JPH06103255B2 - 環境測定方法及び環境測定装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、大気の流れや汚染状態、水の汚染状態を測定
する環境測定方法及び環境測定装置に関する。

〔従来の技術〕

自然環境の変化は、生物に大きな影響を与え、人間にと
っても例外でない。特に、近年、人類の生産、消費滑動
に伴う各種廃棄物による大気、水の汚染は、大きな問題
となっており、法的規制により廃棄物の環境中への放出
をできるだけ少なくするとともに、大気や水質等を検査
して環境の汚染状態を監視している。

従来、大気の汚染状態を観測する場合、多数の測定点に
測定器を設置して、所定時間ごとにその点における大気
の成分を測定し、各点におけるデータを電話回線などを
利用して収集していた。また、水質を調べる場合、所定
の個所から水を採取して持ち帰り、その水を分析するの
が一般的である。

一方、近年、大気汚染の観測にレーザ光を利用すること
が試みられている。この方法は、いわゆるレーザレーダ
の原理を応用したもので、アルゴン（Ar）レーザのビー
ムを大気中に放射し、大気中のスモッグや霧、さらには
大気自体により散乱されて戻ってきたレーザ光を分析し
て、汚染の状態を調べるものである。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、上記した大気汚染を監視するために、多数の地
点に測定器を設置する方法は、測定点が限られているた
め、広い範囲にわたって満遍なく汚染の程度、汚染区域
を正確に把握することが困難である。また、水質検査の
場合のように、サンプルを採取して持ち帰り分析する方
法は、作業が面倒で時間がかかり、即時性に欠けるばか
りでなく、正確な汚染の状態を把握するのが困難である
欠点を有していた。さらに、レーザレーダを応用した大
気汚染の観測は、汚染の広がり具合等を求めるのが困難
である。

本発明は、前記従来技術の欠点を解消するためになされ
たもので、環境の詳細な汚染状態を知ることができる環
境測定方法を提供することを目的とし、さらにレーザ光
源を移動することなく環境の汚染状態を示すレーザ光に
よる環境のコンピュータ断層像が得られる環境測定装置
を提供することを目的としている。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するために、本発明に係る環境測定方法
は、単一レーザ光源が出射したレーザ光を、被測定領域
の周囲に配置した複数の反射鏡を介して被測定領域の周
囲を周回させるとともに、前記被測定領域周囲の複数箇
所において周回光路から分割し、この分割したレーザ光
を被測定領域に向けて出射することにより被測定領域を
透過させ、各々の透過レーザ光の強度または位相を前記
被測定領域周囲の複数箇所で検出し、これら各検出値に
基づいてコンピュータ断層像再生アルゴリズムによる前
記被測定領域のコンピュータ断層像を求めることを特徴
としている。

また、本発明に係る環境測定装置は、レーザ光を出射す
る単一のレーザ光源と、前記レーザ光源が出射したレー
ザ光を被測定領域の周方向に沿って周回反射すべく反射
方向が設定されるとともに前記被測定領域の周囲に複数
配置された反射鏡と、前記光源から末端の反射鏡に至る
周回レーザ光の光路中に配置される分割手段とレンズ系
を有し分割したレーザ光を前記被測定領域に向けて出射
する偏向装置と、この偏向装置から出射され前記被測定
領域を透過したレーザ光の強度または位相を検出する検
出部と、これら各検出部の検出信号を取り込み、コンピ
ュータ断層像再生アルゴリズムに基づいて、前記被測定
領域のコンピュータ断層像を求めるコンピュータとを有
することを特徴としている。

レーザ光源が出射するレーザ光は、白色レーザ光を用
い、検出部において三原色に分けると操作が簡潔で、三
原色（赤、緑、青）の分光持性の差異による二次元分布
が同時に計測できる利点がある。また、偏向装置は、ビ
ームスプリッタとファンビームを出射するレンズ系とか
らなるものや、回動してレーザ光を走査する反射鏡など
を用いることができる。

