JP6780651B2 - ガス検知システム - Google Patents

Description

本発明は、ガス検知システムに関し、特に、多くの地点においてガスを光学的に検出するためのガス検知システムに関する。

近年、石炭や石油と比較して地球温暖化の要因となる二酸化炭素排出量が少ない天然ガスが注目され、各国の天然ガス消費量が増加している。これに伴い、天然ガスの配送網におけるガスの漏洩を検知するための、ガス検知システムの重要性が高まっている。

天然ガスの主成分はメタン分子（ＣＨ_４）である。メタン分子（以下、単に「メタン」と記載する。）の検出に、半導体センサが使用される場合がある。半導体センサは、金属酸化物半導体が検出対象のガスと接触したときに生じる抵抗値の変化をガス濃度として検知する。しかし、半導体センサを用いる際にはセンサの電極を加熱する必要があるため、センサを防爆構造とする必要がある。また、半導体センサの寿命は一般的に数か月程度であるため、センサの校正や交換といった保守作業も必要である。その結果、半導体センサを用いたガス検知システムには、システムの構築コストが高いことに加えて運用コストが高いという課題がある。

半導体センサを用いる方式の代替として、ガスの光吸収を利用するガス検知装置が知られている。特許文献１に記載されたガス検知装置は、光源（パルス光発生装置）から送出されたパルス光を分岐して、複数の地点のガスの検知を可能とする。また、非特許文献１には、光ＳＳＢ（single side band）変調器に入力される光信号のキャリア周波数を一定の周波数だけシフトさせる、波長変換技術が記載されている。さらに、特許文献２には、少ない光ファイバで多個所のガス濃度測定を行うための多点ガス濃度測定装置が記載されている。

特開平９−０４３１４１号公報 特開平６−１４８０７１号公報

下津他、「光ＳＳＢ変調器による広帯域波長変換」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３−７３、日本（２０００年）

特許文献１に記載されたガス検知装置は、スペクトル幅の広い光信号を用いてガスの吸収を測定するために、高出力かつスペクトルの広いパルス光を発生させる光源を必要とする。しかしながら、スペクトルの広いパルス光が光ファイバ中を伝搬すると、波長分散によってパルス幅が広がり、複数の測定点からの戻り光パルスがガス検知装置に戻ってきた際に時間的に重なりガス濃度の測定が行えなくなる。また、特許文献１に記載されたガス検知装置は、ガス分子の吸収を受ける波長成分と受けない波長成分を切り分けるために、受信側に波長選択分離器及びパルス光遅延器を備える。その結果、受信側の光回路も複雑なものとなる。このように、特許文献１に記載されたガス検知装置は、構成が複雑でコストが高いという課題がある。
特許文献２に記載された多点ガス濃度測定装置は、１本の光ファイバを複数の分岐結合手段で分岐する構成を備える。特許文献２に記載された装置では、複数の測定点からの反射光が受信時に重なり合わないように、パルス状の光信号が用いられる。しかしながら、特許文献２に記載された装置には、測定点間の距離を小さくできないという課題がある。その理由は以下の通りである。特許文献２に記載された装置は、波長変調を行うために光源（レーザ）の駆動電流あるいは温度を変化させる。メタンの吸収スペクトルをカバーするためには波長を５ＧＨｚ程度変化させる必要がある。そして、レーザの駆動電流を変化させることによってこの波長変化を得るためには数μｓ（マイクロ秒）の時間を要する。その結果、ガスセルへ送出されるパルス光は数μｓ以上の幅を持つ。しかし、この幅は光ファイバ上で数ｋｍの伝搬距離に相当するため、特許文献２に記載された装置は、受信時に反射光が重ならないためには測定点の各々の間の距離を数ｋｍ以上離す必要がある。すなわち、特許文献２に記載された装置では、距離分解能の高い多地点ガス濃度監視システムを実現できない。
特許文献２に記載された装置において、光分岐合流手段の間に光ファイバをスプールして配置することで、測定点間の距離を拡大できる。しかしながら、この場合、スプールされた光ファイバによる伝搬ロスによってガス濃度を監視可能な距離が大きく制限される。例えば、メタン分子の吸収スペクトルが存在する１．６５μｍにおけるシングルモードファイバ（Single Mode Fiber、ＳＭＦ）の伝搬ロスは約０．４ｄＢ／ｋｍである。従って、各測定地点間に１ｋｍのスプール用の光ファイバを配置すると、測定点を２５個所持つシステムでは、往復で最大２０ｄＢの過剰な損失が発生する。その結果、ガスの検知精度が著しく劣化するとともに、伝搬距離の延伸や測定点の増加が大きく制限される。

（発明の目的）
本発明の目的は、距離分解能が高く、簡単な構成で低コストに多地点のガス検知を行うための技術を提供することにある。

本発明のガス検知システムは、光波長変調器によって波長が時間的に変調されたパルス光を第１の光信号として伝送路に出力する送信手段と、前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第１の光信号を第２の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、前記第２の光信号を受光して電気信号に変換し、前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し、前記ガスの検知の結果を出力する受信手段と、前記伝送路を分岐するとともに、分岐された前記伝送路を介して前記送信手段と前記センサヘッドとを接続し、さらに、分岐された前記伝送路を介して前記センサヘッドと前記受信手段とを接続する分岐手段と、を備える。

本発明のガス検知装置は、波長が時間的に変化するパルス光を第１の光信号として伝送路に出力する送信手段と、大気中を伝搬させた前記第１の光信号を第２の光信号として出力するセンサヘッドから出力された前記第２の光信号を受光して電気信号に変換し、前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し、前記ガスの検知の結果を出力する受信手段と、を備える。

本発明のガス検知方法は、波長が時間的に変化するパルス光を第１の光信号として伝送路に出力し、大気中を伝搬させた前記第１の光信号を第２の光信号として出力するセンサヘッドから出力された前記第２の光信号を受光して電気信号に変換し、前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し、前記ガスの検知の結果を出力する、ことを特徴とする。

本発明のガス検知システム、ガス検知装置及びガス検知方法は、距離分解能が高く、簡単な構成で低コストに多地点のガス検知を行うことを可能とする。

第１の実施形態のガス検知システムの構成例を表すブロック図である。 光波長変調器の構成例を示すブロック図である。 制御装置における光信号の生成例を説明する図である。 第１の実施形態において、ガス漏洩がない場合の、フォトダイオードで受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。 第１の実施形態において、ガス漏洩がある場合の、フォトダイオードで受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。 第２の実施形態のガス検知システムの構成例を表すブロック図である。 第２の実施形態において、ガス漏洩がない場合の、フォトダイオードで受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。 第２の実施形態において、ガス漏洩がある場合の、フォトダイオードで受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。 第３の実施形態のガス検知システムの構成例を表すブロック図である。 第３の実施形態において、ガス漏洩がない場合の、フォトダイオードで受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。 第３の実施形態において、ガス漏洩がある場合の、フォトダイオードで受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。 第３の実施形態の第２の変形例のガス検知システムの構成例を示すブロック図である。 第３の実施形態の第２の変形例のガス検知システムにおいて、受信された光信号のピークの形状を模式的に示す図である。 第３の実施形態の第３の変形例のガス検知システムの構成例を示すブロック図である。 第３の実施形態の第３の変形例のガス検知システムにおいて、受信された光信号のピークの形状を模式的に示す図である。 ＦＢＧに設定された反射波長と、制御装置で受信される光信号のピーク波形との対応の例を説明するための図である。 第４の実施形態のガス検知装置の構成例を示すブロック図である。 第４の実施形態のガス検知装置の動作手順の例を示すフローチャートである。

（第１の実施形態）
図１〜図５を用いて、本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態のガス検知システム１の構成例を表すブロック図である。ガス検知システム１は、制御装置１１０、光ファイバ１２０−１〜１２０−ｎ、光カプラ１２１−１〜１２１−ｍ、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎを備える。ｎは２以上の整数、ｍ＝ｎ−１である。

