立研究開発法人防災科学技術研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100139114

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 貞嗣

(74)【代理人】

【識別番号】100139103

【弁理士】

【氏名又は名称】小山 卓志

(74)【代理人】

【識別番号】100214260

【弁理士】

【氏名又は名称】相羽 昌孝

(74)【代理人】

【識別番号】100119220

【氏名又は名称】片寄 武彦

(74)【代理人】

【識別番号】100088041

【氏名又は名称】阿部 龍吉

(72)【発明者】

【氏名】山口 悟

【審査官】佐野 浩樹

(56)【参考文献】

【文献】特開平０６－０６６９５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３６６６４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開平０８－１５９９６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】登録実用新案第３１９０３５３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】T. Hyvarinen, J. Lammasniemi，Infrared Measurement Of Free-Water Content And Grain Size Of Snow，OPTICAL ENGINEERING，1987年，Vol. 26, No. 4，p. 342-348，[検索日：2022/1/27], <DOI: https://doi.org/10.1117/12.7974077>, <https://www.spiedigitallibrary.org/journals/optical-engineering/volume-26/issue-4#JournalArticles でダウンロード可能>

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｗ １／１４

Ｇ０１Ｎ ２１／３５９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

積雪に対して鉛直下方に差し入れることで、積雪の各層におけるセンシングデータを取得するデジタルスノーゾンデにおいて、
ロッドと、
積雪に対して差し入れる際に積雪と最初に接触する円錐状先端部と、積雪に対し近赤外光を照射すると共に、積雪からの反射光を受光する窓が設けられ、前記円錐状先端部から離間するに連れて拡径するテーパー部と、を含み、前記ロッドの一端側に設けられるプローブ部と、
からなり、
前記窓から近赤外光を照射する位置は、前記円錐状先端部の先端から所定距離離間した位置であり、
近赤外光は前記ロッドの長手方向と平行でない方向に照射されることを特徴とするデジタルスノーゾンデ。

【請求項2】

前記円錐状先端部に係る荷重を検知するロードセルを有することを特徴とする請求項１に記載のデジタルスノーゾンデ。

【請求項3】

前記円錐状先端部に一対の電極が設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のデジタルスノーゾンデ。

【請求項4】

積雪の表層からの前記プローブ部の深度を検出する深度検出部が設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のデジタルスノーゾンデ。

【請求項5】

前記深度検出部が加速度センサーを含むことを特徴とする請求項４に記載のデジタルスノーゾンデ。

【請求項6】

積雪に対して照射する近赤外光が、１２００ｎｍ以上１４００ｎｍ以下の波長を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のデジタルスノーゾンデ。

【請求項7】

積雪からの反射光から反射率を演算し、当該反射率から雪粒子の粒径を算出することを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のデジタルスノーゾンデ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、積雪に対して鉛直下方に挿し入れることで、積雪の各層におけるセンシングデータを取得するデジタルスノーゾンデに関する。

【背景技術】

【0002】

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、観測地点で穴を掘り、積雪層の断面構造を目視により観察する方法や、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法、或いは、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法が用いられる。

【0003】

しかしながら、積雪層断面構造を目視により観察する方法は穴を掘る関係上、手間がかかり、かつ垂直方向に連続したデータを得ることが困難であった。また、ラムゾンデによる測定方法も時間がかかる上、同様に垂直方向の連続データが得られにくい、という問題がある。さらに、ストレンゲージにより貫入抵抗を測定する方法は、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。

【0004】

そこで、上述した諸問題を解消するために、特許文献１（特開平６－６６９５７号公報）においては、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が提案されている。

【文献】特開平６－６６９５７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１記載の従来のる複合センサー付き積雪検層ゾンデにおいては、光拡散反射光は、可視光を先端から投射し、雪粒子による乱反射を測定する方法が採られていた。

【0006】

しかしながら、可視光の反射特性は、粒径変化に敏感ではないために、特に、細かい雪の粒子の大きさはわからない、という問題があった。

【0007】

また、従来の複合センサー付き積雪検層ゾンデでは、円錐形状の先端に光拡散反射光検出部（１５）が設置されているために、硬い層（氷板や密度の高い層）に刺すと破損するため、測定できる雪が、柔らかい雪に限られている、という問題もあった。

【0008】

また、従来の複合センサー付き積雪検層ゾンデでは、状況によっては雪と、光拡散反射光検出部（１５）との距離が変わってしまう、などの問題もあった。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この発明は、上記のような課題を解決するものであり、本発明に係るデジタルスノーゾンデは、積雪に対して鉛直下方に差し入れることで、積雪の各層におけるセンシングデータを取得するデジタルスノーゾンデにおいて、ロッドと、積雪に対して差し入れる際に積雪と最初に接触する円錐状先端部と、積雪に対し近赤外光を照射すると共に、積雪からの反射光を受光する窓が設けられ、前記円錐状先端部から離間するに連れて拡径するテーパー部と、を含み、前記ロッドの一端側に設けられるプローブ部と、からなり、前記窓から近赤外光を照射する位置は、前記円錐状先端部の先端から所定距離離間した位置であり、近赤外光は前記ロッドの長手方向と平行でない方向に照射されることを特徴とする。

