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特開2024-179382ガスの吸収特性測定装置、温度計測装置、濃度比計測装置及びガスの吸収特性測定方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024179382
(43)【公開日】2024-12-26
(54)【発明の名称】ガスの吸収特性測定装置、温度計測装置、濃度比計測装置及びガスの吸収特性測定方法
(51)【国際特許分類】
G01N 21/3504 20140101AFI20241219BHJP
G01N 21/39 20060101ALI20241219BHJP
【ＦＩ】
G01N21/3504
G01N21/39
【審査請求】未請求
【請求項の数】13
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023098191
(22)【出願日】2023-06-15
(71)【出願人】
【識別番号】000006208
【氏名又は名称】三菱重工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000785
【氏名又は名称】ＳＳＩＰ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】近藤 明生
(72)【発明者】
【氏名】宮▲崎▼ 洸治
(72)【発明者】
【氏名】竹田 英哲
【テーマコード（参考）】
2G059
【Ｆターム（参考）】
2G059AA01
2G059BB01
2G059CC09
2G059EE01
2G059EE11
2G059GG02
2G059GG03
2G059GG09
2G059HH01
2G059JJ22
2G059KK01
2G059MM01
(57)【要約】 （修正有）
【課題】波長が互いに異なる２つのレーザ光の吸光度の比を精度良く取得可能なガスの吸収特性測定装置を提供する。
【解決手段】ガスの吸収特性測定装置は、第１波長を有する第１レーザ光を発振する第１レーザダイオード２と、第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振する第２レーザダイオード４と、既定の変調周波数を有する第１変調信号で第１レーザ光を変調する第１変調部６と、変調周波数を有するとともに第１変調信号と位相差を有する第２変調信号で第２レーザ光を変調する第２変調部８と、変調された第１レーザ光と変調された第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得る合波器１０と、測定対象のガス１２を透過した合波レーザ光を受け取って検出信号に変換する検出器１４と、検出信号から、第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得するための信号取得部１６と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】ガスの吸収特性測定装置は、第１波長を有する第１レーザ光を発振する第１レーザダイオード２と、第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振する第２レーザダイオード４と、既定の変調周波数を有する第１変調信号で第１レーザ光を変調する第１変調部６と、変調周波数を有するとともに第１変調信号と位相差を有する第２変調信号で第２レーザ光を変調する第２変調部８と、変調された第１レーザ光と変調された第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得る合波器１０と、測定対象のガス１２を透過した合波レーザ光を受け取って検出信号に変換する検出器１４と、検出信号から、第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得するための信号取得部１６と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第１波長を有する第１レーザ光を発振するための第１レーザダイオードと、
前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振するための第２レーザダイオードと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するように構成された第１変調部と、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するように構成された第２変調部と、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るように構成された合波器と、
前記合波器から測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するように構成された検出器と、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得するための信号取得部と、
を備え、
前記信号取得部は、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第１復調部と、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第２復調部と、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第１成分信号を取り出すための第１抽出部と、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第２成分信号を取り出すための第２抽出部と、
を含む
ガスの吸収特性測定装置。
前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振するための第２レーザダイオードと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するように構成された第１変調部と、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するように構成された第２変調部と、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るように構成された合波器と、
前記合波器から測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するように構成された検出器と、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得するための信号取得部と、
を備え、
前記信号取得部は、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第１復調部と、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第２復調部と、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第１成分信号を取り出すための第１抽出部と、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第２成分信号を取り出すための第２抽出部と、
を含む
ガスの吸収特性測定装置。
【請求項2】
前記第１参照信号と前記第２参照信号との位相差Δθｒｅｆは９０度である
請求項１に記載のガスの吸収特性測定装置。
請求項１に記載のガスの吸収特性測定装置。
【請求項3】
前記検出信号に含まれる前記第１レーザ光由来の信号成分における前記参照周波数の成分と、前記検出信号に含まれる前記第２レーザ光由来の信号成分における前記参照周波数の成分との位相差をΔθｄｅｍ、及び、前記第１変調信号で変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号で変調された前記第２レーザ光との位相差Δθｍｏｄは、Δθｍｏｄ＝Δθｄｅｍ／２ｎを満たす
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
【請求項4】
前記第１復調部は、前記検出信号と前記第１参照信号との積を出力するように構成された第１乗算器を含み、
前記第２復調部は、前記検出信号と前記第２参照信号との積を出力するように構成された第２乗算器を含む
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
前記第２復調部は、前記検出信号と前記第２参照信号との積を出力するように構成された第２乗算器を含む
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
【請求項5】
前記第１抽出部又は前記第２抽出部の少なくとも一方は、カットオフ周波数が前記変調周波数の１０－１倍以下のローパスフィルタを含む
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
【請求項6】
前記検出信号における前記参照周波数の成分の前記位相差Δθｄｅｍは、９０度±１０度である
請求項３に記載のガスの吸収特性測定装置。
請求項３に記載のガスの吸収特性測定装置。
【請求項7】
前記検出信号における前記参照周波数の成分の前記位相差Δθｄｅｍは、０度より大きく９０度より小さい、又は、９０度より大きく１８０度より小さい
請求項３に記載のガスの吸収特性測定装置。
請求項３に記載のガスの吸収特性測定装置。
【請求項8】
前記第１レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる物質の第１吸収ピークの波長である前記第１波長を有する前記第１レーザ光を発振するように構成され、
前記第２レーザダイオードは、前記物質の第２吸収ピークの波長である前記第２波長を有する前記第２レーザ光を発振するように構成された
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
前記第２レーザダイオードは、前記物質の第２吸収ピークの波長である前記第２波長を有する前記第２レーザ光を発振するように構成された
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
【請求項9】
前記第１レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる第１物質の吸収ピークの波長である前記第１波長を有する前記第１レーザ光を発振するように構成され、
