(57)【要約】【課題】調整機構を設けることなく光学干渉ノイズをレーザ受光信号から効果的に除去でき、レーザ式ガス分析計を簡素な構成で実現でき、コストダウンを図ること。【解決手段】信号処理装置（７０）は、測定空間を透過したレーザ光をレーザ受光信号（Ｓ）に変換し、レーザ受光信号から測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分を抽出するレーザ式ガス分析計（１）における信号処理装置であり、レーザ光が透過した光学系で生じた光学干渉ノイズに対応した閾値（ε）が設定される非線形フィルタ（７３）を備える構成とした。【選択図】図１
2018013433.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定空間を透過したレーザ光をレーザ受光信号に変換し、当該レーザ受光信号から測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分を抽出するレーザ式ガス分析計における信号処理装置であり、
前記レーザ光が透過した光学系で生じた光学干渉ノイズに対応した閾値が設定される非線形フィルタを備えたことを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記非線形フィルタは、前記測定対象ガスの光吸収波長域外において前記レーザ受光信号から前記光学干渉ノイズを検出するノイズ解析部と、前記ノイズ解析部で検出した前記光学干渉ノイズに相当する閾値を設定する閾値処理部と、前記レーザ受光信号から光吸収を受けた信号成分に重畳する光学干渉ノイズに相当する小振幅ノイズを前記光学干渉ノイズに相当する閾値に基づいて除去するノイズ除去部と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記非線形フィルタは、低周波成分に対応した第１の非線形フィルタと、高周波成分に対応した第２の非線形フィルタとを有し、
前記測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分から低周波成分を抽出する第１のバンドパスフィルタと、前記第１のバンドパスフィルタへ入力する信号成分から分岐された同一の信号成分から高周波成分を抽出する第２のバンドパスフィルタと、前記第１のバンドパスフィルタから出力される低周波信号に重畳する光学干渉ノイズに相当する小振幅ノイズを除去する前記第１の非線形フィルタと、前記第２のバンドパスフィルタから出力される高周波信号に重畳する光学干渉ノイズに相当する小振幅ノイズを除去する前記第２の非線形フィルタと、前記第１及び第２の非線形フィルタの出力とを合成する波形合成部と、を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記レーザ式ガス分析計は、前記レーザ光の波長域を前記測定対象ガスの光吸収波長域を横切るように変化させるレーザ駆動制御回路を備え、
前記ノイズ解析部は、前記レーザ光の波長域が前記測定対象ガスの光吸収波長域を横切る前又は後ろのタイミングで前記レーザ受光信号から前記光学干渉ノイズを検出することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の信号処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ式ガス分析計に用いられる信号処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
測定空間に存在する測定対象ガスの有無又は濃度を、レーザ光を用いて測定するレーザ式ガス分析計が知られている。レーザ式ガス分析計においては、測定対象ガスの光吸収スペクトルと同じ発光波長帯を有するレーザ光源が用いられる（例えば、特許文献１参照）。レーザ光源から出射されるレーザ光を測定対象ガスに照射し、測定対象ガスによるレーザ光の吸収を利用してガス濃度を計測する。
【０００３】
