▶ オンポイント テクノロジーズ リミテッド ライアビリティ カンパニーの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-05
(54)【発明の名称】ガス漏れ検出器及び検出方法
(51)【国際特許分類】
G01N 21/3504 20140101AFI20240227BHJP
G01N 21/39 20060101ALI20240227BHJP
【ＦＩ】
G01N21/3504
G01N21/39
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023553623
(86)(22)【出願日】2022-03-08
(85)【翻訳文提出日】2023-09-04
(86)【国際出願番号】 US2022019330
(87)【国際公開番号】W WO2022192247
(87)【国際公開日】2022-09-15
(31)【優先権主張番号】63/157,897
(32)【優先日】2021-03-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】520418019
【氏名又は名称】オンポイント テクノロジーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー
(74)【代理人】
【識別番号】100094569
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 伸一郎
(74)【代理人】
【識別番号】100103610
【弁理士】
【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦
(74)【代理人】
【識別番号】100109070
【弁理士】
【氏名又は名称】須田 洋之
(74)【代理人】
【識別番号】100067013
【弁理士】
【氏名又は名称】大塚 文昭
(74)【代理人】
【氏名又は名称】上杉 浩
(74)【代理人】
【識別番号】100120525
【弁理士】
【氏名又は名称】近藤 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100139712
【弁理士】
【氏名又は名称】那須 威夫
(74)【代理人】
【識別番号】100141553
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 信彦
(74)【代理人】
【識別番号】100167911
【弁理士】
【氏名又は名称】豊島 匠二
(72)【発明者】
【氏名】マスターソン バーナード ピー
(72)【発明者】
【氏名】サッピー アンドリュー ディー
【テーマコード（参考）】
2G059
【Ｆターム（参考）】
2G059AA01
2G059BB02
2G059CC05
2G059CC08
2G059CC09
2G059CC13
2G059EE01
2G059EE09
2G059EE11
2G059GG01
2G059GG02
2G059GG09
2G059GG10
2G059HH01
2G059JJ02
2G059JJ24
2G059KK01
2G059MM01
(57)【要約】
ガス漏れ検出器は、太陽検出器及び信号フィルタを含む。太陽検出器は、光信号を太陽信号と干渉させ、結果として生じる干渉信号を検出することによって、電気応答を生成する。信号フィルタは、太陽検出器に通信可能に連結され、電気応答をフィルタリングして、ビートノート信号を分離する。ビートノート信号は、太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光信号を太陽信号と干渉させ、結果として生じる干渉信号を検出することによって電気応答を生成する太陽検出器と；前記太陽検出器に通信可能に連結された信号フィルタであって、前記電気応答をフィルタリングして、前記太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有するビートノート信号を分離する信号フィルタと、
を備えるガス漏れ検出器。
【請求項2】
前記種の共鳴吸収に対応する光信号周波数を有する前記光信号を生成する局部発振器を更に備える、請求項１に記載の検出器。
【請求項3】
前記局部発振器に通信可能に連結されたコントローラであって、（ａ）前記太陽信号の強度及び（ｂ）標的種濃度のうちの１つ以上に少なくとも部分的に基づいて、前記光信号周波数を設定するコントローラを更に備える、請求項２に記載の検出器。
【請求項4】
前記局部発振器は：光源と；
前記光源の周波数を調整するレーザドライバであって、それにより（ｉ）前記局部発振器が、複数の中心周波数のそれぞれ１つをそれぞれ有する複数の光信号を生成し、（ｉｉ）前記太陽検出器が、前記複数の光信号のそれぞれを前記太陽信号と混合することによって複数の電気応答のそれぞれ１つを生成し、（ｉｉｉ）前記信号フィルタが、前記複数の電気応答のそれぞれをフィルタリングして、複数のビートノート信号のそれぞれ１つを分離するようにする、レーザドライバと、
を更に備え、
前記複数の光信号、前記複数の電気応答、及び前記複数のビートノート信号は、それぞれ、前記光信号、前記電気応答、及び前記ビートノート信号を含む、
請求項２に記載の検出器。
【請求項5】
前記複数のビートノート信号の各々を記録する信号検出器と；前記信号検出器に通信可能に連結されたプロセッサと；
（ｉ）複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける前記種の複数の基準吸光度スペクトルと、（ｉｉ）機械可読命令であって、前記プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに：
前記複数のビートノート信号から、前記複数の中心周波数にわたる吸収スペクトルを決定させ、
（ｉ）圧力依存線形状関数を前記吸光度スペクトルにフィッティングすること、及び（ｉｉ）前記吸収スペクトルを、複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける前記種の複数の基準吸光度スペクトルと比較することのうちの少なくとも１つによって、前記ガスプルームの高度を決定させる、機械可読命令と、を記憶するメモリと、
を更に備える、請求項４に記載の検出器。
【請求項6】
ガス漏れ検出器であって：請求項４に記載のガス漏れ検出器のアレイであって、前記ガス漏れ検出器の各々が、前記ガスプルームを含む複数のガスプルームのそれぞれ１つに関連付けられたそれぞれの複数のビートノート信号を生成する、ガス漏れ検出器のアレイと；
前記それぞれの複数のビートノート信号の各々を記録する信号検出器と；
前記信号検出器に通信可能に連結されたプロセッサと；
機械可読命令を記憶するメモリであって、前記機械可読命令は、プロセッサによって実行されると、前記プロセッサに、前記複数のガスプルームの各々について：
前記複数のビートノート信号から、前記複数の中心周波数にわたる吸収スペクトルを決定し；
（ｉ）圧力依存線形状関数を前記吸光度スペクトルにフィッティングすること、及び（ｉｉ）前記吸収スペクトルを、複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける前記種の複数の基準吸光度スペクトルと比較することのうちの少なくとも１つによって、前記ガスプルームの高度を決定させることによって、複数のガスプルームの３次元断層撮影データセットを生成させる機械可読命令と、を記憶するメモリと、
を備えるガス漏れ検出器。
【請求項7】
前記信号フィルタに通信可能に連結され、前記ビートノート信号を記録する信号検出器を更に備える、請求項１に記載の検出器。
【請求項8】
前記太陽検出器及び前記信号フィルタを含むフォトニック集積回路を更に備える、請求項１に記載の検出器。
【請求項9】
メタン漏れ位置の特定を支援する風速計を更に備える、請求項１に記載の検出器。
【請求項10】
ガス漏れを検出する方法であって、太陽信号と光信号との干渉から生成される干渉信号を検出して電気応答を生成することと；
前記電気応答をフィルタリングして、前記太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有するビートノート信号を分離することと、
を含む方法。
【請求項11】
局部発振器を用いて、種吸収に関連する光信号周波数を有する前記光信号を生成することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
（ａ）前記太陽信号の強度及び（ｂ）前記種の前記濃度のうちの１つ以上に少なくとも部分的に基づいて、前記光信号周波数を選択することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記種の前記濃度に対応するガスプルームの位置を決定することを更に含み、前記決定することは、大気圧に少なくとも部分的に基づいている、請求項１０に記載の方法。
【請求項14】
複数のサブフィルタのうちの１つにそれぞれ通信可能に連結された複数のサブ検出器を用いて、対応するサブフィルタによって分離された前記電気応答の対応する部分を検出することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項15】
前記光信号を振幅変調して、感度を増加させることを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項16】
前記太陽信号と、その各々が、複数の中心周波数のうちのそれぞれ１つを有する複数の光信号との干渉から生成される複数の干渉信号を検出して、複数の電気応答を生成することを含む、干渉信号を検出することと；前記複数の電気応答の各々をフィルタリングして、前記種の前記濃度に反比例するそれぞれの振幅を有する複数のビートノート信号のそれぞれ１つを分離することを含む、電気応答をフィルタリングすることと、
を含み、
前記複数の干渉信号、前記複数の光信号、及び前記複数のビートノート信号は、それぞれ、前記干渉信号、前記光信号、及び前記ビートノート信号を含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項17】
前記複数のビートノート信号から、前記複数の中心周波数にわたる吸収スペクトルを決定することと；（ｉ）圧力依存線形状関数を前記吸光度スペクトルにフィッティングすること、及び（ｉｉ）前記吸収スペクトルを、複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける前記種の複数の基準吸光度スペクトルと比較することのうちの少なくとも１つによって、前記ガスプルームの高度を決定することと、