前記第２レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる第２物質の吸収ピークの波長である前記第２波長を有する前記第２レーザ光を発振するように構成された
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
前記第２レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる第２物質の吸収ピークの波長である前記第２波長を有する前記第２レーザ光を発振するように構成された
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
【請求項10】
前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガスの状態を示す値を算出するための信号分析部を備える
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
請求項１又は２に記載のガスの吸収特性測定装置。
【請求項11】
請求項１０に記載のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガスの温度を決定するように構成された温度決定部を含む
温度計測装置。
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガスの温度を決定するように構成された温度決定部を含む
温度計測装置。
【請求項12】
請求項１０に記載のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガス中の第１物質と第２物質の濃度比を決定するように構成された濃度比決定部を含む
濃度比計測装置。
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガス中の第１物質と第２物質の濃度比を決定するように構成された濃度比決定部を含む
濃度比計測装置。
【請求項13】
第１レーザダイオードを用いて第１波長を有する第１レーザ光を発振するステップと、
第２レーザダイオードを用いて前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振するステップと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するステップと、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するステップと、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るステップと、
測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するステップと、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得する信号取得ステップと、
を備え、
前記信号取得ステップは、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第１成分信号を取り出すステップと、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第２成分信号を取り出すステップと、
を含む
ガスの吸収特性測定方法。
第２レーザダイオードを用いて前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振するステップと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するステップと、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するステップと、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るステップと、
測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するステップと、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得する信号取得ステップと、
を備え、
前記信号取得ステップは、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第１成分信号を取り出すステップと、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第２成分信号を取り出すステップと、
を含む
ガスの吸収特性測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、ガスの吸収特性測定装置、温度計測装置、濃度比計測装置及びガスの吸収特性測定方法に関する。
【背景技術】
【0002】
レーザ光を用いて非接触でガスの状態を示す値（例えばガスの温度やガス中成分の濃度等）を計測することが知られている。
【0003】
特許文献１には、レーザビームを用いてガスタービン内の高温ガスの温度を測定するための装置が記載されている。この装置では、波長可変ダイオードレーザを用いて、互いに異なる波長を有する２つのレーザビームを燃焼ガスに照射し、燃焼ガスを通過した２つのレーザビームを検知する。そして、検知されたレーザビームの強度を示す信号から、各波長の各々における燃焼ガスによる吸光度を取得し、これらの吸光度の比に基づいて、燃焼ガスの温度を決定するようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２０１２－０５７６２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特許文献１に記載の燃焼ガス温度測定装置では、波長可変ダイオードレーザを用いて波長が互いに異なる複数のレーザビームを切り替えて照射及び検出するようになっているため、複数のレーザビームの照射及び検出の時刻がずれている。したがって、各波長の各々における燃焼ガスによる吸光度を同時刻に検出することができないと考えられる。
【0006】
測定対象のガスの状態が時間に応じて変化する状況下では、上述のように各波長の各々における燃焼ガスによる吸光度を同時刻に検出できない場合、これらの吸光度の比、及び、該吸光度の比から決定される温度の正確性は高くないと考えられる。特に、ガスタービンの燃焼ガス等、高速で流れるガスにおいては、測定対象の位置におけるガスの状態（温度等）は高速で変化し得るため、上述の問題は顕著になると考えられる。
【0007】
上述の事情に鑑みて、本発明の少なくとも一実施形態は、波長が互いに異なる２つのレーザ光の吸光度の比を精度良く取得可能なガスの吸収特性測定装置、温度計測装置、濃度比計測装置及びガスの吸収特性測定方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の少なくとも一実施形態に係るガスの吸収特性測定装置は、
第１波長を有する第１レーザ光を発振するための第１レーザダイオードと、
前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振するための第２レーザダイオードと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するように構成された第１変調部と、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するように構成された第２変調部と、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るように構成された合波器と、
前記合波器から測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するように構成された検出器と、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得するための信号取得部と、
を備え、
前記信号取得部は、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第１復調部と、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第２復調部と、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第１成分信号を取り出すための第１抽出部と、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第２成分信号を取り出すための第２抽出部と、
を含む。
第１波長を有する第１レーザ光を発振するための第１レーザダイオードと、
前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振するための第２レーザダイオードと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するように構成された第１変調部と、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するように構成された第２変調部と、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るように構成された合波器と、
前記合波器から測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するように構成された検出器と、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得するための信号取得部と、
を備え、
前記信号取得部は、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第１復調部と、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第２復調部と、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第１成分信号を取り出すための第１抽出部と、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第２成分信号を取り出すための第２抽出部と、
を含む。
【0009】