以下では、光ファイバ１２０−１〜１２０−ｎを総称して光ファイバ１２０と記載する。光カプラ１２１−１〜１２１−ｍ、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎも同様に光カプラ１２１、センサヘッド１３０と総称する。

制御装置１１０とセンサヘッド１３０とは、伝送路である光ファイバ１２０で接続される。制御装置１１０は、レーザダイオード（ＬＤ）１１１、レーザダイオードドライバ（ＬＤＤ）１１２、光強度変調器（Ｐｕｌｓｅ）１１３、光波長変調器（λ ｍｏｄ）１１４、光サーキュレータ１１５、フォトダイオード（ＰＤ）１１６、及び信号処理部（Ｓｉｇ．Ｐｒｏｃ．）１１７を備える。

光ファイバ１２０上には、光カプラ１２１−１〜１２１−ｍが直列に配置される。ｐ番目（１≦ｐ≦ｍ−１）の光カプラ１２１−ｐの分岐の一方は、センサヘッド１３０−ｐに接続される。光カプラ１２１−ｐの分岐の他方は、光ファイバ１２０−ｑ（ｑ＝ｐ＋１）に接続される。例えば、光カプラ１２１−１の分岐の一方は、センサヘッド１３０−１に接続される。光カプラ１２１−１の分岐の他方は、光ファイバ１２０−２に接続される。ただし、制御装置１１０から最も遠方の光カプラ１２１−ｍは、センサヘッド１３０−ｍ及び光ファイバ１２０−ｎに接続される。光ファイバ１２０−ｎは、センサヘッド１３０−ｎに接続される。

センサヘッド１３０は、周辺の大気に含まれるメタンの濃度を測定するために用いられるセンサである。センサヘッド１３０は、レンズ１３１とミラー１３２を備える。レンズ１３１とミラー１３２とはセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎに共通であるので、図１では単にレンズ１３１及びミラー１３２と記載される。レンズ１３１とミラー１３２との間は、センサヘッド１３０の周辺の大気にさらされる。

図２は、光波長変調器１１４の構成例を示すブロック図である。可変オシレータ（ＯＳＣ）２０１は、出力周波数が可変である電気信号の発振器である。可変オシレータ２０１から出力される電気信号は、カプラ（ＣＰＬ）２０２で４分岐される。分岐された各々の信号の位相は位相シフタ（ＰＳ）２０３−１〜２０３−４で調整される。位相シフタ２０３−１〜２０３−４から出力された４つの信号は、光ＳＳＢ（single side band）変調器２０４の４つのポートにそれぞれ入力される。可変オシレータ２０１及び位相シフタ２０３は、制御部（ＣＯＮＴ）２０５により制御される。光ＳＳＢ変調器２０４のＯＰＴｉｎには、光強度変調器１１３からパルス光が入力される。光ＳＳＢ変調器２０４は、パルス光を波長変調してＯＰＴｏｕｔから出力する。ＯＰＴｏｕｔは、光サーキュレータ１１５に接続される。

（ガス検知システム１の動作）
レーザダイオード１１１の駆動電流及び温度は、レーザダイオードドライバ１１２により制御される。レーザダイオード１１１は、波長１．６５μｍの連続光を出力する。この波長は、メタンによる吸収が大きい波長として知られている。出力された波長１．６５μｍの連続光は、光強度変調器１１３によりパルス変調され、所定の間隔のパルス光となる。パルス光は、光波長変調器１１４により波長変調される。波長変調されたパルス光は、光サーキュレータ１１５を介して光ファイバ１２０−１へ送出される。光ファイバ１２０を伝搬する光信号は、光カプラ１２１を通過するたびに２分岐される。２分岐された光信号の一方はセンサヘッド１３０に入力され、他方は光ファイバ１２０によって引き続き伝送される。

ｎ個のセンサヘッド１３０は、ガスの漏洩の検知が必要とされる場所に分散して設置される。センサヘッド１３０は、光カプラ１２１から入力された光信号を光ファイバ端面から放射し、放射された光信号をレンズ１３１により平行光線に変換する。平行光線はセンサヘッド１３０が設置された場所の大気中を伝搬し、ミラー１３２でレンズ１３１の方向に反射される。レンズ１３１は、反射された平行光線を、光信号を放射した光ファイバに集光する。光ファイバへ集光された光信号は、光カプラ１２１及び光ファイバ１２０を逆方向に伝搬して制御装置１１０で受信される。このようにして、制御装置１１０から送信された光信号はセンサヘッド１３０で折り返され、制御装置１１０で受信される。

光サーキュレータ１１５は、光波長変調器１１４から出力された光信号を光ファイバ１２０−１へ送出するとともに、センサヘッド１３０で折り返された光信号をフォトダイオード１１６へ導く。フォトダイオード１１６は、受信された光信号を電気信号に変換する。信号処理部１１７は、フォトダイオード１１６が出力した電気信号を処理することにより、センサヘッド１３０が設置された各地点の大気に含まれるメタンを検知する。

図３は、制御装置１１０における光信号の生成例を説明する図である。図３の（１）〜（３）は光強度を縦軸、時間を横軸として光信号の強度の時間変化を示す。図３の（４）〜（６）は光信号の波長を縦軸、時間を横軸として光信号の波長の時間変化を示す。光強度、波長及び時間はいずれも任意目盛である。図３の（５）、（６）においては、光信号がない時間の波長は示されていない。

レーザダイオード１１１から出力された直後の光信号の光強度及び波長λ１はともに一定である（図３の（１）、（４））。光強度変調器１１３は、レーザダイオード１１１から出力された光信号を変調して長さＴ１、間隔Ｔ２のパルス光を生成する。パルス光の周期ＴはＴ１＋Ｔ２である。光強度変調器１１３は光信号の光強度をパルス状に変調するが、光信号の波長λ１は一定のままである（図３の（２）、（５））。

光波長変調器１１４は、光強度変調器１１３から出力されたパルス光の光波長を変調する。本実施形態では、光波長変調器１１４は、パルス光の波長を発光期間Ｔ１の間にλ２からλ１へ変化させる（図３の（６））。パルス光の波長は、いずれのパルスも同様に変調される。図３の（６）では、パルス光の波長が、発光時間の経過とともに次第に短くなる例が示される。ただし、パルス光の波長変化は、図３の（６）の例に限定されない。例えば、パルス光は、発光時間の経過とともに波長が次第に長くなるように変調されてもよい。パルス光の波長は、パルス光の発光から消光までの経過時間に対して一意となるように変調される。

光波長変調器１１４によるパルス光の波長変調は、非特許文献１に記載されている波長変換技術を参照して行われてもよい。非特許文献１に記載された波長変換技術は、オシレータから出力される一定の周波数の正弦波によって、入力される光信号のキャリア周波数を光ＳＳＢ変調器２０４において一定の周波数だけシフトさせる。

ただし、非特許文献１の方法を単純に適用するだけでは単なる波長変換しか行えないため、本実施形態の光波長変調器１１４では、波長掃引を行うために可変オシレータ２０１が用いられる。制御部２０５は、可変オシレータ２０１の出力周波数をパルス光の周期Ｔ及び発光期間Ｔ１に合わせて変化させる。その結果、図３の（６）に示すように、パルス光の発光期間Ｔ１内で波長がλ２からλ１まで掃引された変調波形が得られる。制御部２０５は、所望の特性のパルス光が得られるように、さらに、位相シフタ２０３を制御してもよい。

可変オシレータ２０１に代えて、任意波形発生器（Arbitrary Waveform Generator、ＡＷＧ）を用いてもよい。例えば、１０Ｇ（giga）サンプル／秒のＡＷＧを使用し、１０サンプリングポイントごとに０．１ＧＨｚずつ周波数を増加させることで、５０ｎｓ（nano second）の時間内に５．０ＧＨｚの周波数掃引を行うことができる。メタンの吸収スペクトル幅が約３．０ＧＨｚであるため、この吸収スペクトルを充分にカバーできる周波数掃引が短時間で実現される。また、５０ｎｓのパルス幅は約１０ｍのファイバ長に相当するため、１０ｍという比較的短い間隔でセンサヘッドを配置しても、各センサヘッドからの戻り光は時間的に区別される。すなわち、センサヘッドの設置地点間の距離が１０ｍ程度離れていれば、他のセンサヘッドからの信号の影響を受けることなくそれぞれの地点でガスを検知できる。

