JP5621154B1 - Absorption spectrum analyzer, absorption spectrum baseline setting method, and computer program - Google Patents
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Abstract
【課題】検量線を用いることなく吸収スペクトルのベースラインを設定することが可能な吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムを提供する。【解決手段】太陽を光源とした赤外分光法にて測定された吸収スペクトルの実測値の複数のピークにおける波数を特定し、特定された複数の波数のそれぞれに対応する吸収スペクトルの理論値の透過率を特定し、特定された各透過率を補間して理論値補間ラインを生成する。また、吸収スペクトルの理論値の複数のピークにおける波数を特定し、特定された複数の波数のそれぞれに対応する吸収スペクトルの実測値の透過率を特定し、特定された各透過率を補間して実測値補間ラインを生成する。理論値補間ラインと実測値補間ラインを波数毎に平均して得た線を、ベースラインとして設定する。【選択図】 図6An absorption spectrum analyzer capable of setting a baseline of an absorption spectrum without using a calibration curve, a method for setting a baseline of an absorption spectrum of a substance, and a computer program are provided. A wave number at a plurality of peaks of an actual measurement value of an absorption spectrum measured by infrared spectroscopy using the sun as a light source is specified, and a theoretical value of an absorption spectrum corresponding to each of the specified plurality of wave numbers is obtained. The transmittance is specified, and each specified transmittance is interpolated to generate a theoretical value interpolation line. In addition, the wave number at a plurality of peaks of the theoretical value of the absorption spectrum is specified, the transmittance of the measured value of the absorption spectrum corresponding to each of the specified plurality of wave numbers is specified, and each specified transmittance is interpolated. An actual measurement value interpolation line is generated. A line obtained by averaging the theoretical value interpolation line and the actual measurement value interpolation line for each wave number is set as the base line. [Selection] Figure 6
Description
本発明は、物質の吸収スペクトルのベースラインを設定するための吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムに関する。 The present invention relates to an absorption spectrum analyzer for setting a baseline of an absorption spectrum of a substance, a method for setting a baseline of an absorption spectrum of a substance, and a computer program.
ガス(例えば、大気)中の特定の物質の濃度を検出するために、ガスを光学的に測定して前記特定の物質の吸収スペクトルを得ることが知られている。 In order to detect the concentration of a specific substance in a gas (for example, the atmosphere), it is known to optically measure the gas to obtain an absorption spectrum of the specific substance.
例えば、特許文献1には、フーリエ変換赤外分光法(FT−IR法)を用いたガス分析装置が開示されている。この特許文献1に記載されたガス分析装置では、検量線において、所定波数域に見られる測定成分固有のピーク値が、測定によって得られた吸収スペクトルデータに見られるか否かを判定し、その判定の結果、所定波数域にピーク値がなければ、測定対象のガス中にエタノール等の所定の測定成分が含まれていないとして、その吸収スペクトルデータを用いてベースラインを補正する。
For example,
分光法を用いて物質の濃度を正確に測定するためには、正確なベースラインを設定することが不可欠である。しかしながら、特許文献1のガス分析装置にあっては、ベースラインの補正に検量線を必要とする。検量線を作成するためには、標準物質を用いて吸収スペクトルを測定しなければならず、作業者にとって負担が大きい。
In order to accurately measure the concentration of a substance using spectroscopy, it is essential to set an accurate baseline. However, the gas analyzer disclosed in
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その主たる目的は、検量線を用いることなく吸収スペクトルのベースラインを設定することが可能な吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムを提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and its main purpose is an absorption spectrum analyzer capable of setting a baseline of an absorption spectrum without using a calibration curve, and a baseline of an absorption spectrum of a substance. A setting method and a computer program are provided.
上述した課題を解決するために、本発明の一の態様の吸収スペクトル解析装置は、波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインを設定する吸収スペクトル解析装置であって、前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第1波長・波数特定手段と、前記第1波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第2波長・波数特定手段と、前記第2波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第1補間ライン生成手段と、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第2補間ライン生成手段と、前記第1補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第2補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段と、を備える。 In order to solve the above-described problem, an absorption spectrum analyzer according to one embodiment of the present invention includes an actual measurement value of an absorption spectrum indicating a relationship between a wavelength or wave number and the absorbance or transmittance of a specific substance, and the wavelength or wave number. An absorption spectrum analyzer that sets a baseline of an absorption spectrum of the specific substance based on a theoretical value of an absorption spectrum indicating a relationship with the absorbance or transmittance of the specific substance, the measured value acquisition means for acquiring measurement data on the absorption spectrum, the and the theoretical value obtaining means for obtaining a theoretical value of the absorption spectrum of a specific substance, based on the measurement data acquired by the measured value acquisition means, the absorbance Alternatively, the first wavelength / wave number specifying means for specifying the wavelengths or wave numbers at a plurality of peaks of the measured transmittance value and the first wavelength / wave number specifying means A theoretical value specifying means for specifying the absorbance or transmittance of the theoretical value of the absorption spectrum at a plurality of wavelengths or wave numbers, and based on the theoretical value of the absorption spectrum acquired by the theoretical value acquisition means, the absorbance or transmission Second wavelength / wave number specifying means for specifying wavelengths or wave numbers at a plurality of peaks of the theoretical value of the rate, and absorbance of the measured value of the absorption spectrum at a plurality of wavelengths or wave numbers specified by the second wavelength / wave number specifying means Alternatively, actual measurement value specifying means for specifying transmittance, first interpolation line generating means for generating a theoretical value interpolation line by interpolating a plurality of theoretical values specified by the theoretical value specifying means, and the actual measurement value specifying means Interpolating a plurality of actual measurement values specified by the second interpolation line generation means for generating an actual measurement value interpolation line, and the first interpolation line generation means Therefore, the result of averaging the theoretical value interpolation line generated by the second interpolation line generation means and the actual value interpolation line generated by the second interpolation line generation unit for each wavelength or wave number is the baseline of the absorption spectrum of the specific substance. And baseline setting means for setting as follows.