また、本発明の少なくとも一実施形態に係る温度計測装置は、
上述のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガスの温度を決定するように構成された温度決定部を含む。
上述のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガスの温度を決定するように構成された温度決定部を含む。
【0010】
また、本発明の少なくとも一実施形態に係る濃度比計測装置は、
上述のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガス中の前記第１物質と前記第２物質の濃度比を決定するように構成された濃度比決定部を含む。
上述のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガス中の前記第１物質と前記第２物質の濃度比を決定するように構成された濃度比決定部を含む。
【0011】
また、本発明の少なくとも一実施形態に係るガスの吸収特性測定方法は、
第１レーザダイオードを用いて第１波長を有する第１レーザ光を発振するステップと、
第２レーザダイオードを用いて前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振するステップと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するステップと、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するステップと、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るステップと、
前記合波器から測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するステップと、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得する信号取得ステップと、
を備え、
前記信号取得ステップは、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第１成分信号を取り出すステップと、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第２成分信号を取り出すステップと、
を含む。
第１レーザダイオードを用いて第１波長を有する第１レーザ光を発振するステップと、
第２レーザダイオードを用いて前記第１波長とは異なる第２波長を有する第２レーザ光を発振するステップと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するステップと、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するステップと、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るステップと、
前記合波器から測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するステップと、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得する信号取得ステップと、
を備え、
前記信号取得ステップは、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第１成分信号を取り出すステップと、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分として前記第２成分信号を取り出すステップと、
を含む。
【発明の効果】
【0012】
本発明の少なくとも一実施形態によれば、波長が互いに異なる２つのレーザ光の吸光度の比を精度良く取得可能なガスの吸収特性測定装置、温度計測装置、濃度比計測装置及びガスの吸収特性測定方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1】一実施形態に係るガスの吸収特性測定装置の概略構成図である。
【図2】一実施形態に係るガスの吸収特性測定装置の概略構成図である。
【図3】測定対象のガスの吸収線と規定の変調周波数で変調された第１レーザ光の波形を模式的に示すグラフである。
【図4】第１／第２変調信号でそれぞれ変調された第１／第２レーザ光の信号強度の波形を示すグラフである。
【図5】第１参照信号及び第２参照信号の信号強度の波形を示すグラフである。
【図6】第１成分信号及び第２成分信号をＤＣ成分として取り出すことを説明するための図である。
【図7】第１成分信号及び第２成分信号をＤＣ成分として取り出すことを説明するための図である。
【図8】第１成分信号及び第２成分信号をＤＣ成分として取り出すことを説明するための図である。
【図9】水の吸収ピークを示す２つの波長における吸光度の比と、温度との相関関係を示すグラフである。
【図10】１３３４ｎｍ（第１波長λａ）での吸光度、１３８８ｎｍ（第２波長λｂ）での吸光度、及び、ガス温度（火炎温度）の時間変化（計測結果）を示すグラフである。
【図13】ガス中の物質の濃度の高低による吸光度の違いを示すグラフである。
【図14】ガス中の物質の異なる濃度のそれぞれについて、吸光度と温度の関係を示すグラフである。
【図15】２つの吸光度の出力の相互干渉を模式的に示す図である。
【図16】２つの吸光度の出力の相互干渉を模式的に示す図である。
【図17】２つの吸光度と温度との相関関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下、添付図面を参照して本発明の幾つかの実施形態について説明する。ただし、実施形態として記載されている又は図面に示されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【0015】
（ガスの吸収特性測定装置）
図１及び図２は、一実施形態に係るガスの吸収特性測定装置の概略構成図である。図１に示すように、ガスの吸収特性測定装置１は、第１レーザダイオード２と、第２レーザダイオード４と、第１変調部６と、第２変調部８と、合波器１０と、検出器１４と、信号取得部１６と、復調信号生成部１８と、を備えている。
図１及び図２は、一実施形態に係るガスの吸収特性測定装置の概略構成図である。図１に示すように、ガスの吸収特性測定装置１は、第１レーザダイオード２と、第２レーザダイオード４と、第１変調部６と、第２変調部８と、合波器１０と、検出器１４と、信号取得部１６と、復調信号生成部１８と、を備えている。
【0016】
第１レーザダイオード２は、第１波長λａを有する第１レーザ光２を発振するように構成される。第１波長λａは、測定対象のガス１２（図１参照）における特定の吸収ピークを示す波長である。
【0017】
第２レーザダイオード４は、第１波長λａとは異なる第２波長λｂを有する第２レーザ光を発振するように構成される。第２波長λｂは、測定対象のガス１２（図１参照）における、上述の第１波長λａとは異なる特定の吸収ピークを示す波長である。
【0018】
第１レーザダイオード２及び第２レーザダイオード４の各々は、ＤＦＢレーザ（分布帰還型レーザ（ＤＦＢ－ＬＤ：Distributed feedback laser diode）であってもよい。
【0019】
第１変調部６は、第１レーザダイオード２に既定の変調周波数（ｆ）を有する第１変調信号を付与して第１レーザ光を変調するように構成される。第１変調部６は、第１レーザ光を、ピーク波長λａを中心として規定の変調周波数（ｆ：例えば１０ｋＨｚ）で変調する（図３参照）ように構成された変調器を含んでいてもよい。ここで図３は、測定対象のガス１２の第１波長λａ近傍における吸収線と、第１変調部６によって規定の変調周波数（ｆ：例えば１０ｋＨｚ）で変調された第１レーザ光の波形を模式的に示すグラフである。
【0020】
第２変調部８は、第２レーザダイオード４に上述の規定の変調周波数（ｆ）を有するとともに第１変調信号と所定の位相差を有する第２変調信号を付与して第２レーザ光を変調するように構成される。第２変調部８は、第２レーザ光を、ピーク波長λｂを中心として上述の規定の変調周波数（ｆ：例えば１０ｋＨｚ）で変調する（図３参照）ように構成された変調器を含んでいてもよい。
【0021】
第１変調信号と第２変調信号の位相差は、第１変調信号で変調される第１レーザ光と第２変調信号で変調される第２レーザ光との位相差が後述する所定の位相差Δθｍｏｄとなるように調整される。
【0022】
図４は、第１／第２変調信号でそれぞれ変調された第１／第２レーザ光の信号強度の波形を示すグラフである。ＤＦＢレーザの場合、上述のように特定の波長を中心として変調周波数（ｆ）にて波長を振動させるために、ＤＦＢレーザの注入電流（ドライブ電流）を振動させる（即ち電流変調させる）。このとき、ＤＦＢレーザへの注入電流に比例して出力が変動するため、第１レーザダイオードから発振される第１レーザ光（第１変調信号で変調された第１レーザ光）の信号強度は、図４に示すように変調周波数（ｆ）で振動することになる。第２レーザダイオードから発振される第２レーザ光（第２変調信号で変調された第２レーザ光）の信号強度も、同様に、図４に示すように変調周波数（ｆ）で振動することになる。
【0023】
なお、ＤＦＢレーザの出力（強度）変動は、電流変調にある遅れをもって追随し、この遅れにはＤＦＢレーザによって個体差（ばらつき）がある。このため、第１変調信号と第２変調信号との位相差は、第１変調信号で変調される第１レーザ光と第２変調信号で変調される第２レーザ光との位相差Δθｍｏｄとほぼ同じであるが、若干ずれることが多い。
【0024】
合波器１０は、第１変調信号を用いて変調された第１レーザ光と第２変調信号を用いて変調された第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るように構成される。合波器１０は、第１変調信号を用いて変調された第１レーザ光と第２変調信号を用いて変調された第２レーザ光とを混合するように構成された光ファイバカプラであってもよい。
【0025】
合波器１０で得られた合波レーザ光は、測定対象のガス１２に照射されるようになっている。
【0026】
検出器１４は、合波器１０から測定対象のガス１２に照射されて該ガス１２を透過した合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するように構成される。
【0027】