図４及び図５は、フォトダイオード１１６で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。図４は、センサヘッド１３０が配置されたいずれの地点においてもガス漏洩がない場合の例を示す。

図４及び図５は、光信号に含まれる１つのパルスに対して、センサヘッド１３０からは複数のピークを含む光信号が受信されることを示す。各ピークの時間軸上の位置は、光信号の往復時間、すなわち、制御装置１１０と光信号のセンサヘッド１３０との距離によって定まる。本実施形態では、センサヘッド１３０の各々は、等間隔かつ制御装置１１０との距離が全て異なるように配置される。このため、図４及び図５のピークも等間隔となる。

図４に示される１つ目のピーク（Ａ０）は、光波長変調器１１４から送信される光信号が、光サーキュレータ１１５の指向性（Directivity）の不完全性のために、フォトダイオード１１６で直接受信されるために生じる。２つ目以降のピーク（Ａ１〜Ａｎ）は、それぞれ、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎから折り返されたパルス光に対応するピークである。あらかじめセンサヘッド１３０を１個ずつ接続して対応するピークＡ１〜Ａｎが生じるタイミングを測定しておくことで、受信されるピークＡ１〜Ａｎとセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎとの対応を知ることができる。ピークの幅はパルス光の発光期間Ｔ１に等しく、ピークの間隔は、制御装置１１０における、光信号のセンサヘッド１３０からの応答時間の差によって定まる。また、パルス光の周期Ｔは、ピークＡ０からピークＡｎまでの時間よりも長く設定される。

図４及び図５に「レイリー後方散乱」として点線及びパルス光がない期間を示す曲線は、光ファイバのレイリー（Rayleigh）後方散乱に起因する受信光の強度を示す。レイリー後方散乱の強度は、制御装置１１０からセンサヘッドまでの距離が長くなるに従って、光ファイバ１２０の伝送ロス及び光カプラ１２１の分岐損によって減少する。センサヘッド１３０が設置されたすべての地点においてガス漏洩がない場合、図４のように、センサヘッド１３０から折り返されたパルス光のピークは、いずれもなだらかな強度変化を示す。なお、図４及び図５に示すレイリー後方散乱による信号強度の時間的変化は概念を示す一例であり、レイリー後方散乱の強度は光カプラ１２１の数や光ファイバ１２０の光学的特性によって異なる。

一方、図５は、i番目（１≦ｉ≦ｎ）のセンサヘッドが設置された地点において、ガス漏洩の結果、大気中のメタンガス濃度が高い場合の例を示す。この場合、図４とは異なり、i番目のセンサヘッドからの折り返しパルス光（Ａｉ）のピークに、メタンガスによる光信号の吸収に起因するディップが観測される。このディップの量をフォトダイオード１１６及び信号処理部１１７において検出することにより、i番目のセンサヘッド周辺のメタンガスの濃度を知ることができる。フォトダイオード１１６は、光強度に比例した振幅の電気信号を信号処理部１１７へ出力する。信号処理部１１７は、パルス光のピークにおける電気信号の時間的な強度変化をピーク毎に監視し、ガスの吸収によるディップを検出する。

以下は、信号処理部１１７の動作手順の例である。信号処理部１１７は、ｉ番目のピークのディップの深さ（すなわち、振幅変化）を検出する。そして、振幅変化が所定の閾値よりも大きい場合に、センサヘッド１３０−ｉの周辺でガスが漏洩していると判断して、制御装置１１０の外部へアラームを出力する。あるいは、信号処理部１１７は、ｉ番目のピークのディップの深さに基づいて、センサヘッド１３０−ｉの周辺のガスの濃度を算出し、算出したガス濃度を制御装置１１０の外部へ出力する。一般に、ガスの濃度が高いほどガスによる光吸収は増加し、ディップも深くなる。従って、あらかじめガスの濃度とディップの深さとの関係を測定しておくことで、ディップの深さからガスの濃度を求めることができる。

（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態のガス検知システム１は、簡単かつ安価に多地点のガス検知を行うことができる。その第１の理由は、単一波長の光源の出力光の波長を光波長変調器１１４を用いて変化させているため、高出力かつスペクトルの広いパルス光を発生させる光源を必要としないからである。第２の理由は、折り返された光信号の処理はフォトダイオード１１６及び信号処理部１１７のみで行われるため、受信側に複雑な光回路を必要としないからである。
さらに、第１の実施形態のガス検知システム１は、距離分解能が高いガス検知システムを実現できる。その理由は、単一波長の光源から出力された短いパルスの波長を光波長変調器１１４を用いて変化させているためである。このような構成により、スペクトルの広いパルス光を用いた場合と比較して光信号のパルス幅の広がりを小さくできるとともに、レーザの駆動電流や温度により波長変調を行った場合と比較して短いパルスで所望の波長変化が得られる。その結果、センサヘッド１３０間の距離が小さい場合でも、複数の測定点からの戻り光パルスが制御装置１１０において時間的に重なることを回避でき、高い距離分解能が得られる。そして、第１の実施形態のガス検知システム１は、上記の効果を得るために光ファイバ１２０上に光ファイバスプールを配置する必要がない。

さらに、第１の実施形態のガス検知システム１は、ガス検知システムの運用コストを低減できる。その理由は、ガス検知システム１は、センサヘッド毎に制御装置１１０から光ファイバを敷設する場合と比較して、１本のファイバに光カプラを挿入することで多くの地点のガス検知を行えるからである。１本のファイバに光カプラを挿入する構成は、システムの建設や保守が容易であるとともに、既設の光ファイバ網に空き心線が少ない地域へのガス検知システムの導入を容易とする。

（第１の実施形態の変形例）
以下に、第１の実施形態のガス検知システム１と同様の効果をもたらす変形例について説明する。

第１の実施形態では光波長変調器として光ＳＳＢ変調器を用いた。しかし、光ＳＳＢ変調器の代わりに大容量光通信技術に用いられているＩＱ変調器（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ／Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ変調器）を用いて波長変調を実現しても良い。また、大振幅の変調器ドライバを用い、光位相変調器（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈａｓｅ変調器）の印加電圧を時間方向に変化させることによっても波長変調を実現できる。

また、レーザダイオード１１１と光サーキュレータ１１５との間及び光サーキュレータ１１５とフォトダイオード１１６との間の一方又は両方に光増幅器を挿入してもよい。光増幅器を用いることでセンサヘッド１３０から受信した光信号の信号対雑音比を向上させることができる。

また、第１の実施形態のセンサヘッド１３０は、光信号を空間的に伝搬させる際、ミラー１３２を用いて１回反射させる。しかし、複数のミラーを用いて光信号を複数回反射させることで、空間内の光信号の伝搬経路を長くしてもよい。このような構成のセンサヘッドを用いることでガスによる光信号の吸収が増加し、より低濃度のガスを検出することができる。

また、図３では、光信号の波長がパルス内で直線的に変化する例を示した。しかし、波長の変化に正弦波を重畳して波長変調分光法（wavelength modulation spectroscopy、ＷＭＳ法）によるガス濃度の算出を行ってもよい。ＷＭＳ法を用いることで、より感度の高いガス濃度の測定が可能となる。この際、直線的な波長変調と正弦波状の波長変調とはそれぞれ個別の光波長変調器により行われてもよい。

また、非特許文献１には、波長変換によって高次の側波帯が発生することが示される。このような高次の側波帯を抑圧するために、光波長変調器１１４の後段に光バンドパスフィルタが配置されてもよい。高次の側波帯を除去する光バンドパスフィルタを追加することにより雑音が抑圧されるため、より精度の高い測定が可能となる。

