JP2009222598A - ガスセンシングシステム - Google Patents

Abstract

【課題】目的の経路におけるガスの濃度を測定できるガスセンシングシステムを提供する。
【解決手段】ガスセンシングシステムは、電磁波１００が放射されてから経路２０１〜２０３を通った電磁波１０１〜１０３が受信されるまでの時間長さの経過時に受信された電磁波の強度を測定するリアルタイムスペクトルアナライザ３２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンシングシステムに関するものである。

ガス分子は、複数の原子の結合により形成されるが、原子自体は結合した状態で静止しているわけではなく、結合軸のまわりに原子同士が振動したり、回転したりしている。

その振動状態や回転状態が量子力学的に変化するとき、その状態変化に対応するエネルギをガス分子が放出・吸収する。

このエネルギは、ミリ波からテラヘルツ波、光波の電磁波に対応する。従って、ガスが存在する空間を電磁波が通過すると、図８に示すように、特定の周波数の電磁波だけが吸収される。

この原理を用いて遠隔でガスを検知する装置の１つにレーザガス検知器（非特許文献１参照）がある。

この装置は、メタンガスを検出するものである。その動作は、図９に示すように、目標物（壁など）に対して、電磁波の波長に換算して１．５μｍ付近に存在するメタンガスの吸収線の１つにあわせたレーザ光を照射し、その反射波からガスの濃度を検出するものである。

詳細には、図１０に示すように、レーザ光を周波数ｆで周波数変調した上で放射し、壁などで反射して戻ってくる光のうち、メタンガスの吸収により発生する周波数２ｆの信号強度から、レーザ光の光路にそったガス濃度の積分値を与えるというものである。
アンリツ株式会社、カタログ、レーザガス検知器（ＳＡ３Ｃ１５Ａ）

この装置では、用いている電磁波が光波であるため、空気中の塵や埃、煙などが存在し、視認が困難な状況では、光が散乱されるため、目標になる壁などまで光が伝播せず、上手くガスが検知できない。

これについては、空気中の塵や埃、煙などによって散乱されず直進的に伝播するミリ波帯からテラヘルツ波帯に対応する電磁波を用いることで対処が可能である。

しかし、これだけでは解決しない問題が従来技術にはある。それは、電磁波の多重反射の問題である。

壁で反射した電磁波の一部は、検知器と別の物体の方向に散乱され、そこからの反射波が再度壁で反射され検知器に戻るということがある。

また、電磁波の伝播経路上にガラスなどが存在した場合、電磁波の一部はガラスで反射され、直接検知器に戻る。

また、ガラスを透過し、壁で反射された電磁波の一部はガラスで反射され再び壁に戻るといった現象も発生する。

いずれの場合にしても、検知器に戻る信号は、単純に検知器と壁の間を１往復した信号ではなく、様々な経路をたどった信号の重ね合わせの形で戻ってくることになる。

この場合、周波数２ｆの信号強度には、ガス濃度とは関係ない干渉などの効果も含まれてしまうことになり、目的の経路上のガス濃度を正確に導出できない。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、目的の経路におけるガスの濃度を測定できるガスセンシングシステムを提供することにある。

上記の課題を解決するために、請求項１の本発明は、電磁波を放射する電磁波放射部と、前記電磁波の経路でのガスの濃度に応じて弱まった電磁波を受信する電磁波受信部と、前記受信された電磁波の強度を測定するガス濃度測定部とを備え、前記ガス濃度測定部は、前記電磁波が放射されてから目的の経路を通った当該電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信された電磁波の強度を測定することを特徴とするガスセンシングシステムをもって解決手段とする。
請求項１の本発明によれば、電磁波が放射されてから目的の経路を通った当該電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信された電磁波の強度を測定することで、測定された強度は、目的の経路でない経路のガスによっては弱まらないので、目的の経路におけるガスの濃度を測定できる。

請求項２の本発明は、前記ガス濃度測定部は、複数の経路のそれぞれにつき、経路を通った電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信された電磁波の強度を測定することを特徴とする請求項１記載のガスセンシングシステムをもって解決手段とする。

