JPH1123450A - ガス濃度検知方法及び装置 - Google Patents
ガス濃度検知方法及び装置Info
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- JPH1123450A JPH1123450A JP18330997A JP18330997A JPH1123450A JP H1123450 A JPH1123450 A JP H1123450A JP 18330997 A JP18330997 A JP 18330997A JP 18330997 A JP18330997 A JP 18330997A JP H1123450 A JPH1123450 A JP H1123450A
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Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 高分解能を有する分光器や狭帯域干渉フィル
タ等の如き精密かつ複雑な波長弁別器を用いることなく
共鳴状態の信号と非共鳴状態の信号とを分離して得るこ
とができ、しかも、照射大気のゆらぎやレーザー強度の
ふらつきの影響を受けることなくガス濃度の計測を行な
うことができるようにする。 【解決手段】 広帯域レーザー光１を計測対象領域２に
照射する照射工程と、計測対象領域２から後方に向けて
散乱される後方散乱光４を集光する集光工程と、後方散
乱光４を２つの光線６ａ，６ｂに分割する分割工程と、
一方の光線６ａを高濃度の計測対象気体中に透過させて
第１の光検知器１０ａに導入すると共に、他方の光線６
ｂをそのまま第２の光検知手段１０ｂに導入する導入工
程と、光検知手段１０ａ，１０ｂにてそれぞれ検知され
た後方散乱光強度に基づいて計測対象領域２におけるガ
ス平均濃度を計算する計算工程とを順次に施行する。
タ等の如き精密かつ複雑な波長弁別器を用いることなく
共鳴状態の信号と非共鳴状態の信号とを分離して得るこ
とができ、しかも、照射大気のゆらぎやレーザー強度の
ふらつきの影響を受けることなくガス濃度の計測を行な
うことができるようにする。 【解決手段】 広帯域レーザー光１を計測対象領域２に
照射する照射工程と、計測対象領域２から後方に向けて
散乱される後方散乱光４を集光する集光工程と、後方散
乱光４を２つの光線６ａ，６ｂに分割する分割工程と、
一方の光線６ａを高濃度の計測対象気体中に透過させて
第１の光検知器１０ａに導入すると共に、他方の光線６
ｂをそのまま第２の光検知手段１０ｂに導入する導入工
程と、光検知手段１０ａ，１０ｂにてそれぞれ検知され
た後方散乱光強度に基づいて計測対象領域２におけるガ
ス平均濃度を計算する計算工程とを順次に施行する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はレーザー後方散乱光
検知機構を有するガス濃度検知装置に関するものであ
る。
検知機構を有するガス濃度検知装置に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】特定波長の単色光がある特定の気体に吸
収され易いことを利用したガスセンシング技術は、工業
計測，公害監視などに広く用いられている。特に、波長
の異なる２種類の高強度パルスレーザー光を大気中に照
射し、両者の後方散乱光強度の時間変化の差異から、特
定ガス種の濃度及びその分布を導出（検知）する手法
は、差分吸収ライダー（ＤＩＡＬ）として知られてお
り、大気圏上層部や成層圏におけるオゾン，水の分布の
計測，都市部での炭酸ガス，ＳＯX ，ＮＯX の計測に用
いられている。
収され易いことを利用したガスセンシング技術は、工業
計測，公害監視などに広く用いられている。特に、波長
の異なる２種類の高強度パルスレーザー光を大気中に照
射し、両者の後方散乱光強度の時間変化の差異から、特
定ガス種の濃度及びその分布を導出（検知）する手法
は、差分吸収ライダー（ＤＩＡＬ）として知られてお
り、大気圏上層部や成層圏におけるオゾン，水の分布の
計測，都市部での炭酸ガス，ＳＯX ，ＮＯX の計測に用
いられている。
【０００３】図４は従来の差分吸収ライダーの全体シス
テムを示している。この差分吸収ライダーは、図４に示
すように、計測対象領域の目的気体の吸収線に共鳴させ
た吸収線幅程度の波長幅をもつ狭帯域レーザー光３０を
大気中に照射する第１のレーザー３１と、計測対象領域
の目的気体の吸収線に非共鳴の狭帯域レーザー光３２を
大気中に照射する第２のレーザー３３とそれぞれ具備し
ており、これらの第１及び第２のレーザー３１，３３か
ら照射される共鳴及び非共鳴の２種類の狭帯域レーザー
光すなわち共鳴レーザー光３０及び非共鳴レーザー光３
２が、レーザー光伝送・合成用ミラー３４，３５をそれ
ぞれ介して伝送されると共に互いに合成され、合成され
たレーザー光３６がレーザーミラー３７を介して計測対
象領域３８に照射されるように構成されている。
テムを示している。この差分吸収ライダーは、図４に示
すように、計測対象領域の目的気体の吸収線に共鳴させ
た吸収線幅程度の波長幅をもつ狭帯域レーザー光３０を
大気中に照射する第１のレーザー３１と、計測対象領域
の目的気体の吸収線に非共鳴の狭帯域レーザー光３２を
大気中に照射する第２のレーザー３３とそれぞれ具備し
ており、これらの第１及び第２のレーザー３１，３３か
ら照射される共鳴及び非共鳴の２種類の狭帯域レーザー
光すなわち共鳴レーザー光３０及び非共鳴レーザー光３
２が、レーザー光伝送・合成用ミラー３４，３５をそれ
ぞれ介して伝送されると共に互いに合成され、合成され
たレーザー光３６がレーザーミラー３７を介して計測対
象領域３８に照射されるように構成されている。
【０００４】そして、この計測対象領域３８から後方散
