(57)【要約】【課題】対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置および方法を提供する。【解決手段】レーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する際に、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間と、を持ち、第１の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、
前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、
前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、
前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段とを備え、
前記変調手段は、前記測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を前記所定周波数で変調する第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長を前記所定周波数で変調する第２の期間とを有するガス濃度計測装置。
【請求項２】
ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルと、
前記参照セルに前記レーザ光を導入する導入手段と、
前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２受光手段と、
前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する第３復調手段と、
前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の奇数倍の周波数の同調信号で復調する第４復調手段と、
前記第４復調手段の出力信号を用いて前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を制御する波長制御手段とを有する請求項１に記載のガス濃度計測装置。
【請求項３】
測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、
前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、
前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、
前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段とを備え、
前記復調手段は、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間と、前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間とを有するガス濃度計測装置。
【請求項４】
ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルと、
前記参照セルに前記レーザ光を導入する導入手段と、
前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２受光手段と、
前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する第３復調手段と、
前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の奇数倍の周波数の同調信号で復調する第４復調手段と、
前記第４復調手段の出力信号を用いて前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を制御する波長制御手段とを有し、
前記第３復調手段および前記第４復調手段は、前記第３の期間と、前記第４の期間とを有する請求項３に記載のガス濃度計測装置。
【請求項５】
測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、
前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、
前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、
前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、
前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段とを備え、
前記復調手段は、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第１復調手段と、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第２復調手段と、前記第１復調手段の出力から前記第２復調手段の出力を差し引く減算手段とを有するガス濃度計測装置。
【請求項６】
ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルと、
前記参照セルに前記レーザ光を導入する導入手段と、
前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２受光手段と、
前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する第３復調手段と、
前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の奇数倍の周波数の同調信号で復調する第４復調手段と、
前記第４復調手段の出力信号を用いて前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を制御する波長制御手段とを有し、
前記第３復調手段は、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第５復調手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第６復調手段と、前記第５復調手段の出力から前記第６復調手段の出力を差し引く減算手段とを有し、
前記第４復調手段は、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第７復調手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第８復調手段と、前記第７復調手段の出力から前記第８復調手段の出力を差し引く減算手段とを有する請求項５に記載のガス濃度計測装置。
【請求項７】
前記復調手段は、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第１復調手段と、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第２復調手段と、前記第１復調手段の出力から前記第２復調手段の出力を差し引く減算手段とを有する請求項１に記載のガス濃度計測装置。
【請求項８】
前記第２の期間における前記復調手段の出力に基づき、該第２の期間の後に来る第１の期間における受光信号から該復調手段の出力分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、前記第１の期間に前記受光信号から前記オフセットキャンセル信号を差し引いて前記復調手段に供給する減算手段とを有する請求項１に記載のガス濃度計測装置。
【請求項９】
前記第４の期間における前記復調手段の出力に基づき、該第４の期間の後に来る第３の期間における受光信号から該復調手段の出力分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、前記第３の期間に前記受光信号から前記オフセットキャンセル信号を差し引いて前記復調手段に供給する減算手段とを有する請求項３に記載のガス濃度計測装置。
【請求項１０】
測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定するガス濃度計測方法であって、
前記測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を前記所定周波数で変調する第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長を前記所定周波数で変調する第２の期間とを有するガス濃度計測方法。
【請求項１１】
測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定するガス濃度計測方法であって、
前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間と、該変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間とを有するガス濃度計測方法。
【請求項１２】
測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定するガス濃度計測方法であって、
前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号と同位相の同調信号で復調する第１復調ステップと、前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第２復調ステップと、前記第１復調ステップの出力から前記第２復調ステップの出力を差し引く減算ステップとを有するガス濃度計測方法。
【請求項１３】
前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号と同位相の同調信号で復調する第１復調ステップと、前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第２復調ステップと、前記第１復調ステップの出力から前記第２復調ステップの出力を差し引く減算ステップとを有する請求項１０に記載のガス濃度計測方法。
【請求項１４】
前記第２の期間における前記復調ステップの結果に基づき、該第２の期間の後に来る第１の期間における受光信号から該復調ステップの結果分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成ステップと、前記第１の期間に前記受光信号から前記オフセットキャンセル信号を差し引いて前記復調ステップの入力とする減算ステップとを有する請求項１０に記載のガス濃度計測方法。
【請求項１５】
