JPH0621862B2

JPH0621862B2 - 多現象同時測光方式による海洋レーザ観測装置

Info

Publication number: JPH0621862B2
Application number: JP2181796A
Authority: JP
Inventors: 市男浅沼; 敬宗山
Original assignee: KAIYO KAGAKU GIJUTSU CENTER
Current assignee: KAIYO KAGAKU GIJUTSU CENTER
Priority date: 1990-07-10
Filing date: 1990-07-10
Publication date: 1994-03-23
Anticipated expiration: 2009-03-23
Also published as: JPH0469546A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、海洋観測の１つの計測項目である懸濁物濃
度、植物プランクトン濃度を計測するための多現象同時
測光方式による海洋レーザ観測装置に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

従来、海中の懸濁物濃度の計測手法として、次のような
ものがあり、実際に使用されている。

海水を採水の上、フィルターによりろ過し、乾燥後重
量を計量して懸濁物濃度を求める方法。

海水中での連続光の光学的特性から懸濁物濃度を求め
る方法。

また、植物プランクトン濃度の計測手法として次のよう
なものがある。

海水を採水の上、ガラス繊維フィルタによりろ過し、
アセトンを加えてすりつぶし、色素を抽出して複数波長
での吸光度を計測し、植物プランクトン濃度を求める方
法。

海水中での連続光の光学的特性から植物プランクトン
濃度を求める方法。

しかし、これらの方法は、海水を採水するか、計測装置
を海水中に設置する必要があるなどの問題があるため、
従来、レーザ光源を用いた非接触式の懸濁物濃度及び植
物プランクトン濃度計測技術の開発が行われてきた。

このようなレーザ光源を用いた計測装置は、海面に向け
て垂直にレーザパルスを照射し、海面からの強度の強い
反射光をフィルタでカットするか、あるいは海面に斜め
にレーザ光を照射して海面からの強度の強い反射光が受
光されないようにし、海水中の懸濁物の散乱光や植物プ
ランクトンからの蛍光のみをフォトマルチプライヤで検
出するものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

ところで、レーザ光の海面における反射光強度は波の状
態で大きく変化し、その結果海中への入射光強度も大き
く変化することになる。しかし、これまで開発されてき
たレーザ光源を用いた海洋レーザ観測装置は、光電変換
を行う受光素子の高速のゲート操作ができなかったた
め、海面からの強度の強い反射光とそれに続く海水中か
らの懸濁物による散乱光、或いは植物プランクトンによ
る蛍光の個々の強度を同時に計測することが困難であっ
た。そのため、海面における強度の強い反射光は検出せ
ずに、海水中からの散乱光、或いは蛍光のみを測定して
おり、その結果レーザ光の海水中への正確な入射光強度
が求められないため、海水中の懸濁物による散乱光の強
度あるいは植物プランクトンから発生する蛍光の強度
は、懸濁物濃度、或いは植物プランクトン濃度に対して
相対的な値を示すのみであり、絶対量を推定することは
困難であった。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の多現象同時測光方式による海洋レーザ観測装置
は、パルスレーザ光を海面に向かって照射するレーザ光
照射手段と、海面及び海水中からの光を受光して分割す
る光学系と、分割光より海面からの反射光、海水中から
の散乱光及び蛍光をそれぞれ透過させるフィルタと、フ
ィルタ透過光が入力されるゲート動作可能なマイクロ・
チャンネル・プレート内蔵の光電子増倍管とを備え、光
電子増倍管のゲートタイミングを順次ずらすとともにゲ
インを変えて海面からの反射光、海水中からの散乱光及
び蛍光を同時測光するようにしたことを特徴とする。

〔作用〕

本発明は、ナノ秒単位の超短時間のパルス幅をもつレー
ザ光源、ナノ秒単位のゲート機能をもつマイクロチャネ
ルプレート内蔵の光電子増倍管を使用し、光電子増倍管
のゲートタイミング及びゲインを順次変えてそれぞれの
深度に応じた時間での光電変換を行うことにより、海面
からの反射光、海水深度に対応した散乱光及び蛍光をそ
れぞれ個別に同時計測することができ、海面反射光を測
光できるため海水中への入射光強度が求まり、海水中の
懸濁物濃度、植物プランクトン濃度の絶対量を測定する
ことが可能となる。

