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JP6658256B2 - Gas detection system - Google Patents

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JP6658256B2 JP2016085792A JP2016085792A JP6658256B2 JP 6658256 B2 JP6658256 B2 JP 6658256B2 JP 2016085792 A JP2016085792 A JP 2016085792A JP 2016085792 A JP2016085792 A JP 2016085792A JP 6658256 B2 JP6658256 B2 JP 6658256B2
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Description

本発明は、ガス検知システムに関し、特に、ガス濃度の測定値の環境温度による変動を補償できるガス検知システムガス検知方法及びガス検知装置に関する。   The present invention relates to a gas detection system, and more particularly to a gas detection method and a gas detection device that can compensate for fluctuations in measured gas concentration values due to environmental temperature.

近年、石炭や石油と比較して地球温暖化の要因となる二酸化炭素排出量が少ない天然ガスが注目され、各国の天然ガス消費量が増加している。これに伴い、天然ガスの配送網におけるガスの漏洩を検知するための、ガス検知システムの重要性が高まっている。   In recent years, natural gas, which emits less carbon dioxide as a factor of global warming than coal and oil, has attracted attention, and natural gas consumption in each country has been increasing. Accordingly, the importance of a gas detection system for detecting gas leakage in a distribution network of natural gas has been increasing.

天然ガスの主成分はメタン分子(CH)である。メタン分子(以下、単に「メタン」と記載する。)の検出に、半導体センサが使用される場合がある。半導体センサは、金属酸化物半導体が検出対象のガスと接触したときに生じる抵抗値の変化をガス濃度として検知する。しかし、半導体センサを用いる際にはセンサの電極を加熱する必要があるため、センサを防爆構造とする必要がある。また、半導体センサの寿命は一般的に数か月程度であるため、センサの校正や交換といった保守作業も必要である。その結果、半導体センサを用いたガス検知システムには、システムの構築コストが高いことに加えて運用コストが高いという課題がある。 Main component of natural gas is methane molecule (CH 4). Semiconductor sensors may be used for detecting methane molecules (hereinafter simply referred to as “methane”). The semiconductor sensor detects a change in resistance value generated when the metal oxide semiconductor comes into contact with the gas to be detected as a gas concentration. However, when a semiconductor sensor is used, it is necessary to heat the electrodes of the sensor, so that the sensor needs to have an explosion-proof structure. In addition, since the life of a semiconductor sensor is generally about several months, maintenance work such as calibration and replacement of the sensor is required. As a result, the gas detection system using the semiconductor sensor has a problem that the operation cost is high in addition to the high system construction cost.

半導体センサを用いる方式の代替として、ガスの光吸収を利用するガス検知装置が知られている。特許文献1及び2には、多箇所のガス濃度測定が可能なガス検知装置が記載されている。また、非特許文献1には、メタン分子の赤外吸収を利用する光ファイバ式ガス検知システムが記載されている。   As an alternative to the method using a semiconductor sensor, a gas detection device using light absorption of gas is known. Patent Documents 1 and 2 disclose gas detection devices capable of measuring gas concentrations at multiple locations. Non-Patent Document 1 describes an optical fiber gas detection system that uses infrared absorption of methane molecules.

さらに、本願発明に関連して、さらに、非特許文献2には、光SSB(Single Side Band)変調器に入力される光信号のキャリア周波数を一定の周波数だけシフトさせる、波長変換技術が記載されている。非特許文献3には、ブリュアン(Brillouin)散乱による周波数シフトと温度との関係の実測値が記載されている。   Further, in connection with the present invention, Non-Patent Document 2 describes a wavelength conversion technique for shifting a carrier frequency of an optical signal input to an optical SSB (Single Side Band) modulator by a certain frequency. ing. Non-Patent Document 3 describes actually measured values of the relationship between frequency shift due to Brillouin scattering and temperature.

国土幹線や地域幹線などの総延長の長いパイプラインや、プラント内に張り巡らされた導管からの漏洩を監視するためには、電源工事や防爆対応の観点からガスを検知するセンサに電源を要さないことが望ましい。特許文献1、2及び非特許文献1に記載されたガス検知システムは、各所に配置されたセンサの機能を非給電で実現する。   In order to monitor leaks from long-length pipelines, such as national and regional trunk lines, and conduits running through plants, a power supply is required for sensors that detect gas from the viewpoint of power supply construction and explosion-proof measures. It is desirable not to do so. The gas detection systems described in Patent Literatures 1 and 2 and Non-Patent Literature 1 realize functions of sensors arranged in various places without power supply.

特開平6−148071号公報JP-A-6-148071 特開平9−043141号公報JP-A-9-043141

市村他、“光ファイバ式ガス検知システム”、日立電線、No.25、pp.23-28(2006−1)Ichimura et al., “Optical Fiber Gas Detection System”, Hitachi Cable, 25 pp. 23-28 (2006-1) 下津他、「光SSB変調器による広帯域波長変換」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、C−3−73、日本(2000年)Shimotsu et al., "Broadband Wavelength Conversion Using Optical SSB Modulator", IEICE Electronics Society Conference, C-3-73, Japan (2000) 坂入他、“BOTDRとOTDRを用いた歪みと温度を分離する測定システムに関する検討”、電子情報通信学会信学技報、OFT2002−57(2002−11)Sakairi et al., “Study on Measurement System for Separating Strain and Temperature Using BOTDR and OTDR”, IEICE Technical Report, OFT2002-57 (2002-11)

光吸収を利用したガス検知システムには、ガス分子の吸収スペクトルの強度が環境温度により変化するという問題がある。具体的には、センサの周辺温度が10℃異なるとメタン分子の吸収スペクトルのピーク強度は約10%変化する。従って大気中のガス濃度を正確に測定するためには、各センサの周辺温度を測定し、センサ毎に測定値の温度補償を行う必要がある。この際、センサへの非給電というガス検知システムの特長を損なわないためには、各センサの周辺温度の情報も非給電で取得できることが好ましい。   The gas detection system using light absorption has a problem that the intensity of the absorption spectrum of gas molecules changes depending on the environmental temperature. Specifically, if the ambient temperature of the sensor differs by 10 ° C., the peak intensity of the absorption spectrum of methane molecules changes by about 10%. Therefore, in order to accurately measure the gas concentration in the atmosphere, it is necessary to measure the ambient temperature of each sensor and perform temperature compensation of the measured value for each sensor. At this time, it is preferable that information on the ambient temperature of each sensor can also be obtained without power supply so as not to impair the characteristics of the gas detection system that power is not supplied to the sensors.

遠隔地の温度情報を非給電で取得する方法として、光ファイバ温度センサが知られている。光ファイバ温度センサを用いることで、光ファイバ中で発生するブリュアン散乱やラマン(Raman)散乱により発生する後方散乱光の周波数変化や強度変化を測定することによって、光ファイバの各所の応力や温度を測定できる。   An optical fiber temperature sensor is known as a method of acquiring temperature information of a remote place without power supply. By using an optical fiber temperature sensor, the stress and temperature at various points in the optical fiber can be measured by measuring the frequency change and intensity change of the backscattered light generated by Brillouin scattering and Raman scattering generated in the optical fiber. Can be measured.

非特許文献1に記載された技術では、大気中のメタンガスの濃度を測定するために、波長1650nm付近の吸収スペクトルが利用される。ブリュアン散乱の周波数シフト量は約10GHzであるのに対して、ラマン散乱の周波数シフト量は約13THzである。すなわち、ラマン散乱による後方散乱光の波長帯域は一般の通信用光ファイバの伝送可能波長帯域を大きく逸脱する。このため、光ファイバ温度センサにはブリュアン散乱が利用される場合が多い。   In the technique described in Non-Patent Document 1, an absorption spectrum near a wavelength of 1650 nm is used to measure the concentration of methane gas in the atmosphere. The frequency shift of Brillouin scattering is about 10 GHz, whereas the frequency shift of Raman scattering is about 13 THz. That is, the wavelength band of the backscattered light due to the Raman scattering greatly deviates from the transmittable wavelength band of a general communication optical fiber. For this reason, Brillouin scattering is often used for optical fiber temperature sensors.

図11は、ブリュアン散乱を用いたOTDR(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer:BOTDR)により実現された温度測定装置1210のブロック図である。温度測定装置1210は、レーザダイオード等の光源(LDgas)1211、ドライバ(LDD)1216及び光強度変調器(Pulse)1212によってパルス状のプローブ光を発生させる。温度測定装置1210は、プローブ光を、光サーキュレータ1213を介して光ファイバ伝送路1219に送出する。光ファイバ伝送路1219上の各点ではレイリー(Rayleigh)後方散乱光とブリュアン後方散乱光とが発生する。レイリー後方散乱光の波長はプローブ光の波長と同一であり、ブリュアン後方散乱光はブリュアン周波数シフトによりプローブ光から約10GHz離れた波長に現れる。   FIG. 11 is a block diagram of a temperature measuring device 1210 realized by an OTDR (Brillouin Optical Time Domain Reflectometer: BOTDR) using Brillouin scattering. The temperature measuring device 1210 generates a pulsed probe light by a light source (LDgas) 1211 such as a laser diode, a driver (LDD) 1216 and a light intensity modulator (Pulse) 1212. The temperature measuring device 1210 sends the probe light to the optical fiber transmission line 1219 via the optical circulator 1213. At each point on the optical fiber transmission line 1219, Rayleigh backscattered light and Brillouin backscattered light are generated. The wavelength of the Rayleigh backscattered light is the same as the wavelength of the probe light, and the Brillouin backscattered light appears at a wavelength about 10 GHz away from the probe light due to the Brillouin frequency shift.

温度測定装置1210は、光検出器(Photo Detector:PDgas)1214と信号処理部(Sig.Proc.)1215によってブリュアン後方散乱光の周波数シフト量を測定する。そして、周波数シフト量から光ファイバ伝送路1219の各点の温度を求めることができる。周波数シフト量は、ブリュアン後方散乱光と光源1211とのヘテロダイン検波により求められる。なお、光ファイバに加わる応力によってもブリュアン散乱の周波数は変化するが、ブリュアン散乱に影響を与えない程度のたわみを持たせた状態で光ファイバを敷設することで、周波数シフト量から温度情報のみを得ることができる。   The temperature measurement device 1210 measures the frequency shift amount of the Brillouin backscattered light by using a photodetector (PDgas) 1214 and a signal processing unit (Sig. Proc.) 1215. Then, the temperature at each point of the optical fiber transmission line 1219 can be obtained from the frequency shift amount. The frequency shift amount is obtained by heterodyne detection between the Brillouin backscattered light and the light source 1211. The frequency of Brillouin scattering also changes due to the stress applied to the optical fiber, but by laying the optical fiber with a degree of deflection that does not affect Brillouin scattering, only the temperature information can be obtained from the frequency shift amount. Obtainable.

図12は、特許文献1に記載されたガス検知システムと、図11に示したBOTDRを用いた温度測定装置とを組み合わせたガス検知システム901の構成を簡略化して示す図である。ガス検知システム901は、制御装置1220、温度測定装置1230、波長合分波フィルタ(WDM filter)1250及びセンサネットワーク1260を備える。   FIG. 12 is a diagram showing a simplified configuration of a gas detection system 901 obtained by combining the gas detection system described in Patent Document 1 and the temperature measuring device using BOTDR shown in FIG. The gas detection system 901 includes a control device 1220, a temperature measurement device 1230, a wavelength multiplexing / demultiplexing filter (WDM filter) 1250, and a sensor network 1260.

ガス検知システム901では、光源1211の波長が、ガスの吸収波長を含む範囲内で変調される。特許文献1では光源の駆動電流の交流成分を変化させて波長変調を行っている。非特許文献1では光源の駆動電流の直流成分を変化させて波長変調を行っている。このような波長変調により、光源のスペクトルは広がる。   In the gas detection system 901, the wavelength of the light source 1211 is modulated within a range including the absorption wavelength of the gas. In Patent Document 1, wavelength modulation is performed by changing an AC component of a driving current of a light source. In Non-Patent Document 1, wavelength modulation is performed by changing the DC component of the drive current of the light source. Such wavelength modulation broadens the spectrum of the light source.

波長変調された光は、光サーキュレータ1213及び波長合分波フィルタ1250を介して、センサネットワーク1260が接続された光ファイバ伝送路1270に送出される。センサネットワーク1260は複数の光カプラ及びガスセンサを備え、ガスセンサを透過した光信号は折り返されて波長合分波フィルタ1250に戻る。波長合分波フィルタ1250は、光ファイバ伝送路1270から受信された光信号のうち、光源1211と同一の波長帯の光を制御装置1220へ出力する。制御装置1220は、光検出器1217及び信号処理部1218を用いて、光源の波長の吸収量から各センサで検知されたガス濃度を求める。   The wavelength-modulated light is transmitted through an optical circulator 1213 and a wavelength multiplexing / demultiplexing filter 1250 to an optical fiber transmission line 1270 to which a sensor network 1260 is connected. The sensor network 1260 includes a plurality of optical couplers and a gas sensor. The optical signal transmitted through the gas sensor is turned back to the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 1250. The wavelength multiplexing / demultiplexing filter 1250 outputs, to the control device 1220, light of the same wavelength band as the light source 1211 among the optical signals received from the optical fiber transmission line 1270. The control device 1220 uses the photodetector 1217 and the signal processing unit 1218 to obtain the gas concentration detected by each sensor from the absorption amount of the wavelength of the light source.