前記第４の期間における前記復調ステップの結果に基づき、該第４の期間の後に来る第３の期間における受光信号から該復調ステップの結果分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成ステップと、前記第３の期間に前記受光信号から前記オフセットキャンセル信号を差し引いて前記復調ステップの入力とする減算ステップとを有する請求項１１に記載のガス濃度計測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はガス濃度計測装置および方法に係り、特に、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置および方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、可視または近赤外線の波長領域における半導体レーザの性能が向上し、高分解能分光の光源として利用するのに十分な分光特性を有するようになり、これを利用したガス濃度計測の手法が種々提案されている。この手法は波長可変半導体レーザ吸収分光法（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy；ＴＤＬＡＳ）と呼ばれる技術である。
【０００３】
このＴＤＬＡＳ法によるガス濃度計測装置として、例えば特許第３３４２４４６号公報に開示されたものがある。この従来のガス濃度計測装置の概要について、図１０および図１１を参照して説明する。図１０に示すように、レーザ光を発振するための半導体レーザダイオード（ＬＤ）１０１からなる光源は、ＬＤドライバ１０２の制御回路に接続され、半導体レーザダイオード１０１の温度と電流が制御される。半導体レーザダイオード１０１から発振されたレーザ光は、ハーフミラー１０１ｂで反射されて、一方の光学窓１０７ａから他方の光学窓１０７ｂに向けてレーザ光Ｌが計測領域に入射される。計測領域を通過したレーザ光は、他方の光学窓１０７ｂの近傍に配置された受光手段としての２つのフォトダイオード（ＰＤ２、ＰＤ３）１０５，１０６によって受光される。
【０００４】
一方のフォトダイオード１０５は光軸上に配置され、計測領域を通過したレーザ光Ｌを受光する。また他方のフォトダイオード１０６は、レーザ光軸から外れたところに配置され、計測領域の火炎ガスから発せられる光を背景光として受光する。これら２つのフォトダイオード１０５，１０６からの受光信号は、測定ユニット１０８を経由してＡＤ変換器１０９に入力され、さらにコンピュータ１１０に送られる。なお、ガス濃度が既知である標準ガスが封入または流通可能にされた参照セル１０３を備えており、該参照セル１０３を通過したレーザ光はフォトダイオード（ＰＤ１）１０４によって受光され、測定ユニット１０８およびＡＤ変換器１０９を経由してコンピュータ１１０に送られる。
【０００５】
また図１１に示すように、測定ユニット１０８では、２つのサイン波発生器１１２，１１３を備え、レーザ光の発振波長を変調するために、それぞれ異なる周波数（ｆおよびｗ）のサイン波が半導体レーザダイオード１０１の注入電流に重ねて印加される。またランプ波発生器１１１を備え、測定対象ガス固有の吸収スペクトルのところでレーザ光の発振波長を掃引させるために、ランプ波が半導体レーザダイオード１０１の注入電流に重ねて印加される。
【０００６】
また受光後の信号処理として、フォトダイオード１０６で受光する背景光の処理ルートにはローパスフィルタ１１８を備える。またフォトダイオード１０５で受光する主計測光の信号処理については、ローパスフィルタ１１８を備える処理ルートと、増幅器１１５、位相敏感検波器１１６，１１７およびローパスフィルタ１１８を備える処理ルートとを有し、位相敏感検波器１１６，１１７でそれぞれ異なる周波数（２ｆおよび２ｗ）で復調される。
【０００７】
また、参照セル１０３を通過したレーザ光の信号処理についても、ローパスフィルタ１１８を備える処理ルートと、増幅器１１５、位相敏感検波器１１６，１１７およびローパスフィルタ１１８を備える処理ルートとを有し、位相敏感検波器１１６，１１７でそれぞれ異なる周波数（２ｆおよび２ｗ）で復調される。さらに、位相敏感検波器１１６で復調後の信号に対して奇数倍の周波数（ｗ）で位相検波を施す位相敏感検波器１１９を備えて、該位相敏感検波器１１９の出力はアンプ１２０を介して加算器１１４にフィードバックされる。
【０００８】
以上の構成により、特許第３３４２４４６号公報に開示のガス濃度計測装置は、以下のような特徴を持つ。すなわち、（１）レーザ光の変調を２つの異なる周波数で変調（二重変調）することにより、計測用レーザの多重反射（フリンジ）に起因する計測値のドリフトが抑制される。（２）測定領域を透過したレーザ光強度の変調成分と直流成分を測定でき、ガス濃度と固体粒子濃度との同時計測が可能である。（３）波長掃引を掛けてレーザ光の発振波長を参照セル内のガス吸収がピークとなる波長にロックすることにより、レーザ光の発振波長が安定化する。（４）主計測光と、別に計測する背景光との差分を演算することにより、背景光（バックグラウンドノイズ）の影響が低減される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第３３４２４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述したように、特許文献１に開示された技術においては、ガス濃度に相当するガス吸収信号の周波数帯は、レーザ光の発振波長を変調するための変調信号周波数の２倍の周波数に重畳されることになる。実際のガス濃度計測環境では、ホワイトノイズのように全周波数帯にわたるノイズが存在し、ガス吸収信号の周波数帯と同じ周波数帯のノイズが大きい場合には、信号処理の段階でノイズと計測信号の区別ができなくなって計測精度が悪化するおそれがあるという事情があった。
【００１１】
本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたものであって、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置および方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明は以下の手段を採用する。
本発明に係る第１のガス濃度計測装置は、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段とを備え、前記変調手段は、前記測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を前記所定周波数で変調する第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長を前記所定周波数で変調する第２の期間とを有することを特徴とする。
【００１３】
本発明によれば、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する第１の期間には、ノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号が得られ、固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間には、ノイズによるオフセット信号のみが得られることとなり、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができると共に、第１の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置を実現することができる。
【００１４】
また、本発明は、上記第１のガス濃度計測装置において、ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルと、前記参照セルに前記レーザ光を導入する導入手段と、前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２受光手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する第３復調手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の奇数倍の周波数の同調信号で復調する第４復調手段と、前記第４復調手段の出力信号を用いて前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を制御する波長制御手段とを有することを特徴とする。
【００１５】
本発明によれば、参照ガス計測ルート（参照セルを通過した受光信号の信号処理）について、第１の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確な参照セルのガス濃度を求めることができる。また、本発明をガス吸収波長のロック機能に適用することにより、レーザ光の発振波長をより安定化させることができる。
【００１６】
また、本発明に係る第２のガス濃度計測装置は、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段とを備え、前記復調手段は、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間と、前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間とを有することを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、受光手段で受光した信号の中から変調された信号を変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間にはノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号が得られ、変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間にはノイズによるオフセット信号のみが得られることとなり、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができると共に、第３の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第４の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置を実現することができる。
【００１８】
また、本発明は、上記第２のガス濃度計測装置において、ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルと、前記参照セルに前記レーザ光を導入する導入手段と、前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２受光手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する第３復調手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の奇数倍の周波数の同調信号で復調する第４復調手段と、前記第４復調手段の出力信号を用いて前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を制御する波長制御手段とを有し、前記第３復調手段および前記第４復調手段は、前記第３の期間と、前記第４の期間とを有することを特徴とする。
