JP2001505308A

JP2001505308A - ガスのイメージング方法及び装置

Info

Publication number: JP2001505308A
Application number: JP52533598A
Authority: JP
Inventors: マイケルポールアンドリュー
Original assignee: グラハムトーマスコンサルタンツリミテッド
Priority date: 1996-12-03
Filing date: 1997-12-01
Publication date: 2001-04-17
Also published as: EP0943085A1; GB2320155B; US6297504B1; DE69728055T2; GB2320155A; GB9625087D0; DE69728055D1; CN1260042A; EP0943085B1; WO1998025129A1; AU5230498A

Abstract

(57)【要約】選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする方法であって、選択された領域から干渉計へ背景の赤外放射を向ける工程と、干渉計から生じる赤外放射を少なくとも１つの赤外検出器上にイメージングする工程と、８〜１４μｍのスペクトル領域内の複数のフーリエ変換赤外スペクトルを取得する工程であって、各スペクトルは選択された領域の異なる部分から収集された赤外放射に対応する工程と、及び、適当な形態で赤外イメージを表示する工程であって、前記赤外イメージは複数の赤外スペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む工程と、を有し、ある量のガスの温度又は大気温度を測定し、背景の温度を測定し、２つの測定された温度間の差を使用して前記赤外スペクトルからガスカラム密度を導出する方法が記載される。

Description

【発明の詳細な説明】ガスのイメージング方法及び装置本発明は、ガスのイメージング方法及び装置に関し、特にガスのフーリエ変換赤外イメージング（ＦＴＩＲ）に関する。ガス雲、ガス柱、その他の遠隔感知−特に化学的に選択的な遠隔感知−は、明らかに環境上重要な分野である。そのようなガス雲は、例えば故意でないガス漏れやガス流の排除によることがある。多くの分子は固有の赤外スペクトルを有し、大気はこれらの波長で比較的に透過性を有するので、８〜１４及び３〜５μｍのスペクトル領域における赤外振動分光法はそのような調査によく適した分析手法である。よって、ガス雲その他の受動赤外分光監視に関連する文献が不足しているようであることは恐らく驚くべきことである。受動監視−そこでは背景赤外放射の吸収又は放出が検出される− は、目立たないことと単純さにより顕著な魅力を有する。例えば、呼び掛け赤外放射源を設け、そのような源のための反射器を配置し、又は検出器からある距離に源を配置する必要がない。ＦＴＩＲ分光法は、受動的測定に良好に適合した高感度の手法である。本発明に特に関連するのは欧州特許出願EP-A-0287929であり、それはガス雲の受動ＦＴＩＲ監視をビデオカメラと組み合わせて、監視された領域の視覚的イメージを提供する装置を記載する。しかし、標準的な干渉計の構成では単一の赤外検出器が使用されるので、干渉計の全視野にわたる単一の測定を示す赤外スペクトルが得られる。さらに、温度の影響が考慮されていないので、その装置は真に定量的な濃度データを生成することができない。そのような受動ＦＴＩＲシステムの改良は、ガス雲のＩＲイメージを生成可能なシステムであろう。こうして、ガス雲のサイズ及び位置が決定できるので、ガス雲が「見える」ようになる。も直接的な実際的実施は、適当なイメージング光学系との関連である種のＩＲ検出器のアレイを使用することであろう。実際に、ＦＴＩＲイメージングの分野は初期のものと考えられ、計算上の要求が非常に厳格であるという事実により、状況は恐らく大きな測定装置内にある：アレイ内の複数の検出器に対応する複数の干渉写真に対して現実的なデューティサイクルでフーリエ変換を実行しなければならない。適当な高性能のデータ処理手法が日常的に使用可能となったのはごく最近のことである。現在まで、ＦＴＩＲイメージングは、ミサイルや噴射蒸気流の追跡などの軍事的応用に向けられていたようである。噴射などは非常に高温であり、典型的に５００℃又はそれ以上の温度であり、よってＩＲ放射を強力に発射するので、「典型的な」ガス雲のイメージングはより厳しいタスクであることは明らかである。例えば偶然の工業上のガス漏れにより生じるガス雲は非常に低い温度、恐らく大気温度に近いか等しい温度であることが多い。さらに、そのような軍事目的のイメージングは定量的データ、すなわち、ガスカラム密度の導出とは関係しない。明らかに、ガス雲のイメージングに関しては定量的データが非常に望ましい：例えば、そのようなデータは危険な濃度閾値を超えたかを示す。本発明の目的は、定量的なガス濃度データを生成可能な受動ＦＴＩＲガス雲イメージングシステムを提供することにある。本発明のさらなる目的は複合的ガス雲イメージング装置を提供することにあり、その装置はカメラシステムと組み合わされた受動ＦＴＩＲガス雲イメージングシステムを含み、そのカメラシステムでは２つの呼び掛け手法の結果−ＩＲイメージと可視的イメージ−が同時に表示される。疑いを避けるために、用語「ガス」は気相中のあらゆる種を包含し、蒸気を含むものと理解される。