【0010】

また、本発明に係るデジタルスノーゾンデは、前記円錐状先端部に係る荷重を検知するロードセルを有することを特徴とする。

【0011】

また、本発明に係るデジタルスノーゾンデは、前記円錐状先端部に一対の電極が設けられることを特徴とする。

【0012】

また、本発明に係るデジタルスノーゾンデは、積雪の表層からの前記プローブ部の深度を検出する深度検出部が設けられることを特徴とする。

【0013】

また、本発明に係るデジタルスノーゾンデは、前記深度検出部が加速度センサーを含むことを特徴とする。

【0014】

また、本発明に係るデジタルスノーゾンデは、積雪に対して照射する近赤外光が、１２００ｎｍ以上１４００ｎｍ以下の波長を含むことを特徴とする。

【0015】

また、本発明に係るデジタルスノーゾンデは、積雪からの反射光から反射率を演算し、当該反射率から雪粒子の粒径を算出することを特徴とする。

【発明の効果】

【0016】

本発明に係るデジタルスノーゾンデは、雪粒子の粒径変化の検知に敏感である近赤外光を、先端部ではなく、テーパー部に設けられた窓から照射するので、氷板や密度の高い、硬い層に対しても脆弱でなく、常に積雪に密着した状態で、雪粒子の反射特性を取得することが可能となり、雪粒子の粒径に関するデータを的確に取得することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１の概要構成を示す図である。

【図2】本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１のブロック図である。

【図3】本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１のプローブ部１０の形状を説明する図である。

【図4】本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１のプローブ部１０の内部構造を説明する図である。

【図5】本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１の利用形態を説明する図である。

【図6】本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１におけるデータ取得処理のフローチャートを示す図である。

【図7】本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１によって取得されるデータの一例を示す図である。

【図8】雪粒子の粒径による反射率の波長依存性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図１は本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１の概要構成を示す図である。図２は本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１のブロック図である。図１及び図２において、点線で囲まれた（Ａ）部、及び（Ｂ）部はそれぞれ対応している。

【0019】

また、図３は本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１のプローブ部１０の形状を説明する図であり、図４は本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１のプローブ部１０の内部構造を説明する図である。図４（Ａ）はプローブ部１０の赤外線透過窓１９を正面に見た図であり、図４（Ｂ）は図４（Ａ）のプローブ部１０を側方から見た図である。図４における内部構造図には、図面の煩雑さを避けるために、（Ａ）又は（Ｂ）のいずれかにしか図示されない構成が含まれている。

【0020】

本発明に係るデジタルスノーゾンデ１は、積雪に対して鉛直下方に差し入れることで、積雪の各層におけるセンシングデータを取得するものである。このために、デジタルスノーゾンデ１は長尺状のロッド５０と、このロッド５０の一端側に設けられ、積雪に係るセンシングデータを取得するプローブ部１０と、ロッド５０の他端側に設けられ、制御回路基板（不図示）やバッテリーなど収納される制御系収納部９０とを有している。

【0021】

プローブ部１０においては、積雪の表面からプローブ部１０がどの深度に存在するのかを検出する深度検出部として、加速度センサー３０が設けられている。加速度センサー３０で取得される加速度データは主制御部１００に送信され、主制御部１００で加速度データが時間積分をすることにより深度データとされる。

【0022】

なお、本実施形態では、積雪の表面からプローブ部１０がどの深度に存在するのかを検出する深度検出部として、加速度センサー３０を用いる構成を採用しているが、プローブ部１０の深度を検出することができれば他の構成を採用してもよい。例えば特許文献１（特開平６－６６９５７号公報）に記載の環状磁石を用いる方法を採用することもできる。

【0023】

主制御部１００はマイクロコンピューターなど演算を行ったり、制御指令を発したりすることが可能な汎用のものを利用することができる。

【0024】

主制御部１００と通信可能に接続される入出力部１０３は、ユーザーが主制御部１００に対して入力を行うキースイッチ（不図示）や、主制御部１００からユーザーが情報を取得する表示パネル（不図示）である。キースイッチ（不図示）や表示パネル（不図示）は、制御系収納部９０に設けられている。