【００１９】
本発明によれば、参照ガス計測ルート（参照セルを通過した受光信号の信号処理）について、第３の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第４の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確な参照セルのガス濃度を求めることができる。また、本発明をガス吸収波長のロック機能に適用することにより、レーザ光の発振波長をより安定化させることができる。
【００２０】
また、本発明に係る第３のガス濃度計測装置は、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を発振する光源と、前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する変調手段と、前記レーザ光を前記ガス状物質が存在する領域に導く導光手段と、前記測定領域において透過、反射または散乱したレーザ光を受光する受光手段と、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する復調手段とを備え、前記復調手段は、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第１復調手段と、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第２復調手段と、前記第１復調手段の出力から前記第２復調手段の出力を差し引く減算手段とを有することを特徴とする。
【００２１】
本発明によれば、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができると共に、第１復調手段で得られたノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２復調手段で得られたノイズによるオフセット信号が差し引かれ、正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置を実現することができる。
【００２２】
また、本発明は、上記第３のガス濃度計測装置において、ガス濃度が既知の標準ガスが封入または流通可能にされた参照セルと、前記参照セルに前記レーザ光を導入する導入手段と、前記参照セルを通過したレーザ光を受光する第２受光手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する第３復調手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記所定周波数の奇数倍の周波数の同調信号で復調する第４復調手段と、前記第４復調手段の出力信号を用いて前記光源から発振されるレーザ光の発振波長を制御する波長制御手段とを有し、前記第３復調手段は、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第５復調手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第６復調手段と、前記第５復調手段の出力から前記第６復調手段の出力を差し引く減算手段とを有し、前記第４復調手段は、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第７復調手段と、前記第２受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第８復調手段と、前記第７復調手段の出力から前記第８復調手段の出力を差し引く減算手段とを有することを特徴とする。
【００２３】
本発明によれば、参照ガス計測ルート（参照セルを通過した受光信号の信号処理）について、第５復調手段で得られるオフセット信号を含むガス濃度信号から、第６復調手段で得られるオフセット信号を差し引くことにより、正確な参照セルのガス濃度を求めることができる。また、本発明をガス吸収波長のロック機能に適用することにより、レーザ光の発振波長をより安定化させることができる。
【００２４】
また、本発明は、上記第１のガス濃度計測装置において、前記復調手段は、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号と同位相の同調信号で復調する第１復調手段と、前記受光手段で受光した信号の中から変調された信号を前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第２復調手段と、前記第１復調手段の出力から前記第２復調手段の出力を差し引く減算手段とを有することを特徴とする。
【００２５】
本発明によれば、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができると共に、第１復調手段で得られたノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２復調手段で得られたノイズによるオフセット信号が差し引かれ、正確なガス濃度を求めることができる。
【００２６】
また、本発明は、上記第１のガス濃度計測装置において、前記第２の期間における前記復調手段の出力に基づき、該第２の期間の後に来る第１の期間における受光信号から該復調手段の出力分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、前記第１の期間に前記受光信号から前記オフセットキャンセル信号を差し引いて前記復調手段に供給する減算手段とを有することを特徴とする。
【００２７】
本発明によれば、第２の期間における復調手段の出力に基づきノイズによるオフセット分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成し、第１の期間では、減算手段で受光信号からオフセットキャンセル信号を差し引いた信号を復調することとしたので、ノイズによるオフセット信号を差し引いた正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置を実現することができる。
【００２８】
また、本発明は、上記第２のガス濃度計測装置において、前記第４の期間における前記復調手段の出力に基づき、該第４の期間の後に来る第３の期間における受光信号から該復調手段の出力分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成手段と、前記第３の期間に前記受光信号から前記オフセットキャンセル信号を差し引いて前記復調手段に供給する減算手段とを有することを特徴とする。
【００２９】
本発明によれば、第４の期間における復調手段の出力に基づきノイズによるオフセット分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成し、第３の期間では、減算手段で受光信号からオフセットキャンセル信号を差し引いた信号を復調することとしたので、ノイズによるオフセット信号を差し引いた正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置を実現することができる。
【００３０】
また、本発明に係る第１のガス濃度計測方法は、測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定するガス濃度計測方法であって、前記測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を前記所定周波数で変調する第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長を前記所定周波数で変調する第２の期間とを有することを特徴とする。
【００３１】
本発明によれば、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する第１の期間には、ノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号が得られ、固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間には、ノイズによるオフセット信号のみが得られることとなり、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができると共に、第１の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測方法を実現することができる。
【００３２】
また、本発明に係る第２のガス濃度計測方法は、測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定するガス濃度計測方法であって、前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間と、該変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間とを有することを特徴とする。
【００３３】
本発明によれば、受光手段で受光した信号の中から変調された信号を変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間にはノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号が得られ、変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間にはノイズによるオフセット信号のみが得られることとなり、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができると共に、第３の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第４の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測方法を実現することができる。
【００３４】
また、本発明に係る第３のガス濃度計測方法は、測定対象のガス状物質が存在する領域に、所定周波数で変調した該ガス状物質に固有の吸収波長のレーザ光を照射し、該レーザ光を受光して得られる受光信号の中から変調された信号を前記所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調して、前記ガス状物質のガス濃度を測定するガス濃度計測方法であって、前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号と同位相の同調信号で復調する第１復調ステップと、前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第２復調ステップと、前記第１復調ステップの出力から前記第２復調ステップの出力を差し引く減算ステップとを有することを特徴とする。