本発明の第１の観点によれば、選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする方法が提供され、その方法は、選択された領域から干渉計へ背景のＩＲ放射を向ける工程と、干渉計から生じるＩＲ放射を少なくとも１つのＩＲ検出器上にイメージングする工程と、８〜１４μｍのスペクトル領域内の複数のＦＴＩＲスペクトルを取得する工程であって、各スペクトルは選択された領域の異なる部分から収集されたＩＲ放射に対応する工程と、及び、適当な形態でＩＲイメージを表示する工程であって、前記ＩＲイメージは複数のＩＲスペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む工程と、を有し、ある量のガスの温度又は大気温度を測定し、背景の温度を測定し、２つの測定された温度間の差を使用して前記ＩＲスペクトルからガスカラム密度を導出する。その方法は、定量的な受動ＦＴＩＲイメージングプロセスを含み、そのプロセスにおいては、ガス雲、ガス柱、その他の成分の吸収又は放出を、背景の「黒体」ＩＲ放射源に関して測定する。干渉計から生じるＩＲ放射をＩＲ検出器のアレイ上にイメージングすることができ、複数のＩＲスペクトル中の各スペクトルはアレイ中の１つの検出器の変換出力に対応するようにすることができる。背景の温度は、ＩＲスペクトルの強度又は強度分布から測定することができる。ＩＲイメージは、複数のＩＲスペクトル中の吸収又は放出特性の強度に関連する量を含むことができる。こうして、化学的に選択的な強度データを表示することができる。２つの測定された温度間の差は２０℃未満とすることができる。言い換えれば、本発明は、温度差が大きい「高温」ガスのみならず、大気温度に近い「低温」ガスにも適用可能である。本発明の第２の観点によれば、選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする方法が提供され、その方法は、選択された領域から干渉計へ背景ＩＲ放射を向ける工程と、干渉計から生じるＩＲ放射を少なくとも１つのＩＲ検出器上にイメージングする工程と、複数のＦＴＩＲスペクトルを取得する工程であって、各スペクトルは選択された領域の異なる部分から収集されたＩＲ放射に対応する工程と、選択された領域を含む領域の可視的イメージを取得する工程と、及び、適当な形態で、（i）ＩＲイメージと、（ii）可視的イメージとを同時に表示する工程であって、前記ＩＲイメージは複数のＩＲスペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む工程と、を有する。干渉計から生じるＩＲ放射をＩＲ検出器のアレイ上にイメージングすることができ、複数のＩＲスペクトル中の各スペクトルはアレイ内の１つの検出器の変換出力に対応する。ＩＲイメージは、複数のＩＲスペクトル中の吸収又は放出特性の強度に関連する量を含むことができる。ＩＲイメージの表示は、選択された領域に実質的に対応する可視的イメージの一部上に可視的イメージを重ねることができる。本発明の第２の観点による方法は、本発明の第１の観点に従うものとすることができる。本発明の第３の観点によれば、選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする装置が提供され、その装置は、８〜１４μｍのスペクトル領域中のＩＲ放射を収集可能なＩＲ収集装置と、８〜１４μｍのスペクトル領域中の収集されたＩＲ放射を分析可能な干渉計であって、干渉計から生じるＩＲ放射を少なくとも１つのＩＲ検出器上にイメージングするイメージング手段を有し、前記干渉計は複数の干渉写真を作成し、各干渉写真は選択された領域の異なる１つの部分に対応する干渉計と、複数の干渉写真のフーリエ変換を実行することにより複数のＩＲスペクトルを取得する計算手段と、適当な形態でＩＲイメージを表示する表示手段であって、前記ＩＲイメージは複数のＩＲスペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む手段と、ある量のガスの温度又は周囲温度を測定する手段と、背景の温度を測定する手段とを備え、前記計算手段は、２つの測定された温度間の差を使用して前記ＩＲスペクトルからガスカラムを導出する。干渉計はマイケルソン干渉計とすることができる。その装置は、ＩＲ検出器のアレイであって、干渉計から生じるＩＲ放射が前記アレイ上にイメージングされるアレイと、各ＩＲ検出器から得られる干渉写真に対してフーリエ変換を実行する計算手段と、を備えることができる。好適な実施形態では、その装置は２次元ＩＲイメージを生成する。この機能を実行するために、装置はＩＲ検出器の２次元アレイを含むことができる。その代わりに、ＩＲ検出器のアレイは１つの線形アレイを含むことができ、ＩＲ収集装ー置は走査光学要素とすることができ、走査光学要素は、ＩＲ放射が線形アレイ上にイメージングされる選択された領域の部分を変化させるように移動可能である。１次元アレイは少なくとも８個のＩＲ検出器を含むことができる。表示手段は、複数のＩＲスペクトル中の吸収又は放出特性の強度に関連する量を含むＩＲイメージを表示することができる。イメージング手段は、非球面ゲルマニウムレンズの組み合わせとすることができる。干渉計はコーナーキューブ（corner cube）再帰反射器を含むことができる。検出器は低温水銀カドミウムテルル化物検出器を含むことができる。