乱されてくる光（後方散乱光）３９は、レーザー光３６
と光軸を合せた望遠鏡４０にて集光され、光電子増倍
管，フォトダイオード等から成る光検知器４１、及びア
ンプ４２を含んだ光検知系で検知する。なお、必要であ
れば分光器，干渉フィルタ等から成る波長弁別器４３を
図４に示す如く前記光検知系に入れ、外光の影響を少な
くする。かくして、この信号を信号処理部（制御部）４
４に送り、濃度分布を導出（計算）する。なお、共鳴レ
ーザー光３０と非共鳴レーザー光３２は、１台の装置で
時間的にずらして発振させることも可能である。
乱されてくる光（後方散乱光）３９は、レーザー光３６
と光軸を合せた望遠鏡４０にて集光され、光電子増倍
管，フォトダイオード等から成る光検知器４１、及びア
ンプ４２を含んだ光検知系で検知する。なお、必要であ
れば分光器，干渉フィルタ等から成る波長弁別器４３を
図４に示す如く前記光検知系に入れ、外光の影響を少な
くする。かくして、この信号を信号処理部（制御部）４
４に送り、濃度分布を導出（計算）する。なお、共鳴レ
ーザー光３０と非共鳴レーザー光３２は、１台の装置で
時間的にずらして発振させることも可能である。
【０００５】ここで、差分吸収ライダーによるガス濃度
検知の原理について概説すると、次の通りである。
検知の原理について概説すると、次の通りである。
【０００６】光源及び検知部から距離Ｒだけ離れた位置
からの後方散乱光強度Ｐ（Ｒ）は、次のレーザーレーダ
方程式で与えられる。
からの後方散乱光強度Ｐ（Ｒ）は、次のレーザーレーダ
方程式で与えられる。
【数１】 但し、Ｐ0 ；パルス光の出力（Ｗ）。 τ；パルス
時間幅。（Ｐ0 τがパルス出力（Ｊ）となる。） ｌ＝ cτ／２；レーザーパルス空間長の半分（ｍ）。 ｃ；光速（ｍ／ｓ）。 Ｋ；送・受信光学
系の全効率（−） Ｔ（Ｒ）；大気の透過率（−）。 β（Ｒ）；散乱体の体積後方散乱係数（sr-1・ｍ-1）。 Ａr ；受信光学系の開口面積（ｍ2 ）。 Ｙ（Ｒ）；送信ビームと受信視野の重なりを示すパラメ
ータ。 （レーザーと受信光が同軸の場合は１である。）
時間幅。（Ｐ0 τがパルス出力（Ｊ）となる。） ｌ＝ cτ／２；レーザーパルス空間長の半分（ｍ）。 ｃ；光速（ｍ／ｓ）。 Ｋ；送・受信光学
系の全効率（−） Ｔ（Ｒ）；大気の透過率（−）。 β（Ｒ）；散乱体の体積後方散乱係数（sr-1・ｍ-1）。 Ａr ；受信光学系の開口面積（ｍ2 ）。 Ｙ（Ｒ）；送信ビームと受信視野の重なりを示すパラメ
ータ。 （レーザーと受信光が同軸の場合は１である。）
【０００７】上記（１）式のうち、Ｔ（Ｒ）以外の項は
共鳴、非共鳴のレーザー光波長がほぼ同じ場合には、非
常に良い近似で等しいとみなせる。また、Ｔ（Ｒ）は共
鳴、非共鳴に対し各々、下記（２）、（３）式で表わせ
る。
共鳴、非共鳴のレーザー光波長がほぼ同じ場合には、非
常に良い近似で等しいとみなせる。また、Ｔ（Ｒ）は共
鳴、非共鳴に対し各々、下記（２）、（３）式で表わせ
る。
【数２】
【外１】
【０００８】また、共鳴、非共鳴時のレーザーによる吸
収断面積をσon，σoff とすると、
収断面積をσon，σoff とすると、
【数３】 である。但し、ｎ（Ｒ）はＲ位置でのターゲット分子の
密度（ｍ-3）を示す。
密度（ｍ-3）を示す。
【０００９】上記（２）〜（５）式を上記（１）式に代
入すれば、
入すれば、
【数４】 となる。
【００１０】実際に、時間ｔとｔ＋Δｔに検知器に到達
する光子による出力は、Δｔがレーザー時間幅τよりも
充分長いとすれば、
する光子による出力は、Δｔがレーザー時間幅τよりも
充分長いとすれば、
【数５】 より、次式で与えられる。
【数６】 但し、Ｐｈon（ｔ）及びＰｈon（ｔ＋Δｔ）は共鳴時の
時間ｔ及びｔ＋Δｔにおける出力、Ｐｈoff （ｔ）及び
Ｐｈoff （ｔ＋Δｔ）は非共鳴時の時間ｔ及びｔ＋Δｔ
における出力である。
時間ｔ及びｔ＋Δｔにおける出力、Ｐｈoff （ｔ）及び
Ｐｈoff （ｔ＋Δｔ）は非共鳴時の時間ｔ及びｔ＋Δｔ
における出力である。
【００１１】ここで、Ｉ（ｔ）を下記（１１）式のよう
に定義し、上記（６）、（７）式を代入して計算すれ
ば、
に定義し、上記（６）、（７）式を代入して計算すれ
ば、
【数７】 となる。
【００１２】よって、共鳴、非共鳴時のレーザーによる
吸収断面積σon，σoff が既知であり、かつ、時間ｔと
ｔ＋Δｔとでの信号が精度よく得られれば、上記（１
２）式から距離Ｒ〜Ｒ＋ΔＲ間の平均密度ｎ（Ｒ）（す
なわち、ターゲット分子の密度）を求めることができ
る。
吸収断面積σon，σoff が既知であり、かつ、時間ｔと
ｔ＋Δｔとでの信号が精度よく得られれば、上記（１
２）式から距離Ｒ〜Ｒ＋ΔＲ間の平均密度ｎ（Ｒ）（す
なわち、ターゲット分子の密度）を求めることができ
る。
【００１３】かくして、従来の差分吸収ライダーにあっ
ては、目的気体の吸収線に共鳴している波長のレーザー
光と、非共鳴のレーザー光の２波長の光線を大気中に照
射し、後方散乱信号（後方散乱光）の時間変化を検知
し、前記（１１），（１２）式からガス平均濃度（濃度
分布）を求めるようにしている。
ては、目的気体の吸収線に共鳴している波長のレーザー
光と、非共鳴のレーザー光の２波長の光線を大気中に照
射し、後方散乱信号（後方散乱光）の時間変化を検知
し、前記（１１），（１２）式からガス平均濃度（濃度
分布）を求めるようにしている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この種
のシステムでは、計測対象領域にある目的気体の吸収線
に共鳴したものと、非共鳴のものの異なる２つの波長の
レーザー光を大気中に照射する必要があるため、２台の
レーザー発振器を使用するか、又は１台のレーザー発振
器で波長の異なるレーザー光を時間的にずらして発振さ
