WO2020195102A1 - 受信器、検知システム及び検知方法 - Google Patents

受信器、検知システム及び検知方法 Download PDF

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WO2020195102A1
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light intensity
optical signal
optical axis
ratio
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侑真 松田
聡寛 田中
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日本電気株式会社
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    • G08B29/20—Calibration, including self-calibrating arrangements

Definitions

  • the present invention relates to a receiver, a detection system and a detection method, and more particularly to a technique for detecting an optical axis deviation of an optical signal.
  • a detection system using a wide area sensor that propagates optical signals in space and monitors the generation of gas and smoke due to abnormal conditions such as fire has been proposed.
  • Such a detection system detects the generation of smoke or gas based on the amount of decrease in received light intensity from the initial state.
  • the initial state is a state in which no gas or smoke is generated.
  • the optical axis may shift due to vibration or impact from the outside environment.
  • the received light intensity decreases due to the optical axis shift, it may be erroneously detected that the concentration of gas or smoke has increased. Therefore, when the optical axis shift occurs, it is necessary to detect the shift promptly.
  • the received light intensity also decreases due to the generation of smoke, it is necessary to separate the optical axis shift from the decrease in the received light intensity due to gas or smoke.
  • Patent Document 1 discloses a technique for monitoring the presence or absence of smoke generation by using one main light emitting element and two or more sub light emitting elements arranged around the main light emitting element.
  • the main light emitting element is turned off and two or more sub light emitting elements are turned on in sequence.
  • the threshold value if the extinction rate of all the received light amounts exceeds the threshold value, it is judged to be due to smoke generation, and if only some of the light emitting elements exceed the threshold value, it is due to the optical axis shift. Judge that.
  • the method of detecting gas using light utilizes the property that the gas to be detected absorbs light having a wavelength unique to each substance.
  • Non-Patent Document 1 discloses a technique for detecting a gas by wavelength modulation spectroscopy (WMS: Wavelength Modulation Spectroscopy).
  • WMS wavelength modulation spectroscopy
  • the second method is to calculate the gas concentration from the known spectral intensity using a light source in a wide wavelength band.
  • Non-Patent Document 2 discloses a technique for detecting a gas by differential absorption spectroscopy (DOAS: Differential Optical Absorption Spectroscopy).
  • DOAS Differential Optical Absorption Spectroscopy
  • Patent Document 1 determines that the optical axis shifts when the amount of light received by only some of the light emitting elements is below the threshold value. Therefore, when the amount of light received by all the light emitting elements is below the threshold value, the optical axis deviation cannot be detected. Therefore, in an environment where the received light intensity is reduced, the optical axis deviation cannot be detected even by the method of Patent Document 1.
  • the present disclosure has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a receiver, a detection system, and a detection method capable of detecting an optical axis deviation even in an environment where the received light intensity fluctuates. And.
  • the receiver according to the present disclosure is an optical signal distribution means that distributes an optical signal transmitted to detect a detection target on a traveling path to two or more paths, and a received light when the optical axis of the optical signal is deviated.
  • a detection unit that detects the received light intensity of the optical signal at a first position where the intensity increases, a second position where the received light intensity decreases, and the first position based on the output of the detection unit.
  • the detection system includes the above receiver and a transmitter for transmitting an optical signal, and detects a detection target on the path of the optical signal transmitted from the transmitter.
  • the detection method distributes a signal into two or more paths, and distributes the distributed optical signal to a first position where the received light intensity increases when the optical axis of the optical signal shifts, and a received light intensity.
  • Light is received at the second position where the light intensity decreases, the ratio of the received light intensity is calculated based on the signal intensity at the first position and the signal intensity at the second position, and the light is based on the change in the received light intensity ratio. It determines the presence or absence of axis misalignment.
  • the optical axis deviation can be detected based on the ratio of the received light intensities of a plurality of detection positions. This is because the received light intensity of each detector changes at the same rate even in an environment where the received light intensity fluctuates, and the ratio becomes constant.
  • this receiver includes a detection unit 11, an intensity ratio calculation unit 110, and a determination unit 111. As shown in FIG. 2, a memory 112 may be provided.
  • the detection unit 11 includes an optical signal distribution means 9 and a detector 14.
  • the detector 14 uses the distributed optical signal as shown in FIG. 3 at a first position where the received light intensity increases when the optical axis of the optical signal shifts, and a second position where the received light intensity decreases. Detects the amount of light received in.
  • the detector 14 outputs the detected received light intensity to the intensity ratio calculation unit 110.
  • the intensity ratio calculation unit 110 calculates the received light intensity ratio at the first position and the second position output from the detection unit 11.
  • the determination unit 111 determines whether or not there is an optical axis shift based on the change in the received light intensity ratio output from the intensity ratio calculation unit 110.
  • the optical signal distribution means 9 divides the optical signal into two or more (S01).
  • the detector 14 receives the distributed optical signal (S02).
  • the intensity ratio calculation unit 110 calculates the intensity ratio of the signals at the two light receiving positions output from the detector 14 (S04). Here, in the initial state, it is necessary to calculate the intensity ratio of the signal output from the detector 14 in advance and store it in the memory 112 (S03).
  • the determination unit 111 compares the intensity ratio calculated by the intensity ratio calculation unit 110 with the intensity ratio in the initial state stored in the memory 112 (S05). If the difference between the two intensity ratios is within the range of the preset value ⁇ , the determination unit 111 determines that there is no optical axis deviation (S07), and if it is outside the range, it determines that there is an optical axis deviation (S06). In the present embodiment, the intensity ratio in the initial state stored in the memory 112 is targeted for comparison, but the comparison is not limited to this.
  • the detection system since the optical signal is distributed inside the receiver, which is less affected by environmental fluctuations, the signals received at each detection position have the same intensity reduction due to the influence of environmental fluctuations. Therefore, the influence of environmental changes can be eliminated by obtaining the intensity ratio of the signals received by the two detectors. On the other hand, when the optical axis deviates from the initial state, the intensity reduction amount of the received signal at the two light receiving positions is different, so that the intensity ratio changes. Therefore, the detection system according to the present embodiment can detect the optical axis deviation even in an environment where the received light intensity fluctuates.
  • This detection system includes a transmitter 113 and a receiver 10 as shown in FIG.
  • the detection system receives the optical signal output from the transmitter 113 by the receiver 10.
  • the receiver 10 detects the presence of a detection target (for example, gas) in the path between the transmitter 113 and the receiver 10 based on the reception intensity of the optical signal.
  • a detection target for example, gas
  • the transmitter 113 includes a laser light source 114, a laser driver 115, and a condenser 116.
  • the laser driver 115 controls the drive current and temperature of the optical signal output from the laser light source 114, and modulates the wavelength of the optical signal.
  • the laser light source 114 outputs an optical signal having a wavelength that changes with time in the vicinity of ⁇ 1 ⁇ m.
  • ⁇ 1 is a wavelength included in the absorption band of the molecule of the gas to be measured.
  • the absorption band is a wavelength range in which light or the like hits a substance to cause absorption.
  • the optical signal output by the laser light source 114 to be used may be either pulsed light or continuous light, and may have any cross-sectional intensity distribution.
  • the receiver 10 has a detection unit 11, a processor 16, and a memory 112.
  • the detection unit 11 includes a condenser 12, a beam splitter 13, and detectors 14 and 15.
  • the beam splitter 13 splits the optical signal into two.
  • the detectors 14 and 15 are arranged so as to be slightly reduced from the position where the received light intensity is maximum.
  • FIG. 3 shows the light receiving surfaces of the detectors 14 and 15 and the profile of the optical signal.
  • the beam splitter 13 reverses the deviation direction of the detector 15 from the other detectors 14 either left-right or up-down. Therefore, the position of shifting the axis of the light incident on the detector 15 is reversed from the position of FIG. 3 if the direction of inversion by the beam splitter 13 is left / right, or upside down.
  • the processor 16 has a signal processing unit 17 and a determination unit 111.
  • the signal processing unit 17 includes a gas concentration calculation unit 18, a smoke concentration calculation unit 19, and an intensity ratio calculation unit 110.
