JP6242325B2

JP6242325B2 - 水温計測装置および水温計測方法

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Publication number: JP6242325B2
Application number: JP2014233694A
Authority: JP
Inventors: 勝治今城; 玉川　恭久; 恭久玉川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2034-11-18
Also published as: JP2016099129A

Description

この発明は、水中の水温を計測する技術に関し、特に海底面が複雑形状の地形を有する水中において水温の計測を行う水温計測装置に関するものである。

従来、誤差の少ない水温計測技術として、レーザ光を用いた計測方法が知られている。例えば特許文献１に開示された水温測定方法では、トリガとして超音波パルスを水中に発射し、次にプローブとしてレーザ光を同方向に発射し、超音波パルスが水中を伝搬する際に発生する水の粗密部分において反射されるレーザ光を受光し、受光した反射光を周波数解析することにより、超音波の水中速度が導出され、得られた水中における音速と水温との相関によって水温を計測している。

特開昭６１−１１１４３１号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載された技術では、トリガとして用いる超音波パルスは、一定の広がり角度を有して水中を伝搬するため、海底面の地形が複雑形状を有しており、当該海底面での反射により超音波パルスとレーザ光とが互いに干渉し、水温計測に誤差が生じるという課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、海底面などの測定地点における地形の形状の影響を受けることなく正確な水温計測を実現する水温計測装置を得ることを目的とする。

この発明に係る水温計測装置は、水中に照射された２波長のレーザ光が測定地点で反射されて得られる反射光を受信し、受信した２波長の反射光の光路長を示す距離値を算出する距離計測部と、距離計測部が算出した２波長の反射光の距離値の比から、レーザ光の光路の水温を算出する温度導出部とを備える。

この発明によれば、測定地点における地形の形状の影響を受けることなく、水温を正確に計測することができる。

実施の形態１に係る水温計測装置の構成および測定方法を模式的に示した図である。実施の形態１に係る水温計測装置のレーザ距離計測部の構成を示す図である。実施の形態１に係る水温計測装置の温度導出部の構成を示すブロック図である。実施の形態１に係る水温計測装置の屈折率比と水温との関係を示す図である。実施の形態２に係る水温計測装置の構成および測定方法を模式的に示した図である。実施の形態２に係る水温計測装置の温度導出部および位置算出部の構成を示すブロック図である。実施の形態２に係る水温計測装置が計測した距離値の二次元画像の一例を示す図である。実施の形態２に係る水温計測装置の温度比較部における水温または屈折率比と閾値との比較を示す図である。実施の形態２に係る水温計測装置の温度比較部における屈折率比微分値と閾値との比較を示す図である。実施の形態３に係る水温計測装置の構成および測定方法を模式的に示した図である。実施の形態３に係る水温計測装置の計測結果の一例を示す三次元画像である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る水温計測装置の構成を図１から図３を参照しながら説明する。
図１は実施の形態１に係る水温計測装置１０の構成および測定方法を模式的に示した図である。
図１に示すように、水温計測装置１０はレーザ距離計測部１００および温度導出部２００によって構成され、レーザ距離計測部１００からある地点Ａ（測定地点）に向けて異なる２つの波長のパルスレーザ光２０，３０が照射される。地点Ａは例えば海底面などである。照射された２つの波長のパルスレーザ光２０，３０の反射光（不図示）をレーザ距離計測部１００で再度受信し、反射光の光学的距離である光路長を測定する。温度導出部２００は、測定された２つの反射光の光路長の比が伝搬媒質である水の２つの波長における屈折率の比であることから、当該屈折率の比と、伝播媒質が水である場合の屈折率比の温度特性に基づいて、水温計測装置１０から地点Ａまでのパルスレーザ光の伝搬往復経路の平均水温を算出する。

次に、水温計測装置１０を構成するレーザ距離計測部１００および温度導出部２００の詳細について図２および図３を参照しながら説明を行う。
図２は実施の形態１に係る水温計測装置１０のレーザ距離計測部１００の構成を示す図であり、図３は実施の形態１に係る水温計測装置１０の温度導出部２００の構成を示すブロック図である。