【００３５】
本発明によれば、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができると共に、第１復調ステップで得られたノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２復調ステップで得られたノイズによるオフセット信号が差し引かれ、正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測方法を実現することができる。
【００３６】
また、本発明は、上記第１のガス濃度計測方法において、前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号と同位相の同調信号で復調する第１復調ステップと、前記受光信号の中から変調された信号を前記変調に用いる変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第２復調ステップと、前記第１復調ステップの出力から前記第２復調ステップの出力を差し引く減算ステップとを有することを特徴とする。
【００３７】
本発明によれば、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができると共に、第１復調ステップで得られたノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２復調ステップで得られたノイズによるオフセット信号が差し引かれ、正確なガス濃度を求めることができる。
【００３８】
また、本発明は、上記第１のガス濃度計測方法において、前記第２の期間における前記復調ステップの結果に基づき、該第２の期間の後に来る第１の期間における受光信号から該復調ステップの結果分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成ステップと、前記第１の期間に前記受光信号から前記オフセットキャンセル信号を差し引いて前記復調ステップの入力とする減算ステップとを有することを特徴とする。
【００３９】
本発明によれば、第２の期間における復調ステップの結果に基づきノイズによるオフセット分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成し、第１の期間では、減算ステップで受光信号からオフセットキャンセル信号を差し引いた信号を復調することとしたので、ノイズによるオフセット信号を差し引いた正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測方法を実現することができる。
【００４０】
また、本発明は、上記第２のガス濃度計測方法において、前記第４の期間における前記復調ステップの結果に基づき、該第４の期間の後に来る第３の期間における受光信号から該復調ステップの結果分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成するキャンセル信号生成ステップと、前記第３の期間に前記受光信号から前記オフセットキャンセル信号を差し引いて前記復調ステップの入力とする減算ステップとを有することを特徴とする。
【００４１】
本発明によれば、第４の期間における復調ステップの結果に基づきノイズによるオフセット分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成し、第３の期間では、減算ステップで受光信号からオフセットキャンセル信号を差し引いた信号を復調することとしたので、ノイズによるオフセット信号を差し引いた正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測方法を実現することができる。
【発明の効果】
【００４２】
本発明によれば、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができると共に、オフセット信号を含むガス濃度信号から、オフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置および方法を実現することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。
【図２】第１実施形態のガス濃度計測装置における信号処理を説明する説明図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。
【図４】第２実施形態のガス濃度計測装置における信号処理を説明する説明図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。
【図６】第３実施形態のガス濃度計測装置における信号処理を説明する説明図である。
【図７】本発明の第４実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。
【図８】第４実施形態のガス濃度計測装置における信号処理を説明する説明図である。
【図９】本発明の第５実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。
【図１０】従来のガス濃度計測装置の説明図である。
【図１１】従来のガス濃度計測装置の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
以下、本発明のガス濃度計測装置および方法の実施形態について、第１実施形態、第２実施形態、第３実施形態、第４実施形態、第５実施形態の順に図面を参照して詳細に説明する。
【００４５】
〔第１実施形態〕
図１は本発明の第１実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。本実施形態のガス濃度計測装置においても従来（特許文献１）と同様に波長可変半導体レーザ吸収分光法（ＴＤＬＡＳ）を用いている。
【００４６】
本実施形態のガス濃度計測装置の実際のガス濃度計測時の配置は従来（図１０参照）と同様である。すなわち、半導体レーザダイオード１（光源）はＬＤドライバ２に接続されて、温度および注入電流がＬＤドライバ２によって制御される。半導体レーザダイオード１から発振されたレーザ光はハーフミラーを介して計測対象の計測領域に入射される。該計測領域を通過したレーザ光は、該レーザ光の光軸上に配置されたフォトダイオード（ＰＤ２）５（受光手段）によって受光される。また、背景光はレーザ光軸から外れたところに配置されたフォトダイオード（ＰＤ３）６によって受光される。さらに、ガス濃度が既知である標準ガスが封入または流通可能にされた参照セル（図示略）を備え、ハーフミラーを介して該参照セルを通過したレーザ光は、フォトダイオード（ＰＤ１）４（第２受光手段）によって受光される。
【００４７】
また、測定ユニット８Ａは、タイミング制御部１１、電圧発生器１２、サイン波発生器１３、電圧生成部１４Ａ、アンプ１５ａ，１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ａ，１６ｂ、位相検波器１７ａ，１７ｂ，１９、ローパスフィルタ１８ａ〜１８ｅおよびアンプ／ローパスフィルタ２０を備えている。
【００４８】
タイミング制御部１１、電圧発生器１２、サイン波発生器１３および電圧生成部１４Ａは、特許請求の範囲にいう変調手段に該当し、半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調するものであり、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間とを有する点に特徴がある。
【００４９】
ここで、タイミング制御部１１は、これら第１の期間および第２の期間の切り換えタイミングを制御するものである。また電圧発生器１２は、第２の期間に固有の吸収波長から外れた波長とするためのバイアス電圧を発生するものである。またサイン波発生器１３は、所定周波数のサイン波を発生し、該サイン波信号が変調信号となる。
【００５０】
また、電圧生成部１４Ａは、第１の期間には、アンプ／ローパスフィルタ２０から出力される電圧をバイアス電圧として、サイン波発生器１３から出力される変調信号（サイン波信号）を重畳してＬＤドライバ２に供給し、また第２の期間には、電圧発生器１２の出力をバイアス電圧として、サイン波発生器１３から出力される変調信号（サイン波信号）を重畳してＬＤドライバ２に供給する。なお、後述のように、位相検波器１９によりレーザ光の発振波長を参照セル内のガス吸収がピークとなる波長にロックされ、アンプ／ローパスフィルタ２０からは該波長に応じたバイアス電圧が出力される。
【００５１】
これにより、レーザ光の発振波長は、第１の期間では測定対象のガス状物質に固有の吸収波長に変調が掛けられ、第１の期間では該固有の吸収波長から外れた波長に変調が掛けられることとなる。なお、第１の期間および第２の期間の切り換えは、同一時間刻みで交互に切り換えても良いし、また本来のガス濃度測定期間である第１の期間を第２の期間より長めにするなどデューティ比を持たせるようにしても良い。また、本実施形態では、電圧発生器１２によるバイアス電圧を一定値としているが、固有の吸収波長から外れた波長とする電圧範囲で第２の期間に階段状に変化するようにしても良い。
【００５２】
次に、受光後の信号処理として、フォトダイオード（ＰＤ３）６で受光する背景光の処理ルートにはローパスフィルタ１８ａを備え、高周波ノイズが除去される。またフォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理については、ローパスフィルタ１８ｂを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ａ、ハイパスフィルタ１６ａ、位相検波器１７ａ（復調手段）およびローパスフィルタ１８ｃを備える処理ルートとを有する。後者の処理ルートでは、アンプ１５ａで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、位相検波器１７ａで変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去される。
【００５３】
また、参照セルを通過した受光信号の信号処理についても、ローパスフィルタ１８ｄを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ｂ、位相検波器１７ｂ（第３復調手段）およびローパスフィルタ１８ｅを備える処理ルートとを有する。後者の処理ルートでは、アンプ１５ｂで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ｂで低周波ノイズが除去され、位相検波器１７ｂで変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｅで高周波ノイズが除去される。