  • the gas concentration calculation unit 18 calculates the gas concentration based on the average value of the electric signals output from one of the two detectors or the electric signals output from both of them.
  • the smoke concentration calculation unit 19 calculates the smoke concentration based on the average value of the electric signals output from one of the two detectors or the electric signals output from both of them.
  • the intensity ratio calculation unit calculates the intensity ratio of the signals output from the two detectors 14 and 15 of the detection unit 11.
  • the determination unit 111 determines whether or not there is an optical axis shift from the received light intensity ratio output from the intensity ratio calculation unit 110 and the received light intensity ratio in the initial state stored in the memory 112.
  • the signal processing unit 17 and the determination unit 111 may be software or modules whose processing is executed by the processor 16 executing a program stored in the memory. Further, the signal processing unit 17 and the determination unit 111 may be hardware such as a circuit or a chip.
  • the processor 16 reads software (computer program) from the memory and performs the processing described below using a flowchart or the like.
  • the processor 16 may be, for example, a microprocessor, an MPU (Micro Processing Unit), or a CPU (Central Processing Unit).
  • the processor 16 may include a plurality of processors.
  • the memory 112 stores the ratio of the received light intensities of the detectors 14 and 15 in the initial state calculated by the intensity ratio calculation unit 110.
  • the beam splitter 13 divides the optical signal into two or more (S01).
  • the detectors 14 and 15 receive the optical signal split by the beam splitter 13 (S02).
  • the intensity ratio calculation unit 110 calculates the intensity ratio of the signals output from the detectors 14 and 15 (SO4). Here, in the initial state, it is necessary to calculate the intensity ratio of the signals output from the detectors 14 and 15 in advance and store them in the memory 112 (SO3).
  • the determination unit 111 compares the intensity ratio calculated by the intensity ratio calculation unit 110 with the intensity ratio in the initial state stored in the memory 112 (S05). If the difference between the two intensity ratios is within the range of the preset value ⁇ , the determination unit 111 determines that there is no optical axis deviation (S07), and if it is outside the range, it determines that there is an optical axis deviation (S06).
  • FIGS. 12, 13A, 13B, and 14 will be used to describe the operation when the optical axis shift occurs in an environment where the received light intensity changes. It is assumed that the optical axis shift occurs at time t as shown in FIG. As shown in FIGS. 13A and 13B, the received light intensities of the detector 1 and the detector 2 change in the same manner before the time t, and the ratio is constant as shown in FIG. When the optical axis shifts to the left with respect to the light receiving surface as shown in FIG. 12 at time t, the received light intensity decreases because the light emitted to the light receiving surface in the detector 1 decreases as shown in FIG. On the other hand, in the detector 2, the light emitted to the light receiving surface increases, so that the received light intensity increases. Therefore, at time t, the received light intensity ratio changes as shown in FIG. Due to this change in the received light intensity ratio, the optical axis shift can be detected even in an environment where the received light intensity changes.
  • the signals received by the two detectors have the same intensity reduction due to the influence of environmental changes. This is because the optical signal is emitted from one light source and is divided inside the receiver, which is not easily affected by environmental changes. Therefore, the influence of environmental changes can be eliminated by obtaining the intensity ratio of the signals received by the two detectors.
  • the intensity reduction amount of the signals received by the two detectors is different, so that the intensity ratio changes. For this reason, it is possible to detect the optical axis deviation from the initial state even in an environment where the received light intensity fluctuates.
  • a transmitter / receiver 40 in which the transmitter and the receiver are integrally configured may be used. It is possible to use a configuration in which the optical signal output from the transmitter / receiver 40 is reflected in the direction of the transceiver 40 by using the reflector 41 and received by the transceiver 40.
  • the reflector 41 is arranged so as to sandwich the space to be measured with the transmitter / receiver 40.
  • the optical signal output from the transmitter / receiver 40 may be reflected a plurality of times and then received by the transmitter / receiver 40 to extend the propagation distance. By doing so, the measurement accuracy can be improved.
  • the beam splitter 13 divides the optical signal into two and the two detectors 14 and 15 receive the light signal.
  • a movable mirror is used instead of the beam splitter for a fixed time.
  • the location of the optical axis may be changed for each location, and the intensity ratio of the optical signal at each location may be obtained. By doing so, it is possible to eliminate the decrease in the intensity of the optical signal due to the beam splitter and reduce the number of detectors used to one.
  • this detection system includes a transmitter 113 and a receiver 10.
  • the transmitter 113 includes a laser light source 114, a laser driver 115, and a condenser 116.
  • the laser driver 115 controls the drive current and temperature of the optical signal output from the laser light source 114, and modulates the wavelength of the optical signal.
  • the laser light source 114 outputs an optical signal having a wavelength that changes with time in the vicinity of ⁇ 1 ⁇ m.
  • ⁇ 1 is a wavelength included in the absorption band of the molecule of the gas to be measured.
  • the absorption band is a wavelength range in which light or the like hits a substance to cause absorption.
  • the optical signal output by the laser light source 114 to be used may be either pulsed light or continuous light, and may have any cross-sectional intensity distribution.
  • the receiver 10 has a detection unit 11, a processor 16, and a memory 112.
  • the detector 11 includes a condenser 12, beam splitters 13, 50, 51, and detectors 14, 15, 52, 53. Beam splitters 13, 50, 51 split the optical signal into four or more. Of the detectors 14, 15, 52, and 53, one is a main detector and three are sub-detectors. As the main detector and the sub-detector, any of the detectors 14, 15, 52 and 53 may be assigned. The main detector is arranged at the position where the received light intensity is maximized. The sub-detector is arranged so as to be slightly reduced from the position where the received light intensity is maximum.
  • the three sub-detectors are located at a position where the received light intensity increases when the optical axis of the optical signal shifts to the upper right, a position where the received light intensity increases when the optical signal shifts to the lower right, and received light when the optical signal shifts to the upper left.
  • Light is received at any of three locations, the position where the intensity increases and the position where the received light intensity increases when the intensity shifts to the lower left.
  • FIG. 7 shows the light receiving surfaces of the detectors 14, 15, 52, and 53 and the profile of the optical signal. Shown. However, due to the beam splitters 13 and 50, the detectors 15 and 52 are deviated from the other two detectors 14 and 53 in either the left-right or up-down direction. Therefore, the position of shifting the axis of the light incident on the detectors 15 and 52 is reversed from the position of FIG. 7 if the direction of inversion by the beam splitters 13 and 50 is left and right, and if it is up and down.
  • the processor 16 has a signal processing unit 17 and a determination unit 111.
  • the signal processing unit 17 includes a gas concentration calculation unit 18, a smoke concentration calculation unit 19, and an intensity ratio calculation unit 110.
  • the gas concentration calculation unit 18 calculates the gas concentration based on the electric signal output by the main detector.
  • the smoke concentration calculation unit 19 calculates the smoke concentration based on the electric signal output by the main detector.
  • the intensity ratio calculation unit calculates the ratio of the received light intensity of the main detector and the sub-detector based on the intensity of the signals output from the four detectors 14, 15, 52, and 53 of the detection unit 11.
  • the determination unit 111 determines the presence or absence of the optical axis deviation and the direction of the optical axis deviation from the received light intensity ratio output from the intensity ratio calculation unit 110 and the received light intensity ratio in the initial state stored in the memory 112.
  • the determination unit 111 has a deviation amount calculation unit 54.
  • the deviation amount calculation unit 54 calculates the deviation amount of the optical axis based on the received light intensity ratio output from the intensity ratio calculation unit 110 and the received light intensity ratio in the initial state stored in the memory 112.
  • the signal processing unit 17 and the determination unit 111 may be software or modules whose processing is executed by the processor 16 executing a program stored in the memory.
  • the processor 16 reads software (computer program) from the memory and performs the processing described below using a flowchart or the like.
  • the processor 16 may be, for example, a microprocessor, an MPU (Micro Processing Unit), or a CPU (Central Processing Unit).
  • the processor 16 may include a plurality of processors.