を更に含む請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記高度、前記太陽信号のソースの仰角、及び前記干渉信号を検出するデバイスに対する前記ソースの方向から、前記ガスプルームの位置を決定することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
複数のガスプルームの３次元断層撮影データセットを生成することであって、前記複数のガスプルームの各々について、請求項１８に記載の方法を実行することによって、前記ガスプルームのそれぞれの位置を決定することによって、複数のガスプルームの３次元断層撮影データセットを生成することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
風速を測定することと；前記高度、前記仰角、及び前記方向から位置を決定することを含む前記位置を決定することと、
を更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項21】
ガス漏れ検出のためのフォトニック集積回路であって、第１の入力ポート、第２の入力ポート、及び出力ポートを有する、マルチモード干渉カプラと；
前記第１の入力ポートに連結され、太陽信号を前記マルチモード干渉カプラに連結する第１の格子カプラと；
前記第２の入力ポートに連結され、光信号を前記マルチモード干渉カプラに連結する第２の格子カプラと；
前記出力ポートに連結され、干渉信号を出力する出力格子カプラと；
前記出力格子カプラに連結され、前記干渉信号の検出に対する電気応答を生成する検出器と、
を備えるフォトニック集積回路。
【請求項22】
前記電気応答を増幅するトランスインピーダンス増幅器を更に備える、請求項２１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項23】
前記電気応答をフィルタリングして、前記太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームの種濃度に反比例するビートノート信号を分離する信号フィルタと；メタン吸収に関連付けられる光信号周波数を有する前記光信号を生成する局部発振器と；
前記ビートノート信号を記録する信号検出器と、
を更に備える、請求項２１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項24】
前記信号検出器に通信可能に連結され、前記種濃度に対応するガスプルームの高度を決定する線形状弁別器を更に備える、請求項２３に記載のフォトニック集積回路。
【請求項25】
前記ビートノート信号を増幅し、増幅されたビートノート信号を生成するＲＦ増幅器を更に備える、請求項２３に記載のフォトニック集積回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（関連出願の相互参照）
本出願は、２０２１年３月８日に出願された米国仮出願第６３／１５７，８９７号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２１年３月８日に出願された米国仮出願第６３／１５７，８９７号の利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【0002】
メタンガスは、赤外（ＩＲ）光を強く吸収するため、強力な温室効果ガスである。地球の大気中のメタンガスは、地球の表面に向かう途中で太陽光を吸収し、地球の表面から放出された光、例えば反射されて放出された黒体放射を吸収する働きをする。メタンは、ＩＲ光の吸収が大きいので、二酸化炭素よりも強力な温室効果ガスである。メタンが大気中に導入される主なプロセスは、漏れによるものである。メタン貯蔵及び製造施設は、システム故障及び不十分な監視に起因して意図せずにメタンガスを放出してしまう。メタン漏れの検出は、環境への意図しない放出を軽減するために非常に重要である。
【発明の概要】
【0003】
第１の態様では、ガス漏れ検出器は、太陽検出器及び信号フィルタを含む。太陽検出器は、光信号を太陽信号と干渉させ、結果として生じる干渉信号を検出することによって、電気応答を生成する。信号フィルタは、太陽検出器に通信可能に連結され、電気応答をフィルタリングして、ビートノート信号を分離する。ビートノート信号は、太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有する。
【0004】
第２の態様では、ガス漏れを検出する方法は、太陽信号の光信号との干渉から生成される干渉信号を検出して、電気応答を生成することを含む。本方法はまた、電気応答をフィルタリングして、太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有するビートノート信号を分離することを含む。
【0005】
第３の態様では、ガス漏れ検出のためのフォトニック集積回路は、マルチモード干渉カプラと、第１の格子カプラと、第２の格子カプラと、出力格子カプラと、検出器とを含む。マルチモード干渉カプラは、第１の入力ポート、第２の入力ポート、及び出力ポートを有する。第１の格子カプラは、第１の入力ポートに連結され、太陽信号をマルチモード干渉カプラに連結する。第２の格子カプラは、第２の入力ポートに連結され、光信号をマルチモード干渉カプラに連結する。出力格子カプラは、干渉信号を出力する出力ポートに連結される。検出器は、出力格子カプラに連結され、干渉信号の検出に対する電気応答を生成する。
【図面の簡単な説明】
【0006】
【図1】ガス漏れ検出器の一実施形態を示す図である。
【0007】
【0008】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【図6】一実施形態におけるメタン漏れを検出するための１つの方法を示すフローチャートである。
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【図10】異なる大気圧でのメタンのスペクトルを示す図である。
【0017】
【0018】
【0019】
【図13】メタンの波長変調分光法（wavelength modulation spectroscopy、ＷＭＳ）の２ｆ信号のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【0020】
図１は、種１８１を含むガスプルーム１８０の濃度及び位置を決定するガス漏れ検出器１００を示す。プルーム１８０は、表面１９４（地表面であり得る）の上方の高度１８９に位置する。ガス漏れ検出器１００は、局部発振器１１０と、太陽検出器１３０と、電子機器１４０とを含む。電子機器１４０は、信号フィルタ１４４を含むが、更に、増幅器１４２、ＲＦ増幅器１４５、及び信号検出器１４６のうちの少なくとも１つを含んでもよい。
【0021】
例示的な動作モードにおいて、太陽検出器１３０は、光信号１１９を、ソース１９６（太陽であり得る）から伝搬する太陽信号１８２と干渉させることによって、電気応答１８４を生成する。太陽検出器１３０は、干渉計（例えば、光ファイバ干渉計）、バランス検出器、及びプロダクト検出器のうちの少なくとも１つを含み得る。信号フィルタ１４４は、電気応答１８４をフィルタリングしてビートノート信号１８６を分離し、その振幅は、太陽信号１８２の経路１９１に沿った種１８１の濃度に反比例する（例えば、種１８１の濃度の減少関数である）。
【0022】
一実施形態において、局部発振器１１０は、光信号１１９を生成するが、その光信号１１９は、種１８１のスペクトル線に関連付けられた、１つ以上の光信号周波数を有する。気相種の例としては、オゾン、二酸化炭素、メタン、亜酸化窒素、水、及びジクロロジフルオロメタン（ＣＣｌ2Ｆ2）が挙げられる。光信号１１９の線幅は、種１８１のスペクトル線のスペクトル幅よりも小さくてもよい。例えば、種１８１がメタンである場合、光信号１１９は、１６３０ｎｍ～１６８０ｎｍの自由空間波長を有し得る。光信号１１９の線幅は、２ＭＨｚ未満であり得る。
【0023】
一実施形態では、ガス漏れ検出器１００は、コントローラ１２１を更に含み、コントローラ１２１は、（ａ）太陽信号１８２の強度及び／又は（ｂ）経路１９１に沿った標的種濃度に少なくとも部分的に基づいて、１つ以上の光信号周波数を設定する。コントローラ１２１は、例えば、１つ以上の光信号周波数を設定して、ガス漏れ検出器１００の感度又は信号強度を最適化することができる。例えば、種１８１がメタンであり、太陽信号１８２が太陽検出器１３０に到達する前に大きな標的種濃度を通って伝搬する場合、メタン吸収と共振する光は完全に吸収され得るが、異なる光信号周波数は、より感度の高いメタン漏れ検出をもたらし得る。
【0024】
電子機器１４０は、信号フィルタ１４４によって分離されたビートノート信号１８６を検出する信号検出器１４６を含み得る。ビートノート信号１８６の一次スペクトル成分は、無線周波数であってもよく、したがって、信号検出器１４６はＲＦ検出器であってもよい。検出器１００が増幅器１４５を含む場合、増幅器１４５は、ビートノート信号１８６を増幅して、増幅されたビートノート信号１８８を生成し、これが次に信号検出器１４６によって検出される。実施形態では、検出器１００は、増幅器１４５を含まず、ビートノート信号１８８は、ビートノート信号１８６と同一である。
【0025】
実施形態では、以下のうち少なくとも１つに該当する：増幅器１４５が、低雑音ＲＦ電力増幅器である；ビートノート信号１８６及び増幅されたビートノート信号１８８が、ＲＦ信号である；太陽検出器１３０が、増幅器１４２に接続されているか、又はそれを含んでいる。増幅器１４２は、太陽検出器１３０によって出力された電流１８３を、電気応答１８４として使用可能な電圧に増幅し、これは、信号フィルタ１４４によって受信される。増幅器１４２は、トランスインピーダンス増幅器であってもよい。実施形態において、検出器１００は、増幅器１４２を含まず、電気応答１８４は、電流１８３と同一である。
【0026】
実施形態において、ガス漏れ検出器１００は、データプロセッサ１２０を含む。電子機器１４０は、アナログ信号１４９を出力し、データプロセッサ１２０は、これを処理して高度１８９を決定する。データプロセッサ１２０は、プロセッサ１２２及びメモリ１２４を含む。メモリ１２４は、ソフトウェア１２５として、非一時的コンピュータ可読命令を記憶し、これは、線形状生成器１２６及び線形状弁別器１２８を含む。ソフトウェア１２５が、プロセッサ１２２によって実行されると、ソフトウェア１２５は、プロセッサ１２２に、本明細書で説明するようなガス漏れ検出器１００の選択された機能を実施させる。ソフトウェア１２５は、ファームウェアであってもよく、又はファームウェアを含んでもよい。コントローラ１２１は、例えばソフトウェア１２５の一部として、データプロセッサ１２０の一部であってもよい。
