JP2023085855A

JP2023085855A - ガス分析システム及びガス分析方法

Info

Publication number: JP2023085855A
Application number: JP2021200140A
Authority: JP
Inventors: 雄太鈴木; Yuta Suzuki; 雄真北川; Yuma Kitagawa; 敏之猿谷; Toshiyuki Sarutani
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2021-12-09
Filing date: 2021-12-09
Publication date: 2023-06-21

Abstract

【課題】測定対象ガスの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、高い精度で測定対象ガスの濃度を測定することができるガス分析システム及びガス分析方法を提供する。【解決手段】ガス分析システム１は、変調周波数ｆLで波長変調されたレーザ光を射出する半導体レーザ１３と、半導体レーザ１３から射出されたレーザ光を、変調周波数ｆBで強度変調する光変調部（増幅器駆動回路１４、光増幅器１５）と、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を受光する光検出器１７と、光検出器１７から出力される受光信号に含まれる変調周波数ｆLのｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分と、変調周波数ｆBと同じ周波数を有する成分である第２成分とを検出するロックインアンプ１９ａ，１９ｂと、第１成分及び第２成分に基づいて測定対象ガスの濃度を求める演算部２１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス分析システム及びガス分析方法に関する。

測定対象ガスを分析するガス分析システムの１つに、測定対象ガスに照射した光の吸光度に基づいて、測定対象ガスの濃度を測定するものがある。このようなガス分析システムでは、測定精度（感度）を高めるために、波長変調分光法（ＷＭＳ：Wavelength Modulation Spectroscopy）が用いられることがある。波長変調分光法は、変調周波数ｆで変調（波長変調）されたレーザ光を測定対象ガスに照射し、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出して得られる２倍波成分（２ｆ成分）に基づいて測定対象ガスの濃度を測定する手法である。

波長変調分光法では、検出される変調周波数ｆの成分（１ｆ成分）に対する２ｆ成分の比を求めて受光光量の規格化を行った上で、測定対象ガスの濃度の測定が行われることが多い。これは、測定対象ガス以外の要因によるレーザ光の受光光量の変動の影響を低減するためである。尚、波長変調分光法は、２ｆ検波法と言われることもある。以下の特許文献１には、波長変調分光法を用いてガス濃度の測定を行う従来のガス分析システムの一例が開示されている。

国際公開第２０１７／０１４０９７号

ところで、測定対象ガスの吸収スペクトルが理想的なものであれば、その形状は吸収の中心周波数（中心波長）に対して対称になることから、１ｆ成分の振幅は、受光信号の平均パワーにのみ依存し、測定対象ガスの濃度には依存しない。しかしながら、測定対象ガスの吸収スペクトルは、実際には、中心周波数（中心波長）に対して非対称な形状になるため、１ｆ成分の振幅は、測定対象ガスの濃度に依存してしまい、測定対象ガスの濃度の測定精度が悪化するという問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、測定対象ガスの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、高い精度で測定対象ガスの濃度を測定することができるガス分析システム及びガス分析方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様によるガス分析システム（１～３）は、第１変調周波数（ｆ_L）で波長変調されたレーザ光を射出する発光素子（１３）と、前記発光素子から射出されたレーザ光を、第２変調周波数（ｆ_B）で強度変調する光変調部（１４、１５）と、測定対象ガスを介したレーザ光を受光する受光素子（１７）と、前記受光素子から出力される受光信号に含まれる前記第１変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分と、前記第２変調周波数と同じ周波数を有する成分である第２成分とを検出する検出部（１９ａ、１９ｂ、２３）と、前記第１成分及び前記第２成分に基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める演算部（２１）と、を備える。

また、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記第２変調周波数が、前記第１変調周波数の整数倍の周波数に設定されている。

ここで、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記検出部が、前記第１変調周波数と同じ周波数を有する第１参照信号を用いて、前記受光信号に含まれる前記第１成分と前記第２成分とを検出するロックインアンプ（１９ａ）を備える。

或いは、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記検出部が、前記第１変調周波数と同じ周波数を有する第１参照信号を用いて、前記受光信号に含まれる前記第１成分を検出する第１ロックインアンプ（１９ａ）と、前記第２変調周波数と同じ周波数を有する第２参照信号を用いて、前記受光信号に含まれる前記第２成分を検出する第２ロックインアンプ（１９ｂ）と、を備える。

或いは、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記検出部が、前記受光信号に対し、前記第１変調周波数と同じ周波数を有する第１参照信号を用いた同期検波処理、又は、高速フーリエ変換処理を行って前記第１成分及び前記第２成分を検出する信号処理部（２３）を備える。

また、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記演算部が、前記第１成分を前記第２成分で除して得られる値に基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める。

また、本発明の一態様によるガス分析システムは、前記光変調部が、前記発光素子から射出されたレーザ光を、供給される電流に応じて増幅する光増幅器（１５）と、前記第２変調周波数で変調した電流を前記光増幅器に供給して前記光増幅器を駆動する駆動部（１４）と、を備える。