  • the memory 112 stores the ratio of the received light intensity of the main detector and the sub-detector in the initial state calculated by the intensity ratio calculation unit 110.
  • the beam splitters 13, 50, and 51 divide the optical signal output by the laser light source 114 into four (S71).
  • the four detectors 14, 15, 52, and 53 receive the optical signal split by the beam splitters 13, 50, and 51 (S72). In the detection unit 11, the detectors 14, 15, 52, and 53 convert the received optical signal into an electric signal and output the electric signal to the signal processing unit 17.
  • the intensity ratio calculation unit 110 calculates the intensity ratio of the signals output from the main detector and the sub-detector (S74). Here, in the initial state, it is necessary to calculate the intensity ratio of the signals output from the main detector and the sub-detector in advance and store the intensity ratio in the memory 112 (S73).
  • the determination unit 111 compares the intensity ratio calculated by the intensity ratio calculation unit 110 with the intensity ratio in the initial state stored in the memory 112 (S75). The determination unit 111 determines that there is no optical axis deviation if the difference between the intensity ratios is within the preset values ⁇ , ⁇ , and ⁇ (S76).
  • FIGS. 15, 16A, 16B, 16C, 16D, 17A, 17B, and 17C an operation when an optical axis shift occurs in an environment where a change in received light intensity occurs will be described. It is assumed that the optical axis shift occurs at time t as shown in FIG. As shown in FIGS. 16A, 16B, 16C, and 16D, the received light intensities of the four detectors change in the same manner before the time t, and the ratio is constant as shown in FIGS. 17A, 17B, and 17C. Is. At time t, the optical axis shifts to the left with respect to the light receiving surface as shown in FIG. 15, and as shown in FIG.
  • the light emitted to the light receiving surface of the main detector is slightly reduced, so that the received light intensity is also slightly reduced. Decrease.
  • the light emitted to the light receiving surface is greatly reduced, so that the received light intensity is also greatly reduced.
  • the light emitted to the light receiving surface increases, so that the received light intensity increases.
  • the sub-detector 3 the light emitted to the light receiving surface is greatly reduced, so that the received light intensity is also greatly reduced. Therefore, at time t, the received light intensity ratio changes as shown in FIGS. 17A, 17B, and 17C.
  • the signals received by the four detectors have the same amount of intensity change due to the influence of environmental changes. Therefore, the influence of environmental changes can be eliminated by obtaining the intensity ratio of the signals received by the four detectors.
  • the intensity change of the signals received by the four detectors is different, so that the intensity ratio changes.
  • the light emitted to the three sub-detectors shifts in any one of the up, down, left, and right directions, the received light intensity of one or more of the three detectors increases, and the received light intensity of the other detectors decreases. It is shifted to do. Therefore, whether the received light intensity increases or decreases depends on the direction of deviation. For these reasons, in addition to being able to detect the optical axis deviation from the initial state even in an environment where the received light intensity fluctuates, the deviation direction and the deviation amount can be calculated.
  • FIG. 10 shows a conceptual diagram of a general supplementary tracking technique.
  • the detector 95 receives the optical signal split by the beam splitter 92.
  • the detector 95 detects the fluctuation of the light receiving focal position as the amount of optical axis deviation by using the 4-segment photodetector 96 and the amplifiers 97 and 98.
  • the optical axis shift can be detected based on the light receiving intensity of the four detectors of the four-segment photodetector 96. In such a case, if the amount of received light becomes zero as shown in FIG.
  • 18D the value does not change even if the amount of light is further deviated, and the amount of optical axis deviation cannot be obtained.
  • 18A, 18B, 18C, and 18D are (B) of the general supplementary tracking technology used in the optical space communication system when there is (A) initial state and (C) optical axis deviation of the present embodiment.
  • An example of the profile of the light receiving surface and the optical signal when there is an optical axis shift in the initial state (D) is shown.
  • FIG. 18C shows the optical axis position of the optical signal incident on the receiver of the present embodiment when the distance is the same as that of FIG. 18D.
  • the condensing position is set closer to the center, it is possible to obtain a larger amount of deviation of the optical axis than the general supplementary tracking technique of FIG.
  • a transmitter / receiver 40 in which the transmitter and the receiver are integrally configured may be used. It is possible to use a configuration in which the optical signal output from the transmitter / receiver 40 is reflected in the direction of the transceiver 40 by using the reflector 41 and received by the transceiver 40. By doing so, it is possible to unify the devices that require power supply and reduce the number of devices that require explosion-proof measures.
  • the optical signal output from the transmitter / receiver 40 may be reflected a plurality of times and then received by the transmitter / receiver 40 to extend the propagation distance.
  • the optical signal divided into four passes through any of the three beam splitters 13, 50, 51 twice, respectively, but as shown in FIG. 9, the beam splitters 50, 51, 84 And the main detector 80 and the sub-detectors 81, 82, 83 may be arranged. By doing so, it is possible to reduce the amount of decrease in the intensity of the optical signal due to the beam splitter of the main detector that calculates the gas or smoke concentration.
  • the beam splitters 13, 50, and 51 divide the optical signal into four and receive the light signals by the four detectors 14, 15, 52, and 53, but instead of the beam splitter, a movable mirror is used.
  • the gas or smoke concentration is calculated from the light signal received by any of the sub-detectors, or a plurality of gas and smoke concentrations are calculated.
  • the measured value may be derived by calculating the gas or smoke concentration from the optical signal received by the detector or the optical signal received by all the detectors and taking the average or the median value thereof.
  • an example of changing the position of the optical axis of the detectors 15 and 52 from the position of FIG. 7 is shown, but the position of the optical axis is set to the position of FIG. 7, and the direction of deviation is determined by using a mirror. May be modified to be equal to the other detectors 14, 53.
  • the present invention has been used as a wide area sensor for propagating an optical signal and monitoring an abnormal situation, but it may be used in other fields such as an optical communication field.
  • An optical signal distribution means that distributes an optical signal transmitted to detect a detection target on a traveling path to two or more paths, and an optical signal distribution means.
  • a detection means for detecting the received light intensity of the optical signal at the first position where the received light intensity increases when the optical axis of the optical signal is deviated and the second position where the received light intensity decreases.
  • An intensity ratio calculating means for calculating the ratio of the received light intensity between the first position and the second position based on the output of the detecting means.
  • a determination means for determining the presence or absence of an optical axis shift based on a change in the ratio of the received light intensity calculated by the intensity ratio calculation means, Receiver with.
  • An optical signal distribution means that distributes an optical signal transmitted to detect a detection target on a traveling path to four or more paths, and an optical signal distribution means.
  • the first position where the received light intensity is maximum the second position where the received light intensity increases when the optical axis of the optical signal shifts to the upper right, and the received light intensity increases when the received light intensity shifts to the lower right.
  • a second, third, and third position consisting of a third position where the received light intensity increases when the direction is shifted to the upper left, and a fifth position where the received light intensity increases when the position is shifted toward the lower left.
  • a detection means for detecting the received light intensity of the optical signal at any three or more positions in the fourth and fifth positions, and Based on the change in the ratio of the received light intensity detected by the detection means, the determination means for determining the presence or absence of the optical axis deviation and calculating the amount of the optical axis deviation, Receiver with.
  • the determination means determines the presence or absence of an optical axis shift by comparing the ratio of the received light intensity of the preset initial value with the ratio of the received light intensity detected by the detection means.
  • the receiver described in either.
  • the optical signal distribution means is a beam splitter.
  • the receiver according to any one of Appendix 1 to 3.
  • the optical signal distribution means is a movable mirror.
  • the receiver according to any one of Appendix 1 to 3.
  • Appendix 6 The receiver according to any one of Appendix 1 to 5 and A transmitter that transmits an optical signal and A detection system that detects the detection target on the path of the optical signal transmitted from the transmitter.
  • the transmitter transmits an optical signal having a wavelength included in the absorption band of the gas to be measured.
  • the detection system according to Appendix 6.
