JP6750672B2

JP6750672B2 - ガス観測方法

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Description

本発明はガス観測方法に関するものであり、例えば、赤外線撮像装置で得た画像によりガスを検知するガス観測方法に関するものである。

近年、石油化学プラント，ガス製造工場，発電所等のようなガス消費場所において、設備の老朽化に伴うガス漏れ事故発生の危険性が高まっている。そのため、ガス漏れを察知して速やかに対処することを目的に、かかる工場等ではガス漏れが起きそうな箇所を中心にガス検知器が多数設置されている。しかしながら、ガス検知器は、その感知部分にガスが接触した時に発報するようにできているため、ガス検知器とガス検知器との間の空間に存在するガスを検知することができない。

これに対し、ガスの存在を検知する別の手法として赤外線撮像装置を用いた方法が、特許文献１，２や非特許文献１で提案されている。その方法では、背景からの主に赤外領域の光放射（あらゆる物体から放射されている黒体放射と呼ばれるもの）と、ガスの赤外領域の光吸収特性と、を利用する。つまり、ガスの存在によって、その背景からの赤外線量が変化することを利用して、ガスの存在を検知するのである。この方法によると、２次元的なガス存在領域の空間分布が画像として検知できるため、多数の検知装置がなくてもガス検知が可能であり、画像解析等の手法によって漏れ元の特定も可能である。

国際公開第２００８／１３５６５４号欧州特許出願公開第０５４４９６２号明細書

Harig, R., Matz, G., Rusch, P., Gerhard, J.-H., Schafer, K., Jahn, C., Schwengler, P., Beil, A.: "Remote Detection of Methane by Infrared Spectrometry for Airborne Pipeline Surveillance: First Results of Ground-Based Measurements", SPIE 5235, 435-446, 2004.

上述の赤外線撮像装置を用いた方法で得られる情報は、ガスの濃度と撮像装置の視線方向のガス領域の厚さとの積、すなわち濃度厚み積の空間分布である。赤外線変化量から濃度厚み積の空間分布を検出するわけであるが、非特許文献１に示されているように、赤外線変化量はガスの温度にも依存するという特徴を持っている。このため、濃度厚み積の空間分布を検出するにはガス温度の情報が必要となる。

赤外線変化量にガス温度の情報を加味して濃度厚み積を算出するには、ガス温度情報を赤外線量で取得する必要がある。具体的には、赤外線撮像装置で電磁波強度として得られる輝度データの形でガス温度情報を取得する必要がある。つまり、気温データを輝度データに変換する必要がある。一般に、気温は気温計を用いて計測され、計測された気温データを輝度データに変換するには変換式が用いられる。

しかしながら、気温計には一般的な誤差があるため、機体ごとに０．１℃〜０．５℃程度のバラツキが生じる。また、用いる赤外線撮像装置の特性バラツキも存在するため、気温データから輝度データへの変換式を使った変換工程にも誤差が生じる。このため、従来の技術では気温データを正確に輝度データに変換することができない。さらには、ガス温度を正確にとらえようとして、ガス漏洩の危険性が予測される箇所の近辺に気温計を設置する場合、設置箇所が多数になってくると、気温データの伝送のための配線や電源配線が必要になるため、敷設コストだけでなく、装置劣化や故障に対応するためのメンテナンスコストもかかってくる。

特許文献２には、気温を測定せずに濃度厚み積を測定する方法が提案されているが、この方法が適用できるのは相異なる２つの赤外輝度を持つ背景の前方に、同じ濃度厚み積を持つガスが存在した場合だけである。通常はガスの濃度厚み積分布は一様でないので、撮像装置内の視野の広い範囲にわたってこの方法を適用することはできず、相異なる２つの赤外輝度を持つ背景の境界線近傍のみに適用可能となる。このため、ガスの濃度厚み積の空間分布を正確に求めることは困難である。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、その目的は、観測対象ガスの濃度厚み積の空間分布情報を高精度に取得することの可能なガス観測方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、第１の発明のガス観測方法は、物体表面が放射又は反射する電磁波のうち、特定波長帯の電磁波に対して感度を有し、前記特定波長帯の電磁波からなる光学像を輝度情報として取得する撮像装置で、観測対象ガスとその背景の輝度情報を取得することにより、観測対象空間における前記観測対象ガスの存在を検知するガス観測方法であって、
前記背景から放射された前記特定波長帯の電磁波からなる光学像を第１輝度情報として取得する工程と、
前記背景から放射され前記観測対象ガスを通して観測された前記特定波長帯の電磁波からなる光学像を第２輝度情報として取得する工程と、
前記背景と前記撮像装置との間に、前記特定波長帯の電磁波を透過可能であり、温度が気温と同じである光学部材を配置し、前記光学部材を通さずに取得した前記光学像の輝度情報と、前記光学部材を通して取得した前記光学像の輝度情報と、を用いて、前記観測対象空間又はその近傍の気温に相当し、かつ、前記特定波長帯における黒体放射の電磁波からなる光学像を第３輝度情報として取得する工程と、
前記第１〜第３輝度情報を用いて前記観測対象ガスの濃度厚み積の空間分布情報を取得する工程と、
を有することを特徴とする。