せ、大気中に照射する必要があり、装置が複雑でかつ大
型になるという問題があった。
のシステムでは、計測対象領域にある目的気体の吸収線
に共鳴したものと、非共鳴のものの異なる２つの波長の
レーザー光を大気中に照射する必要があるため、２台の
レーザー発振器を使用するか、又は１台のレーザー発振
器で波長の異なるレーザー光を時間的にずらして発振さ
せ、大気中に照射する必要があり、装置が複雑でかつ大
型になるという問題があった。
【００１５】また、１台のレーザー発振器で波長の異な
るレーザー光を時間的にずらして発振させる場合には、
２波長のレーザー光を時間的にずらして照射するため大
気のゆらぎ等で、導出されるガス平均濃度に誤差が含ま
れるという問題もある。
るレーザー光を時間的にずらして発振させる場合には、
２波長のレーザー光を時間的にずらして照射するため大
気のゆらぎ等で、導出されるガス平均濃度に誤差が含ま
れるという問題もある。
【００１６】また、２台のレーザー発振器を用い、これ
らのレーザー発振器から２つの波長の狭帯域レーザー光
（共鳴レーザー光３０及び非共鳴レーザー光３２）を同
時に空間に照射する場合には、その共鳴波長と非共鳴波
長が光器や干渉フィルタで分別できる程度以上に離れて
いる必要があり、大気の散乱係数が２つの波長で異なっ
てくる可能性があるため、導出されるガス平均濃度（濃
度分布）に系統的な誤差が含まれる可能性がある。
らのレーザー発振器から２つの波長の狭帯域レーザー光
（共鳴レーザー光３０及び非共鳴レーザー光３２）を同
時に空間に照射する場合には、その共鳴波長と非共鳴波
長が光器や干渉フィルタで分別できる程度以上に離れて
いる必要があり、大気の散乱係数が２つの波長で異なっ
てくる可能性があるため、導出されるガス平均濃度（濃
度分布）に系統的な誤差が含まれる可能性がある。
【００１７】本発明は、このような問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的は、高分解能を有する分光
器や狭帯域干渉フィルタ等の如き精密かつ複雑な波長弁
別器を用いることなく共鳴状態の信号と非共鳴状態の信
号とを分離して得ることができ、しかも、照射大気のゆ
らぎやレーザー強度のふらつきの影響を受けることなく
ガス濃度の計測を行なうことができるガス濃度検知方法
及び装置を提供することにある。
れたものであって、その目的は、高分解能を有する分光
器や狭帯域干渉フィルタ等の如き精密かつ複雑な波長弁
別器を用いることなく共鳴状態の信号と非共鳴状態の信
号とを分離して得ることができ、しかも、照射大気のゆ
らぎやレーザー強度のふらつきの影響を受けることなく
ガス濃度の計測を行なうことができるガス濃度検知方法
及び装置を提供することにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
めに、本発明に係るガス濃度検知方法では、（ａ） 広
帯域レーザー光を計測対象領域に照射する照射工程と、
（ｂ） 前記計測対象領域から後方に向けて散乱される
後方散乱光を集光する集光工程と、（ｃ） 前記後方散
乱光を２つの光線に分割する分割工程と、（ｄ） 前記
分割された光線のうちの一方の光線を高濃度の計測対象
気体中に透過させて第１の光検知器に導入すると共に、
前記分割された光線のうちの他方の光線をそのまま第２
の光検知手段に導入する導入工程と、（ｅ） 前記第１
及び第２の光検知手段にてそれぞれ検知された後方散乱
光強度に基づいて計測対象領域におけるガス平均濃度を
計算する計算工程と、を順次に施行するようにしてい
る。
めに、本発明に係るガス濃度検知方法では、（ａ） 広
帯域レーザー光を計測対象領域に照射する照射工程と、
（ｂ） 前記計測対象領域から後方に向けて散乱される
後方散乱光を集光する集光工程と、（ｃ） 前記後方散
乱光を２つの光線に分割する分割工程と、（ｄ） 前記
分割された光線のうちの一方の光線を高濃度の計測対象
気体中に透過させて第１の光検知器に導入すると共に、
前記分割された光線のうちの他方の光線をそのまま第２
の光検知手段に導入する導入工程と、（ｅ） 前記第１
及び第２の光検知手段にてそれぞれ検知された後方散乱
光強度に基づいて計測対象領域におけるガス平均濃度を
計算する計算工程と、を順次に施行するようにしてい
る。
【００１９】また、本発明に係るガス濃度検知装置で
は、広帯域レーザー光を計測対象領域に照射するレーザ
ー光照射機構と、前記広帯域レーザー光が照射された計
測対象領域からの後方散乱光を集光する集光機構と、こ
の集光機構にて集光された後方散乱光を２つの光線に分
割するビームスプリッタと、高濃度の計測対象気体が充
填されたのもであってかつ前記ビームスプリッタにて分
割された光線のうちの一方の光線が透過される飽和吸収
セルと、この飽和吸収セルを透過した光線、及び、前記
ビームスプリッタにて分割された光線のうちの他方の光
線がそれぞれ導入される第１及び第２の光検知器と、こ
れらの第１及び第２の光検知器から得られる後方散乱光
強度に基づいて計測対象領域におけるガス平均濃度を計
算する信号処理部とをそれぞれ具備するようにしてい
る。
は、広帯域レーザー光を計測対象領域に照射するレーザ
ー光照射機構と、前記広帯域レーザー光が照射された計
測対象領域からの後方散乱光を集光する集光機構と、こ
の集光機構にて集光された後方散乱光を２つの光線に分
割するビームスプリッタと、高濃度の計測対象気体が充
填されたのもであってかつ前記ビームスプリッタにて分
割された光線のうちの一方の光線が透過される飽和吸収
セルと、この飽和吸収セルを透過した光線、及び、前記
ビームスプリッタにて分割された光線のうちの他方の光
線がそれぞれ導入される第１及び第２の光検知器と、こ
れらの第１及び第２の光検知器から得られる後方散乱光