本発明の一態様によるガス分析方法は、第１変調周波数（ｆ_L）で波長変調されたレーザ光を射出する第１ステップ（Ｓ１１）と、前記レーザ光を、第２変調周波数（ｆ_B）で強度変調する第２ステップ（Ｓ１２）と、測定対象ガスを介した前記レーザ光を受光して受光信号を得る第３ステップ（Ｓ１３）と、前記受光信号に含まれる前記第１変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分と、前記第２変調周波数と同じ周波数を有する成分である第２成分とを検出する第４ステップ（Ｓ１４）と、前記第１成分及び前記第２成分に基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める第５ステップ（Ｓ１５）と、を有する。

本発明によれば、測定対象ガスの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、高い精度で測定対象ガスの濃度を測定することができるという効果がある。

本発明の第１実施形態によるガス分析システムの要部構成を示すブロック図である。本発明の第１実施形態によるガス分析方法を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態によるガス分析システムの要部構成を示すブロック図である。本発明の第３実施形態によるガス分析システムの要部構成を示すブロック図である。本発明の実施形態によって得られる測定結果の濃度依存性のシミュレーション結果を示す図である。従来法によって得られる測定結果の濃度依存性の実験結果を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態によるガス分析システム及びガス分析方法について詳細に説明する。以下では、まず本実施形態の概要について説明し、その後に各実施形態の詳細について説明する。

〔概要〕
本発明の実施形態は、測定対象ガスの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、高い精度で測定対象ガスの濃度を測定することができるようにするものである。つまり、測定対象ガスを透過したレーザ光を検出して得られる成分のうち、レーザ光の変調周波数ｆと同じ周波数の成分（１ｆ成分）が、測定対象ガスの濃度に依存する場合であっても、高い精度で測定対象ガスの濃度を測定することができるようにするものである。

波長変調分光法において、変調（波長変調）されたレーザ光を測定対象ガスに照射し、測定対象ガスを介したレーザ光を受光素子で受光して得られる受光信号Ｐ（ｔ）は以下の（１）式で表される。

上記（１）式において、Ｐ₀は受光信号の平均パワーである。また、η_Lはレーザ光の強度変調度であり、ω_Lはレーザ光の変調周波数であり、ｔは時間である。尚、ω_Lは角周波数［ｒａｄ／ｓ］である。変調周波数［Ｈｚ］をｆ_Lとすると、ω_L＝２πｆ_Lなる関係がある。レーザ光の変調（波長変調）は、レーザダイオードに注入する電流を変化させて行っているため、レーザ光は、波長変調のみならず強度変調されることになる。また、α（ν）は周波数νにおける吸光度であり、Ｃは測定対象ガスのガス濃度であり、Ｌは光路長（測定対象ガスが存在している部分の光路長）である。

ここで、２α（ν）ＣＬ≪１，η_L≪１とすると、上記（１）式は、以下の（２）式に変形できる。

いま、測定対象ガスの吸収スペクトル（α（ν））が理想的なローレンツ型であるとすると、上記（２）式は、以下の（３）式で表される。

上記（３）式おいて、α₀は吸収のピークの大きさを示す吸収係数である。また、ｘは、ν_Lmをレーザ光の発振周波数の変調振幅とし、δ_νを吸収スペクトルの半値全幅とすると、ｘ＝ν_Lm／δ_νで示されるものである。

上記（３）式をフーリエ級数展開すると、角周波数ω_Lの成分（１ｆ成分）の振幅は以下の（４）で表され、角周波数２ω_Lの成分（２ｆ成分）の振幅は以下の（５）で表される。

ここで、上記（５）式中のｋは、上述したｘを用いて、以下の（６）式で表される。

測定対象ガスの濃度は、上記（５）式で表される角周波数２ω_Lの成分（２ｆ成分）の振幅を用いて求められる。ここで、角周波数２ω_Lの成分の振幅が最大になるのは、上記（６）式で表されるｋが最大のときである。ｋは、ｘ＝ν_Lm／δ_ν≒２．２のときに最大（ｋ＝０．３４３）となる。つまり、レーザ光の発振周波数の変調振幅ν_Lmが、吸収スペクトルの半値全幅δ_νのおよそ２．２倍であるときに、角周波数２ω_Lの成分の振幅が最大になる。

ここで、上記の条件（レーザ光の発振周波数の変調振幅ν_Lmが、吸収スペクトルの半値全幅δ_νのおよそ２．２倍）は、信号対雑音比（ＳＮ比：Signal-Noise ratio）が最も良好な状態で、測定対象ガスの濃度の測定を行うことができる条件であるということができる。言い換えると、上記の条件が、測定対象ガスに照射するレーザ光の最適な掃引条件（変調条件）であるということができる。従来のガス分析システムでは、通常、上記の条件が満たされるように、レーザ光の発振周波数の変調振幅ν_Lmが設定されている。

以下の（７）式に示す通り、上記（５）式で表される角周波数２ω_Lの成分（２ｆ成分）の振幅Ｐ₂と、上記（４）式で表される角周波数ω_Lの成分（１ｆ成分）の振幅Ｐ₁との比を求めることで、受光信号の平均パワーＰ₀に依らない濃度の信号を得ることができる。