本発明の第４の観点によれば、選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする装置が提供され、その装置は、ＩＲ放射を収集可能なＩＲ収集装置と、収集されたＩＲ放射を分析可能な干渉計であって、干渉計から生じるＩＲ放射を少なくとも１つのＩＲ検出器上にイメージングするイメージング手段を有し、前記干渉計は複数の干渉写真を作成し、各干渉写真は選択された領域の異なる１つの部分に対応する干渉計と、複数の干渉写真のフーリエ変換を実行することにより複数のＩＲスペクトルを取得する計算手段と、選択された領域を含む領域の可視的イメージを生成するカメラと、及び、適当な形態で、（j）ＩＲイメージと、（ii）可視的イメージとを同時に表示する表示手段であって、前記ＩＲイメージは複数のＩＲスペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む表示手段と、を備える。表示手段は、複数のＩＲスペクトル中の吸収又は放出特性の強度に関連する量を含むＩＲイメージを表示することができる。その装置は、ＩＲ検出器のアレイであって、干渉計から生じるＩＲ放射が前記アレイ上にイメージングされるアレイと、各ＩＲ検出器から得られる干渉写真に対してフーリエ変換を実行する計算手段と、を備えることができる。表示手段は、選択された領域に実質的に対応する可視的イメージの部分内にＩＲイメージを表示することができる。カメラはＣＣＤＴＶカメラとすることができる。本発明の第４の観点による装置は、本発明の第３の観点にも従うものとすることができる。本発明による装置及び方法を以下に添付図面を参照して説明し、添付図面において、図１は、ガス雲イメージングシステムの概略図であり、図２は、可視的イメージ及び高速ガスリークの８×８イメージの複合的表示であり、図３は、可視的イメージ及び低速ガスリークの８×８イメージの複合的表示であり、図４は、データ前処理システムの概略図であり、及び図５は、制御システムの概略図である。本発明は、選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする方法、並びに、この方法を実行するための装置に関する。ある量のガスは、ガス雲、ガス柱、その他とすることができるが、本発明はこの点に関しては限定的ではない。１つの観点では、その方法は、選択された領域から干渉計へ背景のＩＲ放射を向ける工程と、干渉計から生じるＩＲ放射を少なくとも１つのＩＲ検出器上にイメージングする工程と、８〜１４μｍのスペクトル領域内の複数のＦＴＩＲスペクトルを取得する工程であって、各スペクトルは選択された領域の異なる部分から収集されたＩＲ放射に対応する工程と、及び、適当な形態でＩＲイメージを表示する工程であって、前記ＩＲイメージは複数のＩＲスペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む工程と、を有し、ある量のガスの温度又は大気温度を測定し、背景の温度を測定し、２つの測定された温度間の差を使用して前記ＩＲスペクトルからガスカラム密度を導出する。よって、その方法は、定量的な受動ＦＴＩＲイメージングシステムである。ＩＲイメージングが達成される方法は以下により完全に説明される。しかし、その前にいくつかの点を強調することが適切である。第１に、測定手法は受動的なものであり、それにおいてＩＲスペクトルは自然に生じる高帯域背景ＩＲ放射に関して得られる。そのようなＩＲ放射は適切な背景から現れ（又は、適切な背景から反射され）、それは例えば空や、壁などの建物とすることができる。生成されるスペクトルのタイプ−放出又は吸収−は、背景の温度に対するある量のガスの温度に依存する：背景がガスより高温であれば吸収スペクトルが得られ、背景がガスより低温であれば放出スペクトルが得られる。第２に、カラム密度（濃度Ｘ経路長の寸法）をＩＲスペクトルの強度から導出することができるので、その手法は定量的である。そのような定量的データを得るためには、測定されたスペクトル強度を、ガスと背景の間の温度差について補正することが不可欠である：この温度差の大きさが増加すると、ガスのＩＲ吸収／放出スペクトルが増加する。さらに、この種の温度差補正は、８〜１４μｍのスペクトル「ウィンドウ」内でスペクトルが取得される時にのみ成功するであろう。計算により、背景の８〜１４μｍ放射はほとんど完全に黒体熱放出によるものであり、３〜５μｍのスペクトルウィンドウ中の背景放射は、錯乱した太陽放射による多くの成分を有する。３〜５μｍ領域内の測定が考慮されるならば、温度差補正はこの太陽成分を考慮することができないであろう。図１は、選択された領域の大気中に存在するガスの量をイメージングする装置の概略図であり、その装置は、８〜１４μｍのスペクトル領域中のＩＲ放射を収集可能なＩＲ収集装置１０と、８〜１４μｍのスペクトル領域中の収集されたＩＲ放射を分析可能な干渉計１２であって、干渉計１２から現れるＩＲ放射をＩＲ検出器１４のアレイ上にイメージングするためのイメージング手段１３を有する干渉計１２と、各ＩＲ検出器から生じる干渉写真のフーリエ変換を実行することにより複数のＩＲスペクトルを得る計算手段１６、１８と、適当な形態でＩＲイメージを表示する表示手段２０であって、前記ＩＲイメージは複数のＩＲスペクトル又はそれから生じる量を含む表示手段２０と、大気温度を測定する手段（図示せず）と、背景の温度を測定する手段１６、１８と、を備え、２つの測定された温度間の差を計算手段１６、１８により使用して前記ＩＲスペクトルからガスカラム密度を生成する。干渉計１２はマイケルソン干渉計であり、１２°×８°の総視野を有する。干渉計１２は８〜１４μｍの範囲内で４ｃｍ^-1の分解能で動作するように構成されている。