第２の発明のガス観測方法は、上記第１の発明において、前記特定波長帯のうち前記観測対象ガスが吸収する波長帯を含まない波長域において、前記背景から放射された電磁波からなる光学像を第４輝度情報として取得し、その第４輝度情報から補正係数を算出し、その補正係数で第４輝度情報を補正することにより、前記第１輝度情報を取得することを特徴とする。

第３の発明のガス観測方法は、上記第１又は第２の発明において、前記第３輝度情報の取得に用いられる輝度情報が両方とも、前記背景における前記特定波長帯の電磁波の輝度が同じ測定点か又は互いに異なる少なくとも２つの測定点について取得したものであることを特徴とする。

本発明によれば、気温計を介さないため、気温計の機体差やデータ変換工程の誤差に起因する気温情報の誤差が生じない。したがって、気温データを高精度に輝度データとして取得することができるため、観測対象ガスの濃度厚み積の空間分布情報を高精度に取得することが可能である。

ガス観測方法の実施の形態における観測手順例１を示すフローチャート。ガス観測方法の実施の形態における観測手順例２を示すフローチャート。ガス観測方法の実施の形態における観測手順例３を示すフローチャート。ガス観測方法の実施の形態における観測手順例４を示すフローチャート。ガス観測方法の実施の形態における観測手順例５を示すフローチャート。ガス観測方法を実施するための撮像装置の概略構成例を示す模式図。ガス観測方法の実施の形態における工程１の具体例１をフレームの画像変化で示す説明図。ガス観測方法の実施の形態における工程１の具体例１を制御動作で示すフローチャート。ガス観測方法の実施の形態における工程１の具体例２をフレームの輝度変化で示す説明図。ガス観測方法の実施の形態における工程１の具体例３に用いる光学フィルター及び撮像装置を示す概略断面図。ガス観測方法の実施の形態における工程３の具体例１に用いる光学部材、背景及びその上の輝度測定点を、撮像装置側から見た状態で示す平面図。ガス観測方法の実施の形態における工程３の具体例２に用いる光学部材、背景及びその上の輝度測定点を、撮像装置側から見た状態で示す平面図。ガス観測方法の実施の形態における工程３に用いる光学部材の配置例１を撮像画面で示す図。ガス観測方法の実施の形態における工程３に用いる光学部材の配置例２を撮像画面で示す図。ガス観測方法の実施の形態における工程３に用いる光学部材の配置例３を撮像画面で示す図。

以下、本発明を実施したガス観測方法等を、図面を参照しつつ説明する。なお、各実施の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。

図１〜図５のフローチャートに、ガス観測方法の実施の形態における観測手順例１〜５を示す。観測手順例１〜５は、３つの工程１〜３（＃１０〜＃３０）と、観測対象ガスの濃度厚み積（ガス濃度とガス領域の観測方向厚さとの積）の空間分布像を形成する工程（＃４０）と、情報処理，警報発報等を行う工程（＃５０）と、を有しており、観測終了の判定（＃６０）を経て、観測を終了するものである。これらのガス観測方法では、観測対象ガスとその背景の輝度情報を撮像装置で取得することにより、観測対象空間における観測対象ガスの存在を検知する。つまり、撮像装置を用いて観測対象空間を撮像し、観測対象空間に存在するガスの濃度厚み積の空間分布情報を取得する。

図６に、ガス観測方法の実施の形態に用いる撮像装置ＤＵの概略構成例を示す。この撮像装置ＤＵは、絶対温度が零度以上の物体表面が放射又は反射する電磁波のうち、特定波長帯の電磁波に対して感度を有し、特定波長帯の電磁波からなる光学像を輝度情報として取得するものである。上記特定波長帯の電磁波として代表的なものは赤外線であり、撮像装置ＤＵの具体例としては赤外線撮像装置（つまり、赤外線波長域に感度を持つ赤外線カメラ）が挙げられる。

