JP3538516B2

JP3538516B2 - 濃度分布計測装置

Info

Publication number: JP3538516B2
Application number: JP05526797A
Authority: JP
Inventors: 隆小久保; 雅彦黒木; 英暁倉澤; 誠落合; 成彦向井; 徹郎相川; 邦彦横山
Original assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Toshiba Corp; Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 1997-03-10
Filing date: 1997-03-10
Publication date: 2004-06-14
Anticipated expiration: 2017-03-10
Also published as: JPH10253487A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、石油化学プラント
や発電プラントに適用され、測定対象分子の濃度分布を
計測する濃度分布計測装置に係り、特に気体、液体ある
いは固体の媒質中に存在する特定分子の二次元あるいは
三次元濃度分布を計測する濃度分布計測装置に関する。

【０００２】本発明に係る濃度分布計測装置は、例えば
石油化学プラントや発電プラントなどから大気中への万
一のガス漏洩時に、ガスの漏洩量および漏洩源位置など
を簡単かつ確実に短時間で検出するガス漏洩検出装置等
に好適に適用される。

【０００３】

【従来の技術】一般に、測定対象分子としての特定分子
は多数の光吸収スペクトルを持っており、その光吸収ス
ペクトルの任意の１本に対応する波長λ₀を持つ光を、
測定対象分子に照射すると、その光エネルギは測定対象
分子に吸収される。測定対象分子に吸収されたエネルギ
は輻射過程と無輻射過程を経て緩和されるが、無輻射過
程によって緩和された吸収エネルギは分子周辺の温度お
よび圧力を上昇させる。

【０００４】光吸収エネルギが充分大きいと、エネルギ
は圧力波または音響波として放出され、マイクロフォン
等の圧力変換器によって検出される。この圧力変換器の
出力信号から測定対象分子の濃度を測定する技術は、例
えば“光音響分光法とその応用−ＰＡＳ”，沢田嗣郎
編，学会出版センター，（1982）などの文献で一般化さ
れている。

【０００５】一方、気密性または液密性のシステムから
のガス漏洩を検出し、さらにその漏洩場所を特定するた
めの技術としては、特表平６−５１０１２１号公報の
「光音響漏れ検出及び方法」が知られている。ガス漏洩
を検知し、漏洩場所を特定する技術は、ガスの分子が光
を吸収したときに生じる光音響効果に基づいてガス漏洩
検出を行なうものである。このガス漏洩検出装置の構成
を図１３に示す。

【０００６】このガス漏洩検出装置は、パルス波、変調
波あるいは連続波のレーザビームまたは充分に平行化さ
れた光線１を発振する光源２と、その発振光１を試験に
供する部品またはシステム等の測定対象物３上で走査す
る走査機構４と、漏洩ガス分子５と発振光１の相互作用
によって発生した圧力波ＰＷを検出する検出器７とから
構成される。検出された圧力波信号６は、信号処理装置
８にて処理されて、漏れが存在することを操作者に通知
するアラーム出力（漏れ指示信号）９に使われる。さら
に、発振光１の走査を制御されたパータンＰ１で行なう
ことで、漏洩場所の方向を知ることができるものであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のガス漏洩検出装
置は遠隔非接触のガス検知手段であり、漏洩ガス分子５
の量が比較的大量な場合の漏洩場所の同定に有効であ
る。しかし、図１４に示す通り、試験に供する部品また
はシステムの測定対象物３を構成する材料と照射光の間
には光熱歪効果による音波が発生し、この音波が背景雑
音Ｎとなるため、漏洩ガス量によっては、光とガス分子
の相互作用で発生する圧力波信号６と背景雑音Ｎを、従
来公知のガス漏洩検出装置で検出するのは困難となる。
また、上記ガス漏洩検出装置では、平面的なガス分布は
検知できるものの、その距離に関する情報や３次元的な
空間濃度分布を検知することは不可能であった。

【０００８】一方、光音響効果を用いた従来のガス漏洩
検出装置では一般に、光源の発する発振光の波長を、測
定対象分子の非常に狭い吸収スペクトルに厳密に一致さ
せる必要がある。光源に安定な単一波長を発振するレー
ザ光源を用いたとしても、その発振波長は厳密には周辺
温度の影響などによって揺らぐため、常に測定対象分子
の吸収スペクトルと波長を一致させておくためには、温
度制御等の処置が必要になっていまい、ガス漏洩検出に
困難な作業が必要であった。

【０００９】本発明は、上述した事情を考慮してなされ
たもので、ガス分子の漏洩検出だけでなく、固体、液
体、気体媒質中に存在する固相、液相または気相分子の
二次元あるいは三次元濃度分布を検出することができる
とともに、その測定検出系の中で位置が既知の背景雑音
源の影響を効果的に除去し、正確で精度の高い測定を可
能とした濃度分布計測装置を提供することを目的とす
る。

【００１０】また、本発明の他の目的は、到達した圧力
波レベルから光軸に沿った分子の濃度分布を換算する
際、伝播距離による音波の減衰を補正し、より正確な分
子の濃度分布情報を検知することができる濃度分布計測
装置を提供することにある。

【００１１】本発明のさらに他の目的は、温度制御等の
煩雑な処置なしに、常に光源波長が測定対象分子の光吸
収スペクトルと一致するような光源を提供することがで
きる濃度分布計測装置を提供することにある。

【００１２】また本発明の別の目的は、より広範囲で、
かつより低濃度までの分子濃度計測が可能となるように
圧力波信号をＳ／Ｎ比よく計測する濃度分布計測装置を
提供することにある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明に係る濃度分布計
測装置は、上述した課題を解決するために、請求項１に
記載したように、測定対象分子によって強く吸収される
波長のパルス光あるいは変調光を発振する光源と、この
光源からの発振光と前記分子の相互作用による光音響効
果で発生する圧力波を検出する音響検出手段と、この音
響検出手段の出力信号を前記測定対象分子の濃度信号あ
るいはアラーム信号に変換する信号処理手段と、前記光
源の発光から音響検出手段によって圧力波が検出される
までの時間差を計測する時間差計測手段と、前記時間差
計測手段の出力信号から圧力波の発生位置を同定する位
置同定手段を備えたものである。

【００１４】また、上述した課題を解決するために、本
発明に係る濃度分布計測装置は、請求項２に記載したよ
うに、光源からの発振光を二次元平面上あるいは一次元
のライン上に走査する光走査手段と、この光走査手段を
駆動制御する駆動制御手段と、駆動制御手段から出力さ
れる発振光の走査方向信号と前記位置同定手段から出力
される位置信号と、前記信号処理手段から出力される分
子の濃度信号から、前記光源からの発振光の光軸に沿っ
た前記分子の三次元または二次元濃度分布を再構成し、
表示する濃度分布表示手段を備えたものである。

【００１５】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る濃度分布計測装置は、請求項３に記載した
ように、前記信号処理手段から出力される測定対象分子
の濃度信号を入力する濃度情報補正手段を備え、この濃
度情報補正手段は位置同定手段から出力される位置信号
を入力して、分子濃度信号に媒質中伝播距離による減衰
補正を加えたものである。

【００１６】さらにまた、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る濃度分布計測装置は、請求項４に記載
したように、光走査手段による発振光の照射方向に合せ
て音響検出手段の指向性を走査する検出指向性走査手段
を備え、上記音響検出手段はある特定方向に指向性を有
するものである。

【００１７】またさらに、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る濃度分布計測装置は、請求項５に記載
したように、信号処理手段が、音響検出手段から出力さ
れる測定圧力波信号の平均化処理を行なう平均化処理手
段を有するものであり；また、請求項６に記載したよう
に、音響検出手段は発振光の光軸とほぼ直交する方向の
延長線上に配置されたものである。

【００１８】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る濃度分布計測装置は、請求項７に記載した
ように、測定対象分子は、固体、液体あるいは気体媒質
に含まれる固相、液相あるいは気相分子であり；また、
請求項８に記載したように、測定対象分子は、気体媒質
中に含まれるメタンガス等の炭化水素ガスであり、光源
は、炭化水素ガスが強く光吸収する波長域で発振する赤
外線レーザ光源であったり；さらに、請求項９に記載し
たように、光源は、測定対象分子をラマン媒質としたラ
マンレーザ光源である。