〔作用〕

現在、大気中におけるレーザ光の伝播距離は、Arレーザ
を用いた場合、約60〜70kmに達している。従って、例え
ば大気汚染の測定をする場合、被測定領域の大気周辺部
を、単一のレーザ光源から出射したレーザ光を反射鏡を
利用して周回させることができる。そして、周回光路の
途中でレーザ光を分割して大気中にこの分割したレーザ
光を偏向出射させるので、被測定領域の周辺にあたかも
複数の光源を設置したのと同様な作用が得られる。分割
出射されたレーザ光は大気を透過し、やはり測定領域の
周辺に置かれた複数の検出部によってその強度等が計測
される。これにより被測定領域の周辺の異なる複数箇所
からレーザ光を複数箇所に向けて出射させ、やはり周辺
の複数箇所で透過レーザ光を検出ることにより、単純に
１カ所からレーザ光を被測定領域に向けてスキャンさせ
ることに比較して必要な大気断層像情報を確実に得るこ
とが可能となっていることにより、広い地域における汚
染の範囲、程度などの詳細な大気汚染の状態を容易に知
ることができる。

また、本発明の環境測定装置においては、レーザ光源が
出射したレーザ光を、被測定領域の周囲に配設した複数
の偏向装置に入射し、各偏向装置でレーザ光源からのレ
ーザ光を偏向して、被測定領域の周囲に配置した複数の
検出部に向けて出射する。そして、レーザ光源または各
偏向装置のそれぞれが出射したレーザ光の強度を、被測
定領域周囲の複数の検出部で検出して検出データをコン
ピュータに入力すれば、レーザ光源を移動させることな
く広い地域におけるコンピュータ断層像（CT）が得られ
る。特に、物質によって光の吸収波長が異なるため、レ
ーザ光源から白色レーザ光を大気中に出射し、検出部に
おいて赤、緑、青の三原色に分けることにより、各色の
吸収のされかたの相違から、大気中に存在する汚染物質
の種類、濃度を測定することができる。

また、例えば、東京湾や大阪湾の海中にレーザ光を出射
してコンピュータ断層像を求めることにより、海の詳細
な汚染状態を迅速、かつ正確に知ることができる。

〔実施例〕

本発明に係る環境測定方法及び環境測定装置の好ましい
実施例を、添付図面に従って詳説する。

第１図は、本発明に係る環境測定方法及び環境測定装置
の説明図である。

第１図において、例えば大気の汚染状態を観測しようと
する被測定領域10の周囲には、反射鏡12a〜12nが設置し
てある。反射鏡12aには、レーザ光源14から白色レーザ
光の細く絞られた、いわゆるペンシルビーム16が入射す
るようになっている。そして、反射鏡12aは、レーザ光
源14から入射してきたペンシルビーム16を反射鏡12bに
反射し、反射鏡12bは反射鏡12aからのペンシルビーム16
を反射鏡12cに反射し、反射鏡12cは反射鏡12bからのペ
ンシルビーム16を反射鏡12dに反射する。すなわち、ペ
ンシルビーム16は、レーザ光源14から出射されると各反
射鏡によって反射され、被測定領域10の周囲を巡回させ
られる如くして、反射鏡12nに到達するようになってい
る。

レーザ光源14と反射鏡12aとの間、および各反射鏡12a〜
12（ｎ−１）のそれぞれの間のペンシルビーム16の光路
には、偏向装置17a〜17（ｎ−１）が配設してある。各
偏向装置17a〜17（ｎ−１）は、ビームスプリッタ18a〜
18（ｎ−１）とレンズ系20a〜20（ｎ−１）とからな
り、ビームスプリッタ18a〜18（ｎ−１）が、入射して
きたペンシルビーム16の一部を分割して、レンズ系20a
〜20（ｎ−１）に入射するようになっている。そして、
レンズ系20a〜20（ｎ−１）は、ビームスプリッタ18a〜
18（ｎ−１）から入射してきて白色レーザ光のペンシル
ビーム16を扇形ビーム（ファンビーム）22に拡げ、各検
出部24a〜24nに向けて出射し、被測定領域10中にレーザ
光による光路網を形成する。これらレンズ系20a〜20
（ｎ−１）が出射したファンビーム22は、被測定領域10
を透過した後、各反射鏡12a〜12nの近くに設けた検出部
24a〜24nにより検出される。また、反射鏡12nは、入射
してきたペンシルビーム16をレンズ系20nに反射し、レ
ンズ系20nが入射してきたペンシルビームをファンビー
ム22にして、検出部24a〜24nに向けて出射するようにな
っており、反射鏡12nとレンズ系20nとで偏向装置を構成
している。なお、偏向装置、検出部は、後述するコンピ
ュータによる処理の容易さなどを考慮して、同一円周上
に等角度間隔に設置するのが望ましいが、これらの要件
を満たさなくともよい。