まず、レーザ距離計測部１００の構成について説明する。図２に示すように、レーザ距離計測部１００は、送信部１００ａ、受信部１００ｂおよび距離計測部１００ｃで構成されている。
送信部１００ａは、第１のパルスレーザ光源１０１、第２のパルスレーザ光源１０２、第１の送信レンズ１０３、第２の送信レンズ１０４、送信側ミラー１０５、送信側ダイクロイックミラー１０６、第１の送信側集光レンズ１０７、第２の送信側集光レンズ１０８、第１のモニタ用受光器１０９および第２のモニタ用受光器１１０で構成されている。

第１、第２のパルスレーザ光源１０２は、パルスレーザ光を出射する機能を有し、それぞれ異なる波長のパルスレーザ光を出射する。以下では、第１のパルスレーザ光源１０１から出射されたパルスレーザ光を第１のパルスレーザ光２０、第２のパルスレーザ光源１０２から出射されたパルスレーザ光を第２のパルスレーザ光３０と称する。第１の送信レンズ１０３は出射された第１のパルスレーザ光２０のビームを整形し、第２の送信レンズ１０４は出射された第２のパルスレーザ光３０のビームを整形する。

送信側ミラー１０５は、整形された第１のパルスレーザ光２０を反射して地点Ａに照射する。また、地点Ａに照射される第１のパルスレーザ光２０の一部が後述する送信側ダイクロイックミラー１０６によって反射されて再度入力される。送信側ミラー１０５は、当該再度入力された第１のパルスレーザ光２０を反射させて第１の送信側集光レンズ１０７側に出力する。

送信側ダイクロイックミラー１０６は、特定波長のパルスレーザ光を反射し、その他の波長のパルスレーザ光を透過させる機能を有しており、第２の送信レンズ１０４で整形された第２のパルスレーザ光３０の一部を反射して地点Ａへ照射させ、その他の第２のパルスレーザ光３０を第２の送信側集光レンズ１０８側に透過させる。さらに、送信側ダイクロイックミラー１０６は、送信側ミラー１０５で反射されて入力された第１のパルスレーザ光２０の一部を反射させて送信側ミラー１０５へ出力し、その他の第１のパルスレーザ光２０を透過させて地点Ａへ照射させる。

第１の送信側集光レンズ１０７は入力された第１のパルスレーザ光２０を第１のモニタ用受光器１０９に集光し、第１のモニタ用受光器１０９は集光された第１のパルスレーザ光２０を用いて第１のパルスレーザ光源１０１における出射タイミングを検出する。第２の送信側集光レンズ１０８は入力された第２のパルスレーザ光３０を第２のモニタ用受光器１１０に集光し、第２のモニタ用受光器１１０は集光された第２のパルスレーザ光３０を用いて第２のパルスレーザ光源１０２における出射タイミングを検出する。第１、第２のモニタ用受光器１０９，１１０は検出した出射タイミングを示す電気信号を距離計測部１００ｃに出力する。

次に、受信部１００ｂについて説明する。受信部１００ｂは、受信レンズ１１１、受信側ダイクロイックミラー１１２、第１の受信側集光レンズ１１３、第２の受信側集光レンズ１１４、第１の受光器１１５、第２の受光器１１６、第１のアンプ１１７および第２のアンプ１１８で構成されている。

受信レンズ１１１は、地点Ａで反射された第１、第２のパルスレーザ光２０，３０の反射光を受信して集光する。受信側ダイクロイックミラー１１２は、受信レンズ１１１で集光された反射光を波長ごとに弁別する機能を有し、第１のパルスレーザ光源１０１から出力された波長のパルスレーザ光の反射光（以下、第１の反射光４０と称する）と、第２のパルスレーザ光源１０２から出力された波長のパルスレーザ光の反射光（以下、第２の反射光５０と称する）とを弁別する。

第１の受信側集光レンズ１１３は受信側ダイクロイックミラー１１２で弁別された第１の反射光４０を第１の受光器１１５に集光し、第１の受光器１１５は集光された第１の反射光４０を電気信号に変換し、第１のアンプ１１７は変換された電気信号を増幅して距離計測部１００ｃに出力する。第２の受信側集光レンズ１１４は受信側ダイクロイックミラー１１２で弁別された第２の反射光５０を第２の受光器１１６に集光し、第２の受光器１１６は集光された第２の反射光５０を電気信号に変換し、第２のアンプ１１８は変換された電気信号を増幅して距離計測部１００ｃに出力する。