強度に基づいて計測対象領域におけるガス平均濃度を計
算する信号処理部とをそれぞれ具備するようにしてい
る。
【００２０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施態様につい
て図１〜図３を参照して説明する。
て図１〜図３を参照して説明する。
【００２１】図１は本発明の一実施形態に係るガス濃度
検知方法を施行するために用いられるガス濃度検知装置
の全体システムを示すものである。図１に示すガス濃度
検知装置は、波長幅が吸収線幅より広い広帯域幅の広帯
域レーザー光１を計測対象領域２に照射するレーザー光
照射機構３と、広帯域レーザ−光１が照射された計測対
象領域２からの後方散乱光４を集光する集光機構５と、
この集光機構５にて集光された後方散乱光４を２つの光
線６ａ，６ｂに分割するビームスプリッタ７と、高濃度
の計測対象気体（目的気体）が充填されたのもであって
かつビームスプリッタ７にて分割された光線６ａ，６ｂ
のうちの一方の光線６ａが透過される飽和吸収セル８
と、この飽和吸収セル８を透過した光線９、及び、ビー
ムスプリッタ８にて分割された光線６ａ，６ｂのうちの
他方の光線６ｂがそれぞれ導入される第１及び第２の光
検知器１０ａ，１０ｂと、これらの第１及び第２の光検
知器１０ａ，１０ｂから得られる後方散乱光強度に基づ
いて計測対象領域２におけるガス平均濃度を計算する計
算部を含む信号処理部１１とをそれぞれ具備している。
検知方法を施行するために用いられるガス濃度検知装置
の全体システムを示すものである。図１に示すガス濃度
検知装置は、波長幅が吸収線幅より広い広帯域幅の広帯
域レーザー光１を計測対象領域２に照射するレーザー光
照射機構３と、広帯域レーザ−光１が照射された計測対
象領域２からの後方散乱光４を集光する集光機構５と、
この集光機構５にて集光された後方散乱光４を２つの光
線６ａ，６ｂに分割するビームスプリッタ７と、高濃度
の計測対象気体（目的気体）が充填されたのもであって
かつビームスプリッタ７にて分割された光線６ａ，６ｂ
のうちの一方の光線６ａが透過される飽和吸収セル８
と、この飽和吸収セル８を透過した光線９、及び、ビー
ムスプリッタ８にて分割された光線６ａ，６ｂのうちの
他方の光線６ｂがそれぞれ導入される第１及び第２の光
検知器１０ａ，１０ｂと、これらの第１及び第２の光検
知器１０ａ，１０ｂから得られる後方散乱光強度に基づ
いて計測対象領域２におけるガス平均濃度を計算する計
算部を含む信号処理部１１とをそれぞれ具備している。
【００２２】上述のレーザー光照射機構２は、広帯域レ
ーザー光１を大気中に照射する１台のレーザー１２と、
このレーザー１２から照射された広帯域レーザー光１を
計測対象領域２に向けて屈折させるレーザーミラー１３
ａ，１３ｂとから構成されている。本例のレーザー１２
は、目的とする気体の吸収線の共鳴位置に同調させたも
のであって、波長幅が吸収線幅より広い広帯域幅の広帯
域レーザー光２を発振して大気中に照射する装置であ
る。また、前記集光機構４は、計測対象領域２からの後
方散乱光４を集光する望遠鏡１４と、この望遠鏡１４に
て集光された光線を所定径のビームに収束してビームス
プリッタ７に送る収束レンズ１５とから構成されてい
る。
ーザー光１を大気中に照射する１台のレーザー１２と、
このレーザー１２から照射された広帯域レーザー光１を
計測対象領域２に向けて屈折させるレーザーミラー１３
ａ，１３ｂとから構成されている。本例のレーザー１２
は、目的とする気体の吸収線の共鳴位置に同調させたも
のであって、波長幅が吸収線幅より広い広帯域幅の広帯
域レーザー光２を発振して大気中に照射する装置であ
る。また、前記集光機構４は、計測対象領域２からの後
方散乱光４を集光する望遠鏡１４と、この望遠鏡１４に
て集光された光線を所定径のビームに収束してビームス
プリッタ７に送る収束レンズ１５とから構成されてい
る。
【００２３】さらに、ビームスプリッタ７にて２分割さ
れる光線６ａ，６ｂの光路１６ａ，１６ｂのうちの一方
の光路１６ａ上には、前記飽和吸収セル８と、集光レン
ズ１７ａと、光電子増倍管，フォトダイオード等から成
る光検知器１０ａとが順次に配置されている。また、前
記光路１６ａ，１６ｂのうちの他方の光路１６ｂ上に
は、集光レンズ１７ｂと、光電子増倍管，フォトダイオ
ード等から成る光検知器１０ｂとが順次に配置されてい
る。そして、前記光検知器１０ａ，１０ｂからそれぞれ
得られる検知信号がアンプ１８ａ，１８ｂをそれぞれ介
して信号処理部１１の計算部に供給されるように構成さ
れている。この信号処理部１１は、アンプ１８ａ，１８
ｂから供給される信号に基づいてガス平均濃度の計算を
行なう信号処理機能を有し、かつ、計算により得られた
ガス平均濃度を画面に表示する機能を有すると共に、既
述のレーザー１２を制御する機能を有するものである。
れる光線６ａ，６ｂの光路１６ａ，１６ｂのうちの一方
の光路１６ａ上には、前記飽和吸収セル８と、集光レン
ズ１７ａと、光電子増倍管，フォトダイオード等から成
る光検知器１０ａとが順次に配置されている。また、前
記光路１６ａ，１６ｂのうちの他方の光路１６ｂ上に
は、集光レンズ１７ｂと、光電子増倍管，フォトダイオ
ード等から成る光検知器１０ｂとが順次に配置されてい
る。そして、前記光検知器１０ａ，１０ｂからそれぞれ
得られる検知信号がアンプ１８ａ，１８ｂをそれぞれ介
して信号処理部１１の計算部に供給されるように構成さ
れている。この信号処理部１１は、アンプ１８ａ，１８
ｂから供給される信号に基づいてガス平均濃度の計算を
行なう信号処理機能を有し、かつ、計算により得られた
ガス平均濃度を画面に表示する機能を有すると共に、既
述のレーザー１２を制御する機能を有するものである。
【００２４】次に、このような構成を有するガス濃度検