【００５４】
またさらに、ハイパスフィルタ１６ｂの出力信号に対して変調周波数の奇数倍の周波数（ここでは１倍）で位相検波を施す位相検波器１９（第４復調手段）を備えて、該位相検波器１９の出力はアンプ／ローパスフィルタ２０を介して電圧生成部１４Ａにフィードバックされる。位相検波器１９の出力は、参照セル内のガスによる吸収信号の１次微分信号であり、該１次微分信号は吸収中心波長付近でガス吸収中心波長とレーザ光の発振波長との差に比例することから、位相検波器１９の出力がゼロとなるようにバイアス電圧を設定することにより、レーザ光の発振波長がガス吸収のピーク波長にロックされることとなる。
【００５５】
次に、以上の各構成要素を備えたガス濃度計測装置における信号処理（ガス濃度計測方法）について、図２を参照して説明する。ここで、図２は本実施形態のガス濃度計測装置における信号処理を説明する説明図である。
【００５６】
図２（ａ）には、レーザ光の発振波長を変調信号で変調する処理と、フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理とを、一連の処理ルート（実ガス計測ルート）として模式的に示している。また、ホワイトノイズ等のノイズが影響する可能性のある箇所を指し示している。
【００５７】
まず、レーザ光の発振波長を変調信号で変調する処理では、電圧生成部１４Ａにおいて、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長に応じた電圧の第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長に応じた電圧の第２の期間とを周期的に持つバイアス電圧に、変調信号（サイン波信号）が重畳される。なお、ここでは第２の期間の電圧を第１の期間の電圧（固有の吸収波長に応じた電圧）より低くずらして設定しているが、高めにずらした設定としても良い。
【００５８】
電圧生成部１４Ａで生成した電圧はＬＤドライバ２に供給され、ここで注入電流に変換されて半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長が制御されることとなる。また、計測領域を通過したレーザ光は、該レーザ光の光軸上に配置されたフォトダイオード（ＰＤ２）５によって受光される。
【００５９】
図２（ｂ）には、計測領域を通過したレーザ光の波長の第１の期間および第２の期間における時間推移を模式的に例示する。（理解のし易さのために一部を拡大強調して表しており、厳密には実際のものと異なる。）第１の期間では測定対象のガス状物質に固有の吸収波長となるタイミング（箇所）でガス吸収が発生しているのに対し、第２の期間では測定対象のガス状物質に固有の吸収波長となるタイミングが存在しないことから、ガス吸収のある箇所も存在していない。但し、図２（ａ）に指し示したように、実ガス計測ルートにおいてノイズが影響する可能性のある箇所が存在することから、第１の期間および第２の期間の双方において回路に発生する全てのノイズの影響が受光信号に重畳していることになる。
【００６０】
次に、受光信号は、アンプ１５ａで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、位相検波器１７ａで変調周波数の２倍の周波数の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去される。その結果として、第１の期間にはノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号が得られ、第２の期間にはノイズによるオフセット信号のみが得られることとなる。したがって、第１の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求めることができる。
【００６１】
以上説明したように、本実施形態のガス濃度計測装置および方法では、レーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調する際に、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間とを有することとしたので、第１の期間にはノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号が得られ、第２の期間にはノイズによるオフセット信号のみが得られることとなり、第１の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求めることができる。
【００６２】
つまり、本実施形態のガス濃度計測装置および方法は、従来の計測手法で計測が行われる第１の期間に、該固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間を追加したものであるが、第２の期間ではガス吸収は発生せず、計測領域にガスがない状態と等価な計測を行うことができ、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができる。その結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置および方法を実現することができる。
【００６３】
以上の説明では、主として実ガス計測ルート（フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理）について説明したが、参照ガス計測ルート（参照セルを通過した受光信号の信号処理）についても同様である。すなわち、第１の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２の期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確な参照セルのガス濃度を求めることができる。
【００６４】
またさらに、本発明を上述したガス吸収波長のロック機能に適用することも可能である。この波長ロック機能は、ガス濃度を計測する時間帯でレーザ光の波長をガス吸収波長に常に合わせる機能である。半導体レーザダイオード１は周囲の温度や注入電流の変化で発振波長が変化する特性があり、ずれている波長分をフィードバックして常にガス吸収波長で半導体レーザダイオード１をドライブする必要がある。上述したように、このずれ量を求めるのに変調信号と同じ（１倍の）周波数で同調する手法が採られている。
【００６５】
この手法によれば、レーザ光の波長がガス吸収波長に一致するとずれ量がゼロで、またガス吸収波長をオーバー或いは下回ればずれ量が±で、それぞれ出力されるので、どの方向に補正すればよいかが分かる。しかしながら、ガス濃度計測と同様に同調して平滑化しても、ノイズの影響で所定のオフセット量を持っているため、波長が一致したとしてもずれ量はゼロとならずに値が偏ることとなる。
【００６６】
そこで、ガス吸収波長のロック機能においても、ガス濃度計測と同様に第２の期間でオフセット信号を計測し、該オフセット量分を差し引くことで、制御するレーザ光の波長がガス吸収波長に一致したときにずれ量がゼロとなるように維持することができ、レーザ光の発振波長をより安定化させることができる。
【００６７】
〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係るガス濃度計測装置および方法について説明する。図３は本発明の第２実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。本実施形態のガス濃度計測装置の実際のガス濃度計測時の配置は、第１実施形態と同じく従来（図１０参照）と同様である。
【００６８】
また、測定ユニット８Ｂは、サイン波発生器１３、電圧生成部１４Ｂ、アンプ１５ａ，１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ａ，１６ｂ、位相検波器２１ａ，２１ｂ，１９、ローパスフィルタ１８ａ〜１８ｅ、アンプ／ローパスフィルタ２０および同調信号生成部２２を備えている。
【００６９】
サイン波発生器１３および電圧生成部１４Ｂは、特許請求の範囲にいう変調手段に該当し、半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調するものであり、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する。
【００７０】
ここで、サイン波発生器１３は、所定周波数のサイン波を発生し、該サイン波信号が変調信号となる。また、電圧生成部１４Ｂは、アンプ／ローパスフィルタ２０から出力される電圧をバイアス電圧として、サイン波発生器１３から出力される変調信号（サイン波信号）を重畳してＬＤドライバ２に供給する。なお、第１実施形態と同様に、位相検波器１９によりレーザ光の発振波長を参照セル内のガス吸収がピークとなる波長にロックされ、アンプ／ローパスフィルタ２０からは該波長に応じたバイアス電圧が出力される。
【００７１】
次に、受光後の信号処理として、フォトダイオード（ＰＤ３）６で受光する背景光の処理ルートにはローパスフィルタ１８ａを備え、高周波ノイズが除去される。またフォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理については、ローパスフィルタ１８ｂを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ａ、ハイパスフィルタ１６ａ、位相検波器２１ａおよびローパスフィルタ１８ｃを備える処理ルートとを有する。後者の処理ルートでは、アンプ１５ａで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、位相検波器２１ａで変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去される。
【００７２】
ここで、同調信号は同調信号生成部２２で生成されるが、同調信号生成部２２および位相検波器２１ａは、特許請求の範囲にいう復調手段に該当し、フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光した信号の中から変調された信号を変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間と、変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間とを有する点に特徴がある。
【００７３】