次に、距離計測部１００ｃについて説明する、距離計測部１００ｃは、第１の距離計測回路１１９および第２の距離計測回路１２０で構成されている。
第１の距離計測回路１１９は、第１のモニタ用受光器１０９から入力される第１のパルスレーザ光２０の出射タイミングを示す電気信号と、第１の受光器１１５から入力される第１の反射光４０の受信を示す電気信号との差分に基づいて、第１の反射光４０の光路長を計測し、当該光路長を第１の距離計測値として出力する。第２の距離計測回路１２０は、第２のモニタ用受光器１１０から入力される第２のパルスレーザ光３０の出射タイミングを示す電気信号と、第２の受光器１１６から入力される第２の反射光５０の受信を示す電気信号との差分に基づいて、第２の反射光５０の光路長を計測し、当該光路長を第２の距離計測値として出力する。

次に、温度導出部２００の構成について説明する。図３に示すように、温度導出部２００は屈折率比算出部２０１および温度算出部２０２で構成されている。
屈折率比算出部２０１は、第１の距離計測回路１１９から入力される第１の距離計測値と、第２の距離計測回路１２０から入力される第２の距離計測値との比を算出することにより、第１のパルスレーザ光２０の波長と第２のパルスレーザ光３０の波長とにおける伝搬媒質の屈折率比が算出される。温度算出部２０２は、屈折率比算出部２０１が算出した屈折率比と伝搬媒質の温度特性とに基づいて、水温計測装置１０から地点Ａまでのレーザパルス光の伝搬往復経路の平均水温を算出する。

次に、実施の形態１に係る水温計測装置１０の動作を、具体例を挙げながら説明する。
まず、第１、第２のパルスレーザ光源１０１，１０２において第１、第２のパルスレーザ光２０，３０を発生させ、第１、第２の送信レンズ１０３，１０４、送信側ミラー１０５、送信側ダイクロイックミラー１０６を介して地点Ａに照射する。第１、第２のパルスレーザ光２０，３０の出射タイミングを第１、第２のモニタ用受光器１０９，１１０で測定する。出射された第１、第２のパルスレーザ光２０，３０は地点Ａによって反射される。
なお、第１のパルスレーザ光２０と第２のパルスレーザ光３０の波長は、互いに離れた波長であることが望ましく、且つ水中での減衰係数が小さい可視光領域において選定される。例えば、第１のパルスレーザ光２０の波長λ_１を４００ｎｍ帯に設定し、第２のパルスレーザ光３０の波長λ_２を５００ｎｍ帯に設定する。以下の説明では、波長λ_１＝４００ｎｍおよび波長λ_２＝５８９ｎｍに設定した場合を例に説明する。

受信部１００ｂは、受信レンズ１１１において地点Ａで反射された反射光を受信し、受信側ダイクロイックミラー１１２において波長λ_１の反射光である第１の反射光４０と波長λ_２の反射光である第２の反射光５０とに弁別し、第１、第２の受光器１１５，１１６に入力する。第１の受光器１１５は第１の反射光４０を電気信号に変換し、第１のアンプ１１７が第１の反射光４０の電気信号を増幅する。第２の受光器１１６は第２の反射光５０を電気信号に変換し、第２のアンプ１１８が第２の反射光５０の電気信号を増幅する。

距離計測部１００ｃは、送信部１００ａから第１、第２のパルスレーザ光２０，３０の出射タイミングを示す２つの電気信号を受信し、受信部１００ｂから第１、第２の反射光４０，５０の受信を示す２つの電気信号を受信する。第１の距離計測回路１１９は、波長λ_１の第１のパルスレーザ光２０の出射タイミングと波長λ_１の第１の反射光４０の受信タイミングとの時間差と、パルスレーザ光の光速（あるいはパルスレーザ光の真空における光速）とから、第１の反射光４０の光路長に相当する距離値Ｄ_１を計測し、第１の距離計測値として出力する。第２の距離計測回路１２０は、波長λ_２の第２のパルスレーザ光３０の出射タイミングと波長λ_２の第２の反射光５０の受信タイミングとの時間差から、第２の反射光５０の光路長に相当する距離値Ｄ_２を計測し、第２の距離計測値として出力する。

