JP2009103479A - 水質モニタ方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 本発明の水質モニタ方法は、水中に近紫外パルスレーザー光を照射し(S1)、近紫外パルスレーザー光で励起された、水分子から発せられる水ラマン散乱光と、水中の被モニタ物質から発せられる蛍光とを集光し(S2)、集光した光を水ラマン散乱成分と蛍光成分とに分けて各々の強度を算出し(S3)、蛍光成分強度の水ラマン散乱成分強度に対する比を算出し(S4)、算出した比を被モニタ物質の濃度に換算して表示する(S5)。船舶の揺れや海面の波浪によりレーザーの入射角度が変わってレーザー強度が変わっても、蛍光成分強度の水ラマン散乱成分強度に対する比は変わらないので、被モニタ物質の濃度をより正確に求めることができる。
【選択図】 図1
Description
この方法では、観測を行う度に停泊してセンサを海水中に下ろす作業を行わねばならず、広範囲を連続的に観測するには時間を要する。
さらに、 前記被モニタ物質濃度の一次元分布を所定の平面内で求めて表示すれば、広い海域内での被モニタ物質の深さ方向の濃度分布を比較的簡単に得ることができる。
クロロフィルαは、全ての植物プランクトン中に比較的多く存在するもので、海洋学や水産学における海水環境の指標として、広く使用されている。このクロロフィルαは、近紫外レーザー光で励起されると、波長440nmの青色の蛍光を発する。波長が440nm付近の青色の蛍光は、海水中での透過率が比較的高いので、より深い深度からも受光できる。
さらに、 前記移動体をさせることにより、所定海域内の被モニタ物質の濃度を、平面内での水深方向の分布(三次元分布)として表示することが好ましい。
最初に、本発明の水質モニタ方法を簡単に説明する。
図1は、本発明の実施の形態に係る水質モニタ方法の手順を示す図である。
まず、S1で、海水励起用のパルスレーザー光として、近紫外パルスレーザー光(波長355nm)を海水中に照射する。前述の非特許文献2によれば、近紫外レーザー光は、海水中での減衰が比較的小さいので、より深い深度まで照射することができる。海水中に照射された近紫外パルスレーザー光の一部は、水分子を励起し、水ラマン散乱光(波長404nm)を発光させるとともに、海水中のクロロフィルや有色溶解有機物(CDOM:Colored Dissolved Organic Matter)を励起し、蛍光(波長440nm、青色)を発光させる。この現象を以下に説明する。
ここでは、分光蛍光光度計(F−2500、日立製作所製)を使用して、屋外水槽に溜めた水、クロロフィルα試料(クロロフィルα濃度1.8mg/リットル)、五ヶ所湾の表層水、相模湾の表層水、蒸留水を、波長355nmの近紫外光で励起したときの発光スペクトルを計測した。
次に、S2で、パルスレーザー光の進行方向と逆方向に進行する水ラマン散乱光と蛍光の強度を同時に観測する。前述の非特許文献2によれば、水ラマン散乱光や蛍光も、海水中での強度の減衰が比較的小さいとしている。
なお、水ラマン散乱光は、近紫外波長の方が多く発せられるので(G.W.Faris and R.A.Copeland, Applied Optics 36(1987)p.2686−2688参照)、近紫外レーザーを用いると水ラマン散乱光を観測しやすいという利点がある。
図3は、本発明の実施の形態に係る水質モニタ装置のブロック図である。
図4は、図3の水質モニタ装置の測定原理を説明する図である。
この水質モニタ装置1は、図3に示すように、主に、近紫外パルスレーザー光照射手段10、散乱光及び蛍光受光手段20、遅延パルスジェネレータ30、オシロスコープ40、PC(信号処理部)50などから主に構成されている。近紫外パルスレーザー光照射手段10と散乱光及び蛍光受光手段20はユニット化されて、船舶の右舷船首2に搭載されている。
水槽(深さ35m)に水道水と同程度の清水である井戸水(淡水)を溜め、深さ5、10、20m、30mの深さ位置にそれぞれ緑茶を散布した。緑茶にはクロロフィルが含まれており、植物プランクトンの豊富な海水と同様の蛍光スペクトルを示す。そして、水面から高さ4mの位置に、図3の水質モニタ装置を設置して観測を行った。光電子倍増管のゲートタイミングとゲインについては、ターゲットの深さに合わせてそれぞれ調整した。