ここで、測定対象ガスの吸収スペクトルが理想的なもの（例えば、ローレンツ型の吸収スペクトル）であれば、その形状は吸収の中心周波数（中心波長）に対して対称になる。このため、上記（４）式で表される角周波数ω_Lの成分（１ｆ成分）の振幅Ｐ₁は、受光信号の平均パワーにのみ依存し、測定対象ガスの濃度には依存しない。しかしながら、測定対象ガスの吸収スペクトルは、実際には、中心周波数（中心波長）に対して非対称な形状になる。すると、上記（４）式で表される角周波数ω_Lの成分（１ｆ成分）の振幅Ｐ₁は、測定対象ガスの濃度に依存してしまい、測定対象ガスの濃度の測定精度が悪化する。

上記（２）式中のα（ν）について、レーザ光の中心周波数ν_L0のまわりでフーリエ級数展開すると、以下の（８）式のように整理することができる。

但し、ν_Lは、角周波数ω_Lで時間変化するレーザ光の波長であり、ν_L＝ν_L0＋ν_Lmｓｉｎω_Lｔとした。上記（８）式から、濃度に関する信号は、レーザ光の変調周波数ω_Lの整数倍で現れることが分かる。上記（７）式中のＰ₁は、角周波数ω_Lの成分（１ｆ成分）の振幅であるため、上記（８）式右辺第２項からレーザ光の戻り光量と濃度とに依存した信号の和になることが分かる。

図６は、従来法によって得られる測定結果の濃度依存性の実験結果を示す図である。図６（ａ），（ｂ）に示すグラフは横軸に濃度を取り、縦軸に信号強度をとってある。図６（ａ）は、（Ｐ₂／Ｐ₁）の値、及び（Ｐ₂／Ｐ₀）の値の濃度依存性を示す図であり、図６（ｂ）は、（Ｐ₁／Ｐ₀）の値の濃度依存性を示す図である。

図６（ａ）を参照すると、（Ｐ₂／Ｐ₀）の値は、測定対象ガスの濃度にほぼ比例して増加するが、（Ｐ₂／Ｐ₁）の値は、測定対象ガスの濃度が高濃度になると、測定対象ガスの濃度に比例しなくなる。また、図６（ａ）を参照すると、（Ｐ₁／Ｐ₀）の値も、測定対象ガスの濃度が高濃度になると、測定対象ガスの濃度に比例しなくなる。

本出願の発明者は、以上の通り、測定対象ガスの吸収スペクトルが、中心周波数（中心波長）に対して非対称な形状である場合に、角周波数ω_Lの成分（１ｆ成分）の振幅が濃度に依存したものになって、測定対象ガスの濃度の測定精度が悪化することを見出した。このような測定精度の悪化を防止するには、レーザ光の戻り光量（受光信号の平均パワーＰ₀）を別の方法で求める必要がある。

ここで、レーザ光の戻り光量を求める方法としては、以下の２つの方法が考えられる。
・濃度信号と戻り光量とを時間的に分離して測定する方法
・レーザダイオードの変調条件を変える方法
しかしながら、前者の方法は、環境変化（例えば、降雨）によるレーザ光の時間変化の影響を排除することができないため、結果として測定精度が悪化することが考えられる。また、後者の方法は、前述したレーザ光の最適な掃引条件（変調条件）を変えてしまうことになるから望ましくない。

本発明の実施形態は、まず、第１変調周波数で波長変調されたレーザ光を、第２変調周波数で強度変調する。次に、測定対象ガスを介したレーザ光を受光し、受光信号に含まれる第１変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分と、前記第２変調周波数と同じ周波数を有する成分である第２成分とを検出する。そして、第１成分及び第２成分に基づいて測定対象ガスの濃度を求める。第１成分は、測定対象ガスの濃度に依存する成分である一方、第２成分は、測定対象ガスの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、測定対象ガスの濃度には依存しない。これにより、測定対象ガスの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、高い精度で測定対象ガスの濃度を測定することができる。

〔第１実施形態〕
〈ガス分析システム〉
図１は、本発明の第１実施形態によるガス分析システムの要部構成を示すブロック図である。図１に示す通り、本実施形態のガス分析システム１は、ガス分析装置１０及び信号処理装置２０を備えており、波長変調分光法を用いて測定対象ガスＧＳの濃度を測定する。

具体的に、本実施形態のガス分析システム１は、変調周波数ｆ_L（第１変調周波数）で変調（波長変調）され、変調周波数ｆ_B（第２変調周波数）で強度変調されたレーザ光を測定対象ガスＧＳに照射する。そして、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を受光して得られる受光信号に含まれる２倍波成分（２ｆ_L成分：第１成分）及び変調周波数ｆ_Bと同じ周波数の成分（ｆ_B成分：第２成分）に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を測定する。尚、本実施形態において、変調周波数ｆ_Bは、変調周波数ｆ_Lの整数倍とは異なる周波数に設定されている。

ガス分析装置１０は、信号発生器１１、レーザ駆動回路１２、半導体レーザ１３（発光素子）、増幅器駆動回路１４（光変調部、駆動部）、光増幅器１５（光変調部）、レンズ１６ａ，１６ｂ、光検出器１７（受光素子）、アンプ１８、ロックインアンプ１９ａ（検出部、第１ロックインアンプ）、及びロックインアンプ１９ｂ（検出部、第２ロックインアンプ）を備える。このようなガス分析装置１０は、測定対象ガスＧＳに照射するレーザ光の射出、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光の受光、受光信号に含まれる成分（２ｆ_L成分、ｆ_B成分）の検出等を行う。