信号取得部１６は、検出器１４で検出された検出信号から、合波レーザ光の照射位置での測定対象のガスにおける第１波長λａでの吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び第２波長λｂでの吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得するように構成される。復調信号生成部１８は、合波レーザ光を復調するための所定の参照周波数を有する復調信号を生成するように構成される。
【0028】
図２に示すように、信号取得部１６は、第１復調部２８と、第２復調部３２と、第１抽出部３０と、第２抽出部３４と、を備える。
【0029】
信号取得部１６は、検出器１４から検出信号を受け取るとともに、復調信号生成部１８から、所定の参照周波数を有する復調信号を受け取るように構成される。
【0030】
ここで、復調信号の有する周波数（参照周波数）は、変調周波数（ｆ；例えば１０ｋＨｚ）の２ｎ倍（ただしｎは整数）である。以下、一例として、ｎ＝１（即ち、参照周波数が２ｆ；例えば２０ｋＨｚ）の場合について説明するが、復調信号の周波数は、変調周波数（ｆ）の４倍（参照周波数は４ｆ）、６倍（参照周波数は６ｆ）、又は８倍（参照周波数は８ｆ）等であってもよい。
【0031】
信号取得部１６において、検出器１４からの検出信号は、第１復調部２８及び第２復調部３２のそれぞれに送られる。
【0032】
信号取得部１６において、復調信号生成部１８からの復調信号は、位相シフト器２６に送られる。位相シフト器２６は、上述の所定の参照周波数を有する復調信号の位相をシフトさせて、互いに位相が異なる複数の信号として出力するようになっている。
【0033】
より具体的には、位相シフト器２６は、復調信号生成部１８からの復調信号を所定の位相で（例えば、元の復調信号との位相差ゼロ度で）第１参照信号として第１復調部２８に送出するとともに、同じ復調信号を、第１参照信号との位相差がΔθｒｅｆである（すなわち、例えば元の復調信号との位相差がθｒｅｆである）第２参照信号として第２復調部３２に送出するように構成される。
【0034】
第１復調部２８は、上述の第１参照信号を用いて検出器１４からの検出信号を復調するように構成される。第１復調部２８は、検出信号と第１参照信号との積を出力するように構成された第１乗算器を含んでもよい。
【0035】
第２復調部３２は、上述の第２参照信号を用いて検出器１４からの検出信号を復調するように構成される。第２復調部３２は、検出信号と第２参照信号との積を出力するように構成された第２乗算器（第１乗算器とは別の乗算器）を含んでもよい。
【0036】
図５は、第１参照信号及び第２参照信号の信号強度の波形を示すグラフである。図５に示すように、第１参照信号と第２参照信号は、共通の周波数を有するが、両者の間に所定の位相差Δθｒｅｆが存在する。一実施形態では、第１参照信号と第２参照信号との位相差Δθｒｅｆは９０度である。
【0037】
第１抽出部３０は、第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である第１成分信号を取り出すように構成される。第２抽出部３４は、第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である第２成分信号を取り出すように構成される。
【0038】
第１抽出部３０及び／又は第２抽出部３４は、処理対象の信号（第１参照信号又は第２参照信号を用いて復調された信号）のうち所定値以下の周波数の成分のみを通過させるように構成されたローパスフィルタを含んでもよい。第１抽出部３０及び／又は第２抽出部３４は、カットオフ周波数が変調周波数（ｆ）の１０－１倍以下のローパスフィルタを含んでもよい。
【0039】
幾つかの実施形態では、検出信号に含まれる第１レーザ光由来の信号成分における参照周波数（２ｎ×ｆ）の成分（２ｎ倍波成分）と、検出信号に含まれる第２レーザ光由来の信号成分における参照周波数（２ｎ×ｆ）の成分（２ｎ倍波成分）との位相差（すなわち、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差Δθｄｅｍ）Δθｄｅｍ、及び、第１変調信号で変調された第１レーザ光と第２変調信号で変調された第２レーザ光との位相差Δθｍｏｄは、Δθｍｏｄ＝Δθｄｅｍ／２ｎを満たす。
【0040】
第１／第２参照信号の位相差Δθｒｅｆが９０度である場合、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差Δθｄｅｍを９０度とすることで（即ち、該位相差Δθｄｅｍを９０度にするため、変調後の第１／第２レーザ光の位相差Δθｍｏｄが９０度／２ｎ（ｎ＝１の場合は４５度）となるように第１／第２変調信号の位相差を調節することで）、第１成分信号及び第２成分信号をＤＣ成分として取り出すことができる。このことについて、図６～図８を参照して説明する。
【0041】
先ず、計測対象のガスに含まれる特定の物質の吸収ピークの第１波長λａに関して、第１変調信号（ｆ、ここでは１０ｋＨｚ）で変調された第１レーザ光を計測対象のガスに照射する場合を仮定して考える（即ち、第１レーザ光を第２レーザ光と合波せずにガスに照射する）。
【0042】
この場合において、計測対象のガス中に上述の特定の物質が含まれない場合、１変調信号（ｆ、１０ｋＨｚ）で変調された第１レーザ光は、第１波長λａで吸収されず、ガスを透過する。このため、図６に示すように、検出器１４で検出される検出信号（図６の実線）において、２ｎ×ｆの成分（２ｆ成分、４ｆ成分、６ｆ成分、…等）は含まれない。なお、図６において破線は２ｆ成分の波形を示す。
【0043】
一方、同様の場合において、計測対象のガス中に上述の特定の物質が含まれる場合、１変調信号（ｆ、１０ｋＨｚ）で変調された第１レーザ光は、第１波長λａで吸収される。この第１波長λａは、変調された第１レーザ光の振動（信号強度）の中心に対応するから、変調された第１レーザ光の振動の１周期の間に第１波長λａを２回通過する。このため、図７に示すように、検出器１４で検出される検出信号（図７の実線）において、２ｎ×ｆの成分（２ｆ成分、４ｆ成分、６ｆ成分、…等）が含まれる。なお、図７において破線は２ｆ成分の波形を示す。
【0044】
実施形態では、計測対象のガスにおける特定の２つの吸収ピークの第１波長λａ及び第２波長λｂに関して、第１／第２変調信号（ｆ、ここでは１０ｋＨｚ）でそれぞれ変調された第１／第２レーザ光を計測対象のガスに照射する。このため、図８に示すように、検出器１４で検出される検出信号（図８の実線）において、第１波長λａ及び第２波長λｂのそれぞれに対応する２ｎ×ｆの成分（２ｆ成分、４ｆ成分、６ｆ成分、…等；以下、２ｎ倍波成分ともいう。）が含まれる。検出信号において、各波長に対応する２ｎ×ｆの成分（２ｆ成分等）は、位相差のみによって識別可能な重畳された信号である。検出信号に含まれる第１レーザ光由来の信号成分における参照周波数の成分（２ｎ×ｆの成分）と、検出信号に含まれる第２レーザ光由来の信号成分における参照周波数の成分（２ｎ×ｆの成分）との位相差（すなわち、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ×ｆの成分）の位相差）Δθｄｅｍ（図８参照）は、Δθｄｅｍ＝２ｎ×Δθｍｏｄで表され、変調後の第１／第２レーザ光の位相差Δθｍｏｄに対応するものとなる。
【0045】
ここで、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ×ｆの成分）の位相差Δθｄｅｍを、９０度にすることを考える。すなわち、ｎ＝１の例において、第１／第２変調信号（ｆ：１０ｋＨｚ）でそれぞれ変調された第１／第２レーザ光において、２ｆ成分（２ｆ：２０ｋＨｚ）の位相は９０度ずれているものとする。便宜的に、検出信号に含まれる第１レーザ光についての２ｆ成分を「位相０度側の測定信号」と呼び、第２レーザ光についての２ｆ成分を「位相９０度側の測定信号」と呼ぶことにする。なお、この場合、第１変調信号で変調された第１レーザ光（ｆ：１０ｋＨｚ）及び第２変調信号で変調された第２レーザ光（ｆ：１０ｋＨｚ）の位相差Δθｍｏｄは４５度（９０度／２ｎ）である。
【0046】
ここで、検出信号に含まれる２ｆ成分をｓｉｎ（ωｔ＋α）と表し、参照信号をｓｉｎ（ωｔ＋β）と表す。参照信号を用いて検出信号を復調することを考えると、検出信号の２ｆ成分と参照信号の積は以下のように表せる。
ｃｏｓ（β－α）／２－ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）／２ …（Ａ）
上記式（Ａ）の第１項は時間に応じて振動しないＤＣ成分であり、第２項は時間に応じて振動する成分であるから、後者はローパスフィルタ等（第１／第２抽出部）で除外することができる。ここで検出信号に含まれる１つの２ｆ成分と、参照信号（２ｆ）との位相差が９０度であると、上記式（Ａ）の第１項がゼロとなる。
ｃｏｓ（β－α）／２－ｃｏｓ（２ωｔ＋α＋β）／２ …（Ａ）
上記式（Ａ）の第１項は時間に応じて振動しないＤＣ成分であり、第２項は時間に応じて振動する成分であるから、後者はローパスフィルタ等（第１／第２抽出部）で除外することができる。ここで検出信号に含まれる１つの２ｆ成分と、参照信号（２ｆ）との位相差が９０度であると、上記式（Ａ）の第１項がゼロとなる。
【0047】
すなわち、参照信号（２ｆ）の位相を０度に合わせた時には位相０度側の測定信号を、参照信号の位相を９０度に合わせた時には位相９０度側の測定信号を、ＤＣ成分として、第１抽出部３０及び第２抽出部３４から得ることができる。
【0048】
このようにして第１抽出部３０及び第２抽出部３４で取得される第１成分信号及び第２成分信号（ＤＣ成分）は、それぞれ、第１波長λａ及び第２波長λｂでの吸光度を示すものである。
【0049】
信号取得部１６は、検出信号から、参照信号と等しい周波数成分の検出を行うためのロックインアンプを含んでもよい。測定信号に含まれる各種の信号のうち、参照信号周波数と等しい成分のみが直流となり第１抽出部３０及び第２抽出部３４（ローパスフィルタ等）を通過することができる。また、他の成分は周波数≠０Ｈｚの交流信号に変換されるので第１抽出部３０及び第２抽出部３４（ローパスフィルタ等）で除去される。このため、狙った成分のみをＤＣ成分に変換して取り出すことができる。また、ロックインアンプは、位相を９０度ずらした２つの参照信号をそれぞれ用いる２系統を有する２位相ロックインアンプであってもよい。
【0050】