図９は、特許文献１に記載されたレーザ式ガス分析計の概略構成図である。レーザ式ガス分析計２０は、測定対象ガスが存在する測定対象空間３０に向けてレーザ光を出射する発光部１０と、測定対象空間３０を透過したレーザ光を受光する受光部２０と、受光信号に基づいて測定対象ガスによるレーザ光の吸収量を抽出して各種演算処理によって測定対象ガス濃度を求める信号処理部２３と、で構成されている。発光部１０は、レーザ素子が搭載された光源部１１と、光源部１１から出射されたレーザ光を平行ビームに変換するコリメートレンズ１２とを備えている。また、受光部２０は、測定対象ガスを透過したレーザ光を集光する集光レンズ２１と、集光レンズ２１で集光されたレーザ光を検出する光検出部２２と、を備えている。
【０００４】
レーザ光は光路上にあるコリメートレンズ１２、集光レンズ２１等の光学部品を完全に透過することが望ましいが、光学部品により若干反射される場合がある。このため、光学部品間で多重反射を生じる光学干渉が引き起こされて、光学干渉によるノイズ（以下、光学干渉ノイズという）が光検出部２２のレーザ受光信号に重畳し、測定対象ガス濃度の計測に誤差が発生する問題が有る。一般的に光学干渉を防ぐためには、光源部１１及び光学部品を、若干角度を設けて設置する対策がとられている。また、予め測定対象ガス濃度のバイアス値として、測定対象ガスを発光部筐体１７及び受光部筐体２７内に封入させておくことで、光学干渉ノイズの影響を低減させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−３２４２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、光源部１１及び光学部品を角度を設けて設置する場合、角度調整機構が必要となり装置構成が複雑になる問題がある。また、周囲の温度変化により調整機構の寸法が変化すると角度調整が正確に行われず、光学干渉を防ぐことができない問題がある。また、特許文献１に記載の方法では、測定対象ガスを発光部筐体１７及び受光部筐体２７内に機密保持するための機構が必要となり、コストが増加する問題がある。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、調整機構を設けることなく光学干渉ノイズをレーザ受光信号から効果的に除去でき、レーザ式ガス分析計を簡素な構成で実現でき、コストダウンを図ることができる信号処理装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の信号処理装置は、測定空間を透過したレーザ光をレーザ受光信号に変換し、当該レーザ受光信号から測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分を抽出するレーザ式ガス分析計における信号処理装置であり、前記レーザ光が透過した光学系で生じた光学干渉ノイズに対応した閾値が設定される非線形フィルタを備えたことを特徴とする。
【０００９】
この構成により、非線形フィルタによって光学干渉ノイズから決定された閾値を用いて、光学干渉ノイズを効果的に除去することができるため、測定対象ガスによる光吸収波長域の信号成分を適切に抽出することができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、調整機構を設けることなく光学干渉ノイズをレーザ受光信号から効果的に除去でき、レーザ式ガス分析計を簡素な構成で実現でき、コストダウンを図ることができる信号処理装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施の形態に係る信号処理装置の信号処理過程を示す機能ブロック図である。
【図２】第１の実施の形態に係る非線形フィルタの構成を示すブロック図である。
【図３】第１の実施の形態における発光部及びレーザ駆動制御回路の構成を示すブロック図である。
【図４】第１の実施形態におけるレーザ光の走査波形と測定対象ガスの吸収波形との対応を示す図である。
【図５】第１の実施の形態におけるノイズ解析部で用いられる非線形関数を示す。
【図６】第１の実施の形態の信号処理過程におけるレーザ受光信号の信号波形を示す図である。
【図７】第２の実施の形態に係る信号処理装置の信号処理過程を示す機能ブロック図である。
【図８】第２の実施の形態に係る信号処理過程の具体例を説明するための図である。