【0027】
データプロセッサ１２０は、電子機器１４０、例えば信号検出器１４６に通信可能に連結されて、太陽信号１８２の経路１９１に沿って存在するガスプルーム１８０の高度１８９を決定する。吸収スペクトルプルーム１８０は、特定の高度におけるメタンガスの全大気圧によって影響を受ける。したがって、地球の大気圏内の高高度におけるプルーム１８０は、地球の大気圏内の低高度に位置する同一種のプルームとスペクトル的に異なる。データプロセッサ１２０は、例えば、ビートノート信号１８６から導出される吸収スペクトルを、既知の圧力で以前に測定された吸収スペクトルと比較することによって、ガスプルーム１８０の高度を決定してもよい。
【0028】
メモリ１２４は、そのようなスペクトルを、複数のフィッティングパラメータ１９２として記憶し得る。フィッティングパラメータ１９２は、種１８１の同じ吸収線の測定スペクトルを含んでもよく、測定中の大気圧に関して異なっていてもよい。大気圧は線形状に影響を及ぼすので、データプロセッサ１２０は、フィッティングパラメータ１９２を使用して、吸収スペクトル１７６を１つ以上のフィッティングパラメータ１９２にフィッティングすることによって、高度１８９を決定することができる。経路１９１が、異なる高度１８９の複数のガスプルーム１８０を横断するとき、線形状生成器１２６は、アナログ信号１４９から、異なる高度、したがって異なる大気圧における種１８１の吸収線を含む吸収スペクトル１７６を生成する。線形状弁別器１２８は、吸収スペクトル１７６を、複数のフィッティングパラメータ１９２にフィッティングして、ガスプルーム１８０が存在する複数の高度を、種１８１のバックグラウンド濃度と共に決定する。
【0029】
実施形態において、フィッティングパラメータ１９２は、吸収スペクトル１７６を記述する１つ以上の線形状関数の各々についての広がり係数を含む。そのような実施形態では、フィッティングパラメータ１９２は、広がり係数を含むことを含み、測定された吸収スペクトルを含まなくてもよい。線形状関数の例としては、ガウス関数、ローレンツ関数、及びそれらの組み合わせ（フォークトプロファイルなど）を含む。所与の種１８１について、フィッティングパラメータ１９２は、種１８１の複数の振動モード及び／又は回転モードの各々についてのそれぞれの広がり係数を含み得る。各々の広がり係数は、線形状弁別器１２８が、吸収スペクトル１７６に基づいて、ガスプルーム１８０が存在する１つ以上の高度を決定するように、大気圧の関数であり得る。
【0030】
太陽検出器１３０及び信号フィルタ１４４は、ＰＩＣ１０８に組み込まれて、フォトニック集積回路（photonic integrated circuit、ＰＩＣ）を形成し得る。図７も参照されたい。プロセッサ１２０は、ＰＩＣ１０８から信号を受信し、そこから、標的種濃度、メタンプルームの位置、及び３次元断層撮影データセット等の判定を行ってもよい。
【0031】
ＰＩＣ１０８はまた、局部発振器１１０、コントローラ１２１、プロセッサ１２０、増幅器１４５、信号検出器１４６、及びガス漏れ検出器１００の他の電子構成要素のうちの少なくとも１つを統合してもよい。ＰＩＣ１０８へのそのような統合は、いくつかの利点を提供する。第１に、ガス漏れ検出器１００は、ＰＩＣ上に一体化されたときに小型かつ軽量であり得るので、メタン又は他の標的ガスを感知する際に、空中ドローンにおいて使用され得る。第２に、ＰＩＣ１０８は、太陽検出器１３０及び増幅器１４５が、密に連結されて、ノイズを低減し、ガス漏れ検出器１００の全体的な感度を改善することを可能にし得る。第３に、太陽検出器１３０のサイズを縮小することができ、例えば、その直径を約３００ミクロンから３０ミクロンに縮小することができる。このサイズ減少は、面積比
に基づいて、１００倍、太陽検出器１３０の固有キャパシタンスを減少させる。高速検出（例えば、数百ＭＨｚより大きい繰り返し率）の場合、太陽検出器１３０の低減されたキャパシタンスは、より低い電圧ノイズに変換され、ガス漏れ検出器１００の信号対ノイズ比を更に改善する。第４に、ガス漏れ検出器１００の要素どうしの間の光損失の可能性及び深刻さが低減される。
【数1】
【0032】
局部発振器１１０は、光源１１６を含み、更に、波長変調器１１２、振幅変調器１１４、及びレーザドライバ１１３のうちの少なくとも１つを含んでもよい。実施形態において、光源１１６は、ダイオードレーザなどの走査可能な単一周波数レーザであり、その例としては、垂直共振器面発光レーザ（vertical-cavity surface-emitting laser、ＶＣＳＥＬ）及び分布帰還型レーザが挙げられる。
【0033】
実施形態において、波長変調器１１２は、光信号１１９の周波数を変調し、これは、ロックイン増幅及び／又は他の形態のノイズ低減を、有利に可能にして、ガス漏れ検出器１００の全体的な感度を増加させる。
【0034】
ガス漏れ検出器１００は、図示のように、例えば局部発振器１１０の一部である振幅変調器１１４を含み得るが、振幅変調器１１４は、局部発振器１１０に通信可能に連結された別体の要素であってもよい。実施形態において、振幅変調器１１４は、光信号１１９の振幅を変調し、これは、ロックイン増幅及び／又は他の形態のノイズ低減を、有利に可能にして、ガス漏れ検出器１００の全体的な感度を増加させる。振幅変調器１１４は、太陽検出器１３０に到達する前に信号１８２を振幅変調する光チョッパであってもよく、これは、ロックイン増幅及び／又は他の形態のノイズ低減を有利に可能にして、ガス漏れ検出器１００の全体的な感度を増加させる。光チョッパ１５１は、太陽検出器１３０及び／又はＰＩＣ１０８と物理的に一体化されてもよく、又は別個の構成要素であってもよい。
【0035】
光源１１６は、１００Ｈｚと１ｋＨｚとの間であり得る走査周波数において、その波長範囲を通して時間的に調整され得る。例えば、レーザドライバ１１３は、光源１１６に連結されてもよく、駆動信号を介して光源１１６の中心波長を時間的に調整するように動作し、駆動信号は、時間的に変化する、例えば周期的波形である、電流又は電圧であってもよい。
【0036】
一実施形態では、ガス漏れ検出器１００は、スペクトルフィルタ１５２を含み、このスペクトルフィルタ１５２は、ソース１９６からの広帯域放射の望ましくない部分を遮断しながら、太陽信号１８２を透過させる。スペクトルフィルタ１５２は、図示のように、ＰＩＣ１０８に取り付けられずに、太陽信号１８２の経路１９１に沿って配置されてもよいが、スペクトルフィルタ１５２は、本明細書の範囲から逸脱することなく、太陽検出器１３０及び／又はＰＩＣ１０８に組み込まれていても、あるいはそれらと一体化されていてもよい。
【0037】
一実施形態では、ガス漏れ検出器１００は、経路１９１に沿って配置された集光光学系１５４を含む。集光光学系１５４は、図１に示されるように、１つ以上の別個の光学要素であってもよく、又は本明細書の範囲から逸脱することなく、ＰＩＣ１０８、スペクトルフィルタ１５２、もしくは太陽検出器１３０と（例えば、光ファイバとして）統合されてもよい。光収集光学系１５４は、オフアクシス型放物面鏡などの鏡であってもよい。集光光学系１５４は、太陽信号１８２を太陽検出器１３０に集束させ、効率及び信号強度を増大させ、ノイズを低減する働きをする。集光光学系１５４は、太陽検出器１３０にファイバ連結されてもよい。
【0038】
図１に示す実施形態では、光チョッパ１５１、スペクトルフィルタ１５２、及び集光光学系１５４は、太陽信号１８２がこれらの３つ全てと、上記の順序で相互作用するように配置されるが、その順序は、本明細書の範囲から逸脱することなく変動し得る。光チョッパ１５１、スペクトルフィルタ１５２、及び集光光学系１５４は、例えば、互いに取り付けられてもよく、又はガス漏れ検出器１００内に個別に取り付けられてもよい。
【0039】
一実施形態では、ガス漏れ検出器１００は、データプロセッサ１２０に通信可能に連結され得る風速計１５６を含む。風速計１５６は、メタン漏れ位置、例えばガスプルーム１８０の位置を特定するのを助ける。ガス漏れ検出器１００に対する、ガスプルーム１８０の測定された距離及び相対位置は、風速計１５６からのデータなしでは、より劇的に変化する。風速計１５６は、例えば、メタン漏出場所を隔離するために使用可能な風速及び／又は風向を測定してもよい。
【0040】
上述したように、ソース１９６は、太陽であってよく、太陽は、地球の大気を通過した後にガス漏れ検出器１００に直接進む放射線を放出する。ソース１９６は、月であってもよく、月は、太陽から放出された光を、地球の大気に向けて、更に地球の大気を通してガス漏れ検出器１００に向けて反射する。ソース１９６が月である場合、増幅器１４５を使用して増幅されたビートノート信号１８８を生成して、ガス漏れ検出器１００が、メタン漏れ、例えばガスプルーム１８０を検出するのに十分な感度を有するようにする必要があり得る。
【0041】
図２Ａ及び図２Ｂは、ガス漏れ検出器２００のアレイを含む、複合ガス漏れ検出器２０１の概略図である。各ガス漏れ検出器２００は、図１のガス漏れ検出器１００の一例である。図２Ａ及び図２Ｂは、空の異なる位置に示されるソース１９６（例えば、太陽）によって示される、１日の異なる時刻における検出器２０１を示す。図２Ａ及び図２Ｂは、以下の説明と共に最も良く考察できる。図２Ａ及び図２Ｂは、整数Ｐが少なくとも４であるＰ個のシステムを示しているが、複合ガス漏れ検出器２０１の検出器２００の総数は、本明細書の範囲から逸脱することなく、２個又は３個であってもよい。
【0042】
実施形態では、複合ガス漏れ検出器２０１は、データプロセッサ２２０を含み、データプロセッサ２２０は、検出器２００の各々から、それぞれのビートノート信号１８６又は１８８を受信する。データプロセッサ２２０は、データプロセッサ１２０の一例であり、各検出器２００（ｐ）から、それぞれの高度１８９（ｐ）を決定する（なお、ここでインデックスｐ≦Ｐである）。データプロセッサ２２０は、検出器２００のいずれか１つの一部であってもよく、あるいは、検出器２００が検出器２００の各々から分離されていて、各検出器２００がデータプロセッサ２２０に通信可能に連結されていてもよい。
【0043】
ガス漏れ検出器２００は、空間的に、１次元又は２次元アレイ状であってもよい。図２Ａにおいて、各ガス漏れ検出器２００は、太陽信号２８２（例えば、太陽信号１８２の一例である、太陽信号２８２（１））を受信する。各ガス漏れ検出器２００は、それが受信する太陽信号２８２から、ビートノート信号（例えば、図１のビートノート信号１８６）を分離する。図２Ａにおいて、ソース１９６は、現在の位置から各ガス漏れ検出器２００に、太陽信号２８２を放射する。しかし、図２Ｂでは、ソース１９６は空を横切って移動して、異なる位置に現れており、したがって、ソース１９６’として示されている。ソース１９６は、空を横切るソース（１９６／１９６’）の動きを示すのを助けるために、図２Ｂには点線で示されている。図２Ｂにおいて、ソース１９６’の位置が与えられると、各ガス漏れ検出器２００は、ソース１９６’の位置からの太陽信号２８２’（例えば、太陽信号１８２の一例である２８２’（１））を受信する。太陽信号の各対（例えば、２８２（１）及び２８２’（１））は、地球が回転し、ソース１９６が空を横切るときに、１日のうちの異なる時刻に、各ガス漏れ検出器（例えば、２０１（１））によって受信される。