波長合分波フィルタ1250は、波長シフトしたブリュアン後方散乱光の波長帯の光信号を温度測定装置1230へ出力する。温度測定装置1230は、光検出器1214及び信号処理部1215を用いて、光源の波長のブリュアンシフト量から各センサの近傍で検知された温度を求める。信号処理部1215で求められた温度を用いることで、信号処理部1218で求められたガス濃度の温度特性を補償できる。   The wavelength multiplexing / demultiplexing filter 1250 outputs, to the temperature measuring device 1230, an optical signal in the wavelength band of the Brillouin backscattered light whose wavelength has been shifted. The temperature measuring device 1230 uses the photodetector 1214 and the signal processing unit 1215 to determine the temperature detected near each sensor from the Brillouin shift amount of the wavelength of the light source. By using the temperature obtained by the signal processing unit 1215, the temperature characteristics of the gas concentration obtained by the signal processing unit 1218 can be compensated.

このように、ガス検知システム901は、遠隔地のガス濃度モニタ地点の温度を非給電で測定できるとともに、ガス分子の吸収スペクトルの強度の温度特性を補償できる。しかしながら、ガス検知システム901には、以下の課題がある。   As described above, the gas detection system 901 can measure the temperature of the gas concentration monitoring point in a remote place without power supply, and can compensate the temperature characteristic of the intensity of the absorption spectrum of the gas molecule. However, the gas detection system 901 has the following problems.

ガス検知システム901の課題は、ガス分子の吸収スペクトルを測定する光信号(波長λgas)を温度測定にも使用することにより生じる。図13は、ガス検知システム901の各部の光信号のスペクトルを示す図である。図13の縦軸は光信号の強度を示し、横軸は波長を示す。 The problem of the gas detection system 901 arises by using an optical signal (wavelength λ gas ) for measuring the absorption spectrum of gas molecules also for temperature measurement. FIG. 13 is a diagram illustrating a spectrum of an optical signal of each unit of the gas detection system 901. The vertical axis in FIG. 13 indicates the intensity of the optical signal, and the horizontal axis indicates the wavelength.

送信される光信号の波長は、図13において光信号31及び32に示される。光源1211の波長変調前の波長はλgasであり(光信号31)、光源1211の駆動信号の制御により、制御装置1220の出力ではガスの吸収波長を含むように広げられる(光信号32)。光信号32は、プローブ光としてセンサネットワーク1260へ送出される出力信号である。センサネットワーク1260からの戻り光のうち、光信号32のセンサで折り返された光信号及びレイリー後方散乱光は光信号33に示され、光信号32のブリュアン後方散乱光は光信号34及び35に示される。光信号32のセンサで折り返された光信号は、ガス濃度の検知に用いられる。 The wavelengths of the transmitted optical signals are indicated by optical signals 31 and 32 in FIG. The wavelength of the light source 1211 before the wavelength modulation is λ gas (optical signal 31), and the output of the controller 1220 is expanded to include the absorption wavelength of the gas (optical signal 32) by controlling the drive signal of the light source 1211. The optical signal 32 is an output signal transmitted to the sensor network 1260 as probe light. Of the return light from the sensor network 1260, the optical signal and the Rayleigh backscattered light reflected by the sensor of the optical signal 32 are shown in the optical signal 33, and the Brillouin backscattered light of the optical signal 32 is shown in the optical signals 34 and 35. It is. The optical signal returned by the optical signal sensor 32 is used for detecting the gas concentration.

光信号32のスペクトルは拡げられているため、光信号33の波長とブリュアン後方散乱光(光信号34及び35)の波長とは近接する。従って、光信号33とブリュアン後方散乱光とを分離するためには波長合分波フィルタ1250に高い性能が求められる。また、光信号32のスペクトルがさらに広がっている場合は、レイリー後方散乱光とブリュアン後方散乱光との分離が不可能となる可能性もある。すなわち、ガス検知システム901には、センサネットワーク1260からの戻り光からブリュアン後方散乱光のみを分離して温度情報を精度よく検出することが困難であるという課題がある。   Since the spectrum of the optical signal 32 is broadened, the wavelength of the optical signal 33 is close to the wavelength of the Brillouin backscattered light (optical signals 34 and 35). Therefore, high performance is required for the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 1250 in order to separate the optical signal 33 from the Brillouin backscattered light. Further, when the spectrum of the optical signal 32 is further broadened, it may be impossible to separate the Rayleigh backscattered light and the Brillouin backscattered light. That is, the gas detection system 901 has a problem that it is difficult to accurately detect the temperature information by separating only the Brillouin backscattered light from the return light from the sensor network 1260.

第2の問題点は、上記第1の問題点を回避するためにガス検知システムで使用する光信号(波長λgas)とは別の光信号(波長λth)を用いて温度検知を行う場合に生じる。図14は、この場合のガス検知システム902の構成を簡略化して示す図である。図15は、ガス検知システム902の各部の光信号のスペクトルを示す図である。 The second problem is that the temperature detection is performed using an optical signal (wavelength λth ) different from the optical signal (wavelength λgas ) used in the gas detection system in order to avoid the first problem. Occurs. FIG. 14 is a diagram showing a simplified configuration of the gas detection system 902 in this case. FIG. 15 is a diagram illustrating a spectrum of an optical signal of each unit of the gas detection system 902.

図14に示されるガス検知システム902は、ガス濃度の測定とセンサ周辺の温度測定とで、波長が異なる光源1211(波長λgas)及び光源1241(波長λth)を用いる。図15の(3)に示すように、センサネットワーク1260からのブリュアン後方散乱光44のスペクトルは、光信号41のレイリー後方散乱光である光信号42に対しても、充分に分離されている。従って、波長合分波フィルタ1250はブリュアン後方散乱光44を比較的容易に分離可能であるため、温度測定装置1240は、光信号41のブリュアン後方散乱光44に基づいてセンサネットワーク1260の各部の温度を測定できる。 The gas detection system 902 shown in FIG. 14 uses a light source 1211 (wavelength λ gas ) and a light source 1241 (wavelength λ th ) having different wavelengths for measuring the gas concentration and measuring the temperature around the sensor. As shown in FIG. 15C, the spectrum of the Brillouin backscattered light 44 from the sensor network 1260 is sufficiently separated from the optical signal 42 that is the Rayleigh backscattered light of the optical signal 41. Therefore, since the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 1250 can relatively easily separate the Brillouin backscattered light 44, the temperature measuring device 1240 determines the temperature of each part of the sensor network 1260 based on the Brillouin backscattered light 44 of the optical signal 41. Can be measured.

しかしながら、ガス検知システム902は、光源(1211及び1241)、光源ドライバ(1216及び1246)、光強度変調器(1212及1242)、光サーキュレータ(1213及び1243)が各々2個ずつ必要になる。その結果、ガス検知システム902には、高コストであるという課題がある。   However, the gas detection system 902 requires two light sources (1211 and 1241), two light source drivers (1216 and 1246), two light intensity modulators (1212 and 1242), and two light circulators (1213 and 1243). As a result, the gas detection system 902 has a problem of high cost.

特許文献1及び2に記載された技術のさらなる課題について以下に説明する。特許文献1に記載された多点ガス濃度測定装置は、1本の光ファイバを複数の分岐結合手段で分岐する構成を備える。特許文献1に記載された装置では、複数の測定点からの反射光が受信時に重なり合わないように、パルス状の光信号が用いられる。しかしながら、特許文献1に記載された装置には、測定点間の距離を小さくできないという課題がある。その理由は以下の通りである。特許文献1に記載された装置は、波長変調を行うために光源(レーザ)の駆動電流あるいは温度を変化させる。メタンの吸収スペクトルをカバーするためには波長を5GHz程度変化させる必要がある。そして、レーザの駆動電流を変化させることによってこの波長変化を得るためには数μs(マイクロ秒)の時間を要する。その結果、ガスセルへ送出されるパルス光は数μs以上の幅を持つ。しかし、この幅は光ファイバ上で数kmの伝搬距離に相当するため、特許文献1に記載された装置は、受信時に反射光が重ならないためには測定点の各々の間の距離を数km以上離す必要がある。すなわち、特許文献1に記載された装置では、距離分解能の高い多地点ガス濃度監視システムを実現できない。   Further problems of the technology described in Patent Documents 1 and 2 will be described below. The multipoint gas concentration measurement device described in Patent Literature 1 includes a configuration in which one optical fiber is branched by a plurality of branching coupling units. In the device described in Patent Literature 1, a pulsed optical signal is used so that reflected lights from a plurality of measurement points do not overlap during reception. However, the device described in Patent Document 1 has a problem that the distance between measurement points cannot be reduced. The reason is as follows. The device described in Patent Literature 1 changes a drive current or a temperature of a light source (laser) to perform wavelength modulation. In order to cover the absorption spectrum of methane, it is necessary to change the wavelength by about 5 GHz. It takes several μs (microseconds) to obtain this wavelength change by changing the drive current of the laser. As a result, the pulse light transmitted to the gas cell has a width of several μs or more. However, since this width corresponds to a propagation distance of several km on the optical fiber, the device described in Patent Document 1 requires a distance of several km between each of the measurement points so that reflected light does not overlap during reception. It is necessary to separate more. That is, the device described in Patent Document 1 cannot realize a multipoint gas concentration monitoring system with high distance resolution.

特許文献1に記載された装置において、光分岐合流手段の間に光ファイバをスプールして配置することで、測定点間の距離を拡大できる。しかしながら、この場合、スプールされた光ファイバによる伝搬ロスによってガス濃度を監視可能な距離が大きく制限される。例えば、メタン分子の吸収スペクトルが存在する1.65μmにおけるシングルモードファイバ(Single Mode Fiber、SMF)の伝搬ロスは約0.4dB/kmである。従って、各測定地点間に1kmのスプール用の光ファイバを配置すると、測定点を25個所持つシステムでは、往復で最大20dBの過剰な損失が発生する。その結果、ガスの検知精度が著しく劣化するとともに、伝搬距離の延伸や測定点の増加が大きく制限される。   In the device described in Patent Literature 1, the distance between the measurement points can be increased by arranging the optical fibers by spooling them between the optical branching and joining means. However, in this case, the distance over which the gas concentration can be monitored is greatly limited by the propagation loss caused by the spooled optical fiber. For example, the propagation loss of a single mode fiber (Single Mode Fiber, SMF) at 1.65 μm where the absorption spectrum of a methane molecule exists is about 0.4 dB / km. Therefore, if a 1 km spool optical fiber is arranged between each measurement point, a system having 25 measurement points causes an excessive loss of up to 20 dB in a round trip. As a result, the gas detection accuracy is significantly degraded, and the extension of the propagation distance and the increase in the number of measurement points are greatly restricted.

特許文献2に記載されたガス検知装置は、スペクトル幅の広い光信号を用いてガスの吸収を測定するために、高出力かつスペクトルの広いパルス光を発生させる光源を必要とする。しかしながら、スペクトルの広いパルス光が光ファイバ中を伝搬すると、波長分散によってパルス幅が広がり、複数の測定点からの戻り光パルスがガス検知装置に戻ってきた際に時間的に重なりガス濃度の測定が行えなくなる。また、特許文献2に記載されたガス検知装置は、ガス分子の吸収を受ける波長成分と受けない波長成分を切り分けるために、受信側に波長選択分離器及びパルス光遅延器を備える。その結果、受信側の光回路も複雑なものとなる。このように、特許文献2に記載されたガス検知装置は、構成が複雑でコストが高いという課題がある。   The gas detection device described in Patent Literature 2 requires a light source that generates high-output and broad-spectrum pulsed light in order to measure gas absorption using an optical signal having a wide spectrum width. However, when pulsed light with a wide spectrum propagates through an optical fiber, the pulse width is widened due to chromatic dispersion, and when the return light pulses from multiple measurement points return to the gas detection device, they overlap temporally, and the gas concentration is measured. Cannot be performed. Further, the gas detection device described in Patent Literature 2 includes a wavelength selective separator and a pulsed optical delay device on the receiving side in order to separate a wavelength component that absorbs gas molecules from a wavelength component that does not. As a result, the optical circuit on the receiving side becomes complicated. Thus, the gas detection device described in Patent Document 2 has a problem that the configuration is complicated and the cost is high.

(発明の目的)
本発明の目的は、1台の光源を用いてガス濃度及び温度の双方を精度よく測定し、ガス濃度測定時の温度依存性を簡単な構成で補償できるガス検知システムを実現することにある。
(Object of the invention)
An object of the present invention is to realize a gas detection system capable of accurately measuring both gas concentration and temperature using a single light source and compensating for temperature dependency during gas concentration measurement with a simple configuration.

本発明のガス検知システムは、パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、第1の光信号及び第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した第1の光信号を第3の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知しガスの検知結果を生成するとともに、第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、第2の電気信号に基づいて算出されたセンサヘッドに対応する温度に基づいて、第1の電気信号から算出したガスの検知結果を補償する受信手段と、
光ファイバ伝送路を分岐するとともに、分岐された光ファイバ伝送路を介して送信手段とセンサヘッドとを接続し、さらに、分岐された光ファイバ伝送路を介してセンサヘッドと受信手段とを接続する分岐手段と、
を備える。
The gas detection system according to the present invention includes a first optical signal that has been subjected to the first modulation in a first time zone with respect to the wavelength of the pulse light, and a second optical zone in which the first modulation has been performed with respect to the wavelength of the pulse light. Transmitting means for generating a second optical signal subjected to the second modulation by an optical wavelength modulation means, and outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line;
A plurality of sensor heads for transmitting the first optical signal in the atmosphere and outputting the first optical signal propagated in the atmosphere as a third optical signal;
A third optical signal is received and converted into a first electrical signal, and a predetermined type of gas contained in the atmosphere is detected for each sensor head based on a temporal change in the amplitude of the first electrical signal. And a fourth optical signal, which is scattered light of the second optical signal, is received and converted into a second electrical signal, and the sensor head calculated based on the second electrical signal is transmitted to the sensor head. Receiving means for compensating a gas detection result calculated from the first electric signal based on the corresponding temperature;
The optical fiber transmission line is branched, the transmitting unit and the sensor head are connected via the branched optical fiber transmission line, and the sensor head and the receiving unit are connected via the branched optical fiber transmission line. Branching means;
Is provided.