また、本実施形態では波長１．６５μｍの光信号を用いてメタンの検出を行う例を示した。光信号の波長として、メタンの別の吸収スペクトルに相当する波長を用いてもよい。あるいは、メタンとは異なるガス分子の吸収スペクトルを、１．６５μｍ以外の波長でモニタして、メタン以外のガスを検出してもよい。さらに、複数の波長の光信号を用いて複数の異なる種類のガスを検出してもよい。

（第２の実施形態）
図６〜図８を用いて、本願発明の第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、制御装置１１０と各センサヘッド１３０との間は１本の光ファイバで接続された。第２の実施形態では、光信号の送信用と受信用とに分離された２本の光ファイバが用いられる。

図６は、本発明の第２の実施形態のガス検知システム２の構成例を表すブロック図である。ガス検知システム２は、制御装置５１０、光ファイバ５２０−１〜５２０−ｎ及び５２１−１〜５２１−ｎ、光カプラ５２２−１〜５２２−ｍ及び５２３−１〜５２３−ｍ、センサヘッド５３０−１〜５３０−ｎを備える。ｎは２以上の整数、ｍ＝ｎ−１である。以下では、光ファイバ５２０−１〜５２０−ｎを総称して光ファイバ５２０と記載する。光ファイバ５２１−１〜５２１−ｎ、光カプラ５２２−１〜５２２−ｍ、光カプラ５２３−１〜５２３−ｍ及びセンサヘッド５３０−１〜５３０−ｎも同様に光ファイバ５２１、光カプラ５２２、光カプラ５２３、センサヘッド５３０と総称する。

制御装置５１０とセンサヘッド５３０とは、伝送路である光ファイバ５２０及び５２１によって接続される。制御装置５１０は、レーザダイオード（ＬＤ）１１１、レーザダイオードドライバ（ＬＤＤ）１１２、光強度変調器（Ｐｕｌｓｅ）１１３、光波長変調器（λ ＭＯＤ）１１４、フォトダイオード（ＰＤ）１１６、及び信号処理部（Ｓｉｇ．Ｐｒｏｃ．）１１７を備える。このように、制御装置５１０は、第１の実施形態の制御装置１１０と比較して、光サーキュレータ１１５を備えない。すなわち、制御装置５１０において、光波長変調器１１４は波長変調された光信号を光ファイバ５２０−１に送出し、フォトダイオード１１６はセンサヘッド５３０を通過した光信号を光ファイバ５２１−１から受信する。制御装置５１０は、第１の実施形態の制御装置１１０とこれらの点で相違するが、他の構成要素は制御装置１１０と共通である。従って、第１の実施形態と共通するレーザダイオード１１１、レーザダイオードドライバ１１２、光強度変調器１１３、光波長変調器１１４、フォトダイオード１１６及び信号処理部１１７については第１の実施形態と同様の名称及び参照符号を付して、説明は省略する。

光ファイバ５２０及び５２１には、それぞれ光カプラ５２２及び５２３が配置される。光カプラ５２２、５２３の分岐の一方は、センサヘッド５３０に接続される。各センサヘッド５３０は、レンズ５３１及び５３２を備える。

光ファイバ５２０上には、光カプラ５２２−１〜５２２−ｍが直列に配置される。ｐ番目（１≦ｐ≦ｍ−１）の光カプラ５２２−ｐの分岐の一方は、センサヘッド５３０−ｐのレンズ５３１に接続される。光カプラ５２２−ｐの分岐の他方は、光ファイバ５２０−ｑ（ｑ＝ｐ＋１）に接続される。例えば、光カプラ５２２−１の分岐の一方は、センサヘッド５３０−１のレンズ５３１に接続される。光カプラ５２２−１の分岐の他方は、光ファイバ５２０−２に接続される。ただし、制御装置５１０から最も遠方の光カプラ５２２−ｍは、センサヘッド５３０−ｍ及び光ファイバ５２０−ｎに接続される。光ファイバ５２０−ｎは、センサヘッド５３０−ｎのレンズ５３１に接続される。

光ファイバ５２１上には、光カプラ５２３−１〜５２３−ｍが直列に配置される。ｐ番目（１≦ｐ≦ｍ−１）の光カプラ５２３−ｐの分岐の一方は、センサヘッド５３０−ｐのレンズ５３２に接続される。光カプラ５２３−ｐの分岐の他方は、光ファイバ５２１−ｑ（ｑ＝ｐ＋１）に接続される。例えば、光カプラ５２３−１の分岐の一方は、センサヘッド５３０−１のレンズ５３２に接続される。光カプラ５２３−１の分岐の他方は、光ファイバ５２１−２に接続される。ただし、制御装置５１０から最も遠方の光カプラ５２３−ｍは、センサヘッド５３０−ｍ及び光ファイバ５２１−ｎに接続される。光ファイバ５２１−ｎは、センサヘッド５３０−ｎのレンズ５３２に接続される。

（第２の実施形態の動作）
レーザダイオード１１１から出力された波長１．６５μｍの連続光は、光強度変調器１１３によりパルス変調され、光波長変調器１１４により波長変調される。波長変調された光信号は、光ファイバ５２０−１へ送り出される。光ファイバ５２０−１を伝搬する光信号は、光カプラ５２２−１により２分岐される。２分岐された光信号の一方はセンサヘッド５３０−１に入力され、他方は光ファイバ５２０−２を経由して光カプラ５２２−２へと送られる。以下、光カプラ５２２−２〜５２２−ｍにおいて光信号は２分岐され、最終的にｎ個のセンサヘッド５３０−１〜５３０−ｎに光信号が分配される。

センサヘッド５３０は、光カプラ５２２−１〜５２２−ｍ又は光ファイバ５２０−ｎから入力された光信号をレンズ５３１により平行光線に変換する。平行光線はセンサヘッド５３０が設置された場所の大気中を伝搬する。そして、平行光線は、レンズ５３２により、光ファイバ５２１側の光ファイバ端へ集光される。集光された光信号は、光カプラ５２３及び光ファイバ５２１を伝搬して制御装置５１０で受信される。このようにして、制御装置５１０から送信された光信号は光ファイバ５２０、光カプラ５２２、センサヘッド５３０、光カプラ５２３及び光ファイバ５２１を経由して、制御装置５１０で受信される。

制御装置５１０が備えるフォトダイオード１１６は、受信された光信号を電気信号に変換する。信号処理部１１７は、フォトダイオード１１６が出力した電気信号を処理することにより、センサヘッド５３０が設置された各地点の大気に含まれるメタンを検知する。

図７及び図８は、第２の実施形態において、フォトダイオード１１６で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。図７及び図８を第１の実施形態の図４及び図５と比較すると、図７及び図８では、光サーキュレータの指向性の不完全性による１つ目のピーク（Ａ０）に対応するピークが存在しない。また、第２の実施形態では光信号の往路と復路とで異なる光ファイバ５２０、５２１が用いられるため、図７及び図８ではレイリー後方散乱によるベースラインの変動も存在しない。

図７は、センサヘッドが配置された全ての地点においてガス漏洩がない場合を示す図である。複数のピーク（Ｂ１〜Ｂｎ）は、それぞれ、センサヘッド５３０−１〜５３０−ｎから折り返されたパルス光に対応するピークである。あらかじめセンサヘッド５３０を１個ずつ接続して対応するピークＢ１〜Ｂｎが生じるタイミングを測定しておくことで、受信されるピークＢ１〜Ｂｎとセンサヘッド５３０−１〜５３０−ｎとの対応を知ることができる。センサヘッド５３０−１〜５３０−ｎが設置された地点においてガス漏洩がない場合、センサヘッド５３０−１〜５３０−ｎからの折り返しパルス光の全てのピークはなだらかな変化を示す。

