(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気中の各種測定対象ガスに、吸収され易い波長の光と吸収され難い波長の光を照射し、それぞれの照射光の大気からの後方散乱光（反射光）を望遠鏡で受光して測定する差分吸収レーザーレーダー（ＤＩＡＬ）計測法を用いるガス濃度計測方法において、
測定対象ガスに対して、吸収され易い異なる波長の２波長と、吸収され難い異なる波長の２波長であって、かつ前記吸収され易い２波長の測定誤差対象ガスに対する消散係数の和と前記吸収され難い２波長の測定誤差対象ガスに対する消散係数の和とが等しくなるように４波長をそれぞれ選定し、
前記吸収され易い２波長の光を１組とし、前記吸収され難い２波長の光を１組としてそれぞれ前記測定対象ガスに照射し、
該照射された２組の反射光をそれぞれ受光し、該反射光の光子数に基づいてガス濃度を計測することを特徴とする多波長光によるガス濃度計測方法。
【請求項２】
前記吸収され易い異なる波長の２波長又は吸収され難い異なる波長の２波長のうちのいずれか一方の波長を１波長として、当該波長のデータの演算時に２倍にして２波長分データとして処理するようにした請求項１記載の多波長光によるガス濃度計測方法。
【請求項３】
前記吸収され易い波長及び吸収され難い波長をそれぞれ異なる波長の３波長以上をとしてデータ解析処理するようにした請求項１記載の多波長光によるガス濃度計測方法。
【請求項４】
前記吸収され易い多波長又は吸収され難い多波長の各波長の照射強度を、前記各波長の受信される光子数の比率にもとづいて調整するようにした請求項１乃至３記載の多波長光によるガス濃度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、多波長光により大気中のガス（原子、分子、エアロゾル等）濃度を計測する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
大気中のガス濃度を測定する方法として、例えば図  に示すように、単体又は複数の多波長光照射装置１から多波長の光２を順次に計測対象ガス３に照射し、その多波長の光を受光装置４により受光し、データ解析装置５により計測対象ガス３の構成成分の濃度計測を行う方法がある。この多波長光を用いる従来の計測方法であるレーザレーダは、計測対象ガスにより吸収され易い（吸収の大きい）波長と、吸収され難い（吸収の小さい）波長の２波長を用いた差分吸収レーザレーダ（ＤＩＡＬ）計測法が用いられている。また、さらに精度を高めるために、３つ以上の多波長を用いる測定方法がある。
この従来の２波長を用いたＤＩＡＬ計測法における受信光子数は、式１で現される。
【０００３】
【数１】
0003636829.tif 000002
ここで、Ｎr は受信光子数，Ｎt は照射光子数，ηは光学系全効率，ΔＲは距離分解能，βb は後方散乱係数，Ａは受信面積，Ｒは測定距離，βa は消散係数である。
このＤＩＡＬ計測法では、式１を２波長について記述し、その差を求めることにより表される。そこで、測定したいガス濃度ｎ（Ｒ）及び吸収断面積σにより、βa ＝σｎ（Ｒ）と表され、２つの波長に対してσのみが異なる場合、一般的なＤＩＡＬ計測法の式として、次の式２で表される。
【０００４】
【数２】
0003636829.tif 000003
σonとσoff は、それぞれ、吸収の大きい波長と吸収の小さい波長に対する吸収断面積である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この式２の場合は、前提条件として測定対象ガス以外のガスによる吸収や散乱の影響が、２つの波長に対して同じであると見做せる場合に限られるものである。即ち、２波長での消散係数βa が測定対象ガスのみで異なる場合に成り立つものであり、他のガスの影響がある場合は成り立たないのである。そして、測定対象ガス以外のガスに対して、消散係数βa が同じ２波長を選ぶことは困難な場合が多く、２波長を用いるＤＩＡＬ計測法では、測定対象となるガス以外の消散係数（吸収断面積）が等しくない場合は、誤差があるため測定精度が悪いという問題がある。
また、３つ以上の多波長を用いる測定は、用いる波長の数に応じた回数の測定を必要とし、計測に長時間を必要とする問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明による多波長光によるガス濃度計測方法は、大気中の各種測定対象ガスに、吸収され易い波長の光と吸収され難い波長の光を照射し、それぞれの照射光の大気からの後方散乱光（反射光）を望遠鏡で受光して測定する差分吸収レーザーレーダー（ＤＩＡＬ）計測法を用いるガス濃度計測方法において、測定対象ガスに対して、吸収され易い異なる波長の２波長と、吸収され難い異なる波長の２波長であって、かつ前記吸収され易い２波長の測定誤差対象ガスに対する消散係数の和と前記吸収され難い２波長の測定誤差対象ガスに対する消散係数の和とが等しくなるように４波長をそれぞれ選定し、前記吸収され易い２波長の光を１組とし、前記吸収され難い２波長の光を１組としてそれぞれ前記測定対象ガスに照射し、該照射された２組の反射光をそれぞれ受光し、該反射光の光子数に基づいてガス濃度を計測することを特徴とするものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明を、４波長を用いた例について説明する。この４波長のうち２波長は測定対象ガスに吸収され易い波長で、他の２波長は測定対象ガスに吸収され難い波長を選定する。また、式１において、消散係数βa のみが４波長で異なるものとする。そして、測定対象ガスに吸収され易い２波長での消散係数をそれぞれβon1 ，βon2 、また測定対象ガスに吸収され難い２波長での消散係数をそれぞれβoff1，βoff2とする。そして、測定対象ガスをｘ，誤差となるガスを０とすると、各４波長の消散係数は式３で表される。