この態様において、前記第1補間ライン生成手段は、前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を直線補間して、理論値補間ラインを生成するように構成されており、前記第2補間ライン生成手段は、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を直線補間して、実測値補間ラインを生成するように構成されていてもよい。 In this aspect, the first interpolation line generation unit is configured to generate a theoretical value interpolation line by linearly interpolating a plurality of theoretical values specified by the theoretical value specifying unit, and the second interpolation line The line generation means may be configured to generate an actual measurement value interpolation line by linearly interpolating a plurality of actual measurement values specified by the actual measurement value specifying means.
上記の態様において、前記実測値取得手段は、前記特定の物質の吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数に基づいて、吸収スペクトルの実測値を波長又は波数について補正する補正手段を具備し、前記補正手段によって補正された吸収スペクトルの実測値を、前記測定データとして取得するように構成されていてもよい。 In the above aspect, the actual measurement value acquisition unit corrects the actual measurement value of the absorption spectrum with respect to the wavelength or wave number based on the wavelength or wave number at a plurality of peaks of the theoretical value of absorbance or transmittance of the specific substance. And an actual measurement value of the absorption spectrum corrected by the correction means may be acquired as the measurement data.
上記の態様において、前記理論値取得手段は、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データが測定された位置、気温、及び気圧における前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するように構成されていてもよい。 In the above aspect, the theoretical value acquisition unit acquires a theoretical value of an absorption spectrum of the specific substance at the position, temperature, and pressure at which the measurement data acquired by the actual measurement value acquisition unit is measured. It may be configured.
上記の態様において、前記理論値取得手段は、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データにおける波長又は波数の範囲における前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するように構成されていてもよい。 In the above aspect, the theoretical value acquisition unit is configured to acquire a theoretical value of an absorption spectrum of the specific substance in a wavelength or wave number range in the measurement data acquired by the actual measurement value acquisition unit. Also good.
上記の態様において、前記第1波長・波数特定手段は、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データを、波長又は波数について複数の区間に分割し、分割された各区間において、吸光度又は透過率の実測値の1つのピークを特定し、各ピークにおける波長又は波数を特定するように構成されており、前記第2波長・波数特定手段は、前記第1波長・波数特定手段によって前記測定データが分割された波長又は波数についての複数の区間のそれぞれにおいて、吸光度又は透過率の理論値の1つのピークを特定し、各ピークにおける波長又は波数を特定するように構成されていてもよい。 In the above aspect, the first wavelength / wave number identification unit divides the measurement data acquired by the actual measurement value acquisition unit into a plurality of sections with respect to wavelength or wave number, and absorbs or transmits light in each of the divided sections. It is configured to specify one peak of the measured value of the rate, and to specify the wavelength or wave number at each peak, and the second wavelength / wave number specifying means is the measurement data by the first wavelength / wave number specifying means. May be configured to identify one peak of the theoretical value of absorbance or transmittance and to identify the wavelength or wave number at each peak in each of the plurality of sections for the wavelength or wave number into which.
また、本発明の他の態様の吸収スペクトルのベースラインの設定方法は、波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインを設定する方法であって、前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得するステップと、前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するステップと、取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定するステップと、特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定するステップと、取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定するステップと、特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定するステップと、特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成するステップと、特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成するステップと、生成された前記理論値補間ラインと、生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するステップと、を有する。 In addition, the method for setting the baseline of the absorption spectrum according to another aspect of the present invention includes an actual measurement value of an absorption spectrum indicating a relationship between the wavelength or wave number and the absorbance or transmittance of a specific substance, the wavelength or wave number, and the specific A method for setting a baseline of an absorption spectrum of the specific substance based on a theoretical value of an absorption spectrum indicating a relationship with the absorbance or transmittance of the substance, wherein the measurement data of the absorption spectrum of the specific substance is A step of acquiring, a step of acquiring a theoretical value of an absorption spectrum of the specific substance, and a step of specifying wavelengths or wave numbers at a plurality of peaks of the measured values of absorbance or transmittance based on the acquired measurement data Identifying the theoretical absorbance or transmittance of the absorption spectrum at the specified wavelengths or wavenumbers; Based on the theoretical value of the absorption spectrum, identifying the wavelength or wave number at a plurality of peaks of the theoretical value of absorbance or transmittance, and the absorbance or transmittance of the measured value of the absorption spectrum at the identified plurality of wavelengths or wave numbers Interpolating a plurality of specified theoretical values to generate a theoretical value interpolation line, interpolating a plurality of specified actual values, and generating an actual value interpolation line; Setting the result of averaging the generated theoretical value interpolation line and the generated actual measurement value interpolation line for each wavelength or wave number as a baseline of the absorption spectrum of the specific substance.