請求項２の本発明によれば、複数の経路のそれぞれにつき、電磁波の強度を測定することで、各経路におけるガスの濃度を測定できる。

請求項３の本発明は、前記電磁波は、前記目的の経路におけるガスにより弱まる周波数を含む周波数帯を有することを特徴とする請求項１または２記載のガスセンシングシステムをもって解決手段とする。

請求項３の本発明によれば、電磁波は、目的の経路におけるガスにより弱まる周波数を含む周波数帯を有することで、当該周波数帯における電磁波の強度を測定することにより、目的の経路におけるガスの濃度を測定できる。

請求項４の本発明は、前記電磁波放射部は、規則性をもって周波数ホップした電磁波を放射するものであり、前記ガス濃度測定部は、前記電磁波が放射されてから目的の経路を通った当該電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信された前記規則性を有する電磁波の強度を測定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンシングシステムをもって解決手段とする。

請求項４の本発明によれば、規則性をもって周波数ホップした電磁波を放射し、当該規則性を有する電磁波の強度を測定することで、周波数ホップした電磁波が全てノイズで受信できなくなる可能性は大変低く、規則性がほぼ保たれることが多いので、ガスの濃度測定の確実性を向上させることができる。

請求項５の本発明は、前記電磁波放射部は、パルス変調された電磁波を放射するものであり、前記ガス濃度測定部は、前記電磁波が放射されてから目的の経路を通った当該電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信されたパルス変調された電磁波の強度を測定することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンシングシステムをもって解決手段とする。

請求項５の本発明によれば、パルス変調された電磁波を放射し、パルス変調された電磁波の強度を測定することで、電磁波放射部の構成を単純化することができる。

請求項６の本発明は、前記電磁波はミリ波またはテラヘルツ波である請求項１ないし５のいずれかに記載のガスセンシングシステムをもって解決手段とする。

請求項６の本発明によれば、電磁波をミリ波またはテラヘルツ波とすることで、ミリ波またはテラヘルツ波によって弱まるガスの濃度を測定できる。

本発明によれば、電磁波が放射されてから目的の経路を通った当該電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信された電磁波の強度を測定することで、測定された強度は、目的の経路でない経路のガスによっては弱まらないので、目的の経路におけるガスの濃度を測定できる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係るガスセンシングシステムの構成を示す模式図である。

ガスセンシングシステムは、電磁波１００を放射する電磁波放射部１と、電磁波１００に含まれる電磁波１０１〜１０３がそれぞれ通る経路２０１〜２０３でのガスの濃度に応じて弱まった電磁波を受信する電磁波受信部２と、受信された電磁波の強度を測定するガス濃度測定部３とを備え、コンピュータ４により制御される。電磁波１００の周波数は、時間により変化するものである。電磁波１０１〜１０３は、それぞれ経路２０１〜２０３を通る電磁波を単にいうものであり、その周波数の時間変化は、電磁波１００のものに等しい。

経路２０１は、電磁波１０１が散乱体４０１で反射する前後の部分からなる。経路２０２は、電磁波１０２が散乱体４０２で反射する前後の部分からなる。経路２０３は、電磁波１０３が壁４０３で反射する前後の部分からなる。

電磁波放射部１は、基準信号を発生するシンセサイザ１１と、基準信号の周波数と同じ周波数間隔で離散的なスペクトル（モード）を有する光コム信号を発生させる光コム信号発生器１２と、光コム信号から任意の２モードを取り出す波長可変光フィルタ１３と、取り出された２モードを合波することにより光ビート信号を発生させる光カップラ１４と、光ビート信号を基に電磁波１００発生させ放射させるフォトミキサ１５とを備える。

光コム信号発生器１２と波長可変光フィルタ１３、波長可変光フィルタ１３と光カップラ１４、光カップラ１４とフォトミキサ１５は光ファイバで接続されている。コンピュータ４は、シンセサイザ１１と波長可変光フィルタ１３に制御線で接続されている。シンセサイザ１１と光コム信号発生器１２はＲＦ(Radio Frequency）ケーブルで接続されている。

例えば、光コム信号発生器１２は、シングルモードのレーザ光を出射する光源および光源から出力されるレーザ光を位相変調する光変調器、光変調器の出力を増幅する光アンプおよび光アンプの出力を入力とする非線形ファイバより構成されている。