【図９】レーザ式ガス分析計の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の第１の実施の形態に係るレーザ式ガス分析計の信号処理装置について詳細に説明する。なお、以下の説明では、すべての図面において同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１３】
図１は、第１の実施の形態に係る信号処理装置の信号処理過程を示す機能ブロック図である。本実施の形態の信号処理装置は、レーザ式ガス分析計１の光学測定部からレーザ受光信号を取り込んで測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分を抽出する信号処理を行う。レーザ式ガス分析計１の光学測定部では、発光部４０から出射されたレーザ光は、測定対象ガスを透過して受光部５０に受光され、受光光量に応じた電流として受光部５０から出力される。受光部５０の出力電流はＩＶ変換器６０で電圧信号に変換され、信号処理装置７０にレーザ受光信号Ｓとして取り込まれる。本実施の形態の信号処理装置７０は、高域通過フィルタ（ＨＰＦ：Ｈｉｇｈ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）７１と、平均化フィルタ７２と、非線形フィルタ７３とを備え、これらのフィルタ７１、７２、７３により各種ノイズを除去した後、測定対象ガスによる光吸収を受けた信号成分に基づいて測定対象ガス濃度を演算する。図２は非線形フィルタ７３の構成例を示している。非線形フィルタ７３は、ノイズ解析部７４と、閾値処理部７５と、ノイズ除去部７６とで構成されている。
【００１４】
図３はレーザ式ガス分析計の光学測定部における発光部及びレーザ駆動制御回路の構成を示すブロック図である。発光部４０には、上記の通りレーザ素子４１が搭載された光源部４０ａが備えられている。光源部４０ａは、レーザ素子４１と、レーザ素子４１を駆動するためのレーザ駆動信号を生成するレーザ駆動信号生成部４２と、レーザ駆動信号生成部４２で生成したレーザ駆動信号を電流に変換してレーザ素子４１に供給する電流制御部４３と、を備える。レーザ駆動信号生成部４２と電流制御部４３とでレーザ駆動制御回路を構成している。
【００１５】
レーザ駆動信号生成部４２は、波長走査駆動信号発生部４２ａと、高周波変調信号発生部４２ｂと、合成部４２ｃとから構成されている。波長走査駆動信号発生部４２ａは、測定対象ガスの吸収波長を横切るようにレーザ素子４１の発光波長を走査させる。高周波変調信号発生部４２ｂは、測定対象ガスの吸収波長を検出するために正弦波で波長を周波数変調する（図４参照）。これらの波長走査駆動信号発生部４２ａ及び高周波変調信号発生部４２ｂの出力信号を合成部４２ｃで合成することにより、レーザ駆動信号が生成される。レーザ駆動信号発生部４２から出力されたレーザ駆動信号は電流制御部４３により電流に変換され、レーザ素子４１に供給される。
【００１６】
レーザ素子４１に近接して、温度検出素子としてのサーミスタ４４が配置され、サーミスタ４４にはペルチェ素子４５が近接して配置されている。ペルチェ素子４５は、サーミスタ４４の抵抗値が一定値になるように温度制御部４６によって制御され、これによりレーザ素子４１の温度が安定化される。
【００１７】
図４を参照してレーザ光波長域の走査について説明する。図４はレーザ光の走査波形と、測定対象ガスの吸収波形との対応を示す図である。波長走査駆動信号発生部４２ａから出力される波長走査駆動信号Ｉ１（図３参照）は、一定周期で繰り返されるほぼ台形波状の信号である。波長走査駆動信号Ｉ１は、信号値が零よりも大きな一定値に保たれた部分ｉ１と、信号値がｉ１部分よりも高い状態から直線的に増加する部分ｉ２と、信号値が零となる部分ｉ３とから構成される。波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ１は、吸収波長は走査しないがレーザ素子４１は発光させておくオフセット部分であって、レーザ素子４１の発光を安定化させるためにレーザ素子４１のスレッショルド電流以上となる値に設定される。波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ２は、レーザ素子４１に供給される電流の大きさを直線的に変えることにより、レーザ素子４１の発光波長を徐々にずらすための部分である。