波長λ_１および波長λ_２について計測された距離値Ｄ_１，Ｄ_２は、距離の真値である経路長、すなわち水温計測装置１０から地点までの距離をＤとすると、以下の式（１）で示される。
Ｄ_１＝Ｄｎ_１、Ｄ_２＝Ｄｎ_２（１）
式（１）においてｎ_１，ｎ_２はそれぞれ波長λ_１，λ_２における伝搬物質の屈折率であり、温度に依存して変化する。
例えば、水温が２０℃である場合、伝搬物質の屈折率は波長λ_０１＝４００ｎｍでｎ_０１＝１．３４３３、波長λ_０２＝５８９ｎｍでｎ_０２＝１．３３３０であることが知られている。

温度導出部２００の屈折率比算出部２０１は、上述した式（１）に基づいて、第１の距離計測値である距離値Ｄ_１および第２の距離計測値である距離値Ｄ_２を用いて、距離値の比Ｄ_２／Ｄ_１を算出する。さらに屈折率比算出部２０１は、算出した距離値の比Ｄ_２／Ｄ_１と以下の式（２）に基づいて屈折率比Δｎを算出する。

屈折率ｎ_２／ｎ_１の比で表される屈折率比Δｎは、例えば図４で示すような温度特性を有しており、水温が高いほど屈折率比Δｎが大きくなる特性を有している。

温度算出部２０２は、屈折率比算出部２０１が算出した屈折率比Δｎと、以下の式（３）で示す波長λ_１と波長λ_２に対する屈折率比Δｎの温度特性に基づいて、水温計測装置１０から地点Ａまでのレーザパルス光の伝搬往復経路の平均水温を算出する。
Ｔ＝ａΔｎ＋ｂ（３）
式（３）において、係数ａは水温に対する屈折率特性の傾き、ｂはオフセットに相当する。

以上のように、実施の形態１によれば、２つの波長のパルスレーザ光を地点Ａに照射すると共に、当該パルスレーザ光の出射タイミングを検出する送信部１００ａと、地点Ａで反射された反射光を受信して２つの波長の反射光に弁別して各波長の受信信号を得る受信部１００ｂと、送信部１００ａが検出したパルスレーザ光の出射タイミングと、受信部１００ｂが得た各波長の反射光の受信信号とに基づいて、各波長における反射光の光路長を取得する距離計測部１００ｃとを有するレーザ距離計測部１００と、各波長の光路長の比から伝播媒質の屈折率比を算出し、算出した屈折率比に対応した水温を取得することにより水温計測装置１０から地点Ａまでのパルスレーザ光の伝搬往復経路の平均水温を算出する温度導出部２００とを備えるように構成したので、地点Ａとなる海底面の地形が複雑形状で凹凸があった場合であっても高い空間分解能で温度を測定することができる。

なお、上述した実施の形態１において、第１のパルスレーザ光源１０１および第２のパルスレーザ光源１０２が同時にそれぞれの波長のパルスレーザ光を出射して距離計測を実施してもよいし、交互にそれぞれの波長のパルスレーザ光を出射して距離計測を実施してもよい。

また、上述した実施の形態１では、第１、第２の送信レンズ１０３，１０４はそれぞれパルスレーザ光のビームを整形する構成を示したが、当該整形において一定のビーム径と拡がりを有するビームに整形してもよい。これにより、水中における浮遊物（マリンスノー）が存在する場合であっても、当該浮遊物によりパルスレーザ光が遮蔽されることがなく、地点Ａにパルスレーザ光を照射することができる。