信号発生器１１は、信号処理装置２０の制御の下で、レーザ駆動回路１２及び増幅器駆動回路１４を制御するための制御信号と、ロックインアンプ１９ａ，１９ｂで用いられる参照信号とを出力する。信号発生器１１からレーザ駆動回路１２に出力される制御信号、及び信号発生器１１からロックインアンプ１９ａに出力される参照信号は、変調周波数ｆ_Lを有する信号であって、互いに同期している信号である。信号発生器１１から増幅器駆動回路１４に出力される制御信号、及び信号発生器１１からロックインアンプ１９ｂに出力される参照信号は、変調周波数ｆ_Bを有する信号であって、互いに同期している信号である。この信号発生器１１としては、例えば、任意波形発生器やファンクションジェネレータ等を用いることができる。

レーザ駆動回路１２は、信号発生器１１から出力される制御信号に基づいて、半導体レーザ１３を駆動するための駆動信号を出力する。レーザ駆動回路１２から出力される駆動信号は、例えば、一定の大きさ（振幅）を有する直流電流に対し、変調周波数ｆ_Lの交流電流が重畳された信号である。尚、変調周波数ｆ_Lの交流電流は、例えば、正弦波状のものであっても、正弦波状以外のものであっても良い。

半導体レーザ１３は、レーザ駆動回路１２から出力される駆動信号によって駆動され、測定対象ガスＧＳに照射するレーザ光を射出する。半導体レーザ１３から射出されるレーザ光は、例えば、変調の中心波長が測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルの中心波長とされ、波長変調幅（変調周波数ｆ_L）が測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルの半値全幅のおよそ２．２倍とされたレーザ光である。尚、半導体レーザ１３として、例えば、ＱＣＬ（Quantum Cascade Laser：量子カスケードレーザ）、又はＩＣＬ（Interband Cascade Laser：インターバンドカスケードレーザ）を用いることができる。

増幅器駆動回路１４は、信号発生器１１から出力される制御信号に基づいて、光増幅器１５を駆動するための駆動信号を出力する。増幅器駆動回路１４から出力される駆動信号は、例えば、一定の大きさ（振幅）を有する直流電流に対し、変調周波数ｆ_Bの交流電流が重畳された信号である。尚、変調周波数ｆ_Bの交流電流は、例えば、正弦波状のものであっても、正弦波状以外のものであっても良い。

光増幅器１５は、増幅器駆動回路１４から供給される電流に応じて、半導体レーザ１３から射出されたレーザ光を増幅する。増幅器駆動回路１４から供給される電流は、大きさが一定の周期（変調周波数ｆ_Bの逆数で得られる周期）で変わる。このため、光増幅器１５から射出されるレーザ光は、変調周波数ｆ_Bで強度変調されたものとなる。この光増幅器１５としては、例えば、光ファイバ増幅器（ＯＦＡ：Optical Fiber Amplifier）又は半導体光増幅器 (ＳＯＡ: Semiconductor Optical Amplifiers) 等を用いることができる。

レンズ１６ａは、光増幅器１５から射出されるレーザ光を、平行光に変換する。このようなレンズ１６ａとしては、コリメートレンズを用いることができる。尚、光増幅器１５から射出されたレーザ光を平行光に変換できるのであれば、レンズ１６ａに代えて、他の光学素子（例えば、放物面鏡）を用いることもできる。

レンズ１６ａでコリメートされたレーザ光は、測定対象ガスＧＳに照射される。測定対象ガスＧＳに照射されたレーザ光のうち、測定対象ガスＧＳを透過したレーザ光は、壁等の散乱体ＳＭで反射された後に、測定対象ガスＧＳを再び透過してレンズ１６ｂに入射する。尚、ガス分析装置１０と散乱体ＳＭとの間の距離は、任意の距離で良いが、例えば、１００［ｍ］程度以下に設定される。

レンズ１６ｂは、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を光検出器１７に集光する。このようなレンズ１６ｂとしては、集光レンズを用いることができる。尚、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を光検出器１７に集光できるのであれば、レンズ１６ｂに代えて、他の光学素子（例えば、放物面鏡）を用いることもできる。光検出器１７は、レンズ１６ｂで集光されたレーザ光を電気信号に変換し、受光信号として出力する。この光検出器１７として、例えば、ＰＤ（PhotoDiode）を用いることができる。

アンプ１８は、光検出器１７から出力される受光信号を増幅する。アンプ１８の増幅率は、例えば、光検出器１７に入射するレーザ光の強度に応じて、適切な増幅率に設定される。光検出器１７がＰＤである場合には、アンプ１８として、光検出器１７から受光信号として出力される光電流を電圧に変換するＩＶ変換回路を用いることができる。

ロックインアンプ１９ａ，１９ｂは、信号発生器１１から出力される参照信号を用いて、位相敏感検波（ＰＳＤ：Phase Sensitive Detection）を行って、アンプ１８で増幅された受光信号から特定の周波数成分を検出する。具体的に、ロックインアンプ１９ａは、信号発生器１１から出力される参照信号（第１参照信号）を用いて、アンプ１８で増幅された受光信号に含まれる２ｆ_L成分（第１成分）を検出する。ロックインアンプ１９ａは、信号発生器１１から出力される参照信号（第２参照信号）を用いて、アンプ１８で増幅された受光信号に含まれるｆ_B成分（第２成分）を検出する。