より具体的には、波長１〜１６μｍの波長帯の少なくとも一部の波長を検知できる赤外線撮像装置が挙げられ、例えば、８〜１６μｍを検知する非冷却型遠赤外線撮像装置、３〜５μｍを検知する冷却型中赤外線撮像装置等が挙げられる。つまり、漏洩検知する観測対象ガスの吸収特性に合わせて特定波長域を設定し、その特定波長域において検知感度がある撮像装置ＤＵを選択すればよい。例えば炭化水素系のガスを観測対象ガスＧＳとする場合は、３〜４μｍに存在するガスの光吸収帯を利用するため、この波長帯に感度がある撮像装置ＤＵを選定する。

撮像装置ＤＵの前方に位置する観測対象空間には、ガス漏れが生じた場合に観測対象ガスＧＳが位置することになる。また、背景ＨＳと撮像装置ＤＵとの間には、観測対象空間の近傍において撮像装置ＤＵの視野内に入る箇所に、気温測定用の光学部材ＯＥが配置されている。この光学部材ＯＥは、温度が気温と同じであり、特定波長帯の電磁波を透過可能であり（つまり、特定波長帯の電磁波に対する透過率が０％より大きく１００％より小さい光学特性を有する。）、観測対象空間又はその近傍の気温に相当する輝度情報を取得する際に用いられる（＃３０，第３輝度情報を取得する際の工程３）。

光学部材ＯＥの例としては、ガラス板，プラスチック板等の電磁波吸収素材が挙げられる。光学部材ＯＥの特定波長帯の電磁波に対する透過率は、０％より大きく１００％より小さければよく、特定波長帯の電磁波に対する透過率が例えば５０％であることが好ましい。つまり、光学部材ＯＥとして、特定波長帯の電磁波に対する透過率（例えば、赤外線透過率）が５０％の半透明板を用いることが好ましい。また、光学部材ＯＥの表面での反射を少なくするために、観測波長よりも小さな凹凸を表面に設けたり無反射コートを施したりすることが好ましい。

撮像装置ＤＵは、物体表面の静止画撮影や動画撮影のために、光学像を光学的に取り込んで電気的な信号として出力するレンズユニットＬＵを備えている。レンズユニットＬＵは、物体（すなわち被写体）側から順に、物体の光学像（すなわち被写体像）を形成する撮像レンズＬＮ（ＡＸ：光軸）と、その撮像レンズＬＮにより形成された光学像を電気的な信号に変換する撮像センサーＳＲと、を備えている。

撮像装置ＤＵは、レンズユニットＬＵの他に、信号処理部１，演算制御部２，メモリー３，操作部４，表示部５等を備えている。撮像センサーＳＲで生成した信号は、信号処理部１で所定のデジタル画像処理や画像圧縮処理等が必要に応じて施され、デジタル映像信号としてメモリー３（半導体メモリー，光ディスク等）に記録されたり、ケーブルを介したり赤外線信号等に変換されたりして、通信機能により他の機器に伝送される。演算制御部２はマイクロコンピューターからなっており、輝度情報処理機能，撮影機能，画像再生機能等の機能の制御；撮像レンズＬＮ，光学フィルターＯＦ（図１０）等の移動機構の制御等を集中的に行う。表示部５は液晶モニター等のディスプレイを含む部分であり、撮像センサーＳＲによって変換された画像信号や記録画像情報を用いて画像表示を行う。操作部４は、操作ボタン等の操作部材を含む部分であり、操作者が操作入力した情報を演算制御部２に伝達する。

観測手順例１（図１）では、まず工程１（＃１０）で、観測対象空間の背景ＨＳの電磁波輝度を撮像装置ＤＵで撮像して、２次元的な輝度情報を取得する。つまり、背景ＨＳから放射された特定波長帯の電磁波からなる光学像を第１輝度情報として取得する。工程２（＃２０）では、観測対象空間内に存在する観測対象ガスＧＳを通した、背景ＨＳの電磁波輝度を撮像装置ＤＵで撮像し、２次元的な輝度情報を取得する。つまり、背景ＨＳから放射され観測対象ガスＧＳを通して観測された特定波長帯の電磁波からなる光学像を第２輝度情報として取得する。工程３（＃３０）では、気温相当黒体放射電磁波輝度を撮像装置ＤＵで取得する。つまり、観測対象ガスＧＳが存在する観測対象空間又はその近傍の気温に相当し、かつ、特定波長帯における黒体放射の電磁波からなる光学像を第３輝度情報として取得する。

上記観測手順例１の工程１〜３（＃１０〜＃３０）は、必ずしもこの順序で行わなくても構わず、同時に行ってもよい。工程１〜３の後、上記第１〜第３輝度情報を用いて観測対象ガスＧＳの濃度厚み積の空間分布情報を取得し（＃４０）、情報処理，警報発報等を行い（＃５０）、観測終了の判定（＃６０）を経て観測を終了する。観測対象ガスＧＳの濃度厚み積の空間分布情報としては、例えば濃淡のグラデーションからなる空間分布画像等が挙げられ、作成された空間分布画像等の画像処理によりガス漏れと判断したら、警報等により知らせる。