また、上述した実施の形態１では、送信部１００ａにおいて第１、第２のパルスレーザ光源１０１，１０２がパルスレーザ光を出射した直後に送信側ミラー１０５および送信側ダイクロイックミラー１０６で分岐させて第１、第２のモニタ用受光器１０９，１１０で受光する構成を示したが、送信側ミラー１０５および送信側ダイクロイックミラー１０６で分岐させることなく送信部１００ａを伝搬する際の内部反射光を用いて第１、第２のモニタ用受光器１０９，１１０が出射タイミングを検出するように構成してもよい。
さらに、第１、第２のパルスレーザ光源１０１，１０２が出射したパルスレーザ光を、レーザ距離計測部１００外に設けたミラーなどを用いて受信レンズ１１１に折り返して受信させ、第１、第２の受光器１１５，１１６を用いて出射タイミングを検出するように構成してもよい。この場合、距離計測部１００ｃにおいて、パルスレーザ光の出射タイミングを示す電気信号、すなわち第１、第２の受光器１１５，１１６で一番初めに検出された電気信号と、それ以降に検出された電気信号との差分に基づいて各反射光の光路長を計測する。

また、上述した実施の形態１では、パルスレーザ光を出射する第１、第２のパルスレーザ光源１０１，１０２を備え、送信部１００ａと受信部１００ｂにおけるパルスレーザ光の受信の時間差に基づいて各反射光の光路長を計測する構成を示したが、第１、第２のパルスレーザ光源１０１，１０２に替えて第１、第２の強度変調光源を設けてレーザ光送受信間における位相差に基づいて各反射光の光路長を計測する構成としてもよい。

また、上述した実施の形態１で示した送信部１００ａを水温計測装置１０の外部構成とし、出射したパルスレーザ光の出射タイミングを示す電気信号を距離計測部１００ｃに入力するように構成してもよい。

実施の形態２．
この実施の形態２では、水中の高温部分を特定する水温計測装置１０ａの構成を示す。実施の形態２に係る水温計測装置１０ａの構成を図５および図６を参照しながら説明する。
図５は、実施の形態２に係る水温計測装置１０ａの構成および測定方法を模式的に示した図である。実施の形態２の水温計測装置１０ａは、例えば無人潜水艦、潜水艇（ＵＵＶ：Unmanned Underwater Vehicle）などに搭載して機能させ、水中の高温部分を検出することにより熱水鉱床の存在および熱水鉱床の位置などを推定する。
図５に示すように海底面に熱水鉱床Ｂが存在し、当該熱水鉱床Ｂから熱水が噴出している場合に高温部分Ｃが存在する。熱水鉱床Ｂ付近にレーザパルス光を照射した場合に、熱水鉱床Ｂ周辺の高温部分Ｃにより計測される水温が、高温部分Ｃ以外の地点で計測された水温よりも高い値を示す。そこで、あらかじめ設定された温度閾値と、計測された水温とを比較することにより、熱水鉱床Ｂの存在を推定することができる。

図５に示すように、水温計測装置１０ａは、レーザ距離計測部１００、温度導出部２００および位置算出部３００によって構成されている。レーザ距離計測部１００および温度導出部２００の構成は実施の形態１と同一であるため、説明を省略する。
位置算出部３００は、温度導出部２００が算出した温度に基づいて高温部分を検出し、レーザ距離計測部１００が計測した第１、第２の距離計測値に基づいて高温部分の位置を特定する。

図６は、実施の形態２に係る水温計測装置１０ａの温度導出部２００および位置算出部３００の構成を示すブロック図である。
位置算出部３００は、温度比較部３０１および位置特定部３０２で構成されている。
温度比較部３０１は、温度導出部２００の温度算出部２０２が算出した温度を入力として、当該入力された温度とあらかじめ設定された温度閾値とを比較し、比較結果を出力する。位置特定部３０２は、温度比較部３０１の比較結果を参照し、算出された温度が温度閾値よりも高い領域が存在する場合に、レーザ距離計測部１００から入力される第１、第２の距離計測値に基づいて温度閾値よりも高い温度を示す地点の位置を特定する。位置特定部３０２は、高温部分が存在することを知らせるアラームなどの報知信号、および特定した高温部分の位置情報を出力する。

次に、実施の形態２に係る水温計測装置１０ａの動作を、具体例を挙げながら説明する。なお、以下では実施の形態１に係る水温計測装置１０と同一の動作については説明を省略または簡略化する。
レーザ距離計測部１００の送信部１００ａは、実施の形態１と同様に異なる波長の第１のパルスレーザ光２０と第２のパルスレーザ光３０を出射し、当該パルスレーザ光の出射タイミングを第１、第２のモニタ用受光器１０９，１１０で測定し、第１、第２のパルスレーザ光２０，３０の出射タイミングを示す電気信号を得る。なお、出射する２つのパルスレーザ光の波長を、実施の形態１と同様に波長λ_１＝４００ｎｍおよび波長λ_２＝５８９ｎｍに設定した場合を例に説明する。