【００１８】
波長走査駆動信号発生部４２ａからの波長走査駆動信号Ｉ１と、高周波変調信号発生部４２ｂからの高周波変調信号Ｉ２とは合成部４２ｃで合成され、レーザ駆動信号に応じてレーザ素子４１が駆動される。これにより、レーザ素子４１からは、図４に示すように測定対象ガスの吸収波長帯を横切るように走査されるレーザ光が出射される。図４では、例えば高周波変調信号Ｉ２の周波数を５０ｋＨｚ、波長走査駆動信号Ｉ１の周波数を０．２ｋＨｚとしてあり、λ１はオフセットに相当する波長、λ２、λ３は測定対象ガスの吸収波長に相当する走査範囲の上下限値を示している。
【００１９】
次に、受光部５０について説明する（図１参照）。受光部５０における受光素子からなる光検出部（不図示）によって検出されたレーザ受光信号Ｓは電流信号に変換される。電流信号はＩＶ変換器６０で電圧信号に変換され、信号処理装置７０に入力される。
【００２０】
次に、信号処理装置７０について説明する。レーザ受光信号Ｓは高域通過フィルタ７１を経由して平均化フィルタ７２に入力される（図１参照）。高域通過フィルタ７１は、レーザ受光信号Ｓにおけるオフセット部分を除去する。また、直流成分や低周波のうねり成分（１／ｆノイズ）を除去することができる。平均化フィルタ７２は、高域通過フィルタ７１の出力を入力し、ランダムノイズを低減する。高域通過フィルタ７１及び平均化フィルタ７２において直流成分、ランダムノイズ等が除去されたレーザ受光信号Ｓは、非線形フィルタ７３に入力される。
【００２１】
非線形フィルタ７３は、ノイズ解析部７４において、レーザ受光信号Ｓに重畳している光学干渉ノイズの振幅を解析する（図２参照）。レーザ受光信号Ｓには光学干渉ノイズの他に各種ノイズが重畳する可能性がある。ここでは、光学干渉ノイズ及び光学干渉ノイズに類似した振幅のノイズを総称して小振幅ノイズＮという。ノイズ解析部７４は、波長走査駆動信号発生部４２ａから波長走査駆動信号ｉ１が出力される区間（図４参照）、すなわち測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミング（測定対象ガスの信号が無い区間ｂ（図６参照））で小振幅ノイズＮの振幅を検出する。閾値処理部７５は、ノイズ解析部７４で検出された小振幅ノイズＮの振幅に基づいて閾値εを設定する。ノイズ除去部７６は、閾値処理部７５で設定された閾値εを用いて、小振幅ノイズＮを閾値ε以下にする。これにより、レーザ受光信号Ｓから小振幅ノイズＮを除去することができる。
【００２２】
ノイズ除去部７６としては、例えばε−フィルタを用いることができる。ε−フィルタは、比較的大きな変化を伴う信号に重畳した小振幅ノイズＮを、信号の急峻性を損なわずに効果的に取り除くことができる。ε−フィルタの入出力式は、小振幅ノイズＮが重畳したレーザ受光信号Ｓの入力信号をｘ（ｎ）、ε−フィルタの出力信号をｙ（ｎ）とすると、式（１）のように示すことができる。
【００２３】
【数１】
2018013433.tif 000003
【００２４】
【数２】
2018013433.tif 000004
は、非巡回型デジタルフィルタ（ＦＩＲ）である。ａｉは非巡回型デジタルフィルタのフィルタ係数であり、フィルタ係数の直流ゲインを１とするために、その総和は式（３）のように示される。
【００２５】
【数３】
2018013433.tif 000005
【００２６】
またＦ（ｘ）は、絶対値をεに制限する非線形関数であり、式（４）のように示される。
【００２７】
【数４】
2018013433.tif 000006
【００２８】
図５に、使用する非線形関数Ｆ（ｘ）を示す。図５は、ノイズ解析部７４で用いられる非線形関数を示す。このように、ε−フィルタは非巡回型デジタルフィルタを非線形化することにより導くことができ、入力信号ｘ（ｎ）と出力信号ｙ（ｎ）との差を閾値ε以下に抑えながらレーザ受光信号Ｓの波形を平滑化することができる。ε−フィルタにより、アナログ回路フィルタ等の線形フィルタでは除去できない小振幅ノイズＮを除去することができる。なお、ε−フィルタは非巡回型デジタルフィルタであり、その位相特性は周波数で変わらない。すなわち、位相一定（位相直線性）が保証されるため、急峻な周波数特性を持たせた場合においても、一般の線形フィルタに用いられるようなフィルタ出力の波形の歪みは発生しない特徴を持つ。