信号処理装置２０は、演算部２１及び出力部２２を備えており、ガス分析装置１０の動作を制御し、ガス分析装置１０の検出結果（ロックインアンプ１９ａ，１９ｂの検出結果等）を用いて測定対象ガスＧＳの濃度を測定する。信号処理装置２０は、例えば、パーソナルコンピュータ等のコンピュータによって実現される。

演算部２１は、ガス分析装置１０の検出結果（ロックインアンプ１９ａ，１９ｂの検出結果）を用いて、測定対象ガスＧＳの濃度を求める。具体的に、演算部２１は、ロックインアンプ１９ａで検出された２ｆ_L成分に対する、ロックインアンプ１９ｂで検出されたｆ_B成分の比に基づいて、測定対象ガスＧＳの濃度を測定する。ここで、上記の比に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を測定するのは、測定対象ガス以外の要因によるレーザ光の受光光量の変動の影響を低減するためである。

出力部２２は、演算部２１の演算結果を外部に出力する。例えば、出力部２２は、演算部２１で測定された測定対象ガスＧＳの濃度を示す情報を出力する。尚、出力部２２は、測定対象ガスＧＳの濃度を示す情報以外に、２ｆ_L成分を示す情報、ｆ_B成分を示す情報、その他の各種情報を出力しても良い。出力部２２は、これらの情報を示す信号を外部に出力するものであっても良く、これらの情報を表示することで外部に出力するものであっても良い。

信号処理装置２０に設けられる演算部２１及び出力部２２は、これらの機能を実現するためのプログラムが、コンピュータに設けられたＣＰＵ（中央処理装置）で実行されることによって実現される。つまり、信号処理装置２０に設けられる演算部２１及び出力部２２は、ソフトウェアとハードウェア資源とが協働することによって実現される。尚、信号処理装置２０は、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等のハードウェアを用いて実現されてもよい。

ここで、本実施形態のガス分析システム１において、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を光検出器１７で受光して得られる受光信号Ｐ（ｔ）は以下の（９）式で表される。

上記（９）式において、η_Bは光増幅器１５による強度変調度である。また、ω_L＝２πｆ_Lであり、ω_B＝２πｆ_Bである。光増幅器１５から射出されるレーザ光に含まれる変調周波数ω_Bと同じ周波数の成分の信号振幅をＰ_Bとすると、信号振幅Ｐ_Bは、以下の（１０）式で表される。

上記（１０）式から、光増幅器１５の駆動電流（増幅器駆動回路１４から供給される電流）によって、光増幅器１５による強度変調度η_Bを変化させることで、信号振幅Ｐ_Bを制御できることが分かる。

信号処理装置２０の演算部２１は、以下の（１１）式に示す通り、２ｆ_L成分の振幅Ｐ₂とｆ_B成分の振幅Ｐ_Bとの比を求めることで、受光信号の平均パワーＰ₀に依らない濃度の信号を得ている。

測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルが、中心周波数（中心波長）に対して非対称な形状であっても、ｆ_B成分の振幅は、測定対象ガスＧＳの濃度に依存しない。このため、本実施形態では、測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、高い精度で測定対象ガスＧＳの濃度を測定することができる。

〈ガス分析方法〉
図２は、本発明の第１実施形態によるガス分析方法を示すフローチャートである。図２に示すフローチャートの処理は、例えば、ユーザが、ガス分析システム１に対して、測定開始の指示を行うことにより開始される。尚、図２に示すフローチャートの処理は、予め規定された時間間隔をもって繰り返し行われても良い。

測定対象ガスＧＳの測定が開始されると、まず、信号処理装置２０によってガス分析装置１０の信号発生器１１が制御される。これにより、信号発生器１１からレーザ駆動回路１２に対し、変調周波数ｆ_Lを有する制御信号が出力されるとともに、信号発生器１１からロックインアンプ１９ａに対し、変調周波数ｆ_Lを有する参照信号が出力される。尚、信号発生器１１から出力される変調周波数ｆ_Lを有する制御信号と参照信号とは同期している。

また、信号発生器１１から増幅器駆動回路１４に対し、変調周波数ｆ_Bを有する制御信号が出力されるとともに、信号発生器１１からロックインアンプ１９ｂに対し、変調周波数ｆ_Bを有する参照信号が出力される。尚、信号発生器１１から出力される変調周波数ｆ_Bを有する制御信号と参照信号とは同期している。

信号発生器１１からの制御信号がレーザ駆動回路１２に入力されると、レーザ駆動回路１２からは、半導体レーザ１３を駆動するための駆動信号が出力される。また、信号発生器１１からの制御信号が増幅器駆動回路１４に入力されると、増幅器駆動回路１４からは、光増幅器１５を駆動するための駆動信号が出力される。

レーザ駆動回路１２からの駆動信号が半導体レーザ１３に供給されると、半導体レーザ１３からは変調周波数ｆ_Lで波長変調されたレーザ光が射出される（ステップＳ１１：第１ステップ）。半導体レーザ１３から射出されたレーザ光が、光増幅器１５に入射すると、増幅器駆動回路１４から光増幅器１５に供給される駆動電流によって、レーザ光は、変調周波数ｆ_Bで強度変調される（ステップＳ１２：第２ステップ）。