各検出部24a〜24n（符号24により代表して示す）には、
第２図に示したようにビームスプリッタ26とミラー28、
30、32とが直列に配置してある。そして、ビームスプリ
ッタ26は、入射したきたファンビーム22の一部を分割
し、白色レーザ光の強度（光度）を検出するフォトセン
サ34に導く。また、ミラー28は、ビームスプリッタ26を
透過した白色レーザ光から赤色のレーザ光を分光し、フ
ォトセンサ36に導く。さらに、ミラー30はミラー28を透
過してきたレーザ光から緑色のレーザ光を分光してフォ
トセンサ38に導き、ミラー32は青色のレーザ光をフォト
センサ40に導く。

各検出部24a〜24nのフォトセンサ34a〜34n、36a〜36n、
38a〜38n、40a〜40nは、増幅器42a〜42nに接続されてお
り（第３図参照）、各フォトセンサの検出信号が増幅器
42a〜42nで増幅されて後、制御部44a〜44nに入力され
る。制御部44a〜44nは、それぞれ電話回線または専用の
通信回線などによりコンピュータ46に接続され、増幅器
42a〜42nが増幅した各フォトセンサの検出信号をコンピ
ュータ46に送る。コンピュータ46には、フロッピディス
クや磁気ディスクなどの記憶装置48、および外部入出力
装置であるプリンタ50、ディスプレイ52、キーボード54
が接続してある。

上記の如く構成した実施例の作用は、次のとおりであ
る。

まず、レーザ光源14から白色レーザ光のペンシルビーム
16を反射鏡12aに向けて出射する。ペンシルビーム16
は、偏向装置17aのビームスプリッタ18aを介して反射鏡
12bに入射し、反射鏡12aにより反射鏡12bに向けて反射
される。そして、反射鏡12bは、偏向装置17bのビームス
プリッタ18bを介して入射してきたペンシルビーム16を
反射鏡12cに反射し、反射鏡12cはビームスプリッタ18c
を介して入射してきたペンシルビーム16を反射鏡12dに
反射する。以下、同様にしてレーザ光源14が出射したペ
ンシルビーム16は、反射鏡12nに到達する。

一方、偏向装置17aのビームスプリッタ18aは、反射鏡12
aに入射するペンシルビーム16を分割し、一部をレンズ
系20aに入射する。レンズ系20aは、入射してきたペンシ
ルビーム16をファンビーム22に拡げ、各検出部24a〜24n
に向けて出射する。このとき、他のレンズ系20b〜20n
は、ファンビーム22を出射しないようにすることが望ま
しい。

レンズ系20aが出射したファンビーム22は、被測定領域1
0を透過した後、各検出部24a〜24nに入射する。各検出
部24a〜24nは、白色レーザ光からなるファンビーム22が
入射してくると、ビームスプリッタ26がファンビーム22
の一部を分割し、フォトセンサ34に入射する。フォトセ
ンサ34は、入射してきた白色レーザ光の光度を電流など
の電気信号に変換し、増幅器42に出力する。増幅器42
は、フォトセンサ34の出力信号を増幅して制御部44に送
る。