  • Appendix 8 A transmitter / receiver in which the transmitter and the receiver are integrated, A reflector arranged so as to sandwich the measurement target space with the transmitter / receiver, which reflects the optical signal output from the transmitter / receiver to the transmitter / receiver.
  • the detection system according to any one of Appendix 6 or 7.
  • the distributed optical signal The position where the received light intensity is maximum and The position where the received light intensity increases when the optical axis of the optical signal shifts to the upper right, the position where the received light intensity increases when it shifts to the lower right, the position where the received light intensity increases when it shifts to the upper left, and the lower left.
  • Light is received at any of three or more positions where the received light intensity increases when the direction is deviated. The ratio of the received light intensity at the three or more positions and the received light intensity at the position where the received light intensity is maximum is calculated.
  • the presence or absence of an optical axis shift is determined based on whether or not the difference between the ratio of the received light intensity and the ratio of the received light intensity in the initial state is within a predetermined value range. From the difference in the amount of change in the received light intensity ratio from the initial state, it is judged whether there is a deviation in the vertical direction or a deviation in the horizontal direction. The direction of optical axis deviation is determined based on the sum and difference of the amount of change in the ratio of received light intensity from the initial state. Calculate the amount of deviation from the difference in the amount of change in the ratio of received light intensity, Detection method.
  • Appendix 12 Distribute the optical signal using a movable mirror, The detection method according to any one of Appendix 9 or 10.
  • Optical signal distribution means 10 Receiver 11 Detector 12,116 Concentrator 13,50,51,84,92 Beam splitter 14,15,52,53,93,95 Detector 16 Processor 17 Signal processing unit 18 Gas concentration Calculation unit 19 Smoke concentration calculation unit 110 Intensity ratio calculation unit 111 Judgment unit 112 Memory 113,90 Transmitter 114 Laser light source 115 Laser driver 40 Transmitter / receiver 41 Reflector 54 Misalignment calculation unit 80 Main detector 81,82,83 Sub-detection Instrument 91 Mirror 94 Discriminator 96 Splitting photo detector 97,98 Amplifier

Abstract

受信光強度が変動する環境下においても、光軸ずれを検知することができる受信器、検知システム及び検知方法を提供する。本発明にかかる受信器は、進行路上の検出対象を検出するために送信された光信号を２つ以上の経路に分配する光信号分配手段（９）と、光信号の光軸がずれた場合に受信光強度が増加する第１の位置と、受信光強度が減少する第２の位置において当該光信号の受信光強度を検出する検出部（１１）と、検出部（１１）の出力に基づいて、前記第１の位置と、前記第２の位置の受信光強度の比を算出する強度比算出部（１１０）と、強度比算出部（１１０）により算出された受信光強度の比の変化に基づいて、光軸ずれの有無を判断する判断部（１１１）とを備える。

Description

受信器、検知システム及び検知方法
　本発明は、受信器、検知システム及び検知方法に関し、特に、光信号の光軸ずれを検知する技術に関する。
　光信号を空間伝搬させ、火災等の異常状況によるガスや煙の発生を監視する広域センサを用いた検知システムが提案されている。このような検知システムは、受信光強度の初期状態からの減少量に基づいて、煙やガスの発生を検知している。ここで、ガスや煙が発生していない状態を初期状態としている。
　しかし、長期運用を行う際、外環境からの振動や衝撃によって光軸ずれが発生する場合がある。かかる場合、光軸ずれによって受信光強度が減少すると、ガスや煙の濃度が増加したと誤検知するおそれがある。
　したがって、光軸ずれが発生した場合にはすみやかにずれを検知する必要がある。ここで、受信光強度は煙の発生によっても減少するため、光軸ずれとガスや煙による受信光強度減少の切り分けを行う必要がある。
　特許文献１は、１つの主発光素子と、主発光素子の周囲に配置された２以上の副発光素子を用いて、煙発生の有無を監視する技術を開示している。主発光素子の受光量の減光率が閾値以上となった場合、主発光素子を消灯させ、２つ以上の副発光素子を順次点灯させる。複数の発光素子のうち、全ての受光量の減光率が閾値を上回っている場合は煙の発生によるものと判断し、一部の発光素子のみ閾値を上回っている場合は光軸ずれによるものであると判断する。
　光を用いてガスを検知する方法は、検出対象となるガスが物質ごとに固有の波長の光を吸収するという性質を利用している。ガス濃度を算出する方式は一般的に２種類ある。
　１つ目は、吸収波長近傍の波長を出力する狭い波長帯域の光源を用い、波長を変調してガス検知を行う方式である。非特許文献１は、波長変調分光法（ＷＭＳ：Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）によりガスを検知する技術を開示している。
　２つ目は、広い波長帯域の光源を用いて、既知のスペクトル強度からガス濃度を算出する方式である。非特許文献２は差分吸収分光法（ＤＯＡＳ：Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）により、ガスを検知する技術を開示している。
特開２０１２－１６４１１２号公報
井関孝弥、"近赤外半導体レーザを用いた微量気体検出技術,"日本機械学会誌，Ｖｏｌ．１０７，Ｎｏ．１０２２，ｐ．５１（２００４） 齊藤隼人 他、"近赤外領域の差分吸収分光法を応用した大気中二酸化炭素の吸収測定，"第３１回レーザセンシングシンポジウム、Ｄ－３（２０１３）
　光信号を空間伝搬させる広域センサにおいて、ガスや煙、粉塵等によって受信光強度が減少している状況下においては、光軸ずれを検知できないという問題があった。