電磁波受信部２は、電磁波１０１〜１０３を受信するミキサ２１を備える。

ガス濃度測定部３は、受信された電磁波１０１〜１０３の周波数を低下させる局発発振器３１と、電磁波１００が放射されてから経路２０１〜２０３を通った電磁波１０１〜１０３が受信されるまでの時間長さの経過時に受信された電磁波の強度を測定するリアルタイムスペクトルアナライザ３２を備える。局発発振器３１は、数ＧＨｚ程度の中間周波数帯域幅を有する。

ミキサ２１と局発発振器３１、ミキサ２１とリアルタイムスペクトルアナライザ３２はＲＦケーブルで接続されている。コンピュータ４は、局発発振器３１とリアルタイムスペクトルアナライザ３２に制御線で接続されている。

電磁波１０１が受信されるまでの時間長さ（以下、時間長さ３０１という）は、経路２０１の長さに応じたものとなり、つまり、経路２０１が長いほど長くなる。同様に、電磁波１０２が受信されるまでの時間長さ（以下、時間長さ３０２という）は、経路２０２の長さに応じたものとなり、つまり、経路２０２が長いほど長くなる。同様に、電磁波１０３が受信されるまでの時間長さ（以下、時間長さ３０３という）は、経路２０３の長さに応じたものとなり、つまり、経路２０２が長いほど長くなる。

つまり、時間長さ３０１の経過時と時間長さ３０２の経過時と時間長さ３０３の経過時は相違するので、受信された電磁波の強度を継続的に測定し、当該強度を、測定された電磁波の周波数および受信時刻に対応づけてリアルタイムに表示するリアルタイムスペクトルアナライザ３２が使用される。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、こうした測定結果に基づく表示内容を記憶し、それを操作によって再び表示する。

図２は、経路２０１〜２０３に存在するガス（以下、目的ガスという）の吸収スペクトルの一例を示す図である。

ミリ波帯の下限が３０ＧＨｚであり、ミリ波帯の上限およびテラヘルツ波帯の下限が１００〜３００ＧＨｚに含まれ、テラヘルツ波帯の上限が１０〜３０Ｔ（テラ）Ｈｚに含まれると考えると、図中の周波数ｆ１はミリ波帯の下限より高い周波数であり、周波数ｆ２はテラヘルツ波帯の上限より低い周波数である。周波数ｆ１から周波数ｆ２までの幅は、例えば、数ＧＨｚかそれ以上である。

周波数ｆ１〜ｆ２の周波数帯を有する電磁波が目的ガスを通過すると、特に周波数ｆａ，ｆｂで弱まる（吸収される）。弱まる程度（吸収強度の絶対値）は、目的ガスの濃度に応じたものとなる、つまり、濃度が高いほど、通過後の電磁波の強度は弱くなる。

よって、電磁波１００、１０１〜１０３は、周波数ｆ１〜ｆ２の周波数帯を有するものであり、リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、当該周波数帯の各周波数つまり周波数ｆａ，ｆｂや他の周波数での強度を測定できるようになっている。

図３は、電磁波１００がもつ周波数ｆの大局的な時間変化を示す図である。周波数ｆの詳細な時間変化については後述する。

コンピュータ４は、シンセサイザ１１と波長可変光フィルタ１３を制御し、これにより、周波数ｆが、時間周期Ｔの間に、周波数ｆ１からｆ２まで直線的に変化し、かつ、このような時間周期Ｔが繰り返し訪れるようにする。つまり、周波数ｆ１からｆ２までの周波数掃引が繰り返される。

図４は、周波数ｆの詳細な時間変化を示す図である。具体的には、図３の時刻ｔｉ近傍における周波数ｆの時間変化を示す部分ｄを拡大した図である。

周波数ｆは、時刻ｔｉ−１を含む時間帯Ｔｉ−１において、大局的にはｆｉ−１になっている。周波数ｆは、時刻ｔｉ−１より後の時刻ｔｉを含む時間帯Ｔｉにおいて、大局的にはｆｉ−１より高いｆｉになっている。周波数ｆは、時刻ｔｉより後の時刻ｔｉ＋１を含む時間帯Ｔｉ＋１において、大局的にはｆｉより高いｆｉ＋１になっている。