このグラフを参照すると、水深が10mの場合、図の◇で示すように、往復時間が230ns付近で蛍光のピークが観測されたが、図の◆で示される水ラマン散乱のピークは観測されなかった。また、水深が20mの場合も、図の□で示すように、往復時間が320ns付近で蛍光のピークが観測されたが、図の■で示される水ラマン散乱のピークは観測されなかった。さらに、水深が30mの場合も、図の○で示すように、往復時間が410ns付近で蛍光のピークが観測されたが、図の●で示される水ラマン散乱のピークは観測されなかった。
この図に示すように、蛍光強度ピーク値のレーザーパルス往復時間と深さとは比例関係にあり、本発明の水質モニタ装置1は水深方向の距離分解能があることがわかった。
図7は、水質モニタ例を示す図である。
この図は、水質モニタ装置1を搭載したヘリコプターを相模湾から浦賀水道を通って東京湾にかけて飛行させ、前述の方法で海面付近のクロロフィル蛍光強度の水ラマン散乱光強度に対する比を求め、同比を色で表したものである。比の値が高い(クロロフィル濃度が高い)ほど黄色に表され、比の値が低い(クロロフィル濃度が低い)ほど青色に表される。図に示されるように、相模湾から三浦半島の沖合い付近までは、青から緑色に表されており、クロロフィル濃度が低いことがわかる。そして、浦賀水道から東京湾に進むに従い、黄緑色から黄色に表されており、徐々にクロロフィル濃度が高くなっていることがわかる。
10 近紫外パルスレーザー光照射手段
11 レーザー発振装置 12 レーザー電源
20 散乱光及び蛍光受光手段 21 反射望遠鏡
22 ハーフミラー 23、24 光学フィルタ
25、26 光センサ
30 遅延パルスジェネレータ 40 オシロスコープ
50 信号処理部
Claims (9)
- 水中に近紫外パルスレーザー光を照射し、
照射された近紫外パルスレーザー光で励起された、水分子から発せられる水ラマン散乱光と、水中の被モニタ物質から発せられる蛍光とを集光し、
集光した光を水ラマン散乱成分と蛍光成分とに分けて各々の強度を算出し、
蛍光成分強度の水ラマン散乱成分強度に対する比を算出し、
算出した比を被モニタ物質の濃度に換算して表示することを特徴とする水質モニタ方法。 - 前記換算した被モニタ物質の濃度を水深方向の分布(一次元分布)として表示することを特徴とする請求項1記載の水質モニタ方法。
- 前記被モニタ物質濃度の一次元分布を所定の平面内で求めて表示すること特徴とする請求項1又は2記載の水質モニタ方法。
- 前記被モニタ物質がクロロフィルαであり、前記被モニタ物質から発せられる蛍光が波長が440nm付近の青色の蛍光であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の水質モニタ方法。
- 船舶や航空機などの移動体に搭載可能な水質モニタ装置であって、
近紫外パルスレーザー光を水中に照射するレーザー光照射手段と、
照射された近紫外パルスレーザー光により励起される、水分子から発せられる水ラマン散乱光と、被モニタ物質から発せられる蛍光とを集光する手段と、
集光された光を水ラマン散乱成分と蛍光成分とに分ける手段と、
分けられた水ラマン散乱成分と蛍光成分の各々の強度を求める手段と、
蛍光成分強度の水ラマン散乱成分強度に対する比を算出する手段と、
該強度比算出手段で算出された比を被モニタ物質の濃度に換算する手段と、
該濃度換算手段で換算された濃度を表示する手段と、
を有することを特徴とする水質モニタ装置。 - 前記表示手段は、前記濃度換算手段で換算された濃度を、水深方向の分布(一次元分布)として表示することを特徴とすることを特徴とする請求項5記載の水質モニタ装置。
- 前記移動体をさせることにより、所定海域内の被モニタ物質の濃度を、平面内での水深方向の分布(三次元分布)として表示すること特徴とする請求項5又は6記載の水質モニタ装置。
- 前記集光された光を水ラマン散乱成分と蛍光成分とに分ける手段が、ハーフミラーであることを特徴とする請求項5、6又は7記載の水質モニタ装置。
- 前記被モニタ物質がクロロフィルαであり、前記被モニタ物質から発せられる蛍光が波長440nm付近の青色の蛍光であることを特徴とする請求項5〜8いずれか1項に記載の水質モニタ装置。
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