光増幅器１５から射出されたレーザ光（変調周波数ｆ_Bで強度変調されたレーザ光）は、レンズ１６ａによって平行光に変換された後、測定対象ガスＧＳに照射される。測定対象ガスＧＳに照射されたレーザ光のうち、測定対象ガスＧＳを透過したレーザ光は、壁等の散乱体ＳＭで反射された後に、測定対象ガスＧＳを再び透過してレンズ１６ｂに入射する。

レーザ光は、レンズ１６ｂによって集光された後に、光検出器１７によって電気信号に変換される。光検出器１７によって変換された電気信号は、受光信号として光検出器１７から出力される（ステップＳ１３：第３ステップ）。光検出器１７から出力された受光信号は、アンプ１８によって一定の増幅率で増幅された後に、ロックインアンプ１９ａ，１９ｂにそれぞれ入力される。

ロックインアンプ１９ａでは、信号発生器１１から出力される参照信号（変調周波数ｆ_Lを有する参照信号）を用いて、アンプ１８で増幅された受光信号に含まれる２ｆ_L成分（第１成分）が検出される。ロックインアンプ１９ｂでは、信号発生器１１から出力される参照信号（変調周波数ｆ_Bを有する参照信号）を用いて、アンプ１８で増幅された受光信号に含まれるｆ_B成分（第２成分）が検出される（ステップＳ１４：第４ステップ）。

ロックインアンプ１９ａで検出された２ｆ_L成分（第１成分）及びロックインアンプ１９ｂで検出されたｆ_B成分（第２成分）は、信号処理装置２０に出力される。そして、信号処理装置２０の演算部２１にて、測定対象ガスＧＳの濃度が算出される。具体的には、前述した（１１）式に示す通り、ロックインアンプ１９ａで検出された２ｆ_L成分（第１成分）の振幅Ｐ₂と、ロックインアンプ１９ｂで検出されたｆ_B成分（第２成分）の振幅Ｐ_Bとの比を求める演算が行われる。これにより、測定対象ガスＧＳの濃度が算出される（ステップＳ１５：第５ステップ）。

以上の通り、本実施形態では、まず、変調周波数ｆ_Lで波長変調されたレーザ光を、変調周波数ｆ_Lで強度変調した後に、測定対象ガスＧＳに照射する。次に、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を受光し、受光信号に含まれる２ｆ_Lの成分とｆ_Bの成分とを検出する。そして、２ｆ_Lの成分及びｆ_Bの成分に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を求めるようにしている。２ｆ_Lの成分は、測定対象ガスＧＳの濃度に依存する成分である一方、ｆ_Bの成分は、測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、測定対象ガスＧＳの濃度には依存しない。これにより、測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、高い精度で測定対象ガスＧＳの濃度を測定することができる。

また、本実施形態では、濃度信号とレーザ光の戻り光量（受光信号の平均パワーＰ₀）とを同時に測定しているため、環境変化（例えば、降雨）によるレーザ光の時間変化の影響を排除することができる。また、本実施形態では、レーザ光の最適な掃引条件（変調条件）を変えていないことから、信号対雑音比が最も良好な状態で測定対象ガスＧＳの濃度の測定を行うことができ、これにより広いダイナミックレンジを実現することができる。

〔第２実施形態〕
〈ガス分析システム〉
図３は、本発明の第２実施形態によるガス分析システムの要部構成を示すブロック図である。尚、図３においては、図１に示す構成と同じ構成については、同一の符号を付してある。本実形態のガス分析システム２は、図１に示すガス分析システム１のガス分析装置１０をガス分析装置１０Ａに替えた構成である。

ガス分析装置１０Ａは、図１に示すガス分析装置１０が備えるロックインアンプ１９ｂを省略し、変調周波数ｆ_Bを変調周波数ｆ_Lの整数倍にしたものである。つまり、ガス分析装置１０Ａでは、信号発生器１１から増幅器駆動回路１４に出力される制御信号の周波数が、信号発生器１１からレーザ駆動回路１２に出力される制御信号及び信号発生器１１からロックインアンプ１９ａに出力される参照信号の周波数の整数倍に設定されている。このようなガス分析装置１０Ａを備えるガス分析システム２は、ロックインアンプ１９ｂを省略することで、コスト低減を図ったものである。

本実施形態において、ロックインアンプ１９ａは、信号発生器１１から出力される参照信号（変調周波数ｆ_Lを有する参照信号）を用いて、アンプ１８で増幅された受光信号に含まれる２ｆ_L成分（第１成分）とｆ_B成分（第２成分）とを検出する。ここで、変調周波数ｆ_Bは、変調周波数ｆ_Lの整数倍に設定されているため、アンプ１８で増幅された受光信号に含まれる２ｆ_L成分（第１成分）とｆ_B成分（第２成分）とを検出することが可能である。