【0044】
したがって、複数のガス漏れ検出器２００は、その各々が、１日の間の複数の時刻に太陽信号２８２を受信し、複数のガス漏れ検出器２００によって見られる大気の、２次元断層撮影データセットを構築する。２次元断層撮影データセット内の各点は、ソース１９６／１９６’からそれを吸収するガス漏れ検出器２００までの太陽信号２８２の経路（図示せず）に沿って存在するメタン濃度を含み、したがって、メタンプルーム（例えば、プルーム１８０、図１）の３次元位置（高度を含み得る）を分解する。
【0045】
実施形態において、検出器１００は、太陽検出器１３０への太陽信号１８２／１８２’の強度を最大化するために使用される太陽追尾装置３５８を含む。図３に示される実施形態では、太陽追尾装置３５８は、太陽光源１９６が、集光光学系１５４の一例である光収集光学系３５４を移動させるときに、太陽信号１８２／１８２’を、太陽検出器１３０に向ける光収集光学系３５４を含む。別の一実施形態では、太陽追尾装置３５８は、太陽検出器１３０を直接移動させ（図示せず）、ソース１９６が移動している間に、太陽検出器１３０がソーラー信号１８２／１８２’を受信するために最良に位置決めされるようにする。したがって、太陽信号１８２は、第１の時刻に、ソース１９６から放射され、太陽信号１８２’は第２の時刻に、ソース１９６’から放射され、ソース１９６及び１９６’は、所与の期間にわたって太陽検出器１３０に対して移動する、同じ物理的物体である。
【0046】
動作上、太陽追尾装置３５８は、（ａ）太陽検出器１３０に対する太陽信号１８２／１８２’のソース１９６／１９６’の位置を示す太陽データ、及び／又は（ｂ）所与の時刻に太陽検出器１３０に到達する太陽信号１８２／１８２’の強度を使用して、太陽検出器１３０に到達する太陽信号１８２／１８２’の強度を最大化する。太陽追尾装置３５８は、例えば、既知の天文学的データを利用して、光収集光学系３５４（図３に示す実施形態において）又は太陽検出器１３０（代替的実施形態において）を位置決めし、太陽検出器１３０への太陽信号１８２／１８２’の量を最大化し得る。それ加えて又はその代わりに、太陽追尾装置３５８は、所与の時刻に太陽検出器１３０に到達する太陽信号１８２／１８２’の強度を使用して、太陽検出器１３０への太陽信号１８２／１８２’の位置を反復的に制御してもよく、これは、最近の測定及び位置合わせに基づいて位置合わせを反復的に改善するということを意味する。
【0047】
図４は、多波長ガス漏れ検出器４００を示し、その多波長ガス漏れ検出器４００は、Ｍ個の中心波長のうちのそれぞれ１つを有する複数の光信号４１９（１、２、．．．、Ｍ）を生成する局部発振器４１０を含むものである。ガス漏れ検出器４００及び局部発振器４１０は、それぞれガス漏れ検出器１００及び局部発振器１１０の例である。実施形態では、局部発振器４１０は、各光信号４１９を集合的に生成する、少なくとも１つの光源（例えば、単一周波数レーザ及び波長可変レーザの任意の組み合わせ等）を含む。第１の例では、局部発振器４１０は、各光信号４１９を生成する、単一の波長可変レーザを含み得る。第２の例では、局部発振器４１０は、Ｍ個の光源、例えば、Ｍ個の単一周波数レーザを含んでいてよく、そしてその各々は、それぞれの光信号４１９を生成するものである。
【0048】
複数の光信号４１９は、太陽検出器１３０によって受信され、太陽検出器１３０は、光信号４１９の各々を太陽信号１８２と混合して、複数の電気応答４８４（１～Ｍ）のうちの１つを生成する。その複数の電気応答４８４（１～Ｍ）の各々は、それぞれのビート音信号４８６を含み、複数のビート音信号４８６（１～Ｍ）を形成する。信号フィルタ１４４は、複数の電気応答４８４の各々をフィルタリングして、その対応するビートノート信号４８６を分離し、それらのビートノート信号４８６は、信号検出器１４６によって記録されることとなる。信号検出器１４６は、各ビートノート信号４８６を記録し、アナログ信号４４９をプロセッサ１２０に出力する。アナログ信号４４９は、アナログ信号１４９の一例である。
【0049】
例えば、局部発振器４１０は、光信号４１９（２）を生成し、これが太陽信号１８２と混合されて、ビートノート信号４８６（２）を含む電気応答４８４（２）を生成する。信号フィルタ１４４は、ビートノート信号４８６（２）を分離し、これは信号検出器１４６によって記録され、アナログ信号４４９としてプロセッサ１２０に送信される。複数のビートノート信号４８６の各々を、対応する光信号４１９の光信号周波数に対してプロットすると、スペクトル４７６が生成される。スペクトル４７６は、吸収スペクトル１７６の一例である。
【0050】
図５は、図１の電子機器１４０の一例である電子機器５４０の概略図である。電子機器５４０は、信号フィルタ１４４及び信号検出器１４６のそれぞれの例である、信号フィルタ５４４及び信号検出器５４６を含む。信号フィルタ５４４は、複数のサブフィルタ５４７を含む。信号検出器５４６は、複数のサブ検出器５４８を含む。複数のサブフィルタ５４７の各々は、電気応答５８４（電気応答１８４の一例である）の対応する周波数領域部分を分離するために、それぞれの周波数範囲に関連付けられている。例えば、サブフィルタ５４７（２）は、電気応答５８４（２）の一部を分離する。
【0051】
図示されるように、各サブ検出器５４８（ｎ）は、１つのサブフィルタ５４７（Ｎ）に通信可能に連結されている（なお、ここでインデックスｎ≦Ｎである）。サブ検出器５４８（ｎ）の各々は、その対応するサブフィルタ５４７（ｎ）によって分離された電気応答５８４（ｎ）の部分を記録する。例えば、サブ検出器５４８（２）は、サブフィルタ５４７（２）に通信可能に連結し、それによって電気応答５８４（２）の対応する部分を検出することができる。サブ検出器５４８によって記録された電気応答５８４の部分は、対応するサブフィルタ５４７の周波数範囲に対してグラフ化されると、図４のスペクトル４７６を生成する。
【0052】
図６は、ガス漏れ検出方法６００を示すフローチャートである。いくつかの実装形態では、図６の１つ以上のプロセスブロックは、ガス漏れ検出器１００の一実施形態によって実行され得る。いくつかの実装形態では、図６の１つ以上のプロセスブロックは、別のデバイス、又はガス漏れ検出器１００とは別個の、もしくはガス漏れ検出器１００を含むデバイスのグループによって実行され得る。追加的又は代替的に、図６の１つ以上のプロセスブロックは、ガス漏れ検出器１００の１つ以上の構成要素によって実行されてもよい。
【0053】
図６に示すように、方法６００は、太陽信号と光信号との干渉から生成された干渉信号を検出して、電気応答を生成することを含むことができる（ブロック６１０）。ブロック６１０の一例では、ガス漏れ検出器１００は、光信号１１９との太陽信号１８２の干渉から生成される干渉信号を検出して、電気応答１８４を生成する。
【0054】
図６に更に示すように、方法６００は、電気応答をフィルタリングして、ビートノート信号を分離することを含むことができるが、そのビートノート信号は、太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有するものである（ブロック６２０）。ブロック６２０の一例では、ガス漏れ検出器１００は、電気応答１８４をフィルタリングして、種１８１の濃度に反比例する振幅を有するビートノート信号１８６を分離する。
【0055】
方法６００は、以下で説明される、かつ／又は本明細書の他の場所で説明される、１つ以上の他のプロセスに関連する、任意の単一の実装形態又は実装形態の任意の組み合わせなど、追加の実装形態を含み得る。
【0056】
第１の実装形態では、方法６００は、局部発振器を用いて、種の吸収に関連する光信号周波数を有する光信号を生成することを含む。例えば、局部発振器１１０は、光信号１１９を生成する。この実装形態では、方法６００は、（ａ）太陽信号の強度及び（ｂ）種１８１の濃度のうちの１つ以上に少なくとも部分的に基づいて、光信号周波数を選択することを含み得る。
【0057】
第２の実装形態では、方法６００は、種濃度に対応するガスプルームの位置を決定することを含み、その決定は、大気圧に少なくとも部分的に基づいて行われる。第３の実装形態では、方法６００は、例えば図５で説明したように、複数のサブフィルタのうちの１つにそれぞれ通信可能に連結された複数のサブ検出器を用いて、対応するサブフィルタによって分離された電気応答の対応する部分を検出することを含む。第４の実装形態では、方法６００は、光信号を変調して増強した感度を可能にすることを含む。
【0058】
第５の実装形態では、ブロック６１０は、太陽信号と複数の光信号との干渉から生成された複数の干渉信号を検出し、複数の電気応答を生成することを含み、ここで、複数の光信号の各々は、複数の中心周波数のそれぞれ１つをそれぞれ有するものである（ブロック６１２）。ブロック６１２の一例では、図４のガス漏れ検出器４００は、光信号４１９との太陽信号１８２の干渉から生成される干渉信号を検出して、電気応答４８４を生成する。
【0059】
第５の実装形態では、ブロック６２０は、複数の電気応答の各々をフィルタリングして、複数のビートノート信号のそれぞれの１つを分離することを含むが、その複数のビートノート信号のそれぞれは、種の濃度に反比例するそれぞれの振幅を有するものである（ブロック６２２）。複数の干渉信号、複数の光信号、及び複数のビートノート信号は、それぞれ、干渉信号、光信号、及びビートノート信号を含む。ブロック６２２の一例では、ガス漏れ検出器４００は、電気応答４８４をフィルタリングして、それぞれが種１８１の濃度に反比例する振幅を有するビートノート信号４８６を分離する。
【0060】
第５の実装の実施形態では、方法６００は、複数のビートノート信号から、複数の中心周波数にわたる吸収スペクトルを決定すること（ブロック６４０）を含む。例えば、線形状生成器１２６は、ガス漏れ検出器４００のプロセッサ１２０によって受信されたアナログ信号４４９から、吸収スペクトル１７６を決定する。そのような実施形態はまた、圧力依存線形状関数を吸収スペクトルにフィッティングすることによって、ガスプルームの高度を決定して、ガスプルームの高度を決定することを含み得る（ブロック６５０）。例えば、線形状弁別器１２８は、吸収スペクトル１７６をフィッティングパラメータ１９２と比較することによって、高度１８９を決定する。