マイケルソン干渉計を伴うＦＴＩＲ分光法により与えられる利益は文献に十分に記載されており、多重の利益−全スペクトル領域を全観察時間にわたって監視する−びスループット、又はジャクイノット(Jacquinot)の利益を含む。後者の長所は内在的な軸方向の対称性の発現であり、それは大きな円形の入口開口の使用を可能とする。入口開口により規定される視野を１又は２次元のアレイ検出器上にイメージングすることができるので、これはイメージングに特に関連を有する。こうして、各アレイの画素は視野の一部の全干渉写真を記録する。明らかに、得られる最終的なＩＲイメージは本質的に２次元であり、即ち、複数のＩＲ測定が垂直方向及び水平方向の両方で行われ、各測定は選択された領域内の異なる部分から収集されたＩＲ放射に対応することが望ましい。そのような２次元イメージを得る１つの方法は、固定位置ＩＲ収集装置を有する２次元アレイを使用することである。そのようなアプローチは、完全なイメージを作るために必要な全ての干渉写真が駆動ミラーの１回のトラバースの過程中に同時に得られるという面において効率的である。しかし、現時点では２次元アレイは非常に高価である。さらに、同時測定能力の完全な利用は、正確なデータ捕捉とデータ処理の制約を与える。よってこれらの考慮は、商業的に実際的な装置における２次元アレイの使用にかなり不利に作用してきた。しかし、２次元アレイは確かに本発明の視野の範囲内であり、実際にアレイ製造及びデータ処理技術の進歩は、将来２次元アレイをより魅力的な選択肢とするかもしれない。以下に述べる代替的イメージング方法と比較して、２次元アレイは、付加的な走査入力光学系が不要であるという長所を有する。本実施形態では、ＩＲ検出器１４のアレイは線形の１×８アレイを有し、ＩＲ収集装置１０は、好ましくはミラーである１次元の走査光学要素であり、走査ミラーは選択された領域の部分を変化させるように移動可能であり、その選択された領域からＩＲ放射が線形アレイ１４へＩＲ放射がイメージングされる。そうして、線形アレイ１４は垂直ストリップ(strip)を視野に入れるように配置され、走査ミラー１０はこの垂直ストライプ(stripe)の水平座標を掃引し、それによりＩＲイメージが得られる選択された領域にわたって走査を行う。走査ミラーはステッパモータ（図示せず）により駆動される。原理的には、あらゆるイメージ幅（走査ミラー１０の制約の範囲内で）を得ることができる。しかし、イメーの各要泰が１°角度範囲をカバーする１２×８イメージは、視野、目標解像度、線形アレイのコスト及びデータ捕捉時間の間の合理的な妥協点と考えることができる。１２×８のイメージ全体は、１°の角度増加で１２の別個の位置へミラーを走査し、それら各位置でデータを捕捉することにより、移動中のガス雲をフリーズするのに十分に短い時間スケール、例えば１秒で捕捉することができる。明らかに、必要であれば、すなわち、吸収が小さければ、より長い捕捉時間を採用することもできる。ミラーをそのスタート位置へ戻るように走査する時に別個のセットの測定値を取得することにより、システムをより効率的にすることができる。２次元ＩＲイメージを取得するための第３の方法は、２つの走査ミラーと１つのＩＲ検出器を採用することであることを述べておく。ミラーは相互に垂直な方向へ線形に走査する：こうして、走査ミラーの動作は複数の水平及び垂直ストリップを掃引するように機能する。そのアプローチの長所は、コスト−単一のＩＲ検出器のみが必要となる−及び、イメージを作る画素数の選択における柔軟性である。しかし、各ＩＲイメージを累積するために２つのミラーの位置を走査しなければならないので、単一のＩＲイメージを作るために要する時間は、上述の２つのＩＲアレイのアプローチに関して増加する。本実施形態へ戻ると、検出器アレイ１４からの出力は、以下により詳細に説明する信号調整及びサンプリング手段１６により適切に調整される。調整されたデータは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）へ接続されたディジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）ボードを有するコンピュータ１８へ転送される。データは、１２の走査ミラー位置の各々において各検出要素から得られる干渉写真に対応する９６（相互に付加された）の干渉写真を有する。コンピュータ１８は、干渉写真の高速フーリエ変換を実行して８〜１４μｍのスペクトル領域内の９６のＩＲスペクトルを作り出す。そして、表示手段２０−それはＰＣモニターである−は、ＩＲイメージを適切な形態で表示し、このイメージは９６のＩＲスペクトル、又はそれらスペクトルから得られる量を含む。この表示の形態には無数の可能性がある：これらの可能性のいくつかについては以下に議論されるが、表示はその方法には限定されないことが理解される。最も分かりやすい表示フォーマットはある種の１２×８マトリクスであり、それは当然得られた実際のイメージと適合する。原理的には、9６のＩＲスペクトル自体をこの１２×８マトリクス内に表示することができる。より有益−特にフィールド内で−なものは、コンピュータ１８がスペクトルの予備的な分析を行い、この分析の結果を表示するシステムである。例えば、コンピュータは、ＩＲスペクトルからガスの存在を認識し、ＩＲイメージとして特徴的な吸収又は放出形態の強度（それは当然ガスの濃度に関連する）を表示する。その強度は、高温／低温の「擬似的な色」基準を使用して、どのガスが検出されたかの画面上の指示を伴って表示することができる。