【0025】

また、記憶部１０５は主制御部１００と通信可能に接続されている不揮発性のメモリなどであり、プローブ部１０で取得される積雪に係るセンシングデータなどが格納される。また、通信部１０７は、データを無線通信により送受することが可能な構成である。本発明に係るデジタルスノーゾンデ１で取得されたデータは、このような通信部１０７を介して、スマートフォンやタブレット端末などの情報処理端末２００に送信され、当該情報処理端末２００のタッチパネル２１０などに表示されるように構成されることが好ましい。

【0026】

プローブ部１０においては、絶縁樹脂で構成された円錐状先端部１５には、電極対２０が埋設された構造を有している。また、制御系収納部９０側に設けられている電極制御部１１０は、電極対２０に対してケーブル４１を介して所定の電圧を印可すると共に、このときに流れる電流を計測し、この電流データを主制御部１００に送信するようになっている。

【0027】

プローブ部１０においては、円柱状基部１１とテーパー部１２とは一体的にロッド５０に対して固着されているが、円錐状先端部１５は、緩衝部１３を介して前記テーパー部１２に対して可動的に取り付けられている。円錐状先端部１５にかかる加重は、力伝達棹２５を介して円錐状先端部１５に接続されているロードセル２３によって検出される。ロードセル２３で検出される加重データは、主制御部１００に送信するようになっている。このようなロードセル２３で取得されるデータは、デジタルスノーゾンデ１が積雪に対して挿し入れられる際の貫入抵抗データとして利用される。

【0028】

制御系収納部９０においては、主制御部１００によって制御される発光部１２０を有している。この発光部１２０は、１３００ｎｍに波長のピークを有する近赤外光を所定強度で出力する構成となっている。なお、本実施形態では発光部１２０は１３００ｎｍに波長のピークを有する近赤外光を出力する構成であるが、発光部１２０は１２００ｎｍ～１４００ｎｍの波長域の近赤外光を用い得る。

【0029】

１２００ｎｍ以上１４００ｎｍ以下の波長域の近赤外光のうち、特に１３００ｎｍの近赤外光は、雪粒子に照射した際、雪粒子の粒径によって、反射率が変化する。本発明に係るデジタルスノーゾンデ１においては、このような近赤外光を利用することで、従来より精度の高い雪粒子に係るデータを取得することが可能となる。

【0030】

本発明に係るデジタルスノーゾンデ１が、上記のように１２００ｎｍ以上１４００ｎｍ以下の波長域の近赤外光のうち、特に１３００ｎｍの近赤外光を用いる具体的な根拠について説明する。図８は雪粒子の粒径による反射率の波長依存性を示す図である。なお、図８は当該波長依存性を模式的に示している。図８に示すように、１２００ｎｍ以上１４００ｎｍ以下の波長域においては、雪粒子の粒径を判別する際に好適な特性を有していることが分かる。特に、１２００ｎｍ～１４００ｎｍの中心である１３００ｎｍの近赤外光を用いると、より精度の高い雪粒子の粒径情報を得ることが出期待できる。

【0031】

発光部１２０で出力された近赤外光は、送光ファイバー４５によってプローブ部１０側に送出され、プリズム１７を介して赤外線透過窓１９から外部に照射される。ここで、赤外線透過窓１９は、プローブ部１０におけるテーパー部１２に設けられていることも本発明の特徴点なっている。テーパー部１２は、円錐状先端部１５から離間するに従って径が大きくなる形状を有している。このようなテーパー部１２に赤外線透過窓１９が設けられ、データ取得対象の雪に近赤外光が照射されるようになっている。

【0032】

テーパー部１２においては、積雪に対してプローブ部１０が挿し入れられた際、雪が常に密着するような構成となる。従って、テーパー部１２に設けられた赤外線透過窓１９が設けられると、赤外線透過窓１９と雪との間の距離は一定して、安定したデータの取得を行うことが可能となる。

【0033】

なお、図３に示すように、赤外線透過窓１９から近赤外光が照射される位置は、円錐状先端部１５の先端から距離Ｄの位置とされている。このような距離Ｄはデータ取得処理の際に補正がなされる。

【0034】

赤外線透過窓１９から照射された近赤外光の反射光は、赤外線透過窓１９、プリズム１７を介して、受光ファイバー４６で受光され、受光部１２５に送出される。受光部１２５で、受光された近赤外光の強度データを取得し、主制御部１００に送出される。

【0035】

主制御部１００では、発光部１２０における近赤外光の発光強度と、受光部１２５で受光された強度データとから反射率が演算される。

【0036】

上記のように構成される本発明に係るデジタルスノーゾンデ１は、雪粒子の粒径変化の検知に敏感である近赤外光を、円錐状先端部１５ではなく、テーパー部１２に設けられた赤外線透過窓１９から照射するので、氷板や密度の高い、硬い層に対しても脆弱でなく、常に積雪に密着した状態で、雪粒子の反射特性を取得することが可能となり、雪粒子の粒径に関するデータを的確に取得することが可能となる。