【００１９】さらにまた、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る濃度分布計測装置は、請求項１０に記
載したように、測定対象分子はメタンガスであり、光源
は１．３３μｍの波長帯域、１．６６μｍの波長帯域あ
るいは３．３９μｍの波長帯域で発振する赤外線レーザ
光源あるいはメタンガスをラマン媒質としたラマンレー
ザ光源である。

【００２０】また、本発明に係る濃度分布計測装置は、
上述した課題を解決するために、請求項１１に記載した
ように、測定対象分子によって強く吸収される波長域の
光を発振する光源と、この光源からの発振光と測定対象
分子の相互作用による光音響効果で発生する圧力波を検
出する音響検出手段と、この音響検出手段の出力信号を
前記測定対象分子の濃度信号あるいはアラーム信号に変
換する信号処理手段と、前記測定対象分子によって強く
吸収される波長の光を発振した時間を測定する発振時間
測定手段と、前記発振時間測定手段で検出した発振タイ
ミングから音響検出手段によって圧力波が検出されるま
での時間差を計測する時間差計測手段と、前記時間差計
測手段の出力信号から圧力波の発生位置を同定する位置
同定手段とを備え、前記光源は測定対象分子の強い光吸
収波長域で波長掃引される波長掃引光源であるものであ
る。

【００２１】さらに、上述した課題を解決するために、
本発明に係る濃度分布計測装置は、請求項１２に記載し
たように、信号処理手段は、音響検出手段で測定された
出力信号と基準信号とを相関処理させる相関処理手段を
有し、相関処理手段で処理される基準信号は光源からの
発振タイミングあるいは測定対象分子に強く光吸収され
る波長の掃引光を発振させる波長掃引光源からの発振タ
イミングと同期した信号である。

【００２２】さらにまた、上述した課題を解決するため
に、本発明に係る濃度分布計測装置は、請求項１３に記
載したように、光源はパルスレーザ光あるいは測定対象
分子の強い光吸収波長域で波長掃引される波長掃引光を
出力する赤外線レーザ光源であり、赤外線レーザ光源か
らの発振タイミングを音響検出手段の時系列測定出力信
号の周期と同期させたものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明に係る濃度分布計測装置の
実施の形態について添付図面を参照して説明す。

【００２４】図１は、本発明に係る濃度分布計測装置の
第１実施形態を示す基本的な構成図である。この濃度分
布計測装置１０は、気体、液体または固体の透過性媒質
Ｍ中に含まれる測定対象である特定分子１１の分子濃度
分布を測定できるようにしたものである。

【００２５】濃度分布計測装置１０は、測定対象分子１
１によって強く吸収される波長の光を発振する光源１２
として、半導体レーザあるいは赤外線レーザ等のパルス
レーザ光源１２ａを備える。パルスレーザ光源１２ａか
ら測定対象分子１１の光吸収波長に等しい波長のパルス
レーザ光が発振される。パルスレーザ光源１２ａから発
振されたパルスレーザ光１３は、光透過性を有する媒質
Ｍ内に入り、媒質Ｍ中に含まれる測定対象分子１１に照
射される。光源１２はパルスレーザ光源１２ａに代え、
変調光を出力する光源であってもよい。

【００２６】パルスレーザ光１３が媒質Ｍ中の測定対象
分子１１に到達すると、この分子１１にパルスレーザ光
１３の光エネルギが測定対象分子１１と相互作用して吸
収され、光音響効果によって媒質Ｍ中を伝播する圧力波
ＰＷが発生する。この圧力波ＰＷは、マイクロフォン１
４ａ、圧電素子等の音響検出手段１４によって検出さ
れ、信号処理手段１５に入力される。

【００２７】信号処理手段１５では検出された信号レベ
ルから測定対象分子１１の濃度信号Ｏut1 に変換される
一方、アラーム信号のような分子の漏れ指示信号Ｏut2
に変換され、ＯＮ−ＯＦＦ信号として出力され、図示し
ない警報器や警報ランプを作動させるようになってい
る。

【００２８】一方、パルスレーザ光源１２ａからの発振
タイミング（発振時刻）ｔ₂と音響検出手段１４で圧力
波ＰＷが検出された検出タイミング（検出時刻）ｔ₃と
の時間差が時間差計測手段１６によって検出され、時間
差検出信号ｔ₁として出力される。すなわち、時間差検
出手段１６では、時間差信号ｔ₁が次式に従って算出さ
れる。

【００２９】

【数１】ｔ₁＝ｔ₃−ｔ₂ ……（１）

【００３０】時間差検出手段１６からの時間差検出信号
ｔ₁は、続いて位置同定手段１７に入力され、この位置
同定手段１７により、測定対象分子１１から発生する圧
力波ＰＷの発生位置までの距離Ｌが同定される。測定対
象分子１１で発生した圧力波ＰＷは均質媒質Ｍ中では、
媒質Ｍの種類と温度で決まる一定速度ｖで伝播する。こ
のため、式（１）より時間差検出信号ｔ₁を求めること
ができれば、次式により、圧力波ＰＷの発生位置までの
距離Ｌが同定される。

【００３１】

【数２】Ｌ＝ｖ・ｔ₁ ……（２）例えば、圧力波（弾性波）の速度ｖは、媒質Ｍが大気で
ある場合、０℃、１気圧で約３３１ｍ／sec であり、水
中では約１５００ｍ／sec 、ガラス材中では約５４４０
ｍ／sec である。

【００３２】しかして、音響検出手段１４にて検出され
た圧力波信号は、信号処理手段１５にて信号処理され、
測定対象分子１１の濃度信号Ｏut1 に変換されて、濃度
分布表示手段１８あるいは図示しない記録装置に入力さ
れる。この濃度分布表示手段１８には位置同定手段１７
から出力される位置信号Ｌも入力される。濃度分布表示
手段１８は分子の濃度信号Ｏut1 と位置信号Ｌを入力し
て、測定対象分子１１の濃度分布が再構成され、その再
構成結果を画面表示することができるようになってい
る。

【００３３】ところで、音響検出手段１４にて検出され
る圧力波ＰＷは、媒質Ｍ中を伝播する際、その伝播距離
に応じて減衰する。したがって、同じ濃度の測定対象分
子１１が発振パルスレーザ光１３の光軸上の異なる２点
で存在したとすると、音響検出手段１４にて検出される
圧力波信号の信号レベルに差が生じ、測定対象分子１１
の濃度信号Ｏut1 は、見掛け上遠い点の方が低くなる。

【００３４】そこで、図２に示すように、濃度情報補正
手段２０を備えることが好ましい。濃度情報補正手段２
０には、信号処理手段１５からの出力信号である測定対
象分子１１の濃度信号Ｏut1 と位置同定手段１７からの
出力位置信号Ｌが入力され、媒質Ｍ中の伝播による減衰
補正が行われる。具体的には、濃度情報補正手段２０
は、位置同定手段１７からの出力位置信号Ｌにより、信
号処理手段１５からの出力信号Ｏut1 を補正している。
濃度情報補正手段２０は、信号処理手段１５からの分子
の濃度信号Ｏut1 に、媒質Ｍ中の伝播距離による減衰補
正をかけ、発振パルスレーザ光１３の光軸に沿った分子
濃度を再構成し、より正確な分子濃度分布情報を得るこ
とができるようになっている。

【００３５】次に、濃度情報補正手段２０による媒質中
の距離伝播減衰補正の処理内容を具体的に説明する。

【００３６】この距離伝播減衰補正の処理内容を説明す
るに当たり、簡単化のために、パルスレーザ光源１２ａ
と音響検出手段１４であるマイクロフォン１４ａを同位
置に設置した例を採用して、発振パルスレーザ光１３の
レーザライン（光軸）上のガス濃度分布を測定する。

【００３７】マイクロフォン１４ａから測定対象分子１
１による圧力波ＰＷの発生位置までの距離をｚ、測定対
象分子１１の光吸収係数をαとし、レーザライン上に分
子濃度Ｃ（ｚ）で測定対象分子１１、例えばガス分子が
分布していると仮定する。