代替物は、強度のモノクログレースケール符号化である。別の代替物も、異なるガスに異なる色を割り当て、割り当てられた色の濃淡を変化させることによりガスの相対的又は絶対的な濃度を示すものである。スペクトル分析のタスクは、検出すべきガスを予め選択することにより単純化することができ、その結果、コンピュータは特徴的な波長で少数のスペクトル形態−恐らく１つのみ−についてスペクトルを分析する。当然、全てのイメージ−本例では１２×８イメージ−の全てを表示することは必須ではない。望ましくは、次元を減少させたイメージ、例えば８×８を適当なソフトウェアを使用して好都合に作ることが可能である。本発明の重要な実施形態は、選択された領域を含む領域の可視的イメージを生成可能なカメラをさらに含み、かつ、表示手段２０がＩＲイメージの表示と同時にその可視的イメージを表示する装置である。表示イメージの組み合わせは、ＩＲイメージを得る選択された領域に実質的に対応する可視的イメージの部分中にＩＲイメージを表示する場合には特に強力である。そうして、ユーザは、ＦＴＩＲシステムによりイメージングされている的確な領域の明確な表示を与えられる。そのような表示の形態のシミュレーションは２つの現実的なシナリオを使用して実行される：明確に規定された柱を作り出す、パイプからの高圧の漏れと、大きくゆっくりと広がるガス雲を作り出すより低速の一時的な漏れと、である。シミュレーションはガス柱の高品質イメージを製作し、次に減少した解像度のイメージ−本例では８×８イメージ−を背景シーン上に重ねる前に空間解像度を減少させることにより製作される。図２は高圧ガス漏れの８×８画素イメージ４２を示し、図３は低速ガス漏れの８×８画素イメージ４２を示す。８×８イメージは許容できる品質のイメージを作るためには十分であるように思われるが、より高解像度のイメージの生成も確実に本発明の範囲内である。図２及び３はモノクロであり、ガス濃度はグレースケール符号化により示されている。更なるシミュレーションにより、カラーの可視的イメージを表示し、モノクロのＩＲイメージを重ねる、若しくはモノクロの可視的イメージを表示し、カラーのＩＲイメージを重ねれば、ユーザはデータをより容易に解釈できることが示された。イメージの表示には多くの可能な形態がある。夜間の監視が必要ならば、日中に捕捉されたイメージを、ＩＲイメージと共に同時に表示するために記憶しておくことができる。可視的イメージを生成する好適な方法は、走査ミラーを置いたハウジング上にカメラを配置することである。そして、走査ミラーとほぼ整列するようにカメラを容易に方向付けすることができる。次に、カメラからの単一の可視的フレームをミラー走査の中間で捕捉する。ミラー走査のたびにイメージを更新する必要はない：通常、２分程度の時間毎にイメージを更新すれば十分であるが、この間隔は変更可能である。カメラは、好ましくは適当なレンズ（すなわち、最も広いＩＲイメージの視野と同等又はそれより広い視野を有するレンズ）を有する低コスト全整色ＣＣＤＴＶカメラである。コンピュータ１８はフレーム記憶カードを有し、商業的に入手可能なソフトウェアを使用してカメラとイメージデータ捕捉の両者を制御し、それらのプロセスはマスター制御プログラムによりトリガされる。複数の場所間で装置を移動する場合には、特別な整列処理は必要ではない：必要なことは、可視的イメージへのＩＲの初期マッピングであり、その結果表示ソフトウェアによりそれら２つを正確に重ねることができる。ＩＲイメージと同時に可視的イメージを表示する原理を非定量的ＩＲイメージング、例えば３〜５μｍのスペクトル領域内の非定量的ＩＲイメージングに拡張できることに留意すべきである。カラム密度（Ｘ長の次元−典型的にはppmメートルとして示される）をＩＲスペクトルから導くことができるので、本発明は定量的データを提供することができる。定量的データは、どの程度の量のガスが存在するか、及び、危険な又は爆発する閾値を超えているか否かを示すので、定量的データはガス漏れ及びガス雲に関して重要である。ＩＲソースと吸収性ガスとの間の無限温度差の限界において、吸光度(Ａ)はビア(Beer)の法則により与えられ：ここで、Ｉ_Oはガスによる減衰前のＩＲ強度であり、Ｉ_Tは伝達されたＩＲ放射の強度であり、ｋは吸収係数であり、ｃは濃度であり、ｌは吸収経路長である。こうして、ｋの知識−文献によるか、又は先行する較正による−は、吸光度又は透過率の測定値からカラム密度ｃｌを提供することができる。しかし、ソースとガスとの間の温度差ΔＴが小さい−３０℃以下という点で小さい−時には、波長依存性の補正係数をスペクトルに適用して吸収又は放出強度の見かけ上の減少を考慮する必要がある。この波長依存性の補正係数は、以下のように導かれる。温度Ｔ_gでの熱均衡における長さｌ、濃度ｃのガスのカラムを考える。カラムの端部からの放出強度Ｉ_gは式（２）により与えられ：ここで、Ｌ（ｖ，Ｔ）は温度Ｔでの黒体放出を示し、ｖは周波数であり、ｋは吸収係数である。周波数ｖ及び温度Ｔ_bで強度Ｉ_Oの背景ソースにより照明されると、ガスはエネルギーのある部分を吸収し、式（３）で与えられる伝達強度Ｉ_a を生じる。式（２）により制御されたガスのあらゆる放出により、ガスの見かけ上の吸収が減少する。観察される吸収は、真の吸収（式（３）により与えられる）マイナス放射強度（式（２）により与えられる）である。観察された吸収を、ガスによる真の吸収に変換するために、補正係数１／Ｋ_Tが必要となる。Ｋ_Tは、真の吸収に対する、ガス温度Ｔ_gでの観察された吸収の比であり、により与えられるが、である。