　特許文献１の方法は、一部の発光素子だけによる受光量が閾値を下回っている場合は光軸ずれと判断する。したがって、全ての発光素子による受光量が閾値を下回っている場合には、光軸ずれを検知することができない。よって、受信光強度が減少している環境下においては、特許文献１の方法によっても、光軸ずれを検知することはできない。
　本開示は上記課題を解決するためにされたものであって、受信光強度が変動する環境下においても光軸ずれを検知することができる受信器、検知システム及び検知方法を提供することを目的とする。
　本開示にかかる受信器は、進行路上の検出対象を検出するために送信された光信号を２つ以上の経路に分配する光信号分配手段と、光信号の光軸がずれた場合に受信光強度が増加する第１の位置と、受信光強度が減少する第２の位置において当該光信号の受信光強度を検出する検出部と、前記検出部の出力に基づいて、前記第１の位置と、前記第２の位置の受信光強度の比を算出する強度比算出部と、前記強度比算出部により算出された受信光強度の比の変化に基づいて、光軸ずれの有無を判断する判断部と、を備えたものである。
　本開示にかかる検知システムは、上記受信器と、光信号を送信する送信器と、を備え、送信器から送信された光信号の進行路上の検出対象を検知するものである。
　本開示にかかる検知方法は、信号を２つ以上の経路に分配し、分配された光信号を、光信号の光軸がずれたとき受信光強度が増加する第１の位置と、受信光強度が減少する第２の位置において受光し、前記第１の位置と、前記第２の位置における信号強度に基づいて、受信光強度の比を算出し、受信光強度比の変化に基づいて、光軸ずれの有無を判断する、ものである。
　本開示によれば、受信光が変動する環境下においても、複数の検出位置の受信光強度の比にもとづいて、光軸ずれを検知することができる。受信光強度が変動する環境下においても、それぞれの検出器の受信光強度は同じ割合で変化し、その比は一定となるためである。
本発明の第１の発明を実施するための形態の構成を示すブロック図である。 本発明の第２の発明を実施するための形態の構成を示すブロック図である。 第２の発明を実施するための形態の検出器に入射する光信号の入射位置を示す図である。 第２の発明を実施するための形態の動作を示す流れ図である。 第２の発明を実施するための形態にかかる送信器と受信器とを一体として構成する送受信器を示す図である。 本発明の第３の発明を実施するための形態の構成を示すブロック図である。 第３の発明を実施するための形態の検出器に入射する光信号の入射位置を示す図である。 第３の発明を実施するための形態の動作を示す流れ図である。 第３の発明を実施するための形態にかかるビームスプリッタと検出器の位置を変更した検出部を示す図である。 光通信システムに用いられる一般的な補足追尾技術の概念図である。 光通信システムに用いられる一般的な補足追尾技術における（A）光軸ずれがない状態の受光面と光信号のプロファイルを示す図である。 光通信システムに用いられる一般的な補足追尾技術における（B）大きく光軸がずれた状態の受光面と光信号のプロファイルを示す図である。 第２の発明を実施するための形態にかかる初期状態の光信号のプロファイルと時刻ｔで光軸ずれが起こった際のプロファイルを示す図である。 第２の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の検出器１の受信光強度の時間変化を示すグラフである。 第２の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の検出器２の受信光強度の時間変化を示すグラフである。 第２の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の２つの検出器の強度比の時間変化を示すグラフである。 第３の発明を実施するための形態にかかる初期状態の光信号のプロファイルと時刻ｔで光軸ずれが起こった際のプロファイルを示す図である。 第３の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の主検出器の受信光強度の時間変化を示すグラフである。 第３の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の副検出器１の受信光強度の時間変化を示すグラフである。 第３の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の副検出器２の受信光強度の時間変化を示すグラフである。 第３の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の副検出器３の受信光強度の時間変化を示すグラフである。 第３の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の副検出器１と主検出器との受信光強度比の時間変化を示すグラフである。 第３の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の副検出器２と主検出器との受信光強度比の時間変化を示すグラフである。 第３の発明を実施するための形態にかかる時刻ｔで光軸ずれが起こった場合の副検出器３と主検出器との受信光強度比の時間変化を示すグラフである。 第３の発明を実施するための形態の受光器に入射する光信号の初期状態の光軸位置（A）を示す図である。 一般的な補足追尾技術の受光器に入射する光信号の初期状態の光軸位置（B）を示す図である。 光軸ずれがある場合の第３の発明を実施するための形態の検出器に入射する光信号の光軸位置の例（C）を示す図である。 光軸ずれがある場合の一般的な補足追尾技術の検出器に入射する光信号の光軸位置の例（D）を示す図である。
＜第１実施形態＞
　図１を用いて、本発明の実施の形態にかかる、光信号の進行路における検知対象を検知するための受信器の構成について説明する。この受信器は、図１に示されるように、検出部１１、強度比算出部１１０及び判断部１１１を備えている。図２のように、メモリ１１２を備えることもできる。
　検出部１１は、光信号分配手段９、及び検出器１４を備えている。検出器１４は、図３に示すように分配された光信号を、光信号の光軸がずれたときに受信光強度が増加する第１の位置と、受信光強度が減少する第２の位置における受光量を検出する。検出器１４は、検出した受信光強度を強度比算出部１１０に出力する。
　強度比算出部１１０は、検出部１１から出力された、第１の位置と第２の位置における受信光強度比を算出する。
　判断部１１１は、強度比算出部１１０から出力された受信光強度比の変化に基づいて光軸ずれの有無を判断する。
　次に図４を用いて、本発明の実施形態１に係る検知システムにおける処理について説明する。
　検出部１１において、光信号分配手段９は、光信号を２以上に分割する（Ｓ０１）。
　検出器１４は、分配された光信号を受光する（Ｓ０２）。
　強度比算出部１１０は、検出器１４から出力された２つの受光位置における信号の強度比を算出する（Ｓ０４）。
　ここで、あらかじめ初期状態において、検出器１４から出力された信号の強度比を算出して、メモリ１１２に保存しておく必要がある（Ｓ０３）。
　判断部１１１は、強度比算出部１１０において算出された強度比とメモリ１１２に保存された初期状態での強度比を比較する（Ｓ０５）。判断部１１１は、２つの強度比の差があらかじめ設定した値αの範囲内であれば光軸ずれなしと判断し（Ｓ０７）、範囲外であれば光軸ずれありと判断する（Ｓ０６）。なお、本実施形態では、メモリ１１２に保存された初期状態での強度比を比較対象としているがこれに限られない。
　本実施の形態にかかる検知システムにおいて、環境変動の影響が少ない受信器内部で光信号を分配しているため、それぞれの検出位置において受光する信号は環境変動の影響による強度減少量が等しい。そのため、２つの検出器が受信する信号の強度比を求めることで、環境変動の影響を排除することができる。一方、光軸が初期状態からずれた場合、２つの受光位置における受信する信号の強度減少量はそれぞれ異なるため強度比が変化する。
　よって、本実施の形態にかかる検知システムは、受信光強度が変動する環境下においても光軸ずれを検知することができる。
＜第２実施形態＞
　図２を用いて、本発明の実施の形態にかかる光軸ずれの検知システムの構成について説明する。この検知システムは、図２に示されるように、送信器１１３、受信器１０を備えている。検出システムは、送信器１１３から出力される光信号を、受信器１０により受信する。受信器１０は、光信号の受信強度に基づいて、送信器１１３と受信器１０の間の進行路における検出対象（例えば、ガス）の存在を検出する。
　送信器１１３は、レーザ光源１１４、レーザドライバ１１５、及び集光器１１６を有する。
　レーザドライバ１１５は、レーザ光源１１４から出力される光信号の駆動電流及び温度を制御し、光信号の波長を変調する。レーザ光源１１４は、時間変化する波長がλ１μｍ付近の光信号を出力する。λ１は測定対象ガスの分子が有する吸収帯に含まれる波長である。吸収帯とは光などが物質にあたることで吸収が生じる波長域のことである。また、用いるレーザ光源１１４が出力する光信号は、パルス光と連続光のどちらでもよく、どのような断面強度分布でもよい。
　受信器１０は、検出部１１、プロセッサ１６、及びメモリ１１２を有する。