【００３８】任意の点ｚでの光強度Ｉ_0p（ｚ）は、

【数３】で表わされる。

【００３９】これから、ｚ点で発生する音響エネルギを
計算する。

【００４０】図３に示すように、媒質Ｍ中に測定対象分
子１１が分布している領域Ａをパルスレーザ光が通過す
ると、パルスレーザ光は測定対象分子１１に光吸収さ
れ、エネルギＥが（Ｉ₀−Ｉ_0P）だけ失われる。パルス
レーザ光の光強度はＩ₀からＩ_0pに変化するレーザ光強
度分布曲線Ｂで表わされる。

【００４１】今、測定対象分子１１が分布している領域
Ａである小さな領域ｄｚに着目すると、この微小領域ｄ
ｚを通過することによる光強度はｄＩ_ac（ｚ）だけ低下
するので、微小領域ｄｚの測定対象分子が吸収したエネ
ルギｄＥは、

【数４】ｄＥ＝ｄＩ_ac（ｚ）・ｄｚ ……（４）の面積でほぼ表わされる。

【００４２】吸収されたエネルギのうち、η_0p（発光の
量子収率）は光として再放出され、残りが音（あるいは
熱）になるので、式（３）および式（４）よりｚ点で発
生する音響エネルギは、次式で表わされる。

【００４３】

【数５】

【００４４】ところで、ｚ点で発生した圧力波はマイク
ロフォン１４ａにｔ秒後に観測されるので、媒質Ｍ中の
速度をｖで表わすと、

【数６】ｔ＝ｚ／ｖ ……（６）が成立する。

【００４５】一方、測定対象分子１１が分布している領
域Ａで吸収されたエネルギＥは、音（あるいは熱）に変
換されて検出されるか、これらのエネルギＥは一括して
測定される訳ではなく、ＴＯＦ法（飛行時間法）に従
い、発生位置毎に順次時系列的に計測される。そこで、
単位時間ｄｔ当りに検知されるエネルギは、式（４）と
式（６）およびその微分式（ｄｚ＝ｖｄｔ；ｖ＝一定）
から

【数７】となり、この式（７）から測定対象分子１１で生じる音
響エネルギ（音響パワー）Ｉ_0ac（ｔ）は、

【数８】となる。

【００４６】発生した音響エネルギは、発生箇所からマ
イクロフォン１４ａまでの伝播で距離の２乗に反比例し
て減衰するので、マイクロフォン１４ａの実質的なマイ
ク面積をＳとすると、検出される音響エネルギは、

【数９】となる。式（９）は、音源（発生箇所）から離れる程、
同じ立体角でも面積が大きくなり、音響エネルギのパワ
ー密度が低下することを表している。

【００４７】式（９）は、パルスレーザ光のレーザライ
ン（光軸）上の測定対象分子１１の分子濃度（ガス濃
度）とマイクロフォン１４ａで受けた検出信号との関係
を示しており、式（９）を解くことによって、測定対象
分子１１の一次元濃度分布を測定することができる。

【００４８】予め濃度が既知の校正用分子（ガス）で発
生する音響信号強度をデータベース化しておき、それを
逐次参照する方法などもある。この方法によっても、発
振パルスレーザ光１３に沿った光軸上の分子１１の濃度
分布が正確に計測できる。

【００４９】図４は、本発明に係る濃度分布計測装置の
第１実施形態における実施例を示すものである。図１に
示された濃度分布計測装置と同じ構成には同一符号を付
して説明を省略する。

【００５０】この実施例に示された濃度分布計測装置１
０は、光透過性を有する固体媒質Ｍｓ中に測定対象であ
る特定分子１１ａの濃度分布を測定する装置に適用した
例を示す。例えば、透明ガラスやプラスチック中に含ま
れる不純分子等の特定分子の濃度分布の測定に適した濃
度分布計測装置１０である。

【００５１】この濃度分布計測装置１０は、光源１２と
して光パラメトリック効果を用いた波長可変光源（ＯＰ
Ｏ光源）１２ｂを備えており、このＯＰＯ光源１２ｂか
ら波長λａ、繰返し周期Ｔ₀のパルスレーザ光１３が発
振せしめられる。ＯＰＯ光源１２ｂは例えば赤外線レー
ザ光源であり、ＯＰＯ光源１２ｂから発振されたパルス
レーザ光１３は、測定対象分子１１の代表的な光吸収波
長λａに合せられ、発振パルスレーザ光１３は反射ミラ
ー等からなる走査光学系２３を介して固体媒質Ｍｓに入
射され、固体媒質Ｍｓ内を伝播して走査される。

【００５２】固体媒質Ｍｓ中に測定対象である特定分子
（不純物などの分子）１１ａが存在すると、入射された
パルスレーザ光は測定対象分子１１ａと光音響効果で決
まる相互作用が行なわれる。固体媒質Ｍｓ中に入射され
る発振パルスレーザ光１３が固体媒質Ｍｓ中を伝播し、
測定対象分子１１ａに照射されると、この測定対象分子
１１ａと相互作用をし、測定対象分子１１ａはパルスレ
ーザ光１３の光エネルギを吸収して光音響効果により圧
力波（音波）を発生させる。発生した圧力波は、固体媒
質Ｍｓ中を速度ｖｓで伝播する。

【００５３】一方、固体媒質Ｍｓには、音響検出手段１
４として圧電素子１４ｂが音響カプラーであるカップラ
ント２４を介して音響的に結合されており、このカップ
ラント２４を介して圧力波ＰＷが圧電素子１４ｂによっ
て検出される。カップラント２４は固体媒質Ｍｓと音響
的インピーダンスが合せられて固体媒質Ｍｓと音響的に
結合している。カップラント２４は固体媒質Ｍ_Sに発振
パルスレーザ光１３の入射側に取り付けた例を示した
が、取付位置は発振パルスレーザ光１３の入射側に限定
されない。発振パルスレーザ光１３の入射光軸とほぼ直
交する方向の延長線上で取り付けることも望ましい。

【００５４】圧電素子１４ｂで検出された圧力波信号
は、信号処理手段１５の平均化処理手段としてのシグナ
ルアベレージャ２５に入力され、このシグナルアベレー
ジャ２５にてＯＰＯ光源１２ｂの発振周期Ｔ₀をベース
に平均化処理され、ランダム雑音が除去される。シグナ
ルアベレージャ２５にて平均化処理された圧力波信号
は、バンドパスフィルタ２６にて濾波され、特定周波数
帯域の圧力波信号が通過される。バンドパスフィルタ２
６は、特徴的な周波数ｆｓを中心帯域とする圧力波信号
を濾波してＡ／Ｄ変換器２７に低対象分子１１ａの濃度
信号として出力される。Ａ／Ｄ変換器２７では、特定周
波数ｆｓより充分に高いサンプリング周波数を印加して
アナログ濃度信号をデジタル濃度信号に変換し、測定対
象分子１１ａのデジタル濃度信号としてデジタル信号処
理装置２８に入力される。

【００５５】一方、デジタル信号処理装置２８は時間差
測定手段１６を備えており、この測定手段１６には、Ｏ
ＰＯ光源１２ｂからの発振パルスレーザ光信号も入力さ
れ、この時間差測定手段１６でＯＰＯ光源１２ｂからの
発振タイミングｔ₂とＡ／Ｄ変換器２７からの時系列デ
ジタル信号による圧力波検知タイミングｔ₃との時間差
ｔ₁が検出され、時間差検出信号ｔ₁が位置同定手段１
７に出力される。

【００５６】位置同定手段１７では、ＯＰＯ光源１２ｂ
からの発振タイミングｔ₂を基準として予め入力されて
いる既知の固定媒質Ｍｓ中の音速ｖｓから時系列デジタ
ル信号の各点に相当する圧力波発生位置が同定される。