観測手順例２（図２）では、工程１（＃１０）と工程３（＃３０）を同時に行うこと以外は、観測手順例１（図１）と同じ処理を行う。なお、観測手順例２では工程１と工程３の後に工程２を行う順序となっているが、工程２を先に行っても構わない。

観測手順例３（図３）では、工程２（＃２０）と工程３（＃３０）を同時に行うこと以外は、観測手順例１（図１）と同じ処理を行う。なお、観測手順例３では工程２と工程３の前に工程１を行う順序となっているが、工程１を後に行っても構わない。

観測手順例４（図４）では、撮像装置ＤＵに相当する２台の撮像装置Ｄ１，Ｄ２を用意して、撮像装置Ｄ１で工程１（＃１０）を行い、撮像装置Ｄ２で工程２（＃２０）を行う。２台の撮像装置Ｄ１，Ｄ２を用いる代わりに、レンズユニットＬＵのみを２台用いて他の構成部を共用してもよい。なお、観測手順例４では工程１と工程２を同時に行っているが、時系列的に行ってもよく、工程１，工程２の順序で行ってもよいし、工程２，工程１の順序で行ってもよい。また、工程３は撮像装置Ｄ１又はＤ２を用いて行うが、工程３を工程１，工程２よりも前に行ってもよい。

観測手順例５（図５）では、観測手順例４（図４）と同様、撮像装置ＤＵに相当する２台の撮像装置Ｄ１，Ｄ２を用意して、撮像装置Ｄ１で工程１（＃１０）を行い、撮像装置Ｄ２で工程２（＃２０）を行い、工程１，工程２と同時に工程３（＃３０）を行う。そして、工程３は撮像装置Ｄ１又はＤ２を用いて行う。なお、２台の撮像装置Ｄ１，Ｄ２を用いる代わりに、レンズユニットＬＵのみを２台用いて他の構成部を共用してもよい。

観測手順例１〜５における工程１（＃１０）の具体例１を、図７にフレームＦＲの画像変化で示し（フレームＦＲと時刻ｔとの関係）、図８に制御動作で示す（工程１のフローチャート）。撮像装置ＤＵで観測対象空間の撮像を行い、撮像装置ＤＵで撮像された２次元輝度データを処理した結果、観測対象ガスＧＳの存在が確認されたら（＃１１０）、ガス存在検知フレームＦ１から撮像データのフレームＦＲをさかのぼって観測対象ガスＧＳの存在が確認されない（観測対象ガスＧＳが写っていない）直近のフレームＦ０を探す（＃１２０）。そして、そのフレームＦ０の輝度データを、背景ＨＳの電磁波輝度（第１輝度情報）とする（＃１３０）。

観測手順例１〜５における工程１（＃１０）の具体例２を、図９にフレームＦａ，Ｆｂの輝度変化で示す。ここでは、２次元座標（Ｘ，Ｙ）からなるフレームＦａ，Ｆｂにおいて、注目画素ＰＸを通るＸ断面をグラフの輝度値で示している。フレームＦａは注目画素ＰＸにおいて観測対象ガスＧＳが撮像されているフレームであり、フレームＦｂは注目画素ＰＸにおいて観測対象ガスＧＳが瞬間的になくなるフレームである。

この具体例２では、撮像装置ＤＵで観測対象空間の撮像を行い、撮像装置ＤＵで撮像された２次元輝度データを処理して、観測対象ガスＧＳが撮像されているフレームＦａを探す。その結果、観測対象ガスＧＳの存在が確認されたら、撮像データのフレーム間の輝度変化を元にして撮像データの画素毎に、観測対象ガスＧＳが瞬間的になくなるフレームＦｂを探す。そのフレームＦｂの輝度データを、その注目画素ＰＸの背景ＨＳの電磁波輝度とする。これを画素毎に求めて、そのフレームＦｂの輝度データを、背景ＨＳの電磁波輝度（第１輝度情報）とする。

図１０に、観測手順例１〜５における工程１（＃１０）の具体例３に用いる光学フィルターＯＦ，撮像装置ＤＵ等を示す。撮像装置ＤＵの前方には、漏えい危険性のある観測対象ガスＧＳには吸収されない波長帯の電磁波のみを透過させる光学フィルターＯＦが挿抜可能に設けられている。そして、撮像装置ＤＵの視野外への光学フィルターＯＦの退避と、撮像装置ＤＵの視野内への光学フィルターＯＦの挿入と、の切り替えを行うために、挿抜機構１０が設けられている。