本発明のガス検知方法は、パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号を生成し、
パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を生成し、
第1の光信号及び第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力し、
センサヘッドにおいて、第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した第1の光信号を第3の光信号として受光して第1の電気信号に変換し、第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知しガスの検知結果を生成し、
第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、第2の電気信号に基づいて算出されたセンサヘッドに対応する温度に基づいて、第1の電気信号から算出したガスの検知結果を補償する、
ことを特徴とする。
The gas detection method according to the present invention generates a first optical signal that is subjected to a first modulation in a first time zone with respect to a wavelength of a pulse light,
Generating a second optical signal that is subjected to a second modulation in a second time zone with respect to the wavelength of the pulse light;
Outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line;
In the sensor head, the first optical signal is propagated in the atmosphere, the first optical signal propagated in the atmosphere is received as a third optical signal, converted into a first electrical signal, and the first electrical signal is transmitted. A predetermined type of gas contained in the atmosphere is detected for each sensor head based on a temporal change in amplitude of the sensor head, and a detection result of the gas is generated,
A fourth light signal, which is scattered light of the second light signal, is received and converted into a second electric signal, and based on the temperature corresponding to the sensor head calculated based on the second electric signal, Compensating the gas detection result calculated from the electric signal of (1),
It is characterized by the following.

本発明のガス検知装置は、パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、第1の光信号及び第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した第1の光信号を第3の光信号として出力するセンサヘッドから第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知しガスの検知結果を生成するとともに、第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、第2の電気信号に基づいて算出されたセンサヘッドに対応する温度に基づいて、第1の電気信号から算出したガスの検知結果を補償する受信手段と、
を備える。
The gas detection device according to the present invention includes a first optical signal that has been subjected to the first modulation in a first time zone with respect to the wavelength of the pulse light, and a second optical zone with respect to the wavelength of the pulse light. Transmitting means for generating a second optical signal subjected to the second modulation by an optical wavelength modulation means, and outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line;
A first optical signal is propagated in the atmosphere, and the third optical signal is received from a sensor head that outputs the first optical signal propagated in the atmosphere as a third optical signal, and is converted into a first electrical signal. A predetermined type of gas contained in the atmosphere is detected for each sensor head based on a temporal change in the amplitude of the first electric signal to generate a gas detection result, and the scattered light of the second optical signal is generated. Is converted into a second electric signal by receiving the fourth optical signal, and the gas calculated from the first electric signal based on the temperature corresponding to the sensor head calculated based on the second electric signal. Receiving means for compensating the detection result of
Is provided.

本発明のガス検知システム、ガス検知装置及びガス検知方法は、ガス濃度測定を簡単な構成で精度よく低コストに行うことを可能とする。   ADVANTAGE OF THE INVENTION The gas detection system, the gas detection device, and the gas detection method of this invention make it possible to perform gas concentration measurement accurately and at low cost with a simple configuration.

第1の実施形態のガス検知システム1の構成例を表すブロック図である。FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a gas detection system 1 according to a first embodiment. 光波長変調器114の構成例を示すブロック図である。FIG. 3 is a block diagram illustrating a configuration example of an optical wavelength modulator 114. 制御装置110における光信号の生成例を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of generating an optical signal in a control device 110. ガス検知システム1の各部の光信号のスペクトルの例を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a spectrum of an optical signal of each unit of the gas detection system 1. 光検出器116で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。FIG. 4 is a diagram conceptually illustrating a waveform example of an optical signal received by a photodetector 116. 光検出器116で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。FIG. 4 is a diagram conceptually illustrating a waveform example of an optical signal received by a photodetector 116. 温度測定装置210の光検出器211で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。FIG. 3 is a diagram conceptually illustrating a waveform example of an optical signal received by a photodetector 211 of a temperature measuring device 210. 第2の実施形態のガス検知システム2の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram showing an example of composition of gas detection system 2 of a 2nd embodiment. 第3の実施形態のガス検知装置800の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram showing the example of composition of gas sensing device 800 of a 3rd embodiment. ガス検知装置800の動作手順の例を示すフローチャートである。6 is a flowchart illustrating an example of an operation procedure of the gas detection device 800. BOTDRにより実現された温度測定装置1210のブロック図である。It is a block diagram of temperature measuring device 1210 realized by BOTDR. ガス検知システム901の構成を簡略化して示す図である。FIG. 2 is a diagram schematically illustrating a configuration of a gas detection system 901. ガス検知システム901の各部の光信号のスペクトルを示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a spectrum of an optical signal of each unit of the gas detection system 901. ガス検知システム902の構成を簡略化して示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a simplified configuration of a gas detection system 902. ガス検知システム902の各部の光信号のスペクトルを示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating a spectrum of an optical signal of each unit of the gas detection system 902.

(第1の実施形態)
本発明の第1の実施形態について説明する。図1は、本発明の第1の実施形態のガス検知システム1の構成例を表すブロック図である。ガス検知システム1は、制御装置110、温度測定装置210、波長合分波フィルタ220、光ファイバ120−1〜120−n、光カプラ121−1〜121−m、センサヘッド130−1〜130−nを備える。nは2以上の整数、m=n−1である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a block diagram illustrating a configuration example of a gas detection system 1 according to the first embodiment of the present invention. The gas detection system 1 includes a control device 110, a temperature measurement device 210, a wavelength multiplexing / demultiplexing filter 220, optical fibers 120-1 to 120-n, optical couplers 121-1 to 121-m, and sensor heads 130-1 to 130-. n. n is an integer of 2 or more, and m = n-1.

以下では、光ファイバ120−1〜120−nを総称して光ファイバ120と記載する。光カプラ121−1〜121−m、センサヘッド130−1〜130−nも同様に光カプラ121、センサヘッド130と総称する。   Hereinafter, the optical fibers 120-1 to 120-n are collectively referred to as an optical fiber 120. Similarly, the optical couplers 121-1 to 121-m and the sensor heads 130-1 to 130-n are collectively referred to as the optical coupler 121 and the sensor head 130.

制御装置110とセンサヘッド130とは、伝送路である光ファイバ120で接続される。制御装置110は、レーザダイオード(LD)111、レーザダイオードドライバ(LDD)112、光強度変調器(Pulse)113、光波長変調器(λ mod)114を備える。制御装置110は、さらに、光サーキュレータ115、光検出器(Photo Detector、PD)116、信号処理部(Sig.Proc.)117、時間制御部(Time)118を備える。   The control device 110 and the sensor head 130 are connected by an optical fiber 120 that is a transmission path. The control device 110 includes a laser diode (LD) 111, a laser diode driver (LDD) 112, a light intensity modulator (Pulse) 113, and a light wavelength modulator (λ mod) 114. The control device 110 further includes an optical circulator 115, a photodetector (Photo Detector, PD) 116, a signal processing unit (Sig. Proc.) 117, and a time control unit (Time) 118.

温度測定装置210は、光検出器211及び信号処理部212を備える。制御装置110と温度測定装置210とは、波長合分波フィルタ(WDM filter)220を介して光ファイバ120−1と接続される。   The temperature measuring device 210 includes a photodetector 211 and a signal processing unit 212. The control device 110 and the temperature measurement device 210 are connected to the optical fiber 120-1 via a wavelength multiplexing / demultiplexing filter (WDM filter) 220.

光ファイバ120上には、光カプラ121−1〜121−mが直列に配置される。p番目(1≦p≦m−1)の光カプラ121−pの分岐の一方は、センサヘッド130−pに接続される。光カプラ121−pの分岐の他方は、光ファイバ120−q(q=p+1)に接続される。例えば、光カプラ121−1の分岐の一方は、センサヘッド130−1に接続される。光カプラ121−1の分岐の他方は、光ファイバ120−2に接続される。ただし、制御装置110から最も遠方の光カプラ121−mは、センサヘッド130−m及び光ファイバ120−nに接続される。光ファイバ120−nは、センサヘッド130−nに接続される。   On the optical fiber 120, optical couplers 121-1 to 121-m are arranged in series. One of the branches of the p-th (1 ≦ p ≦ m−1) optical coupler 121-p is connected to the sensor head 130-p. The other branch of the optical coupler 121-p is connected to the optical fiber 120-q (q = p + 1). For example, one branch of the optical coupler 121-1 is connected to the sensor head 130-1. The other branch of the optical coupler 121-1 is connected to the optical fiber 120-2. However, the optical coupler 121-m farthest from the control device 110 is connected to the sensor head 130-m and the optical fiber 120-n. The optical fiber 120-n is connected to the sensor head 130-n.

センサヘッド130は、周辺の大気に含まれるメタンの濃度を測定するために用いられるセンサである。センサヘッド130は、レンズ131とミラー132を備える。レンズ131とミラー132とはセンサヘッド130−1〜130−nに共通であるので、図1では単にレンズ131及びミラー132と記載される。レンズ131とミラー132との間は、センサヘッド130の周辺の大気にさらされる。   The sensor head 130 is a sensor used to measure the concentration of methane contained in the surrounding atmosphere. The sensor head 130 includes a lens 131 and a mirror 132. Since the lens 131 and the mirror 132 are common to the sensor heads 130-1 to 130-n, they are simply described as the lens 131 and the mirror 132 in FIG. The space between the lens 131 and the mirror 132 is exposed to the atmosphere around the sensor head 130.

図2は、光波長変調器114の構成例を示すブロック図である。可変オシレータ(OSC)201は、出力周波数が可変である電気信号の発振器である。可変オシレータ201から出力される電気信号は、カプラ(CPL)202で4分岐される。分岐された各々の信号の位相は位相シフタ(PS)203−1〜203−4で調整される。位相シフタ203−1〜203−4から出力された4つの信号は、光SSB(single side band)変調器204の4つのポートにそれぞれ入力される。可変オシレータ201及び位相シフタ203は、制御部(CONT)205により制御される。光SSB変調器204のOPTinには、光強度変調器113からパルス光が入力される。光SSB変調器204は、パルス光を波長変調してOPToutから出力する。OPToutは、光サーキュレータ115に接続される。   FIG. 2 is a block diagram illustrating a configuration example of the optical wavelength modulator 114. The variable oscillator (OSC) 201 is an electric signal oscillator whose output frequency is variable. The electric signal output from the variable oscillator 201 is branched into four by a coupler (CPL) 202. The phase of each branched signal is adjusted by phase shifters (PS) 203-1 to 203-4. The four signals output from the phase shifters 203-1 to 203-4 are input to four ports of an optical SSB (single side band) modulator 204, respectively. The variable oscillator 201 and the phase shifter 203 are controlled by a control unit (CONT) 205. Pulse light is input to the OPTin of the optical SSB modulator 204 from the light intensity modulator 113. The optical SSB modulator 204 wavelength-modulates the pulse light and outputs the modulated light from OPTout. OPTout is connected to optical circulator 115.

(ガス検知システム1の動作)
レーザダイオード111の駆動電流及び温度は、レーザダイオードドライバ112により制御される。レーザダイオード111は、波長1.65μmの連続光を出力する。この波長は、メタンによる吸収が大きい波長として知られている。出力された波長1.65μmの連続光は、光強度変調器113によりパルス変調され、所定の間隔のパルス光となる。パルス光は、光波長変調器114により波長変調される。
(Operation of gas detection system 1)
The drive current and temperature of the laser diode 111 are controlled by the laser diode driver 112. The laser diode 111 outputs continuous light having a wavelength of 1.65 μm. This wavelength is known as a wavelength at which absorption by methane is large. The outputted continuous light having a wavelength of 1.65 μm is pulse-modulated by the light intensity modulator 113 to become pulse light at a predetermined interval. The pulse light is wavelength-modulated by the optical wavelength modulator 114.

光波長変調器114は、パルス光に対して時間帯により異なる波長変調を行う。波長変調によって、ガス濃度測定に用いるための波長変調が施された光信号と、温度測定に用いるための波長変調が施された光信号とが時分割で生成される。それぞれの波長変調の詳細については後述する。   The optical wavelength modulator 114 performs different wavelength modulation on the pulse light depending on the time zone. By the wavelength modulation, an optical signal subjected to wavelength modulation for use in gas concentration measurement and an optical signal subjected to wavelength modulation for use in temperature measurement are generated in a time division manner. Details of each wavelength modulation will be described later.

波長変調されたパルス光は、光サーキュレータ115及び波長合分波フィルタ220を介して光ファイバ120−1へ送出される。光ファイバ120を伝搬する光信号は、光カプラ121を通過するたびに2分岐される。2分岐された光信号の一方はセンサヘッド130に入力され、他方は光ファイバ120によって引き続き伝送される。   The wavelength-modulated pulse light is transmitted to the optical fiber 120-1 via the optical circulator 115 and the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 220. The optical signal propagating through the optical fiber 120 is split into two every time it passes through the optical coupler 121. One of the two branched optical signals is input to the sensor head 130, and the other is continuously transmitted by the optical fiber 120.

n個のセンサヘッド130は、ガスの漏洩の検知が必要とされる場所に分散して設置される。センサヘッド130は、光カプラ121から入力された光信号を光ファイバ端面から放射し、放射された光信号をレンズ131により平行光線に変換する。平行光線はセンサヘッド130が設置された場所の大気中を伝搬し、ミラー132でレンズ131の方向に反射される。レンズ131は、反射された平行光線を、光信号を放射した光ファイバに集光する。光ファイバへ集光された光信号は、光カプラ121及び光ファイバ120を逆方向に伝搬して波長合分波フィルタ220へ戻る。光ファイバ120を逆方向に伝搬した光信号は波長合分波フィルタ220で波長に応じて分波される。波長合分波フィルタ220は、ガス濃度測定に用いるための波長変調が施された光信号を制御装置110へ出力する。このようにして、制御装置110から送信された光信号はセンサヘッド130で折り返され、制御装置110で受信される。   The n sensor heads 130 are distributed and installed at locations where detection of gas leakage is required. The sensor head 130 emits an optical signal input from the optical coupler 121 from the end face of the optical fiber, and converts the emitted optical signal into a parallel light by the lens 131. The parallel light beam propagates in the atmosphere where the sensor head 130 is installed, and is reflected by the mirror 132 toward the lens 131. The lens 131 focuses the reflected parallel light beam on the optical fiber that has emitted the optical signal. The optical signal collected on the optical fiber propagates in the opposite direction through the optical coupler 121 and the optical fiber 120 and returns to the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 220. The optical signal propagating in the opposite direction through the optical fiber 120 is split by the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 220 according to the wavelength. The wavelength multiplexing / demultiplexing filter 220 outputs an optical signal that has been subjected to wavelength modulation for use in gas concentration measurement to the control device 110. In this way, the optical signal transmitted from the control device 110 is turned back by the sensor head 130 and received by the control device 110.