また、本発明の他の態様のコンピュータプログラムは、波長又は波数と特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの実測値と、波長又は波数と前記特定の物質の吸光度又は透過率との関係を示す吸収スペクトルの理論値とに基づいて、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインをコンピュータに設定させるためのコンピュータプログラムであって、前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、前記実測値取得手段によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第1波長・波数特定手段と、前記第1波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第2波長・波数特定手段と、前記第2波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第1補間ライン生成手段と、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第2補間ライン生成手段と、前記第1補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第2補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段として、前記コンピュータを機能させる。 Further, the computer program according to another aspect of the present invention includes an actual measurement value of an absorption spectrum indicating a relationship between a wavelength or wave number and the absorbance or transmittance of a specific substance, and the absorbance or transmittance of the specific substance. A computer program for causing a computer to set a baseline of an absorption spectrum of the specific substance based on a theoretical value of an absorption spectrum indicating a relationship with Based on the measurement data acquired by the actual measurement value acquisition means, the theoretical value acquisition means for acquiring the theoretical value of the absorption spectrum of the specific substance, and the actual measurement value acquisition means . First wavelength / wave number specifying means for specifying wavelengths or wave numbers at a plurality of peaks, and specified by the first wavelength / wave number specifying means A theoretical value specifying means for specifying the absorbance or transmittance of the theoretical value of the absorption spectrum at a plurality of wavelengths or wave numbers, and based on the theoretical value of the absorption spectrum acquired by the theoretical value acquiring means, the absorbance or transmission Second wavelength / wave number specifying means for specifying wavelengths or wave numbers at a plurality of peaks of the theoretical value of the rate, and absorbance of the measured value of the absorption spectrum at a plurality of wavelengths or wave numbers specified by the second wavelength / wave number specifying means Alternatively, actual measurement value specifying means for specifying transmittance, first interpolation line generating means for generating a theoretical value interpolation line by interpolating a plurality of theoretical values specified by the theoretical value specifying means, and the actual measurement value specifying means Interpolating a plurality of actual measurement values specified by the second interpolation line generation means for generating an actual measurement value interpolation line, and the first interpolation line generation means The result of averaging the theoretical value interpolation line generated by the second interpolation line generation unit and the actual value interpolation line generated by the second interpolation line generation unit for each wavelength or wave number is used as the base of the absorption spectrum of the specific substance. The computer is caused to function as baseline setting means for setting as a line.
本発明に係る吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムによれば、検量線を用いることなく吸収スペクトルのベースラインを設定することが可能となる。 According to the absorption spectrum analyzer, the absorption spectrum baseline setting method, and the computer program according to the present invention, it is possible to set the absorption spectrum baseline without using a calibration curve.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[吸収スペクトル測定システムの構成]