　検出部１１は、集光器１２、ビームスプリッタ１３、及び検出器１４、１５を有する。ビームスプリッタ１３は光信号を２つに分割する。検出器１４、１５は、受信光強度が最大となる位置から、受信光強度がわずかに減少するようにずらして配置する。図３に、検出器１４、１５の受光面と光信号のプロファイルを示す。
　ただし、ビームスプリッタ１３により、検出器１５は、他の検出器１４と左右もしくは上下のどちらかのずれ方向が逆転する。したがって、検出器１５に入射する光の軸をずらす位置を、図３の位置から、ビームスプリッタ１３によって反転する方向が左右なら左右、上下なら上下逆にする。
　プロセッサ１６は、信号処理部１７、判断部１１１を有する。
　信号処理部１７は、ガス濃度算出部１８、煙濃度算出部１９、及び強度比算出部１１０を有する。
　ガス濃度算出部１８は、２つの検出器の一方が出力した電気信号、もしくは両方から出力された電気信号の平均の値を元にガス濃度を算出する。
　煙濃度算出部１９は、２つの検出器の一方が出力した電気信号、もしくは両方から出力された電気信号の平均の値を元に煙濃度を算出する。
　強度比算出部は、検出部１１の２つの検出器１４、１５から出力された信号の強度比を算出する。
　判断部１１１は、強度比算出部１１０から出力された受信光強度比と、メモリ１１２に保存された初期状態における受信光強度比から、光軸ずれの有無を判断する。
　信号処理部１７、及び判断部１１１は、プロセッサ１６がメモリに格納されたプログラムを実行することによって処理が実行されるソフトウェアもしくはモジュールであってもよい。また、信号処理部１７、及び判断部１１１は、回路もしくはチップ等のハードウェアであってもよい。
　プロセッサ１６は、メモリからソフトウェア（コンピュータプログラム）を読み出して、以降においてフローチャート等を用いて説明される処理を行う。プロセッサ１６は、例えば、マイクロプロセッサ、MPU（Micro Processing Unit）、又はCPU（Central Processing Unit）であってもよい。プロセッサ１６は、複数のプロセッサを含んでもよい。
　メモリ１１２は、強度比算出部１１０において算出された初期状態における検出器１４、１５の受信光強度の比を保存する。
　次に図４を用いて、本発明の実施形態１に係る検知システムにおける処理について説明する。
　検出部１１において、ビームスプリッタ１３は、光信号を２以上に分割する（Ｓ０１）。
　検出器１４、１５は、ビームスプリッタ１３で分割された光信号を受光する（Ｓ０２）。
　強度比算出部１１０は、検出器１４、１５から出力された信号の強度比を算出する（ＳＯ４）。
　ここで、あらかじめ初期状態において、検出器１４、１５から出力された信号の強度比を算出して、メモリ１１２に保存しておく必要がある（ＳＯ３）。
　判断部１１１は、強度比算出部１１０において算出された強度比とメモリ１１２に保存された初期状態での強度比を比較する（Ｓ０５）。
　判断部１１１は、２つの強度比の差があらかじめ設定した値αの範囲内であれば光軸ずれなしと判断し（Ｓ０７）、範囲外であれば光軸ずれありと判断する（Ｓ０６）。
　図１２、１３Ａ、１３Ｂ、１４を用いて、受信光強度の変化が発生している環境下で光軸ずれが起こった場合の動作を説明する。図１２のように時刻ｔで光軸ずれが発生したとする。図１３Ａ、図１３Ｂのように時刻ｔよりも前には検出器１と検出器２の受信光強度は同様に変化し、図１４のようにその比は一定である。
　時刻ｔにおいて図１２のように光軸が受光面に対して左にずれると、図１２のように、検出器１では受光面に照射される光が減るため受信光強度が減少する。一方、検出器２では受光面に照射される光が増えるため受信光強度が増加する。
　そのため、時刻ｔにおいて図１４のように受信光強度比が変化する。この受信光強度比の変化により、受信光強度の変化がある環境下でも光軸ずれを検知することができる。
　本実施の形態では、２つの検出器が受信する信号は、環境変動の影響による強度減少量が等しい。光信号は、一つの光源から出射し、環境変動の影響を受けにくい受信器内部で分割されているためである。
　そのため、２つの検出器が受信する信号の強度比を求めることで環境変動の影響を排除することができる。
　光軸が初期状態からずれた場合、２つの検出器が受信する信号の強度減少量はそれぞれ異なるため強度比が変化する。この理由により、受信光強度が変動する環境下においても初期状態からの光軸ずれを検知することができる。
　なお、本実施形態の内容は上述した説明に限定されない。
　上述の説明においては、送信器１１３と受信器１０を分けて使用する例を示したが、図５のように、送信器と受信器を一体として構成する送受信器４０を用いてもよい。送受信器４０から出力された光信号を、反射板４１を用いて送受信器４０方向に反射させ、送受信器４０で受信する構成を使用することができる。反射板４１は、送受信器４０と測定対象空間を挟むように配置する。これにより、給電が必要な装置を１つにし、防爆対策が必要な装置を減らすことができる。
　また、送受信器４０から出力された光信号を複数回反射させてから送受信器４０で受信させ、伝搬距離をのばしても良い。このようにすることで、測定精度を向上させることができる。
　上述の説明においては、ビームスプリッタ１３で光信号を二つに分けて２つの検出器１４、１５で受光する例を示したが、ビームスプリッタの代わりに可動式ミラーを使用して、一定微小時間毎に光軸の場所を変化させ、それぞれの場所での光信号の強度比を求めてもよい。このようにすることで、ビームスプリッタによる光信号の強度減少をなくし、用いる検出器を１つに減らすことができる。
＜第３実施形態＞
　図６を用いて、本発明の実施の形態にかかる光軸ずれの検知システムの構成について説明する。この検知システムは、図６に示されるように、送信器１１３、受信器１０を備えている。
　送信器１１３は、レーザ光源１１４、レーザドライバ１１５、及び集光器１１６を有する。
　レーザドライバ１１５は、レーザ光源１１４から出力される光信号の駆動電流及び温度を制御し、光信号の波長を変調する。レーザ光源１１４は、時間変化する波長がλ１μｍ付近の光信号を出力する。λ１は測定対象ガスの分子が有する吸収帯に含まれる波長である。吸収帯とは光などが物質にあたることで吸収が生じる波長域のことである。また、用いるレーザ光源１１４が出力する光信号は、パルス光と連続光のどちらでもよく、どのような断面強度分布でもよい。
　受信器１０は、検出部１１、プロセッサ１６、及びメモリ１１２を有する。
　検出部１１は、集光器１２、ビームスプリッタ１３、５０、５１、及び検出器１４、１５、５２、５３を有する。ビームスプリッタ１３、５０、５１は光信号を４以上に分割する。
　検出器１４、１５、５２、５３のうち、１つを主検出器、３つを副検出器とする。主検出器、副検出器は、検出器１４、１５、５２、５３のいずれを割り当ててもよい。
　主検出器は、受信光強度が最大となる位置に配置する。
　副検出器は、受信光強度が最大となる位置から、受信光強度がわずかに減少するようにずらして配置する。３つの副検出器は、光信号の光軸が右上方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、右下方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、左上方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、左下方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、のいずれか３か所において受光する
　図７に検出器１４、１５、５２、５３の受光面と光信号のプロファイルを示す。
　ただし、ビームスプリッタ１３、５０により、検出器１５、５２は、他の２つの検出器１４、５３と左右もしくは上下のどちらかのずれ方向が逆転する。したがって、検出器１５、５２に入射する光の軸をずらす位置を、図７の位置から、ビームスプリッタ１３、５０によって反転する方向が左右なら左右、上下なら上下逆にする。
　プロセッサ１６は、信号処理部１７、判断部１１１を有する。
　信号処理部１７は、ガス濃度算出部１８、煙濃度算出部１９、及び強度比算出部１１０を有する。
　ガス濃度算出部１８は、主検出器が出力した電気信号を元にガス濃度を算出する。
　煙濃度算出部１９は、主検出器が出力した電気信号を元に煙濃度を算出する。
　強度比算出部は、検出部１１の４つの検出器１４、１５、５２、５３から出力された信号の強度に基づいて、主検出器と副検出器の受信光強度の比を算出する。
　判断部１１１は、強度比算出部１１０から出力された受信光強度比と、メモリ１１２に保存された初期状態における受信光強度比から、光軸ずれの有無と光軸ずれの方向を判断する。
　判断部１１１は、ずれ量算出部５４を有する。ずれ量算出部５４は、強度比算出部１１０から出力された受信光強度比と、メモリ１１２に保存された初期状態における受信光強度比に基づいて、光軸のずれ量を算出する。
　信号処理部１７、判断部１１１は、プロセッサ１６がメモリに格納されたプログラムを実行することによって処理が実行されるソフトウェアもしくはモジュールであってもよい。
　プロセッサ１６は、メモリからソフトウェア（コンピュータプログラム）を読み出して、以降においてフローチャート等を用いて説明される処理を行う。プロセッサ１６は、例えば、マイクロプロセッサ、MPU（Micro Processing Unit）、又はCPU（Central Processing Unit）であってもよい。プロセッサ１６は、複数のプロセッサを含んでもよい。