光サーキュレータ115は、光波長変調器114から出力された光信号を光ファイバ120−1へ送出するとともに、光ファイバ120−1から受信された光信号を光検出器116へ導く。光検出器116は、受信された光信号を電気信号に変換する。信号処理部117は、光検出器116が出力した電気信号を処理することにより、センサヘッド130が設置された各地点の大気に含まれるメタンの濃度を求める。   The optical circulator 115 sends the optical signal output from the optical wavelength modulator 114 to the optical fiber 120-1 and guides the optical signal received from the optical fiber 120-1 to the photodetector 116. The photodetector 116 converts the received optical signal into an electric signal. The signal processing unit 117 obtains the concentration of methane contained in the air at each point where the sensor head 130 is installed by processing the electric signal output from the photodetector 116.

一方、温度測定に用いるための波長変調が施された光信号は、波長合分波フィルタ220から、温度測定装置210に導かれる。温度測定装置210で受信された光信号は、光検出器211で電気信号へと変換される。信号処理部212は、光検出器211が出力する電気信号を処理することにより、センサヘッド130−1〜130−nのそれぞれの周辺温度を計算する。求められた周辺温度は信号処理部212から信号処理部117へ通知される。信号処理部117は、求められたメタンの濃度を、信号処理部212から通知された周辺温度に基づいて、センサヘッド130−1〜130−nにおける測定値毎に補正する。   On the other hand, the wavelength-modulated optical signal used for temperature measurement is guided from the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 220 to the temperature measuring device 210. The optical signal received by the temperature measuring device 210 is converted into an electric signal by the photodetector 211. The signal processing unit 212 calculates an ambient temperature of each of the sensor heads 130-1 to 130-n by processing the electric signal output from the photodetector 211. The obtained ambient temperature is notified from the signal processing unit 212 to the signal processing unit 117. The signal processing unit 117 corrects the determined methane concentration for each measurement value in the sensor heads 130-1 to 130-n based on the ambient temperature notified from the signal processing unit 212.

図3は、制御装置110における光信号の生成例を説明する図である。図3の(1)〜(3)は光強度を縦軸、時間を横軸として光信号の強度の時間変化を示す。図3の(4)〜(6)は光信号の波長を縦軸、時間を横軸として、制御装置110で生成される光信号の波長の時間変化を示す。光強度、波長及び時間はいずれも任意目盛である。図3の(5)、(6)においては、光信号がない時間の波長は示されていない。   FIG. 3 is a diagram illustrating an example of generating an optical signal in the control device 110. (1) to (3) of FIG. 3 show the time change of the intensity of the optical signal with the light intensity on the vertical axis and the time on the horizontal axis. (4) to (6) of FIG. 3 show the time change of the wavelength of the optical signal generated by the control device 110 with the wavelength of the optical signal as the vertical axis and the time as the horizontal axis. Light intensity, wavelength, and time are all arbitrary. In (5) and (6) of FIG. 3, the wavelength at the time when there is no optical signal is not shown.

レーザダイオード111から出力された直後の光信号の光強度及び波長λはともに一定である(図3の(1)、(4))。光強度変調器113は、レーザダイオード111から出力された光信号を変調して長さT1、間隔T2のパルス光を生成する。パルス光の周期TはT1+T2である。光強度変調器113は光信号の光強度をパルス状に変調するが、光信号の波長λは一定のままである(図3の(2)、(5))。 The light intensity and the wavelength λ 0 of the optical signal immediately after being output from the laser diode 111 are both constant ((1) and (4) in FIG. 3). The light intensity modulator 113 modulates an optical signal output from the laser diode 111 to generate pulse light having a length T1 and an interval T2. The period T of the pulse light is T1 + T2. The light intensity modulator 113 modulates the light intensity of the optical signal into a pulse, but the wavelength λ 0 of the optical signal remains constant ((2) and (5) in FIG. 3).

光波長変調器114は、光強度変調器113から出力されたパルス光の光波長を変調する。本実施形態では、光波長変調器114は、時間帯1においては波長を1個のパルス内で長波長方向に掃引(λ→λ)し、得られた光信号をセンサヘッド130−1〜130−nにおける周辺ガス濃度測定に用いる。時間帯2においては、光波長変調器114は、パルス光の波長を短波長方向にシフトさせて波長λに固定し、得られた光信号をセンサヘッド130−1〜130−nの周辺温度測定に用いる(図3の(6))。時間帯1において、パルス光の波長は、1個のパルス光の発光から消光までの経過時間に対して一意となるように変調される。 The optical wavelength modulator 114 modulates the optical wavelength of the pulse light output from the optical intensity modulator 113. In the present embodiment, the optical wavelength modulator 114 sweeps the wavelength in the longer wavelength direction (λ 0 → λ 1 ) within one pulse in the time zone 1, and converts the obtained optical signal into the sensor head 130-1. It is used for the measurement of the peripheral gas concentration in the range from 130 to n. In the time period 2, the optical wavelength modulator 114 shifts the wavelength of the pulsed light in the short wavelength direction and fixed to the wavelength lambda 2, the resulting ambient temperature of the optical signal sensor heads 130-1 to 130-n Used for measurement ((6) in FIG. 3). In the time zone 1, the wavelength of the pulse light is modulated so as to be unique with respect to the elapsed time from emission of one pulse light to extinction.

時間制御部118は、図3の(6)の波長変調波形が得られるように、時間帯1及び時間帯2毎の、光波長変調器114の変調動作を管理する。なお、図3は、時間帯1に3個のパルス光が存在し、時間帯2に2個のパルス光が存在する例を示す。しかし、各時間帯に含まれるパルス光の数は図3の記載に限定されない。   The time control unit 118 manages the modulation operation of the optical wavelength modulator 114 for each of time zone 1 and time zone 2 so as to obtain the wavelength modulation waveform of (6) in FIG. FIG. 3 shows an example in which three pulse lights exist in time zone 1 and two pulse lights exist in time zone 2. However, the number of pulse lights included in each time zone is not limited to the description in FIG.

図4は、ガス検知システム1の各部の光信号のスペクトルの例を示す図である。縦軸は光信号の強度を示し、横軸は波長を示す。レーザダイオード111の波長はλ0である(光信号21)。光波長変調器114の出力、すなわち制御装置110から光ファイバ120−1へ出力される光信号の波長は、図3の(6)に示したように、時間帯1ではλ0〜λ1の間にあり(光信号22)、時間帯2ではλ2である(光信号23)。   FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a spectrum of an optical signal of each unit of the gas detection system 1. The vertical axis indicates the intensity of the optical signal, and the horizontal axis indicates the wavelength. The wavelength of the laser diode 111 is λ0 (optical signal 21). The output of the optical wavelength modulator 114, that is, the wavelength of the optical signal output from the control device 110 to the optical fiber 120-1, is between λ0 and λ1 in the time zone 1 as shown in (6) of FIG. Yes (optical signal 22), λ2 in time zone 2 (optical signal 23).

センサヘッド130からの戻り光信号のスペクトルは、図4の光信号24〜28に示される。光信号24及び25は、それぞれ、光信号22及び23のセンサヘッド130からの反射光及びレイリー後方散乱光である。光信号26及び27は、光信号22のブリュアン後方散乱光である。光信号28は、光信号23のブリュアン後方散乱光(アンチストークス光)である。また、光信号27のスペクトルは、光信号23のブリュアン後方散乱光(ストークス光)のスペクトルと重複する場合がある。   The spectrum of the return light signal from the sensor head 130 is shown as light signals 24-28 in FIG. Optical signals 24 and 25 are the reflected light and Rayleigh backscattered light of optical signals 22 and 23 from sensor head 130, respectively. Optical signals 26 and 27 are Brillouin backscattered light of optical signal 22. The optical signal 28 is Brillouin backscattered light (anti-Stokes light) of the optical signal 23. The spectrum of the optical signal 27 may overlap with the spectrum of the Brillouin backscattered light (Stokes light) of the optical signal 23 in some cases.

光信号28の波長は、隣接する光信号25の波長から充分に離れているため、波長合分波フィルタ220は、ブリュアン散乱光(光信号28)のみを容易に分離して温度測定装置210へ出力できる。   Since the wavelength of the optical signal 28 is sufficiently far from the wavelength of the adjacent optical signal 25, the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 220 easily separates only the Brillouin scattered light (optical signal 28) to the temperature measuring device 210. Can output.

光波長変調器114によるパルス光の波長変調は、非特許文献2に記載されている波長変換技術を参照して行われてもよい。非特許文献1に記載された波長変換技術は、オシレータから出力される一定の周波数の正弦波によって、入力される光信号のキャリア周波数を光SSB変調器204において一定の周波数だけシフトさせる。   The wavelength modulation of the pulse light by the optical wavelength modulator 114 may be performed with reference to a wavelength conversion technique described in Non-Patent Document 2. According to the wavelength conversion technique described in Non-Patent Document 1, the optical SSB modulator 204 shifts the carrier frequency of an input optical signal by a constant frequency by a sine wave of a constant frequency output from an oscillator.

ただし、非特許文献2の方法を単純に適用するだけでは単なる波長変換しか行えないため、本実施形態の光波長変調器114では、波長掃引を行うために可変オシレータ201が用いられる。制御部205は、可変オシレータ201の出力周波数を時間帯1及び2、パルス光の周期T及び発光期間T1に合わせて変化させる。その結果、時間帯1では、図3の(6)に示すようなパルス光の発光期間T1内で波長がλ0からλ1まで掃引された変調波形が得られる。時間帯2では波長掃引が行われないため、出力波長がλ2で一定となるように可変オシレータ201の出力周波数が制御される。制御部205は、所望の特性のパルス光が得られるように、さらに、位相シフタ203を制御してもよい。   However, since simple wavelength conversion can be performed only by simply applying the method of Non-Patent Document 2, in the optical wavelength modulator 114 of the present embodiment, the variable oscillator 201 is used to perform wavelength sweep. The control unit 205 changes the output frequency of the variable oscillator 201 in accordance with the time zones 1 and 2, the pulse light period T, and the light emission period T1. As a result, in the time zone 1, a modulated waveform whose wavelength is swept from λ0 to λ1 within the light emission period T1 of the pulse light as shown in (6) of FIG. 3 is obtained. Since the wavelength sweep is not performed in the time zone 2, the output frequency of the variable oscillator 201 is controlled so that the output wavelength is constant at λ2. The control unit 205 may further control the phase shifter 203 so that pulsed light having desired characteristics is obtained.

可変オシレータ201に代えて、任意波形発生器(Arbitrary Waveform Generator、AWG)を用いてもよい。例えば、10G(giga)サンプル/秒のAWGを使用し、10サンプリングポイント毎に0.1GHzずつ周波数を増加させることで、50ns(nano second)の時間内に5.0GHzの周波数掃引を行うことができる。メタンの吸収スペクトル幅が約3.0GHzであるため、この吸収スペクトルを充分にカバーできる周波数掃引が短時間で実現される。また、50nsのパルス幅は約10mのファイバ長に相当するため、10mという比較的短い間隔でセンサヘッドを配置しても、各センサヘッドからの戻り光は時間的に区別される。すなわち、センサヘッドの設置地点間の距離が10m程度離れていれば、他のセンサヘッドからの信号の影響を受けることなくそれぞれの地点でガスを検知できる。   Instead of the variable oscillator 201, an arbitrary waveform generator (Arbitrary Waveform Generator, AWG) may be used. For example, by using an AWG of 10 G (giga) samples / second and increasing the frequency by 0.1 GHz every 10 sampling points, it is possible to perform a frequency sweep of 5.0 GHz within a time of 50 ns (nano second). it can. Since the absorption spectrum width of methane is about 3.0 GHz, a frequency sweep that can sufficiently cover this absorption spectrum is realized in a short time. Further, since the pulse width of 50 ns corresponds to a fiber length of about 10 m, even if the sensor heads are arranged at relatively short intervals of 10 m, the return light from each sensor head is temporally distinguished. In other words, if the distance between the installation points of the sensor heads is about 10 m apart, gas can be detected at each point without being affected by signals from other sensor heads.

図5及び図6は、光検出器116で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。図5は、センサヘッド130が配置されたいずれの地点においてもガス漏洩がない場合の例を示す。   FIGS. 5 and 6 are diagrams conceptually illustrating waveform examples of the optical signal received by the photodetector 116. FIG. FIG. 5 shows an example in which there is no gas leakage at any point where the sensor head 130 is arranged.