挿抜機構１０により、撮像装置ＤＵの視野外へ光学フィルターＯＦを退避させると、光学フィルターＯＦは撮像装置ＤＵの視野から完全に外れるため、光学フィルターＯＦを通さずに光学像の輝度情報を取得することができ、撮像装置ＤＵの視野内に光学フィルターＯＦを挿入すると、光学フィルターＯＦは撮像装置ＤＵの視野を完全に覆うため、光学フィルターＯＦを通して光学像の輝度情報（第４輝度情報）を取得することができる。挿抜機構１０の例としては、光学フィルターＯＦを直線状に移動させるものが挙げられる。また、回動部材に光学フィルターＯＦを配置し、回動部材を回転させることにより、光学フィルターＯＦを撮像装置ＤＵの視野に入れたり視野から外したりするものが挙げられる。

光学フィルターＯＦを撮像装置ＤＵの視野内に挿入し、光学フィルターＯＦを通して観測対象空間の背景ＨＳを撮像することで、背景ＨＳの輝度情報を取得する。つまり、特定波長帯のうち観測対象ガスＧＳが吸収する波長帯を含まない波長域において、背景ＨＳから放射された電磁波からなる光学像を第４輝度情報として取得する。なお、この具体例３で得られる第４輝度情報は、工程２（＃２０）において得られる第２輝度情報とは取得波長が異なっているため、輝度データの補正が必要になる。具体的には、以下のようにして補正を行う。

光学フィルターＯＦの透過波長域の波長範囲をλ_f1，λ_f2で表し、透過率をτ（λ）とする。また、特定波長域の波長範囲をλ₁，λ₂で表す。背景ＨＳの温度Ｔに対して、黒体放射輝度関数をＢ（Ｔ，λ）とし、工程２（＃２０）において光学フィルターＯＦを通さずに撮像装置ＤＵで得られる輝度をＩ_Pとし、工程１（＃１０）の具体例３（図１０）において、光学フィルターＯＦを通して撮像装置ＤＵで得られる輝度をＩ_fとする。

上記輝度データの補正とは、両者の比である補正係数ｋ（＝Ｉ_p／Ｉ_f）を輝度Ｉ_fに乗ずることを意味する。ここで、輝度Ｉ_p，Ｉ_fは以下の式（Ｅ１），（Ｅ２）でそれぞれ表されるので、両者の比である補正係数ｋは以下の式（Ｅ３）に示すようになる。Ｆ（Ｔ），Ｇ（Ｔ）ともに背景温度Ｔに関する関数で表現されているので、以下の式（Ｅ４）に示すように、補正係数ｋを輝度Ｉ_fの関数として表すことができる。その補正係数ｋで輝度Ｉ_fを補正すること（補正係数ｋをＩ_fに乗ずる補正）により、背景ＨＳの電磁波輝度（第１輝度情報）を取得することができる。

工程２（＃２０）では、撮像装置ＤＵで観測対象空間を撮像することにより、背景ＨＳから放射され観測対象空間内に存在する観測対象ガスＧＳを通して観測された特定波長帯の電磁波からなる光学像を、２次元的な第２輝度情報として取得する。

物体表面から絶対温度に応じた強度で放射される赤外線等の電磁波を検知して可視化する場合、前述したように物体表面の温度変化に気温が大きな影響を与えるため、正確な気温情報の測定が必要になる。そこで、工程３（＃３０）では、撮像装置ＤＵが、光学部材ＯＥを通さずに取得した光学像の輝度情報と、光学部材ＯＥを通して取得した光学像の輝度情報と、を用いて、観測対象空間又はその近傍の気温に相当する黒体放射輝度（第３輝度情報）を算出する。なお、光学部材ＯＥの温度は気温の測定に大きく影響するため、気温になじんだ状態の光学部材ＯＥを使用するのが好ましい。例えば、測定開始後、所定の時間が経過するまで待機したり、光学部材ＯＥの温度の経時変化が許容範囲内（温度変化ゼロ近傍）に収まるまで待機したりすることにより、光学部材ＯＥの温度が気温と同じになるようにするのが好ましい。

図１１に、工程３（＃３０）の具体例１に用いる光学部材ＯＥ、背景ＨＳ及びその上の輝度測定点Ｐ１，Ｐ２を、撮像装置ＤＵ側から見た状態で示す。光学部材ＯＥは、前述したように、特定波長域において電磁波透過率が０％より大きく１００％より小さい光学特性を有しており、撮像装置ＤＵの視野の一部を覆うように、観測対象空間の近傍であって撮像装置ＤＵの視野内に入る箇所に設置される。