上述の実施形態では、第１／第２波長をそれぞれ有する第１／第２レーザ光に、互いに位相のずれた第１／第２変調信号をそれぞれ付与したものを合波して得られる合波レーザ光を測定対象のガスに照射するので、単一の位置に同時に第１波長及び第２波長の成分を有するレーザ光（合波レーザ光）を照射することができる。また、測定対象のガスを透過した合波レーザ光を検出して取得される検出信号には、第１レーザ光由来の信号成分及び第２レーザ光由来の成分のそれぞれにおいて変調周波数の２ｎ倍の周波数の成分（以下、２ｎ倍波成分ともいう）が含まれ、これらの２ｎ倍波成分の位相差（復調周波数上での位相差）Δｄｅｍは、第１／第２変調信号でそれぞれ変調された第１／第２レーザ光の位相差Δθｍｏｄに対応したものとなる。したがって、上述の検出信号を、２ｎ倍波成分の周波数に対応する参照周波数を有するとともに所定の位相差を有する第１／第２参照信号を用いてそれぞれ復調することで、第１／第２レーザ光の波長における吸光度を示す第１／第２成分信号をそれぞれ独立に取り出すことができる。このため、測定対象のガスの単一の位置（合波レーザ光の照射位置；測定位置）での同一時刻における第１／第２波長での吸光度（第１／第２成分信号）を取得することができる。すなわち、上述の実施形態によれば、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（第１／第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができ、これにより、測定対象ガスの当該位置（測定位置）における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスの状態を示す値（温度又は濃度等）を精度良く取得することができる。
【0051】
また、上述の実施形態では、第１参照信号と第２参照信号との位相差Δθｒｅｆが９０度であるとともに、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差Δθｄｅｍが約９０度であるので、第１参照信号を用いて検出信号を復調した結果得られる信号、及び、第２参照信号を用いて検出信号を復調した結果得られる信号には、検出信号における参照周波数（参照信号の周波数）の成分の強度に比例したＤＣ成分がそれぞれ含まれ、これらのうち一方のＤＣ成分（第１成分信号）の大きさは第１波長での吸光度を示し、他方のＤＣ成分（第２成分信号）の大きさは第２波長での吸光度を示すものとなる。よって、測定対象のガスの単一の位置（合波レーザ光の照射位置）での同一時刻における第１／第２波長での吸光度（第１／第２成分信号）を適切に取得することができる。
【0052】
また、上述の実施形態では、第１／第２変調信号でそれぞれ変調された第１／第２レーザ光の位相差ΔθｍｏｄがΔθｄｅｍ／２ｎであるので、計測対象ガスを透過した合波レーザ光の検出信号に含まれる参照周波数と同一周波数の成分（第１波長及び第２波長にそれぞれ対応する成分）の位相差が９０度になる。よって、このような検出信号に対して位相差が９０度である第１参照信号及び第２参照信号をそれぞれ用いて復調することで、参照周波数と同一周波数の成分に対応するＤＣ成分（第１成分信号及び第２成分信号）をそれぞれ含む信号を得ることができる。よって、これらの信号からＤＣ成分（第１成分信号及び第２成分信号）をそれぞれ独立して取り出すことができる。
【0053】
図１に示すように、ガスの吸収特性測定装置１は、第１成分信号及び第２成分信号に基づいて、測定対象のガスの合波レーザ光の照射位置におけるガスの状態を示す値を算出するための信号分析部２０を備えていてもよい。
【0054】
幾つかの実施形態では、信号分析部２０は、第１成分信号及び第２成分信号に基づいて、測定対象のガスの合波レーザ光の照射位置におけるガスの温度を決定するように構成された温度決定部を含んでもよい。すなわち、ガスの吸収特性測定装置１は、温度計測装置として機能してもよい。
【0055】
この場合、第１レーザダイオード２は、測定対象のガスに含まれる物質の第１吸収ピークの波長である第１波長λａを有する第１レーザ光を発振するように構成されるとともに、第２レーザダイオード４は、同じ物質の第２吸収ピークの波長である第２波長λｂを有する第２レーザ光を発振するように構成されてもよい。
【0056】
例えば、第１レーザダイオード２は、測定対象のガス（燃焼排ガス等）に含まれる水（水蒸気、Ｈ２Ｏ）の吸収ピークの波長である第１波長λａ（１３３４ｎｍ）を有する第１レーザ光を発振するように構成されるとともに、第２レーザダイオード４は、水の第２吸収ピークの波長である第２波長λｂ（１３８８ｎｍ）を有する第２レーザ光を発振するように構成されてもよい。
【0057】
上述の実施形態によれば、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（すなわち、第１吸収ピークの波長である第１波長及び第２吸収ピークの波長である第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができる。これにより、測定対象ガスの当該位置における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスの温度を精度良く取得することができる。
【0058】
【0059】
図９は、水（水蒸気、Ｈ２Ｏ）の吸収ピークを示す２つの波長である１３３４ｎｍ（第１波長λａ）及び１３８８ｎｍ（第２波長λｂ）における吸光度の比と、温度との相関関係を示すグラフである。
【0060】
図９のグラフに示されるように、水の温度が高いほど、１３３４ｎｍ（第１波長λａ）での吸光度（吸収強度）は大きいとともに１３８８ｎｍ（第２波長λｂ）での吸光度（吸収強度）は小さく、温度に応じて、１３３４ｎｍ（第１波長λａ）での吸光度と１３８８ｎｍ（第２波長λｂ）での吸光度との比が変化する。したがって、水の温度は、１３３４ｎｍ（第１波長λａ）での吸光度と１３８８ｎｍ（第２波長λｂ）での吸光度の比から求めることができる。なお、図９に示す吸光度の比と温度との相関関係は、予め、実験等によって取得される。
【0061】
試験方法は以下のとおりである。上述したガスの吸収特性測定装置１を用い、合波器１０からの合波レーザ光の光路をバーナ火炎が横切るように、バーナを設置した。合波レーザ光の高さの位置におけるバーナ火炎の温度を、ガスの吸収特性測定装置１で取得される１３３４ｎｍ（第１波長λａ）での吸光度と１３８８ｎｍ（第２波長λｂ）での吸光度との比と、予め取得された吸光度の比と温度との相関関係（図９参照）とから、合波レーザ光の照射位置（合波レーザ光の高さ位置）における火炎温度を求めた。
【0062】
図１０～図１２に試験結果を示す。図１０は、ガスの吸収特性測定装置１で取得された１３３４ｎｍ（第１波長λａ）での吸光度（ＬＤ１－吸収強度）、１３８８ｎｍ（第２波長λｂ）での吸光度（ＬＤ２－吸収強度 ）、及び、ガス温度（火炎温度）の時間変化（計測結果）を示すグラフである。図１１及び図１２は図１０のグラフの拡大図であり、図１１は、バーナ点火（バーナＯＮ）時を示す拡大図、図１２はバーナ消火（バーナＯＦＦ）時を示す拡大図である。
【0063】
図１０に示されるように、レーザ光の高さにおけるバーナ火炎の温度について、実施形態に係るガスの吸収特性測定装置１で計測した結果、１５００℃～１６００℃程度であり、これは、別の方法での計測結果での温度帯と一致した。また、また、図１１及び図１２からわかるように、バーナ点火時やバーナ消火時等の温度変化が激しいときにおいても、時間毎の温度を精度良く取得することができた。
【0064】
幾つかの実施形態では、信号分析部２０は、第１成分信号及び第２成分信号に基づいて、測定対象のガスの合波レーザ光の照射位置におけるガス中の第１物質と第２物質の濃度比を決定するように構成された濃度比決定部を含んでもよい。すなわち、ガスの吸収特性測定装置１は、濃度比計測装置として機能してもよい。
【0065】
この場合、第１レーザダイオード２は、測定対象のガスに含まれる第１物質の吸収ピークの波長である第１波長λａを有する第１レーザ光を発振するように構成されるとともに、第２レーザダイオード４は、測定対象のガスに含まれる第２物質の吸収ピークの波長である第２波長λｂを有する第２レーザ光を発振するように構成される。
【0066】
例えば、第１レーザダイオード２は、測定対象のガスに含まれるメタン（第１物質）の吸収ピークの波長である第１波長λａ（１．６５３７μｍ）を有する第１レーザ光を発振するように構成されるとともに、第２レーザダイオード４は、測定対象のガスに含まれる水（第２物質）の吸収ピークの波長である第２波長λｂ（１３００ｎｍ）を有する第２レーザ光を発振するように構成されてもよい。
【0067】
上述の実施形態によれば、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（すなわち、第１物質の吸収ピークの波長である第１波長及び第２物質の吸収ピークの波長である第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができる。これにより、測定対象ガスの当該位置における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスにおける第１物質と第２物質との濃度比を精度良く取得することができる。
【0068】
幾つかの実施形態では、上述のガスの吸収特性測定装置１において、検出信号に含まれる第１レーザ光及び第２レーザ光にそれぞれ由来する信号成分における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差Δθｄｅｍは、９０度でなくてもよい。具体的には、該位相差Δθｄｅｍは、０度より大きく９０度より小さくてもよく、又は、９０度より大きく１８０度より小さくてもよい。一実施形態では、上述の位相差Δθｄｅｍは、１３５度であってもよい。
【0069】
上述の実施形態では、検出信号に含まれる上述の参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差Δθｄｅｍを、０度より大きく９０度より小さい値、又は、９０度より大きく１８０度より小さい値に設定するようにしたので、計測信号から得られる第１／第２波長での吸光度の比が示す測定対象のガスの状態を示す値（温度又は濃度等）の計測感度を大きく又は小さくすることができる。これにより、測定位置（合波レーザ光の照射位置）におけるガスの状態を示す値をより精度良く取得することができる。
【0070】
【0071】