【００５７】また、デジタル信号処理装置２８は、濃度
情報補正手段２０を備えている。この濃度情報補正手段
２０は、予め用意された時系列信号レベル−分子濃度の
対応テーブルを備えた較正テーブル２９と濃度較正手段
３０とから構成される。濃度情報補正手段２０には、Ａ
／Ｄ変換器２７からの時系列デジタル信号と位置同定手
段１７からの出力位置信号Ｌが入力され、予め用意され
た時系列レベル−分子濃度の較正テーブル２９からの対
応テーブルと比較され、時系列デジタル信号（測定対象
分子の濃度分布信号）の各点に相当する分子濃度が同定
される。この分子濃度信号Ｏut1 と位置同定手段１７か
らの出力位置信号Ｌがディスプレーとしての濃度分布表
示手段１８に入力され、この濃度分布表示手段１８にて
発振パルスレーザ光１３の光軸に沿った方向の測定対象
分子１１ａの濃度分布が表示される。発振パルスレーザ
光１３の光軸方向に沿う濃度分布は、図示しない記録装
置に出力し、記録保持させるようにしてもよい。

【００５８】図４に示された、濃度分布計測装置１０に
おいて、信号処理手段１５からの時系列デジタル信号の
周期である周波数ｆｓにＯＰＯ光源１２ｂの発振周波数
ｆ₀を同調させると、周波数同一同調により信号検出の
Ｓ／Ｎ比が向上し、Ｓ／Ｎ比のよい信号検出が可能とな
る。

【００５９】図５は、本発明に係る濃度分布計測装置の
第２実施形態を示す基本的な構成図である。

【００６０】図１に示された濃度分布計測装置１０は、
光源１２としてパルスレーザ光を発振させる赤外線レー
ザ光源等のパルスレーザ光源１２ａを用いる。パルスレ
ーザ光源１２ａから発振されたパルスレーザ光１３は光
走査手段２６によって二次元平面操作により、媒質Ｍ中
に存在する測定対象分子１１の濃度分布を二次元的ある
いは三次元的に計測することができる。

【００６１】光走査手段２６は駆動制御手段２７によっ
て作動制御され、発振パルスレーザ光１３の走査方向が
制御される。駆動制御手段２７から出力される発振パル
スレーザ光の走査方向信号Ｏut3 が濃度分布表示手段１
８に入力されるようになっている。

【００６２】濃度分布表示手段１８は、駆動制御手段２
７から出力される発振パルスレーザ光１３の走査方向信
号Ｏut3 と、信号処理手段１４から出力される測定対象
分子１１の濃度信号Ｏut1 と、位置同定手段１７から出
力される位置信号Ｌとから測定対象分子１１の二次元あ
るいは三次元濃度分布が再構成され、その結果が表示さ
れるようになっている。上記濃度分布表示手段１８を用
いて発振パルスレーザ光１３の光軸に沿った濃度分布と
して二次元あるいは三次元に再構成され、二次元あるい
は三次元の分子濃度分布として表示される。

【００６３】図５に示された濃度分布計測装置１０の他
の構成は、図１に示された濃度分布計測装置と異ならな
い。濃度分布計測装置１０の濃度分布測定作用も、駆動
制御手段２７で光走査手段２６を駆動制御し、タイミン
グをとって発振パルスレーザ光１３を二次元平面上で走
査させる以外は、図１に示された濃度分布計測装置と作
用も同じくする。

【００６４】図５に示された濃度分布計測装置１０にお
いては、パルスレーザ光源１２ａからの発振パルスレー
ザ光１３を光走査手段２６で二次元走査（面走査）する
ことで、媒質Ｍ中に拡がる測定対象分子１１の二次元あ
るいは三次元濃度分布を計測し、濃度分布表示手段１８
に再構成して表示することができる。

【００６５】図６は本発明に係る濃度分布計測装置の第
２実施形態における実施例を示す構成図である。

【００６６】この実施例に示された濃度分布計測装置１
０は、基本的な構成は、図５に示す濃度分布計測装置と
実質的に同じくし、信号処理手段１５およびデジタル信
号処理装置２８の構成は、図４に示された濃度分布計測
装置と同じくするので、同じ構成には同一符号を付して
説明を省略する。

【００６７】図６に示された濃度分布計測装置１０は気
体の媒質Ｍ_G中に含まれる測定対象分子１１の二次元ま
たは三次元濃度分布を精度よく測定するようにしたもの
である。測定対象分子１１には気体の媒質Ｍ_Gとして例
えば大気中に含まれるメタンガスがある。測定対象分子
１１にはメタンガス以外にも、エタンガス、プロパンガ
ス等の炭化水素（ＣＨ）ガスを含むガス分子１１ｂがあ
る。

【００６８】この濃度分布計測装置１０は、光源１２と
してパルスレーザ光１３を発振させるラマンレーザ光源
１２ｃが用いられる。ラマンレーザ光源１２ｃは、繰返
し周期Ｔ₁で発振する励起用パルス光源３２と測定対象
分子１１と同じガス分子１１ｂが封入されたラマンセル
３３から構成される。気体媒質Ｍ_G中の音速をｖ_g、測
定対象分子１１の代表的な光吸収波長をλ_cとする。

【００６９】図６に示された濃度分布計測装置１０にお
いては、ラマンレーザ光源１２ｃから発振せしめられた
パルスレーザ光１３は、照射および走査光学系３４を介
して気体媒質Ｍ_G中を走査される。照射および走査光学
系３４は例えば反射ミラーのミラー光学系で構成され、
駆動制御装置３４により走査方向が駆動制御される。

【００７０】気体媒質Ｍ_G中に測定対象分子１１である
ガス分子１１ｂ、例えばメタンガスが空間的な拡がりを
もって存在するとする。気体媒質Ｍ_G中を走査され、伝
播するパルスレーザ光１３が、ガス分子１１ｂに照射さ
れると、このガス分子１１ｂと光音響効果で決まる相互
作用をする。

【００７１】ガス分子１１ｂが特定波長λ_cの光エネル
ギを吸収すると、光エネルギの一部を光音響効果により
圧力波（音波）に変換する。例えばガス分子１１ｂがメ
タンガスの場合、光吸収波長は１．３３μｍ、１．６６
μｍまたは３．３９μｍの波長帯域であり、この波長帯
域のレーザ光を強く吸収する。その結果、発生する圧力
波は気体媒質Ｍ_G中を速度ｖ_gで伝播する。

【００７２】一方、気体媒質Ｍ_G中には、発振パルスレ
ーザ光１３の光軸とほぼ直交する方向の延長線上にマイ
クロフォンアレイ１４ｃが音響検出手段１４として設け
られる。マイクロフォンアレイ１４ｃは複数のマイクロ
フォン３６を発振パルスレーザ光１３の光軸方向に沿っ
て列状に配列したものである。各マイクロフォン３６の
後段には、例えば適応フィルタ回路のような指向性信号
処理回路３７が備えられる。この信号処理回路３７は外
部の指向性駆動制御装置３８により駆動制御され、指向
性が制御される。

【００７３】ところで、気体媒質Ｍ_G中にガス分子１１
ｂがある拡がりを持って分布しているとすると、光速は
音速に比べて充分に速いため、光音響効果による音源の
分布はパルスレーザ光１３の光軸に沿った線状形状とな
る。すなわち、ガス分子１１ｂから発生する圧力波ＰＷ
は線状の拡がりを持った波形状となる。このように、音
源から放射される圧力波はある指向性を持つことが知ら
れている。

【００７４】したがって、気体媒質Ｍ_G中を伝播される
パルスレーザ光１３の光軸とほぼ直交する少なくとも一
方の延長線上に音響検出手段１４を配置すれば、音源か
らの圧力波ＰＷの効率的な検知が可能となり、圧力波Ｐ
Ｗはマイクロフォンアレイ１４ｃによって検出される。
その際、マイクロフォンアレイ１４ｃによる圧力波ＰＷ
の検出がより効率的に行なわれるように、指向性駆動制
御装置３８により指向性信号処理回路３７の指向性が制
御される。

【００７５】マイクロフォンアレイ１４ｃを備えた音響
検出手段１４で検出された圧力波信号は、続いて信号処
理手段１５の平均化処理手段としてのシグナルアベレー
ジャ２５に入力され、このシグナルアベレージャ２５に
て励起用パルス光源３０の発振周期Ｔ₂で平均化処理さ
れ、ランダム雑音が除去される。