〈ガス分析方法〉
本実施形態のガス分析システム２は、第１実施形態のガス分析システム１とは、ロックインアンプ１９ｂが省略されているだけであり、基本的には、第１実施形態と同様のガス分析方法により、測定対象ガスＧＳのガス濃度の測定が行われる。このため、ガス分析方法の詳細な説明については省略する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、まず、変調周波数ｆ_Lで波長変調されたレーザ光を、変調周波数ｆ_Lで強度変調した後に、測定対象ガスＧＳに照射する。次に、測定対象ガスＧＳを介したレーザ光を受光し、受光信号に含まれる２ｆ_Lの成分とｆ_Bの成分とを検出する。そして、２ｆ_Lの成分及びｆ_Bの成分に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を求めるようにしている。これにより、測定対象ガスＧＳの吸収スペクトルの形状が非対称であっても、高い精度で測定対象ガスＧＳの濃度を測定することができる。

また、本実施形態においても、環境変化（例えば、降雨）によるレーザ光の時間変化の影響を排除することができる。加えて、信号対雑音比が最も良好な状態で、測定対象ガスＧＳの濃度の測定を行うことができ、これにより広いダイナミックレンジを実現することができる。

〔第３実施形態〕
〈ガス分析システム〉
図４は、本発明の第３実施形態によるガス分析システムの要部構成を示すブロック図である。尚、図４においては、図１に示す構成と同じ構成については、同一の符号を付してある。本実形態のガス分析システム３は、図１に示すガス分析システム１のガス分析装置１０をガス分析装置１０Ｂに替え、信号処理装置２０を信号処理装置２０Ａに替えた構成である。

ガス分析装置１０Ｂは、図１に示すガス分析装置１０が備えるロックインアンプ１９ａ，１９ｂを省略したものである。尚、変調周波数ｆ_Bは、第２実施形態と同様に、変調周波数ｆ_Lの整数倍であっても良く、変調周波数ｆ_Lの整数倍で無くても良い。信号処理装置２０Ａは、図１に示す信号処理装置２０に、信号処理部２３（検出部）を追加した構成である。このようなガス分析装置１０Ｂ及び信号処理装置２０Ａを備えるガス分析システム３は、ロックインアンプ１９ｂ，１９ｂを省略することで、更なるコスト低減を図ったものである。

本実施形態において、ガス分析装置１０Ｂが備える信号発生器１１から出力される参照信号（変調周波数ｆ_Lを有する参照信号）が信号処理装置２０Ａに入力されている。また、ガス分析装置１０Ｂが備えるアンプ１８から出力される信号も、信号処理装置２０Ａに入力されている。

信号処理装置２０Ａの信号処理部２３は、ガス分析装置１０Ｂの信号発生器１１から出力される参照信号（変調周波数ｆ_Lを有する参照信号）を用いた同期検波処理を行って、アンプ１８から出力される信号に含まれる２ｆ_Lの成分とｆ_Bの成分とを検出する。尚、信号処理装置２０Ａの信号処理部２３は、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）の処理を行って、アンプ１８から出力される信号に含まれる２ｆ_Lの成分とｆ_Bの成分とを検出するものであっても良い。

ここで、信号処理部２３は、信号処理部２３の機能を実現するためのプログラムが、コンピュータに設けられたＣＰＵで実行されることによって実現される。つまり、信号処理部２３は、ソフトウェアとハードウェア資源とが協働することによって実現される。尚、信号処理装置２０Ａは、ＦＰＧＡ、ＬＳＩ、ＡＳＩＣ等のハードウェアを用いて実現されてもよい。

〈ガス分析方法〉
本実施形態のガス分析システム３は、第１実施形態のガス分析システム１とは、ロックインアンプ１９ａ，１９ｂが省略されているだけであり、基本的には、第１実施形態と同様のガス分析方法により、測定対象ガスＧＳのガス濃度の測定が行われる。このため、ガス分析方法の詳細な説明については省略する。

〔シミュレーション結果〕
図５は、本発明の実施形態によって得られる測定結果の濃度依存性のシミュレーション結果を示す図である。図５（ａ）～（ｃ）に示すグラフは横軸に濃度を取り、縦軸に信号強度をとってある。

図５（ａ）は、ｆ_L＝１．０［ｋＨｚ］、ｆ_B＝１．２５［ｋＨｚ］であるときのシミュレーション結果である。つまり、図５（ａ）に示すシミュレーション結果は、ω_B≠ｍω_L（ｍは整数）を満たすときのものであり、第１実施形態よるガス分析システム１及びガス分析方法の測定結果を模擬したものである。

図５（ｂ）は、ｆ_L＝１．０［ｋＨｚ］、ｆ_B＝１１［ｋＨｚ］であるときのシミュレーション結果である。つまり、図５（ｂ）に示すシミュレーション結果は、ω_B＝ｍω_L（ｍは整数）を満たすときのもの（ｍ＝１１のときのもの）であり、第２実施形態よるガス分析システム２及びガス分析方法の測定結果を模擬したものである。

図５（ｃ）は、ｆ_L＝１．０［ｋＨｚ］、ｆ_B＝０．５［ｋＨｚ］であるときのシミュレーション結果である。つまり、図５（ｃ）に示すシミュレーション結果は、ω_B＝（ｎ／ｍ）ω_L（ｍ，ｎは整数）を満たすときのもの（ｍ＝２，ｎ＝１のときのもの）である。このシミュレーション結果も、第２実施形態よるガス分析システム２及びガス分析方法の測定結果を模擬したものである。