ここでｃは光速であり、ｈはプランク定数であり、ｋはボルツマン係数である。よって、１／Ｋ_T係数は、１０μｍ付近での吸収又は放出についての５℃の温度差について約１４である（即ち、透過率は、大きなΔＴで測定された透過率の約１／１４である）。工業的又は環境的目的で典型的に監視されるタイプのガス雲はしばしば大気温度に近く、ガス温度と背景温度との間には小さな差しかない。温度差が５℃までの小ささの時には、イメージを取得し、それらのイメージから定量的データを抽出することができるのが本発明の特徴である。明らかに、より高温のガスの測定も本発明の視野の範囲内である：実際、１／Ｋ_T係数が１に近づく大きな温度差において定量的データを抽出することはより容易である。本発明では、ある量のガスの温度及び背景の温度が測定され、２つの測定された温度間の差を使用し、温度及び波長依存性の補正係数をＩＲスペクトルに適用してガスカラム密度を導く。先に述べた温度依存性の補正係数の導出においては単一の濃度ｃを使用してガス濃度を記述することに留意すべきである。現実には、ガス雲中のガス濃度は均一ではないので、導出されたカラム密度は視野のラインに沿った平均値を示す。背景温度は、ＩＲスペクトルの強度、即ち、検出器の応答の大きさから直接的に導かれる。明白な理由から、その強度は、スペクトル中の、ガスの存在により変更されない部分において測定される。この点から、ヒートシンクからの熱放出のスペクトルを得ることが有益であることが証明されており、このヒートシンクは、干渉計の基準縞を提供するために使用されるダイオードレーザ上の温度制御システムの一部である。ヒートシンクは一定温度に維持され、これにより背景温度の導出における検出器の較正が提供される。走査ミラーは、この測定を実行可能な位置へ走査可能である。背景スペクトルの強度分布を黒体放出のプランク式に適用することにより背景温度を導くことが可能である。ガス温度を取得するために、大気温度の測定が行われ、熱電対などの適当な温度センサを使用して、ある量のガスがこの温度にあると仮定する。別の可能性は、温度センサを漏れのソースに近い位置に配置することである。図１に示す本実施例に戻ると、走査ミラー１０及び検出器アレイ１４とは別に、フィールド内で使用可能な丈夫な機器を作るために装置は特別に社内で構成されるが、干渉計は一般的に従来の設計である。全ての選択的な要素は頑丈なアルミニウムブロック（図示せず）上に配置される。反射光学系はコーナーキューブ反射器２２、２４であり、それらはそれらの丈夫さのために平面ミラーに優先して使用される。１つのコーナーキューブ反射器がミラー駆動装置上に配置され、そのミラー駆動装置は小型リニアモータアクチュエータ２６とドライブコントローラ（図示せず）を含む。アクチュエータ２６は、２つの同軸の逆巻き螺旋からなるサスペンションシステムを有する。０．１μｍより良好な絶対位置精度で、端から端までの全変位は少なくとも２．５ｍｍである。コーナーキューブ反射器２２、２４及びビームスプリッタ２７は、８〜１４μｍのスペクトル領域内での最適性能のために適切にコートされる。干渉計を通る２つの光学的経路間の相対的変位の測定は、レーザービームにより生成される干渉縞をカウントすることにより実行される。レーザ２８は、６８０ｎｍまでの光を生成するダイオードレーザである。赤色ビームはビームステアリング光学系３０によりビームスプリッタ２７の周辺部を通じて方向付けされ、この周辺部は６８０ｎｍ付近で約５０％のビームスプリッタとして機能する。（ビームスプリッタ２７の中央部のみが、８〜１４μｍの間で５０％の反射率にコートされる。）赤色光の透過部分は、分離されたビームがビームスプリッタ２７の周辺部で再結合され、ビームスプリッタ光学系３４によりビームスプリッタ３６上へ向けられる以前に、１／４波長板３２を通過する。縞はフォトダイオード３８、４０により検出される。検出器アレイ１４は０．３６ｍｍ²（０．６×０．６ｍｍ）１×８線形アレイの水銀カドミウムテルル化物ＩＲ検出器である。そのアレイは液体窒素デュワー（dewar）内で７７Ｋまで冷却される。図１において概略的に示されるイメージング手段１３は、有効焦点距離が５０ｍｍである直径２５ｍｍの非球面ゲルマニウム接合レンズである。よって、そのレンズの開口はｆ／２である。計算により、サイズとｆ数とのこの組み合わせは、コスト、エテンデュー(etendue)、イメージの質及びサイズの考慮における優秀な妥協点を提供することが示された。ゲルマニウム接合レンズは、８〜１４μ ｍの全スペクトル範囲にわたって適切な性能を提供し、２５０μｍより良好な点広がり関数を提供する。しかし、採用されるイメージングシステムの特性は干渉計の厳密な詳細により規定されるので、レンズと材質のこの選択は必然的に変更可能である。例えば、ビームスプリッタの設計、又は低温シールドの使用は、好ましいイメージングシステムに影響を与え、そのイメージングシステムは多くのレンズ要素を含むことができる。アレイ１４内の各検出器から得られる干渉写真はコンピュータ１８により分析される。コンピュータへのデータ伝達の前の形として、検出器からの出力は信号調整及びサンプリング手段１６により調整され、ディジタル化される。図４は、アレイ１４上の単一の検出器１４ａの出力に対して実行される信号調整及びサンプリングの概略図である。検出器１４ａの出力はプリアンプ４６及び可変利得アンプ４８により増幅され、ナイキスト限界を超える周波数は低域通過アンチエイリアスフィルタ５０により除去される。