一方、図８は、ｊ番目（１≦ｊ≦ｎ）のセンサヘッドが設置された地点において、ガス漏洩の結果、大気中のメタンガス濃度が高い場合の例を示す。この場合、図７とは異なり、ｊ番目のセンサヘッドからの折り返しパルス光（Ｂｊ）のピークに、メタンガスによる光信号の吸収に起因するディップが観測される。このディップの量をフォトダイオード１１６及び信号処理部１１７において検出することにより、ｊ番目のセンサヘッド周辺のメタンガスの濃度を知ることができる。フォトダイオード１１６は、光強度に比例した振幅の電気信号を信号処理部１１７へ出力する。信号処理部１１７は、パルス光のピークにおける電気信号の時間的な強度変化をピーク毎に監視し、ガスの吸収によるディップを検出する。

信号処理部１１７による処理は、第１の実施形態と同様である。すなわち、信号処理部は、例えば、以下の動作を行う。信号処理部１１７は、ｊ番目のピークのディップの深さ（すなわち、振幅変化）を検出する。そして、振幅変化が所定の閾値よりも大きい場合に、センサヘッド５３０−ｊの周辺でガスが漏洩していると判断して、制御装置５１０の外部へアラームを出力する。あるいは、信号処理部１１７は、ｊ番目のピークのディップの深さに基づいて、センサヘッド５３０−ｊの周辺のガスの濃度を算出し、算出したガス濃度を制御装置５１０の外部へ出力する。

（第２の実施形態の効果）
第２の実施形態のガス検知システム２は、第１の実施形態と同様に、簡単な構成で多地点のガス検知を行うことができる。その第１の理由は、単一波長の光源の出力光の波長を光波長変調器１１４を用いて変化させているため、高出力かつスペクトルの広いパルス光を発生させる光源を必要としないからである。第２の理由は、折り返された光信号の受信はフォトダイオード１１６及び信号処理部１１７のみで行われるため、受信側に複雑な光回路を必要としないからである。
さらに、第２の実施形態のガス検知システム２は、距離分解能が高いガス検知システムを実現できる。その理由は、単一波長の光源から出力された短いパルスの波長を光波長変調器１１４を用いて変化させているためである。このような構成により、スペクトルの広いパルス光を用いた場合と比較して光信号のパルス幅の広がりを小さくできるとともに、レーザの駆動電流や温度により波長変調を行った場合と比較して短いパルスで所望の波長変化が得られる。その結果、センサヘッド５３０間の距離が小さい場合でも、複数の測定点からの戻り光パルスが制御装置５１０において時間的に重なることを回避でき、高い距離分解能が得られる。そして、第２の実施形態のガス検知システム２は、上記の効果を得るために光ファイバ５２０及び５２１上に光ファイバスプールを配置する必要がない。

さらに、第２の実施形態のガス検知システム２は、ガス検知システムの運用コストを低減できる。その理由は、ガス検知システム２は、センサヘッド毎に制御装置５１０から光ファイバを敷設する場合と比較して、２本のファイバに光カプラを挿入することで多くの地点のガス検知を行えるからである。ガス検知システム２は、システムの建設や保守が容易であるとともに、既設の光ファイバ網に空き心線が少ない地域にも、比較的容易にガス検知システムを導入できる。

さらに、第２の実施形態のガス検知システム２は、第１の実施形態と比較して、信号対雑音比のよい信号検出が行える。その理由は以下の通りである。第１の実施形態のガス検知システム１は１本の光ファイバ１２０を光信号の送信及び受信の両方に使用する。このため、レイリー後方散乱による光が雑音としてフォトダイオード１１６に入射する結果、センサヘッド１３０で折り返された光信号の信号対雑音比が低下する恐れがある。しかし、第２の実施形態のガス検知システム２は光信号の送信及び受信で異なる光ファイバ５２０及び５２１を用いるため、レイリー後方散乱に起因する雑音による影響を低減できる。

なお、第２の実施形態においても、第１の実施形態の変形例と同様に、異なる変調器、光増幅器、分光方法や波長などが用いられてもよい。

（第３の実施形態）
図９〜図１１を用いて、第３の実施形態について説明する。第１の実施形態のガス検知システム１では、光ファイバ１２０に縦続接続された光カプラ１２１から、センサヘッド１３０へ光信号が分岐される。これに対して、第３の実施形態のガス検知システムは、１対多に分岐する光カプラを使用して複数のセンサヘッドを収容する。第３の実施形態では、例えば、ＦＴＴＨ（Fiber To The Home）サービスのために敷設されているＰＯＮ（Passive Optical Network）用光ファイバを活用する場合が想定される。

(第３の実施形態の構成)
図９は、本発明の第３の実施形態のガス検知システム３の構成例を表すブロック図である。ガス検知システム３は、制御装置１１０、光ファイバ７２０−１〜７２０−ｎ、光カプラ７２１、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎを備える。ｎは２以上の整数である。以下では、光ファイバ７２０−１〜７２０−ｎを総称して光ファイバ７２０と記載する。光カプラ７２１は、例えば、１×ｎ光スターカプラである。

制御装置１１０は、レーザダイオード１１１、レーザダイオードドライバ１１２、光強度変調器１１３、光波長変調器１１４、フォトダイオード１１６、及び、信号処理部１１７を備える。制御装置１１０は、第１の実施形態のガス検知システム１で用いられる制御装置１１０と同様の装置である。センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎも、第１の実施形態のガス検知システム１で用いられるセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎと同様の構成を備える。従って、制御装置１１０及びセンサヘッド１３０に関して、以降の説明では第１の実施形態と重複する説明は省略される。

本実施形態において、制御装置１１０の入出力ポートは、光カプラ７２１の共通ポートに接続されている。光カプラ７２１のｎ分岐側の各ポートは、光ファイバ７２０−１〜７２０−ｎを介してセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎに接続されている。制御装置１１０とセンサヘッド１３０とは、光カプラ７２１及び光ファイバ７２０で接続される。

（第３の実施形態の動作）
第１の実施形態と同様に、波長変調された波長１．６５μｍの光信号は、光サーキュレータ１１５を介して制御装置１１０から光カプラ７２１の共通ポートへ送出される。光カプラ７２１は、光信号を分岐して、光ファイバ７２０−１〜７２０−ｎを介してセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎへ送られる。

ｎ個のセンサヘッド１３０は、ガスの漏洩の検知が必要とされる場所に分散して設置される。センサヘッド１３０は、光ファイバ７２０から入力された光信号を光ファイバ端面から放射し、放射された光信号をレンズ１３１により平行光線に変換する。平行光線はセンサヘッド１３０が設置された場所の大気中を伝搬し、ミラー１３２で反射される。レンズ１３１は、反射された平行光線を、光信号を放射した光ファイバに集光する。光ファイバへ集光された光信号は、光ファイバ７２０及び光カプラ７２１を逆方向に伝搬して制御装置１１０で受信される。このようにして、制御装置１１０から送信された光信号はセンサヘッド１３０で折り返され、制御装置１１０で受信される。

制御装置１１０で受信された光信号は、光サーキュレータ１１５によりフォトダイオード１１６に導かれる。フォトダイオード１１６は、受信された光信号を電気信号へ変換する。ここで得られた電気信号を、信号処理部１１７において処理することにより、センサヘッド７３０が設置された地点におけるメタンガスの有無が検知される。

図１０及び図１１は、フォトダイオード１１６で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。図１０は、センサヘッドが配置されたいずれの地点においてもガス漏洩がない場合の例を示す。図１０に示される１つ目のピーク（Ｃ０）は、光波長変調器１１４から送信されるパルス光が光ファイバ１２０に送られずに直接フォトダイオード１１６で受信されるために生じる。これは、光サーキュレータ１１５の指向性の不完全性に起因する。２つ目以降のピーク（Ｃ１〜Ｃｎ）は、それぞれ、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎから折り返されたパルス光に対応するピークである。

各ピークの時間軸上の位置は、光信号の往復時間、すなわち、制御装置１１０と光信号のセンサヘッド１３０との距離によって定まる。本実施形態では、センサヘッド１３０の各々は、制御装置１１０との距離が全て異なるように配置される。そして、制御装置１１０と各々のセンサヘッド１３０との距離の差は、少なくとも図１０及び図１１に示されるピークが時間的に重ならない程度の長さであるものとする。