レーザ距離計測部１００の受信部１００ｂは、地点Ａで反射された反射光を受信し、波長λ_１および波長λ_２の反射光の受信を示す電気信号を得る。レーザ距離計測部１００の距離計測部１００ｃは、第１、第２のパルスレーザ光２０，３０の出射タイミングを示す電気信号と、波長λ_１および波長λ_２の反射光の受信を示す電気信号とから、各波長の反射光の光路長に相当する距離値Ｄ_１、Ｄ_２を計測する。距離値Ｄ_１は第１の距離計測値であり、距離値Ｄ_２は第２の距離計測値である。

温度導出部２００の屈折率比算出部２０１は、上述した式（１）に基づいて、第１の距離計測値である距離値Ｄ_１および第２の距離計測値である距離値Ｄ_２を用いて、距離値の比Ｄ_２／Ｄ_１を算出する。さらに屈折率比算出部２０１は、算出した距離値の比Ｄ_２／Ｄ_１と以下の式（２）に基づいて屈折率比Δｎを算出する。温度導出部２００の温度算出部２０２は、算出された屈折率比Δｎおよび温度特性に基づいて、上述した式（３）から温度を算出する。

位置算出部３００の温度比較部３０１は、温度導出部２００の温度算出部２０２が算出した温度と、あらかじめ設定された温度閾値とを比較し、比較結果を位置特定部３０２に出力する。位置特定部３０２は、温度比較部３０１の比較結果を参照し、温度閾値よりも高い温度を示す領域が存在する場合に、レーザ距離計測部１００が算出した第１の距離計測値あるいは第２の距離計測値と、温度算出部２０２が算出した温度における波長λ_１および波長λ_２における屈折率を取得し、上述した式（１）に基づいて水温計測装置１０ａから反射地点までの経路長Ｄを算出して高温部分が存在する位置を特定する。位置特定部３０２は、高温部分が存在することを知らせるアラームなどの報知信号を出力すると共に、特定した高温部分の位置情報を出力する。

図５で示したように海底面の熱水鉱床Ｂが存在する場合、熱水鉱床Ｂ周辺の温度は著しく高く、高温部分Ｃが存在することから、レーザ距離計測部１００の距離計測部１００ｃが計測した距離値Ｄ_１、Ｄ_２は例えば図７に示すような値を取る。図７は、実施の形態２に係る水温計測装置１０ａが計測した距離値の二次元画像の一例を示す図であり、水温計測装置１０ａを所定方向に進行させた場合に取得される二次元画像を示している。図７の領域０は熱水鉱床Ｂの周囲を測定した際の距離値Ｄ_１、Ｄ_２を示し、その他の領域の距離値Ｄ_１、Ｄ_２に対して２波長間での距離値Ｄ_１、Ｄ_２の差が大きい。このように距離値Ｄ_１、Ｄ_２の差が大きくなると、屈折率比Δｎも大きくなる。また、屈折率比Δｎと水温の関係は図４に示した通りであることから、水温も高くなる。水温または屈折率比Δｎの進行方向における変化を図８に示す。熱水鉱床Ｂ周辺の測定結果を示す領域Ｐにおいて、その他の領域よりも屈折率比Δｎおよび水温が高くなる。当該領域Ｐにおいてあらかじめ設定された温度閾値Ｑを超えることから、熱水鉱床Ｂの存在を推定することができる。さらに、距離値Ｄ_１、Ｄ_２に基づいて熱水鉱床Ｂの位置を特定することができる。

以上のように、この実施の形態２によれば、温度比較部３０１が２波長のパルスレーザ光により測定した距離値の比から算出した温度と、あらかじめ設定した温度閾値とを比較し、位置特定部３０２が比較結果を参照して温度閾値よりも高い温度を示す領域が存在する場合に距離値から高温部分の位置を特定し、高温部分が存在することを報知すると共に、特定した高温部分の位置情報を出力する位置算出部３００を備えるように構成したので、海底面の地形が複雑形状で凹凸があった場合であっても、高い空間分解能で水温を測定することができ、熱水鉱床など高温部分の位置を特定することができる。