【０００８】
【数３】
0003636829.tif 000004
σi はそれぞれの波長に対する吸収断面積である。それぞれの波長での式１を記述して、よく吸収する２波長（on）での２式から、吸収しにくい２波長（off ）の２式を引くと、次の式４が導かれる。
【０００９】
【数４】
0003636829.tif 000005
ここで、式５の
【数５】
0003636829.tif 000006
であるような波長を選択すると、式４は次の式６
【数６】
0003636829.tif 000007
となり、誤差となる測定対象ガス以外のガスの影響が含まれない式となる。
【００１０】
ここで、
【数７】
0003636829.tif 000008
とすると、式６の項
【数８】
0003636829.tif 000009
は、
【００１１】
【数９】
0003636829.tif 000010
となる。
【００１２】
同様に、式６の項の
【数１０】
0003636829.tif 000011
は、次の式１３に変換できる。
【数１１】
0003636829.tif 000012
【００１３】
ただし、前述の式１１及び式１３は、次の式１４又は式１５を条件とする。
【数１２】
0003636829.tif 000013
よって、式６はさらに次の式１６のように変形できる。
【数１３】
0003636829.tif 000014
即ち、測定は、４波長すべてを計測する必要がなく、on（on1 ，on2 ）とoff （off1，off2）の２波長づつまとめて計測することができるので、２波長を用いたＤＩＡＬ計測法と同じ時間で計測することが可能である。
なお、前述の式１４と式１５は、式１６に示すガス濃度ｎ（Ｒ）の精度を高める条件を示すもので、式１４と式１５の左辺が小さくなるように、波長に対する照射光の強度を調節することにより、測定精度を向上させることが可能である。
【００１４】
【実施例】
測定対象ガスをＳＯ2 （二酸化硫黄）として、前記計算式１６に、図１に示す公知の特性データに基づく表１に示した数値（各波長におけるＳＯ2 の吸収断面積）と、表１のデータにもとづいて算出された表２に示した受信光子数を、式６および式１６に当てはめて計算した例を示す。
なお、エアロゾルの消散係数を、300nm で 2×10-4ｍ-1とし、エアロゾルによる光の消散がレイリー散乱によると仮定し、 1／λ4 に比例するとする。
ＳＯ2 の密度は、図１に示した吸収断面積の特性、及び温度  15℃， 1atm ，単位 1ppb では、ｎ＝2.55×1016ｍ-3であることにより、吸収の大きい波長を300.0nm （on1 ）と298.6nm （on2 ）、吸収の小さい波長を299.3nm （off1,off2）の３つの波長で計算を行う。
ここで、
【数１４】
0003636829.tif 000015
と仮定する。（光出力10J 、受光望遠鏡の直径50cm、後方散乱係数 1.0×10-5 m-1光学系全効率0.01に相当）
また、測定距離Ｒを 3km、距離分解能ΔＲを100mとする。
【００１５】
【表１】
0003636829.tif 000016
このときの受信される光子数を表２に示す。
【００１６】
【表２】
0003636829.tif 000017
以上により、式１１の左辺と右辺はともに有効数字が３桁以内で 1.237となり、また式１３の左辺と右辺はともに有効数字が３桁以内で 0.808となり一致する。
この条件で、式６の従来の多波長によるＤＩＡＬ計測法で全４波長を計測し、密度を算出すると2.35×1016cm-3となるが、本発明の方法で密度を算出した場合においても、その計測値は2.34×1016cm-3となり、２桁の精度で正しく、誤差は無視できる程度のものである。
なお、この実施例では便宜上吸収され難い波長は１波長として示したが、前記の式５の条件等を満たす波長の異なる２波長を用いて、全４波長で計測できることは当然である。また、吸収され難い波長を２波長とし、吸収され易い波長を１波長として３波長を用いて計測してもよい。
また、式８に表２の計算データを入れてΔＮonを求めると、ΔＮon＝Ｎon1 −Ｎon／2 ＝67.5となるが、298.6 nmの照射強度を300.0 nmのそれより、9843／9708＝1.0139倍にすることにより、Ｎon1 とＮon2 がほとんど等しくなり、ΔＮonはほとんど０となり、計算されるガス濃度ｎ（Ｒ）は、近似式を用いるために生じる誤差はなくなる。
【００１７】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明は所要の条件に適合する異なる波長の３波長又は４波長を、測定対象ガスに吸収され易い波長と吸収され難い波長の２組に分けて順次に測定対象ガスに照射して，その複数又は単数の波長の反射信号をそれぞれ受信してそのデータに基づき演算処理するものであるため、特に測定対象ガス周辺の誤差となるガスによる光の吸収が大きい場合には、従来の２波長によるＤＩＡＬ計測法に比較して、測定精度の向上を図ることができる。また、従来の精度向上を図るための３波長以上の多波長によるＤＩＡＬ計測法に比較して、測定時間を短縮することができ、過渡現象の測定も可能となるなどの効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例の測定対象ガスＳＯ2 の波長／吸収断面積の特性図である。
【図２】本発明の対象とするＤＩＡＬ計測方法の測定構成概略図である。
【符号の説明】
１  多波長光照射装置
２  多波長の光
３  計測対象ガス
４  受光装置
５  データ解析装置
【図１】
0003636829.tif 000018
【図２】
0003636829.tif 000019