〔実施例〕

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

第１図は本発明の多現象同時測光方式による海洋レーザ
観測装置の構成を示す図である。図中、１はレーザ光
源、２はレーザ電源・レーザ制御装置、３はビームエキ
スパンダ、４、５、６は反射用ミラー、７は受光望遠
鏡、８は海面、９はレーザ反射光、１０は海水中の懸濁
物、１１は散乱光、１２は海水中の植物プランクトン、
１３は蛍光、１４は視野絞り、１５はコリメートレン
ズ、１６はビームスプリッタ、１７、１８、２３、２４
はスプリット光、１９、２５、２８は金属干渉フィル
タ、２０、２６、２９はコリメートレンズ、２１、２
７、３０はゲート付きマイクロ・チャンネル・プレート
内蔵の光電子増倍管、２２はビームスプリッタ、３２、
３３はパルスジェネレータ、３６、３７、３８は高圧電
源、４５はオシロスコープ、４６は信号処理装置であ
る。

レーザ光源１はネオディウム・ヤグ・レーザ光発振装置
からなり、レーザ電源・レーザ制御装置２からの電源供
給及びコントロールにより６〜７nsecのパルスレーザ光
を発振する。ネオディウム・ヤグ・レーザ光発振装置
は、1064nmの基本波から532nm の光を発生させるための
第２高調波発生装置が組み込まれている。この532nm の
光は海水中の透過率が良く、また植物プランクトンに作
用して685nm の蛍光を発光させることができる。

レーザ光源１から発射されたレーザ光は、ビームエキス
パンダ３により拡がり角を調整し、ミラー４、５、６に
より光路が変更され、受光望遠鏡７の光軸と同一の光軸
から海面８に対して垂直に照射する。海面８からはレー
ザ反射光９が発生し、海水中の懸濁物１０により散乱光
１１が発生し、海水中の植物プランクトン１２から蛍光
１３が発生し、それぞれ受光望遠鏡７により集光され
る。

受光望遠鏡７により集光された光は、視野絞り１４を通
して、コリメートレンズ１５により平行化され、ビーム
スプリッタ１６により７０％の光１７と３０％の光１８
に分割される。分割による光量の割合は、蛍光のように
検出すべき光が弱い方を大きく、反射光、散乱光のよう
に検出すべき光が強い方を小さくして有効に検出ができ
るようにしており、光量の各割合は固定的なものでな
く、検出すべき光の強度に応じて適宜設定すればよい。
７０％の光１７は、蛍光計測のための685nm の光を透過
する金属干渉フィルタ１９を通して、コリメートレンズ
２０により集光され、後述するゲート付マイクロ・チャ
ンネル・プレート内蔵の光電子増倍管２１により深度方
向の蛍光強度として計測される。

一方、３０％の光１８は、ビームスプリッタ２２により
７０％（全光量の２１％）の光２３と３０％（全光量の
９％）と光２４に分割される。この分割も前述と同様に
強度の強い反射光を検出する側を弱くするように選ぶ。
光２３は、散乱光計測のための532nm の光を透過する金
属干渉フィルタ２５を通して、コリメートレンズ２６に
より集光され、ゲート付きマイクロ・チャネル・プレー
ト内蔵の光電子増倍管２７により深度方向の散乱光強度
として計測される。

また、光２４は、散乱光計測と同様に532nm の光を透過
する金属干渉フィルタ２８を通してコリメートレンズ２
９により集光され、ゲート付きマイクロ・チャネル・プ
レート内蔵の光電子増倍管３０により海面からの反射光
強度として計測される。

なお、海面からの反射光は全体の光量の９％、散乱光は
全体の光量の２１％、蛍光は全体の光量の７０％に分割
した光を基にして測光しているので、各測定値はそのま
までは実際の値を示さないので、全光量を受光した場合
の値に比例計算で戻す必要があり、後述する信号処理装
置４６で演算されることになる。

深度方向の蛍光強度計測のための光電子増倍管２１のゲ
ート、深度方向の散乱光強度計測のための光電子増倍管
２７のゲート、および海面からの反射光強度計測のため
の光電子増倍管３０のゲートには、それぞれレーザ電源
・レーザ制御装置２から発生されるトリガ信号から遅延
機能を持つパルスジェネレータ３２、３３を介して作成
されるゲート信号が入力される。遅延機能付きパルスジ
ェネレータ３２は、海面光を検出するタイミングに設定
され、遅延機能付きパルスジェネレータ３３は、深度方
向にタイミングをずらしながら散乱光および蛍光を計測
するためのゲート設定を行う。また、深度方向の計測を
行うための光電子増倍管２１、２７は、蛍光あるいは散
乱光の強度に合わせて、高圧電源３６および３７による
印加電圧を変化させてゲイン調整する。海面からの反射
光測定のための光電子増倍管３０にも高圧電源３８によ
り適切な印加電圧を与える。