図1は、本実施の形態に係る吸収スペクトル測定システムの構成を示す模式図である。吸収スペクトル測定システムは、太陽光を測定することにより、特定の物質(例えば二酸化炭素)の吸収スペクトルを測定し、これを解析して前記物質の濃度を検出するものである。かかる吸収スペクトル測定システム100は、光学測定ユニット1と、吸収スペクトル解析装置2とによって主として構成される。
[Configuration of absorption spectrum measurement system]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration of an absorption spectrum measurement system according to the present embodiment. The absorption spectrum measurement system measures the absorption spectrum of a specific substance (for example, carbon dioxide) by measuring sunlight and analyzes it to detect the concentration of the substance. Such an absorption
<光学測定ユニット1の構成>
<Configuration of
図2は、光学測定ユニット1の構成を示す模式図である。光学測定ユニット1は、短波長カットフィルタ11と、コリメータ12と、干渉フィルタ13と、エタロン14と、集光レンズ15と、検出素子16と、信号処理回路17とを備えている。
FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the
この光学測定ユニット1の測定波長は1572nmを中心とした半値幅2nmの領域であり、紫外及び可視光は測定範囲外である。このため、短波長カットフィルタ11は、1.3μm以下の短波長域をブロックするように構成されている。
The measurement wavelength of the
コリメータ12は、2枚の凸レンズとアパーチャとを組み合わせ、太陽の視野角0.5度に一致させることで、雲などから余分な光が入ることを防ぐ。かかるコリメータ12は、干渉フィルタ13及びエタロン14のために、純度の高い平行光線を得るように構成されている。
The
干渉フィルタ13は、中心波長を微調整するため、取付角度を変えられる構造となっている。この取付角度を0度から8度の範囲で変化させることで、波長を1569nm乃至1574nmの範囲で調整することができる。なお、二酸化炭素の測定では、取付角度を5.5度とすることで、波長1572nmに調整する。
The
エタロン14は、ペルチェ素子を有する温度調整部14aが取付けられており、これによる温度制御が可能な構造である。温度調整部14aには、温度制御部14bが接続されている。温度制御部14bは、10℃程度の温度幅でエタロン14の温度を変化させることが可能である。二酸化炭素の測定は、エタロン14の温度を10℃程度繰り返し上下させながら行われる。1回の上下サイクルで二酸化炭素濃度が1回測定される。温度調整部14aはサーミスタ(図示せず)を具備しており、温度制御部14bは、サーミスタによって検出された温度を利用してPI制御によりエタロン14の温度制御を行うように構成されている。
The
エタロン14から出射した光は集光レンズ15により集光される。集光レンズ15を出射した光は、検出素子16により検出される。
The light emitted from the
検出素子16は、InGaAsフォトダイオードであり、800nm乃至1700nmの近赤外領域の光を検出することが可能である。
The
信号処理回路17は、検出素子16から出力された検出信号を受信し、各種の信号処理を行う。検出素子16から出力された検出信号は、信号処理回路17により、アナログ信号からデジタル信号へと変換され、波長毎に受光強度を示す測定データとして信号処理回路17から出力される。
The
<吸収スペクトル解析装置2の構成>
次に、吸収スペクトル解析装置2の構成について説明する。吸収スペクトル解析装置2は、コンピュータにより構成されている。図3は、吸収スペクトル解析装置2の構成を示すブロック図である。吸収スペクトル解析装置2は、コンピュータ20によって実現される。図3に示すように、コンピュータ20は、本体21と、表示部22と、入力部23とを備えている。本体21は、CPU21a、ROM21b、RAM21c、ハードディスク21d、読出装置21e、入出力インタフェース21f、及び画像出力インタフェース21hを備えており、CPU21a、ROM21b、RAM21c、ハードディスク21d、読出装置21e、入出力インタフェース21f、及び画像出力インタフェース21hは、バス21jによって接続されている。
<Configuration of
Next, the configuration of the
CPU21aは、RAM21cにロードされたコンピュータプログラムを実行することが可能である。そして、吸収スペクトル解析用のコンピュータプログラム24aを当該CPU21aが実行することにより、コンピュータ20が吸収スペクトル解析装置2として機能する。
The
ROM21bは、マスクROM、PROM、EPROM、又はEEPROM等によって構成されており、CPU21aに実行されるコンピュータプログラム及びこれに用いるデータ等が記録されている。
The
RAM21cは、SRAMまたはDRAM等によって構成されている。RAM21cは、ハードディスク21dに記録されているコンピュータプログラム24aの読み出しに用いられる。また、CPU21aがコンピュータプログラムを実行するときに、CPU21aの作業領域として利用される。
The
ハードディスク21dは、オペレーティングシステム及びアプリケーションプログラム等、CPU21aに実行させるための種々のコンピュータプログラム及び当該コンピュータプログラムの実行に用いられるデータがインストールされている。サーバ用のコンピュータプログラム24aも、このハードディスク21dにインストールされている。
The hard disk 21d is installed with various computer programs to be executed by the
読出装置21eは、フレキシブルディスクドライブ、CD−ROMドライブ、またはDVD−ROMドライブ等によって構成されており、可搬型記録媒体24に記録されたコンピュータプログラムまたはデータを読み出すことができる。また、可搬型記録媒体24には、コンピュータを吸収スペクトル解析装置2として機能させるためのコンピュータプログラム24aが格納されており、コンピュータ2aが当該可搬型記録媒体24からコンピュータプログラム24aを読み出し、当該コンピュータプログラム24aをハードディスク21dにインストールすることが可能である。
The
なお、前記コンピュータプログラム24aは、可搬型記録媒体24によって提供されるのみならず、電気通信回線(有線、無線を問わない)によってコンピュータ2aと通信可能に接続された外部の機器から前記電気通信回線を通じて提供することも可能である。例えば、前記コンピュータプログラム24aがインターネット上のサーバコンピュータのハードディスク内に格納されており、このサーバコンピュータにコンピュータ2aがアクセスして、当該コンピュータプログラムをダウンロードし、これをハードディスク21dにインストールすることも可能である。
The
ハードディスク21dには、例えば米マイクロソフト社が製造販売するWindows(登録商標)等のオペレーティングシステムがインストールされている。以下の説明においては、本実施の形態に係るコンピュータプログラム24aは当該オペレーティングシステム上で動作するものとしている。