【００２９】
非線形フィルタ７３のノイズ除去部７６の出力信号は、ガス濃度演算部７７に送られる（図１参照）。ガス濃度演算部７７は、測定対象ガス濃度を演算する。非線形フィルタ７３のノイズ解析部７４は、測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングでノイズを検出することにより、小振幅ノイズＮの振幅を容易に検出することができる。閾値処理部７５において小振幅ノイズＮの振幅から決定された閾値εを用いて、ノイズ除去部７６が小振幅ノイズＮを閾値ε以下に抑えることで、レーザ受光信号Ｓに重畳した小振幅ノイズＮを効果的に除去することができる。よって、ガス濃度演算部７７において、小振幅ノイズＮが除去された測定対象ガスの信号波形から測定対象ガス濃度を高い精度で演算することができる。
【００３０】
また、非線形フィルタ７３を用いてレーザ受光信号Ｓから小振幅ノイズＮを除去することができるため、信号処理装置７０が用いられるレーザ式ガス分析計１の光学系（光学部品間）で起こるレーザ光の反射を防止するための機構を設置する必要がなくなる。これにより、レーザ式ガス分析計１の構成を簡易化することができ、低コスト化を図ることができる。
【００３１】
なお、レーザ受光信号Ｓと比較して大きいインパルス性ノイズ（スイッチング電源ノイズ等）が、レーザ受光信号Ｓに重畳する場合は、非線形フィルタ７３又はガス濃度演算部７７の後段に、中央値処理を行うメディアンフィルタを追加することができる。
【００３２】
次に、第１の実施の形態における信号処理過程の具体例について説明する。
図６は、第１の実施の形態の信号処理過程におけるレーザ受光信号の信号波形を示す図である。図６Ａから図６Ｃにおいて、横軸はレーザ光の波長、縦軸はレーザ受光信号Ｓの振幅を示している。また、区間ａは、測定対象ガスの吸収波長帯（波長走査駆動信号発生部４２ａから出力される波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ２に対応（図４参照））であり、測定対象ガスの信号波形が示されている。区間ｂは、測定対象ガスの吸収波長帯から外れた波長帯（波長走査駆動信号発生部４２ａから出力される波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ１（オフセット部分）に対応）である。
【００３３】
上記した通り、受光部５０のレーザ素子４１は、測定対象ガスの吸収波長帯を含まないように周波数変調されたレーザ光（波長走査駆動信号発生部４２ａから出力される波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ１に対応（図３及び図４参照））と、測定対象ガスの吸収波長帯を含むように周波数変調されたレーザ光（波長走査駆動信号発生部４２ａから出力される波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ２に対応）とを交互に出射する。レーザ受光信号Ｓは、オフセット部分（波長走査駆動信号Ｉ１の部分ｉ１）の信号、コリメートレンズ（図１参照）及び集光レンズ等の光学部品間で多重反射による小振幅ノイズＮ、直流成分や低周波の１／ｆノイズ、ランダムノイズ等が重畳している。
【００３４】
信号処理装置７０の高域通過フィルタ７１において、レーザ受光信号Ｓにおけるオフセット部分、直流成分や低周波の１／ｆノイズが除去される。図６Ａは、高域通過フィルタ７１を通過したレーザ受光信号Ｓの波形を示す。
【００３５】
区間ａに測定対象ガスの吸収波長域の信号波形が示されており、測定対象ガスが当該波長域のレーザ光を吸収して、出力は低下している。区間ｂに現れるレーザ受光信号Ｓのオフセット部分に相当する波形、レーザ受光信号Ｓに重畳する直流成分や１／ｆノイズは除去されているが、レーザ受光信号Ｓの波形には小振幅ノイズＮやランダムノイズが重畳したままとなっている。このため、区間ｂから測定対象ガスの信号波形を直接抽出することは難しい。また、小振幅ノイズＮのみを検出することも難しい。