そして、撮像装置ＤＵの視野内における光学部材ＯＥの外周近傍において、光学部材ＯＥが背景ＨＳに重なっていない測定点Ｐ１と光学部材ＯＥが背景ＨＳに重なっている測定点Ｐ２とを選び、測定点Ｐ１で得られた輝度値をＩ₁、測定点Ｐ２で得られた輝度値をＩ₂とし、測定点Ｐ１，Ｐ２での輝度情報Ｉ₁，Ｉ₂の取得を行う。なお、黒体放射輝度の算出に用いられる輝度情報が両方とも、背景ＨＳにおける特定波長帯の電磁波の輝度が同じ測定点について取得したものであるのが好ましいので、測定点Ｐ１と測定点Ｐ２とが近くに位置するように設定するのが好ましい。

光学部材ＯＥの透過率をτとし、気温相当の黒体放射輝度をＩ_airとすると、
（Ｉ₁−Ｉ_air）・τ＝Ｉ₂−Ｉ_air
が成り立つ。
Ｉ_air−Ｉ_air・τ＝Ｉ₂−Ｉ₁・τ
Ｉ_air（１−τ）＝Ｉ₂−Ｉ₁・τ
となるので、以下の式（Ｅ５）が得られる。
Ｉ_air＝（Ｉ₂−Ｉ₁・τ）／（１−τ） …（Ｅ５）
上記式（Ｅ５）に従って、気温相当の黒体放射輝度Ｉ_airを算出する。

図１２に、工程３（＃３０）の具体例２に用いる光学部材ＯＥ、背景ＨＳ及びその上の輝度測定点Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ２Ａ，Ｐ２Ｂを、撮像装置ＤＵ側から見た状態で示す。光学部材ＯＥは、前述したように、特定波長域において電磁波透過率が０％より大きく１００％より小さい光学特性を有しており、撮像装置ＤＵの視野の一部を覆うように、観測対象空間の近傍であって撮像装置ＤＵの視野内に入る箇所であり、かつ、相異なる輝度を持つ背景ＨＳの前方に設置される。

図１２に示すように、背景ＨＳにおいて相異なる放射輝度の領域をＲＡ，ＲＢとする。そして、撮像装置ＤＵの視野内における光学部材ＯＥの外周近傍において、光学部材ＯＥが背景ＨＳに重なっておらずかつ領域ＲＡ内の測定点Ｐ１Ａと、光学部材ＯＥが背景ＨＳに重なっておりかつ領域ＲＡ内の測定点Ｐ２Ａと、光学部材ＯＥが背景ＨＳに重なっておらずかつ領域ＲＢ内の測定点Ｐ１Ｂと、光学部材ＯＥが背景ＨＳに重なっておりかつ領域ＲＢ内の測定点Ｐ２Ｂと、を選び、測定点Ｐ１Ａで得られた輝度値をＩ_1A、測定点Ｐ２Ａで得られた輝度値をＩ_2A、測定点Ｐ１Ｂで得られた輝度値をＩ_1B、測定点Ｐ２Ｂで得られた輝度値をＩ_2Bとし、測定点Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ２Ａ，Ｐ２Ｂでの輝度情報Ｉ_1A，Ｉ_2A，Ｉ_1B，Ｉ_2Bの取得を行う。なお、黒体放射輝度の算出に用いられる輝度情報が両方とも、背景ＨＳにおける特定波長帯の電磁波の輝度が互いに異なる少なくとも２つの測定点について取得したものであればよい。したがって、測定点Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ２Ａ，Ｐ２Ｂが互いに近くに位置するように設定するのが好ましい。

前記式（Ｅ５）と同様に、輝度値の関係から以下の式（Ｅ６）が得られる。
Ｉ_air＝（Ｉ_1A・Ｉ_2B−Ｉ_2A・Ｉ_1B）／｛（Ｉ_1A−Ｉ_2A）−（Ｉ_1B−Ｉ_2B）｝ …（Ｅ６）
上記の式（Ｅ６）に従って、気温相当の黒体放射輝度Ｉ_airを算出する。なお、２種類の放射輝度の領域ＲＡ，ＲＢに対して光学部材ＯＥの有無があることから、得られる４点情報により透過率τの項は消えることになる。

図１３〜図１５に、工程３（＃３０）に用いる光学部材ＯＥの配置例１〜３を撮像画面（例えば、工場，プラント等の監視対象となる風景）で示す。光学部材ＯＥは、前述したように、特定波長域において電磁波透過率が０％より大きく１００％より小さい光学特性を有しており、撮像装置ＤＵの視野の一部を覆うように、観測対象空間又はその近傍であって撮像装置ＤＵの視野内に入る箇所に設置される。