知装置の動作及び作用について述べると、以下の通りで
ある。まず、計測目的である気体の吸収線より広い広帯
域幅のレーザー光（広帯域レーザー光）１をレーザー１
２から照射すると、この照射された広帯域レーザー光１
がレーザーミラー１３ａ，１３ｂを介して屈曲されて計
測対象領域２中に照射される。そして、この計測対象領
域２からの後方散乱光４が望遠鏡１４で集光され、集光
された光がビームスプリッタ７により２つの光線６ａ，
６ｂに分割される。分割光線６ａ，６ｂのうちの一方の
光線６ａは、光路１６ａを通って、計測対象気体を含ん
だ飽和吸収セル８に導入され、この飽和吸収セル８の計
測対象気体中を透過した光線６ａが集光レンズ１７ａに
て集光されて第１の光検知器１０ａに入射される。一
方、分割光線６ａ，６ｂのうちの他方の光線６ｂは、光
路１６ｂを通り、集光レンズ１７ｂにて集光されてその
まま（既述の飽和吸収セル８等を介することなく）第２
の光検知器１０ｂに入射される。しかる後に、これらの
光検知器１０ａ，１０ｂからそれぞれ出力される検知信
号が信号処理部１１に供給され、これらの検知信号に基
づいた所定の計算（ガス平均濃度の算出のための演算）
が信号処理部１１の計算部１１ａにおいて行われてその
計算結果がガス平均濃度（濃度分布）として導出され
る。なお、そのガス平均濃度は信号処理部１１の画面
（図示せず）に表示される。
知装置の動作及び作用について述べると、以下の通りで
ある。まず、計測目的である気体の吸収線より広い広帯
域幅のレーザー光（広帯域レーザー光）１をレーザー１
２から照射すると、この照射された広帯域レーザー光１
がレーザーミラー１３ａ，１３ｂを介して屈曲されて計
測対象領域２中に照射される。そして、この計測対象領
域２からの後方散乱光４が望遠鏡１４で集光され、集光
された光がビームスプリッタ７により２つの光線６ａ，
６ｂに分割される。分割光線６ａ，６ｂのうちの一方の
光線６ａは、光路１６ａを通って、計測対象気体を含ん
だ飽和吸収セル８に導入され、この飽和吸収セル８の計
測対象気体中を透過した光線６ａが集光レンズ１７ａに
て集光されて第１の光検知器１０ａに入射される。一
方、分割光線６ａ，６ｂのうちの他方の光線６ｂは、光
路１６ｂを通り、集光レンズ１７ｂにて集光されてその
まま（既述の飽和吸収セル８等を介することなく）第２
の光検知器１０ｂに入射される。しかる後に、これらの
光検知器１０ａ，１０ｂからそれぞれ出力される検知信
号が信号処理部１１に供給され、これらの検知信号に基
づいた所定の計算（ガス平均濃度の算出のための演算）
が信号処理部１１の計算部１１ａにおいて行われてその
計算結果がガス平均濃度（濃度分布）として導出され
る。なお、そのガス平均濃度は信号処理部１１の画面
（図示せず）に表示される。
【００２５】ここで、本発明の実施形態に係る図１のガ
ス濃度検知装置及びこの装置を用いて施行されるガス濃
度検知方法の特徴について説明すると、次の通りであ
る。既述のように、従来の差分吸収ライダーでは、目的
気体の吸収線に共鳴している波長のレーザー光と、非共
鳴のレーザー光の２波長の光線を大気中に照射し、後方
散乱信号（後方散乱光）の時間変化を検知し、前記（１
１），（１２）式からガス平均濃度（濃度分布）を求め
る必要がある。これに対し、本発明では、２つの波長の
レーザー光を大気中に照射する代わりに、目的気体の吸
収線よりも広い波長幅をもった広帯域レーザー光を大気
中に照射することによって、２波長のレーザー光の照射
と同じ効果を得ることができるようにしたことに本発明
は特徴を有している。
ス濃度検知装置及びこの装置を用いて施行されるガス濃
度検知方法の特徴について説明すると、次の通りであ
る。既述のように、従来の差分吸収ライダーでは、目的
気体の吸収線に共鳴している波長のレーザー光と、非共
鳴のレーザー光の２波長の光線を大気中に照射し、後方
散乱信号（後方散乱光）の時間変化を検知し、前記（１
１），（１２）式からガス平均濃度（濃度分布）を求め
る必要がある。これに対し、本発明では、２つの波長の
レーザー光を大気中に照射する代わりに、目的気体の吸
収線よりも広い波長幅をもった広帯域レーザー光を大気
中に照射することによって、２波長のレーザー光の照射
と同じ効果を得ることができるようにしたことに本発明
は特徴を有している。
【００２６】以下、メタンν3 バンドを例として具体的
にその作用について図１を参照しつつ説明する。
にその作用について図１を参照しつつ説明する。
【００２７】図２は、１．６６μｍ付近にあるメタン２
ν3 バンドのＱ−ブランチのスペクトルを示すものであ
る。最も強いＱ（６）ラインに同調させた半値全幅２ｃ
ｍ-1程度のレーザー光を図１のレーザー１２で発振さ
せ、大気中（計測対象領域２）に照射する。後方散乱光
４として望遠鏡１４で集光されてビームスプリッタ７に
て分割された２光線６ａ，６ｂのうち、光路１６ａの光
線６ａは、高濃度メタンを充填した飽和吸収セル８を透
過して後、メタンによって吸収されない光が第１の光検
知器１０ａに集光される。そのスペクトルは、図３
（ａ）に示すように、メタンの吸収線に相当する周波数
のところが吸収され、後方散乱光強度がゼロになる。そ
れに対し、他方の光路１６ｂの光線６ｂのスペクトル
は、大気中のメタンにより吸収された部分がその濃度に
応じて減衰されて弱くなる（図３（ｂ）参照）。すなわ
ち、光路１６ａの信号（光線６ａ）は、メタンの吸収波
長を除いた非共鳴状態の後方散乱光強度に対応している
のに対し、光路１６ｂの信号（光線６ｂ）は、共鳴状態
と非共鳴状態の後方散乱光強度の和に対応する。
ν3 バンドのＱ−ブランチのスペクトルを示すものであ
る。最も強いＱ（６）ラインに同調させた半値全幅２ｃ
ｍ-1程度のレーザー光を図１のレーザー１２で発振さ
せ、大気中（計測対象領域２）に照射する。後方散乱光