図１３は、計測対象のガスの温度と、吸光度（吸収強度、信号強度）の大きさの関係について、計測対象（吸収強度１（特定の第１波長における吸光度）及び吸収強度２（特定の第２波長における吸光度））のピーク周波数を有する物質の濃度の高低による違いを示すグラフである。図１３のグラフからわかるように、ガス中の物質濃度によって吸光度（吸収強度）は変化し、一般には、濃度が高いほど、吸収強度は高い。
【0072】
図１４は、ガス中の物質の異なる濃度（高濃度及び低濃度）のそれぞれについて、吸光度（吸収強度）と温度の関係を示すグラフである。図１４からわかるように、ガス中の物質濃度によって吸収強度は異なるが、同一温度を結ぶ直線は、原点を通る直線となる。すなわち、ガス中の物質濃度によらず、吸光度比によって温度が決まる。よって、ガス温度は、座標軸を基準とする角度（例えば図中の角度φ）で表現することもできる。
【0073】
ところで、例えば既に説明した実施形態のように、検出信号に含まれる上述の参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差（復調位相差）Δθｄｅｍ）が９０度の場合、吸収強度１（第１波長における吸光度）と吸収強度２（第２波長における吸光度）は、信号取得部１６（ロックインアンプ等）から相互干渉なく出力される（図１５参照）。このときの出力をＸ０（吸収強度１），Ｙ０（吸収強度２）とする。
【0074】
一方、検出信号に含まれる上述の参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差（復調位相差）Δθｄｅｍが例えば１３５度の場合、吸収強度１（第１波長における吸光度）と吸収強度２（第２波長における吸光度）は、相互干渉したものが信号取得部１６から出力される（図１５参照）。このときの出力Ｘ１（吸収強度１），Ｙ１（吸収強度２）は、それぞれ、下記式で表される。
Ｘ１＝Ｘ０－Ｙ０×ｓｉｎ（４５°）
Ｙ１＝Ｙ０－Ｙ０×ｃｏｓ（４５°）
Ｘ１＝Ｘ０－Ｙ０×ｓｉｎ（４５°）
Ｙ１＝Ｙ０－Ｙ０×ｃｏｓ（４５°）
【0075】
【0076】
図１７は、吸収強度１及び吸収強度２と温度との相関関係を示すグラフである。図１７に示すように、復調位相差が１３５度の場合、復調位相差が９０度の場合に比べて、同じ温度範囲を示す原点周りの角度が大きくなる。したがって、このように、復調位相差を９０度より大きくすることで（例えば１３５度）、ガスの温度をより高感度に計測することができる。また、同様に、復調位相差が４５度の場合、復調位相差が９０度の場合に比べて、同じ温度範囲を示す原点周りの角度が小さくなる。したがって、このように、復調位相差を９０度より小さくすることで（例えば４５度）、ガスの温度をより低感度に計測することができる。このように、復調位相差を適切に調節することで、温度計測感度を調整することができる。
【0077】
上記各実施形態に記載の内容は、例えば以下のように把握される。
【0078】
［１］本発明の少なくとも一実施形態に係るガスの吸収特性測定装置（１）は、
第１波長（λａ）を有する第１レーザ光を発振するための第１レーザダイオード（２）と、
前記第１波長とは異なる第２波長（λｂ）を有する第２レーザ光を発振するための第２レーザダイオード（４）と、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するように構成された第１変調部（６）と、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するように構成された第２変調部（８）と、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るように構成された合波器（１０）と、
前記合波器から測定対象のガス（１２）に照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するように構成された検出器（１４）と、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得するための信号取得部（１６）と、
を備え、
前記信号取得部は、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第１復調部（２８）と、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第２復調部（３２）と、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である前記第１成分信号を取り出すための第１抽出部（３０）と、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である前記第２成分信号を取り出すための第２抽出部（３４）と、
を含む。
第１波長（λａ）を有する第１レーザ光を発振するための第１レーザダイオード（２）と、
前記第１波長とは異なる第２波長（λｂ）を有する第２レーザ光を発振するための第２レーザダイオード（４）と、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するように構成された第１変調部（６）と、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するように構成された第２変調部（８）と、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るように構成された合波器（１０）と、
前記合波器から測定対象のガス（１２）に照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するように構成された検出器（１４）と、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得するための信号取得部（１６）と、
を備え、
前記信号取得部は、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第１復調部（２８）と、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するための第２復調部（３２）と、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である前記第１成分信号を取り出すための第１抽出部（３０）と、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である前記第２成分信号を取り出すための第２抽出部（３４）と、
を含む。
【0079】
上記［１］の構成では、第１／第２波長をそれぞれ有する第１／第２レーザ光に、互いに位相のずれた第１／第２変調信号をそれぞれ付与したものを合波して得られる合波レーザ光を測定対象のガスに照射するので、単一の位置に同時に第１波長及び第２波長の成分を有するレーザ光（合波レーザ光）を照射することができる。また、測定対象のガスを透過した合波レーザ光を検出して取得される検出信号には、第１レーザ光由来の信号成分及び第２レーザ光由来の成分のそれぞれにおいて変調周波数の２ｎ倍の周波数の成分（以下、２ｎ倍波成分ともいう）が含まれ、これらの２ｎ倍波成分の位相差（復調周波数上での位相差）Δｄｅｍは、第１／第２変調信号でそれぞれ変調された第１／第２レーザ光の位相差Δθｍｏｄに対応したものとなる。したがって、上述の検出信号を、２ｎ倍波成分の周波数に対応する参照周波数を有するとともに所定の位相差を有する第１／第２参照信号を用いてそれぞれ復調することで、第１／第２レーザ光の波長における吸光度を示す第１／第２成分信号をそれぞれ独立に取り出すことができる。このため、測定対象のガスの単一の位置（合波レーザ光の照射位置；測定位置）での同一時刻における第１／第２波長での吸光度（第１／第２成分信号）を取得することができる。すなわち、上記［１］の構成によれば、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（第１／第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができ、これにより、測定対象ガスの当該位置（測定位置）における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスの状態を示す値（温度又は濃度等）を精度良く取得することができる。
【0080】
［２］幾つかの実施形態では、上記［１］の構成において、
前記第１参照信号と前記第２参照信号との位相差Δθｒｅｆは９０度である。
前記第１参照信号と前記第２参照信号との位相差Δθｒｅｆは９０度である。
【0081】
上記［２］の構成では、第１参照信号と第２参照信号との位相差が９０度であるので、第１参照信号を用いて検出信号を復調した結果得られる信号、及び、第２参照信号を用いて検出信号を復調した結果得られる信号には、検出信号において所定の位相差を有する参照周波数の成分（即ち、２ｎ倍波成分）の強度に比例したＤＣ成分がそれぞれ含まれ、これらのうち一方のＤＣ成分（第１成分信号）の大きさは第１波長での吸光度を示し、他方のＤＣ成分（第２成分信号）の大きさは第２波長での吸光度を示すものとなる。よって、測定対象のガスの単一の位置（合波レーザ光の照射位置）での同一時刻における第１／第２波長での吸光度（第１／第２成分信号）を適切に取得することができる。
【0082】
［３］幾つかの実施形態では、上記［１］又は［２］の構成において、
前記検出信号に含まれる前記第１レーザ光由来の信号成分における前記参照周波数の成分と、前記検出信号に含まれる前記第２レーザ光由来の信号成分における前記参照周波数の成分との位相差（すなわち、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差）Δθｄｅｍ、及び、前記第１変調信号で変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号で変調された前記第２レーザ光との位相差Δθｍｏｄは、Δθｍｏｄ＝Δθｄｅｍ／２ｎを満たす。
前記検出信号に含まれる前記第１レーザ光由来の信号成分における前記参照周波数の成分と、前記検出信号に含まれる前記第２レーザ光由来の信号成分における前記参照周波数の成分との位相差（すなわち、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差）Δθｄｅｍ、及び、前記第１変調信号で変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号で変調された前記第２レーザ光との位相差Δθｍｏｄは、Δθｍｏｄ＝Δθｄｅｍ／２ｎを満たす。