光電子増倍管２１、２７、３０からの出力信号は、ディ
ジタイジング・オシロスコープ４５によりディジタル化
されて表示され、また信号処理装置４６でデータ処理、
記憶等が行われ、例えば海面からの反射光強度から海水
中へのレーザ透過光量を演算して求め、これを基にして
別個に求めた経験式を用い、後述するように懸濁物量お
よび植物プランクトン量を求める。

次に、第２図〜第４図を参照して動作を説明する。

第２図は第１図における光電子増倍管の概略構成を示す
図である。図中、５１は光電面、５２は陰極、５３は収
束電極、５４はマイクロ・チャンネル・プレート、５５
は陽極である。

光電面５１には陽極５５（０Ｖ）に対して数ＫＶの負電
圧が印加されており、光電面５１に光が入射すると、入
射光強度に応じた電子が光電面から放出される。放出さ
れた電子は陰極５２により引き出され、さらに陰極５２
に対して負電圧が印加された収束電極により収束され、
マイクロ・チャンネル・プレート５４で増倍されて陽極
５５より電流として取り出される。こうして陽極から取
り出される電流値を測定することにより入射光強度を知
ることができる。そして、陰極５２を０Ｖとすることに
より、光が入射しても光電面から放出された電子はすべ
て陰極に流れてマイクロ・チャンネル・プレートに到達
できないので電流は取り出されず、ＯＦＦする。すなわ
ち、陰極５２はゲート電極として機能することになる。
したがって、第１図の遅延機能付きパルスジェネレータ
３２、３３からのゲート信号により電極５２を接地した
り、電源Ｖ１に接続すれば光電子増倍管をＯＮ、ＯＦＦ
制御することができる。そして、マイクロ・チャンネ
ル、プレート５４は立ち上がり時間が０．３nsec、走行
時間が０．２nsecと非常に高速であるので、ゲートのＯ
Ｎ、ＯＦＦに対してナノ秒オーダーで追随することが可
能である。

次に、マイクロ・チャンネル・プレート付き光電子増倍
管のゲート制御による深度方向の測定について説明す
る。

第３図は横軸に海面を基準にした深度に対するゲートタ
イミングを説明するための図である。

レーザ発振装置から海面に対して垂直にパルスレーザ光
を照射し、パルス光が順次海面から海水中へ伝播してい
く場合に、第３図の波形Ｇ１のようにマイクロ・チャン
ネル・プレートのゲートを制御すると第１図に示した各
光電子増倍管からは海面からの反射光、及び海水中から
の深度方向の散乱光、蛍光が受光時間差を基にして順次
測光できる。したがって、陽極からの検出電流を所定時
間差をつけてサンプリングすることにより、時間差を空
中と海水中の光速度で距離に変換することにより深さ方
向の情報を得ることが可能である。しかし、海面直下か
らの散乱光や蛍光と、海中深いところからの散乱光や蛍
光とを一回の送信パルスにより測定しようとすると、浅
い所と深い所では検出光強度が違いすぎ、ダイナミック
レンジが広くなりすぎてしまい、例えば浅い所に合わせ
てゲインをセットした場合には深い所の検出値の精度が
極端に悪くなってしまい、一方、深い所にゲインをセッ
トした場合には浅い所の検出値が飽和してしまう。そこ
で、所定の深度毎に検出できるようにゲートＯＮのタイ
ミングをＧ２、Ｇ３…のようにずらせていき、深度が深
くなるにつれてマイクロ・チャンネル・プレートのゲイ
ンを順次上げていくようにすれば各深度に対して精度の
良い測定が可能となる。

第４図はこのようにして測定した結果を説明するための
図であり、横軸は深度を表している。

第４図(a)は送信レーザパルスが海面、海中と順次進行
していく様子を示しており、斜線で示した部分が海中に
入射した部分である。実際にはパルス光の進行につれて
減衰するが、図では便宜上簡略化して同じ強度で表示し
ている。そして、パルス幅を、例えば７nsecとすると、
海水中での光速は０．２３ｍ／nsecであるので、７×
０．２３nsec＝１．６１ｍに相当することになる。

第４図(b)は５３２ｎｍの散乱光強度の深度方向の分布
を、第４図(c)は６８５ｎｍの蛍光強度の深度方向の分
布をそれぞれ示している。なお、反射光は１つのピーク
のみであるので図示は省略する。