【００３６】
図６Ｂは、平均化フィルタ７２を通過したレーザ受光信号Ｓの波形を示す。平均化フィルタ７２により区間ａ及び区間ｂに現れるランダムノイズが大きく低減されていることがわかるが、レーザ受光信号Ｓに小振幅ノイズＮがまだ重畳している。また区間ｂは、本来測定対象ガスの信号波形が生成しない箇所であるので、区間ｂの波形は小振幅ノイズＮが残留しているものであることがわかる。このとき、区間ｂにおいて小振幅ノイズＮの振幅を容易に検出することができる。
【００３７】
非線形フィルタ７３のノイズ解析部７４は、区間ｂ、すなわち測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングで小振幅ノイズＮの振幅を検出する。閾値処理部７５は、ノイズ解析部７４で検出された小振幅ノイズＮの振幅値を、ノイズ除去部７６におけるε−フィルタの閾値εに設定する。ノイズ除去部７６は閾値処理部７５で設定された閾値εを用いて、小振幅ノイズＮを閾値ε以下にする。区間ａ及び区間ｂに対応するレーザ光波長域の切り換えはレーザ駆動制御回路で行われているため（図３参照）、区間ｂのタイミングは容易に確認することができる。よって、ノイズ解析部７４は、図６Ｂの区間ｂに示す小振幅ノイズＮを検出することができるため、小振幅ノイズＮの振幅を安定して検出することができる。なお、ノイズ解析部７４は、測定対象ガスの信号波形が生成する後ろのタイミングで小振幅ノイズＮの振幅を検出することもできる。
【００３８】
図６Ｃは、非線形フィルタ７３を通過したレーザ受光信号Ｓの波形を示す。図６Ｂにおいてレーザ受光信号Ｓに残留していた小振幅ノイズＮが除去されていることがわかる。このように、非線形フィルタ７３を用いることにより、区間ｂにおいて測定対象ガスの信号波形を適切に抽出できる。
【００３９】
非線形フィルタ７３のノイズ除去部７６の出力信号は、ガス濃度演算部７７に入力される。ガス濃度演算部７７は、区間ｂにおける小振幅ノイズＮが除去された測定対象ガスの信号波形から測定対象ガス濃度を高い精度で演算することができる。
【００４０】
ノイズ解析部７４においては、図６Ｂに示すレーザ受光信号Ｓの波形をＡ／Ｄコンバータで取り込み、レーザ駆動制御回路による区間ａ及び区間ｂの切り換え結果から測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングを確認して、区間ｂから小振幅ノイズＮの振幅を検出することが可能である。また、短時間高速フーリエ変換又はウェーブレット解析によって小振幅ノイズＮの振幅を検出することも可能である。この場合、レーザ受光信号Ｓの時間領域と周波数領域を同時に解析できるため、測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングと小振幅ノイズＮの振幅値を求めることができる。
【００４１】
また、閾値処理部７５において、例えば波長走査駆動信号Ｉ１の周波数ごとに閾値εを更新していくことで、周囲温度変化による光学系の変化、すなわち小振幅ノイズＮの変化に対応して、小振幅ノイズＮの除去が可能になる。なお、周囲温度変化が一定の場合、平均化フィルタ７２の出力は、ノイズ解析部７４及び閾値処理部７５を介さずに直接ノイズ除去部７６に入力されてもよい。これにより、非線形フィルタ７３における処理速度を上げることができる。
【００４２】
第１の実施の形態に係る信号処理装置７０によれば、測定対象ガスの信号波形が生成する前のタイミングで光学干渉ノイズを検出することにより、測定対象ガスの光吸収波長域外で小振幅ノイズＮを検出することができるため、小振幅ノイズＮの振幅εを容易に検出することができる。非線形フィルタ７３によって小振幅ノイズＮの振幅から決定された閾値εを用いて、小振幅ノイズＮを効果的に除去することができるため、測定対象ガスの信号波形を適切に抽出することができる。また、非線形フィルタ７３を用いて小振幅ノイズＮを除去することにより、信号処理装置７０が用いられるレーザ式ガス分析計１に光学部品間で起こるレーザ光の反射を防止するための機構を設置する必要がなくなる。これにより、レーザ式ガス分析計１の構成を簡易化することができ、低コスト化を図ることができる。