【0061】
そのような実施形態は、複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおいて、吸光度スペクトルを、種の複数の基準吸光度スペクトルと比較することによって、ガスプルームの高度を決定することを含み得る。例えば、線形状弁別器１２８は、吸光度スペクトル１７６をフィッティングパラメータ１９２と比較することによって高度１８９を決定するが、ここで、フィッティングパラメータ１９２は、前述の、種の複数の基準吸光度スペクトルを含む。
【0062】
第８の実装形態では、方法６００は、高度、太陽信号のソースの仰角、及び干渉信号を検出するデバイスに対するソースの方向から、ガスプルームの位置を決定することを含む。この実装形態の一例では、メモリ１２４は、方向及び仰角を記憶し、ガスプルーム１８０の位置を決定する。
【0063】
第９の実装形態では、方法６００は、第８の実装形態を含み、かつまた方法６００の第８の実装形態を実行することによって、複数のガスプルームの各々について、ガスプルームのそれぞれの位置を決定して、複数のガスプルームの３次元断層撮影データセットを生成することを含む。
【0064】
第１０の実装形態では、方法６００は、第８の実装形態を含み、かつまた風速を測定することと、高度、仰角、及び方向から位置を決定することを含む位置を決定することとを含む。この実装の一例では、風速計１５６は風速を決定する。
【0065】
図６は方法６００の例示的なブロックを示しているが、いくつかの実装形態では、方法６００は、図６に示されているブロックに対して、追加のブロック、より少ないブロック、異なるブロック、又は異なるように配置されたブロックを含み得る。追加的又は代替的に、方法６００のブロックのうちの２つ以上が並列に実行されてもよい。
【0066】
上述したように、太陽検出器１３０及び信号フィルタ１４４は、単一のフォトニック集積回路（ＰＩＣ）に統合されて、有利な利益をもたらしてもよい。ＰＩＣからの信号は、（例えば、図１のプロセッサ１２２によって）解釈及び処理されて、例えば３次元断層撮影データセットなどにおいて、メタンプルーム位置を分離されてもよい。
【0067】
図７は、そのようなＰＩＣ７００の一例を示すが、局部発振器１１０及び他の構成要素はなく、代わりにそれらはオフチップで提供され得る。ＰＩＣ７００の構成要素は、絶縁基板７０１（例えば、シリコン、二酸化シリコン（Ｓｉ、ＳｉＯ2）製であるが、ただし、例えば窒化シリコン、酸化シリコン、サファイア、窒化アルミニウム、ゲルマニウム、及びシリコンゲルマニウム合金などの他の材料も好適であり得る）上に存在する。これらの構成要素としては、格子カプラ７０２（１、２）、入力導波路７０４、マルチモード干渉カプラ７０６、出力導波路７０８（１、２）、格子カプラ７１０、検出器７１２（１、２）、及びトランスインピーダンス増幅器（transimpedance amplifier、ＴＩＡ）７２０を含む。実施形態において、太陽検出器１３０は、マルチモード干渉カプラ７０６を含み、電子機器１４０は、検出器７１２及びＴＩＡ７２０を含む。
【0068】
マルチモード干渉カプラ７０６の分割比は、５０：５０であってもよい。導波路７０４及び７０８は、シリコンで形成されてもよい。実施形態において、検出器７１２は、半導体ベースの光検出器であり、半導体は、インジウムガリウムヒ素であってもよい。検出器７１２は、フリップチップボンディングを介して基板７０１に取り付けられてもよい。ＴＩＡ７２０は、図示のように、ＰＩＣ７００上にあってもよく、図１の増幅器１４５のように、オフチップであってもよい。
【0069】
格子カプラ７０２（１）及び７０２（２）は、ピッチ７０３だけ離間されるが、そのピッチ７０３は、２００μｍと３００μｍとの間、例えば２５０μｍであり得る。格子カプラ７０２（１、２）は、それぞれ、太陽信号１８２及び光信号１１９から（局部発振器１１０から）の電磁エネルギーを、ＰＩＣ７００に連結する。カプラ７０２（１）、７０２（２）から出力された電磁エネルギーは、入力導波路７０４（１）、７０４（２）に沿ってマルチモード干渉カプラ７０６内に移動し、その結果、連結された信号は、出力導波路７０８（１）、７０８（２）においては等しく半分のパワーであり、それぞれの検出器７１２（１）、７１２（２）内に異なる成分が統合された状態で入る。検出器７１２からの出力は、ＴＩＡ７２０に連結され、それによってオフチップの無線周波数領域への接続を容易にする。２つの検出器７１２が図示されているが、その代わりに、信号対ノイズ比（ＳＮＲ）に応じて、１つの検出器７１２が使用されてもよい。ＰＩＣ７００上にＴＩＡ７２０を統合することは、検出器（複数可）７１２とＴＩＡ７２０との間の距離を低減し、ノイズも低減する。図１と比較して、残りのＲＦ検出列（ＲＦ増幅器１４５、信号検出器１４６、データプロセッサ１２０）は、ＰＩＣ７００外であり、増幅器ゲインどうしの間及びフィルタ帯域幅どうしの間で容易に切り替わるようになっている。しかしながら、その代わりに、図１のように、全ての構成要素が、チップ（例えば、ＰＩＣ１０８）上に存在してもよい。
【0070】
図８は、ガス漏れ検出器１００の一例であるガス漏れ検出器８００の概略図である。ガス漏れ検出器８００は、局部発振器８１０、２×２カプラ８３３、バランス検出器８３５、電子機器８４０、及びデータプロセッサ８２０を含む。
【0071】
局部発振器８１０は、局部発振器１１０の一例であり、関数発生器８１２と、ダイオードレーザドライバ８１３と、シングルモード（single mode、ＳＭ）ファイバ連結分布帰還型（fiber-coupled, distributed feedback、ＤＦＢ）レーザ８１６とを含む。局部発振器８１０はまた、ＤＦＢ８１６に連結された熱電冷却器８１８を含んでもよい。ＤＦＢレーザ８１６は、２ＭＨｚの帯域幅を有し得る。データプロセッサ８２０は、データプロセッサ１２０の一例であり、アナログ－デジタル変換器８２７を含む。ダイオードレーザドライバ８１３及びＤＦＢレーザ８１６は、それぞれレーザドライバ１１３及び光源１１６の例である。
【0072】
ガス漏れ検出器８００はまた、オフアクシス型放物面鏡８５４及び１×２光ファイバスイッチ８０４のうちの少なくとも１つを含み得る。スイッチ８０４は、遠隔操作し得る。電子機器８４０は、ＲＦ検出器８４６と、更に、バンドパスフィルタ８４１、ローパスフィルタ８４２、ローパスフィルタ８４３、増幅器８４５、増幅器８４７、及び増幅器８４８のうちの少なくとも１つとを含む。ＲＦ検出器８４６は、信号検出器１４６の一例である。鏡８５４は、集光光学系１５４の一例であるか、又はその一部であってもよい。
【0073】
以下では、ガス漏れ検出器８００の例示的な動作モードを説明する。この例では、ガスプルーム１８０の種１８１はメタンである。局部発振器８１０からの光は、カプラ８３３において、この例では３３ｍｍの焦点距離を有する鏡８５４を使用して、単一モードに集光された太陽信号８８２太陽光と混合される。太陽信号８８２は、太陽信号１８２の一例である。光ファイバスイッチ８０４は、ＲＦバックグラウンドオフセットレベル（ＲＦ検出器の温度によって影響される）を、断続的にサンプリングすることを可能にする。ＲＦオフセットは、プルーム１８０の標的種の線形状を正確にフィッティングするためには、考慮に入れる必要がある。カプラ８３３の両方の出力レッグは、バランス検出器８３５へのデュアル入力を提供する。
【0074】
実施形態では、オフアクシス型放物面鏡８５４は、経緯儀マウントを有するＧＰＳ対応商用望遠鏡に便乗し、マイクロコントローラベースの追跡能力を使用することによって、ソース１９６を追跡する。追跡システムは、最初の位置合わせの後、日付、時刻、及び緯度に基づいて、ソース１９６の既知の位置を自動的に追跡する。直接吸収（direct absorption、ＤＡ）信号は、高速正弦波変調電圧を０に設定して収集される。
【0075】
関数発生器８１２は、ダイオードレーザドライバ８１３への入力として、２００Ｈｚの三角波を合成する。結果として生じる電流変調は、１６６５．９５６ｎｍを中心とするＣＨ4２ｖ3オーバートーンＱ（６）遷移をカバーする、約１６６５．８６８ｎｍから１６６６．０７５ｎｍまでの波長範囲にわたって、ＤＦＢレーザ８１６を繰り返し走査する。ＤＦＢレーザ８１６からの光は、ソース１９６からの光と結合されて、ＲＦビート音又は中間周波数（intermediate frequency、ＩＦ）を形成する。ビート音の包絡線には、太陽光が大気を通過する際に生じる任意の吸収線が刷り込まれる。フィルタは、２２５ＭＨｚより上のＩＦ周波数を遮断し、ＤＦＢレーザ８１６の瞬時波長を中心とする狭い範囲の周波数を残す。次いで、ＤＦＢレーザ８１６は、Ｑ（６）フィーチャにわたって２００Ｈｚで掃引されて、対象のスペクトルを生成する。データは、２ＭＳ／秒のＡ／Ｄ変換器によってデジタル化され、更に、ＬＯ ２００Ｈｚでの掃引と同期してスペクトルデータを収集し列平均化するようにトリガされる。Ａ／Ｄ変換器は、データプロセッサ１２０の一部であってもよい。
【0076】
収集されたデータは、ソフトウェア１２５として記憶された検索プログラムを使用してフィッティングされ、高度１８９に対するメタン混合比を以下の方法で決定する。実際の大気の垂直列は、成層圏（５０ｋｍ）の最上部まで米国標準大気（１８２６版）を使用して近似される。この標準大気は、等しい平均ρiΔＺi層に分割される。すなわち、層ｉにおける平均密度に層ｉの垂直深さを乗じたものは、全ての層ｉ＝１，．．．，Ｎについて等しい。層の数Ｎは任意であるが、ここでのデータ分析のために、以下に説明する理由でＮ＝１１を使用した。結果として、地表面により近い層はより浅く、より高い高度の層はより深くなっている。例えば、２つの層しかない（Ｎ＝２）場合、最下層は５．６ｋｍの深さであり、最上層は４４．４ｋｍの深さである。このようにして垂直列を分割することによって、異なる層が、層内のメタン濃度の所与の変化に対してメタンの積算吸収量のほぼ等しい変化に寄与する。
【0077】
ソフトウェア１２５の一部として記憶された検索アルゴリズムは、地表面から５０ｋｍの高度までのＮ（＝ρiΔＺi）層にわたる吸収量を合計することによって、メタンの垂直積算吸収スペクトルのモデルを計算する。このモデルは、レーベンバーグ・マルカート法を使用して、実際の測定されたＰＯＨＳメタン吸収スペクトルをフィッティングするために使用される。ルーチンは、モデルと測定されたスペクトルとの間の（二乗）差を最小化するためにフィッティングパラメータを変化させる。なお、Ｎ層のメタン濃度はフィッティングパラメータである。
【0078】