For example, an operating system such as Windows (registered trademark) manufactured and sold by Microsoft Corporation is installed in the hard disk 21d. In the following description, it is assumed that the
入出力インタフェース21fは、例えばUSB,IEEE1394,又はRS-232C等のシリアルインタフェース、SCSI,IDE,又は IEEE1284等のパラレルインタフェース、及びD/A変換器、A/D変換器等からなるアナログインタフェース等から構成されている。入出力インタフェース21fには、キーボード及びマウスからなる入力部23が接続されており、ユーザが当該入力部23を使用することにより、コンピュータ2aにデータを入力することが可能である。
The input /
また、入出力インタフェース21fには、前述した光学測定ユニット1が接続されている。光学測定ユニット1から出力された測定データは、入出力インタフェース21fに与えられる。
Further, the above-described
画像出力インタフェース21hは、LCDまたはCRT等で構成された表示部22に接続されており、CPU21aから与えられた画像データに応じた映像信号を表示部22に出力するようになっている。表示部22は、入力された映像信号にしたがって、画像(画面)を表示する。
The
[吸収スペクトル測定システムの動作]
次に、本実施の形態に係る吸収スペクトル測定システム100による吸収スペクトルの測定動作について説明する。
[Operation of absorption spectrum measurement system]
Next, the absorption spectrum measurement operation by the absorption
まず、ユーザは、測定対象となる物質を定め、光学測定ユニット1により太陽光を測定する。このとき、干渉フィルタ13の取付角度を調節する等、測定対象の物質に応じて必要な設定を行う。なお、本実施の形態では、二酸化炭素を測定対象とした場合の吸収スペクトル測定システムの動作について説明する。
First, the user determines a substance to be measured and measures sunlight with the
光学測定ユニット1による測定データは、吸収スペクトル解析装置2へと与えられ、吸収スペクトル解析装置2によって解析される。
Data measured by the
図4は、吸収スペクトル解析装置2による測定データ解析処理の手順を示すフローチャートである。
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure of measurement data analysis processing by the
光学測定ユニット1から出力された測定データが、吸収スペクトル解析装置2の入出力インタフェース21fによって受信される(ステップS1)。測定データ(観測スペクトル)は、波長毎に受光強度を示す情報である。CPU21aは、かかる波長毎に受光強度を示す情報を、波数毎に透過率を示す情報へと変換する(ステップS2)。
The measurement data output from the
また、CPU21aは、変換後の観測スペクトルを、波数シフトする(ステップS3)。図5は、観測スペクトルの波数シフトを説明する図である。図に示すように、観測スペクトルは、透過率について複数の極小値(谷のピーク)が存在する。これらのピークの波数は、測定対象に固有のものであり、理論上既知である。観測スペクトルでは、各ピークにおける波数が誤差を含んでおり、多くの場合において理論値からずれている。ステップS3の処理は、かかる誤差を修正するためのものである。具体的には、各ピークにおける波数のそれぞれと、対応する理論値のそれぞれとの差が最小になるように、観測スペクトルが波数シフトされる。波数シフトされた観測スペクトルのデータは、RAM21c又はハードディスク21dに格納される。
Further, the
次にCPU21aは、計算上の黒体放射のスペクトルに、光学測定ユニット1に固有の装置関数を適用し、光学測定ユニット1によって黒体放射が仮想的に観測されたときの観測スペクトル(以下、「仮想太陽スペクトル」という。)を算出する(ステップS4)。黒体放射のスペクトルの理論値は、光学測定の際のばらつきを含んでいない。他方、黒体放射のスペクトルを実測する場合、光学測定を行う装置の状態により、ばらつきが生じる。ステップS4の処理では、実際に光学測定ユニット1によって観測された黒体放射のスペクトルを、計算によって再現するためのものである。
Next, the
次に、CPU21aは、RAM21c又はハードディスク21dに格納された観測スペクトルの波数域を取得し、仮想太陽スペクトルに含まれるデータから、前記波数域の範囲内のデータを抽出する(ステップS5)。以下、この抽出後のデータを、抽出太陽スペクトルという。
Next, the
また、CPU21aは、地表の観測位置(高度)、気温、及び気圧を入力するための入力画面を表示部22に表示させ、ユーザから観測位置、気温、及び気圧の入力を受け付ける(ステップS6)。ユーザは入力部23を操作することにより、観測位置、気温、及び気圧を吸収スペクトル解析装置2に入力する。
In addition, the
次にCPU21aは、吸収スペクトル理論値演算処理を実行する(ステップS7)。この吸収スペクトル理論値演算処理では、抽出太陽スペクトルと、入力された観測位置、気温、及び気圧とに基づいて、二酸化炭素の濃度の所定値(385ppm)としたときの吸収スペクトルが算出される。
Next, the
ここで、吸収スペクトル理論値演算処理について、さらに詳細に説明する。吸収スペクトル理論値演算処理では、物質の吸収スペクトルの線形(吸収線形)を近似式により表す。 Here, the absorption spectrum theoretical value calculation processing will be described in more detail. In the absorption spectrum theoretical value calculation process, the linearity (absorption line) of the absorption spectrum of the substance is expressed by an approximate expression.
大気上端での太陽光強度をI0(ν)とすると、観測される光強度I(ν)は、次式で表される。
吸収係数σ(z,ν)は、吸収の強度とその広がりから定まり、次式のようになる。
吸収線形は、ドップラー幅とローレンツ幅による広がりを重ね合わせたもので、一般にフォークトファンクション(Voigt function)と呼ばれる関数で近似される。
以上の式を用い、入力として必要なq(z)、T(z)、P(z)を用意すれば、吸収スペクトルを計算することができる。吸収スペクトル理論値演算処理では、測定対象成分である二酸化炭素の濃度を385ppmとし、入力された観測位置、気温、及び気圧を使用して、吸収スペクトルが求められる。 The absorption spectrum can be calculated by preparing the necessary q (z), T (z), and P (z) as inputs using the above formula. In the absorption spectrum theoretical value calculation process, the concentration of carbon dioxide, which is a measurement target component, is set to 385 ppm, and the absorption spectrum is obtained using the input observation position, temperature, and atmospheric pressure.