しかし、例えば、時間帯Ｔｉにおいて周波数ｆは一定のｆｉではなく、各時間帯で周波数ホップがなされている。これにより、周波数ｆは１００ＭＨｚ程度の周波数で変化する。また、これにより、周波数ｆは、例えば、各時間帯同士で同一の規則性を有している。 例えば、時間帯Ｔｉ−１において周波数ｆは、まず周波数ｆｉ−１，１になり、その後、順次に周波数ｆｉ−１，２、…、ｆｉ−１，９となる。各周波数ｆｉ−１，１、ｆｉ−１，２、…、ｆｉ−１，９につき、周波数ｆがその周波数にがなっている時間長さは、例えば、周波数ｆが１００ＭＨｚで変化する場合は、１０ｎｓ（ナノ秒）である。各周波数の中間値である周波数ｆｉ−１，５は、例えば周波数ｆｉ−１である。このように、電磁波１００は、時間帯Ｔｉ−１では、各周波数ｆｉ−１，１、ｆｉ−１，２、…、ｆｉ−１，９を有する電磁波からなり、以下、これらをｆｉ−１群という。

その後の、時間帯Ｔｉにおいて周波数ｆは、まず周波数ｆｉ，１になり、その後、順次に周波数ｆｉ，２、…、ｆｉ，９となる。各周波数ｆｉ，１、ｆｉ，２、…、ｆｉ，９につき、周波数ｆがその周波数になっている時間長さも、例えば、１０ｎｓである。各周波数の中間値である周波数ｆｉ，５は、例えば周波数ｆｉである。各周波数の最小値は、時間帯Ｔｉ−１の各周波数ｆｉ−１，１、ｆｉ−１，２、…、ｆｉ−１，９の最大値より大きくなっている。このように、電磁波１００は、時間帯Ｔｉでは、各周波数ｆｉ，１、ｆｉ，２、…、ｆｉ，９を有する電磁波からなり、以下、これらをｆｉ群という。

その後の、時間帯Ｔｉ＋１において周波数ｆは、まず周波数ｆｉ＋１，１になり、その後、順次に周波数ｆｉ＋１，２、…、ｆｉ＋１，９となる。各周波数ｆｉ＋１，１、ｆｉ＋１，２、…、ｆｉ＋１，９につき、周波数ｆがその周波数になっている時間長さも、例えば、１０ｎｓである。各周波数の中間値である周波数ｆｉ＋１，５は、例えば周波数ｆｉ＋１である。各周波数の最小値は、時間帯Ｔｉの各周波数ｆｉ，１、ｆｉ，２、…、ｆｉ，９の最大値より大きくなっている。このように、電磁波１００は、時間帯Ｔｉ＋１では、各周波数ｆｉ＋１，１、ｆｉ＋１，２、…、ｆｉ＋１，９を有する電磁波からなり、以下、これらをｆｉ＋１群という。

上記のように周波数ｆを時間変化させるべく、シンセサイザ１１は、一定の周波数成分を有する基準信号（例えば周波数Ｆの正弦波）を出力する。基準信号は光コム信号発生器１２の光変調器に入力される。光変調器で位相変調されたレーザ光は、光アンプ及び非線形ファイバを伝播する。非線形ファイバからは、このレーザ光すなわち、周波数Ｆと同じ周波数間隔で離散的なスペクトル（モード）を有する光コム信号が出射する。

波長可変光フィルタ１３は、光コム信号に含まれる任意の２つのモードを切り出し、出力する。この２つのモードが光カップラ１４で合波されると、合波後の出力光は、２つのモードの周波数間隔と同じ周波数で強度変調された出力光となる。

例えば、波長可変光フィルタ１３が、ｎ本分離れた２つのモードを切り出したとすると、出力光に含まれるビート周波数は、ｎＦと表される。一例として、隣接するモードを切り出して合波すると周波数Ｆのビートを含む出力光が得られる。

光カップラ１４の出力光はフォトミキサ１５に入力されることにより、出力光の強度変調成分のみが出力されるので、結果として、ビートと等しい周波数ｎＦの電磁波が得られる。