　メモリ１１２は、強度比算出部１１０において算出された、初期状態における主検出器と副検出器の受信光強度の比を保存する。
　次に図８を用いて、本発明の実施形態３にかかる検知システムにおける処理について説明する。
　検出部１１において、ビームスプリッタ１３、５０、５１は、レーザ光源１１４が出力した光信号を４つに分割する（Ｓ７１）。
　検出部１１において、４つの検出器１４、１５、５２、５３は、ビームスプリッタ１３、５０、５１で分割された光信号を受光する（Ｓ７２）。
　検出部１１において、検出器１４、１５、５２、５３は、受光した光信号を電気信号へと変換し、電気信号を信号処理部１７へ出力する。
　強度比算出部１１０は、主検出器と副検出器から出力された信号の強度比を算出する（Ｓ７４）。
　ここで、あらかじめ初期状態において、主検出器と副検出器から出力された信号の強度比を算出し、強度比をメモリ１１２に保存しておく必要がある（Ｓ７３）。
　判断部１１１は、強度比算出部１１０で算出された強度比とメモリ１１２に保存された初期状態での強度比を比較する（Ｓ７５）。
　判断部１１１は、それぞれの強度比の差があらかじめ設定した値α、β、γの範囲内であれば光軸ずれなしと判断する（Ｓ７６）。
　光軸ずれありと判断する場合、副検出器１と主検出器、副検出器３と主検出器の強度比変化量の差が、があらかじめ設定した値δ以下であれば（Ｓ７７）、上下方向の光軸ずれがないと判断する（Ｓ７８）。
　同様に、副検出器１と主検出器、副検出器２と主検出器の強度比変化量の差があらかじめ設定した値ε以下であれば（Ｓ７１４）、左右方向の光軸ずれがないと判断する（Ｓ７１５）。
　上下方向に光軸ずれがあると判断した場合には、光軸を中心から下方向にずらした検出器と主検出器の強度比変化量の和と、光軸を中心から上方向にずらした検出器と主検出器の強度比変化量の和のどちらが大きいかを判断する（Ｓ７９）。
　Ｓ７９において、上方向にずらした検出器と主検出器の強度比の変化量の和の方が大きい場合、下方向のずれと判断（Ｓ７１０）し、ずれ量を算出する（Ｓ７１１）。
　Ｓ７９において、上方向にずらした検出器と主検出器の強度比の変化量の和の方が小さい場合、上方向のずれと判断し（Ｓ７１２）、ずれ量を算出する（Ｓ７１３）。
　左右方向に光軸ずれがあると判断した場合には、光軸を中心から左方向にずらした検出器と主検出器の強度比変化量の和と、光軸を中心から右方向にずらした検出器と主検出器の強度比変化量の和のどちらが大きいかを判断する（Ｓ７１６）。
　Ｓ７１６において、左方向にずらした検出器と主検出器の強度比の変化量の和の方が大きい場合、右方向のずれと判断し（Ｓ７１７）、ずれ量算出部５４はずれ量を算出する（Ｓ７１８）。
　Ｓ７１６において、左方向にずらした検出器と主検出器の強度比の変化量の和の方が小さい場合、左方向のずれと判断し（Ｓ７１９）、ずれ量算出部５４はずれ量を算出する（Ｓ７２０）。
　図１５、１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ、１６Ｄ、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを用いて、受信光強度の変化が発生している環境下で光軸ずれが起こった場合の動作を説明する。図１５のように時刻ｔで光軸ずれが発生したとする。図１６Ａ、図１６Ｂ、図１６Ｃ、図１６Ｄのように時刻ｔよりも前には４つの検出器の受信光強度は同様に変化し、図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃのようにその比は一定である。
　時刻ｔにおいて図１５のように光軸が受光面に対して左にずれたため、図１５のように、主検出器では受光面に照射される光がわずかに減るため，受信光強度もわずかに減少する。副検出器１では受光面に照射される光が大きく減るため受信光強度も大きく減少する。副検出器２では受光面に照射される光が増えるため受信光強度は増加する。副検出器３では受光面に照射される光が大きく減るため受信光強度も大きく減少する。したがって、時刻ｔにおいて図１７Ａ、図１７Ｂ、図１７Ｃのように受信光強度比が変化する。この受信光強度の変化を捉えることによってガスや、煙、粉塵等による受信光強度の変化がある環境下でも光軸ずれを検知し、ずれ方向及びずれ量を算出することができる。
　本実施の形態では、４つの検出器が受信する信号は、環境変動の影響による強度変化量が等しい。そのため、４つの検出器が受信する信号の強度比を求めることで環境変動の影響を排除することができる。
　光軸が初期状態からずれた場合、４つの検出器が受信する信号の強度変化量はそれぞれ異なるため強度比が変化する。３つの副検出器に照射される光は上下左右いずれか１つの方向にずれた場合、３つのうち１つ以上の検出器の受信光強度が増加し、そのほかの検出器では受信光強度が減少するようにずらしている。よってずれる方向によって受信光強度が増加するのか減少するのか変化する。これらの理由により、受信光強度が変動する環境下においても初期状態からの光軸ずれを検知できることに加えて、ずれ方向及びずれ量を算出することができる。
　また、本実施の形態では、光空間通信システムに用いられる一般的な補足追尾技術よりも大きな光軸のずれを検知することができる。
　図１０に、一般的な補足追尾技術の概念図を示す。ビームスプリッタ９２によって分割された光信号を検出器９５が受光する。検出器９５は、４分割フォトディテクタ９６及び増幅器９７、９８を用いて受光焦点位置の変動を光軸ずれ量として検出する。４分割フォトディテクタ９６の４つのディテクタの受光強度に基づいて、光軸ずれを検出することができる。かかる場合、図１８Ｄのように受光量がゼロになれば、それ以上ずれても値が変化せず光軸ずれ量を求めることができなかった。
　図１８Ａ、図１８Ｂ、図１８Ｃ、図１８Ｄは本実施の形態の（A）初期状態、（C）光軸ずれがあるとき、光空間通信システムに用いられる一般的な補足追尾技術の（B）初期状態、（D）光軸ずれがあるときの受光面と光信号のプロファイルの例を示す。図１８Ｃは図１８Ｄと同じ量だけずれた時の本実施の形態の受光器に入射する光信号の光軸位置である。本実施の形態では、集光位置をより中央に近い位置に設定しているため図１０の一般的な補足追尾技術よりも大きな光軸のずれ量を求めることができる。
　なお、本実施形態の内容は上述した説明に限定されない。上述の説明においては、送信器１１３と受信器１０を分けて使用する例を示したが、図５のように、送信器と受信器を一体として構成する送受信器４０を用いてもよい。送受信器４０から出力された光信号を、反射板４１を用いて送受信器４０方向に反射させ、送受信器４０で受信する構成を使用することができる。このようにすることで、給電が必要な装置を１つにし、防爆対策が必要な装置を減らすことができる。
　送受信器４０から出力された光信号を複数回反射させてから、送受信器４０で受信させ、伝搬距離をのばしても良い。このようにすることで、測定精度を向上させることができる。
　上述の説明においては、４つに分割された光信号はそれぞれ２回、３つのビームスプリッタ１３、５０、５１のいずれかを経由しているが、図９のようにビームスプリッタ５０、５１、８４と主検出器８０、副検出器８１、８２、８３を配置してもよい。このようにすることで、ガスや煙濃度算出を行う主検出器のビームスプリッタによる光信号の強度減少量を軽減することができる。
　上述の説明においては、ビームスプリッタ１３、５０、５１で光信号を４つに分けて４つの検出器１４、１５、５２、５３で受光する例を示したが、ビームスプリッタの代わりに可動式ミラーを使用して、一定微小時間毎に光軸の場所を変化させ、それぞれの場所での光信号の強度比を求めてもよい。このようにすることで、ビームスプリッタによる光信号の強度減少をなくし、用いる検出器を１つに減らすことができる。
　上述の説明においては、主検出器で受光した光信号からガスや煙濃度を算出する例を示したが、いずれかの副検出器で受光した光信号からガスや煙濃度を算出、もしくは複数の検出器で受光した光信号またはすべての検出器で受光した光信号からガスや煙濃度を算出しその平均または中央値をとることで計測値を導出してもよい。
　また、上述の説明においては、検出器１５、５２の光軸の位置を図７の位置から変化させる例を示したが、光軸の位置を図７の位置とし、ミラーを用いてずれの方向を他の検出器１４、５３と等しくなるよう修正してもよい。
　上述の説明においては、本願発明を、光信号を伝搬させ異常状況を監視する広域センサに用いる例を示したが、光通信分野等、他の分野に用いてもよい。
　なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。
　以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
　この出願は、２０１９年３月２６日に出願された日本出願特願２０１９－０５８４５５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。
　上記の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
（付記１）
　進行路上の検出対象を検出するために送信された光信号を２つ以上の経路に分配する光信号分配手段と、