大気メタンの垂直プロファイルは、所与の測定スペクトルをフィッティングすることから得られる。そのプロファイルは、合理的な初期条件には敏感ではない。ここで示される結果について、本発明者らは、全ての層について１．８ｐｐｍに等しいメタン濃度を仮定している。所与の測定されたスペクトルをフィッティングすることから得られるメタンの垂直プロファイルは、層の数を１０を超えて（Ｎ＞１０）増加させても同様のままであるが、プロファイルはＮが増加するにつれて自然に滑らかになる。この問題は、本発明のレーザの走査範囲内で利用可能な少数のスペクトル特徴では数学的に過小に決定されるので、プロファイルの主要な特徴を依然として再現しながら、層の数を可能な限り少なく保つことを選択する。本発明者らは、１１個のビンを使用して全ての結果をモデル化した。
【0079】
バランス検出器８３５、電子機器８４０、及びデータプロセッサ１２０は、ガス漏れ検出器８００のスペクトル帯域幅を決定する。バランス検出器８３５は、２×２カプラ８３３の２つの出力レッグから光を受け取る。これらの光出力は本質的に逆位相である。共通モードノイズが除去され、しかも２つの入力からフォトダイオード信号を減算することによって、信号が強化される。バランス検出器８３５の出力帯域幅は、４００ＭＨｚであってもよい。次に、バランス検出器８３５の出力は、バンドパスフィルタ８４１（この例では帯域幅は２０ＭＨｚ～１ＧＨｚである）によってバンドパスフィルタリングされ、ＲＦ電力増幅器８４５で増幅され（この例では＋３０ｄＢの電力ゲイン、１０ＭＨｚ～１ＧＨｚ）、次に、ガス漏れ検出器８００のスペクトル分解能を決定する調整可能な周波数で、ローパスフィルタ８４２によってローパスフィルタリングされる。
【0080】
実施形態において、ローパスフィルタ８４２のカットオフ周波数は、５２ＭＨｚから２２５ＭＨｚの間である。この範囲では、ガス漏れ検出器８００の帯域幅は、測定されたメタンスペクトルプロファイルの広幅化を引き起こさない。しかし、より低いカットオフ周波数の欠点は、信号振幅が減少することである。ローパスフィルタリングされた信号電力は、０バイアスショットキーダイオードを含み得るＲＦ検出器８４６において電圧に変換されるが、その帯域幅は１０ＭＨｚから２ＧＨｚに及び得る。次いで、ＲＦ検出器８４６の電圧出力は、増幅され、増幅器８４７、ローパスフィルタ８４３、及び増幅器８４８を通してフィルタリングされて、アナログ信号１４９の一例である出力アナログ信号８４９を生成する。この例では、増幅及びフィルタリングは、７０ｋＨｚ未満の出力帯域幅で１４７２倍の電圧増加をもたらす。
【0081】
次に、アナログ信号８４９は、データプロセッサ１２０のＡ／Ｄ変換器の入力チャネルの１つに送られ、そこで同期してデジタル化され、列平均化される。２００Ｈｚで動作し、１０００回の走査について平均化することにより、５秒の取得シーケンスが得られる。図８において、以下を除き全てのリード線が電気的接続であるが、（ａ）ＤＦＢレーザ８１６とバランス検出器８３５との間のリード線、及び（ｂ）オフアクシス型放物面鏡８５４とバランス検出器８３５との間のリード線は、光学的構成要素／接続である。電気部品が支配的であり、これは検出器１００の主な利点の１つであるが、大規模な実験室機器を単一基板の専用センサに極小化することを可能にする。
【0082】
ガス漏れ検出器８００はまた、波長変調分光法（ＷＭＳ：Wavelength Modulation Spectroscopy）、１ｆ及び２ｆ信号を収集するための、デジタルロックイン増幅器８０６を含むことができる。増幅器８０６は、ローパスフィルタ８４３及びデータプロセッサ１２０に通信可能に連結される。この例では、増幅器８０６は、ダイオードレーザドライバ８１３内のバイアスＴ回路によって２００Ｈｚ掃引にインプリントされる、高速正弦波変調波形を生成する。増幅器８０６はまた、位相が、１ｆ及び２ｆ
信号成分を最大にするように調整されることを可能にする。最適位相は、帯域幅を決定する電子機器構成が変化するにつれて変化するが、その後は一定である。したがって、信号の
成分を測定する単一のロックインのみが必要である。約４５ｋＨｚの周波数では、７００ｍＶ（７８ｐｍの変調深さ）までの変調電圧で動作させる。増幅器８０６の１ｆ及び２ｆ出力は、Ａ／Ｄ変換器８２７のチャネル２及び３に向けられ、そこで同様にデジタル化され、列平均化される。直接吸収データを収集するとき、増幅器８０６上の高速変調電圧は、メタンスペクトル特徴を広げることを回避するために０に設定される。
【数2】
【数3】
【0083】
図９は、１６６５．９５６ｎｍを中心とする、ＣＨ4２ｖ3Ｑ（６）遷移上の、約１．８～２．０ｐｐｍの地上レベル濃度で生じる、自然発生バックグラウンドメタンのスペクトル９１０（黒色の曲線）を示す。Ｑ（６）遷移の分光法は、よく知られている。これは、本発明におけるスペクトル分解能で、約１６６５．９４８ｎｍ及び１６６５．９６７ｎｍにピークを生じさせる、近接しながらも離間された３つの線の２つのグループからなる。フィッティングされたスペクトル９２０（灰色の曲線）は、本発明の検索アルゴリズムを使用したスペクトル９１０へのフィットであり、ソフトウェア１２５として記憶される。
【0084】
６本の線は全て、２ｖ3オーバートーン帯域（非対称伸縮の２量子）のＱ分岐の一部であり、Ｅ″＝２１９．９ｃｍ-1の無振動のほぼ縮退した下位状態レベルから発する。スペクトル９１０は、２０２１年５月２２日午前１０：１８：５４ＭＤＴに、検出器１００の一実施形態によって取得されたデータである。それは、その時刻に存在するバックグラウンドメタン信号と、検出器１００に対する太陽の位置によって決定される空間方向のみからなる。フィッティングされたスペクトル９２０は、研削されたスペクトルのフィットである。図から分かるように、５秒間にわたる１，０００回の走査を平均することによって得られたスペクトルのノイズレベルにおいて、フィットは良好である。このスペクトル領域が選択されたのは、それが、低圧（高高度）で十分に分解され、大気圧（低高度）付近で単一の特徴に融合する、４５０ＭＨｚスペクトル分解能での２つの近接した特徴からなるからである。この圧力依存性は、メタンのおおよその高度を決定するための手段を提供し、これは、太陽の仰角及び検出器１００に対する太陽の方向に関する位置データを用いて、メタンのいかなる異常源の位置をも計算することを可能にする。
【0085】
より良い広がり係数を決定する本発明者らの努力は、１６６５．９５６ｎｍを中心とする２ｖ3Ｑ（６）線の基準スペクトル１００１～１００６を含む、図１０に示されるデータをもたらした。各基準スペクトル１００１～１００６は、フィッティングパラメータ１９２のスペクトルの一例である。実施形態において、フィッティングパラメータ１９２は、スペクトル１００１～１００６から決定された広がり係数を含む。スペクトルは、０．１２、０．２、０．３、０．５、０．７、及び１．０気圧の全圧で得られる。これらの圧力は、おおよそ、１６ｋｍ、１２ｋｍ、９ｋｍ、７ｋｍ、３ｋｍ、及び０ｋｍの高度にそれぞれ対応する。各スペクトルの走査範囲は同一であり、約１６６６．０３５～１６６５．８７９ｎｍである。各走査の波長範囲は、図９に示されるものの逆であり、データ収集方法のアーティファクトである。
【0086】
図１０を生成するために、標準ＴＤＬＡＳシステムと、メタン試料の組成、温度、圧力、及び経路長を制御することができるマルチパスセルとを使用して、０．１２～１．０気圧の圧力でＱ（６）線を繰り返し走査した。これらの測定を行うために、本発明者らは、窒素中５％メタンの較正されたボトルで開始し、本発明者らが１％メタン濃度を達成するまで、較正されたマスフローコントローラーを使用してメタンを窒素でフロー希釈した。それゆえ、本発明者らが決定した広がり係数は、窒素に対するものであって、空気に対するものではない。濃度は、検出器１００によって行われたレーザへテロダイン放射測定（ＬＨＲ）測定と同じ波長（約１６６６ｎｍ）での直接検出を用いる波長可変ダイオードレーザ測定を使用して検証された。レーザは、１．２２メートルの経路長を達成するために、我々の分光セルにおいて２回通過された。濃度は、全ての測定について１％で一定のままであった。異なる試行に対して、圧力のみを変化させた。これらの測定から、本発明者らは、ピークの三つ組が完全に分解されていなくても、Ｑ（６）フィーチャを３つの非常に近接したピークの２つのグループとしてモデル化するには不十分であることを学んだ。代わりに、本発明者らは、６つ全ての特徴を、個々の位置及び広幅化パラメータを用いて独立してモデル化しなければならなかったが、最終的な線広幅化パラメータは、高分解能透過分子吸収データベース（ＨＩＴＲＡＮ）の値と類似していた。
【0087】
上述の検索アルゴリズムは、図９のスペクトルプロファイルを分析し、図１１に示される、高度（圧力）に対するメタン混合比をもたらした。図１１は、（ｉ）高度に対するバックグラウンドメタン混合比（トレース１１１０）、及び（ｉｉ）室温及び局所大気圧で約１８，０００ｐｐｍ－ｍのメタンがオフアクシス型放物面鏡８５４の前に直接注入されたメタンの混合比（トレース１１２０）のプロットである。プロファイルどうしの間の劇的な差は、少量の過剰メタンを検出し、その過剰メタンの高度をおおよそ決定することができるということを示している。バックグラウンドメタンの検索アルゴリズムから本発明者らが決定する混合比対高度プロファイルは、先行作業に基づく予想と一致している。
【0088】
本発明者らのＬＨＲが異常なメタン「漏出」を見る能力を試験するために、本発明者らは、図９のような正常なバックグラウンドスペクトルを得て、それらを、室温及び局所大気圧（０．８３ａｔｍ）で窒素中５％メタン（５０００ｐｐｍ－ｍ）で充填された１０ｃｍの分光セルを挿入することによって、又は約１８，０００ｐｐｍ－ｍのメタンをＬＨＲ集光光学系の経路内に直接注入することによって得られたスペクトルと比較した。注入されたメタンの濃度は、メタンの流量、５００標準リットル／分（ｓｌｍ）（２１．４ｋｇ／時）、及び注入パイプの直径（５ｃｍ）から、計算流体力学による計算を用いて産出される。この漏れレベルは、スーパーエミッタ定義の半分（５０ｋｇ超／時）未満である。
【0089】
また、１３ｋｇ／ｈｒ（３００ｓｌｍ）のレベルで漏れが検出された。メタンを注入しない場合と注入した場合に得られたスペクトルを図１２に示す。図１２は、バックグラウンドメタン（トレース１２１０）と、ガス漏れ検出器８００の検出経路内へのメタンの直接注入からの約１８，０００ｐｐｍ－ｍに等しいメタンの追加量を伴う場合（トレース１２２０）との直接吸収（ＤＡ）スペクトルのプロットである。図１２はまた、それぞれトレース１２１０及び１２２０に対する検索フィット１２１２及び１２２２を含む。スペクトルを比較すると、追加のメタンが予想とほぼ一致して吸収率を増加させ、また線形状を大きく広げることが明らかである。
【0090】
ＷＭＳレーザへテロダイン放射測定データ