図５（ａ）～（ｃ）において、実線で示すグラフは、本実施形態によって求められる（Ｐ₂／Ｐ_B）の濃度依存性を示すグラフである。つまり、前述した（１１）式で表される２ｆ_L成分の振幅Ｐ₂とｆ_B成分の振幅Ｐ_Bとの比の濃度依存性を示すグラフである。これに対し、破線で示すグラフは、従来において求められていた（Ｐ₂／Ｐ₁）の濃度依存性を示すグラフである。つまり、前述した（７）式で表される２ｆ_L成分の振幅Ｐ₂とｆ_L成分の振幅Ｐ₁との比の濃度依存性を示すグラフである。

図５（ａ）～（ｃ）を参照すると、（Ｐ₂／Ｐ₁）の値は、測定対象ガスＧＳの濃度が低濃度であれば、測定対象ガスＧＳの濃度にほぼ比例して増加する。しかしながら、測定対象ガスＧＳの濃度が高濃度になると（概ね、６×１０⁴［ｐｐｍ・ｍ］程度を越えると）、（Ｐ₂／Ｐ₁）の値は、測定対象ガスＧＳの濃度が高くなるにつれて減少する。これに対し、（Ｐ₂／Ｐ_B）の値は、測定対象ガスＧＳの濃度が低濃度であっても高濃度であっても、測定対象ガスＧＳの濃度にほぼ比例して増加している。これにより、本実施形態では、従来に比べて濃度依存性が改善されていることを確認できた。

以上、本発明の実施形態によるガス分析システム及びガス分析方法について説明したが、本発明は上記実施形態に制限されることなく本発明の範囲内で自由に変更が可能である。例えば、上述した実施形態では、レーザ光の変調周波数ｆ_Lの２倍波成分（２ｆ_L成分）に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を測定する場合について説明した。しかしながら、レーザ光の変調周波数ｆ_Lのｎ倍波成分（ｎは３以上の整数)に基づいて測定対象ガスＧＳの濃度を測定しても良い。

また、上記実施形態では、増幅器駆動回路１４から光増幅器１５に供給される駆動電流によって、レーザ光を強度変調する例について説明した。しかしながら、レーザ光に対する強度変調は、レーザ光に対する波長変調とは独立に制御できれば良く、上記の増幅器駆動回路１４から光増幅器１５に供給される駆動電流を制御する方法に制限されることはない。例えば、光チョッパーを用いて、レーザ光を物理的に断続的に遮断することでレーザ光の強度変調を行っても良い。

１～３ガス分析システム
１３半導体レーザ
１４増幅器駆動回路
１５光増幅器
１７光検出器
１９ａロックインアンプ
１９ｂロックインアンプ
２１演算部
２３信号処理部

Claims

第１変調周波数で波長変調されたレーザ光を射出する発光素子と、
前記発光素子から射出されたレーザ光を、第２変調周波数で強度変調する光変調部と、
測定対象ガスを介したレーザ光を受光する受光素子と、
前記受光素子から出力される受光信号に含まれる前記第１変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分と、前記第２変調周波数と同じ周波数を有する成分である第２成分とを検出する検出部と、
前記第１成分及び前記第２成分に基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める演算部と、
を備えるガス分析システム。
前記第２変調周波数は、前記第１変調周波数の整数倍の周波数に設定されている、請求項１記載のガス分析システム。
前記検出部は、前記第１変調周波数と同じ周波数を有する第１参照信号を用いて、前記受光信号に含まれる前記第１成分と前記第２成分とを検出するロックインアンプを備える、請求項２記載のガス分析システム。
前記検出部は、前記第１変調周波数と同じ周波数を有する第１参照信号を用いて、前記受光信号に含まれる前記第１成分を検出する第１ロックインアンプと、
前記第２変調周波数と同じ周波数を有する第２参照信号を用いて、前記受光信号に含まれる前記第２成分を検出する第２ロックインアンプと、
を備える請求項１記載のガス分析システム。
前記検出部は、前記受光信号に対し、前記第１変調周波数と同じ周波数を有する第１参照信号を用いた同期検波処理、又は、高速フーリエ変換処理を行って前記第１成分及び前記第２成分を検出する信号処理部を備える、請求項１記載のガス分析システム。
前記演算部は、前記第１成分を前記第２成分で除して得られる値に基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める、請求項１記載のガス分析システム。
前記光変調部は、前記発光素子から射出されたレーザ光を、供給される電流に応じて増幅する光増幅器と、
前記第２変調周波数で変調した電流を前記光増幅器に供給して前記光増幅器を駆動する駆動部と、
を備える請求項１から請求項６の何れか一項に記載のガス分析システム。
第１変調周波数で波長変調されたレーザ光を射出する第１ステップと、
前記レーザ光を、第２変調周波数で強度変調する第２ステップと、
測定対象ガスを介した前記レーザ光を受光して受光信号を得る第３ステップと、
前記受光信号に含まれる前記第１変調周波数のｎ倍（ｎは２以上の整数）の周波数を有する成分である第１成分と、前記第２変調周波数と同じ周波数を有する成分である第２成分とを検出する第４ステップと、
前記第１成分及び前記第２成分に基づいて前記測定対象ガスの濃度を求める第５ステップと、
を有するガス分析方法。