図１０に「レイリー後方散乱」として点線及びパルス光がない期間を示す曲線は、光ファイバのレイリー後方散乱に起因する受信光の強度を示す。レイリー後方散乱の強度は、制御装置１１０からセンサヘッド１３０までの距離が長くなるに従って光ファイバ７２０の伝送ロスによって減少する。各センサヘッド１３０が設置されたすべての地点においてガス漏洩がない場合、図１０のように、センサヘッド１３０からの折り返しパルス光のピークは、いずれもなだらかな強度変化を示す。なお、図１０及び図１１に示すレイリー後方散乱による信号強度の時間的変化は概念を示す一例であり、レイリー後方散乱の強度は光カプラ７２１の分岐数や光ファイバ７２０−１〜７２０−ｎの光学的特性によって異なる。

一方、図１１は、ｋ番目（１≦ｋ≦ｎ）のセンサヘッドが設置された地点において、ガス漏洩の結果、周辺のメタンガス濃度が高い場合の例を示す。この場合、図１０とは異なり、ｋ番目のセンサヘッドからの折り返しパルス光（Ｃｋ）のピークに、メタンガスによる光信号の吸収に起因するディップが観測される。このディップの量をフォトダイオード１１６及び信号処理部１１７において検出することにより、ｋ番目のセンサヘッド周辺のメタンガスの濃度を知ることができる。信号処理部１１７におけるメタンガスの検知手順は、第１及び第２の実施形態と同様である。

第１及び第２の実施形態において観測された信号波形（図４、図５、図７及び図８）では、各センサヘッドからの戻り光が等間隔で並んでいた。これはセンサヘッド１３０、５３０が一定の間隔で配置されていたためである。一方、本実施形態では、制御装置１１０から各センサヘッド１３０までの距離は、各センサヘッドからの戻り光が光カプラ７２１で衝突しないようにのみ設定されている。すなわち、センサヘッド１３０は、制御装置１１０から各センサヘッド１３０までの距離の差が一定となるようには設置されていない。従って、各センサヘッド１３０から戻る光信号のタイミングは不等間隔となる。第１及び第２の実施形態と同様に、パルス光のピークとセンサヘッド１３０との対応は、あらかじめセンサヘッド１３０毎に光信号の受信時刻を測定することで知ることができる。

（第３の実施形態の効果）
第３の実施形態のガス検知システム３は、第１及び第２の実施形態と同様に、簡単な構成で多地点のガス検知を行うことができる。その第１の理由は、単一波長の光源の出力光の波長を光波長変調器１１４を用いて変化させているため、高出力かつスペクトルの広いパルス光を発生させる光源を必要としないからである。第２の理由は、折り返された光信号の受信はフォトダイオード１１６及び信号処理部１１７のみで行われるため、受信側に複雑な光回路を必要としないからである。
さらに、第３の実施形態のガス検知システム３は、距離分解能が高いガス検知システムを実現できる。その理由は、単一波長の光源から出力された短いパルスの波長を光波長変調器１１４を用いて変化させているためである。このような構成により、スペクトルの広いパルス光を用いた場合と比較して光信号のパルス幅の広がりを小さくできるとともに、レーザの駆動電流や温度により波長変調を行った場合と比較して短いパルスで所望の波長変化が得られる。その結果、センサヘッド１３０間の距離が小さい場合でも、複数の測定点からの戻り光パルスが制御装置１１０において時間的に重なることを回避でき、高い距離分解能が得られる。そして、第３の実施形態のガス検知システム３は、上記の効果を得るために光ファイバ７２０上に光ファイバスプールを配置する必要がない。

第３の実施形態のガス検知システム３は、システムの導入コストを低減できる。その理由は、ガス検知を行うための光ファイバ網を新たに敷設することなく、例えばＦＴＴＨサービスのために敷設されたＰＯＮ用光ファイバ網を活用できるためである。

第１の実施形態で説明したように、５０ｎｓ幅のパルス光を用いることで、測定点間の距離が１０ｍ程度あれば、それぞれの地点でガスを検知できる。従って、センサヘッド１３０の間隔が数十ｍ離れていれば、ＰＯＮ用光ファイバ網を第３の実施形態のガス検知システム３に容易に適用できる。

さらに、第３の実施形態のガス検知システム３は、ガス検知システムの運用コストを低減できる。その理由は、ガス検知システム３は、センサヘッド毎に制御装置１１０から光ファイバを敷設する場合と比較して、ＰＯＮ用光ファイバ網を用いることで多くの地点のガス検知を行えるため、システムの建設や保守が容易であるためである。

なお、第３の実施形態においても、第１及び第２の実施形態の変形例と同様に、異なる変調器、光増幅器、分光方法や波長などが用いられてもよい。以下では、図９で説明したガス検知システム３と同様の効果をもたらす第１〜第３の変形例について説明する。

（第３の実施形態の第１の変形例）
ＰＯＮ用光ファイバを利用したガス検知システムは、すでに加入者に提供されているＦＴＴＨサービスと併用されてもよい。例えば、ガス検知システムで用いられる波長（例えば１．６５μｍ）の光信号とＦＴＴＨサービスで用いられる波長帯の光信号（例えば１．３μｍ及び１．５５μｍ）とをＰＯＮ用光ファイバに波長多重して伝送してもよい。このような構成により、ＦＴＴＨサービスと同時にガス検知サービスを加入者に提供できる。

（第３の実施形態の第２の変形例）
第３の実施形態において、検出されたピークに対応するセンサヘッド１３０を同定する構成について説明する。図１２は、第３の実施形態の第２の変形例であるガス検知システム４の構成例を示すブロック図である。ガス検知システム４は、図９に示したガス検知システム３と比較して、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎと直列にＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）４０１−１〜４０１−ｎが配置された点で相違する。以下、ＦＢＧ４０１−１〜４０１−ｎをＦＢＧ４０１と総称する。

ＦＢＧ４０１は、入力された光信号の一部の波長を反射し、それ以外の波長の光信号を透過する。このため、図１２において、光カプラ７２１からセンサヘッド１３０へ向かう光信号は、まずＦＢＧ４０１において一部の波長が反射される。そして、ＦＢＧ４０１を透過した光信号がセンサヘッド１３０を往復する。

図１３は、ガス検知システム４において、制御装置１１０で受信される光信号の、１つのピーク（すなわち、Ｃ１〜Ｃｎのいずれか）の形状を模式的に示す図である。図１３では、レイリー後方散乱による影響は除かれている。図１３に示すように、ＦＢＧ４０１において反射された光信号のピークＰ１がまず制御装置１１０に到着し、その後、センサヘッドを透過した光信号が到着する。センサヘッドを透過した光信号には、ガスによる吸収ディップＤ０に加えて、ＦＢＧ４０１より反射された波長のディップＤ１が見られる。

ＦＢＧ４０１に入力される光信号の波長は１個のパルス光の発光期間内で時間的に変化する。従って、ＦＢＧ４０１からの反射光のピークＰ１及びＦＢＧ４０１によるディップＤ１のタイミングは、ＦＢＧ４０１の反射波長に依存する。これを利用して、制御装置１１０は、受信される光信号のピークＰ１及びディップＤ１のタイミングから、その光信号のパルスがセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎのいずれから来たかを判別する。

光波長変調器７１４の波長は、パルス光の発光開始時においてメタンの吸収帯域外に拡大されるように掃引される。そして、センサヘッド１３０毎に、異なる波長を反射するＦＢＧ４０１が挿入される。ここで、ＦＢＧ４０１が反射する波長は、いずれも、拡大されたメタンの吸収帯域外の波長帯に含まれるように設定される。ＦＢＧ４０１の反射波長及び光波長変調器７１４の掃引波長をこのように設定することで、受信されるパルス光におけるディップＤ１が、メタンの吸収によるディップと重なることを回避できる。