４として望遠鏡１４で集光されてビームスプリッタ７に
て分割された２光線６ａ，６ｂのうち、光路１６ａの光
線６ａは、高濃度メタンを充填した飽和吸収セル８を透
過して後、メタンによって吸収されない光が第１の光検
知器１０ａに集光される。そのスペクトルは、図３
（ａ）に示すように、メタンの吸収線に相当する周波数
のところが吸収され、後方散乱光強度がゼロになる。そ
れに対し、他方の光路１６ｂの光線６ｂのスペクトル
は、大気中のメタンにより吸収された部分がその濃度に
応じて減衰されて弱くなる（図３（ｂ）参照）。すなわ
ち、光路１６ａの信号（光線６ａ）は、メタンの吸収波
長を除いた非共鳴状態の後方散乱光強度に対応している
のに対し、光路１６ｂの信号（光線６ｂ）は、共鳴状態
と非共鳴状態の後方散乱光強度の和に対応する。
【００２８】レーザー照射の時点から時間ｔを経過した
ときに第１及び第２の光検出器１０ａ，１０ｂよって検
知される後方散乱光強度を各々Ｉa t ，Ｉb t とすれ
ば、
ときに第１及び第２の光検出器１０ａ，１０ｂよって検
知される後方散乱光強度を各々Ｉa t ，Ｉb t とすれ
ば、
【数８】 である。但し、上記（１３）式及び（１４）式中のα，
βは、ビームスプリッタ７以降の光の全般効率、光検知
器１０ａ，１０ｂ及びアンプ１８ａ，１８ｂのゲイン等
に係わる比例定数を示す。
βは、ビームスプリッタ７以降の光の全般効率、光検知
器１０ａ，１０ｂ及びアンプ１８ａ，１８ｂのゲイン等
に係わる比例定数を示す。
【００２９】上記（１３），（１４）式からＰｈ
on（ｔ），Ｐｈoff （ｔ）を求め、上記（１１）式に代
入すれば、
on（ｔ），Ｐｈoff （ｔ）を求め、上記（１１）式に代
入すれば、
【数９】 となる。但し、上記（１５）式において、Ｉa t+1 ，Ｉ
b t+1 は、ｔ＋Δｔ時の検知信号強度である。
b t+1 は、ｔ＋Δｔ時の検知信号強度である。
【００３０】よって、上記（１２）式と同様に、距離Ｒ
〜Ｒ＋ΔＲ間の平均濃度ｎ（Ｒ）は、下記（１６）式か
ら求められる。
〜Ｒ＋ΔＲ間の平均濃度ｎ（Ｒ）は、下記（１６）式か
ら求められる。
【数１０】
【００３１】ここで、上記（１５）式中では、β／αの
値が未知数であるが、この値は、飽和吸収セル８中にメ
タンを充填しない状態で計測を行なうことにより、
Ｉa ，Ｉ b の比として得られる。
値が未知数であるが、この値は、飽和吸収セル８中にメ
タンを充填しない状態で計測を行なうことにより、
Ｉa ，Ｉ b の比として得られる。
【００３２】また、共鳴、非共鳴時のレーザーによる吸
収断面積σon，σoff は、ロスマン（Rothman ）らがメ
タンを含む高分解能分光データ集「ハイトラン（HITRA
N）」（Appl.Opt. 26 4058(1986））にまとめているデ
ータから吸収幅を考慮して計算可能である。
収断面積σon，σoff は、ロスマン（Rothman ）らがメ
タンを含む高分解能分光データ集「ハイトラン（HITRA
N）」（Appl.Opt. 26 4058(1986））にまとめているデ
ータから吸収幅を考慮して計算可能である。
【００３３】以上のように、本発明の実施形態によれ
ば、ビームスプリッタ７で２分割された光路１６ａ，１
６ｂのうちの一方の光路１６ａにおいて高濃度のメタン
等を充填した飽和吸収セル８を光検知器１０ａの前に配
置することにより、狭帯域分光器やフィルタ等の複雑，
精密な波長弁別器を用いることなしに、共鳴状態及び非
共鳴状態の信号を分離することができ、これらの信号に
基づいてガス（例えば、メタン等）平均濃度を算出する
ことができる。また、同一（単一）のレーザー光（パル
ス光）を用いるようにしているので、照射大気のゆらぎ
やレーザー強度のふらつきの影響を受けることなく計測
することができるという利点がある。さらに、レーザー
光をエタロン等で狭帯域幅にして共鳴レーザー光と非共
鳴レーザー光とする必要がないため、共鳴−非共鳴の制
御が不要となる。
ば、ビームスプリッタ７で２分割された光路１６ａ，１
６ｂのうちの一方の光路１６ａにおいて高濃度のメタン
等を充填した飽和吸収セル８を光検知器１０ａの前に配
置することにより、狭帯域分光器やフィルタ等の複雑，
精密な波長弁別器を用いることなしに、共鳴状態及び非
共鳴状態の信号を分離することができ、これらの信号に
基づいてガス（例えば、メタン等）平均濃度を算出する
ことができる。また、同一（単一）のレーザー光（パル
ス光）を用いるようにしているので、照射大気のゆらぎ
やレーザー強度のふらつきの影響を受けることなく計測
することができるという利点がある。さらに、レーザー
光をエタロン等で狭帯域幅にして共鳴レーザー光と非共
鳴レーザー光とする必要がないため、共鳴−非共鳴の制
御が不要となる。
【００３４】以上、本発明の一実施形態につき述べた
が、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、
本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可
能である。例えば、計測対象気体がメタン以外の場合で
あっても本発明に係るガス濃度検知方法及び装置を適用
可能であることは言う迄もない。その場合には、飽和吸
収セル８に計測目的の気体を高濃度に充填すれば良い。
が、本発明はこの実施形態に限定されるものではなく、
本発明の技術的思想に基づいて各種の変形及び変更が可
能である。例えば、計測対象気体がメタン以外の場合で
あっても本発明に係るガス濃度検知方法及び装置を適用
可能であることは言う迄もない。その場合には、飽和吸
収セル８に計測目的の気体を高濃度に充填すれば良い。
【００３５】
【発明の効果】請求項１に記載の本発明のガス濃度検知
方法は、広帯域レーザー光を計測対象領域に照射する照