また、ビームスプリッタ26を透過したファンビーム22
は、ミラー28により赤色のレーザ光が分光され、フォト
センサ36に入射する。そして、フォトセンサ36は、入射
してきた赤色のレーザ光の光度に対応した電気信号を増
幅器42に出力する。同様にして、フォトセンサ38は、ミ
ラー30によって分光された緑色のレーザ光の光度に対応
した電気信号を増幅器42に出力し、フォトセンサ40は青
色のレーザ光の光度に対応した電気信号を増幅器42に出
力する。

コンピュータ46は、各検出部24a〜24nの制御部44a〜44n
に順次データの送出命令を送り、各フォトセンサが検出
し、増幅器が増幅した検出データを制御部を介して受け
取り、内部メモリに記憶しておく。

反射鏡12aにより反射鏡12bに向けて反射されたペンシル
ビーム16の一部は、偏向装置17bのビームスプリッタ18b
で分割されてレンズ系２レーザｂに導かれ、ファンビー
ム22に拡げられて各検出部24a〜24nに向けて出射され
る。レンズ系20bから出射されたファンビーム22は、レ
ンズ系20aが出射したファンビーム22と同様に被測定領
域10を透過し、各検出部24a〜24nにより検出され、検出
信号が増幅器42a〜42nで増幅された後、制御部44a〜44n
を介してコンピュータ46に送られる。なお、レンズ系20
bがファンビーム22を出射するときは、前記と同様に他
のレンズ系からファンビームが出射しないようにする。

以下、同様にして各検出部24a〜24nは、レンズ系20c〜2
0nが順次出射したファンビーム22の白色、赤色、緑色、
青色の光度を検出し、検出データをコンピュータ46に送
る。コンピュータ46は、これらのデータを内部メモリに
格納し、すべてのデータの収集を終えると、コンピュー
タ断層像の再生アルゴリズムに基づき、内部メモリに格
納してあるデータを用いて、被測定領域10について白
色、赤色、緑色、青色のそれぞれのコンピュータ断層像
を求めてディスプレイ52に表示する。また、コンピュー
タ46は、各フォトセンサの検出信号から大気中の汚染物
質の種類、濃度を求める。そして、コンピュータ46は、
キーボード54から入力された命令に基づき、内部メモリ
に記憶してあるデータや求めたコンピュータ断層像、汚
染物質の種類、濃度をプリンタ50によりプリントアウト
し、記憶装置48に格納する。

このように、実施例の環境測定方法によれば、レーザ光
を用いて被測定領域10に光路網を形成し、被測定領域10
を透過したレーザ光の光度を検出してコンピュータ断層
像を求めることにより、広い被測定領域10における汚染
の範囲、程度などの詳細な大気汚染の状態を容易に、ま
た即座に知ることができる。

しかも、反射鏡を用いてレーザ光源14が出射されたペン
シルビーム16を、被測定領域10の周囲を巡回させる如く
順次反射させるとともに、ペンシルビーム16の一部を偏
向装置のビームスプリッタでレンズ系に導き、ファンビ
ーム22に拡げて各検出部24a〜24nに向けて出射すること
により、コンピュータ断層像を得るのにレーザ光源を多
数設けたり、移動させる必要がなく、コンピュータ断層
像を安価に得ることができるとともに、連続的な観測が
可能であって、大気汚染の時間経緯のデータを得ること
ができる。

また、レーザ光源14から白色レーザ光を出射し、検出部
で三原色に分けることにより、白色レーザ、赤色レー
ザ、緑色レーザ、青色レーザに基づく４枚のコンピュー
タ断層像を一度に得ることができ、汚染物質の吸収波長
の相違に基づく汚染物質の特定、濃度などを得ることが
できる。しかも、汚染物質を特定するために、一々レー
ザ光源の発光色を変える必要がなく、迅速な測定をする
ことができる。そして、レーザ光の使用は、マイクロ波
（電波）を使用するのとことなり、電波法による規制を
受けたり電磁波障害を与えるおそれがなく、レーザ光源
14や検出部を任意の場所に設置することができる。