同調信号生成部２２には、タイミング制御部２３、逓倍器２４、位相器２５および切換スイッチ２６を備えている。逓倍器２４は、サイン波発生器１３からの変調信号（サイン波信号）の周波数を２倍に逓倍して第１同調信号を生成する。また位相器２５は、逓倍器２４の出力信号の位相をπ／２（９０°）ずらした第２同調信号を生成する。また、タイミング制御部１１は、第３の期間および第４の期間の切換信号を生成し、第３の期間には逓倍器２４の出力（第１同調信号）が、第４の期間には位相器２５の出力（第２同調信号）が、それぞれ同調信号として位相検波器２１ａに供給されるように切換スイッチ２６を制御する。
【００７４】
なお、第３の期間および第４の期間の切り換えは、同一時間刻みで交互に切り換えても良いし、また本来のガス濃度測定期間である第３の期間を第４の期間より長めにするなどデューティ比を持たせるようにしても良い。
【００７５】
また、参照セルを通過した受光信号の信号処理についても、ローパスフィルタ１８ｄを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ｂ、位相検波器１７ｂおよびローパスフィルタ１８ｅを備える処理ルートとを有する。後者の処理ルートでは、アンプ１５ｂで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ｂで低周波ノイズが除去され、位相検波器２１ｂ（第３復調手段）で変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｅで高周波ノイズが除去される。なお、位相検波器２１ｂで用いる同調信号も同調信号生成部２２で生成される同調信号である。
【００７６】
またさらに、ハイパスフィルタ１６ｂの出力信号に対して変調周波数の奇数倍の周波数（ここでは１倍）で位相検波を施す位相検波器１９（第４復調手段）を備えて、該位相検波器１９の出力はアンプ／ローパスフィルタ２０を介して電圧生成部１４Ｂにフィードバックされる。ここでのレーザ光の発振波長のロック機能については、第１実施形態と同様である。
【００７７】
次に、以上の各構成要素を備えたガス濃度計測装置における信号処理（ガス濃度計測方法）について、図４を参照して説明する。ここで、図４は本実施形態のガス濃度計測装置における信号処理を説明する説明図である。
【００７８】
図４（ａ）には、レーザ光の発振波長を変調信号で変調する処理と、フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理とを、一連の処理ルート（実ガス計測ルート）として模式的に示している。また、ホワイトノイズ等のノイズが影響する可能性のある箇所を指し示している。
【００７９】
まず、レーザ光の発振波長を変調信号で変調する処理では、電圧生成部１４Ｂにおいて、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長に応じたバイアス電圧に、変調信号（サイン波信号）が重畳される。電圧生成部１４Ｂで生成した電圧はＬＤドライバ２に供給され、ここで注入電流に変換されて半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長が制御されることとなる。また、計測領域を通過したレーザ光は、該レーザ光の光軸上に配置されたフォトダイオード（ＰＤ２）５によって受光される。
【００８０】
次に、受光信号は、アンプ１５ａで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、位相検波器１７ａで変調周波数の２倍の周波数の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去される。
【００８１】
図４（ｂ）には、計測領域を通過したレーザ光の波長の第３の期間および第４の期間における時間推移と、それぞれの期間で復調に用いられる同調信号の波形を模式的に例示する。（理解のし易さのために一部を拡大強調して表しており、厳密には実際のものと異なる。）波長の時間推移については、第３の期間および第４の期間共に、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長となるタイミング（箇所）でガス吸収が発生している。また他方で、第３の期間では位相検波器１７ａにおける復調（位相検波）に変調信号と同位相の第１同調信号が用いられるのに対し、第４の期間では変調信号と位相がπ／２（９０°）ずれた第２同調信号が用いられる。
【００８２】
したがって、第３の期間では測定対象のガス状物質に固有の吸収波長の信号が復調（位相検波）されて、該復調された信号にガス吸収の発生が反映されるのに対し、第４の期間では測定対象のガス状物質に固有の吸収波長からずれた信号が復調（位相検波）されて、該復調された信号にガス吸収の発生が反映されないこととなる。なお、図４（ａ）に指し示したように、実ガス計測ルートにおいてノイズが影響する可能性のある箇所が存在することから、第１の期間および第２の期間の双方において回路に発生する全てのノイズの影響が受光信号に重畳している。
【００８３】
その結果として、第３の期間にはノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号が得られ、第４の期間にはノイズによるオフセット信号のみが得られることとなる。したがって、第３の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第４期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求めることができる。
【００８４】
以上説明したように、本実施形態のガス濃度計測装置および方法では、フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光した信号の中から変調された信号を所定周波数の偶数倍の周波数の同調信号で復調する際に、受光手段で受光した信号の中から変調された信号を変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間と、変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間とを有することとしたので、第３の期間にはノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号が得られ、第４の期間にはノイズによるオフセット信号のみが得られることとなり、第３の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第４期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確なガス濃度を求めることができる。
【００８５】
つまり、本実施形態のガス濃度計測装置および方法は、従来の計測手法で計測が行われる第３の期間に、固有の吸収波長からずれた信号を復調（位相検波）する第４の期間を追加したものであるが、第４の期間ではガス吸収の発生は反映されず、計測領域にガスがない状態と等価な計測を行うことができ、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができる。その結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置および方法を実現することができる。
【００８６】
以上の説明では、主として実ガス計測ルート（フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理）について説明したが、参照ガス計測ルート（参照セルを通過した受光信号の信号処理）についても同様である。すなわち、第３の期間で計測したオフセット信号を含むガス濃度信号から、第４期間で計測したオフセット信号を差し引くことにより、正確な参照セルのガス濃度を求めることができる。
【００８７】
またさらに、第１実施形態と同様に、本発明を上述したガス吸収波長のロック機能に適用することも可能である。但し、同調信号生成部２２に、サイン波発生器１３の出力信号の位相をπ／２（９０°）ずらす第２位相器と、第３の期間にはサイン波発生器１３の出力（第１同調信号）が、第４の期間には第２位相器の出力（第２同調信号）が、それぞれ同調信号として位相検波器１９に供給する第２切換スイッチを追加する必要がある。
【００８８】
〔第３実施形態〕
次に、本発明の第３実施形態に係るガス濃度計測装置および方法について説明する。図５は本発明の第３実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。本実施形態のガス濃度計測装置の実際のガス濃度計測時の配置は、第１実施形態と同じく従来（図１０参照）と同様である。
【００８９】
また、測定ユニット８Ｃは、タイミング制御部１１、電圧発生器１２、サイン波発生器１３、電圧生成部１４Ａ、アンプ１５ａ，１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ａ１〜１６ｂ２、位相検波器３０ａ，３０ｂ，３１ａ，３１ｂ，１９、ローパスフィルタ１８ａ〜１８ｅ２、アンプ／ローパスフィルタ２０、減算器３３，３４および同調信号生成部３２を備えている。
【００９０】
タイミング制御部１１、電圧発生器１２、サイン波発生器１３および電圧生成部１４Ａは、特許請求の範囲にいう変調手段に該当し、半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調するものであり、第１実施形態と同様に、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間とを有する点に特徴がある。詳細については第１実施形態と同様であるので省略する。
【００９１】
次に、受光後の信号処理として、フォトダイオード（ＰＤ３）６で受光する背景光の処理ルートにはローパスフィルタ１８ａを備え、高周波ノイズが除去される。またフォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理については、ローパスフィルタ１８ｂを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ａ、ハイパスフィルタ１６ａ１，１６ａ２、位相検波器３０ａ，３１ａ、ローパスフィルタ１８ｃ１，１８ｃ２および減算器３３を備える処理ルートとを有する。
【００９２】
後者の処理ルートでは、アンプ１５ａで信号増幅された後、２つのルートに分岐され信号処理後に減算器３３により両者の差分がとられる。一方の分岐ルートでは、ハイパスフィルタ１６ａ１で低周波ノイズが除去され、位相検波器３０ａ（第１復調手段）で変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の第１同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃ１で高周波ノイズが除去される。他方の分岐ルートでは、ハイパスフィルタ１６ａ２で低周波ノイズが除去され、位相検波器３１ａ（第２復調手段）で変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の第２同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃ２で高周波ノイズが除去される。減算器３３では、ローパスフィルタ１８ｃ１の出力信号からローパスフィルタ１８ｃ２の出力信号が差し引かれる。