【００４３】
次に、第２の実施の形態に係る信号処理装置について説明する。第２の実施の形態は、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ：Ｂａｎｄ  Ｐａｓｓ  Ｆｉｌｔｅｒ）により、レーザ受光信号Ｓの低周波成分と高周波成分を分離して、非線形フィルタ７３で処理する。第１の実施の形態と相違している部分を主に説明する。ここで、高周波成分とはレーザ受光信号Ｓの周波数成分のうち高域側の周波数成分を言い、低周波成分とはレーザ受光信号Ｓの周波数成分のうち低域側の周波数成分を言うものとする。
【００４４】
図７は、第２の実施の形態に係る信号処理装置の信号処理過程を示す機能ブロック図である。平均化フィルタ７２の出力端に対して複数のＢＰＦ８１ａ〜８１ｎが並列に接続され、ＢＰＦ８１ａ〜８１ｎの出力端には複数の非線形フィルタ７３ａ〜７３ｎが接続されている。また、各非線形フィルタ７３ａ〜７３ｎの後段にはそれぞれ補償器（ｄｅｌａｙ）８２ａ〜８２ｎが接続され、各補償器８２ａ〜８２ｎの出力は波形合成部８３に入力される。平均化フィルタ７２より前段は図１に示す通りである。例えば、レーザ受光信号Ｓの基本成分が低周波と高周波とにより構成される場合、ＢＰＦ８１ａ〜８１ｎによりレーザ受光信号Ｓに含まれる周波数成分を低周波成分と高周波成分とに分離することができる。このため、閾値ε又はノイズ除去部７６のε−フィルタの基本となる非巡回型デジタルフィルタの定数を、各非線形フィルタ７３ａ〜７３ｎに入力される周波数成分に対応して設定することができる。
【００４５】
例えば、ＢＰＦ８１ａによってレーザ受光信号Ｓに含まれる周波数成分のうち低周波が抽出され、非線形フィルタ７３ａに入力される場合、低周波成分を通過させるように非線形フィルタ７３ａの非巡回型デジタルフィルタの定数を設定する。そして、低周波成分の波形に重畳する小振幅ノイズＮレベルに対応して振幅値から閾値εを設定する。これにより、レーザ受光信号Ｓの低周波成分の波形を維持したまま、効果的にレーザ受光信号Ｓの波形から小振幅ノイズＮを除去することができる。また、ＢＰＦ８１ｂによってレーザ受光信号Ｓに含まれる周波数成分のうち高周波数を抽出する場合も同様に、高周波成分を通過させるように非線形フィルタ７３ｂの非巡回型デジタルフィルタの定数を設定し、高周波成分に重畳する小振幅ノイズＮの振幅値から閾値εを設定して、小振幅ノイズＮを除去する。
【００４６】
補償器８２ａ〜８２ｎは、非線形フィルタ７３ａ〜７３ｎの出力を補償器８２ａ〜８２ｎに入力することで、フィルタ処理による遅延時間が等しくなるように設定されている。すなわち、ＢＰＦ８１ａ及び非線形フィルタａに入力されたレーザ受光信号Ｓの低周波数成分の演算処理時間と、ＢＰＦ８１ｂ及び非線形フィルタｂに入力されたレーザ受光信号Ｓの高周波数成分の演算処理時間とが等しくなるように遅延して時間補償している。波形合成部８３は各補償器８２ａ〜８２ｎの出力を合成し、低周波成分及び高周波成分に分離されたレーザ受光信号Ｓを加算により波形として再合成して、レーザ受光信号Ｓを再現させる。補償器８２ａ〜８２ｎでレーザ受光信号Ｓの低周波数成分の演算処理時間と高周波数成分の演算処理時間とを等しくすることで、波形合成部８３で各成分毎の信号波形を精度良く再合成することができる。
【００４７】
図８を参照して第２の実施の形態における信号処理過程の具体例について説明する。
図８は、横軸はレーザ受光信号の波長、縦軸はレーザ受光信号の振幅を示している。図８Ａは、平均化フィルタ７２を通過したレーザ受光信号Ｓの信号波形を示す。レーザ受光信号Ｓは低周波成分Ｌと高周波成分Ｈの２成分からなっており、レーザ受光信号Ｓに小振幅ノイズＮが重畳している様子が示されている。
【００４８】