ここで、基準信号の周波数をＦ＋ΔＦと変化させると、フォトミキサ１５から出力される電磁波の周波数はｎ（Ｆ＋ΔＦ）となるので、ｎ（Ｆ＋ΔＦ）−ｎＦ＝ｎΔＦが１００ＭＨｚとなるようにシンセサイザ１１を制御することにより、１００ＭＨｚの周波数で周波数ｆを変化させることができる。

図４に示すように周波数ｆが９個の周波数の間を１００ＭＨｚで変化し、かつ、周波数ｆが１００ＭＨｚ±２４ＭＨｚの間にある場合を説明する。

例えば、時間帯Ｔｉでの周波数ｆｉ，ｊ（ｊは１から９の整数）は、
ｆｉ，ｊ＝１００＋６ｎｊ［ＭＨｚ］ （ｎｊは−４から４の間の任意の整数）
と表される。上記の式でｊが１から９に変わる際のｎｊの数値は任意であり、例えば、（ｎ１，ｎ２，…，ｎ９）＝（−２，４，１，−４，０，３，−１，４，−４）のような並びになる。上記の（ｎ１，ｎ２，…，ｎ９）の並びは、コンピュータ４がこの並びを記憶可能であるならば、時間帯ごとに変えてもよい。ただし、処理の簡略化のためには、各時間帯で同じ（ｎ１，ｎ２，…，ｎ９）の並びを利用することが望ましい。

図５は、リアルタイムスペクトルアナライザ３２における表示内容の一例を示す図である。

リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、時間帯Ｔｉ−１にｆｉ−１群が放射されてから時間長さ３０１の経過後の時刻ｔ１ｉ−１を含む時間帯に、経路２０１を通ったｆｉ−１群が受信されるので、受信されたｆｉ−１群の強度を測定する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、受信されたｆｉ−１群の周波数における時間変化を横軸上の時刻ｔ１ｉ−１に対応づけて表示する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、周波数を縦軸方向に、時間を横軸方向にそれぞれ表示する。以下についても同様である。

リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、時間帯Ｔｉにｆｉ群が放射されてから時間長さ３０１の経過後の時刻ｔ１ｉを含む時間帯に、経路２０１を通ったｆｉ群が受信されるので、受信されたｆｉ群の強度を測定する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、受信されたｆｉ群の周波数における時間変化を時刻ｔ１ｉに対応づけて表示する。

リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、時間帯Ｔｉ＋１にｆｉ＋１群が放射されてから時間長さ３０１の経過後の時刻ｔ１ｉ＋１を含む時間帯に、経路２０１を通ったｆｉ＋１群が受信されるので、受信されたｆｉ＋１群の強度を測定する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、受信されたｆｉ＋１群の周波数における時間変化を時刻ｔ１ｉ＋１に対応づけて表示する。

リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、時間帯Ｔｉ−１にｆｉ−１群が放射されてから時間長さ３０２の経過後の時刻ｔ２ｉ−１を含む時間帯に、経路２０２を通ったｆｉ−１群が受信されるので、受信されたｆｉ−１群の強度を測定する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、受信されたｆｉ−１群の周波数における時間変化を時刻ｔ２ｉ−１に対応づけて表示する。

リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、時間帯Ｔｉにｆｉ群が放射されてから時間長さ３０２の経過後の時刻ｔ２ｉを含む時間帯に、経路２０２を通ったｆｉ群が受信されるので、受信されたｆｉ群の強度を測定する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、受信されたｆｉ群の周波数における時間変化を時刻ｔ２ｉに対応づけて表示する。

リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、時間帯Ｔｉ＋１にｆｉ＋１群が放射されてから時間長さ３０２の経過後の時刻ｔ２ｉ＋１を含む時間帯に、経路２０２を通ったｆｉ＋１群が受信されるので、受信されたｆｉ＋１群の強度を測定する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、受信されたｆｉ＋１群の周波数における時間変化を時刻ｔ２ｉ＋１に対応づけて表示する。

図示しないが、同様に、リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、時間帯Ｔｉ−１にｆｉ−１群が放射されてから時間長さ３０３の経過後の時刻を含む時間帯に、経路２０３を通ったｆｉ−１群が受信されるので、受信されたｆｉ−１群の強度を測定する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、受信されたｆｉ−１群の周波数における時間変化を時刻に対応づけて表示する。

リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、時間帯Ｔｉにｆｉ群が放射されてから時間長さ３０３の経過後の時刻を含む時間帯に、経路２０３を通ったｆｉ群が受信されるので、受信されたｆｉ群の強度を測定する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、受信されたｆｉ群の周波数における時間変化を時刻に対応づけて表示する。

リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、時間帯Ｔｉ＋１にｆｉ＋１群が放射されてから時間長さ３０３の経過後の時刻を含む時間帯に、経路２０３を通ったｆｉ＋１群が受信されるので、受信されたｆｉ＋１群の強度を測定する。リアルタイムスペクトルアナライザ３２は、例えば、受信されたｆｉ＋１群の周波数における時間変化を時刻に対応づけて表示する。

図６は、受信された各電磁波１０１〜１０３がもつ周波数の大局的な時間変化を示す図である。これは例えば、コンピュータ４がリアルタイムスペクトルアナライザ３２から得るデータ（周波数における時間変化の表示に用いたものや電磁波の強度であり、以下同じ）により求めるものである。

図５に示すように表示された各群は、例えば同一の規則性を有しているので、個々に認識に認識され、区別される。また、同一の経路を通った各群は、図３における時間周期Ｔの間の傾きをもって表示されるので、各群は経路ごとに区別される。

図中Ａは、図５の時刻ｔ１ｉ−１に対応づけて表示されたｆｉ−１群、時刻ｔ１ｉに対応づけて表示されたｆｉ群、時刻ｔ１ｉ＋１に対応づけて表示されたｆｉ＋１群を近似する直線であり、つまり、受信された電磁波１０１がもつ周波数の大局的な時間変化を示している。

図中Ｂは、図５の時刻ｔ２ｉ−１に対応づけて表示されたｆｉ−１群、時刻ｔ２ｉに対応づけて表示されたｆｉ群、時刻ｔ２ｉ＋１に対応づけて表示されたｆｉ＋１群を近似する直線であり、つまり、受信された電磁波１０２がもつ周波数の大局的な時間変化を示している。

図中Ｃは、図５では省略したが、時間帯Ｔｉ−１にｆｉ−１群が放射されてから時間長さ３０３の経過後の時刻に対応づけて表示されたｆｉ−１群、時間帯Ｔｉにｆｉ群が放射されてから時間長さ３０３の経過後の時刻に対応づけて表示されたｆｉ群、時間帯Ｔｉ＋１にｆｉ＋１群が放射されてから時間長さ３０３の経過後の時刻に対応づけて表示されたｆｉ＋１群を近似する直線であり、つまり、受信された電磁波１０３がもつ周波数の大局的な時間変化を示している。

例えば、時間変化Ｂは、時間変化Ａに対し、時間長さΔｔだけ遅れている。時間変化Ｃは、時間変化Ａに対し、時間長さΔｔ’だけ遅れている。時間長さΔｔが経路２０１の長さと経路２０２の長さの差に応じたものとなり、時間長さΔｔ’が経路２０１の長さと経路２０３の長さの差に応じたものとなっていれば、時間変化Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ経路２０１、２０２、２０３に対応するというように解析される。

図７は、受信された各電磁波１０１〜１０３について測定された強度の周波数特性を示す図であり、これは例えば、コンピュータ４がリアルタイムスペクトルアナライザ３２から得るデータにより求めるものである。

電磁波１０１について図７に示した強度は、図５中、時刻ｔ１ｉ−１に対応づけて表示されたｆｉ−１群、時刻ｔ１ｉに対応づけて表示されたｆｉ群、時刻ｔ１ｉ＋１に対応づけて表示されたｆｉ＋１群などについて測定された各電磁波の強度の例えば平均値を、目的ガスが無い場合の強度を０として正規化し、正規化後の各強度（吸収強度）を該強度をもった電磁波の周波数に対応づけて表示したものである。前述のように、吸収強度の絶対値は、目的ガスの濃度に応じたものとなるので、これは経路２０１での目的ガスの濃度である。