ＷＭＳの１ｆ及び２ｆＬＨＲ信号は、ＷＭＳがあるタイプのノイズを克服し、より小さい信号が、合理的な信号対ノイズ比で検出されることを可能にするので、収集するのに有利であり得ると、本発明者らは推測した。経路の内外のメタンセルを用いて、２ｆスペクトルを収集した。
ＷＭＳの１ｆ及び２ｆＬＨＲ信号は、ＷＭＳがあるタイプのノイズを克服し、より小さい信号が、合理的な信号対ノイズ比で検出されることを可能にするので、収集するのに有利であり得ると、本発明者らは推測した。経路の内外のメタンセルを用いて、２ｆスペクトルを収集した。
【0091】
図１３は、ＷＭＳの２ｆ信号のプロットであり、０．８３気圧及び室温で、５％メタンを充填した１０ｃｍセルあり（信号１３１０）及びセルなし（信号１３２０）のプロットである。変調深さは低く（この走査では１８ｐｍ）、これは線形状の本質的な特徴を良好に保存する。より大きな変調深さは、信号を増加させるが、プルームの位置特定の取り組みに特に関連する線形状の詳細を不明瞭にする。
【0092】
本発明者らは、ピークツーピーク２ｆ信号が、セル中の追加的メタンに起因して、より大きくなると予想した。我々の予想に反して、図１３に示されるように、ピークツーピーク２ｆメタン信号（及び波長積算２ｆ信号）は、メタンセルが挿入されるときに実際に減少する。この当初は驚くべき結果は、以下のように理解され得る。２ｆ信号は、本質的に、直接吸収スペクトルの二次導関数である。数学的には、二次導関数は線形状の曲率の尺度である。加えられたメタンは、積算大気柱に対して広い線形状を示すので、線形状の曲率は、メタンセルが挿入されるときに減少し、より小さい２ｆ信号をもたらす。
【0093】
これは、２ｆ及び１ｆ信号を、メタン漏れの検出及び位置特定に役に立たなくするように思われるが、以下を考慮されたい。直接吸収（direct absorption、ＤＡ）信号が吸光度の増加を示し、２ｆピークツーピーク振幅が減少する場合、追加のメタンが地面に近いことを示唆する（追加のメタンがガス漏れ検出器１００に近いことも示す）。太陽の高度及び方位角と共にこの情報を取得すると、単純な三角法により、漏れのおおよその位置を計算することができる。追加の吸収が２ｆ信号の増加を伴う場合、追加のメタンが高い高度にある（検出器１００から離れている）ことを示す。この情報は、検索プロファイルに対して補足的であるが、プルームの位置特定に役立つはずである。
【0094】
特徴の組み合わせ
上述の特徴並びに以下に請求される特徴は、本明細書の範囲から逸脱することなく、様々な方法で組み合わせることができる。以下に列挙する例は、いくつかの可能な非限定的な組み合わせを示す。
上述の特徴並びに以下に請求される特徴は、本明細書の範囲から逸脱することなく、様々な方法で組み合わせることができる。以下に列挙する例は、いくつかの可能な非限定的な組み合わせを示す。
【0095】
（Ａ１）ガス漏れ検出器は、光信号を太陽信号と干渉させ、結果として生じる干渉信号を検出することによって電気応答を生成する太陽検出器と、太陽検出器に通信可能に連結された信号フィルタであって、電気応答をフィルタリングして、太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有するビートノート信号を分離する信号フィルタと、
を含む。
を含む。
【0096】
（Ａ２）種の共鳴吸収に対応する光信号周波数を有する光信号を生成する局部発振器を更に含む、上記の実施形態（Ａ１）。
【0097】
（Ａ３）局部発振器に通信可能に連結されたコントローラであって、（ａ）太陽信号の強度及び（ｂ）標的種濃度のうちの１つ以上に少なくとも部分的に基づいて、光信号周波数を設定する、コントローラを更に含む、実施形態（Ａ１）又は（Ａ２）のいずれか１つ。
【0098】
（Ａ４）光源と；光源の周波数を調整するレーザドライバであって、それにより（ｉ）局部発振器が、複数の中心周波数のそれぞれ１つをそれぞれ有する複数の光信号を生成し、（ｉｉ）太陽検出器が、複数の光信号のそれぞれを太陽信号と混合することによって複数の電気応答のそれぞれ１つを生成し、（ｉｉｉ）信号フィルタが、複数の電気応答のそれぞれをフィルタリングして、複数のビートノート信号のそれぞれ１つを分離するようにする、レーザドライバと、を更に含む、実施形態（Ａ１）～（Ａ４）のいずれか１つ。
【0099】
（Ａ５）複数のビートノート信号の各々を記録する信号検出器と；信号検出器に通信可能に連結されたプロセッサと；（ｉ）複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける種の複数の基準吸光度スペクトルと、（ｉｉ）機械可読命令であって、プロセッサによって実行されると、プロセッサに：
をさせる、メモリと；
を更に含む、実施形態（Ａ１）～（Ａ５）のいずれか１つ。
をさせる、メモリと；
を更に含む、実施形態（Ａ１）～（Ａ５）のいずれか１つ。
【0100】
（Ｂ１）実施形態（Ａ４）のガス漏れ検出器のアレイであって、その各々が、ガスプルームを含む複数のガスプルームのそれぞれの１つに関連付けられたそれぞれの複数のビートノート信号を生成する、アレイと；それぞれの複数のビートノート信号の各々を記録する信号検出器と；信号検出器に通信可能に連結されたプロセッサと；機械可読命令を記憶するメモリであって、機械可読命令は、プロセッサによって実行されると、プロセッサに、複数のガスプルームの各々について：複数のビートノート信号から、複数の中心周波数にわたる吸光度スペクトルを決定し、（ｉ）圧力依存線形状関数を吸光度スペクトルにフィッティングすること、及び（ｉｉ）吸収スペクトルを、複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける種の複数の基準吸光度スペクトルと比較することのうちの少なくとも１つによって、ガスプルームの高度を決定させることによって、複数のガスプルームの３次元断層撮影データセットを生成させる機械可読命令を記憶するメモリと、を備えるガス漏れ検出器。
【0101】
（Ｂ２）信号フィルタに通信可能に連結され、ビートノート信号を記録する信号検出器を更に含む、実施形態（Ｂ１）。
【0102】
（Ｂ３）太陽検出器及び信号フィルタを含むフォトニック集積回路を更に含む、実施形態（Ｂ１）又は（Ｂ２）のいずれか１つ。
【0103】
（Ｂ４）メタン漏れ位置の特定を支援する風速計を更に含む、実施形態（Ｂ１）～（Ｂ４）のいずれか１つ。
【0104】
（Ｃ１）ガス漏れを検出する方法は、太陽信号と光信号との干渉から生成される干渉信号を検出して電気応答を生成することと、電気応答をフィルタリングして、太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有するビートノート信号を分離することとを含む。
【0105】
（Ｃ２）局部発振器を用いて、種吸収に関連付けられる光信号周波数を有する光信号を生成することを含む方法を更に含む実施形態（Ｃ１）。
【0106】
（Ｃ３）（ａ）太陽信号の強度及び（ｂ）種の濃度のうちの１つ以上に少なくとも部分的に基づいて、光信号周波数を選択することを含む方法を更に含む実施形態（Ｃ１）又は（Ｃ２）のいずれか１つ。
【0107】
（Ｃ４）方法が、種の濃度に対応するガスプルームの位置を決定することを更に含み、決定することは、大気圧に少なくとも部分的に基づいている、実施形態（Ｃ１）～（Ｃ４）のいずれか１つ。
【0108】
（Ｃ５）複数のサブフィルタのうちの１つにそれぞれ通信可能に連結された複数のサブ検出器を用いて、対応するサブフィルタによって分離された電気応答の対応する部分を検出することを含む方法を更に含む実施形態（Ｃ１）～（Ｃ５）のいずれか１つ。
【0109】
（Ｃ６）光信号を振幅変調して感度増強するのを可能にすることを含む方法を更に含む、実施形態（Ｃ１）～（Ｃ６）のいずれか１つ。
【0110】
（Ｃ７）実施形態（Ｃ１）～（Ｃ７）のいずれか１つにおいて、方法は、その各々が複数の中心周波数のうちのそれぞれ１つをそれぞれ有する複数の光信号との太陽信号の干渉から生成される複数の干渉信号を検出して、複数の電気応答を生成することを含む、干渉信号を検出することと、複数の電気応答の各々をフィルタリングして、種の濃度に反比例するそれぞれの振幅を有する複数のビートノート信号のうちのそれぞれ１つを分離することを含む、電気応答をフィルタリングすることと、を含み、複数の干渉信号、複数の光信号、及び複数のビートノート信号は、それぞれ、干渉信号、光信号、及びビートノート信号を含む。
【0111】
（Ｃ８）複数のビートノート信号から、複数の中心周波数にわたる吸光度スペクトルを決定することと、（ｉ）圧力依存線形状関数を吸光度スペクトルにフィッティングすること、及び（ｉｉ）吸収スペクトルを複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける種の複数の基準吸光度スペクトルと比較することのうちの少なくとも１つによって、ガスプルームの高度を決定することとを含む方法を更に含む、実施形態（Ｃ１）～（Ｃ８）のいずれか１つ。
【0112】
（Ｃ９）高度、太陽信号のソースの仰角、及び干渉信号を検出するデバイスに対するソースの方向から、ガスプルームの位置を決定すること含む方法を更に含む、実施形態（Ｃ１）～（Ｃ９）のいずれか１つ。
【0113】
（Ｃ１０）実施形態（Ｃ９）の方法を実行することによって、複数のガスプルームの各々について、ガスプルームのそれぞれの位置を決定して、複数のガスプルームの３次元断層撮影データセットを生成することを含む方法を更に含む実施形態（Ｃ１）～（Ｃ１０）のいずれか１つ。
【0114】
（Ｃ１１）風速を測定することと、高度、仰角、及び方向から位置を決定することとを含む、位置を決定することとを含む方法を更に含む、実施形態（Ｃ１）～（Ｃ１１）のいずれか１つ。
【0115】
（Ｄ１）ガス漏れ検出のためのフォトニック集積回路は、第１の入力ポート、第２の入力ポート、及び出力ポートを有するマルチモード干渉カプラと；第１の入力ポートに連結され、太陽信号をマルチモード干渉カプラに連結する第１の格子カプラと；第２の入力ポートに連結され、光信号をマルチモード干渉カプラに連結する第２の格子カプラと；出力ポートに連結され、干渉信号を出力する出力格子カプラと；出力格子カプラに連結され、干渉信号の検出に対する電気応答を生成する検出器と、を含む。
【0116】
（Ｄ２）電気応答を増幅するトランスインピーダンス増幅器を更に含む実施形態（Ｄ１）。
【0117】
（Ｄ３）電気応答をフィルタリングして、太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームの種濃度に反比例するビートノート信号を分離する信号フィルタと；メタン吸収に関連付けられる光信号周波数を有する光信号を生成する局部発振器と；ビートノート信号を記録する信号検出器と、を更に備える、実施形態（Ｄ１）又は（Ｄ２）のいずれか１つ。
【0118】