平均化フィルタ７２の出力信号は、ＢＰＦ８１ａ〜８１ｎに入力されて周波数成分が低周波成分Ｌと高周波成分Ｎとに分離される。分離されたレーザ受光信号は、それぞれ非線形フィルタ７３ａ〜７３ｎに入力されて小振幅ノイズＮが除去される（図７参照）。レーザ受光信号Ｓは低周波成分Ｌを通過するＢＰＦ８１ａに入力されて低周波成分Ｌが分離され、低周波成分Ｌに対応する非巡回型デジタルフィルタ定数及び閾値εが設定された非線形フィルタ７３ａに入力されて小振幅ノイズＮが除去される。また、レーザ受光信号Ｓは高周波成分Ｈを通過するＢＰＦ８１ｂに入力されて高周波成分Ｈが分離され、高周波成分Ｈに対応する非巡回型デジタルフィルタ定数及び閾値εが設定された非線形フィルタ７３ｂに入力されて小振幅ノイズＮが除去される。
【００４９】
図８Ｂは、低周波成分Ｌを分離するＢＰＦ８１ａを通過したレーザ受光信号Ｓの波形を示す。図８Ｃは、低周波成分Ｌに対応する非巡回型デジタルフィルタ定数及び閾値εが設定された非線形フィルタ７３ａを通過したレーザ受光信号Ｓの波形を示す。レーザ受光信号Ｓが非線形フィルタ７３ａを通過する前の図８Ｂでは、低周波成分Ｌの波形に小振幅ノイズＮが重畳している。非線形フィルタ７３ａを通過した後の図８Ｃでは、低周波成分Ｌの波形の形状が維持された状態で小振幅ノイズＮが除去されている。低周波成分Ｌの波形に重畳する小振幅ノイズＮレベルに合わせて振幅値から閾値εを設定することで、レーザ受光信号Ｓの低周波成分Ｌの波形を維持したまま、効果的に低周波成分の波形から小振幅ノイズＮを除去できることがわかる。
【００５０】
図８Ｄは、高周波成分Ｈを分離するＢＰＦ８１ｂを通過したレーザ受光信号Ｓの波形を示す。図８Ｅは、高周波成分Ｈに対応する非巡回型デジタルフィルタ定数及び閾値εが設定された非線形フィルタ７３ｂを通過したレーザ受光信号Ｓの波形を示す。レーザ受光信号Ｓが非線形フィルタ７３ａを通過する前の図８Ｂでは、高周波成分Ｈの波形に小振幅ノイズＮが重畳している。非線形フィルタ７３ａを通過した後の図８Ｃでは、高周波成分Ｈの波形の形状が維持された状態で小振幅ノイズＮが除去されている。高周波成分Ｈの波形に重畳する小振幅ノイズＮレベルに合わせて振幅値から閾値εを設定することで、レーザ受光信号Ｓの高周波成分Ｈの波形を維持したまま、効果的に高周波成分Ｈの波形から小振幅ノイズＮを除去できることがわかる。
【００５１】
各非線形フィルタ７３ａ〜７３ｎの出力信号は補償器８２ａ〜８２ｎに入力され、レーザ受光信号Ｓの低周波数成分Ｌの演算処理時間と高周波数成分Ｈの演算処理時間とが等しくされる。各補償器８２ａ〜８２ｎの出力信号は波長合成部８３入力され、低周波成分Ｌ及び高周波成分Ｈは再合成されてレーザ受光信号Ｓが再現される。図８Ｆは、波長合成部８３で再合成されたレーザ受光信号Ｓの波形を示す。低周波成分Ｌの波形と高周波成分Ｈの波形が再合成され、小振幅ノイズＮが除去されたレーザ受光信号Ｓが再現されていることがわかる。このように、複数の周波数成分からなるレーザ受光信号Ｓを再合成する場合であっても、レーザ受光信号Ｓの波形を維持したまま、効果的にレーザ受光信号Ｓの波形から小振幅ノイズＮを除去できることがわかる。また、複数の非線形フィルタ７３ａ〜７３ｎを用いても、信号歪みを生じさせることがない。これにより、測定対象ガスの信号波形を適切に抽出できるため、ガス濃度演算部７７で測定対象ガス濃度を高い精度で演算することができる。
【００５２】
第２の実施の形態に係る信号処理装置７０によれば、非線形フィルタ非線形フィルタ７３ａ〜７３ｎにおいてレーザ受光信号Ｓに含まれる周波数成分に対応した閾値εを設定することができるため、周波数成分の波形を維持したままレーザ受光信号Ｓの波形から小振幅ノイズＮを効果的に除去することができる。各周波数成分の波形が再合成される際に小振幅ノイズＮが除去されたレーザ受光信号Ｓが再現されるので、測定対象ガスの信号波形を適切に抽出することができる。
【００５３】
本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。
【符号の説明】
【００５４】
１  レーザ式ガス分析計
７０  信号処理装置
７３  非線形フィルタ
Ｎ  小振幅ノイズ
Ｓ  レーザ受光信号
ε  閾値
【図１】
2018013433.tif 000007
【図２】
2018013433.tif 000008
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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