　光信号の光軸がずれた場合に受信光強度が増加する第１の位置と、受信光強度が減少する第２の位置において当該光信号の受信光強度を検出する検出手段と、
　前記検出手段の出力に基づいて、前記第１の位置と、前記第２の位置の受信光強度の比を算出する強度比算出手段と、
　前記強度比算出手段により算出された受信光強度の比の変化に基づいて、光軸ずれの有無を判断する判断手段と、
　を備えた受信器。
（付記２）
　進行路上の検出対象を検出するために送信された光信号を４つ以上の経路に分配する光信号分配手段と、
　受信光強度が最大となる第１の位置と、光信号の光軸が右上方向にずれたときに受信光強度が増加する第２の位置、右下方向にずれたときに受信光強度が増加する第３の位置、左上方向にずれたときに受信光強度が増加する第４の位置、左下方向にずれたときに受信光強度が増加する第５の位置からなる第２、第３、第４及び第５の位置におけるいずれか３か所以上の位置において当該光信号の受信光強度を検出する検出手段と、
　前記検出手段により検出された受信光強度の比の変化に基づいて、光軸ずれの有無を判断するとともに、光軸ずれ量の算出を行う判断手段と、
　を備えた受信器。
（付記３）
　前記判断手段は、予め設定された初期値の受信光強度の比と、前記検出手段により検出された受信光強度の比を比較することによって光軸ずれの有無を判断する、付記１又は２のいずれかに記載の受信器。
（付記４）
　前記光信号分配手段は、ビームスプリッタである、
　付記１から３のいずれか一項に記載の受信器。
（付記５）
　前記光信号分配手段は、可動式ミラーである、
　付記１から３のいずれか一項に記載の受信器。
（付記６）
　付記１から５のいずれか一項に記載の受信器と、
　光信号を送信する送信器と、
　を備え、送信器から送信された光信号の進行路上の検出対象を検知する検知システム。
（付記７）
　前記送信器は測定対象ガスの有する吸収帯に含まれる波長の光信号を送信する、
　付記６に記載の検知システム。
（付記８）
　前記送信器と前記受信器が一体となった送受信器と、
前記送受信器から出力された光信号を前記送受信器に反射させる、前記送受信器と測定対象空間を挟むように配置した反射板と、
　を備えた付記６又は７のいずれか一項に記載の検知システム。
（付記９）
　光信号を２つ以上の経路に分配し、
　分配された光信号を、光信号の光軸がずれたとき受信光強度が増加する第１の位置と、受信光強度が減少する第２の位置において受光し、
　前記第１の位置と、前記第２の位置における信号強度に基づいて、受信光強度の比を算出し、
　受信光強度比の変化に基づいて、光軸ずれの有無を判断する、
検知方法。
（付記１０）
　光信号を４つ以上の経路に分配し、
　前記分配された光信号を、
　受信光強度最大となる位置と、
　光信号の光軸が右上方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、右下方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、左上方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、左下方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、のいずれか３か所以上の位置において受光し、
　前記３か所以上の位置における受信光強度と、受信光強度最大となる位置における受信光強度の比を算出し、
　受信光強度の比と初期状態における受信光強度の比の差が、所定値の範囲内であるかどうかに基づいて、光軸ずれの有無を判断し、
　受信光強度の比の初期状態からの変化量の差から上下方向にずれがあるか、左右方向にずれがあるかを判断し、
　受信光強度の比の初期状態からの変化量の和と差に基づいて、光軸ずれ方向を判断し、
　受信光強度の比の変化量の差からずれ量を算出する、
検知方法。
（付記１１）
　ビームスプリッタを用いて光信号を分配する、
付記９または１０のいずれか一項に記載の検知方法。
（付記１２）
　可動式ミラーを用いて光信号を分配する、
付記９または１０のいずれか一項に記載の検知方法。
　９　光信号分配手段
　１０　受信器
　１１　検出部
　１２,１１６　集光器
　１３,５０,５１,８４,９２　ビームスプリッタ
　１４,１５,５２,５３,９３,９５　検出器
　１６　プロセッサ
　１７　信号処理部
　１８　ガス濃度算出部
　１９　煙濃度算出部
　１１０　強度比算出部
　１１１　判断部
　１１２　メモリ
　１１３,９０　送信器
　１１４　レーザ光源
　１１５　レーザドライバ
　４０　送受信器
　４１　反射板
　５４　ずれ量算出部
　８０　主検出器
　８１,８２,８３　副検出器
　９１　ミラー
　９４　識別器
　９６　４分割フォトディテクタ
　９７,９８　増幅器

Claims (12)

  1. 　進行路上の検出対象を検出するために送信された光信号を２つ以上の経路に分配する光信号分配手段と、
    　光信号の光軸がずれた場合に受信光強度が増加する第１の位置と、受信光強度が減少する第２の位置において当該光信号の受信光強度を検出する検出手段と、
    　前記検出手段の出力に基づいて、前記第１の位置と、前記第２の位置の受信光強度の比を算出する強度比算出手段と、
    　前記強度比算出手段により算出された受信光強度の比の変化に基づいて、光軸ずれの有無を判断する判断手段と、
    　を備えた受信器。
  2. 　進行路上の検出対象を検出するために送信された光信号を４つ以上の経路に分配する光信号分配手段と、
    　受信光強度が最大となる第１の位置と、光信号の光軸が右上方向にずれたときに受信光強度が増加する第２の位置、右下方向にずれたときに受信光強度が増加する第３の位置、左上方向にずれたときに受信光強度が増加する第４の位置、左下方向にずれたときに受信光強度が増加する第５の位置からなる第２、第３、第４及び第５の位置におけるいずれか３か所以上の位置において当該光信号の受信光強度を検出する検出手段と、
    　前記検出手段により検出された受信光強度の比の変化に基づいて、光軸ずれの有無を判断するとともに、光軸ずれ量の算出を行う判断手段と、
    　を備えた受信器。
  3. 　前記判断手段は、予め設定された初期値の受信光強度の比と、前記検出手段により検出された受信光強度の比を比較することによって光軸ずれの有無を判断する、請求項１又は２のいずれかに記載の受信器。
  4. 　前記光信号分配手段は、ビームスプリッタである、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載の受信器。
  5. 　前記光信号分配手段は、可動式ミラーである、
    　請求項１から３のいずれか一項に記載の受信器。
  6. 　請求項１から５のいずれか一項に記載の受信器と、
    　光信号を送信する送信器と、
    　を備え、送信器から送信された光信号の進行路上の検出対象を検知する検知システム。
  7. 　前記送信器は測定対象ガスの有する吸収帯に含まれる波長の光信号を送信する、
    　請求項６に記載の検知システム。
  8. 　前記送信器と前記受信器が一体となった送受信器と、
    前記送受信器から出力された光信号を前記送受信器に反射させる、前記送受信器と測定対象空間を挟むように配置した反射板と、
    　を備えた請求項６又は７のいずれか一項に記載の検知システム。
  9. 　光信号を２つ以上の経路に分配し、
    　分配された光信号を、光信号の光軸がずれたとき受信光強度が増加する第１の位置と、受信光強度が減少する第２の位置において受光し、
    　前記第１の位置と、前記第２の位置における信号強度に基づいて、受信光強度の比を算出し、
    　受信光強度比の変化に基づいて、光軸ずれの有無を判断する、
    検知方法。
  10. 　光信号を４つ以上の経路に分配し、
    　前記分配された光信号を、
    　受信光強度最大となる位置と、
    　光信号の光軸が右上方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、右下方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、左上方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、左下方向にずれた時に受信光強度が増加する位置、のいずれか３か所以上の位置において受光し、
    　前記３か所以上の位置における受信光強度と、受信光強度最大となる位置における受信光強度の比を算出し、
    　受信光強度の比と初期状態における受信光強度の比の差が、所定値の範囲内であるかどうかに基づいて、光軸ずれの有無を判断し、
    　受信光強度の比の初期状態からの変化量の差から上下方向にずれがあるか、左右方向にずれがあるかを判断し、
    　受信光強度の比の初期状態からの変化量の和と差に基づいて、光軸ずれ方向を判断し、
    　受信光強度の比の変化量の差からずれ量を算出する、
    検知方法。
  11. 　ビームスプリッタを用いて光信号を分配する、
    請求項９または１０のいずれか一項に記載の検知方法。
  12. 　可動式ミラーを用いて光信号を分配する、
    請求項９または１０のいずれか一項に記載の検知方法。
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