射工程と、計測対象領域から後方に向けて散乱される後
方散乱光を集光する集光工程と、後方散乱光を２つの光
線に分割する分割工程と、分割された光線のうちの一方
の光線を高濃度の計測対象気体中に透過させて第１の光
検知器に導入すると共に、分割された光線のうちの他方
の光線をそのまま第２の光検知手段に導入する導入工程
と、第１及び第２の光検知手段にてそれぞれ検知された
後方散乱光強度に基づいて計測対象領域におけるガス平
均濃度を計算する計算工程とを順次に施行するようにし
たものである。すなわち、本発明では、２つの波長のレ
ーザー光を大気中に照射する代わりに、目的気体の吸収
線よりも広い波長幅をもった広帯域レーザー光を大気中
に照射することによって、２波長のレーザー光の照射と
同じ効果を得ることができるようにしたのもであるか
ら、本発明によれば、１つの広帯域レーザー光を照射す
るだけで共鳴状態の信号と非共鳴状態の信号とを分離し
て得ることができる。また、同一（単一）の広帯域レー
ザー光を用いて共鳴状態の信号及び非共鳴状態の信号を
分離して得ることにより、大気のゆらぎやレーザー強度
のふらつきの影響を受けることなくガス濃度の計測を行
なうことができる。
方法は、広帯域レーザー光を計測対象領域に照射する照
射工程と、計測対象領域から後方に向けて散乱される後
方散乱光を集光する集光工程と、後方散乱光を２つの光
線に分割する分割工程と、分割された光線のうちの一方
の光線を高濃度の計測対象気体中に透過させて第１の光
検知器に導入すると共に、分割された光線のうちの他方
の光線をそのまま第２の光検知手段に導入する導入工程
と、第１及び第２の光検知手段にてそれぞれ検知された
後方散乱光強度に基づいて計測対象領域におけるガス平
均濃度を計算する計算工程とを順次に施行するようにし
たものである。すなわち、本発明では、２つの波長のレ
ーザー光を大気中に照射する代わりに、目的気体の吸収
線よりも広い波長幅をもった広帯域レーザー光を大気中
に照射することによって、２波長のレーザー光の照射と
同じ効果を得ることができるようにしたのもであるか
ら、本発明によれば、１つの広帯域レーザー光を照射す
るだけで共鳴状態の信号と非共鳴状態の信号とを分離し
て得ることができる。また、同一（単一）の広帯域レー
ザー光を用いて共鳴状態の信号及び非共鳴状態の信号を
分離して得ることにより、大気のゆらぎやレーザー強度
のふらつきの影響を受けることなくガス濃度の計測を行
なうことができる。
【００３６】また、請求項２に記載の本発明のガス濃度
検知装置は、広帯域レーザー光を計測対象領域に照射す
るレーザー光照射機構と、前記広帯域レーザー光が照射
された計測対象領域からの後方散乱光を集光する集光機
構と、この集光機構にて集光された後方散乱光を２つの
光線に分割するビームスプリッタと、高濃度の計測対象
気体（例えば、高濃度メタン）が充填されたのもであっ
てかつ前記ビームスプリッタにて分割された光線のうち
の一方の光線が透過される飽和吸収セルと、この飽和吸
収セルを透過した光線、及び、前記ビームスプリッタに
て分割された光線のうちの他方の光線がそれぞれ導入さ
れる第１及び第２の光検知器と、これらの第１及び第２
の光検知器から得られる後方散乱光強度に基づいて計測
対象領域におけるガス平均濃度を計算する信号処理部と
をそれぞれ具備するようにしたものであるから、飽和吸
収セルを光検知器の前に設置することにより、高分解能
を有する分光器や狭帯域干渉フィルタ等の如き精密かつ
複雑な波長弁別器を不要にすることができる。また、同
一（単一）の広帯域レーザー光を用いて共鳴−非共鳴状
態の信号を分離することにより、大気のゆらぎやレーザ
ー光のふらつきの影響を無視できるシステムを提供する
ことが可能となる。
検知装置は、広帯域レーザー光を計測対象領域に照射す
るレーザー光照射機構と、前記広帯域レーザー光が照射
された計測対象領域からの後方散乱光を集光する集光機
構と、この集光機構にて集光された後方散乱光を２つの
光線に分割するビームスプリッタと、高濃度の計測対象
気体（例えば、高濃度メタン）が充填されたのもであっ
てかつ前記ビームスプリッタにて分割された光線のうち
の一方の光線が透過される飽和吸収セルと、この飽和吸
収セルを透過した光線、及び、前記ビームスプリッタに
て分割された光線のうちの他方の光線がそれぞれ導入さ
れる第１及び第２の光検知器と、これらの第１及び第２
の光検知器から得られる後方散乱光強度に基づいて計測
対象領域におけるガス平均濃度を計算する信号処理部と
をそれぞれ具備するようにしたものであるから、飽和吸
収セルを光検知器の前に設置することにより、高分解能
を有する分光器や狭帯域干渉フィルタ等の如き精密かつ
複雑な波長弁別器を不要にすることができる。また、同
一（単一）の広帯域レーザー光を用いて共鳴−非共鳴状
態の信号を分離することにより、大気のゆらぎやレーザ
ー光のふらつきの影響を無視できるシステムを提供する
ことが可能となる。
【図１】本発明に係るガス濃度検知方法を施行するガス
濃度検知装置の構成図である。
濃度検知装置の構成図である。
【図２】メタン２ν3 バンドのＱ−ブランチのスペクト
ルを示すスペクトル図である。
ルを示すスペクトル図である。
【図３】図３（ａ）は飽和吸収セルを透過した後方散乱
光のスペクトルを示すスペクトル図、図（ｂ）は飽和吸
収セルを透過しない後方散乱光のスペクトルを示すスペ
クトル図である。
光のスペクトルを示すスペクトル図、図（ｂ）は飽和吸
収セルを透過しない後方散乱光のスペクトルを示すスペ
クトル図である。
【図４】従来の差分吸収ライダーの構成図である。
１ 広帯域レーザー光 ２ 計測対象領域 ３ レーザー光照射機構 ４ 後方散乱光 ５ 集光機構 ６ａ，６ｂ 光線 ７ ビームスプリッタ ８ 飽和吸収セル １０ａ，１０ｂ 光検知器 １１ 信号処理部（計算部） １２ レーザー １４ 望遠鏡 １６ａ，１６ｂ 光路 １８ａ，１８ｂ アンプ