このプロセスはアレイ１４内の個々の検出器要素の特性に従って最適化されるべきであり、そうして１つが各検出器要素に対応する８個のシステムが要求される。アナログ−ディジタル変換器５４（ＡＤＣ）はアナログ入力を、適当な手段によるコンピュータ１８へのデータ伝送に適するディジタルデータへ変換する。コンピュータ１８は干渉計を制御し、よって双方向通信リンクが必要となる。従来のシリアル又はパラレルインターフェースの使用が可能である。本実施形態では、信号処理ハードウェアへの直接的データ伝送（１６ビット分解能）が、（ＰＣへ接続されたＤＳＰボード上に含まれる）高速同期シリアルインターフェースにより実行される。ＤＳＰは、必要な信号平均化、フーリエ変換、温度補正を行い、毎秒約１データセット（1画素について１つの濃度値）のレートでＰＣへガス濃度データを送る。ＰＣは、後処理及び再生のためのデータの記録、データのタイムスタンプ、較正処理、自己チェック診断、及びハードコピーを含む多数の機能を実行する。また、ＰＣは、干渉計及びカメラをセットアップ及び制御するためのユーザインターフェースとして動作するように適合される。図５は、制御システムの模式的概略図である。電気ラックは、装置の特定の部分を駆動するように設計された一組のボードと、ＰＣとカード間の共通インターフェースを提供するために使用される「監督」マイクロプロセッサボードと、を含む。また、監督ボードは幾つかの計器機能も実行する。ＰＣと監督ボードとの間の通信はＲＳ２３２リンクによる。干渉計ミラーは、電気ラック中のボード上に設けられた固有のマイクロプロセッサにより駆動される。駆動のための制御信号はＰＣから監督マイクロプロセッサを介して送られる。「雑」ボードは、レーザフォトダイオードから信号を取得し、これらの信号を復号し、走査ミラーを制御し、（基準黒体温度の測定に使用する）温度センサ信号を処理し、シリアル通信リンクをレーザモジュールへ提供する。また、レーザモジュールは、温度安定化を制御するための独自のマイクロコントローラを有する。走査ミラー上に配置されるビデオカメラは、その信号をＰＣ内のフレームグラッバーボードへ、よってＰＣのソフトウェアへ直接的に送る。本発明は、数メートルから数キロメートルの範囲のガス雲の遠隔検出が可能な受動的、定量的ＩＲイメージング装置を提供する。本発明により検出可能なガスは、アセトン、アンモニア、アニリン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ブタン、二酸化炭素、硫化水素、ホスゲン、プロパン、二酸化硫黄、及び塩化ビニルを含む。異なる観察時間の使用を伴う２つの動作モードが提供される。１０秒の観察時間を有する高速応答モードは、危険な程度の高レベルのガス−例えば、潜在的に爆発する可能性のある濃度の炭化水素−への迅速な応答のために設けられる。５分の観察時間を有する低速応答モードは、高感度でのガスの検出のため：例えば、一時的なガスリークの検出のために設けられる。もちろん、他の応答モードも本発明の視野の範囲内である。システムについての、当業者に容易に生じるであろう多数の変形が存在する。例えば、装置の感度は、干渉計に低温シールドを組み込むことにより改善できる。別の可能性は、ＰＣの機能の一部又は全てを引き継ぐ中央制御システムを組み込むことである。さらに別の可能性は、ＩＲデータの質の測定値を提供することである。例えば、導出されたガスカラム密度の質を、０％（完全に信頼できないデータ）〜１００％（最大の信頼性）の範囲内の信頼係数として表示することもできる。多数のイメージングシステムをある場所の種々の位置に設置することができ、それらシステム全ては中央制御システムに報告を返す。さらに別の可能性は、ガスの量が所定の閾値を超えた時に起動される警報を設けることである。そのような警報は、可聴的及び／又は可視的なものとすることができ、中央モニタを通じたものとすることができる。本発明はガスの解放に関する情報を提供することができるので、システムは、選択的に、例えば、ガスの解放の近傍で警報をトリガし、又は問題の位置で例えばバルブを閉めることによりシャットダウン処理を実行することができる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ

Claims

【特許請求の範囲】１．選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする方法において、選択された領域から干渉計へ背景の赤外放射を向ける工程と、干渉計から生じる赤外放射を少なくとも１つの赤外検出器上にイメージングする工程と、８〜１４μｍのスペクトル領域内の複数のフーリエ変換赤外スペクトルを取得する工程であって、各スペクトルは選択された領域の異なる部分から収集された赤外線放射に対応する工程と、及び適当な形態で赤外イメージを表示する工程であって、前記赤外イメージは複数の赤外スペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む工程と、を有し、ある量のガスの温度又は大気温度を測定し、背景の温度を測定し、２つの測定された温度間の差を使用して前記赤外スペクトルからガスカラム密度を導出する方法。２．干渉計から生じる赤外放射は赤外検出器のアレイ上にイメージングされ、複数の赤外スペクトル中の各スペクトルはアレイ中の１つの検出器の変換出力に対応する請求項１に記載の方法。３．背景の温度は、赤外スペクトルの強度又は強度分布から測定される請求項１又は２に記載の方法。４．赤外イメージは、複数の赤外スペクトル中の吸収又は放出特性の強度に関連する量を含む請求項１乃至３のいずれかに記載の方法。