【００９３】
ここで、第１同調信号および第２同調信号は同調信号生成部３２で生成される。同調信号生成部３２には、逓倍器２４および位相器２５を備えている。逓倍器２４は、サイン波発生器１３からの変調信号（サイン波信号）の周波数を２倍に逓倍して第１同調信号を生成する。また位相器２５は、逓倍器２４の出力信号の位相をπ／２（９０°）ずらした第２同調信号を生成する。
【００９４】
また、参照セルを通過した受光信号の信号処理についても、ローパスフィルタ１８ｄを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ｂ１，１６ｂ２、位相検波器３０ｂ，３１ｂ、ローパスフィルタ１８ｅ１，１８ｅ２および減算器３４を備える処理ルートとを有する。
【００９５】
後者の処理ルートでは、アンプ１５ｂで信号増幅された後、２つのルートに分岐され信号処理後に減算器３４により両者の差分がとられる。一方の分岐ルートでは、ハイパスフィルタ１６ｂ１で低周波ノイズが除去され、位相検波器３０ｂ（第５復調手段）で変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の第１同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｅ１で高周波ノイズが除去される。他方の分岐ルートでは、ハイパスフィルタ１６ｂ２で低周波ノイズが除去され、位相検波器３１ｂ（第６復調手段）で変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の第２同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｅ２で高周波ノイズが除去される。減算器３４では、ローパスフィルタ１８ｅ１の出力信号からローパスフィルタ１８ｅ２の出力信号が差し引かれる。
【００９６】
またさらに、ハイパスフィルタ１６ｂ２の出力信号に対して変調周波数の奇数倍の周波数（ここでは１倍）で位相検波を施す位相検波器１９（第４復調手段）を備えて、該位相検波器１９の出力はアンプ／ローパスフィルタ２０を介して電圧生成部１４Ａにフィードバックされる。ここでのレーザ光の発振波長のロック機能については、第１実施形態と同様である。
【００９７】
次に、以上の各構成要素を備えたガス濃度計測装置における信号処理（ガス濃度計測方法）について、図６を参照して説明する。ここで、図６は本実施形態のガス濃度計測装置における信号処理を説明する説明図である。
【００９８】
図６には、レーザ光の発振波長を変調信号で変調する処理と、フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理とを、一連の処理ルート（実ガス計測ルート）として模式的に示している。また、ホワイトノイズ等のノイズが影響する可能性のある箇所を指し示している。
【００９９】
まず、レーザ光の発振波長を変調信号で変調する処理では、電圧生成部１４Ａにおいて、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長に応じた電圧の第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長に応じた電圧の第２の期間とを周期的に持つバイアス電圧に、変調信号（サイン波信号）が重畳される。
【０１００】
電圧生成部１４Ａで生成した電圧はＬＤドライバ２に供給され、ここで注入電流に変換されて半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長が制御されることとなる。また、計測領域を通過したレーザ光は、該レーザ光の光軸上に配置されたフォトダイオード（ＰＤ２）５によって受光される。
【０１０１】
次に、受光信号は、アンプ１５ａで信号増幅された後、２つのルートに分岐され信号処理後に減算器３３により両者の差分がとられる。一方の分岐ルートでは、ハイパスフィルタ１６ａ１で低周波ノイズが除去され、位相検波器３０ａで変調周波数の２倍の周波数の第１同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃ１で高周波ノイズが除去される。他方の分岐ルートでは、ハイパスフィルタ１６ａ２で低周波ノイズが除去され、位相検波器３１ａで変調周波数の２倍の周波数の第２同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃ２で高周波ノイズが除去される。減算器３３では、ローパスフィルタ１８ｃ１の出力信号からローパスフィルタ１８ｃ２の出力信号が差し引かれる。
【０１０２】
ここで、一方の分岐ルート（位相検波器３０ａ）での復調処理は、第２実施形態における第３の期間の処理（図４（ｂ）参照）に該当し、ノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号が得られる。また、他方の分岐ルート（位相検波器３１ａ）での復調処理は、第２実施形態における第４の期間の処理に該当し、ノイズによるオフセット信号のみが得られる。したがって、一方の分岐ルート（位相検波器３０ａ）の出力（オフセット信号を含むガス濃度信号に相当）から、他方の分岐ルート（位相検波器３１ａ）の出力（オフセット信号に相当）を差し引くことにより、オフセット除去されたガス濃度信号が得られ、正確なガス濃度を求めることができる。
【０１０３】
以上説明したように、本実施形態のガス濃度計測装置および方法では、位相検波器３０ａ（第１復調手段）により、フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光した信号の中から変調された信号を変調信号と同位相の同調信号で復調し、位相検波器３１ａ（第２復調手段）により、受光信号の中から変調された信号を前記変調信号とずれた位相の同調信号で復調し、減算器３３で第１復調手段の出力から第２復調手段の出力を差し引くこととし、第１復調手段で得られたノイズによるオフセット信号を含むガス濃度信号から、第２復調手段で得られたノイズによるオフセット信号が差し引かれ、正確なガス濃度を求めることができる。
【０１０４】
つまり、本実施形態のガス濃度計測装置および方法は、従来の計測手法で計測が行われる第１復調手段に、固有の吸収波長からずれた信号を復調（位相検波）する第２復調手段を並列に追加したものであるが、第２復調手段による復調ではガス吸収の発生は反映されず、計測領域にガスがない状態と等価な計測を行うことができ、ノイズによるオフセット量を正確に計測することができる。その結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置および方法を実現することができる。
【０１０５】
以上の説明では、主として実ガス計測ルート（フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理）について説明したが、参照ガス計測ルート（参照セルを通過した受光信号の信号処理）についても同様である。すなわち、位相検波器３０ｂ（第５復調手段）で得られるオフセット信号を含むガス濃度信号から、位相検波器３１ｂ（第６復調手段）で得られるオフセット信号を差し引くことにより、正確な参照セルのガス濃度を求めることができる。
【０１０６】
またさらに、第１実施形態および第２実施形態と同様に、本発明を上述したガス吸収波長のロック機能に適用することも可能である。この場合、位相検波器１９（第４復調手段）は、フォトダイオード（ＰＤ１）４（第２受光手段）で受光した信号の中から変調された信号を変調信号と同位相の同調信号で復調する第７復調手段と、受光信号の中から変調された信号を変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第８復調手段と、第７復調手段の出力から第８復調手段の出力を差し引く減算手段と、を備えて構成される。
【０１０７】
〔第４実施形態〕
次に、本発明の第４実施形態に係るガス濃度計測装置および方法について説明する。図７は本発明の第４実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。本実施形態のガス濃度計測装置の実際のガス濃度計測時の配置は、第１実施形態と同じく従来（図１０参照）と同様である。
【０１０８】
また、測定ユニット８Ｄは、タイミング制御部１１、電圧発生器１２、サイン波発生器１３、電圧生成部１４Ａ、アンプ１５ａ，１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ａ，１６ｂ、位相検波器１７ａ，１７ｂ，１９、ローパスフィルタ１８ａ〜１８ｅ、アンプ／ローパスフィルタ２０、ＰＩ制御部４０ａ，４０ｂ、変調器４１ａ，４１ｂおよび減算器３５，３６を備えている。
【０１０９】
タイミング制御部１１、電圧発生器１２、サイン波発生器１３および電圧生成部１４Ａは、半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調するもので、第１実施形態と同様に、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間とを有する。詳細については第１実施形態と同様であるので省略する。
【０１１０】
なお、タイミング制御部１１の切り換えタイミングにより、これら第１の期間および第２の期間の切り換えが行われるが、本実施形態では、まず固有の吸収波長から外れた波長を所定周波数で変調する第２の期間を行い、次に固有の吸収波長を所定周波数で変調する第１の期間を行うようにして、これら第２の期間および第１の期間の組を周期的に繰り返し行うようにしている。
【０１１１】
次に、受光後の信号処理として、フォトダイオード（ＰＤ３）６で受光する背景光の処理ルートにはローパスフィルタ１８ａを備え、高周波ノイズが除去される。またフォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理については、ローパスフィルタ１８ｂを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ａ、ハイパスフィルタ１６ａ、位相検波器１７ａ（復調手段）、ローパスフィルタ１８ｃ、ＰＩ制御部４０ａ、変調器４１ａおよび減算器３５を備える処理ルートとを有する。
【０１１２】
後者の処理ルートでは、アンプ１５ａで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、位相検波器１７ａで変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去される。