上記のような吸収スペクトル理論値演算処理を実行した後、CPU21aは、RAM21c又はハードディスク21dに格納された波数シフト後の吸収スペクトルの実測データと、吸収スペクトル理論値演算処理により求められた吸収スペクトルの理論データとを用いて、ベースライン設定処理を実行する(ステップS8)。
After executing the absorption spectrum theoretical value calculation process as described above, the
図6は、ベースライン設定処理の手順を示すフローチャートであり、図7は、ベースライン設定処理の内容を説明するための図である。ベースライン設定処理において、まずCPU21aは、波数シフト後の吸収スペクトルの実測値を複数の区画に分ける(ステップS801)。この処理では、図7に示すように、下側のピーク値に対応する波数を求め、各波数を境界として区間を分ける。図7においては、吸収スペクトルの実測値を実線の曲線によって示し、吸収スペクトルの理論値を破線の曲線によって示している。また、区間の境界を実線(細線)の直線によって示している。
FIG. 6 is a flowchart showing the procedure of the baseline setting process, and FIG. 7 is a diagram for explaining the contents of the baseline setting process. In the baseline setting process, first, the
次にCPU21aは、吸収スペクトルの実測値の各区間において極大値(山のピーク)を検出し、各極大値に対応する波数を特定する(ステップS802)。図7において、吸収スペクトルの実測値の極大値を、黒丸印で示している。
Next, the
次にCPU21aは、ステップS802において特定した波数に対応する吸収スペクトルの理論値を特定する(ステップS803)。図7において、吸収スペクトルの実測値の極大値に対応する理論値を、黒色の四角形印で示している。
Next, the
次にCPU21aは、ステップS803によって特定した隣り合う理論値を直線補間する(ステップS804)。以下、ステップS804において理論値を補間して得られた線を、「理論値補間ライン」という。図7において、理論値補間ラインを、破線で示している。
Next, the
次にCPU21aは、吸収スペクトルの理論値の各区間において極大値(山のピーク)を検出し、各極大値に対応する波数を特定する(ステップS805)。このときの区間は、ステップS801において設定した区間と同じである。図7において、吸収スペクトルの理論値の極大値を、白丸印で示している。
Next, the
次にCPU21aは、ステップS805において特定した波数に対応する吸収スペクトルの実測値を特定する(ステップS806)。図7において、吸収スペクトルの理論値の極大値に対応する実測値を、白色の四角形印で示している。
Next, the
次にCPU21aは、ステップS806によって特定した隣り合う実測値を直線補間する(ステップS807)。以下、ステップS807において実測値を補間して得られた線を、「実測値補間ライン」という。図7において、実測値補間ラインを、破線で示している。
Next, the
次にCPU21aは、理論値補間ラインと実測値補間ラインを、同一の波数毎に平均し、得られた平均の線をベースラインとして設定する(ステップS808)。図7において、ベースラインを、実線で示している。ステップS808の処理を終了すると、CPU21aは、メインルーチンに処理を戻す。
Next, the
上記のようなベースライン設定処理を終了した後、CPU21aは、ベースラインを設定した吸収スペクトルの実測値に、フォークトファンクションをフィッティングすることで、二酸化炭素の濃度を算出する(ステップS9)。
After completing the baseline setting process as described above, the
ステップS9では、以下のようにして二酸化炭素の濃度が算出される。 In step S9, the concentration of carbon dioxide is calculated as follows.
(2)式を実際に解くために、大気をN個の層に分け、各層での吸収の和として書き直すと、次式のようになる。
σの逆行列を計算すれば、観測値τからq(z)を求めることができるが、逆行列の計算は簡単ではない。ここで、本実施の形態では、気柱全量(単位断面積を持つ地上から大気上端までの気柱に含まれる測定対象成分の分子数)を求める。気柱全量のみを求める場合は、変数を1つに減らすことが可能である。
上記のようにして、スペクトルフィッティングにより二酸化炭素濃度を算出すると、CPU21aは、算出した二酸化炭素の濃度を表示部22に表示させ(ステップS10)、処理を終了する。
When the carbon dioxide concentration is calculated by spectrum fitting as described above, the
以上の如く構成したことにより、本実施の形態に係る吸収スペクトル解析システム100にあっては、ベースラインを設定することが可能となり、精度よく測定対象の物質の濃度を求めることが可能となる。また、ベースラインを設定するために、検量線を必要としない。このため、検量線の作成に必要な、標準物質が不要となり、標準物質を測定する手間もない。また、本実施の形態に係る吸収スペクトル解析システム100のように、太陽を光源とした地上からの赤外分光法においては、光学測定ユニット1の分解能に応じた装置関数を設定することで、検量線を用いずに吸収スペクトルの測定が行われる。このため、検量線を要しないベースラインの設定方法は、かかる大陽を光源とした赤外分光法において、特に有用である。
By configuring as described above, in the absorption
(その他の実施の形態)
上記の実施の形態においては、吸収スペクトルを、波数と透過率との関係を示すものとしたが、これに限定されるものではない。波長と吸光度との関係を示す吸収スペクトルを使用することも可能である。
(Other embodiments)
In the above embodiment, the absorption spectrum indicates the relationship between the wave number and the transmittance. However, the present invention is not limited to this. It is also possible to use an absorption spectrum showing the relationship between wavelength and absorbance.
また、上記の実施の形態においては、大陽を光源とした地上からの赤外分光法により、二酸化炭素の吸収スペクトルを解析する構成について述べたが、これに限定されるものではない。赤外レーザによる赤外分光法において、測定対象の物質の吸収スペクトルの実測値と、測定対象の物質の吸収スペクトルの理論値とに基づいて、ベースラインを設定する構成とすることも可能である。 In the above embodiment, the configuration for analyzing the absorption spectrum of carbon dioxide by infrared spectroscopy from the ground using Taiyo as the light source has been described, but the present invention is not limited to this. In infrared spectroscopy using an infrared laser, it is also possible to adopt a configuration in which a baseline is set based on the measured value of the absorption spectrum of the substance to be measured and the theoretical value of the absorption spectrum of the substance to be measured. .
また、上記の実施の形態においては、吸収スペクトル解析装置2をコンピュータ20によって構成したが、これに限定されるものではない。ASIC(application specific integrated circuit)又はFPGA(field-programmable gate array)等により、吸収スペクトル解析装置2と同様の処理が可能なハードウェアを構成することも可能である。また、本実施の形態においては、光学測定ユニット1と吸収スペクトル解析装置2を別々のユニットとして構成したが、光学測定ユニット1の機能と、吸収スペクトル解析装置2の機能とを搭載した1つの装置とすることも可能である。
Moreover, in said embodiment, although the
本発明に係る吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラムは、物質の吸収スペクトルのベースラインを設定するための吸収スペクトル解析装置、物質の吸収スペクトルのベースライン設定方法、及びコンピュータプログラム等として有用である。 Absorption spectrum analyzer, substance absorption spectrum baseline setting method, and computer program according to the present invention include an absorption spectrum analyzer for setting a substance absorption spectrum baseline, and a substance absorption spectrum baseline setting method And as a computer program.