【００７６】シグナルアベレージャ２５にてランダム雑
音が除去され、平均化された圧力波信号は、続いて、特
徴的な特定周波数ｆ_gを中心帯域とするバンドパスフィ
ルタ２６で濾波される。バンドパスフィルタ２６にて濾
波された時系列の圧力波信号は、特定周波数ｆ_gより充
分に高いサンプリング周波数でＡ／Ｄ変換器２７により
時系列のデジタル圧力波信号に変換され、ガス分子１１
ｃの時系列濃度信号としてデジタル信号処理装置２８に
入力される。このＡ／Ｄ変換器２７には、励起用パルス
光源３２からの発振信号も同様に入力され、その発振タ
イミングを基準として、予め入力された音速ｖ_gから時
系列信号の各点に相当する位置が同定される。

【００７７】一方、デジタル信号処理装置２８には、励
起用パルス光源３２からの発振信号も時間差測定手段１
６に入力され、その発振タイミングｔ₂とＡ／Ｄ変換器
２７からの時系列デジタル信号による圧力波検知タイミ
ングｔ₃との時間差ｔ₁が時間差測定手段１６で検出さ
れ、その時間差検出信号ｔ₁が位置同定手段１７に出力
される。

【００７８】位置同定手段１７では、ラマンレーザ光源
１２ｃからの発振タイミングｔ₂を基準として予め既知
の気体媒質Ｍ_G中の音速から時系列デジタル信号の各点
に相当する圧力波発生位置（音源の位置）が二次元ある
いは三次元的に同定される。発振パルスレーザ光１３を
気体媒質Ｍ_G中に伝播させることにより、発振パルスレ
ーザ光１３の光軸に沿った圧力波発生位置が一次元的に
同定され、発振パルスレーザ光１３を線状（一次元）走
査あるいは平面状（二次元）走査することにより、圧力
波発生位置が二次元的あるいは三次元的に同定される。

【００７９】また、デジタル信号処理装置２８は、濃度
情報補正手段２０を必要に応じて備える。濃度情報補正
手段２０は、図４に示すものと同様、較正テーブル２９
と濃度較正手段３０とを有する。

【００８０】濃度情報補正手段２０には、Ａ／Ｄ変換器
２７からの時系列デジタル圧力波信号（ガス分子の時系
列濃度信号）と、位置同定手段１７からの出力位置信号
Ｌとが入力され、予め用意された時系列信号レベル−分
子濃度の較正テーブル２９から時系列デジタル信号（ガ
ス分子の濃度信号）の各点（圧力波発生位置）に相当す
るガス分子の濃度が同定される。

【００８１】濃度情報補正手段２０からのガス分子の濃
度信号Ｏut1 と位置同定手段１７からの出力位置信号Ｌ
が濃度分布表示手段１８に入力され、この濃度分布表示
手段１８にて発振パルスレーザ光１３の光軸方向のガス
濃度分布が表示される。発振パルスレーザ光１３を照射
および走査光学系３２でライン状（一次元）あるいは平
面状（二次元）に走査させることにより、ガス分子１１
ｂの光軸を含む二次元あるいは三次元濃度分布が表示さ
れる。

【００８２】一方、気体媒質Ｍ_Gに向けて照射されるパ
ルスレーザ光１３は、駆動制御装置３５によって駆動制
御される照射および走査光学系３４によって二次元的に
走査される。一次元的なライン走査であってもよい。

【００８３】また、照射および走査光学系３４によるパ
ルスレーザ光１３の照射方向信号を元にマイクロフォン
１４ｃの指向性も適切な方向に走査される。この二次元
的な照射方向信号もデジタル信号処理装置２８に取り込
まれ、パルスレーザ光１３の照射方向、ガス分子１１ｂ
の位置、ガス分子１１ｂの濃度情報から、ガス分子１１
ｂの三次元（二次元）的濃度分布が再構成され、再構成
結果がディスプレイとしての濃度分布表示手段１８にタ
イムラグなく表示することができる。この再構成はデジ
タル信号処理装置２８で行なっても、また濃度分布表示
手段１８で行なってもよい。

【００８４】図７は圧力波（光音響）信号測定試験にお
ける測定試験装置の配置例を示す原理図である。

【００８５】この測定試験装置においては、測定対象分
子１１のリーク源としてガスノズルから吹き出されるガ
ス分子１１ｂを採用し、このガス分子１１ｂを中心とし
て所定距離、例えば１００mm離れた同心円上にマイクロ
フォン３６を等間隔に多数本配列し、ガス分子１１ｂ上
にレーザ光を照射したとき、ガス分子１１ｂから発生せ
しめられる音源（圧力波）の指向性評価をしたものであ
り、その評価結果を図８に示す。

【００８６】図８に示された光音響（圧力波）の指向性
評価において、レーザ光をＸ軸方向に走査し、点Ｏに存
在するガス分子１１ｂにレーザ光を照射すると、光音響
信号源はレーザ光の光軸に沿った線音源となり、ガス分
子１１ｂで発生する音源（光音響）の規格化された音響
強度（デシベルあるいはパスカル値）は、レーザ光の光
軸に直交する横方向位置に設置された音響検出手段１４
（マイクロフォン３６）が、最高になることがわかっ
た。各マイクロフォン３６による音響強度の測定値は、
図８に示す指向性分布曲線Ｃとなった。この音響強度の
指向性分布曲線Ｃから発振レーザ光の光軸とほぼ直交す
る方向（垂直方向）での測定が有利となることがわかっ
た。

【００８７】光音響の指向性評価試験結果から、図６に
示すように、発振パルスレーザ光１３の光軸に直交する
方向に音響検出手段１４を設置することが、ガス分子１
１ｂの濃度分布を正確に効率よく測定する上で好ましい
ことがわかった。音響検出手段１４の設置位置は、媒質
Ｍが固体あるいは液体である場合にも同様であり、発振
レーザ光の光軸に直交する方向に設置することが、能率
的な分子濃度分布検出する上で、好ましいことがわかっ
た。ただ、音響強度の指向性分布曲線の拡がりから、発
振レーザ光の光軸とほぼ直交方向に音響検出手段１４を
設置することは好ましいが、必ずしもこの設置位置に限
定されない。

【００８８】図９は、本発明に係る濃度分布計測装置の
第３実施形態を示す基本的な構成図である。

【００８９】図１および図５に示された濃度分布計測装
置と実質的に同じ構成には同一符号を付して説明を省略
する。

【００９０】図９に示された濃度分布計測装置１０は、
光源１２として赤外線レーザ光源等のパルスレーザ光源
１２ａを用いる。パルスレーザ光源１２ａから発振され
るパルスレーザ光１３は光走査手段２６によって二次元
平面Ｐ₂上をジグザグ状に走査される。光走査手段２６
による平面走査により媒質Ｍ中に存在する測定対象分子
１１の濃度分布を二次元的あるいは三次元的に計測する
ことができる。

【００９１】この濃度分布計測装置１０は、駆動制御手
段２７によって作動制御され、発振パルスレーザ光１３
の走査方向が制御される。駆動制御手段２７から出力さ
れる走査方向信号Ｏut3 が濃度分布表示手段１８に入力
されるようになっている。

【００９２】また、駆動制御手段７２は、音響検出手段
１４に指向性を持たせるため、音響検出手段１４の検出
指向性走査手段４０を駆動制御し、光走査手段２６の駆
動制御と同期し、あるいは所要のタイムラグを備えて音
響検出手段１４であるマイクロフォン１４ａを特定の方
向に指向させるようになっている。駆動制御手段２７
は、光走査手段２６による発振パルスレーザ光１３の照
射信号（走査方向信号）Ｏut3 に合せて検出指向性走査
手段４０を駆動制御し、音響検出手段１４であるマイク
ロフォン１４ａの向き（指向性Ｄ₁）を走査するように
なっている。

【００９３】しかして、駆動制御手段２７から出力され
る走査方向信号Ｏut3 が濃度分布表示手段１８に入力さ
れる。濃度分布表示手段１８は、駆動制御手段２７から
の走査方向信号Ｏut3 と、信号処理手段１４から出力さ
れる測定対象分子１１の濃度信号Ｏut1 と、位置同定手
段１７から出力される位置信号Ｌとから、測定対象分子
１１の二次元あるいは三次元濃度分布が表示されるよう
になっている。そして、この濃度分布表示手段１８を用
いて発振パルスレーザ光１３の光軸に沿った濃度分布と
して再構成され、発振パルスレーザ光１３をライン状
（一次元）あるいは平面状（二次元）走査することによ
り、測定対象分子１１の二次元あるいは三次元濃度分布
が再構成されて表示される。