（Ｄ４）種濃度に対応するガスプルームの高度を決定するために、信号検出器に通信可能に連結された線形状弁別器を更に含む、実施形態（Ｄ１）～（Ｄ４）のいずれか１つ。
【0119】
（Ｄ５）ビートノート信号を増幅して増幅されたビートノート信号を生成するＲＦ増幅器を更に含む、実施形態（Ｄ１）～（Ｄ５）のいずれか１つ。
【0120】
上記のガス漏れ検知方法及びシステムでの変更は、本実施形態の範囲を逸脱せずに行うことができる。したがって、上記の説明に含まれ、又は添付図面に示された主題は、例示的なものとして解釈されるべきであり、かつ限定的な意味で解釈されるべきではないことを留意されたい。以下の特許請求の範囲は、本明細書に記載された全ての一般的かつ特定の特徴、並びに本発明のガス漏れ検知方法及びシステムの範囲の全ての陳述をカバーすることを意図し、それは、言葉として、それらの間にあると言ってもよい。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【手続補正書】
【提出日】2023-09-11
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光信号を太陽信号と干渉させ、結果として生じる干渉信号を検出することによって電気応答を生成する太陽検出器と、前記太陽検出器に通信可能に連結された信号フィルタであって、前記電気応答をフィルタリングして、前記太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有するビートノート信号を分離する信号フィルタと、
を備えるガス漏れ検出器。
【請求項2】
前記種の共鳴吸収に対応する光信号周波数を有する前記光信号を生成する局部発振器を更に備える、請求項１に記載の検出器。
【請求項3】
前記局部発振器に通信可能に連結されたコントローラであって、前記太陽信号の強度及び標的種濃度のうちの少なくとも１つに少なくとも部分的に基づいて前記光信号周波数を設定するコントローラを更に備える、請求項２に記載の検出器。
【請求項4】
前記局部発振器は、光源と、
前記光源の周波数を調整することにより、（ｉ）前記局部発振器が、複数の中心周波数のそれぞれ１つをそれぞれ有する複数の光信号を生成し、（ｉｉ）前記太陽検出器が、前記複数の光信号のそれぞれを前記太陽信号と混合することによって複数の電気応答のそれぞれ１つを生成し、（ｉｉｉ）前記信号フィルタが、前記複数の電気応答のそれぞれをフィルタリングして、複数のビートノート信号のそれぞれ１つを分離するようにする、レーザドライバと、
を更に備え、
前記複数の光信号、前記複数の電気応答、及び前記複数のビートノート信号は、それぞれ、前記光信号、前記電気応答、及び前記ビートノート信号を含む、
請求項２に記載の検出器。
【請求項5】
前記複数のビートノート信号の各々を記録する信号検出器と、前記信号検出器に通信可能に連結された少なくとも１つのハードウェアプロセッサと、
（ｉ）複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける前記種の複数の基準吸光度スペクトルと、（ｉｉ）機械可読命令であって、前記少なくとも１つのハードウェアプロセッサによって実行されると、前記少なくとも１つのハードウェアプロセッサに、
前記複数のビートノート信号から、前記複数の中心周波数にわたる吸収スペクトルを決定させ、
（ｉ）圧力依存線形状関数を前記吸光度スペクトルにフィッティングすること、及び（ｉｉ）前記吸収スペクトルを、複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける前記種の複数の基準吸光度スペクトルと比較することのうちの少なくとも１つによって、前記ガスプルームの高度を決定させる、機械可読命令を記憶するメモリと、
を更に備える、請求項４に記載の検出器。
【請求項6】
ガス漏れ検出器であって、請求項４に記載のガス漏れ検出器のアレイであって、前記ガス漏れ検出器の各々が、前記ガスプルームを含む複数のガスプルームのそれぞれ１つに関連付けられたそれぞれの複数のビートノート信号を生成する、ガス漏れ検出器のアレイと、
前記それぞれの複数のビートノート信号の各々を記録する信号検出器と、
前記信号検出器に通信可能に連結された少なくとも１つのハードウェアプロセッサと、
機械可読命令を記憶するメモリであって、前記機械可読命令は、前記少なくとも１つのハードウェアプロセッサによって実行されると、前記少なくとも１つのハードウェアプロセッサに、前記複数のガスプルームの各々について、
前記複数のビートノート信号から、前記複数の中心周波数にわたる吸収スペクトルを決定し、
（ｉ）圧力依存線形状関数を前記吸光度スペクトルにフィッティングすること、及び（ｉｉ）前記吸収スペクトルを、複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける前記種の複数の基準吸光度スペクトルと比較することのうちの少なくとも１つによって、前記ガスプルームの高度を決定する
ことによって、複数のガスプルームの３次元断層撮影データセットを生成させる、機械可読命令を記憶するメモリと、
を備えるガス漏れ検出器。
【請求項7】
前記信号フィルタに通信可能に連結され、前記ビートノート信号を記録する信号検出器を更に備える、請求項１に記載の検出器。
【請求項8】
前記太陽検出器及び前記信号フィルタを含むフォトニック集積回路を更に備える、請求項１に記載の検出器。
【請求項9】
メタン漏れ位置の特定を支援する風速計を更に備える、請求項１に記載の検出器。
【請求項10】
ガス漏れを検出する方法であって、太陽信号と光信号との干渉から生成される干渉信号を検出して電気応答を生成することと、
前記電気応答をフィルタリングして、前記太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームを形成する種の濃度に反比例する振幅を有するビートノート信号を分離することと、
を含む方法。
【請求項11】
局部発振器を用いて、種吸収に関連する光信号周波数を有する前記光信号を生成することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
（ａ）前記太陽信号の強度及び（ｂ）前記種の前記濃度のうちの１つ以上に少なくとも部分的に基づいて、前記光信号周波数を選択することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項13】
前記種の前記濃度に対応するガスプルームの位置を大気圧に少なくとも部分的に基づいて決定することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項14】
複数のサブフィルタのうちの１つにそれぞれ通信可能に連結された複数のサブ検出器を用いて、対応するサブフィルタによって分離された前記電気応答の対応する部分を検出することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項15】
前記光信号を振幅変調することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項16】
前記太陽信号と、その各々が、複数の中心周波数のうちのそれぞれ１つを有する複数の光信号との干渉から生成される複数の干渉信号を検出して、複数の電気応答を生成することと、前記複数の電気応答の各々をフィルタリングして、前記種の前記濃度に反比例するそれぞれの振幅を有する複数のビートノート信号のそれぞれ１つを分離することと、
を含み、
前記複数の干渉信号、前記複数の光信号、及び前記複数のビートノート信号は、それぞれ、前記干渉信号、前記光信号、及び前記ビートノート信号を含む、
請求項１０に記載の方法。
【請求項17】
前記複数のビートノート信号から、前記複数の中心周波数にわたる吸収スペクトルを決定することと、（ｉ）圧力依存線形状関数を前記吸光度スペクトルにフィッティングすること、及び（ｉｉ）前記吸収スペクトルを、複数の大気圧のうちのそれぞれ１つにおける前記種の複数の基準吸光度スペクトルと比較することのうちの少なくとも１つによって、前記ガスプルームの高度を決定することと、
を更に含む請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記高度、前記太陽信号のソースの仰角、及び前記干渉信号を検出するデバイスに対する前記ソースの方向から、前記ガスプルームの位置を決定することを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記ガスプルームは複数のガスプルームのうちの１つであり、前記方法は、前記複数のガスプルームの各々について決定された前記位置を用いて前記複数のガスプルームの各々について複数のガスプルームの３次元断層撮影データセットを生成することを更に含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
風速を測定することを更に含み、前記位置を決定することは、前記高度、前記仰角、前記方向、及び前記風速から位置を決定することを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項21】
ガス漏れ検出のためのフォトニック集積回路であって、第１の入力ポート、第２の入力ポート、及び出力ポートを有する、マルチモード干渉カプラと、
前記第１の入力ポートに連結され、太陽信号を前記マルチモード干渉カプラに連結する第１の格子カプラと、
前記第２の入力ポートに連結され、光信号を前記マルチモード干渉カプラに連結する第２の格子カプラと、
前記出力ポートに連結され、干渉信号を出力する出力格子カプラと、
前記出力格子カプラに連結され、前記干渉信号の検出に対する電気応答を生成する検出器と、
を備えるフォトニック集積回路。
【請求項22】
前記電気応答を増幅するトランスインピーダンス増幅器を更に備える、請求項２１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項23】
前記電気応答をフィルタリングして、前記太陽信号の経路に沿って位置するガスプルームの種濃度に反比例するビートノート信号を分離する信号フィルタと、メタン吸収に関連付けられる光信号周波数を有する前記光信号を生成する局部発振器と、
前記ビートノート信号を記録する信号検出器と、
を更に備える、請求項２１に記載のフォトニック集積回路。
【請求項24】
前記信号検出器に通信可能に連結され、前記種濃度に対応するガスプルームの高度を決定する線形状弁別器を更に備える、請求項２３に記載のフォトニック集積回路。
【請求項25】
前記ビートノート信号を増幅し、増幅されたビートノート信号を生成するＲＦ増幅器を更に備える、請求項２３に記載のフォトニック集積回路。
【国際調査報告】