また、この実施の形態２によれば、水温計測装置１０ａを所定方向に進行させることにより、二次元画像を取得することができ、高温部分が存在する位置を特定することができる。

なお、上述した実施の形態２では、温度比較部３０１において温度算出部２０２が算出した温度とあらかじめ設定した温度閾値とを比較する構成を示したが、温度算出部２０２が算出した温度を位置算出部３００の記憶領域（不図示）に記録しておき、過去の１つより以前に計測した温度と、温度算出部２０２が今回算出した温度とを比較して高温部分を特定する構成としてもよい。さらに、過去に温度算出部２０２が算出した温度については、数点の計測結果を平均化した値を用いてもよい。

また、温度比較部３０１は、図８で示したように屈折率比Δｎに対する閾値をあらかじめ設定しておき、屈折率比Δｎと閾値とを比較して高温部分を特定するように構成してもよい。また、図９に示すように、屈折率比Δｎの変動の時間微分値である屈折率比微分値を取り、当該屈折率比微分値に対する上限閾値Ｓおよび下限閾値Ｔをあらかじめ設定しておき、屈折率比微分値と上限閾値Ｓまたは下限閾値Ｔとを比較するように構成してもよい。

また、上述した実施の形態２で示した送信部１００ａを水温計測装置１０の外部構成とし、パルスレーザ光の出射タイミングを示す電気信号を距離計測部１００ｃに入力するように構成してもよい。

実施の形態３．
上述した実施の形態１および実施の形態２では、パルスレーザ光をあらかじめ設定したタイミングで出射する構成を示したが、この実施の形態３では出射されたパルスレーザ光を測定面上で一次元走査させる、あるいは二次元走査させて多地点で水温を計測する構成を示す。
図１０は、実施の形態３に係る水温計測装置１０ｂの構成および測定方法を模式的に示した図である。図１０に示すように実施の形態３では、図５で示した実施の形態２の水温計測装置１０ａにスキャナ４００を追加して設けて構成している。なお、レーザ距離計測部１００、温度導出部２００および位置算出部３００の詳細な構成は実施の形態１または実施の形態２と同一であるため、説明を省略する。

スキャナ４００は、レーザ距離計測部１００の第１、第２のパルスレーザ光源１０１，１０２が出射するパルスレーザ光を測定面上で一次元走査させる、あるいは二次元走査させる。これにより、レーザ距離計測部１００の受信部１００ｂは多地点で反射された反射光を受信し、レーザ距離計測部１００の距離計測部１００ｃは多地点における第１、第２の距離計測値を計測し、温度導出部２００は水温計測装置１０と多地点間の伝搬往復経路の平均水温の算出、位置算出部３００は多地点における高温部分の特定を行うことができる。

図１１は、実施の形態３に係る水温計測装置１０ｂの計測結果の一例を示す三次元画像である。
スキャナ４００を用いてパルスレーザ光を測定面上で一次元走査あるいは二次元走査させて多地点で水温を計測した結果を示している。スキャナ４００が一次元走査の場合には、Ｙ軸方向にパルスレーザ光を走査し、水温計測装置１０ｂがＸ軸方向に進行することにより三次元データを取得し、スキャナ４００が二次元走査の場合にはビーム走査方向をＸＹ平面上で変化させることにより三次元データを取得する。温度導出部２００の温度算出部２０２は、取得された三次元データに基づいて測定面上での水温を示す三次元画像を生成し、位置算出部３００の位置特定部３０２は、取得した三次元画像に基づいて、高温部分が存在する位置に加えて、高温部分の大きさを特定することができる。

以上のように、この実施の形態３によれば、パルスレーザ光を測定面上で一次元走査させる、あるいは二次元走査させるスキャナ４００を備えるように構成したので、多地点において水温の計測を行うことができ、水温を示す三次元画像を生成することができる。これにより、水中に存在する熱水鉱床など高温部分の位置に加えて大きさも特定することができる。