【００９４】図９に示す濃度分布計測装置１０の他の構
成は、図１または図５に示された濃度分布計測装置と異
ならない。濃度分布計測装置１０の測定対象分子１１の
濃度測定作用も、図５に示す濃度分布計測装置とほぼ同
一である。図５に示す濃度分布計測装置とは、光走査手
段２６を駆動制御する駆動制御手段２７が検出指向性走
査手段４０を駆動制御し、音響検出手段１４の指向性
を、光走査手段２６と同期的あるいは所定のタイミング
をとって走査させる以外は異ならない。

【００９５】図９に示された濃度分布計測装置１０にお
いては、パルスレーザ光源１２ａから発振されたパルス
レーザ光１３を光走査手段２６で一次元走査（ライン走
査）あるいは二次元走査（面走査）することで、媒質Ｍ
中に拡がる測定対象分子１１の二次元あるいは三次元濃
度分布を、指向性をもった音響検出手段１４で能率よく
検出し、再構成して濃度分布表示手段１８に正確に表示
することができる。

【００９６】このように、光走査手段２６によるパルス
レーザ光１３の照射方向Ｏut3 に合せて指向性音響検出
手段１４の指向性Ｄ₁が検出指向性走査手段４０によっ
て走査されれば、その他の方向から放射される雑音成分
の影響を効果的に除去でき、感度の良い濃度分布計測が
可能となる。

【００９７】図１０は、本発明に係る濃度分布計測装置
の第３実施形態における具体的な実施例を示す構成図で
ある。

【００９８】この実施例に示された濃度分布計測装置１
０の基本的な構成は図９に示す装置とほぼ同様であるの
で、同じ構成には、同一符号を付して説明する。

【００９９】図１０に示された濃度分布計測装置１０は
液体媒質Ｍ_L中に存在する測定対象分子１１、例えば不
純物の分子の濃度分布を測定するものである。透過性を
有する液体媒質Ｍ_L中に測定対象分子１１ｃが存在する
とし、液体媒質Ｍ_Lの音速をｖ_L、測定対象分子１１ｃ
の代表的な光吸収波長をλ_cとする。

【０１００】この濃度分布計測装置１０は、光源１２に
波長可変半導体レーザ光源１２ｄが用いられる。波長可
変半導体レーザ光源１２ｄから繰返し同期Ｔ₁が波長λ
_c1からλ_c2まで時間的に線形に波長掃引されたレーザ光
１３ａが発振せしめられる。レーザ光源１２ｄから発振
されたレーザ光１３ａは、ハーフミラー等の分岐用光学
系４４で分岐される。なお、発振レーザ１３ａの波長λ
_cは、

【数１０】λ_c1＜λ_c＜λ_c2 の関係に保たれる。

【０１０１】分岐された発振レーザ光の一方１３ａは照
射および走査光学系３４を介して液体媒質Ｍ_Lに入射さ
れ、液体媒質Ｍ_L中を伝播する。液体媒質Ｍ_L中を伝播
する発振レーザ光１３ａが測定対象分子１１ｃに照射さ
れると、この測定対象分子１１ｃが発振レーザ光１３ａ
のエネルギを吸収し、光音響効果で決まる相互作用をす
るようになっている。

【０１０２】発振レーザ光１３ａが測定対象分子１１ｃ
に照射され、この測定対象分子１１ｃが発振レーザ光１
３ａの光エネルギを吸収すると、光音響効果により、圧
力波（音波）ＰＷが発生する。発生した圧力波ＰＷは液
体媒質Ｍ_L中を速度ｖ_Lで伝播する。

【０１０３】一方、液体媒質Ｍ_Lを収容した容器４５内
には音響検出手段１４としてパラボラ型ハイドロフォン
４６が走査ステージ４７に搭載されて収容される。パラ
ボラ型ハイドロフォン４６はパラボラ４８と液体（水）
中使用のマイクロフォン４９とを一体的に組み合せたも
のであり、このパラボラ型ハイドロフォン４６により光
音響効果により発生する圧力波ＰＷを検出するようにな
っている。

【０１０４】また、波長可変半導体レーザ光源１２ｄか
らの発振レーザ光から分岐された他方のレーザ光１３ｂ
は測定対象分子１１ｃと同じ分子が封入された光透過性
のある密閉容器５０内に入射される。発振レーザ光の他
方１３ｂが入射された密閉容器５０内で、分子１１ｃが
発振レーザ光１３ｂの光エネルギを吸収し、光音響効果
により圧力波（音響）を発生させる。密閉容器５０内で
光音響効果により発生した圧力波ＰＷは密閉容器５０に
取り付けられたマイクロフォン５１で検出され、この検
出された圧力波信号が基準信号として信号処理手段１５
を構成する相関計５２に入力される。

【０１０５】信号処理手段１５の相関計５２は相関処理
手段として構成され、この相関計５２にパラボラ型ハイ
ドロフォン４６で検出された時系列の圧力波信号も入力
され、マイクロフォン５１からの基準信号である出力信
号と相関処理される。相関処理された圧力波信号（測定
対象分子１１ｃの濃度信号）は、予め用意された時系列
信号レベル−分子濃度の較正テーブル２９から入力され
る較正表と比較され、時系列圧力波信号の各点に相当す
る濃度が同定されるとともに、密閉容器５０内で検出さ
れた基準信号である出力圧力波信号からパラボラ型ハイ
ドロフォン４６で検出された圧力波信号の遅れ時間が検
出され、算出される。

【０１０６】相関計５２で相関処理された測定対象分子
１１ｃの圧力波信号に相当する分子の濃度信号はＣＰＵ
等の演算器５３に入力されて演算処理される。この演算
器５３は、図４および図６に表示されたデジタル信号処
理装置２８に相当するものであり、内部に時間差測定手
段１６および位置同定手段１７を備えている。

【０１０７】演算器５３の時間差測定手段１６にはマイ
クロフォン５１からの出力圧力差信号も入力され、この
出力圧力差信号と相関計５２からの測定された測定対象
分子１１ｃの圧力波信号（測定遅れ時間）との時間差が
算出され、この時間差信号と液体媒質Ｍ_L中の既知の音
速ｖ_Lから位置同定手段１７により時系列圧力波信号の
各点の発生位置、すなわち測定対象分子１１ｃの位置が
同定される。位置同定手段７１からの出力位置信号Ｌが
画像処理装置５５に出力される。

【０１０８】また、波長可変半導体レーザ光源１２ｄか
ら液体媒質Ｍ_Lに向けて発振されたレーザ光１３ａは駆
動制御装置３５により駆動制御される走査光学系３４に
よって二次元的に面走査される。一次元的にライン走査
してもよい。

【０１０９】そして、駆動制御装置３５に駆動制御され
る走査光学系３４の照射走査方向をベースにパラボラ型
ハイドロフォン４６も走査ステージ４７によって適切な
方向に向けられる。

【０１１０】しかして、液体媒質Ｍ_L中に入射され、伝
播される二次元（あるいは一次元）的な照射方向信号、
位置同定手段１７で同定された出力位置信号、およびパ
ラボラ型ハイドロフォン４６で検出された圧力波信号
（測定対象分子１１ｃの濃度信号）は図示しないＡ／Ｄ
変換器でデジタル信号に変換されて画像処理装置５５に
取り込まれ、三次元濃度分布（または二次元濃度分布）
として再構成され、結果がディスプレー等の濃度分布表
示手段１８に表示される。

【０１１１】この濃度分布計測装置１０においては、波
長可変半導体レーザ光源１２ｄの波長掃引周期Ｔ₁をＭ
系列信号等を用いて種々変化させれば、周期的な雑音成
分を効率的に除去でき、Ｓ／Ｎ比の優れた信号検出が可
能となる。