図5及び図6は、光信号に含まれる1つのパルスに対して、センサヘッド130からは複数のピークを含む光信号が受信されることを示す。各ピークの時間軸上の位置は、光信号の往復時間、すなわち、制御装置110と光信号のセンサヘッド130との距離によって定まる。本実施形態では、センサヘッド130の各々は、等間隔かつ制御装置110との距離が全て異なるように配置される。このため、図5及び図6のピークも等間隔となる。   FIGS. 5 and 6 show that an optical signal including a plurality of peaks is received from the sensor head 130 for one pulse included in the optical signal. The position of each peak on the time axis is determined by the round trip time of the optical signal, that is, the distance between the control device 110 and the sensor head 130 of the optical signal. In the present embodiment, each of the sensor heads 130 is arranged at regular intervals and at different distances from the control device 110. For this reason, the peaks in FIGS. 5 and 6 are also equally spaced.

図5に示される1つ目のピーク(A0)は、光波長変調器114から送信される光信号が、光サーキュレータ115の指向性の不完全性(Directivity)のために、光検出器116で直接受信されるために生じる。2つ目以降のピーク(A1〜An)は、それぞれ、センサヘッド130−1〜130−nから折り返されたパルス光に対応するピークである。あらかじめセンサヘッド130を1個ずつ接続して対応するピークA1〜Anが生じるタイミングを測定しておくことで、受信されるピークA1〜Anとセンサヘッド130−1〜130−nとの対応を知ることができる。ピークの幅はパルス光の発光期間T1に等しく、ピークの間隔は、制御装置110における、光信号のセンサヘッド130からの応答時間の差によって定まる。また、パルス光の周期Tは、ピークA0からピークAnまでの時間よりも長く設定される。   The first peak (A0) shown in FIG. 5 indicates that the optical signal transmitted from the optical wavelength modulator 114 is detected by the photodetector 116 due to the imperfect directivity of the optical circulator 115. It occurs because it is received directly. The second and subsequent peaks (A1 to An) are peaks corresponding to the pulsed light returned from the sensor heads 130-1 to 130-n, respectively. The correspondence between the received peaks A1 to An and the sensor heads 130-1 to 130-n is known by previously connecting the sensor heads 130 one by one and measuring the timing at which the corresponding peaks A1 to An occur. be able to. The width of the peak is equal to the pulse light emission period T1, and the interval between the peaks is determined by the difference in response time of the optical signal from the sensor head 130 in the control device 110. Further, the period T of the pulse light is set longer than the time from the peak A0 to the peak An.

図5及び図6に「レイリー後方散乱」として点線及びパルス光がない期間を示す曲線は、光ファイバのレイリー(Rayleigh)後方散乱に起因する受信光の強度を示す。レイリー後方散乱の強度は、制御装置110からセンサヘッドまでの距離が長くなるに従って、光ファイバ120の伝送ロス及び光カプラ121の分岐損によって減少する。センサヘッド130が設置された全ての地点においてガス漏洩がない場合、図5のように、センサヘッド130から折り返されたパルス光のピークは、いずれもなだらかな強度変化を示す。なお、図5及び図6に示すレイリー後方散乱による信号強度の時間的変化は概念を示す一例であり、レイリー後方散乱の強度は光カプラ121の数や光ファイバ120の光学的特性によって異なる。   In FIGS. 5 and 6, the dotted line and the curve indicating the period without pulsed light as “Rayleigh backscattering” show the intensity of the received light due to Rayleigh backscattering of the optical fiber. As the distance from the control device 110 to the sensor head increases, the intensity of Rayleigh backscattering decreases due to the transmission loss of the optical fiber 120 and the branch loss of the optical coupler 121. When there is no gas leakage at all points where the sensor heads 130 are installed, as shown in FIG. 5, the peaks of the pulse light turned back from the sensor heads 130 each show a gentle intensity change. The temporal change in signal intensity due to Rayleigh backscattering shown in FIGS. 5 and 6 is an example illustrating the concept, and the intensity of Rayleigh backscattering differs depending on the number of optical couplers 121 and the optical characteristics of optical fiber 120.

一方、図6は、i番目(1≦i≦n)のセンサヘッドが設置された地点において、ガス漏洩の結果、大気中のメタンガス濃度が高い場合の例を示す。この場合、図5とは異なり、i番目のセンサヘッドからの折り返しパルス光(Ai)のピークに、メタンガスによる光信号の吸収に起因するディップが観測される。このディップの量を光検出器116及び信号処理部117において検出することにより、i番目のセンサヘッド周辺のメタンガスの濃度を知ることができる。光検出器116は、光強度に比例した振幅の電気信号を信号処理部117へ出力する。信号処理部117は、パルス光のピークにおける電気信号の時間的な強度変化をピーク毎に監視し、ガスの吸収によるディップを検出する。   On the other hand, FIG. 6 shows an example in which the methane gas concentration in the atmosphere is high as a result of gas leakage at the point where the i-th (1 ≦ i ≦ n) sensor head is installed. In this case, unlike FIG. 5, a dip due to the absorption of the optical signal by the methane gas is observed at the peak of the return pulse light (Ai) from the i-th sensor head. By detecting the amount of the dip in the photodetector 116 and the signal processing unit 117, the concentration of methane gas around the i-th sensor head can be known. The photodetector 116 outputs an electric signal having an amplitude proportional to the light intensity to the signal processing unit 117. The signal processing unit 117 monitors a temporal intensity change of the electric signal at the peak of the pulse light for each peak, and detects a dip due to gas absorption.

以下は、信号処理部117の動作手順の例である。信号処理部117は、i番目のピークのディップの深さ(すなわち、振幅変化)を検出する。そして、振幅変化が所定の閾値よりも大きい場合に、センサヘッド130−iの周辺でガスが漏洩していると判断して、制御装置110の外部へアラームを出力する。あるいは、信号処理部117は、i番目のピークのディップの深さに基づいて、センサヘッド130−iの周辺のガスの濃度を算出し、算出したガス濃度を制御装置110の外部へ出力する。一般に、ガスの濃度が高いほどガスによる光吸収は増加し、ディップも深くなる。従って、あらかじめガスの濃度とディップの深さとの関係を測定しておくことで、ディップの深さからガスの濃度を求めることができる。   The following is an example of the operation procedure of the signal processing unit 117. The signal processing unit 117 detects the depth of the dip of the i-th peak (that is, the amplitude change). When the change in amplitude is larger than the predetermined threshold, it is determined that gas is leaking around the sensor head 130-i, and an alarm is output to the outside of the control device 110. Alternatively, the signal processing unit 117 calculates the gas concentration around the sensor head 130-i based on the dip depth of the i-th peak, and outputs the calculated gas concentration to the outside of the control device 110. In general, the higher the gas concentration, the greater the light absorption by the gas and the deeper the dip. Therefore, by measuring the relationship between the gas concentration and the dip depth in advance, the gas concentration can be determined from the dip depth.

図7は、温度測定装置210の光検出器211で受信される光信号の波形例を、図5に示した光信号の波形例と対応させて概念的に示す図である。図7の(1)は、光検出器116で観測される信号波形の例を示す。図7の(1)は、(2)に示す温度測定受信器122の信号波形の例を説明するために、共通の時間軸で並べて表示される。光検出器211は、波長合分波フィルタ220で分離された光信号(図2の光信号24)とレーザダイオード111の出力とを用いてヘテロダイン検波を行う。従って、光検出器211の出力からは光信号24の周波数シフトに相当する情報が得られる。   FIG. 7 is a diagram conceptually showing a waveform example of the optical signal received by the photodetector 211 of the temperature measuring device 210 in correspondence with the waveform example of the optical signal shown in FIG. FIG. 7A illustrates an example of a signal waveform observed by the photodetector 116. FIG. 7A is displayed side by side on a common time axis to explain an example of the signal waveform of the temperature measurement receiver 122 shown in FIG. The photodetector 211 performs heterodyne detection using the optical signal (the optical signal 24 in FIG. 2) separated by the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 220 and the output of the laser diode 111. Therefore, information corresponding to the frequency shift of the optical signal 24 can be obtained from the output of the photodetector 211.

図7の(1)では、「i個目のセンサヘッドからの折り返しパルス」と記載された位置の時間領域でブリュアン周波数シフトが大きい。すなわち、i個目のセンサヘッド付近の温度が高いことが分かる。ブリュアン周波数シフトと温度との関係の実測値は、例えば非特許文献3に開示されている。従って、周波数シフトの測定値からセンサヘッド周辺温度を算出し、ガス濃度センサの測定値を補正することができる。   In (1) of FIG. 7, the Brillouin frequency shift is large in the time domain of the position described as “the return pulse from the i-th sensor head”. That is, it is understood that the temperature near the i-th sensor head is high. An actual measured value of the relationship between the Brillouin frequency shift and the temperature is disclosed in Non-Patent Document 3, for example. Therefore, the temperature around the sensor head can be calculated from the measured value of the frequency shift, and the measured value of the gas concentration sensor can be corrected.

(第1の実施形態の効果)
第1の実施形態のガス検知システム1は、以下の効果を奏する。
(Effect of First Embodiment)
The gas detection system 1 according to the first embodiment has the following effects.

第1の効果は、非給電という特長を保持したままガス濃度の測定精度を向上できることである。その理由は、ガス検知システム1は、光ファイバを用いた温度センシングにより各センサ部における周辺温度を測定できるためである。   The first effect is that the measurement accuracy of the gas concentration can be improved while maintaining the feature of no power supply. The reason is that the gas detection system 1 can measure the ambient temperature in each sensor unit by temperature sensing using an optical fiber.

第2の効果は、ガス検知システムの測定精度を向上させるためのコストを低減できることである。その理由は、1つの光源から出力される光信号の波長に時間帯毎に異なる変調を施し、ガス検知用と温度測定用とで異なる波長の光信号を使用することにより、光源及び周辺回路をガス濃度測定と温度測定とで共通化できる。そして、ガス検知用と温度測定用とで異なる波長の光信号を使用することで、ブリュアン後方散乱光を低コストに分離できる。   A second effect is that the cost for improving the measurement accuracy of the gas detection system can be reduced. The reason is that the wavelength of the optical signal output from one light source is modulated differently for each time zone, and the light source and peripheral circuits are changed by using optical signals of different wavelengths for gas detection and temperature measurement. Gas concentration measurement and temperature measurement can be shared. By using optical signals of different wavelengths for gas detection and temperature measurement, Brillouin backscattered light can be separated at low cost.

ガス検知システム1は、さらに、以下の効果も奏する。すなわち、ガス検知システム1は、簡単かつ安価に多地点のガス検知を行うことができる。その第1の理由は、単一波長の光源の出力光の波長を、光波長変調器114を用いて変化させているため、高出力かつスペクトルの広いパルス光を発生させる光源を必要としないからである。第2の理由は、折り返された光信号の処理は光検出器116及び信号処理部117のみで行われるため、受信側に複雑な光回路を必要としないからである。   The gas detection system 1 also has the following effects. That is, the gas detection system 1 can easily and inexpensively perform gas detection at multiple points. The first reason is that the wavelength of the output light of the single-wavelength light source is changed using the optical wavelength modulator 114, so that a light source that generates high-output and broad-spectrum pulse light is not required. It is. The second reason is that the folded optical signal is processed only by the photodetector 116 and the signal processing unit 117, so that a complicated optical circuit is not required on the receiving side.

さらに、第1の実施形態のガス検知システム1は、距離分解能が高いガス検知システムを実現できる。その理由は、単一波長の光源から出力された短いパルスの波長を、光波長変調器114を用いて変化させているためである。このような構成により、スペクトルの広いパルス光を用いた場合と比較して光信号のパルス幅の広がりを小さくできるとともに、レーザの駆動電流や温度により波長変調を行った場合と比較して短いパルスで所望の波長変化が得られる。その結果、センサヘッド130間の距離が小さい場合でも、複数の測定点からの戻り光パルスが制御装置110において時間的に重なることを回避でき、高い距離分解能が得られる。そして、第1の実施形態のガス検知システム1は、上記の効果を得るために光ファイバ120上に光ファイバスプールを配置する必要がない。   Furthermore, the gas detection system 1 of the first embodiment can realize a gas detection system with high distance resolution. The reason is that the wavelength of the short pulse output from the single-wavelength light source is changed using the optical wavelength modulator 114. With such a configuration, the pulse width of the optical signal can be reduced as compared with the case where pulsed light having a wide spectrum is used, and the pulse width is shorter than when wavelength modulation is performed by the laser drive current or temperature. , A desired wavelength change can be obtained. As a result, even when the distance between the sensor heads 130 is small, it is possible to avoid returning light pulses from a plurality of measurement points to overlap in time in the control device 110, and to obtain a high distance resolution. The gas detection system 1 according to the first embodiment does not need to dispose an optical fiber spool on the optical fiber 120 in order to obtain the above effects.

さらに、第1の実施形態のガス検知システム1は、ガス検知システムの運用コストを低減できる。その理由は、ガス検知システム1は、センサヘッド毎に制御装置110から光ファイバを敷設する場合と比較して、1本のファイバに光カプラを挿入することで多くの地点のガス検知を行えるからである。1本のファイバに光カプラを挿入する構成は、システムの建設や保守が容易であるとともに、既設の光ファイバ網に空き心線が少ない地域へのガス検知システムの導入を容易とする。   Further, the gas detection system 1 of the first embodiment can reduce the operation cost of the gas detection system. The reason is that the gas detection system 1 can detect gas at many points by inserting an optical coupler into one fiber as compared with the case where an optical fiber is laid from the control device 110 for each sensor head. It is. The configuration in which the optical coupler is inserted into one fiber facilitates the construction and maintenance of the system, and also facilitates the introduction of the gas detection system into an area where the existing optical fiber network has few empty cores.