【0083】
上記［３］の構成では、第１／第２変調信号でそれぞれ変調された第１／第２レーザ光の位相差ΔθｍｏｄがΔθｄｅｍ／２ｎを満たすように設定されるので、検出信号における第１レーザ光及び第２レーザ光にそれぞれ由来する信号成分における検出信号における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差Δθｄｅｍを所望の値にすることができる。
例えば、第１／第２参照信号の位相差Δθｒｅｆが９０度である場合、上述の位相差Δθｄｅｍが参照信号の位相差Δθｒｅｆと同じ９０度となるようにするためには、変調後の第１／第２レーザ光の位相差Δθｍｏｄを９０度／２ｎに設定すればよい。
このようにして得られる検出信号において、第１／第２レーザ光にそれぞれ由来する参照周波数の成分の位相差はΔθｄｅｍであるので、この検出信号に対して所定の位相差Δθｒｅｆを有する第１参照信号及び第２参照信号をそれぞれ用いて復調することで、参照周波数と同一周波数の成分に対応するＤＣ成分（第１成分信号及び第２成分信号）をそれぞれ含む信号を得ることができる。よって、これらの信号からＤＣ成分（第１成分信号及び第２成分信号）をそれぞれ適切に取り出すことができる。
例えば、第１／第２参照信号の位相差Δθｒｅｆが９０度である場合、上述の位相差Δθｄｅｍが参照信号の位相差Δθｒｅｆと同じ９０度となるようにするためには、変調後の第１／第２レーザ光の位相差Δθｍｏｄを９０度／２ｎに設定すればよい。
このようにして得られる検出信号において、第１／第２レーザ光にそれぞれ由来する参照周波数の成分の位相差はΔθｄｅｍであるので、この検出信号に対して所定の位相差Δθｒｅｆを有する第１参照信号及び第２参照信号をそれぞれ用いて復調することで、参照周波数と同一周波数の成分に対応するＤＣ成分（第１成分信号及び第２成分信号）をそれぞれ含む信号を得ることができる。よって、これらの信号からＤＣ成分（第１成分信号及び第２成分信号）をそれぞれ適切に取り出すことができる。
【0084】
［４］幾つかの実施形態では、上記［１］又は［２］の構成において、
前記第１復調部は、前記検出信号と前記第１参照信号との積を出力するように構成された第１乗算器を含み、
前記第２復調部は、前記検出信号と前記第２参照信号との積を出力するように構成された第２乗算器を含む。
前記第１復調部は、前記検出信号と前記第１参照信号との積を出力するように構成された第１乗算器を含み、
前記第２復調部は、前記検出信号と前記第２参照信号との積を出力するように構成された第２乗算器を含む。
【0085】
上記［４］の構成によれば、第１乗算器で第１参照信号を用いて検出信号を復調するのと並行して、第２乗算器で第２参照信号を用いて検出信号を復調することができるので、第１／第２レーザ光の波長での吸光度を示す第１／第２成分信号を並行してそれぞれ独立に取り出すことができる。このため、測定対象のガスの単一の位置（合波レーザ光の照射位置）での同一時刻における第１／第２波長での吸光度（第１／第２成分信号）を取得することができる。すなわち、上記［２］の構成によれば、測定対象ガスの同一位置（合波レーザ光の照射位置）での同一時刻における２つの異なる波長（第１／第２波長）でのそれぞれの吸光度を適切に取得することができる。
【0086】
［５］幾つかの実施形態では、上記［１］乃至［４］の何れかの構成において、
前記第１抽出部又は前記第２抽出部の少なくとも一方は、カットオフ周波数が前記変調周波数の１０－１倍以下のローパスフィルタを含む。
前記第１抽出部又は前記第２抽出部の少なくとも一方は、カットオフ周波数が前記変調周波数の１０－１倍以下のローパスフィルタを含む。
【0087】
上記［１］の構成において、第１変調信号及び第２変調信号でそれぞれ変調された第１レーザ光と第２レーザ光との位相差Δθｍｏｄを適切に設定することにより、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差（復調周波数の位相差）Δθｄｅｍを任意に設定することが可能であり、第１参照信号を用いて検出信号を復調した結果得られる信号、及び、第２参照信号を用いて検出信号を復調した結果得られる信号には、検出信号における参照周波数（参照信号の周波数）の成分の強度に比例したＤＣ成分がそれぞれ含まれ、これらのうち一方のＤＣ成分（第１成分信号）の大きさは第１波長での吸光度を示し、他方のＤＣ成分（第２成分信号）の大きさは第２波長での吸光度を示すものとなる。よって、上記［５］の構成のように、ローパスフィルタを復調された信号に適用することで、ＤＣ成分以外の成分の殆どを排除しながら、該ＤＣ成分を適切に抽出することができる。
【0088】
［６］幾つかの実施形態では、上記［３］の構成において、
前記検出信号における前記参照周波数の成分の前記位相差Δθｄｅｍは、９０度±１０度である。
前記検出信号における前記参照周波数の成分の前記位相差Δθｄｅｍは、９０度±１０度である。
【0089】
上記［６］の構成では、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差Δθｄｅｍが約９０度であるので、第１参照信号を用いて検出信号を復調した結果得られる信号、及び、第２参照信号を用いて検出信号を復調した結果得られる信号には、検出信号における参照周波数（参照信号の周波数）の成分の強度に比例したＤＣ成分がそれぞれ含まれ、これらのうち一方のＤＣ成分（第１成分信号）の大きさは第１波長での吸光度を示し、他方のＤＣ成分（第２成分信号）の大きさは第２波長での吸光度を示すものとなる。よって、測定対象のガスの単一の位置（合波レーザ光の照射位置）での同一時刻における第１／第２波長での吸光度（第１／第２成分信号）を適切に取得することができる。
【0090】
［７］幾つかの実施形態では、上記［３］の構成において、
前記検出信号における前記参照周波数の成分の前記位相差Δθｄｅｍは、０度より大きく９０度より小さい、又は、９０度より大きく１８０度より小さい。
前記検出信号における前記参照周波数の成分の前記位相差Δθｄｅｍは、０度より大きく９０度より小さい、又は、９０度より大きく１８０度より小さい。
【0091】
上記［７］の構成によれば、検出信号における参照周波数の成分（２ｎ倍波成分）の位相差Δθｄｅｍを、０度より大きく９０度より小さい値、又は、９０度より大きく１８０度より小さい値に設定するようにしたので、計測信号から得られる第１／第２波長での吸光度の比が示す測定対象のガスの状態を示す値（温度又は濃度等）の計測感度を大きく又は小さくすることができる。これにより、測定位置（合波レーザ光の照射位置）におけるガスの状態を示す値をより精度良く取得することができる。
【0092】
［８］幾つかの実施形態では、上記［１］乃至［７］の何れかの構成において、
前記第１レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる物質の第１吸収ピークの波長である前記第１波長を有する前記第１レーザ光を発振するように構成され、
前記第２レーザダイオードは、前記物質の第２吸収ピークの波長である前記第２波長を有する前記第２レーザ光を発振するように構成される。
前記第１レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる物質の第１吸収ピークの波長である前記第１波長を有する前記第１レーザ光を発振するように構成され、
前記第２レーザダイオードは、前記物質の第２吸収ピークの波長である前記第２波長を有する前記第２レーザ光を発振するように構成される。
【0093】
ガスに含まれる物質の２つの異なる吸収ピークの波長における吸光度の比は、当該物質の温度を示すものである。上記［８］の構成によれば、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（すなわち、第１吸収ピークの波長である第１波長及び第２吸収ピークの波長である第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができる。これにより、測定対象ガスの当該位置における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスの温度を精度良く取得することができる。
【0094】
［９］幾つかの実施形態では、上記［１］乃至［７］の何れかの構成において、
前記第１レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる第１物質の吸収ピークの波長である前記第１波長を有する前記第１レーザ光を発振するように構成され、
前記第２レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる第２物質の吸収ピークの波長である前記第２波長を有する前記第２レーザ光を発振するように構成される。
前記第１レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる第１物質の吸収ピークの波長である前記第１波長を有する前記第１レーザ光を発振するように構成され、
前記第２レーザダイオードは、前記測定対象のガスに含まれる第２物質の吸収ピークの波長である前記第２波長を有する前記第２レーザ光を発振するように構成される。
【0095】
ガスに含まれる２つの異なる２種の物質のそれぞれの吸収ピークの波長における吸光度の比は、ガスにおける当該物質の濃度比を示すものである。上記［９］の構成によれば、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（すなわち、第１物質の吸収ピークの波長である第１波長及び第２物質の吸収ピークの波長である第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができる。これにより、測定対象ガスの当該位置における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスにおける第１物質と第２物質との濃度比を精度良く取得することができる。
【0096】
［１０］幾つかの実施形態では、上記［１］乃至［９］の何れかの構成において、
前記ガスの吸収特性測定装置は、
前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガスの状態を示す値を算出するための信号分析部（２０）を備える。
前記ガスの吸収特性測定装置は、