配置例１（図１３）では、光学部材ＯＥが視野の片隅に入るように設置されているため、観測対象空間を邪魔することなく、観測対象空間又はその近傍の気温に相当する輝度情報の測定が可能である。したがって、撮像装置ＤＵの視野内の全領域にわたって観測対象ガスＧＳの濃度厚み積の空間分布を高い精度で求めることができる。

また配置例１では、観測対象空間を構成する背景ＨＳの下方に光学部材ＯＥが配置されている。光学部材ＯＥに観測対象ガスＧＳがかかると、気温相当の黒体放射輝度の測定に誤差が生じるおそれがある。そのため、漏洩可能性のある観測対象ガスＧＳの空気に対する比重が軽い場合、配置例１のように、漏洩の危険性のある箇所よりも下方に光学部材ＯＥを設置するのが好ましい。逆に、漏洩可能性のある観測対象ガスＧＳの空気に対する比重が重い場合、漏洩の危険性のある箇所よりも上方に光学部材ＯＥを設置するのが好ましい。このように観測対象ガスＧＳの比重に応じて光学部材ＯＥの配置を工夫すれば、光学部材ＯＥに観測対象ガスＧＳがかかってしまう可能性を減らすことができる。したがって、気温相当の黒体放射輝度の正確な測定が可能となるため、ガス濃度厚み積空間分布の算出精度を高めることができる。

配置例２（図１４）では、光学部材ＯＥの後方に背景ＨＳの一部として、赤外放射輝度が制御された背景部材ＨＥが配置されている。背景部材ＨＥとしては、例えば、表面放射率が約１００％（１００％未満）であって温度制御された電磁波放射部材が用いられる。背景部材ＨＥを構成する素材の性質を利用したり、凹凸表面の形成，塗料の吹き付け（例えば、黒体スプレー）等の表面処理を背景部材ＨＥに施すことにより、表面放射率を約１００％に調整することが可能である。なお、周囲から入射する電磁波の反射量が増えると表面放射率は１００％より小さくなるが、表面放射率１００％では周囲から電磁波が入射しても反射しない状態になる。

背景ＨＳを構成する背景部材ＨＥの温度制御（例えば、ペルチェ素子を用いた温度制御）を行うことにより、放射輝度を安定化することができる。つまり、背景放射輝度の経時変化を抑えることが可能である。したがって、上記背景部材ＨＥを用いれば、気温相当の黒体放射輝度の正確な測定が可能となるため、ガス濃度厚み積空間分布の算出精度を高めることができる。また、配置する背景部材ＨＥとして、相異なる赤外放射輝度を有する少なくとも２つの領域ＲＡ，ＲＢ（図１２）からなるものを用いてもよい。例えば、２種類以上の電磁波放射部材からなる背景部材ＨＥで背景ＨＳを構成すれば、光学部材ＯＥの透過率τを予め知る必要がないため（式（Ｅ６））、光学部材ＯＥの経年劣化や汚損による透過率変動があっても精度良く測定することが可能である。

配置例３（図１５）では、観測対象空間を構成する背景ＨＳの四隅に光学部材ＯＥが配置されている。前述したように、光学部材ＯＥに観測対象ガスＧＳがかかると、気温相当の黒体放射輝度の測定に誤差が生じるおそれがある。光学部材ＯＥの設置箇所が、配置例３のように視野内の複数の箇所に設定されていれば、すべての光学部材ＯＥに観測対象ガスＧＳがかかってしまう可能性を減らすことができる。したがって、少なくとも１箇所では気温相当の黒体放射輝度の正確な測定が可能となるため、ガス濃度厚み積空間分布の算出精度を高めることができる。

工程（＃４０）では、上述のようにして得られた第１〜第３輝度情報を用いて、観測対象ガスＧＳの濃度厚み積の空間分布情報を取得する。以下に濃度厚み積の計算方法を説明する。

漏洩ガスの温度は漏洩直後から気温になじみ、気温とほぼ同一になると考えられるので、気温相当の黒体放射輝度Ｉ_airをガス温度相当の黒体放射電磁波輝度Ｉ_airと読み替えることができる。このとき、以下の式（Ｅ７）に従って、まずはガス透過率τ_gasを計算する。
τ_gas＝１−（Ｉ_1i−Ｉ_2i）／（Ｉ_1i−Ｉ_air） …（Ｅ７）
ただし、
τ_gas：ガス透過率、
Ｉ_1i：撮像装置ＤＵにより工程１で得られた背景ＨＳの電磁波輝度（第１輝度情報）、
Ｉ_2i：撮像装置ＤＵにより工程２で得られた電磁波輝度（第２輝度情報）、
Ｉ_air：撮像装置ＤＵにより工程３で得られた気温相当の黒体放射電磁波輝度（第３輝度情報）、
である。