【０１１２】図１１は、本発明に係る濃度分布計測装置
の第４実施形態を示す基本的な構成図である。

【０１１３】図１に示される濃度分布計測装置と実質的
に同じ構成には、同一符号を付して説明を省略する。

【０１１４】図１１に示された濃度分布計測装置１０は
光源１２として波長掃引光源１２ｅが用いられる。波長
掃引光源１２ｅは測定対象分子１１によって強く光吸収
される波長λ₀付近で波長掃引されるようになってい
る。具体的には波長掃引光源１２ｅからの連続発振波長
の時間変化に示す図１２のように、波長λ₀付近の所定
の波長領域において、波長λ₀を挟んで一方の波長λ₁
から他方の波長λ₂に繰返し波長掃引するものである。

【０１１５】波長掃引光源１２ｅから発振された波長掃
引のレーザ光から波長λ₀のレーザ光の発振時間を測定
する発振時間測定手段５７が設けられ、この発振時間測
定手段５７により、波長λ₀のレーザ光が発振される発
振タイミングｔ₄が測定される。この波長λ₀は、測定
対象分子１１が強く光吸収される波長に等しい。

【０１１６】発振時間測定手段５７で検出された発振タ
イミングｔ₄は時間差測定手段１６に入力される一方、
音響検出手段１４にて検出された圧力波ＰＷの検出タイ
ミングｔ₃が時間差測定手段１６に入力され、この時間
差測定手段１６で波長掃引光の発振タイミングから音響
検出手段１４によって圧力波ＰＷが検出されるまでの時
間差ｔ₁を検出している。この時間差信号ｔ₁は位置同
定手段１７に入力される。位置同定手段１７は媒質Ｍ中
を伝播される圧力波ＰＷの速度が予め既知であるので、
既知の圧力伝播速度と時間差ｔ₁とから圧力波ＰＷの発
生位置を同定することができる。

【０１１７】図１１に示す濃度分布計測装置１０は、測
定対象分子１１が強く光吸収する波長域付近で波長掃引
される波長掃引光源１２ｅを用いたので、この波長掃引
光源１２ｅがλ₁からλ₂まで波長が掃引される間に必
ず１度、光源１２ｅから完全にλ₀に波長チューニング
された光１３が発振されることになる。このような波長
掃引光源１２ｅを用いれば、常に厳密にλ₀にチューニ
ングされた光源を用いることなく、効率の良い計測を行
なうことが可能となる。さらに、波長掃引光源１２ｅが
波長λ₀の光を発振した時間ｔ₄から音響検出手段１４
によって圧力波ＰＷが検出されるまでの時間差ｔ₁を計
測する時間差計測手段１６を用いれば、図１に示された
濃度分布計測装置と同様の作用によって圧力波の発生位
置を同定することが可能となる。

【０１１８】なお、本発明の各実施形態では光源として
パルスレーザ光源や波長掃引光源を用いた例を示した
が、パルスレーザ光源あるいは波長掃引光源は例えば赤
外線レーザ光源で構成される。パルスレーザ光源は波長
可変の半導体レーザ光源で構成しても、またはラマンレ
ーザ光源で構成してもよい。

【０１１９】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明に係る濃度
分布計測装置においては、固体、液体あるいは気体など
の媒質中に存在する固相、液相あるいは気相の測定対象
分子の分子濃度を、発振光の光軸方向に沿って時間分割
することで濃度分布測定系の中で位置が既知の背景雑音
源の影響を効果的に除去できるので、測定対象分子の光
軸に沿った濃度分布あるいは光軸を含む二次元あるいは
三次元濃度分布情報として効率的に精度よく測定するこ
とができる。

【０１２０】請求項１に係る濃度分布計測装置において
は、光源からの発振タイミングと音響検出手段によって
検出される圧力波の検出タイミングを時間差計測手段に
入力して時間差を検出し、この時間差から圧力波の発生
位置を位置同定手段で同定したので、媒質中に存在する
測定対象分子の濃度と圧力波発生位置を計測でき、測定
対象分子の濃度分布を測定することができる。

【０１２１】請求項２に係る濃度分布計測装置において
は、駆動制御手段によって光走査手段を駆動制御し、発
振光を一次元ライン上あるいは二次元平面上に走査した
ので、駆動制御手段から出力される発振光の走査方向信
号と、位置同定手段から出力される位置信号と、信号処
理手段から出力される分子の濃度信号から発振光の光軸
に沿った測定対象分子の二次元または三次元濃度分布を
再構成し、濃度分布表示手段で簡単かつ容易に表示で
き、測定対象分子の光軸方向に沿う二次元あるいは三次
元濃度分布を目視で確認でき、迅速な対応を図ることが
できる。

【０１２２】請求項３に係る濃度分布計測装置において
は、濃度情報補正手段を備えて、媒質中の伝播距離によ
る減衰補正を分子濃度信号に加えたので、到達した圧力
波レベルから光軸に沿った測定対象分子の濃度分布を換
算する際、伝播距離による圧力波の減衰を補正し、より
正確な測定対象分子の濃度分布情報を検知することがで
きる。

【０１２３】請求項４に係る濃度分布計測装置において
は、音響検出手段の指向性を走査する検出指向性走査手
段を備えたから、音響検出手段を圧力波の発生位置側の
最適方向に向けることができ、検出指向性走査手段によ
って音響検出手段を走査させれば、その他の方向から放
射される雑音成分の影響を効果的に除去し、より感度の
良い濃度分布計測が可能となる。

【０１２４】請求項５に係る濃度分布計測装置において
は、測定された時系列圧力波信号の平均化処理を行なう
平均化処理手段を信号処理手段に有することにより、圧
力波信号に含まれるランダム雑音を除去することがで
き、圧力波信号をＳ／Ｎ比よく計測することが可能とな
り、より広範囲の計測、より低濃度までの濃度計測がで
きるようになる。

【０１２５】請求項６に係る濃度分布計測装置において
は、音響検出手段を発振光の光軸とほぼ直交する方向の
延長線上に配置することにより、圧力波の光音響の指向
性を考慮して音響検出手段を設置することができ、圧力
波の検出を効率よく能率的に行なうことができる。

【０１２６】請求項７に係る濃度分布計測装置において
は、大気中のガス分子のみでなく、固体、液体あるいは
気体媒質中に含まれる固相、液相あるいは気相分子の濃
度分布測定に拡張できる。

【０１２７】請求項８および９に係る濃度分布計測装置
においては、測定対象分子は、炭化水素ガスであり、光
源に赤外線レーザ光源あるいはラマンレーザ光源を用い
たので、炭化水素ガスの光吸収波長域のレーザ光を簡単
かつ容易に発振させることができ、温度制御等の煩雑な
発振光の波長制御を行なうことなく、常に光源波長が測
定対象分子の光吸収スペクトルと一致するような波長掃
引可能な光源を提供することが可能となる。

【０１２８】請求項１０に係る濃度分布計測装置におい
ては、赤外線レーザ光あるいはラマンレーザ光源を用い
てメタンガスの光吸収波長域のレーザ光を発振させるこ
とができるので、気体媒質、例えば大気中に含まれるメ
タンガスの濃度分布を簡単かつ容易に検出できる。

【０１２９】請求項１１に係る濃度分布計測装置におい
ては、波長掃引光源を用いて測定対象分子の強い光吸収
波長域で簡単に波長掃引させることができ、温度制御等
の煩雑な処置なしに、常に光源波長が測定対象分子の吸
収スペクトルと一致するような光源を提供することが可
能となる。

【０１３０】請求項１２に係る濃度分布計測装置におい
ては、相関処理手段が設けられて、音響検出手段で測定
された時系列の出力信号と基準信号とが相関処理され、
時系列出力信号の各点に相当する分子濃度が同定される
とともに、その遅れ時間が検出され、時系列出力信号の
各点の発生位置を同定することが容易となる。

【０１３１】請求項１３に係る濃度分布計測装置におい
ては、赤外線レーザ光源からの発振タイミングと音響検
出手段の測定された時系列出力信号の周期とを同期させ
ることにより、周波数同調が生じて、Ｓ／Ｎ比のよい信
号検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る濃度分布計測装置の第１実施形態
を示す基本的な構成図。