信号処理部７１７は、ピークＰ１及びディップＤ１のタイミングを、センサヘッド１３０ごとにあらかじめ基準値として記憶する。基準値は、例えば、受信された光信号のパルス光の立ち上がり又は立ち下がり時刻を基準に、実測によって求めることができる。ＦＢＧ４０１の反射波長は全て異なるため、ピークＰ１及びディップＤ１のタイミングもＦＢＧ４０１ごと（すなわち、センサヘッド１３０ごと）に異なる。そして、信号処理部７１７は、受信した光信号のそれぞれについてガスによる吸収とは異なるピーク又はディップのタイミングを測定する。この測定値と、記憶されている基準値とを比較して、測定値と最も近いタイミングを持つセンサヘッド１３０を、光信号に対応するセンサヘッド１３０であると判定する。なお、第１及び第２の実施形態と同様に、あらかじめセンサ１３０を１個ずつ接続して対応するピークＣ１〜Ｃｎが生じるタイミングを測定しておくことで、受信されるピークＣ１〜Ｃｎとセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎとの対応を知ることもできる。

（第３の実施形態の第３の変形例）
図１４は、第３の実施形態の第３の変形例であるガス検知システム５の構成例を示すブロック図である。ガス検知システム５は、図１２と比較して、センサヘッド１３０及びＦＢＧ４０１に代えて、センサユニット４１０−１〜４１０−ｎを備える。センサユニット４１０−１〜４１０−ｎを以下ではセンサユニット４１０と総称する。

センサユニット４１０は、第２の実施形態と同様のセンサヘッド５３０、ＦＢＧ４０１、光サーキュレータ４０２、アイソレータ４０３を備える。ここでは、例として光ファイバ７２０−４に接続されたセンサユニット４１０−４について記載する。ＦＢＧ４０１−４は、入力された光信号の一部の波長を反射し、それ以外の波長の光信号を透過する。図１４において、光カプラ７２１からセンサユニット４１０−４に入力された光信号は、光サーキュレータ４０２−４及びアイソレータ４０３−４を通過し、ＦＢＧ４０１−４において光信号の一部の波長が反射される。しかし、ＦＢＧ４０１−４において反射された光信号はアイソレータ４０３−４で阻止される。ＦＢＧ４０１−４を透過した光信号は、センサヘッド５３０−４を透過してガスの濃度に対応した吸収を受ける。センサヘッド５３０−４を透過した光信号は、光サーキュレータ４０２−４を経由して制御装置１１０へ伝送される。

図１５は、ガス検知システム５において、制御装置１１０で受信される光信号のピークの形状を模式的に示す図である。図１５では、レイリー後方散乱による影響は除かれている。ガス検知システム５では、ＦＢＧ４０１において反射された光信号はアイソレータ４０３で阻止される。このため、ガス検知システム４とは異なり、ＦＢＧ４０１で反射された光によるピークＰ１は制御装置１１０では受信されない。センサヘッド５３０を透過した光信号には、ガス検知システム４と同様に、ガスによる吸収ディップＤ０に加えて、ＦＢＧ４０１より反射された波長のディップＤ１が見られる。従って、制御装置１１０は、ディップＤ１のタイミングを測定して基準値と比較することにより、受信されたパルス光に対応するセンサヘッド５３０を特定することができる。

図１６は、ＦＢＧ４０１に設定された反射波長と、制御装置１１０で受信される光信号のピーク波形との対応の例を説明するための図である。４種類のＦＢＧ（ＦＢＧ−ａ〜ＦＢＧ−ｄ）には、それぞれ異なる反射波長が設定される。ＦＢＧ−ａは波長λ１、λ２、λ３の光を反射し、ＦＢＧ−ｂは波長λ１、λ２の光を反射し、ＦＢＧ−ｃは波長λ１、λ３の光を反射し、ＦＢＧ−ｄは波長λ２、λ３の光を反射する。図１６の右側には、センサユニット４１０がＦＢＧ−ａ〜ｄのいずれかを備える場合の、センサヘッド５３０を通過して制御装置１１０で受信される光信号のピーク波形の例が示される。光信号のピーク波形には、ＦＢＧ４０１の反射波長に対応するディップが現れるため、これらのディップのタイミングを検出することで、受信されたパルス光に対応するセンサヘッドを識別できる。

（第４の実施形態）
図１７は、第４の実施形態のガス検知装置８００の構成例を示すブロック図である。図１８は、ガス検知装置８００の動作手順の例を示すフローチャートである。第２の実施形態の図６で説明した制御装置５１０は、以下の構成を備えるガス検知装置８００と呼ぶこともできる。すなわち、ガス検知装置８００は、送信部８０１と受信部８０２とを備える。送信部８０１は、図６の光波長変調器１１４を含む。送信部８０１は、さらに、図６のレーザダイオード１１１、レーザダイオードドライバ１１２、光強度変調器１１３及び光波長変調器１１４を含んでもよい。受信部８０２は、図６のフォトダイオード１１６及び信号処理部１１７を含んでもよい。

送信部８０１は、光波長変調器によって生成された、波長が時間的に変化するパルス光を生成して（図１８のステップＳ０１）、第１の光信号として、センサヘッドと接続された伝送路に出力する（ステップＳ０２）。ここで、センサヘッドは、大気中を伝搬させた第１の光信号を第２の光信号として出力する。受信部８０２は、センサヘッドから出力された第２の光信号を受光して（ステップＳ０３）、電気信号に変換する（ステップＳ０４）。さらに、受信部８０２は、電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、空間に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知し（ステップＳ０５）、ガスの検知の結果を出力する（ステップＳ０６）。

第４の実施形態のガス検知装置８００は、簡単な構成で多地点のガス検知を行うことができる。その第１の理由は、光波長変調器を用いて光源の波長を変化させて第１の光信号を生成しているため、高出力かつスペクトルの広いパルス光を発生させる光源を必要としないからである。第２の理由は、第２の光信号の受信のために複雑な光回路を必要としないからである。
さらに、第４の実施形態のガス検知装置８００は、距離分解能が高いガス検知システムを実現できる。その理由は、単一波長の光源から出力された短いパルスの波長を光波長変調器を用いて変化させているためである。このような構成により、スペクトルの広いパルス光を用いた場合と比較して光信号のパルス幅の広がりを小さくできるとともに、レーザの駆動電流や温度により波長変調を行った場合と比較して短いパルスで所望の波長変化が得られる。その結果、センサヘッド間の距離が小さい場合でも、複数の測定点からの戻り光パルスがガス検知装置において時間的に重なることを回避でき、高い距離分解能が得られる。そして、第４の実施形態のガス検知装置８００は、上記の効果を得るために伝送路上に伝送媒体のスプールを配置する必要がない。

以上の各実施形態に記載された機能及び手順は、制御装置１１０又は５１０、あるいはガス検知装置８００が備える中央処理装置（central processing unit、ＣＰＵ）がプログラムを実行することにより実現されてもよい。プログラムは、固定された、一時的でない記録媒体に記録される。記録媒体としては半導体メモリ又は固定磁気ディスク装置が用いられるが、これらには限定されない。ＣＰＵは例えば信号処理部１１７、５１７又は送信部８０１に備えられるコンピュータであるが、制御部２０５又は受信部８０２に備えられてもよい。

なお、本発明の実施形態は以下の付記のようにも記載されうるが、これらには限定されない。

（付記１）
光波長変調器によって波長が時間的に変調されたパルス光を第１の光信号として伝送路に出力する送信手段と、
前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第１の光信号を第２の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
前記第２の光信号を受光して電気信号に変換し、前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し、前記ガスの検知の結果を出力する受信手段と、
前記伝送路を分岐するとともに、分岐された前記伝送路を介して前記送信手段と前記センサヘッドとを接続し、さらに、分岐された前記伝送路を介して前記センサヘッドと前記受信手段とを接続する分岐手段と、
を備えるガス検知システム。