パルスＡは大部分まだ海面に届いていないが、その先端
部分は海水中にあるので、この部分による散乱光、蛍光
がそれぞれＳ１、Ｆ１として検出されている。そして、
進行するパルスの海水中の部分が大きくなるにつれて散
乱光強度、蛍光強度も徐々に大きくなる。散乱光のピー
クＳ２はパルスＢの時刻において海面から反射されたも
のと、パルスの海中部分の散乱光の和であり、反射光成
分が含まれてしまうので散乱光成分とみることはできな
い。蛍光Ｆ２はパルスＢの時刻におけるパルスＢの海中
部分からの蛍光である。Ｓ３はパルスＣの時刻における
海中部分の散乱光であり、パルスＣの時刻以前の信号は
海面反射光および海中部分の散乱光から構成され、パル
スＣの時刻以降の信号は海中部分の散乱光のみから構成
ささる。また、Ｆ３はパルスＣの時刻における海中部分
からの蛍光であり、植物プランクトンが０〜１０ｍ程度
の間に均一に分布しているとすれば最初にパルス全部が
海中部分となったときに最大の蛍光が得られる。

第４図(b)のように散乱光強度が求められると、その傾
きから消散係数Ｋが、により求められる。ただし、ｚ−ｚ′は単位距離であ
り、Izは深度ｚにおける散乱光強度である。そして、懸
濁物濃度をＳとすれば、Ｓ＝ｆ（Ｋ）として消散係数の関数で求められる。この関数形は経験
的に求められるものである。また、海中へのレーザ光の
入射強度により蛍光強度を正規化し、例えば、次式によ
り植物プランクトン中の色素クロロフィルａ濃度を求め
ることができる。

ｎ′＝n・exp[ln(Fz′)−ln(Fz)+Kz+g(Kz)] ただしｎはクロロフィルａ濃度（ｍｇ／ｍ^３）、Ｆｚは
深度ｚにおける蛍光強度、Ｋｚは深度ｚにおける消散係
数、g(Kz)は５３２ｎｍの消散係数から６８５ｎｍの消
散係数を求めるための関数である。

このように、散乱光、蛍光とともに海面反射光量も同時
に測定し、海水中への入射光量が正確に分かるので、深
度方向における散乱光強度と蛍光強度の分布が求めるこ
とにより、懸濁物濃度、植物プランクトン濃度の絶対測
定を行うことが可能となる。

〔発明の効果〕

以上のように本発明によれば、海面反射光を計測して海
水中への入射光強度を求めることができるので、海面状
態の影響を受けずに海水中からの散乱光強度、蛍光強度
を正確に測定することができ、懸濁物濃度、植物プラン
クトン濃度の絶対測定をすることが可能となる。また、
ゲート時間をセットした一回の測定は１００〜２００ｎ
ｓｅｃ程度で終了するので、海面の形状変動の現れない
時間内で計測することが可能であり、精度の良い測定を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の多現象同時測光方式による海洋レーザ
観測装置の構成を示す図、第２図は第１図における光電
子増倍管の概略構成を示す図、第３図はゲートタイミン
グを説明するための図、第４図は深度方向における検出
散乱光強度分布、蛍光強度分布を説明するための図であ
る。１……レーザ光源、２……レーザ電源・レーザ制御装
置、７……受光望遠鏡、８は海面、９……レーザ反射
光、１０……海水中の懸濁物、１１……散乱光、１２…
…海水中の植物プランクトン、１３……蛍光、２１、２
７、３０……ゲート付きマイクロ・チャンネル・プレー
ト内蔵の光電子増倍管、４５……オシロスコープ、４６
……信号処理装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】パルスレーザ光を海面に向かって照射する
レーザ光照射手段と、海面及び海水中からの光を受光し
て所定割合で分割する光学系と、分割光より海面からの
反射光、海水中からの散乱光及び蛍光をそれぞれ透過さ
せるフィルタと、フィルタ透過光が入力されるゲート動
作可能なマイクロ・チャンネル・プレート内蔵の光電子
増倍管とを備え、光電子増倍管のゲートタイミングを順
次ずらすとともにゲインを変えて海面からの反射光、海
水中からの散乱光及び蛍光を同時測光するようにしたこ
とを特徴とする多現象同時測光方式による海洋レーザ観
測装置。
【請求項２】前記光学系は、検出すべき光強度に応じた
割合で分割することを特徴とする請求項１記載の海洋レ
ーザ観測装置。
【請求項３】前記パルスレーザ光は、ナノ秒単位の超短
パルスレーザ光である請求項１記載の海洋レーザ観測装
置。
【請求項４】前記マイクロ・チャンネル・プレートは、
ナノ秒単位のゲート動作が可能である請求項１記載の海
洋レーザ観測装置。