ガス透過率τ_gasはガス濃度厚み積の関数であり、一般的には以下の式（Ｅ８）で表される。ただし、λ₁，λ₂で特定波長域の波長範囲を表し、α（λ）はガスの電磁波吸収係数であり、ｃｔは濃度厚み積である。

この関数の逆関数を用いることで、濃度厚み積ｃｔを求めることができる。逆関数を求めるのが難しい場合は、あらかじめ濃度厚み積ｃｔとガス透過率τ_gasの関係数表を作っておいて、補間近似でガス透過率τ_gasから濃度厚み積ｃｔを求めるようにするのが好ましい。そして、上記濃度厚み積ｃｔの算出を撮像装置ＤＵで得られた２次元データの全画素に対して実行することで、濃度厚み積ｃｔの空間分布情報を取得することができる。

上述したガス観測方法の実施の形態によれば、物体表面からの輝度情報と気温情報を利用して観測対象ガスＧＳの存在を検知する際、特定波長帯の電磁波からなる光学像を輝度情報として取得する撮像装置ＤＵを用いて、ガス漏洩の観測対象空間の撮像とともに気温情報を得るようになっているため、気温計の出力を輝度に変換する工程は不要となる。気温計を介さないため、気温計の機体差やデータ変換工程の誤差に起因する気温情報の誤差が生じない。したがって、気温データを高精度に輝度データとして取得することができるため、観測対象ガスＧＳの濃度厚み積の空間分布情報を高精度に取得することが可能である。さらに、気温になじんだ光学部材ＯＥを通して観測対象空間を撮像装置ＤＵで観測し演算することで、より簡単に気温データを直接輝度データとして取得することが可能となる。

少なくとも光学部材ＯＥを設けるだけで済み、データ伝送のための配線等が不要なので、設置箇所に自由度があり、敷設コストだけでなく、装置劣化や故障に対応するためのメンテナンスコストも抑えることができる。また、濃度厚み積の算出箇所に限定を受けず、撮像している視野のあらゆる箇所について濃度厚み積の空間分布を算出することが可能となり、観察対象空間におけるガス漏洩量の規模を簡単に把握することが可能となる。

ＤＵ撮像装置
ＬＵレンズユニット
ＬＮ撮像レンズ
ＳＲ撮像センサー
ＯＥ光学部材
ＯＦ光学フィルター
ＧＳ観測対象ガス
ＨＳ背景
ＨＥ背景部材
ＡＸ光軸
ＦＲ，Ｆ０，Ｆ１，Ｆａ，Ｆｂフレーム
ＰＸ注目画素
Ｐ１，Ｐ２，Ｐ１Ａ，Ｐ１Ｂ，Ｐ２Ａ，Ｐ２Ｂ測定点
ＲＡ，ＲＢ領域
１信号処理部
２演算制御部
３メモリー
４操作部
５表示部
１０挿抜機構

Claims

物体表面が放射又は反射する電磁波のうち、特定波長帯の電磁波に対して感度を有し、前記特定波長帯の電磁波からなる光学像を輝度情報として取得する撮像装置で、観測対象ガスとその背景の輝度情報を取得することにより、観測対象空間における前記観測対象ガスの存在を検知するガス観測方法であって、
前記背景から放射された前記特定波長帯の電磁波からなる光学像を第１輝度情報として取得する工程と、
前記背景から放射され前記観測対象ガスを通して観測された前記特定波長帯の電磁波からなる光学像を第２輝度情報として取得する工程と、
前記背景と前記撮像装置との間に、前記特定波長帯の電磁波を透過可能であり、温度が気温と同じである光学部材を配置し、前記光学部材を通さずに取得した前記光学像の輝度情報と、前記光学部材を通して取得した前記光学像の輝度情報と、を用いて、前記観測対象空間又はその近傍の気温に相当し、かつ、前記特定波長帯における黒体放射の電磁波からなる光学像を第３輝度情報として取得する工程と、
前記第１〜第３輝度情報を用いて前記観測対象ガスの濃度厚み積の空間分布情報を取得する工程と、
を有することを特徴とするガス観測方法。
前記特定波長帯のうち前記観測対象ガスが吸収する波長帯を含まない波長域において、前記背景から放射された電磁波からなる光学像を第４輝度情報として取得し、その第４輝度情報から補正係数を算出し、その補正係数で第４輝度情報を補正することにより、前記第１輝度情報を取得することを特徴とする請求項１記載のガス観測方法。
前記第３輝度情報の取得に用いられる輝度情報が両方とも、前記背景における前記特定波長帯の電磁波の輝度が同じ測定点か又は互いに異なる少なくとも２つの測定点について取得したものであることを特徴とする請求項１又は２記載のガス観測方法。