（付記２）
前記伝送路は光ファイバ伝送路であり、前記第１の光信号と前記第２の光信号とは異なる光ファイバ伝送路で伝送される、付記１に記載されたガス検知システム。

（付記３）
前記送信手段と前記受信手段とを前記伝送路に接続する光サーキュレータをさらに備え、
前記伝送路は光ファイバ伝送路であり、前記受信手段は、前記センサヘッドが前記第１の光信号と同一の前記光ファイバ伝送路へ出力した前記第２の光信号を受信する、付記１に記載されたガス検知システム。

（付記４）
前記分岐手段は１×Ｎ（Ｎは２以上の整数）光カプラである、付記３に記載されたガス検知システム。

（付記５）
各々の前記センサヘッドには透過波長が相異なるＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）が接続され、前記第２の光信号は前記ＦＢＧを透過して前記分岐手段に出力され、前記受信手段は前記第２の光信号に含まれる前記パルス光の振幅変化のタイミングに基づいて前記センサヘッドを識別する、付記３又は４に記載されたガス検知システム。

（付記６）
前記光波長変調器は光ＳＳＢ（Single Side Band）変調器を含み、前記光ＳＳＢ変調器は前記パルス光の波長をパルス毎に時間方向に変化させる、付記１乃至５のいずれかに記載されたガス検知システム。

（付記７）
前記光波長変調器は光位相変調器を含み、前記光位相変調器は前記パルス光の波長をパルス毎に時間方向に変化させる、付記１乃至５のいずれかに記載されたガス検知システム。

（付記８）
前記送信手段及び前記受信手段は、波長変調分光法により第１の光信号の生成及び第２の光信号の処理を行う、付記１乃至７のいずれかに記載されたガス検知システム。

（付記９）
前記送信手段と前記伝送路との間に、前記第１の光信号に含まれる高次の波長の光を低減させる光フィルタを備える、付記１乃至８のいずれかに記載されたガス検知システム。

（付記１０）
前記送信手段は、連続光を生成するレーザダイオード、前記レーザダイオードを制御するレーザダイオードドライバ、前記連続光をパルス変調する光強度変調器、及び前記パルス変調された光を波長変調して前記パルス光を生成する前記光波長変調器、を備える付記１乃至９のいずれかに記載されたガス検知システム。

（付記１１）
前記受信手段は、受信された前記第２の光信号を前記電気信号に変換するフォトダイオードと、前記電気信号を処理する信号処理部と、を備える付記１乃至１０のいずれかに記載されたガス検知システム。

（付記１２）
前記受信手段は、前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記ガスの濃度を前記センサヘッド毎に検知する、付記１乃至１１のいずれかに記載されたガス検知システム。

（付記１３）
光波長変調器によってパルス光が変調されて生成された、波長が時間的に変化するパルス光を第１の光信号として伝送路に出力する送信手段と、
大気中を伝搬させた前記第１の光信号を第２の光信号として出力するセンサヘッドから出力された前記第２の光信号を受光して電気信号に変換し、前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し、前記ガスの検知の結果を出力する受信手段と、
を備えるガス検知装置。

（付記１４）
光波長変調器によってパルス光が変調されて生成された、波長が時間的に変化するパルス光を第１の光信号として伝送路に出力し、
大気中を伝搬させた前記第１の光信号を第２の光信号として出力するセンサヘッドから出力された前記第２の光信号を受光して電気信号に変換し、
前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し、
前記ガスの検知の結果を出力する、
ガス検知装置の制御方法。

（付記１５）
ガス検知装置のコンピュータに、
光波長変調器によってパルス光が変調されて生成された、波長が時間的に変化するパルス光を第１の光信号として伝送路に出力する手順、
大気中を伝搬させた前記第１の光信号を第２の光信号として出力するセンサヘッドから出力された前記第２の光信号を受光して電気信号に変換する手順、
前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知する手順、
前記ガスの検知の結果を出力する手順、
を実行させるためのガス検知装置の制御プログラム。

以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得るさまざまな変更をすることができる。また、各実施形態の構成要素は、矛盾がない限り組み合わせることができる。

この出願は、２０１５年１１月２４日に出願された日本出願特願２０１５−２２８３７４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

本願発明は、ガス濃度の測定システムに適用できる。特に、広いエリアの多地点のガス濃度情報を遠隔から測定するようなシステムに適用できる。

１〜５ ガス検知システム
１１０、５１０ 制御装置
１１１ レーザダイオード
１１２ レーザダイオードドライバ
１１３ 光強度変調器
１１４ 光波長変調器
１１５ 光サーキュレータ
１１６ フォトダイオード
１１７、５１７ 信号処理部
１２０、５２０、５２１、７２０ 光ファイバ
１２１、５２２、５２３、７２１ 光カプラ
１３０、４３０、５３０、７３０ センサヘッド
１３１、５３１、５３２ レンズ
１３２ ミラー
２０１ 可変オシレータ
２０３ 位相シフタ
２０４ 変調器
２０５ 制御部
４０２ 光サーキュレータ
４０３ アイソレータ
４１０ センサユニット
８００ ガス検知装置
８０１ 送信部
８０２ 受信部

Claims (10)

1. 光波長変調器によってパルス光が変調されて生成された、波長が時間的に変調されたパルス光を第１の光信号として伝送路に出力する送信手段と、
   前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、前記大気中を伝搬した前記第１の光信号を第２の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
   前記第２の光信号を受光して電気信号に変換し、前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し、前記ガスの検知の結果を出力する受信手段と、
   前記伝送路を分岐するとともに、分岐された前記伝送路を介して前記送信手段と前記センサヘッドとを接続し、さらに、分岐された前記伝送路を介して前記センサヘッドと前記受信手段とを接続する分岐手段と、
   を備えるガス検知システム。
2. 前記伝送路は光ファイバ伝送路であり、前記第１の光信号と前記第２の光信号とは異なる光ファイバ伝送路で伝送される、請求項１に記載されたガス検知システム。
3. 前記送信手段と前記受信手段とを前記伝送路に接続する光サーキュレータをさらに備え、
   前記伝送路は光ファイバ伝送路であり、前記受信手段は、前記センサヘッドが前記第１の光信号と同一の前記光ファイバ伝送路へ出力した前記第２の光信号を受信する、請求項１に記載されたガス検知システム。
4. 前記分岐手段は１×Ｎ（Ｎは２以上の整数）光カプラである、請求項３に記載されたガス検知システム。
5. 各々の前記センサヘッドには透過波長が相異なるＦＢＧ（Fiber Bragg Grating）が接続され、前記第２の光信号は前記ＦＢＧを透過して前記分岐手段に出力され、前記受信手段は前記第２の光信号に含まれる前記パルス光の振幅変化のタイミングに基づいて前記センサヘッドを識別する、請求項３又は４に記載されたガス検知システム。
6. 前記光波長変調器は光ＳＳＢ（Single Side Band）変調器を含み、前記光ＳＳＢ変調器は前記パルス光の波長をパルス毎に時間方向に変化させる、請求項１乃至５のいずれかに記載されたガス検知システム。
7. 前記光波長変調器は光位相変調器を含み、前記光位相変調器は前記パルス光の波長をパルス毎に時間方向に変化させる、請求項１乃至５のいずれかに記載されたガス検知システム。
8. 前記送信手段及び前記受信手段は、波長変調分光法により第１の光信号の生成及び第２の光信号の処理を行う、請求項１乃至７のいずれかに記載されたガス検知システム。
9. 波長が時間的に変化するパルス光を第１の光信号として伝送路に出力する送信手段と、
   大気中を伝搬させた前記第１の光信号を第２の光信号として出力する複数のセンサヘッドから出力された前記第２の光信号を受光して電気信号に変換し、前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記複数のセンサヘッド毎に検知し、前記ガスの検知の結果を出力する受信手段と、
   を備えるガス検知装置。
10. 波長が時間的に変化するパルス光を第１の光信号として伝送路に出力し、
    大気中を伝搬させた前記第１の光信号を第２の光信号として出力する複数のセンサヘッドから出力された前記第２の光信号を受光して電気信号に変換し、
    前記電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記複数のセンサヘッド毎に検知し、
    前記ガスの検知の結果を出力する、
    ガス検知装置の制御方法。
    

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