Claims (2)
- 【請求項１】（ａ） 広帯域レーザー光を計測対象領域
に照射する照射工程と、 （ｂ） 前記計測対象領域から後方に向けて散乱される
後方散乱光を集光する集光工程と、 （ｃ） 前記後方散乱光を２つの光線に分割する分割工
程と、 （ｄ） 前記分割された光線のうちの一方の光線を高濃
度の計測対象気体中に透過させて第１の光検知器に導入
すると共に、前記分割された光線のうちの他方の光線を
そのまま第２の光検知手段に導入する導入工程と、 （ｅ） 前記第１及び第２の光検知手段にてそれぞれ検
知された後方散乱光強度に基づいて計測対象領域におけ
るガス平均濃度を計算する計算工程と、を順次に施行す
るようにしたことを特徴とするガス濃度検知方法。 - 【請求項２】 広帯域レーザー光を計測対象領域に照射
するレーザー光照射機構と、前記広帯域レーザー光が照
射された計測対象領域からの後方散乱光を集光する集光
機構と、この集光機構にて集光された後方散乱光を２つ
の光線に分割するビームスプリッタと、高濃度の計測対
象気体が充填されたのもであってかつ前記ビームスプリ
ッタにて分割された光線のうちの一方の光線が透過され
る飽和吸収セルと、この飽和吸収セルを透過した光線、
及び、前記ビームスプリッタにて分割された光線のうち
の他方の光線がそれぞれ導入される第１及び第２の光検
知器と、これらの第１及び第２の光検知器から得られる
後方散乱光強度に基づいて計測対象領域におけるガス平
均濃度を計算する信号処理部とをそれぞれ具備すること
を特徴とするガス濃度検知装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18330997A JPH1123450A (ja) | 1997-07-09 | 1997-07-09 | ガス濃度検知方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18330997A JPH1123450A (ja) | 1997-07-09 | 1997-07-09 | ガス濃度検知方法及び装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1123450A true JPH1123450A (ja) | 1999-01-29 |
Family
ID=16133441
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18330997A Withdrawn JPH1123450A (ja) | 1997-07-09 | 1997-07-09 | ガス濃度検知方法及び装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1123450A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100709457B1 (ko) * | 2000-07-04 | 2007-04-18 | 가부시기가이샤 디스코 | 반도체 웨이퍼의 연삭방법 |
| JP2009098003A (ja) * | 2007-10-17 | 2009-05-07 | Oputeikon:Kk | 変位振動検出装置及び変位振動検出方法 |
| JP2010175498A (ja) * | 2009-02-02 | 2010-08-12 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | 大気散乱光スペクトル強度計測器 |
| JP2014038062A (ja) * | 2012-08-20 | 2014-02-27 | Ihi Corp | 濃度測定装置及び濃度測定方法 |
| CN106568712A (zh) * | 2015-07-23 | 2017-04-19 | 苏州微纳激光光子技术有限公司 | 一种可远程调节的长光程有毒有害气体监测仪及其调节方法 |
-
1997
- 1997-07-09 JP JP18330997A patent/JPH1123450A/ja not_active Withdrawn
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR100709457B1 (ko) * | 2000-07-04 | 2007-04-18 | 가부시기가이샤 디스코 | 반도체 웨이퍼의 연삭방법 |
| JP2009098003A (ja) * | 2007-10-17 | 2009-05-07 | Oputeikon:Kk | 変位振動検出装置及び変位振動検出方法 |
| JP2010175498A (ja) * | 2009-02-02 | 2010-08-12 | National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology | 大気散乱光スペクトル強度計測器 |
| JP2014038062A (ja) * | 2012-08-20 | 2014-02-27 | Ihi Corp | 濃度測定装置及び濃度測定方法 |
| CN106568712A (zh) * | 2015-07-23 | 2017-04-19 | 苏州微纳激光光子技术有限公司 | 一种可远程调节的长光程有毒有害气体监测仪及其调节方法 |
| CN106568712B (zh) * | 2015-07-23 | 2019-01-15 | 苏州微纳激光光子技术有限公司 | 一种可远程调节的长光程有毒有害气体监测仪及其调节方法 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20041005 |