1 光学測定ユニット
11 短波長カットフィルタ
12 コリメータ
13 干渉フィルタ
14 エタロン
15 集光レンズ
16 検出素子
17 信号処理回路
2 吸収スペクトル解析装置
20 コンピュータ
21 本体
21a CPU
21c RAM
21d ハードディスク
22 表示部
23 入力部
24 可搬型記録媒体
24a コンピュータプログラム
DESCRIPTION OF
21c RAM
21d Hard disk 22 Display unit 23
Claims (8)
前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、
前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、
前記実測値取得手段によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第1波長・波数特定手段と、
前記第1波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、
前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第2波長・波数特定手段と、
前記第2波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、
前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第1補間ライン生成手段と、
前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第2補間ライン生成手段と、
前記第1補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第2補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段と、
を備える、
吸収スペクトル解析装置。 Based on the measured value of the absorption spectrum indicating the relationship between the wavelength or wave number and the absorbance or transmittance of the specific substance, and the theoretical value of the absorption spectrum indicating the relationship between the wavelength or wave number and the absorbance or transmittance of the specific substance An absorption spectrum analyzer for setting a baseline of an absorption spectrum of the specific substance,
Actual value acquisition means for acquiring measurement data of the absorption spectrum of the specific substance;
A theoretical value acquisition means for acquiring a theoretical value of an absorption spectrum of the specific substance;
Based on the measurement data acquired by the actual measurement value acquisition unit , a first wavelength / wave number identification unit that identifies wavelengths or wave numbers at a plurality of peaks of the actual measurement value of absorbance or transmittance;
Theoretical value specifying means for specifying the absorbance or transmittance of the theoretical value of the absorption spectrum at a plurality of wavelengths or wave numbers specified by the first wavelength / wave number specifying means;
Based on the theoretical value of the absorption spectrum acquired by the theoretical value acquiring means, second wavelength / wave number specifying means for specifying wavelengths or wave numbers at a plurality of peaks of the theoretical value of absorbance or transmittance;
Actual value specifying means for specifying the absorbance or transmittance of the actual measurement values of the absorption spectrum at a plurality of wavelengths or wave numbers specified by the second wavelength / wave number specifying means;
First interpolation line generation means for generating a theoretical value interpolation line by interpolating a plurality of theoretical values specified by the theoretical value specifying means;
Second interpolation line generation means for interpolating a plurality of actual measurement values specified by the actual measurement value specifying means to generate an actual measurement value interpolation line;
A result obtained by averaging the theoretical value interpolation line generated by the first interpolation line generation unit and the actual measurement value interpolation line generated by the second interpolation line generation unit for each wavelength or wave number is obtained as the specific value. A baseline setting means for setting as a baseline of the absorption spectrum of the substance;
Comprising
Absorption spectrum analyzer.
前記第2補間ライン生成手段は、前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を直線補間して、実測値補間ラインを生成するように構成されている、
請求項1に記載の吸収スペクトル解析装置。 The first interpolation line generation means is configured to linearly interpolate a plurality of theoretical values specified by the theoretical value specifying means to generate a theoretical value interpolation line,
The second interpolation line generation unit is configured to linearly interpolate a plurality of actual measurement values specified by the actual measurement value specifying unit to generate an actual measurement value interpolation line.
The absorption spectrum analyzer according to claim 1.
請求項1又は2に記載の吸収スペクトル解析装置。 The actual measurement value acquisition means comprises correction means for correcting the actual measurement value of the absorption spectrum with respect to the wavelength or wave number based on the wavelength or wave number at a plurality of peaks of the theoretical value of absorbance or transmittance of the specific substance, The actual value of the absorption spectrum corrected by the correcting means is configured to obtain as the measurement data,
The absorption spectrum analyzer according to claim 1 or 2.
請求項1乃至3の何れかに記載の吸収スペクトル解析装置。 The theoretical value acquisition means is configured to acquire a theoretical value of an absorption spectrum of the specific substance at a position where the measurement data acquired by the actual measurement value acquisition means is measured, temperature, and atmospheric pressure.
The absorption spectrum analyzer according to any one of claims 1 to 3.
請求項1乃至4の何れかに記載の吸収スペクトル解析装置。 The theoretical value acquisition unit is configured to acquire a theoretical value of an absorption spectrum of the specific substance in a wavelength or wave number range in the measurement data acquired by the actual measurement value acquisition unit.
The absorption spectrum analyzer according to any one of claims 1 to 4.