(第1の実施形態の変形例)
以下に、第1の実施形態のガス検知システム1と同様の効果をもたらす変形例について説明する。
(Modification of First Embodiment)
Hereinafter, a modified example that provides the same effect as the gas detection system 1 according to the first embodiment will be described.

第1の実施形態では光波長変調器として光SSB変調器を用いた。しかし、光SSB変調器の代わりに大容量光通信技術に用いられているIQ変調器(In−phase/Quadrature変調器)を用いて波長変調を実現しても良い。また、大振幅の変調器ドライバを用い、光位相変調器(Optical Phase変調器)の印加電圧を時間方向に変化させることによっても波長変調を実現できる。   In the first embodiment, an optical SSB modulator is used as an optical wavelength modulator. However, wavelength modulation may be realized by using an IQ modulator (In-phase / Quadrature modulator) used in a large-capacity optical communication technology instead of the optical SSB modulator. Wavelength modulation can also be realized by using a large-amplitude modulator driver and changing the applied voltage of an optical phase modulator (optical phase modulator) in the time direction.

また、レーザダイオード111と光サーキュレータ115との間及び光サーキュレータ115と光検出器116との間の一方又は両方に光増幅器を挿入してもよい。光増幅器を用いることでセンサヘッド130から受信した光信号の信号対雑音比を向上させることができる。   Further, an optical amplifier may be inserted between one or both of the laser diode 111 and the optical circulator 115 and between the optical circulator 115 and the photodetector 116. By using the optical amplifier, the signal-to-noise ratio of the optical signal received from the sensor head 130 can be improved.

また、第1の実施形態のセンサヘッド130は、光信号を空間的に伝搬させる際、ミラー132を用いて1回反射させる。しかし、複数のミラーを用いて光信号を複数回反射させることで、空間内の光信号の伝搬経路を長くしてもよい。このような構成のセンサヘッドを用いることでガスによる光信号の吸収が増加し、より低濃度のガスを検出することができる。   Further, the sensor head 130 according to the first embodiment reflects the optical signal once using the mirror 132 when spatially propagating the optical signal. However, the propagation path of the optical signal in space may be lengthened by reflecting the optical signal a plurality of times using a plurality of mirrors. By using the sensor head having such a configuration, absorption of an optical signal by a gas is increased, and a gas with a lower concentration can be detected.

また、図3では、光信号の波長がそれぞれのパルス内で直線的に変化する例を示した。しかし、波長の変化に正弦波を重畳して波長変調分光法(Wavelength Modulation Spectroscopy、WMS法)によるガス濃度の算出を行ってもよい。WMS法を用いることで、より感度の高いガス濃度の測定が可能となる。この際、直線的な波長変調と正弦波状の波長変調とはそれぞれ個別の光波長変調器により行われてもよい。   FIG. 3 shows an example in which the wavelength of the optical signal changes linearly within each pulse. However, the gas concentration may be calculated by wavelength modulation spectroscopy (WMS) by superimposing a sine wave on the change in wavelength. By using the WMS method, it is possible to measure the gas concentration with higher sensitivity. At this time, the linear wavelength modulation and the sinusoidal wavelength modulation may be performed by separate optical wavelength modulators.

また、非特許文献2には、波長変換によって高次の側波帯が発生することが示される。このような高次の側波帯を抑圧するために、光波長変調器114の後段に光バンドパスフィルタが配置されてもよい。高次の側波帯を除去する光バンドパスフィルタを追加することにより雑音が抑圧されるため、より精度の高い測定が可能となる。   Non-Patent Document 2 shows that higher-order sidebands are generated by wavelength conversion. In order to suppress such higher-order sidebands, an optical band-pass filter may be arranged downstream of the optical wavelength modulator 114. Noise is suppressed by adding an optical bandpass filter that removes higher-order sidebands, so that more accurate measurement is possible.

さらに、波長合分波フィルタ220とセンサヘッド130の間に光バンドパスフィルタを設置してもよい。光ファイバ120中のブリュアン散乱は後方のみでなく前方にも発生する。この前方に伝搬する散乱光がセンサヘッド130により反射されて温度測定装置210に戻ると正確な温度測定が困難になる。このため、前方散乱光を除去する波長特性を持つ光バンドパスフィルタが用いられてもよい。   Further, an optical bandpass filter may be provided between the wavelength multiplexing / demultiplexing filter 220 and the sensor head 130. Brillouin scattering in the optical fiber 120 occurs not only at the rear but also at the front. When the scattered light propagating forward is reflected by the sensor head 130 and returns to the temperature measuring device 210, accurate temperature measurement becomes difficult. Therefore, an optical bandpass filter having a wavelength characteristic for removing forward scattered light may be used.

第1の実施形態では光波長変調器114において、ガス濃度を測定する時間帯(時間帯1)に光信号の波長を長波長側に変調し、温度測定の時間帯(時間帯2)に光信号の波長を短波長側に変調する例を説明した。しかし、逆に、ガス濃度を測定する時間帯(時間帯1)に光信号の波長を短長波長側に変調し、温度測定の時間帯(時間帯2)に光信号の波長を長波長側に変調してもよい。この場合には、ブリュアン後方散乱光のうちストークス成分(長波長側の散乱光)を用いて温度測定を行うことができる。   In the first embodiment, the optical wavelength modulator 114 modulates the wavelength of the optical signal to the longer wavelength side during the time zone for measuring the gas concentration (time zone 1), and modulates the light in the time zone for the temperature measurement (time zone 2). The example in which the wavelength of the signal is modulated to the short wavelength side has been described. However, conversely, the wavelength of the optical signal is modulated to the short and long wavelength side in the time zone for measuring the gas concentration (time zone 1), and the wavelength of the optical signal is shifted to the long wavelength side in the time zone for the temperature measurement (time zone 2). May be modulated. In this case, the temperature can be measured using the Stokes component (scattered light on the long wavelength side) of the Brillouin backscattered light.

また、本実施形態では波長1.65μmの光信号を用いてメタンの検出を行う例を示した。光信号の波長として、メタンの別の吸収スペクトルに相当する波長を用いてもよい。あるいは、メタンとは異なるガス分子の吸収スペクトルを、1.65μm以外の波長でモニタして、メタン以外のガスを検出してもよい。さらに、複数の波長の光信号を用いて複数の異なる種類のガスを検出してもよい。   In the present embodiment, an example in which methane is detected using an optical signal having a wavelength of 1.65 μm has been described. As the wavelength of the optical signal, a wavelength corresponding to another absorption spectrum of methane may be used. Alternatively, an absorption spectrum of a gas molecule different from methane may be monitored at a wavelength other than 1.65 μm to detect a gas other than methane. Further, a plurality of different types of gases may be detected using optical signals of a plurality of wavelengths.

(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態のガス検知システム2の構成例を示すブロック図である。第1の実施形態では、ガス濃度測定用と温度測定用との2台の光検出器116及び212を使用した。第2の実施形態では、1台の光検出器でガス濃度測定と温度測定とを行う。以下の説明において、既出の要素には同一の名称及び参照符号を付して、重複する説明は省略する。
(Second embodiment)
FIG. 8 is a block diagram illustrating a configuration example of the gas detection system 2 according to the second embodiment of the present invention. In the first embodiment, two photodetectors 116 and 212 for gas concentration measurement and temperature measurement are used. In the second embodiment, one photodetector performs gas concentration measurement and temperature measurement. In the following description, the same elements and reference numerals as those described above are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted.

(実施形態の構成)
図8において、ガス検知システム2は、制御装置1110、光ファイバ120−1〜120−n、光カプラ121−1〜121−m、センサヘッド130−1〜130−nを備える。nは2以上の整数、m=n−1である。
(Configuration of the embodiment)
8, the gas detection system 2 includes a control device 1110, optical fibers 120-1 to 120-n, optical couplers 121-1 to 121-m, and sensor heads 130-1 to 130-n. n is an integer of 2 or more, and m = n-1.

制御装置1110は、レーザダイオード111、レーザダイオードドライバ112、光強度変調器113、光波長変調器114を備える。制御装置110は、さらに、光サーキュレータ115、光検出器116、及び信号処理部117及び時間制御部118を備える。   The control device 1110 includes a laser diode 111, a laser diode driver 112, a light intensity modulator 113, and a light wavelength modulator 114. The control device 110 further includes an optical circulator 115, a photodetector 116, a signal processing unit 117, and a time control unit 118.

(第2の実施形態の動作)
制御装置1110内での光信号の生成過程及び光波長変調器114による変調動作は、第1の実施形態と同様であり、本実施形態では説明を省略する。本実施形態では、光ファイバ120−1を戻ってきた光信号は、全て光検出器116で電気信号に変換され、当該電気信号は信号処理部117で処理される。ここで、光検出器116及び信号処理部117の動作は、時間制御部118により管理される。すなわち、時間制御部118は、光検出器116及び信号処理部117の動作を、時間帯1で生成された光信号の戻り光を受信する場合と、時間帯2で生成された光信号の戻り光を受信する場合とで切り替える。
(Operation of Second Embodiment)
The process of generating an optical signal in the control device 1110 and the modulation operation by the optical wavelength modulator 114 are the same as in the first embodiment, and a description thereof will be omitted in this embodiment. In the present embodiment, all the optical signals returned from the optical fiber 120-1 are converted into electric signals by the photodetector 116, and the electric signals are processed by the signal processing unit 117. Here, the operations of the photodetector 116 and the signal processing unit 117 are managed by the time control unit 118. That is, the time control unit 118 determines the operation of the photodetector 116 and the signal processing unit 117 when the return light of the optical signal generated in the time zone 1 is received and when the return of the optical signal generated in the time zone 2 is received. Switch between receiving and receiving light.

具体的には、図3の時間帯1に生成された光信号の戻り光を受信する時間帯には、時間制御部118は、光検出器116及び信号処理部117を、光強度受信器として動作させる。この場合には、光検出器116へ入力される光信号の強度の時間変化に基づいて、第1の実施形態の図5及び図6で説明したように、各センサヘッド130の周辺ガス濃度が測定される。   Specifically, in a time zone in which the return light of the optical signal generated in the time zone 1 of FIG. 3 is received, the time control unit 118 sets the photodetector 116 and the signal processing unit 117 as the light intensity receiver. Make it work. In this case, based on the time change of the intensity of the optical signal input to the photodetector 116, as described with reference to FIGS. 5 and 6 of the first embodiment, the gas concentration around each sensor head 130 is reduced. Measured.

一方、図3の時間帯2に生成された光信号の戻り光を受信する時間帯には、時間制御部118は、光検出器116及び信号処理部117を、第1の実施形態で説明した温度測定装置210の光検出器211及び信号処理部212として動作させる。このとき、光検出器116は、例えばレーザダイオード111の出力を用いてヘテロダイン受信を行う波長検出器として動作してもよい。時間帯2では、光検出器116は光信号のブリュアンシフト量に対応する周波数の信号を出力するため、制御装置1110は、この信号を用いてセンサヘッド130の周辺温度を測定できる。そして、制御装置1110は、時間帯2の間に送受信された光信号によって測定された周辺温度の情報を用いて、時間帯1に送信された光信号によって測定されたガス濃度測定値の温度依存性の補正を行うことができる。   On the other hand, in the time zone in which the return light of the optical signal generated in the time zone 2 in FIG. 3 is received, the time control unit 118 controls the photodetector 116 and the signal processing unit 117 in the first embodiment. The temperature detector 210 is operated as the light detector 211 and the signal processor 212. At this time, the photodetector 116 may operate as a wavelength detector that performs heterodyne reception using the output of the laser diode 111, for example. In the time zone 2, since the photodetector 116 outputs a signal having a frequency corresponding to the Brillouin shift amount of the optical signal, the controller 1110 can use this signal to measure the ambient temperature of the sensor head 130. Then, the control device 1110 uses the information of the ambient temperature measured by the optical signal transmitted and received during the time period 2 to determine the temperature dependence of the gas concentration measurement value measured by the optical signal transmitted in the time period 1. Gender correction can be performed.

(第2の実施形態の効果)
本実施形態のガス検知システム2は、1台の光検出器及び信号処理部によって、遠隔点のガス濃度及び周辺温度を測定できる。このため、ガス検知システム2は、第1の実施形態のガス検知システム1の効果に加えて、システムコストをより低価格化できる。
(Effect of Second Embodiment)
The gas detection system 2 of the present embodiment can measure the gas concentration and the ambient temperature at a remote point by using one photodetector and a signal processing unit. For this reason, in addition to the effect of the gas detection system 1 of the first embodiment, the gas detection system 2 can further reduce the system cost.

第2の実施形態の内容は上記で説明した形態に限定されない。第1の実施形態と同様に、第2の実施形態においても、使用する変調器や光増幅器、分光方法や波長などが異なる構成も本願発明の範囲に含まれる。   The contents of the second embodiment are not limited to the form described above. As in the first embodiment, the second embodiment also includes configurations that use different modulators, optical amplifiers, spectral methods, wavelengths, and the like, within the scope of the present invention.

なお、第1及び第2の実施形態では1本の光ファイバ伝送路を2分岐して一方にセンサヘッドを接続し、センサヘッドからの戻り光を同一の光ファイバ伝送路を用いて伝送する構成を説明した。しかし、本願発明が適用可能なセンサヘッドの配置はこれに限られない。例えば、特許文献2に記載された、往路と復路とで異なる光ファイバ伝送路が用いられる構成にも、本願発明は適用可能である。さらに、光スターカプラを用いて分岐された光ファイバ伝送路にセンサヘッドが接続された構成にも、本願発明は適用可能である。   In the first and second embodiments, one optical fiber transmission line is branched into two, a sensor head is connected to one branch, and return light from the sensor head is transmitted using the same optical fiber transmission line. Was explained. However, the arrangement of the sensor head to which the present invention can be applied is not limited to this. For example, the present invention can be applied to a configuration described in Patent Document 2 in which different optical fiber transmission lines are used for the forward path and the return path. Further, the present invention is also applicable to a configuration in which a sensor head is connected to an optical fiber transmission line branched using an optical star coupler.