また、電磁波１０２について図７に示した強度は、図５中、時刻ｔ２ｉ−１に対応づけて表示されたｆｉ−１群、時刻ｔ２ｉに対応づけて表示されたｆｉ群、時刻ｔ２ｉ＋１に対応づけて表示されたｆｉ＋１群などについて測定された各電磁波の強度の例えば平均値を、目的ガスが無い場合の強度を０として正規化し、正規化後の各強度（吸収強度）を該強度をもった電磁波の周波数に対応づけて表示したものである。吸収強度の絶対値は、目的ガスの濃度に応じたものとなるので、これは経路２０２での目的ガスの濃度である。

また、電磁波１０３について図７に示した強度は、図５では省略したが、時間帯Ｔｉ−１にｆｉ−１群が放射されてから時間長さ３０３の経過後の時刻に対応づけて表示されたｆｉ−１群、時間帯Ｔｉにｆｉ群が放射されてから時間長さ３０３の経過後の時刻に対応づけて表示されたｆｉ群、時間帯Ｔｉ＋１にｆｉ＋１群が放射されてから時間長さ３０３の経過後の時刻に対応づけて表示されたｆｉ＋１群などについて測定された各電磁波の強度の例えば平均値を、目的ガスが無い場合の強度を０として正規化し、正規化後の各強度（吸収強度）を該強度をもった電磁波の周波数に対応づけて表示したものである。吸収強度の絶対値は、目的ガスの濃度に応じたものとなるので、これは経路２０３での目的ガスの濃度である。

［変形例］
なお、本実施の形態では、図４に示すように周波数ｆが９個の周波数の間を変化するようにしたが、周波数の数は９に限らなくてもよい。例えば、図４の時間帯Ｔｉでは周波数ｆがｆｉ，５になっている期間にだけ電磁波１００を放射する一方で、それ以外の期間では電磁波１００の放射を停止し、このようにパルスの電磁波１００が放射している期間での電磁波１００の周波数ｆを例えばｆｉ，５とし、他の時間帯でも同様にすればよい。つまり、パルス変調された電磁波１００を放射してもよい。

パルス変調された電磁波１００を放射する場合、例えば、図６に示した電磁波１０１がもつ周波数の大局的な時間変化は、時間帯Ｔｉ−１に周波数ｆｉ−１，５をもつ電磁波（パルス）が放射されてから時間長さ３０１の経過後の時刻に対応づけて表示された周波数ｆｉ−１の電磁波（パルス）、時間帯Ｔｉに周波数ｆｉ，５をもつ電磁波（パルス）が放射されてから時間長さ３０１の経過後の時刻に対応づけて表示された周波数ｆｉ，５をもつ電磁波（パルス）、時間帯Ｔｉ＋１に周波数ｆｉ＋１，５をもつ電磁波（パルス）が放射されてから時間長さ３０１の経過後の時刻に対応づけて表示された周波数ｆｉ＋１，５をもつ電磁波（パルス）を近似する直線で示すことができる。つまり、パルス変調された電磁波１００を放射する場合であっても同様に図６のような周波数の時間変化が得られ、これにより、時間変化Ａ、Ｂ、Ｃが、それぞれ経路２０１、２０２、２０３に対応するというように解析される。

なお、パルス変調された電磁波１００を放射する場合、電磁波放射部１の構成を単純化することができる。しかし、例えば、時間帯Ｔｉに放射されたパルスがノイズで受信できないと、そのパルスにより得られた図６のような時間変化が得にくくなるが、規則性をもって周波数ホップした電磁波１００を放射する場合にあっては、例えば、時間帯Ｔｉに放射されたｆｉ群の全てがノイズで受信できなくなる可能性は大変低く、規則性がほぼ保たれることが多いので、図６のような時間変化を得る上での確実性を向上させることができる。

また、本実施の形態では、周波数ホップした電磁波１００を放射させ、すなわち、例えば、図４で、周波数ｆをｆｉ−１，１からｆｉ−１，２へと急峻に変化させたが、これに限らず、変化を滑らかに、いわゆるアナログ的にしてもよい。