【図２】本発明に係る濃度分布計測装置の第１実施形態
における変形例を示す構成図。

【図３】測定対象分子が分布している媒質空間を伝播さ
れる光の光強度分布を示す図。

【図４】本発明に係る濃度分布計測装置の第１実施形態
における具体的な実施例を示す構成図。

【図５】本発明に係る濃度分布計測装置の第２実施形態
を示す基本的な構成図。

【図６】本発明に係る濃度分布計測装置の第２実施形態
における具体的な実施例を示す構成図。

【図７】光音響信号の指向性評価試験に用いられる試験
装置のレイアウトを示す原理図。

【図８】光音響？の指向性評価試験における音響強度の
指向性分布曲線を示す測定図。

【図９】本発明に係る濃度分布計測装置の第３実施形態
を示す基本的な構成図。

【図１０】本発明に係る濃度分布計測装置の第３実施形
態における実施例の構成図。

【図１１】本発明に係る濃度分布計測装置の第４実施形
態を示す基本的な構成図。

【図１２】波長掃引光源からの発振波長の時間変化の一
例を示す図。

【図１３】従来のガス漏洩検出装置を示す構成図。

【図１４】従来技術における背景雑音の発生例を示す
図。

【符号の説明】

１０濃度分布計測装置１１特定分子（測定対象分子）１１ａ特定分子１１ｂガス分子１１ｃ測定対象分子１２光源１２ａパルスレーザ光源１２ｂ波長可変光源１２ｃラマンレーザ光源１２ｄ波長可変半導体レーザ光源１３パルスレーザ光１４音響検出手段１４ａマイクロフォン１４ｂ圧電素子１４ｃマイクロフォンアレイ１５信号処理手段１６時間差測定手段１７位置同定手段１８濃度分布表示手段（ディスプレー）２０濃度情報補正手段２３走査光学系２４カップラント（音響カプラ）２５シグナルアベレージャ（平均化処理手段）２６光走査手段２７駆動制御手段２８デジタル信号処理手段２９較正テーブル３０濃度較正手段３２励起用パルス光源３３ラマンセル３４照射および走査光学系３５駆動制御装置３６マイクロフォン３７指向性信号処理回路３８指向性駆動制御装置４０検出指向性走査手段４４分岐用光学計４５容器４６パラボラ型ハイドロフォン４７走査ステージ５０密閉容器５１マイクロフォン５２相関計（相関処理手段）Ｍ媒質ＰＷ圧力波

フロントページの続き (72)発明者黒木雅彦神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号東京電力株式会社エネルギー・環境研究所内 (72)発明者倉澤英暁神奈川県横浜市鶴見区江ヶ崎町４番１号東京電力株式会社エネルギー・環境研究所内 (72)発明者落合誠神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者向井成彦神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者相川徹郎神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地株式会社東芝横浜事業所内 (72)発明者横山邦彦東京都港区芝浦一丁目１番１号株式会社東芝本社事務所内 (56)参考文献特開平５−66192（ＪＰ，Ａ) 特開平９−101230（ＪＰ，Ａ) 特表平６−510121（ＪＰ，Ａ) ＴｏｍＭｃＲａｅ，Ｐｈｏｔｏ−ＡｃｏｕｓｔｉｃＬｅａｋＬｏｃａｔｉｏｎａｎｄＡｌａｍ，1993 ＦＡＬＬＣＯＮＦＦＥＲＥＮＣＥＱＵＡＬＩＴＹＴＥＳＴＩＮＧＳＨＯＷ, 米国，1994年３月15日，1993，ＰＡＧＥ．97−99 吉田豊他，レーザ音響効果を用いたガスの定量化に関する基礎的研究，研究・業績発表講演会講演要旨集Ｓ62年度春季大会，日本，1987年５月21日, ＰＡＧＥ．41−42 (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01M 3/00 - 3/40 G01N 21/00 - 21/61 G01N 29/00 - 29/28 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】測定対象分子によって強く吸収される波
長のパルス光あるいは変調光を発振する光源と、この光
源からの発振光と前記分子の相互作用による光音響効果
で発生する圧力波を検出する音響検出手段と、この音響
検出手段の出力信号を前記測定対象分子の濃度信号ある
いはアラーム信号に変換する信号処理手段と、前記光源
の発光から音響検出手段によって圧力波が検出されるま
での時間差を計測する時間差計測手段と、前記時間差計
測手段の出力信号から圧力波の発生位置を同定する位置
同定手段を備えたことを特徴とする濃度分布計測装置。
【請求項２】光源からの発振光を二次元平面上あるい
は一次元のライン上に走査する光走査手段と、この光走
査手段を駆動制御する駆動制御手段と、駆動制御手段か
ら出力される発振光の走査方向信号と前記位置同定手段
から出力される位置信号と、前記信号処理手段から出力
される分子の濃度信号から、前記光源からの発振光の光
軸に沿った前記分子の三次元または二次元濃度分布を再
構成し、表示する濃度分布表示手段を備えた請求項１に
記載の濃度分布計測装置。
【請求項３】前記信号処理手段から出力される測定対
象分子の濃度信号を入力する濃度情報補正手段を備え、
この濃度情報補正手段は位置同定手段から出力される位
置信号を入力して、分子濃度信号に媒質中伝播距離によ
る減衰補正を加えた請求項１または２に記載の濃度分布
計測装置。
【請求項４】光走査手段による発振光の照射方向に合
せて音響検出手段の指向性を走査する検出指向性走査手
段を備え、上記音響検出手段はある特定方向に指向性を
有する請求項２に記載の濃度分布計測装置。
【請求項５】信号処理手段は、音響検出手段から出力
される測定圧力波信号の平均化処理を行なう平均化処理
手段を有する請求項１ないし４のいずれかに記載の濃度
分布計測装置。
【請求項６】音響検出手段は発振光の光軸とほぼ直交
する方向の延長線上に配置された請求項１ないし５のい
ずれかに記載の濃度分布計測装置。
【請求項７】測定対象分子は、固体、液体あるいは気
体媒質に含まれる固相、液相あるいは気相分子である請
求項１ないし６のいずれかに記載の濃度分布計測装置。
【請求項８】測定対象分子は、気体媒質中に含まれる
メタンガス等の炭化水素ガスであり、光源は、炭化水素
ガスが強く光吸収する波長域で発振する赤外線レーザ光
源である請求項７に記載の濃度分布計測装置。
【請求項９】光源は、測定対象分子をラマン媒質とし
たラマンレーザ光源である請求項７に記載の濃度分布計
測装置。
【請求項１０】測定対象分子はメタンガスであり、光
源は１．３３μｍの波長帯域、１．６６μｍの波長帯域
あるいは３．３９μｍの波長帯域で発振する赤外線レー
ザ光源あるいはメタンガスをラマン媒質としたラマンレ
ーザ光源である請求項７に記載の濃度分布計測装置。
【請求項１１】測定対象分子によって強く吸収される
波長域の光を発振する光源と、この光源からの発振光と
測定対象分子の相互作用による光音響効果で発生する圧
力波を検出する音響検出手段と、この音響検出手段の出
力信号を前記測定対象分子の濃度信号あるいはアラーム
信号に変換する信号処理手段と、前記測定対象分子によ
って強く吸収される波長の光を発振した時間を測定する
発振時間測定手段と、前記発振時間測定手段で検出した
発振タイミングから音響検出手段によって圧力波が検出
されるまでの時間差を計測する時間差計測手段と、前記
時間差計測手段の出力信号から圧力波の発生位置を同定
する位置同定手段とを備え、前記光源は測定対象分子の
強い光吸収波長域で波長掃引される波長掃引光源である
ことを特徴とする濃度分布計測装置。
【請求項１２】信号処理手段は、音響検出手段で測定
された出力信号と基準信号とを相関処理させる相関処理
手段を有し、相関処理手段で処理される基準信号は光源
からの発振タイミングあるいは測定対象分子に強く光吸
収される波長の掃引光を発振させる波長掃引光源からの
発振タイミングと同期した信号である請求項１または１
１に記載の濃度分布計測装置。
【請求項１３】光源はパルスレーザ光あるいは測定対
象分子の強い光吸収波長域で波長掃引される波長掃引光
を出力する赤外線レーザ光源であり、赤外線レーザ光源
からの発振タイミングを音響検出手段の時系列測定出力
信号の周期と同期させた請求項１または１１に記載の濃
度分布計測装置。