前記実施例においては、大気汚染の測定について説明し
たが、レーザ光を湖沼や海中などの水中に出射すること
により、大気の場合と同様に水中のコンピュータ断層像
を容易に得ることができ、水質の汚染状態を観測するこ
とができる。しかも、例えば東京湾のような広い範囲で
あっても、湾全体のコンピュータ断層像が容易に得ら
れ、従来の１個所または数個所において採取したサンプ
ルに基づいて、湾の全域を評価する方式に比較して、詳
細かつ正確な水質の測定を容易、迅速に行うことができ
る。

なお、前記実施例においては、ビームスプリッタを用い
てペンシルビーム16をレンズ系に導く場合について説明
したが、ビームスプリッタ18a〜18（ｎ−１）の代わり
にペンシルビーム16の光路に挿脱できる鏡を設け、必要
な鏡だけをペンシルビーム16の光路に挿入して、ペンシ
ルビーム16をレンズ系に導くようにしてもよい。また、
偏向装置17a〜17（ｎ−１）は、反射鏡12a〜12（ｎ−
１）の近くに設けてもよい。そして、前記実施例におい
ては、白色レーザ、赤色レーザ、緑色レーザ、青色レー
ザに基づく４枚のコンピュータ断層像を場合について説
明したが、三原色の任意の二色を組み合わせたコンピュ
ータ断層像を求めてもよい。さらに、前記実施例におい
ては、白色レーザ光を用いた場合について説明したが、
例えばArレーザなどの単色レーザ光を用いてもよい。

第４図は、他の実施例の説明図である。

第４図に示した実施例は、各反射鏡12a〜12nが回動自在
に設けられ、駆動装置60a〜60nにより矢印Ａの如く回動
させられるようになっている。また、本実施例において
は、先の実施例に示したビームスプリッタ18a〜18（ｎ
−１）とレンズ系20a〜20（ｎ−１）からなる偏向装置1
7a〜17（ｎ−１）が省略され、反射鏡12a〜12nが偏向装
置の役割をなしている。そして、本実施例による大気汚
染の観測は、次の如くして行う。

まず、レーザ光源14から白色レーザ光のペンシルビーム
16を、反射鏡12aに向けて出射する。そして、反射鏡12a
の駆動装置60aを作動させ、反射鏡12aを矢印Ａのように
回動し、ペンシルビーム16を偏向して被測定領域10を扇
状に走査し、検出部24b〜24nに向けて出射する。反射鏡
12aによって走査されたペンシルビーム16は、被測定領
域10を透過して検出部24b〜24nで検出され、前記実施例
と同様に白色、赤色、緑色、青色の各データがコンピュ
ータ46に送られ、コンピュータ46の内部メモリに格納さ
れる。

反射鏡12aによるペンシルビーム16の走査を終了した後
は、レーザ光源14からのペンシルビーム16を反射鏡12a
により反射鏡12bに反射する。そして、反射鏡12aのとき
と同様に、反射鏡12bによりペンシルビーム16を偏向し
て被測定領域10を走査し、検出部24a〜24nが検出したデ
ータをコンピュータ46に格納する。以下、同様にして反
射鏡12c〜12nによりペンシルビーム16を順次走査してデ
ータを得ることにより、前記実施例と同様な効果を得る
ことができる。しかも、本実施例においては、レーザ光
の減衰を防ぐことができる。

第５図は、さらに他の実施例を示したものである。

本実施例は、レーザ光源14自体もペンシルビーム16を走
査できるようになっている。そして、レーザ光源14に近
い反射鏡、例えば反射鏡12a、12nによってペンシルビー
ム16を走査する場合には、レーザ光源14から遠い反射鏡
12iに一度ペンシルビーム16を入射し、反射鏡12iによっ
てペンシルビーム16を反射鏡12a、12nに反射して行う。
なお、レーザ光源14および各反射鏡12a〜12nの部分にお
いて、ファンビームを出射できるようにしてもよいこと
は勿論である。