(第3の実施形態)
図9は、第3の実施形態のガス検知装置800の構成例を示すブロック図である。図10は、ガス検知装置800の動作手順の例を示すフローチャートである。第2の実施形態で説明した制御装置1110は、以下の構成を備えるガス検知装置800と呼ぶこともできる。すなわち、ガス検知装置800は、送信部801と受信部802とを備える。送信部801は、図8の光波長変調器114を含む。送信部801は、さらに、図8のレーザダイオード111、レーザダイオードドライバ112、光強度変調器113を含んでもよい。受信部802は、図8の光検出器116及び信号処理部117を含んでもよい。
(Third embodiment)
FIG. 9 is a block diagram illustrating a configuration example of a gas detection device 800 according to the third embodiment. FIG. 10 is a flowchart illustrating an example of an operation procedure of the gas detection device 800. The control device 1110 described in the second embodiment can also be called a gas detection device 800 having the following configuration. That is, the gas detection device 800 includes a transmission unit 801 and a reception unit 802. The transmitting unit 801 includes the optical wavelength modulator 114 of FIG. The transmitting unit 801 may further include the laser diode 111, the laser diode driver 112, and the light intensity modulator 113 of FIG. The receiving unit 802 may include the photodetector 116 and the signal processing unit 117 of FIG.

送信部801は、パルス光の波長に対して、時間帯1には第1の変調が施された第1の光信号を生成し、時間帯2には第2の変調が施された第2の光信号を生成する(図10のステップS01)。第1及び第2の変調は、光波長変調器において行われる。送信部801は、第1の光信号及び第2の光信号を、センサヘッドと接続された伝送路に出力する(ステップS02)。ここで、センサヘッドは、大気中を伝搬させた第1の光信号を第3の光信号として出力する。   The transmitting unit 801 generates a first optical signal that has been subjected to the first modulation in the time zone 1 with respect to the wavelength of the pulse light, and has generated the second optical signal that has been subjected to the second modulation in the time zone 2. Is generated (step S01 in FIG. 10). The first and second modulations are performed in an optical wavelength modulator. The transmitting unit 801 outputs the first optical signal and the second optical signal to a transmission path connected to the sensor head (Step S02). Here, the sensor head outputs the first optical signal propagated in the atmosphere as a third optical signal.

受信部802は、第3の光信号を受光して(ステップS03)第1の電気信号に変換する(ステップS04)。そして、受信部802は、第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知し(ステップS05)、ガスの検知の結果を生成する(ステップS06)。   The receiving unit 802 receives the third optical signal (Step S03) and converts it into a first electric signal (Step S04). Then, the receiving unit 802 detects a predetermined type of gas contained in the atmosphere for each sensor head based on a temporal change in the amplitude of the first electric signal (step S05), and determines the result of the gas detection. It is generated (step S06).

受信部802は、さらに、第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して(ステップS07)第2の電気信号に変換する(ステップS08)。そして、受信部802は、第2の電気信号に基づいてセンサヘッドに対応する温度を算出する(ステップS09)。受信部802は、算出された温度に基づいて、ステップS06で生成されたガスの検知結果を補償して、補償された検知結果を出力する(ステップS10)。   The receiving unit 802 further receives the fourth optical signal, which is the scattered light of the second optical signal (Step S07), and converts it into a second electric signal (Step S08). Then, the receiving unit 802 calculates the temperature corresponding to the sensor head based on the second electric signal (Step S09). The receiving unit 802 compensates the detection result of the gas generated in step S06 based on the calculated temperature, and outputs the compensated detection result (step S10).

第3の実施形態のガス検知装置800は、以下の効果を奏する。   The gas detection device 800 according to the third embodiment has the following effects.

第1の効果は、ガス濃度の測定精度を非給電という特長を保持したまま向上できることである。その理由は、ガス検知装置800は、光ファイバの散乱光から生成された信号に基づいて各センサヘッドにおける周辺温度を測定できるためである。   A first effect is that the measurement accuracy of the gas concentration can be improved while maintaining the feature of no power supply. The reason is that the gas detection device 800 can measure the ambient temperature at each sensor head based on the signal generated from the scattered light of the optical fiber.

第2の効果は、ガス検知システムの測定精度を向上させるためのコストを低減できることである。その理由は、1つの光波長変調器を用いて、パルス光の波長を時間帯毎に変調することにより、光源及び周辺回路をガス濃度測定と温度測定とで共通化できるためである。   A second effect is that the cost for improving the measurement accuracy of the gas detection system can be reduced. The reason is that by modulating the wavelength of the pulsed light for each time zone using one optical wavelength modulator, the light source and peripheral circuits can be shared between the gas concentration measurement and the temperature measurement.

以上の各実施形態に記載された機能及び手順は、制御装置110、1110あるいは温度測定装置210が備える中央処理装置(Central Processing Unit、CPU)がプログラムを実行することにより実現されてもよい。プログラムは、固定された、一時的でない記録媒体に記録される。記録媒体としては半導体メモリ又は固定磁気ディスク装置が用いられるが、これらには限定されない。CPUは例えば信号処理部117及び212の少なくとも一方に備えられるコンピュータでもよいが、これらには限定されない。   The functions and procedures described in the above embodiments may be realized by a central processing unit (Central Processing Unit, CPU) included in the control device 110 or 1110 or the temperature measurement device 210 executing a program. The program is recorded on a fixed, non-transitory recording medium. As the recording medium, a semiconductor memory or a fixed magnetic disk device is used, but is not limited thereto. The CPU may be, for example, a computer provided in at least one of the signal processing units 117 and 212, but is not limited thereto.

なお、本発明の実施形態は以下の付記のようにも記載されうるが、これらには限定されない。   The embodiments of the present invention can be described as the following supplementary notes, but are not limited thereto.

(付記1)
パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
前記第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
前記光ファイバ伝送路を分岐するとともに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記送信手段と前記センサヘッドとを接続し、さらに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記センサヘッドと前記受信手段とを接続する分岐手段と、
を備えるガス検知システム。
(Appendix 1)
A first optical signal that has been subjected to a first modulation in a first time zone with respect to the wavelength of the pulse light, and a second optical signal that has been subjected to a second modulation in a second time zone with respect to the wavelength of the pulse light Transmitting means for generating the second optical signal by an optical wavelength modulation means, and outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line;
A plurality of sensor heads for transmitting the first optical signal in the atmosphere and outputting the first optical signal propagated in the atmosphere as a third optical signal;
The third optical signal is received and converted into a first electrical signal, and a predetermined type of gas contained in the atmosphere is detected for each of the sensor heads based on a temporal change in the amplitude of the first electrical signal. And generates a detection result of the gas, receives a fourth optical signal that is scattered light of the second optical signal, converts the fourth optical signal into a second electrical signal, and generates a second electrical signal based on the second electrical signal. Receiving means for compensating the detection result of the gas calculated from the first electric signal based on the temperature corresponding to the sensor head calculated in the above manner;
Branching the optical fiber transmission line, connecting the transmitting means and the sensor head via the branched optical fiber transmission line, and further, the sensor head and the sensor head via the branched optical fiber transmission line Branching means for connecting the receiving means,
Gas detection system comprising:

(付記2)
前記受信手段は、光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、付記1に記載されたガス検知システム。
(Appendix 2)
The receiving means generates the second electric signal having information of a frequency shift amount of the fourth optical signal with respect to the second optical signal by optical heterodyne detection, and the second electric signal is calculated based on the frequency shift amount. 2. The gas detection system according to claim 1, wherein the detection result of the gas calculated from the first electric signal is compensated based on the temperature.

(付記3)
前記受信手段に備えられた第1の光検出手段及び第2の光検出手段と、
前記第3の光信号が前記第1の光検出手段で受信され、前記第4の光信号が前記第2の光検出手段で受信されるように接続された、前記第3及び第4の光信号を分離する波長合分波フィルタをさらに備える、付記1又は2に記載されたガス検知システム。
(Appendix 3)
A first light detection unit and a second light detection unit provided in the reception unit;
The third and fourth lights connected so that the third light signal is received by the first light detection means and the fourth light signal is received by the second light detection means. 3. The gas detection system according to claim 1, further comprising a wavelength multiplexing / demultiplexing filter that separates signals.

(付記4)
前記送信手段は、前記第1の時間帯には前記第1の光信号を生成し、前記第2の時間帯には前記第2の光信号を生成するように前記光波長変調手段を制御する時間制御手段を備え、
前記受信手段は前記第3及び第4の光信号を受光する第3の光検出手段を備える、
付記1又は2に記載されたガス検知システム。
(Appendix 4)
The transmitting unit controls the optical wavelength modulation unit so as to generate the first optical signal in the first time zone and generate the second optical signal in the second time zone. Equipped with time control means,
The receiving means includes third light detecting means for receiving the third and fourth optical signals,
A gas detection system according to claim 1 or 2.

(付記5)
前記時間制御手段は、前記受信手段を、前記第3の光信号を受信する場合には前記第1の電気信号に基づいて前記検知結果を出力させ、前記第4の光信号を受信する場合には前記第2の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出させるように制御する、付記4に記載されたガス検知システム。
(Appendix 5)
The time control means causes the reception means to output the detection result based on the first electric signal when receiving the third optical signal, and to output the detection result when receiving the fourth optical signal. The gas detection system according to claim 4, wherein the control is performed such that a temperature corresponding to the sensor head is calculated based on the second electric signal.

(付記6)
前記第1の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させ、前記第2の変調は前記パルス光の波長を前記第1の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせる、付記1乃至5のいずれかに記載されたガス検知システム。
(Appendix 6)
The first modulation monotonously changes the wavelength of the pulse light with the passage of time, and the second modulation shifts the wavelength of the pulse light in a direction opposite to the change in the wavelength of the first optical signal. , The gas detection system according to any one of supplementary notes 1 to 5.

(付記7)
パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号を生成し、
前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を生成し、
前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力し、
センサヘッドにおいて、前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成し、
前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
ガス検知方法。
(Appendix 7)
Generating a first optical signal in which a first modulation is performed in a first time zone with respect to a wavelength of the pulse light;
Generating a second optical signal that is subjected to a second modulation in a second time zone with respect to the wavelength of the pulse light;
Outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line;
In the sensor head, the first optical signal is propagated in the atmosphere, the first optical signal propagated in the air is received as a third optical signal, and converted into a first electric signal. A predetermined type of gas contained in the atmosphere is detected for each of the sensor heads based on a temporal change in the amplitude of the electric signal to generate a detection result of the gas,
A fourth light signal, which is scattered light of the second light signal, is received and converted into a second electric signal, and based on a temperature corresponding to the sensor head calculated based on the second electric signal. And compensating the detection result of the gas calculated from the first electric signal,
Gas detection method.

(付記8)
光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、
前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
付記7に記載されたガス検知方法。
(Appendix 8)
Generating the second electric signal having information on a frequency shift amount of the fourth optical signal with respect to the second optical signal by optical heterodyne detection;
Compensating the detection result of the gas calculated from the first electric signal based on the temperature calculated based on the frequency shift amount,
A gas detection method according to attachment 7.

(付記9)
前記第3及び第4の光信号を分離し、
前記第3の光信号を第1の光検出手段で受信し、
前記第4の光信号を第2の光検出手段で受信する、
付記7又は8に記載されたガス検知方法。
(Appendix 9)
Separating the third and fourth optical signals,
Receiving the third light signal by first light detection means;
Receiving the fourth optical signal by second optical detection means;
A gas detection method described in Supplementary Note 7 or 8.

(付記10)
時間制御手段によって、前記第1の時間帯には前記第1の光信号を生成し、
前記第2の時間帯には前記第2の光信号を生成する、
付記7又は8に記載されたガス検知方法。
(Appendix 10)
By the time control means, the first optical signal is generated in the first time zone,
Generating the second optical signal in the second time period;
A gas detection method described in Supplementary Note 7 or 8.

(付記11)
前記時間制御手段によって、前記第3の光信号を受信する場合には前記第1の電気信号に基づいて前記検知結果を出力し、前記第4の光信号を受信する場合には前記第2の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出する、
付記10に記載されたガス検知方法。
(Appendix 11)
The time control means outputs the detection result based on the first electric signal when receiving the third optical signal, and outputs the second detection signal when receiving the fourth optical signal. Calculating a temperature corresponding to the sensor head based on the electric signal,
A gas detection method described in Supplementary Note 10.

(付記12)
前記第1の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させ、前記第2の変調は前記パルス光の波長を前記第1の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせる、付記7乃至11のいずれかに記載されたガス検知装置の制御方法。
(Appendix 12)
The first modulation monotonously changes the wavelength of the pulse light with the passage of time, and the second modulation shifts the wavelength of the pulse light in a direction opposite to the change in the wavelength of the first optical signal. , The control method of the gas detection device according to any one of supplementary notes 7 to 11.

(付記13)
ガス検知システムが備えるコンピュータに、
パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号を生成する手順、
前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を生成する手順、
前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する手順、
センサヘッドにおいて、前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として受光して第1の電気信号に変換する手順、
前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成する手順、
前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換する手順、
前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する手順、
を実行させるためのガス検知システムの制御プログラム。
(Appendix 13)
The computer equipped with the gas detection system
Generating a first optical signal that is subjected to a first modulation in a first time zone with respect to a wavelength of the pulse light;
Generating a second optical signal in which a second modulation is performed in a second time zone with respect to the wavelength of the pulse light;
Outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line,
A step of, in the sensor head, transmitting the first optical signal in the atmosphere, receiving the first optical signal propagated in the atmosphere as a third optical signal, and converting the third optical signal into a first electrical signal;
A step of detecting a predetermined type of gas contained in the atmosphere for each of the sensor heads based on a temporal change in the amplitude of the first electric signal and generating a detection result of the gas;
Receiving a fourth optical signal, which is scattered light of the second optical signal, and converting the fourth optical signal into a second electrical signal;
A step of compensating the detection result of the gas calculated from the first electric signal based on a temperature corresponding to the sensor head calculated based on the second electric signal;
Control program of the gas detection system to execute the program.