前記第2波長・波数特定手段は、前記第1波長・波数特定手段によって前記測定データが分割された波長又は波数についての複数の区間のそれぞれにおいて、吸光度又は透過率の理論値の1つのピークを特定し、各ピークにおける波長又は波数を特定するように構成されている、
請求項1乃至5の何れかに記載の吸収スペクトル解析装置。 The first wavelength / wave number identification unit divides the measurement data acquired by the actual measurement value acquisition unit into a plurality of sections with respect to wavelength or wave number, and in each of the divided sections, the measured values of absorbance or transmittance are measured. It is configured to identify one peak and identify the wavelength or wave number at each peak,
The second wavelength / wave number specifying means obtains one peak of a theoretical value of absorbance or transmittance in each of a plurality of sections for the wavelength or wave number obtained by dividing the measurement data by the first wavelength / wave number specifying means. Is configured to identify and identify the wavelength or wave number at each peak,
The absorption spectrum analyzer according to any one of claims 1 to 5.
前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得するステップと、
前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得するステップと、
取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定するステップと、
特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定するステップと、
取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定するステップと、
特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定するステップと、
特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成するステップと、
特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成するステップと、
生成された前記理論値補間ラインと、生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するステップと、
を有する、
吸収スペクトルのベースラインの設定方法。 Based on the measured value of the absorption spectrum indicating the relationship between the wavelength or wave number and the absorbance or transmittance of the specific substance, and the theoretical value of the absorption spectrum indicating the relationship between the wavelength or wave number and the absorbance or transmittance of the specific substance A method for setting a baseline of an absorption spectrum of the specific substance,
Obtaining measurement data of an absorption spectrum of the specific substance;
Obtaining a theoretical value of an absorption spectrum of the specific substance;
Identifying the wavelength or wave number at a plurality of peaks of the measured value of absorbance or transmittance based on the acquired measurement data; and
Identifying the absorbance or transmittance of the theoretical value of the absorption spectrum at the specified wavelengths or wave numbers;
Identifying the wavelength or wave number at a plurality of peaks of the theoretical value of absorbance or transmittance based on the obtained theoretical value of the absorption spectrum;
Identifying the absorbance or transmittance of the measured value of the absorption spectrum at the specified wavelengths or wave numbers;
Interpolating a plurality of identified theoretical values to generate a theoretical value interpolation line;
Interpolating a plurality of identified actual measurement values to generate an actual measurement value interpolation line;
Setting the result of averaging the generated theoretical value interpolation line and the generated actual measurement value interpolation line for each wavelength or wave number as a baseline of the absorption spectrum of the specific substance;
Having
How to set the baseline of absorption spectrum.
前記特定の物質の吸収スペクトルの測定データを取得する実測値取得手段と、
前記特定の物質の吸収スペクトルの理論値を取得する理論値取得手段と、
前記実測値取得手段によって取得された前記測定データに基づいて、吸光度又は透過率の実測値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第1波長・波数特定手段と、
前記第1波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの理論値の吸光度又は透過率を特定する理論値特定手段と、
前記理論値取得手段によって取得された前記吸収スペクトルの理論値に基づいて、吸光度又は透過率の理論値の複数のピークにおける波長又は波数を特定する第2波長・波数特定手段と、
前記第2波長・波数特定手段によって特定された複数の波長又は波数における前記吸収スペクトルの実測値の吸光度又は透過率を特定する実測値特定手段と、
前記理論値特定手段によって特定された複数の理論値を補間して、理論値補間ラインを生成する第1補間ライン生成手段と、
前記実測値特定手段によって特定された複数の実測値を補間して、実測値補間ラインを生成する第2補間ライン生成手段と、
前記第1補間ライン生成手段によって生成された前記理論値補間ラインと、前記第2補間ライン生成手段によって生成された前記実測値補間ラインとを、波長又は波数毎に平均した結果を、前記特定の物質の吸収スペクトルのベースラインとして設定するベースライン設定手段として、
前記コンピュータを機能させる、
コンピュータプログラム。 Based on the measured value of the absorption spectrum indicating the relationship between the wavelength or wave number and the absorbance or transmittance of the specific substance, and the theoretical value of the absorption spectrum indicating the relationship between the wavelength or wave number and the absorbance or transmittance of the specific substance A computer program for causing a computer to set a baseline of the absorption spectrum of the specific substance,
Actual value acquisition means for acquiring measurement data of the absorption spectrum of the specific substance;
A theoretical value acquisition means for acquiring a theoretical value of an absorption spectrum of the specific substance;
Based on the measurement data acquired by the actual measurement value acquisition unit , a first wavelength / wave number identification unit that identifies wavelengths or wave numbers at a plurality of peaks of the actual measurement value of absorbance or transmittance;
Theoretical value specifying means for specifying the absorbance or transmittance of the theoretical value of the absorption spectrum at a plurality of wavelengths or wave numbers specified by the first wavelength / wave number specifying means;
Based on the theoretical value of the absorption spectrum acquired by the theoretical value acquiring means, second wavelength / wave number specifying means for specifying wavelengths or wave numbers at a plurality of peaks of the theoretical value of absorbance or transmittance;
Actual value specifying means for specifying the absorbance or transmittance of the actual measurement values of the absorption spectrum at a plurality of wavelengths or wave numbers specified by the second wavelength / wave number specifying means;
First interpolation line generation means for generating a theoretical value interpolation line by interpolating a plurality of theoretical values specified by the theoretical value specifying means;
Second interpolation line generation means for interpolating a plurality of actual measurement values specified by the actual measurement value specifying means to generate an actual measurement value interpolation line;
A result obtained by averaging the theoretical value interpolation line generated by the first interpolation line generation unit and the actual measurement value interpolation line generated by the second interpolation line generation unit for each wavelength or wave number is obtained as the specific value. As a baseline setting means to set as the baseline of the absorption spectrum of a substance,
Causing the computer to function;
Computer program.
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