第６図は、垂直方向のコンピュータ断層像を得るための
実施例を示したものである。

本実施例は、例えばヘリコプタ、飛行船または飛行機62
にレーザ光源を搭載してファンビーム22を出射し、その
ファンビーム22を地上に設置した検出部24a〜24nにより
検出するようにしたものである。このようにして、垂直
方向のコンピュータ断層像を得ることにより、垂直方向
の大気の汚染状態を知ることができる。なお、レーザ光
源を地上に設置し、レーザ光源からペンシルビームを飛
行機62に向けて出射し、飛行機62から地上に向けて反射
する際に、ファンビーム22に拡げるようにしてもよい。
また、駆動装置を使ってペンシルビームを扇状に走査さ
せてもよい。

なお、当然のことながら、前記の手法により水平方向の
スライス断面を多重に計測することにより、垂直方向の
断層像を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上に説明した如く、本発明の環境測定方法によれば、
単一光源からのレーザ光が被測定領域周囲を周回するよ
うに構成し、この周回光路の途中で分割したレーザ光を
被測定領域の多方向から被測定領域中に向けて出射させ
ることができ、さらに被測定領域周辺の複数箇所で透過
レーザ光を検出することができるので、光源の設置箇所
が１カ所でありながら、被測定領域を取り囲む複数の周
辺箇所に設置したのと同様な効果が得られ、しかも被測
定領域への出射箇所が被測定領域の周辺複数箇所に設定
されるので、単純に１カ所から被測定領域をスキャンす
る場合に比較して精度の高い環境のコンピュータ断層像
を得ることにより、環境の汚染範囲、汚染の程度などの
詳細な汚染状態を容易、迅速に知ることができる。

また、本発明の環境測定装置によれば、レーザ光源が出
射したレーザ光を、被測定領域の周囲に配設した複数の
偏向装置で偏向して被測定領域の周囲に配置した複数の
検出部に向けて出射し、各検出部でレーザ光の強度を検
出することにより、レーザ光源を移動させることなくコ
ンピュータ断層像を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る環境測定方法及び環境測定装置の
実施例の説明図、第２図は前記実施例の白色レーザ光を
分光する方法の説明図、第３図は前記実施例のデータ収
集システムの説明図、第４図、第５図は他の実施例の説
明図、第６図は垂直方向の断層像を得る装置の説明図で
ある。 10……被測定領域、12a〜12n……反射鏡、14……レーザ
光源、16……ペンシルビーム、17a〜17（ｎ−１）……
偏向装置、18a〜18（ｎ−１）……ビームスプリッタ、2
0a〜20n……レンズ系、22……ファンビーム、24a〜24n
……検出部、46……コンピュータ。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単一レーザ光源が出射したレーザ光を、被
   測定領域の周囲に配置した複数の反射鏡を介して被測定
   領域の周囲を周回させるとともに、前記被測定領域周囲
   の複数箇所において周回光路から分割し、この分割した
   レーザ光を被測定領域に向けて出射することにより被測
   定領域を透過させ、各々の透過レーザ光の強度または位
   相を前記被測定領域周囲の複数箇所で検出し、これら各
   検出値に基づいてコンピュータ断層像再生アルゴリズム
   による前記被測定領域のコンピュータ断層像を求めるこ
   とを特徴とする環境測定方法。
2. 【請求項２】レーザ光を出射する単一のレーザ光源と、
   前記レーザ光源が出射したレーザ光を被測定領域の周方
   向に沿って周回反射すべく反射方向が設定されるととも
   に前記被測定領域の周囲に複数配置された反射鏡と、前
   記光源から末端の反射鏡に至る周回レーザ光の光路中に
   配置される分割手段とレンズ系を有し分割したレーザ光
   を前記被測定領域に向けて出射する偏向装置と、この偏
   向装置から出射され前記被測定領域を透過したレーザ光
   の強度または位相を検出する検出部と、これら各検出部
   の検出信号を取り込み、コンピュータ断層像再生アルゴ
   リズムに基づいて、前記被測定領域のコンピュータ断層
   像を求めるコンピュータとを有することを特徴とする環
   境測定装置。