【0037】

次に、以上のように構成される本発明に係るデジタルスノーゾンデ１によるデータ取得例について説明する。図５は本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１の利用形態を説明する図である。

【0038】

積雪の表面からプローブ部１０を積雪中に挿し入れる際には、図５（Ａ）に示すように、入出力部１０３を利用して、現在の深度が０であることを入力する（０リセットを行う）。これにより深度検出部を構成する加速度センサー３０が、０リセット以降の加速度データを積算していくことで、深度を求めることが可能となる。図５（Ａ）に示すように０リセットを行った後は、図５（Ｂ）に示すように、プローブ部１０を鉛直下方に挿し入れていき、積雪層のデータを取得していく。

【0039】

図６は本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１におけるデータ取得処理のフローチャートを示す図である。

【0040】

図６において、ステップＳ１００でデータ取得処理が開始されると、続いて、ステップＳ１０１に進み、加速度センサー３０からの加速度データを取得し、次のステップＳ１０２で、当該加速度データを時間積分することで、プローブ部１０の深度データに変換する。

【0041】

続いて、ステップＳ１０３では、ロードセル２３からの荷重データを取得し、次のステップＳ１０４では、先の深度データに対応して荷重データを記憶部１０５に記憶する。

【0042】

続いて、ステップＳ１０５では、電極対２０から電気伝導度データを取得し、次のステップＳ１０６では、先の深度データに対応して電気伝導度データを記憶部１０５に記憶する。

【0043】

続いて、ステップＳ１０７では、受光部１２５から受光強度データを取得し、次のステップＳ１０８では、発光部１２０の発光強度で、当該受光強度データを除することで反射率を演算する。次のステップＳ１０９では、距離Ｄを差し引いた深度データ対応して、当該反射率を記憶部１０５に記憶する。このような距離Ｄの補正を行うことで、本発明においては、円錐状先端部１５の先端で取得されるデータと、円錐状先端部１５から距離Ｄの位置にある赤外線透過窓１９で取得されるデータとの一致を図っている。

【0044】

ステップＳ１１０では、積雪の鉛直方向全域へのプローブ部１０差し入れが完了したか否かが判定される。ステップＳ１１０における判定がＮＯであればステップＳ１０１に戻り、ステップＳ１１０における判定がＹＥＳであれば、ステップＳ１１１に進み、データ取得処理を終了する。

【0045】

本発明に係るデジタルスノーゾンデ１の主制御部１００においては、例えば図８に示す関係に基づいて、記憶部１０５に記憶された反射率（ステップＳ１０９）から、雪粒子の粒径を算出することができる。

【0046】

図７は本発明の実施形態に係るデジタルスノーゾンデ１によって取得されるデータの一例を示す図である。図７に示すように、本発明に係るデジタルスノーゾンデ１によれば、深度に対応した近赤外光の反射率に係るデータ、深度に対応した貫入抵抗に係るデータ、及び、深度に対応した電気伝導に係るデータを取得することができる。

【0047】

本発明に係るデジタルスノーゾンデ１の記憶部１０５に蓄積された上記のような各データは、通信部１０７を介して、情報処理端末２００に送信し、当該情報処理端末２００のタッチパネル２１０などに表示する構成とすることもできる。

【0048】

以上、本発明に係るデジタルスノーゾンデ１は、雪粒子の粒径変化の検知に敏感である近赤外光を、先端部ではなく、テーパー部１２に設けられた窓から照射するので、氷板や密度の高い、硬い層に対しても脆弱でなく、常に積雪に密着した状態で、雪粒子の反射特性を取得することが可能となり、雪粒子の粒径に関するデータを的確に取得することが可能となる。

【0049】

以上述べたように本発明に係るデジタルスノーゾンデ１によれば、プローブ部１０の貫入深度レベルを検出するとともに、雪質状態を識別可能な波長の近赤外光を用いて光拡散反射率を測定し、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できる。また、図７に示すような、同一深度レベルにおける、光拡散反射率、雪質に基づく反射率テーブル、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でき、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。

【符号の説明】

【0050】

１・・・デジタルスノーゾンデ
１０・・・プローブ部
１１・・・円柱状基部
１２・・・テーパー部
１３・・・緩衝部
１５・・・円錐状先端部
１７・・・プリズム
１９・・・赤外線透過窓
２０・・・電極対
２３・・・ロードセル
２５・・・力伝達棹
３０・・・加速度センサー
４１・・・ケーブル
４５・・・送光ファイバー
４６・・・受光ファイバー
５０・・・ロッド
９０・・・制御系収納部
１００・・・主制御部
１０３・・・入出力部
１０５・・・記憶部
１０７・・・通信部
１１０・・・電極制御部
１２０・・・発光部
１２５・・・受光部
１３０・・・バッテリー
２００・・・情報処理端末
２１０・・・タッチパネル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】