５．２つの測定された温度間の差は２０℃未満である請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。６．選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする方法において、選択された領域から干渉計へ背景の赤外放射を向ける工程と、干渉計から生じる赤外放射を少なくとも１つの赤外検出器上にイメージングする工程と、複数のフーリエ変換赤外スペクトルを取得する工程であって、各スペクトルは選択された領域の異なる部分から収集された赤外放射に対応する工程と、選択された領域を含む領域の可視的イメージを取得する工程と、及び適当な形態で、（i）赤外イメージと、（ii）可視的イメージとを同時に表示する工程であって、前記赤外イメージは複数の赤外スペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む工程と、を有する方法。７．干渉計から生じる赤外放射は赤外検出器のアレイ上にイメージングされ、複数の赤外スペクトル中の各スペクトルはアレイ内の１つの検出器の変換出力に対応する請求項６に記載の方法。８．赤外イメージは、複数の赤外スペクトル中の吸収又は放出特性の強度に関連する量を含む請求項６又は７に記載の方法。９．赤外イメージの表示は、選択された領域に実質的に対応する可視的イメージの一部上に可視的イメージを重ねる請求項６ないし８のいずれかに記載の方法。１０．請求項１ないし５のいずれかに従う請求項６ないし９のいずれかに記載の方法。１１．選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする装置において、８〜１４μｍのスペクトル領域中の赤外放射を収集可能な赤外収集装置と、８〜１４μｍのスペクトル領域中の収集された赤外放射を分析可能な干渉計であって、干渉計から生じる赤外放射を少なくとも１つの赤外検出器上にイメージングするイメージング手段を有し、前記干渉計は複数の干渉写真を作成し、各干渉写真は選択された領域の異なる１つの部分に対応する干渉計と、複数の干渉写真のフーリエ変換を実行することにより複数の赤外スペクトルを取得する計算手段と、適当な形態で赤外イメージを表示する表示手段であって、前記赤外イメージは複数の赤外スペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む手段と、ある量のガスの温度又は大気温度を測定する手段と、背景の温度を測定する手段と、を備え、前記計算手段は、２つの測定された温度間の差を使用して前記赤外スペクトルからガスカラムを導出する装置。１２．干渉計はマイケルソン干渉計である請求項１１に記載の装置。１３．赤外検出器のアレイであって、干渉計から生じる赤外放射が前記アレイ上にイメージングされるアレイと、各赤外検出器から得られる干渉写真に対してフーリエ変換を実行する計算手段と、を備える請求項１１又は１２に記載の装置。１４．赤外検出器の２次元アレイを備え、２次元赤外イメージを生成する請求項１３に記載の装置。１５．赤外検出器のアレイは１つの線形アレイを含み、赤外収集装置は走査光学要素であり、前記走査光学要素は、赤外放射が線形アレイ上にイメージングされる選択された領域の部分を変化させるように移動可能である、２次元赤外イメージを生成する請求項１３に記載の装置。１６．１次元のアレイは少なくとも８個の赤外検出器を有する請求項１５に記載の装置。１７．表示手段は、複数の赤外スペクトル中の吸収又は放出特性の強度に関連する量を含む赤外イメージを表示する請求項１１ないし１６のいずれかに記載の装置。１８．イメージング手段は、非球面ゲルマニウムレンズの組み合わせである請求項１１ないし１７のいずれかに記載の装置。１９．干渉計はコーナーキューブ再帰反射器を含む請求項１１ないし１８のいずれかに記載の装置。２０．検出器は低温水銀カドミウムテルル化物検出器を含む請求項１９に記載の装置。２１．選択された領域の大気中に存在するある量のガスをイメージングする装置において、赤外放射を収集可能な赤外収集装置と、収集された赤外放射を分析可能な干渉計であって、干渉計から生じる赤外放射を少なくとも１つの赤外検出器上にイメージングするイメージング手段を有し、前記干渉計は複数の干渉写真を作成し、各干渉写真は選択された領域の異なる１つの部分に対応する干渉計と、複数の干渉写真のフーリエ変換を実行することにより複数の赤外スペクトルを取得する計算手段と、選択された領域を含む領域の可視的イメージを生成するカメラと、及び適当な形態で、（i）赤外イメージと、（ii）可視的イメージとを同時に表示する表示手段であって、前記赤外イメージは複数の赤外スペクトル又はそれらスペクトルから導かれる量を含む表示手段と、を備える装置。２２．表示手段は、複数の赤外スペクトル中の吸収又は放出特性の強度に関連する量を含む赤外イメージを表示する請求項２１に記載の装置。２３．赤外検出器のアレイであって、干渉計から生じる赤外放射が前記アレイ上にイメージングされるアレイと、各赤外検出器から得られる干渉写真に対してフーリエ変換を実行する計算手段と、を備える請求項２１又は２２に記載の装置。２４．表示手段は、選択された領域に実質的に対応する可視的イメージの部分内に赤外イメージを表示する請求項２１乃至２３のいずれかに記載の装置。２５．カメラはＣＣＤＴＶカメラである請求項２１ないし２４のいずれかに記載の装置。２６．請求項１１乃至２０のいずれかに従う請求項２１ないし２５のいずれかに記載の装置。