また、本実施の形態では、電磁波１００はミリ波またはテラヘルツ波としたが、これに限らず、電磁波１００は他の周波数帯をもつものであってもよい。

また、本実施の形態では、電磁波を反射させたが、これに限らず、例えば、目的のガスを挟んで、電磁波放射部１と電磁波受信部２を対向させ、電磁波放射部１が放射した電磁波を壁などで反射させずに電磁波受信部２が受信してもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、電磁波１００が放射されてから目的の経路を通った当該電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信された電磁波の強度を測定することで、測定された強度は、目的の経路でない経路のガスによっては弱まらないので、目的の経路におけるガスの濃度を測定できる。

また、複数の経路のそれぞれにつき、電磁波の強度を測定することで、各経路におけるガスの濃度を測定できる。

また、電磁波１００は、目的の経路におけるガスにより弱まる周波数を含む周波数帯を有することで、当該周波数帯における電磁波の強度を測定することにより、目的の経路におけるガスの濃度を測定できる。

また、規則性をもって周波数ホップした電磁波を放射し、当該規則性を有する電磁波の強度を測定することで、周波数ホップした電磁波が全てノイズで受信できなくなる可能性は大変低く、規則性がほぼ保たれることが多いので、ガスの濃度測定の確実性を向上させることができる。

また、パルス変調された電磁波を放射し、パルス変調された電磁波の強度を測定することで、電磁波放射部の構成を単純化することができる。

また、電磁波をミリ波またはテラヘルツ波とすることで、ミリ波またはテラヘルツ波によって弱まるガスの濃度を測定できる。

本実施の形態に係るガスセンシングシステムの構成を示す模式図である。 目的ガスの吸収スペクトルの一例を示す図である。 電磁波１００がもつ周波数ｆの大局的な時間変化を示す図である。 周波数ｆの詳細な時間変化を示す図である。 リアルタイムスペクトルアナライザ３２における表示内容の一例を示す図である。 受信された各電磁波１０１〜１０３がもつ周波数の大局的な時間変化を示す図である。 受信された各電磁波１０１〜１０３について測定された強度の周波数特性を示す図である。 ガスの吸収スペクトルを示す図である。 レーザガス検知器がガス濃度を検出する方法を示す図である。 ガス濃度の詳細な検出方法を示す図である。

符号の説明

１…電磁波放射部
２…電磁波受信部
３…ガス濃度測定部
４…コンピュータ
１１…シンセサイザ
１２…光コム信号発生器
１３…波長可変光フィルタ
１４…光カップラ
１５…フォトミキサ
２１…ミキサ
３１…局発発振器
３２…リアルタイムスペクトルアナライザ
１００〜１０３…電磁波
２０１〜２０３…経路
４０１、４０２…散乱体
４０３…壁

Claims (6)

1. 電磁波を放射する電磁波放射部と、
   前記電磁波の経路でのガスの濃度に応じて弱まった電磁波を受信する電磁波受信部と、
   前記受信された電磁波の強度を測定するガス濃度測定部とを備え、
   前記ガス濃度測定部は、
   前記電磁波が放射されてから目的の経路を通った当該電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信された電磁波の強度を測定する
   ことを特徴とするガスセンシングシステム。
2. 前記ガス濃度測定部は、
   複数の経路のそれぞれにつき、経路を通った電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信された電磁波の強度を測定する
   ことを特徴とする請求項１記載のガスセンシングシステム。
3. 前記電磁波は、
   前記目的の経路におけるガスにより弱まる周波数を含む周波数帯を有することを特徴とする請求項１または２記載のガスセンシングシステム。
4. 前記電磁波放射部は、
   規則性をもって周波数ホップした電磁波を放射するものであり、
   前記ガス濃度測定部は、
   前記電磁波が放射されてから目的の経路を通った当該電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信された前記規則性を有する電磁波の強度を測定する
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンシングシステム。
5. 前記電磁波放射部は、
   パルス変調された電磁波を放射するものであり、
   前記ガス濃度測定部は、
   前記電磁波が放射されてから目的の経路を通った当該電磁波が受信されるまでの当該経路に応じた時間長さの経過時に受信されたパルス変調された電磁波の強度を測定する
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンシングシステム。
6. 前記電磁波はミリ波またはテラヘルツ波である請求項１ないし５のいずれかに記載のガスセンシングシステム。

Images