(付記14)
光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成する手順、
前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する手順、
をさらに実行させる、付記13に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
(Appendix 14)
Generating the second electric signal having information on the amount of frequency shift of the fourth optical signal with respect to the second optical signal by optical heterodyne detection;
A step of compensating the detection result of the gas calculated from the first electric signal based on the temperature calculated based on the frequency shift amount;
The control program of the gas detection system according to supplementary note 13, further causing the program to execute.

(付記15)
前記第3及び第4の光信号を分離する手順、
前記第3の光信号を第1の光検出手段で受信する手順、
前記第4の光信号を第2の光検出手段で受信する手順、
をさらに実行させる、付記13又は14に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
(Appendix 15)
Separating the third and fourth optical signals;
Receiving the third optical signal by first optical detection means;
Receiving the fourth light signal by a second light detection means;
14. The control program for a gas detection system according to claim 13 or 14, further causing

(付記16)
さらに、
時間制御手段に、前記第1の時間帯には前記第1の光信号を生成する手順及び前記第2の時間帯には前記第2の光信号を生成する手順、
を実行させる、付記13又は14に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
(Appendix 16)
further,
A time controlling means for generating the first optical signal in the first time zone and generating the second optical signal in the second time zone;
The control program of the gas detection system according to Supplementary Note 13 or 14, which executes

(付記17)
前記時間制御手段に、前記第3の光信号を受信する場合には前記第1の電気信号に基づいて前記検知結果を出力する手順、前記第4の光信号を受信する場合には前記第2の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出する手順、
をさらに実行させる、付記16に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
(Appendix 17)
The time control means includes a step of outputting the detection result based on the first electric signal when receiving the third optical signal, and a step of outputting the second detection signal when receiving the fourth optical signal. Calculating a temperature corresponding to the sensor head based on the electrical signal of
The control program of the gas detection system according to supplementary note 16, further causing the computer to execute.

(付記18)
前記第1の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させるものであり、前記第2の変調は前記パルス光の波長を前記第1の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせるものである、付記13乃至17のいずれかに記載されたガス検知システムの制御プログラム。
(Appendix 18)
The first modulation changes the wavelength of the pulse light monotonically with time, and the second modulation changes the wavelength of the pulse light in a direction opposite to the change in the wavelength of the first optical signal. 18. The control program for a gas detection system according to any one of supplementary notes 13 to 17, wherein

(付記19)
パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として出力するセンサヘッドから前記第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
を備えるガス検知装置。
(Appendix 19)
A first optical signal that has been subjected to a first modulation in a first time zone with respect to the wavelength of the pulse light, and a second optical signal that has been subjected to a second modulation in a second time zone with respect to the wavelength of the pulse light Transmitting means for generating the second optical signal by an optical wavelength modulation means, and outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line;
Receiving the third optical signal from a sensor head that propagates the first optical signal in the atmosphere and outputs the first optical signal propagated in the atmosphere as a third optical signal; Converting the signal into a signal, detecting a predetermined type of gas contained in the atmosphere for each of the sensor heads based on a temporal change in the amplitude of the first electric signal, and generating a detection result of the gas, A fourth light signal, which is scattered light of the second light signal, is received and converted into a second electric signal, and based on a temperature corresponding to the sensor head calculated based on the second electric signal. Receiving means for compensating the gas detection result calculated from the first electric signal,
A gas detection device comprising:

(付記20)
前記受信手段は、光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、付記19に記載されたガス検知装置。
(Appendix 20)
The receiving means generates the second electric signal having information of a frequency shift amount of the fourth optical signal with respect to the second optical signal by optical heterodyne detection, and the second electric signal is calculated based on the frequency shift amount. 20. The gas detection device according to claim 19, wherein the gas detection device compensates the detection result of the gas calculated from the first electric signal based on the temperature.

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得るさまざまな変更をすることができる。また、各実施形態の構成要素は、矛盾がない限り組み合わせることができる。   Although the present invention has been described with reference to the exemplary embodiments, the present invention is not limited to the above exemplary embodiments. Various changes that can be understood by those skilled in the art can be made to the configuration and details of the present invention within the scope of the present invention. The components of each embodiment can be combined as long as there is no contradiction.

本願発明は、ガス濃度の測定システムに適用できる。特に、広いエリアの多地点のガス濃度情報を遠隔から測定するようなシステムに適用できる。   The present invention is applicable to a gas concentration measurement system. In particular, the present invention can be applied to a system that remotely measures gas concentration information at multiple points in a wide area.

1、2 ガス検知システム
21〜28、31〜34、41、42、44 光信号
110、1110、1220 制御装置
111 レーザダイオード
112 レーザダイオードドライバ
113、1212、1242 光強度変調器
114 光波長変調器
115、1213、1243 光サーキュレータ
116、211、1214、1217 光検出器
117、212、1215、1218 信号処理部
118 時間制御部
120、120−1〜120−n 光ファイバ
121、121−1〜120−m 光カプラ
122 温度測定受信器
130、130−1〜130−n センサヘッド
131 レンズ
132 ミラー
201 可変オシレータ
203 位相シフタ
204 光SSB変調器
205 制御部
210、1210、1230、1240 温度測定装置
220、1250 波長合分波フィルタ
800 ガス検知装置
801 送信部
802 受信部
901、902 ガス検知システム
1211、1241 光源
1219、1270 光ファイバ伝送路
1260 センサネットワーク
1, 2 Gas detection system 21 to 28, 31 to 34, 41, 42, 44 Optical signal 110, 1110, 1220 Controller 111 Laser diode 112 Laser diode driver 113, 1212, 1242 Optical intensity modulator 114 Optical wavelength modulator 115 , 1213, 1243 Optical circulator 116, 211, 1214, 1217 Photodetector 117, 212, 1215, 1218 Signal processing unit 118 Time control unit 120, 120-1 to 120-n Optical fiber 121, 121-1 to 120-m Optical coupler 122 Temperature measuring receiver 130, 130-1 to 130-n Sensor head 131 Lens 132 Mirror 201 Variable oscillator 203 Phase shifter 204 Optical SSB modulator 205 Controller 210, 1210, 1230, 1240 Temperature measuring device 2 0,1250 WDM filter 800 gas detector 801 transmitting unit 802 receiving unit 901 Gas detection systems 1211,1241 source 1219,1270 optical fiber transmission line 1260 Sensor Networks

Claims (10)

パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
前記第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
前記光ファイバ伝送路を分岐するとともに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記送信手段と前記センサヘッドとを接続し、さらに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記センサヘッドと前記受信手段とを接続する分岐手段と、
を備えるガス検知システム。
A first optical signal that has been subjected to a first modulation in a first time zone with respect to the wavelength of the pulse light, and a second optical signal that has been subjected to a second modulation in a second time zone with respect to the wavelength of the pulse light Transmitting means for generating the second optical signal by an optical wavelength modulation means, and outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line;
A plurality of sensor heads for transmitting the first optical signal in the atmosphere and outputting the first optical signal propagated in the atmosphere as a third optical signal;
The third optical signal is received and converted into a first electric signal, and a predetermined type of gas contained in the atmosphere is detected for each of the sensor heads based on a temporal change in the amplitude of the first electric signal. And generates a detection result of the gas, receives a fourth optical signal that is scattered light of the second optical signal, converts the fourth optical signal into a second electrical signal, and generates a second electrical signal based on the second electrical signal. Receiving means for compensating the detection result of the gas calculated from the first electric signal based on the temperature corresponding to the sensor head calculated in the above manner;
Branching the optical fiber transmission line, connecting the transmitting means and the sensor head via the branched optical fiber transmission line, and further, the sensor head and the sensor head via the branched optical fiber transmission line Branching means for connecting the receiving means,
Gas detection system comprising:
前記受信手段は、光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの前記検知結果を補償する、請求項1に記載されたガス検知システム。   The receiving means generates the second electric signal having information of a frequency shift amount of the fourth optical signal with respect to the second optical signal by optical heterodyne detection, and the second electric signal is calculated based on the frequency shift amount. The gas detection system according to claim 1, wherein the detection result of the gas calculated from the first electric signal is compensated based on a temperature. 前記受信手段に備えられた第1の光検出手段及び第2の光検出手段と、
前記第3の光信号が前記第1の光検出手段で受信され、前記第4の光信号が前記第2の光検出手段で受信されるように接続された、前記第3及び第4の光信号を分離する波長合分波フィルタをさらに備える、請求項1又は2に記載されたガス検知システム。
A first light detection unit and a second light detection unit provided in the reception unit;
The third and fourth lights connected so that the third light signal is received by the first light detection means and the fourth light signal is received by the second light detection means. The gas detection system according to claim 1, further comprising a wavelength multiplexing / demultiplexing filter that separates a signal.
前記送信手段は、前記第1の時間帯には前記第1の光信号を生成し、前記第2の時間帯には前記第2の光信号を生成するように前記光波長変調手段を制御する時間制御手段を備え、
前記受信手段は前記第3及び第4の光信号を受光する第3の光検出手段を備える、
請求項1又は2に記載されたガス検知システム。
The transmitting unit controls the optical wavelength modulation unit so as to generate the first optical signal in the first time zone and generate the second optical signal in the second time zone. Equipped with time control means,
The receiving means includes third light detecting means for receiving the third and fourth optical signals,
The gas detection system according to claim 1.
前記時間制御手段は、前記受信手段を、前記第3の光信号を受信する場合には前記第1の電気信号に基づいて前記検知結果を出力させ、前記第4の光信号を受信する場合には前記第2の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出させるように制御する、請求項4に記載されたガス検知システム。   The time control means causes the reception means to output the detection result based on the first electric signal when receiving the third optical signal, and to output the detection result when receiving the fourth optical signal. 5. The gas detection system according to claim 4, wherein the controller controls the temperature corresponding to the sensor head to be calculated based on the second electric signal. 6. 前記第1の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させ、前記第2の変調は前記パルス光の波長を前記第1の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせる、請求項1乃至5のいずれかに記載されたガス検知システム。   The first modulation monotonously changes the wavelength of the pulse light with the passage of time, and the second modulation shifts the wavelength of the pulse light in a direction opposite to the change in the wavelength of the first optical signal. The gas detection system according to any one of claims 1 to 5. パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号を生成し、
前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を生成し、
前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力し、
センサヘッドにおいて、前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成し、
前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
ガス検知方法。
Generating a first optical signal in which a first modulation is performed in a first time zone with respect to a wavelength of the pulse light;
Generating a second optical signal that is subjected to a second modulation in a second time zone with respect to the wavelength of the pulse light;
Outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line;
In the sensor head, the first optical signal is propagated in the atmosphere, the first optical signal propagated in the atmosphere is received as a third optical signal, and converted into a first electrical signal. A predetermined type of gas contained in the atmosphere is detected for each of the sensor heads based on a temporal change in the amplitude of the electric signal to generate a detection result of the gas,
A fourth light signal, which is scattered light of the second light signal, is received and converted into a second electric signal, and based on a temperature corresponding to the sensor head calculated based on the second electric signal. And compensating the detection result of the gas calculated from the first electric signal,
Gas detection method.
光ヘテロダイン検波により前記第2の光信号に対する前記第4の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第2の電気信号を生成し、
前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
請求項7に記載されたガス検知方法。
Generating the second electric signal having information on a frequency shift amount of the fourth optical signal with respect to the second optical signal by optical heterodyne detection;
Compensating the detection result of the gas calculated from the first electric signal based on the temperature calculated based on the frequency shift amount,
A gas detection method according to claim 7.
前記第3及び第4の光信号を分離し、
前記第3の光信号を第1の光検出手段で受信し、
前記第4の光信号を第2の光検出手段で受信する、
請求項7又は8に記載されたガス検知方法。
Separating the third and fourth optical signals,
Receiving the third light signal by first light detection means;
Receiving the fourth optical signal by second optical detection means;
The gas detection method according to claim 7.
パルス光の波長に対して第1の時間帯に第1の変調が施された第1の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第2の時間帯に第2の変調が施された第2の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第1の光信号及び前記第2の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第1の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第1の光信号を第3の光信号として出力するセンサヘッドから前記第3の光信号を受光して第1の電気信号に変換し、前記第1の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第2の光信号の散乱光である第4の光信号を受光して第2の電気信号に変換し、前記第2の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第1の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
を備えるガス検知装置。
A first optical signal that has been subjected to a first modulation in a first time zone with respect to the wavelength of the pulse light, and a second optical signal that has been subjected to a second modulation in a second time zone with respect to the wavelength of the pulse light Transmitting means for generating the second optical signal by an optical wavelength modulation means, and outputting the first optical signal and the second optical signal to an optical fiber transmission line;
Receiving the third optical signal from a sensor head that propagates the first optical signal in the atmosphere and outputs the first optical signal propagated in the atmosphere as a third optical signal; Converting the signal into a signal, detecting a predetermined type of gas contained in the atmosphere for each of the sensor heads based on a temporal change in the amplitude of the first electric signal, and generating a detection result of the gas, A fourth light signal, which is scattered light of the second light signal, is received and converted into a second electric signal, and based on a temperature corresponding to the sensor head calculated based on the second electric signal. Receiving means for compensating the gas detection result calculated from the first electric signal,
A gas detection device comprising:
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