また、上述した実施の形態３で示した送信部１００ａおよびスキャナ４００を水温計測装置１０の外部構成とし、パルスレーザ光の出射タイミングを示す電気信号を距離計測部１００ｃに入力させ、測定面上で一次元走査あるいは二次元走査されたパルスレーザ光を受信部１００ｂが受信するように構成してもよい。

なお、図１０では、実施の形態２で示した水温計測装置１０ａにスキャナ４００を適用する例を示したが、実施の形態１で示した水温計測装置１０にスキャナ４００を適用することも可能である。

上記以外にも、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１０，１０ａ，１０ｂ水温計測装置、１００レーザ距離計測部、１００ａ送信部、１００ｂ受信部、１００ｃ距離計測部、１０１第１のパルスレーザ光源、１０２第２のパルスレーザ光源、１０３第１の送信レンズ、１０４第２の送信レンズ、１０５送信側ミラー、１０６送信側ダイクロイックミラー、１０７第１の送信側集光レンズ、１０８第２の送信側集光レンズ、１０９第１のモニタ用受光器、１１０第２のモニタ用受光器、１１１受信レンズ、１１２受信側ダイクロイックミラー、１１３第１の受信側集光レンズ、１１４第２の受信側集光レンズ、１１５第１の受光器、１１６第２の受光器、１１７第１のアンプ、１１８第２のアンプ、１１９第１の距離計測回路、１２０第２の距離計測回路、２００温度導出部、２０１屈折率比算出部、２０２温度算出部、３００位置算出部、３０１温度比較部、３０２位置特定部、４００スキャナ。

Claims

水温を計測する水温計測装置において、
水中に照射された２波長のレーザ光が測定地点で反射されて得られる反射光を受信し、受信した２波長の反射光の光路長を示す距離値を算出する距離計測部と、
前記距離計測部が算出した２波長の反射光の距離値の比から、前記レーザ光の光路の水温を算出する温度導出部とを備えたことを特徴とする水温測定装置。
前記温度導出部は、
前記距離計測部が算出した２波長の反射光の距離値の比から、前記２波長の反射光の屈折率比を算出する屈折率比算出部と、
前記屈折率比算出部が算出した屈折率比と水温との関係に基づいて、前記レーザ光の光路の水温を算出する温度算出部とを備えたことを特徴とする請求項１記載の水温測定装置。
前記温度導出部が算出した前記水温が温度閾値を超えた場合に、前記距離計測部が算出した２波長の反射光の距離値と、前記温度導出部が算出した前記温度における前記２波長のレーザ光の屈折率とから、前記温度閾値を超えた水温を示す前記測定地点の位置を特定する位置算出部を備えたことを特徴とする請求項１または請求項２記載の水温測定装置。
前記位置算出部は、前記温度導出部が算出した前記水温が前記温度閾値を超えた場合に、当該温度閾値を超えた旨を報知する報知信号と、前記温度閾値を超えた水温を示す前記測定地点の位置を示す位置情報とを出力することを特徴とする請求項３記載の水温測定装置。
前記距離計測部は、前記水温計測装置が前記測定地点を含んで設定された測定平面上の一方向に移動し、且つ前記照射された２波長のレーザ光が前記水温計測装置の移動方向に対して前記測定平面上で直交する方向に一次元走査されて得られる前記反射光を受信し、受信した２波長の反射光の光路長を示す距離値を算出し、
前記温度算出部は、前記測定平面上に前記算出された水温を示した三次元画像を生成することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の水温測定装置。
前記距離計測部は、前記照射された２波長のレーザ光が前記測定地点を含んで設定された測定平面上を二次元走査されて反射して得られる前記反射光を受信し、受信した２波長の反射光の光路長を示す距離値を算出し、
前記温度導出部は、前記測定平面上に前記算出された水温を示した三次元画像を生成することを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の水温測定装置。
水温を計測する水温計測方法において、
距離計測部が、水中に照射された２波長のレーザ光が測定地点で反射されて得られる反射光を受信し、受信した２波長の反射光の光路長を示す距離値を算出するステップと、
温度導出部が、前記２波長の反射光の距離値の比から、前記レーザ光の光路の水温を算出するステップとを備えたことを特徴とする水温測定方法。