前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガスの状態を示す値を算出するための信号分析部（２０）を備える。
【0097】
上記［１０］の構成によれば、検出信号からそれぞれ独立に取り出された第１成分信号及び第２成分信号を用いて、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（第１／第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができる。これにより、測定対象ガスの当該位置における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスの状態を示す値（温度又は濃度等）を精度良く取得することができる。
【0098】
［１１］本発明の少なくとも一実施形態に係る温度計測装置は、
上記［１０］に記載のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガスの温度を決定するように構成された温度決定部を含む。
上記［１０］に記載のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガスの温度を決定するように構成された温度決定部を含む。
【0099】
上記［１１］の構成によれば、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（すなわち、第１吸収ピークの波長である第１波長及び第２吸収ピークの波長である第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができる。これにより、測定対象ガスの当該位置における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスの温度を精度良く取得することができる。
【0100】
［１２］本発明の少なくとも一実施形態に係る濃度比計測装置は、
上記［１０］に記載のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガス中の第１物質と第２物質の濃度比を決定するように構成された濃度比決定部を含む。
上記［１０］に記載のガスの吸収特性測定装置を備え、
前記信号分析部は、前記第１成分信号及び前記第２成分信号に基づいて、前記測定対象のガスの前記合波レーザ光の照射位置における前記ガス中の第１物質と第２物質の濃度比を決定するように構成された濃度比決定部を含む。
【0101】
上記［１２］の構成によれば、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（すなわち、第１物質の吸収ピークの波長である第１波長及び第２物質の吸収ピークの波長である第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができる。これにより、測定対象ガスの当該位置における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスにおける第１物質と第２物質との濃度比を精度良く取得することができる。
【0102】
［１３］本発明の少なくとも一実施形態に係るガスの吸収特性測定方法は、
第１レーザダイオード（２）を用いて第１波長（λａ）を有する第１レーザ光を発振するステップと、
第２レーザダイオード（４）を用いて前記第１波長とは異なる第２波長（λｂ）を有する第２レーザ光を発振するステップと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するステップと、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するステップと、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るステップと、
測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するステップと、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得する信号取得ステップと、
を備え、
前記信号取得ステップは、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である前記第１成分信号を取り出すステップと、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である前記第２成分信号を取り出すステップと、
を含む。
第１レーザダイオード（２）を用いて第１波長（λａ）を有する第１レーザ光を発振するステップと、
第２レーザダイオード（４）を用いて前記第１波長とは異なる第２波長（λｂ）を有する第２レーザ光を発振するステップと、
前記第１レーザダイオードに既定の変調周波数を有する第１変調信号を付与して前記第１レーザ光を変調するステップと、
前記第２レーザダイオードに前記変調周波数を有するとともに前記第１変調信号と位相差を有する第２変調信号を付与して前記第２レーザ光を変調するステップと、
前記第１変調信号を用いて変調された前記第１レーザ光と前記第２変調信号を用いて変調された前記第２レーザ光とを合波して合波レーザ光を得るステップと、
測定対象のガスに照射されて前記ガスを透過した前記合波レーザ光を受け取って検出信号に変換するステップと、
前記検出信号から、前記合波レーザ光の照射位置での前記測定対象のガスにおける前記第１波長での吸光度を示す成分を含む第１成分信号及び前記第２波長での吸光度を示す成分を含む第２成分信号を取得する信号取得ステップと、
を備え、
前記信号取得ステップは、
前記変調周波数の２ｎ倍（ただしｎは整数）の周波数である参照周波数を有する第１参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記参照周波数を有するとともに前記第１参照信号と位相差を有する第２参照信号を用いて前記検出信号を復調するステップと、
前記第１参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である前記第１成分信号を取り出すステップと、
前記第２参照信号を用いて復調された信号からＤＣ成分である前記第２成分信号を取り出すステップと、
を含む。
【0103】
上記［１３］の方法では、第１／第２波長をそれぞれ有する第１／第２レーザ光に、互いに位相のずれた第１／第２変調信号をそれぞれ付与したものを合波して得られる合波レーザ光を測定対象のガスに照射するので、単一の位置に同時に第１波長及び第２波長の成分を有するレーザ光（合波レーザ光）を照射することができる。また、測定対象のガスを透過した合波レーザ光を検出して取得される検出信号には、第１レーザ光由来の信号成分及び第２レーザ光由来の成分のそれぞれにおいて変調周波数の２ｎ倍の周波数の成分（以下、２ｎ倍波成分ともいう）が含まれ、これらの２ｎ倍波成分の位相差（復調周波数上での位相差）Δｄｅｍは、第１／第２変調信号でそれぞれ変調された第１／第２レーザ光の位相差Δθｍｏｄに対応したものとなる。したがって、上述の検出信号を、２ｎ倍波成分の周波数に対応する参照周波数を有するとともに所定の位相差を有する第１／第２参照信号を用いてそれぞれ復調することで、第１／第２レーザ光の波長における吸光度を示す第１／第２成分信号をそれぞれ独立に取り出すことができる。このため、測定対象のガスの単一の位置（合波レーザ光の照射位置；測定位置）での同一時刻における第１／第２波長での吸光度（第１／第２成分信号）を取得することができる。すなわち、上記［１３］の方法によれば、測定対象ガスの同一位置での同一時刻における２つの異なる波長（第１／第２波長）でのそれぞれの吸光度を取得することができ、これにより、測定対象ガスの当該位置（測定位置）における第１／第２波長での各々の吸光度の比を精度良く取得することができる。よって、この吸光度の比に基づいて、当該位置における測定対象のガスの状態を示す値（温度又は濃度等）を精度良く取得することができる。
【0104】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されることはなく、上述した実施形態に変形を加えた形態や、これらの形態を適宜組み合わせた形態も含む。
【0105】
本明細書において、「ある方向に」、「ある方向に沿って」、「平行」、「直交」、「中心」、「同心」或いは「同軸」等の相対的或いは絶対的な配置を表す表現は、厳密にそのような配置を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の角度や距離をもって相対的に変位している状態も表すものとする。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
例えば、「同一」、「等しい」及び「均質」等の物事が等しい状態であることを表す表現は、厳密に等しい状態を表すのみならず、公差、若しくは、同じ機能が得られる程度の差が存在している状態も表すものとする。
また、本明細書において、四角形状や円筒形状等の形状を表す表現は、幾何学的に厳密な意味での四角形状や円筒形状等の形状を表すのみならず、同じ効果が得られる範囲で、凹凸部や面取り部等を含む形状も表すものとする。
また、本明細書において、一の構成要素を「備える」、「含む」、又は、「有する」という表現は、他の構成要素の存在を除外する排他的な表現ではない。
【符号の説明】
【0106】
１ 吸収特性測定装置
２ 第１レーザダイオード
２ 第１レーザ光
４ 第２レーザダイオード
６ 第１変調部
８ 第２変調部
１０ 合波器
１２ ガス
１４ 検出器
１６ 信号取得部
１８ 復調信号生成部
２０ 信号分析部
２６ 位相シフト器
２８ 第１復調部
３０ 第１抽出部
３２ 第２復調部
３４ 第２抽出部
Δθｍｏｄ 変調後の第１／第２レーザ光の位相差
Δθｄｅｍ 検出信号に含まれる参照周波数の成分の位相差
Δθｒｅｆ 参照信号の位相差
φ 角度
２ 第１レーザダイオード
２ 第１レーザ光
４ 第２レーザダイオード
６ 第１変調部
８ 第２変調部
１０ 合波器
１２ ガス
１４ 検出器
１６ 信号取得部
１８ 復調信号生成部
２０ 信号分析部
２６ 位相シフト器
２８ 第１復調部
３０ 第１抽出部
３２ 第２復調部
３４ 第２抽出部
Δθｍｏｄ 変調後の第１／第２レーザ光の位相差
Δθｄｅｍ 検出信号に含まれる参照周波数の成分の位相差
Δθｒｅｆ 参照信号の位相差
φ 角度
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】