【０１１３】
またこの後者の処理ルートにはＰＩ制御部４０ａ、変調器４１ａおよび減算器３５を備えたフィードバックループを持つ。ＰＩ制御部４０ａでは、第２の期間におけるローパスフィルタ１８ｃの出力を取り込み、該第２の期間の直後に来る第１の期間における受光信号からオフセット分を取り除くための振幅を生成する。変調器４１ａでは、ＰＩ制御部４０ａで生成された振幅に同調信号を重畳させて、同調周波数成分を持つオフセットキャンセル信号を生成する。減算器３５では、ハイパスフィルタ１６ａの出力からオフセットキャンセル信号を差し引いて位相検波器１７ａに供給する。
【０１１４】
なお、ＰＩ制御部４０ａおよび変調器４１ａには、タイミング制御部１１の切り換えタイミング信号が供給されており、ＰＩ制御部４０ａでは、該切り換えタイミング信号に基づき第２の期間におけるローパスフィルタ１８ｃの出力を取り込み、その周期の間（該第２の期間並びにその直後に来る第１の期間）取り込んだ値を保持する。また、変調器４１ａでは、該切り換えタイミング信号に基づき第１の期間にオフセットキャンセル信号を出力し、第２の期間にはゼロ値を出力するように制御される。
【０１１５】
また、参照セルを通過した受光信号の信号処理についても、ローパスフィルタ１８ｄを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ｂ、位相検波器１７ｂ（第３復調手段）、ローパスフィルタ１８ｅ、ＰＩ制御部４０ｂ、変調器４１ｂおよび減算器３６を備える処理ルートとを有する。
【０１１６】
後者の処理ルートでは、アンプ１５ｂで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ｂで低周波ノイズが除去され、位相検波器１７ｂで変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｅで高周波ノイズが除去される。
【０１１７】
またこの後者の処理ルートにはＰＩ制御部４０ｂ、変調器４１ｂおよび減算器３６を備えたフィードバックループを持つ。ＰＩ制御部４０ｂでは、第２の期間におけるローパスフィルタ１８ｂの出力を取り込み、該第２の期間の直後に来る第１の期間における受光信号からオフセット分を取り除くための振幅を生成する。変調器４１ｂでは、ＰＩ制御部４０ｂで生成された振幅に同調信号を重畳させて、同調周波数成分を持つオフセットキャンセル信号を生成する。減算器３６では、ハイパスフィルタ１６ｂの出力からオフセットキャンセル信号を差し引いて位相検波器１７ｂに供給する。
【０１１８】
なお、ＰＩ制御部４０ｂおよび変調器４１ｂには、タイミング制御部１１の切り換えタイミング信号が供給されており、ＰＩ制御部４０ｂでは、該切り換えタイミング信号に基づき第２の期間におけるローパスフィルタ１８ｃの出力を取り込み、その周期の間（該第２の期間並びにその直後に来る第１の期間）取り込んだ値を保持する。また、変調器４１ｂでは、該切り換えタイミング信号に基づき第１の期間にオフセットキャンセル信号を出力し、第２の期間にはゼロ値を出力するように制御される。
【０１１９】
またさらに、ハイパスフィルタ１６ｂの出力信号に対して変調周波数の奇数倍の周波数（ここでは１倍）で位相検波を施す位相検波器１９（第４復調手段）を備えて、該位相検波器１９の出力はアンプ／ローパスフィルタ２０を介して電圧生成部１４Ａにフィードバックされる。ここでのレーザ光の発振波長のロック機能については、第１実施形態と同様である。
【０１２０】
次に、以上の各構成要素を備えたガス濃度計測装置における信号処理（ガス濃度計測方法）について、図８を参照して説明する。ここで、図８は本実施形態のガス濃度計測装置における信号処理を説明する説明図である。
【０１２１】
図８には、レーザ光の発振波長を変調信号で変調する処理と、フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理とを、一連の処理ルート（実ガス計測ルート）として模式的に示している。また、ホワイトノイズ等のノイズが影響する可能性のある箇所を指し示している。
【０１２２】
まず、レーザ光の発振波長を変調信号で変調する処理では、電圧生成部１４Ａにおいて、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長に応じた電圧の第１の期間と、該固有の吸収波長から外れた波長に応じた電圧の第２の期間とを周期的に持つバイアス電圧に、変調信号（サイン波信号）が重畳される。
【０１２３】
電圧生成部１４Ａで生成した電圧はＬＤドライバ２に供給され、ここで注入電流に変換されて半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長が制御されることとなる。また、計測領域を通過したレーザ光は、該レーザ光の光軸上に配置されたフォトダイオード（ＰＤ２）５によって受光される。
【０１２４】
次に、受光信号の信号処理について第２の期間および第１の期間に分けて説明する。第２の期間では、受信信号はハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、位相検波器１７ａで変調周波数の２倍の周波数の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去され、結果としてノイズによるオフセット信号のみが得られる。この第２の期間において、ＰＩ制御部４０ａでは、ローパスフィルタ１８ｃの出力を取り込み、現第２の期間の直後に来る第１の期間における受光信号からオフセット分を取り除くための振幅が生成され、変調器４１ａでは、ＰＩ制御部４０ａで生成された振幅に同調信号を重畳した、同調周波数成分を持つオフセットキャンセル信号が生成される。ここで生成したオフセットキャンセル信号は、直後に来る第１の期間に減算器３５に出力される。
【０１２５】
また、第１の期間では、受信信号はハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、減算器３５によりハイパスフィルタ１６ａ出力とオフセットキャンセル信号の差分がとられ、オフセット分のみが取り除かれた信号が位相検波器１７ａに供給される。位相検波器１７ａで変調周波数の２倍の周波数の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去され、結果として、第１の期間にはノイズによるオフセット信号が除去されたガス濃度信号が得られることとなる。
【０１２６】
以上説明したように、本実施形態のガス濃度計測装置および方法では、キャンセル信号生成手段（ＰＩ制御部４０ａおよび変調器４１ａ）により、第２の期間における位相検波器１７ａ（復調手段）の出力に基づきノイズによるオフセット分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成し、第１の期間では、減算器３５で受光信号からオフセットキャンセル信号を差し引いた信号を位相検波器１７ａ（復調手段）によって復調することとしたので、ノイズによるオフセット信号を差し引いた正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置および方法を実現することができる。
【０１２７】
以上の説明では、主として実ガス計測ルート（フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理）について説明したが、参照ガス計測ルート（参照セルを通過した受光信号の信号処理）についても同様である。すなわち、キャンセル信号生成手段（ＰＩ制御部４０ｂおよび変調器４１ｂ）により、第２の期間における位相検波器１７ｂ（第３復調手段）の出力に基づきノイズによるオフセット分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成し、第１の期間では、減算器３６で受光信号からオフセットキャンセル信号を差し引いた信号を位相検波器１７ｂ（第３復調手段）によって復調することにより、正確な参照セルのガス濃度を求めることができる。
【０１２８】
〔第５実施形態〕
次に、本発明の第５実施形態に係るガス濃度計測装置および方法について説明する。図９は本発明の第５実施形態に係るガス濃度計測装置の構成図である。本実施形態のガス濃度計測装置の実際のガス濃度計測時の配置は、第１実施形態と同じく従来（図１０参照）と同様である。
【０１２９】
また、測定ユニット８Ｅは、サイン波発生器１３、電圧生成部１４Ｂ、同調信号生成部２２、アンプ１５ａ，１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ａ，１６ｂ、位相検波器２１ａ，２１ｂ，１９、ローパスフィルタ１８ａ〜１８ｅ、アンプ／ローパスフィルタ２０、ＰＩ制御部４２ａ，４２ｂ、変調器４３ａ，４３ｂおよび減算器３７，３８を備えている。
【０１３０】
サイン波発生器１３および電圧生成部１４Ｂは、特許請求の範囲にいう変調手段に該当し、半導体レーザダイオード１から発振されるレーザ光の発振波長を所定周波数の変調信号で変調するものであり、測定対象のガス状物質に固有の吸収波長を所定周波数で変調する。詳細については第２実施形態と同様であるので省略する。
【０１３１】
次に、受光後の信号処理として、フォトダイオード（ＰＤ３）６で受光する背景光の処理ルートにはローパスフィルタ１８ａを備え、高周波ノイズが除去される。またフォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理については、ローパスフィルタ１８ｂを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ａ、ハイパスフィルタ１６ａ、位相検波器２１ａ、ローパスフィルタ１８ｃ、ＰＩ制御部４２ａ、変調器４３ａおよび減算器３７を備える処理ルートとを有する。
【０１３２】
後者の処理ルートでは、アンプ１５ａで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、位相検波器２１ａで変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去される。ここで、同調信号は同調信号生成部２２で生成されるが、同調信号生成部２２および位相検波器２１ａは、特許請求の範囲にいう復調手段に該当し、フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光した信号の中から変調された信号を変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間と、変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間とを有する点に特徴がある。詳細については第２実施形態と同様であるので省略する。
【０１３３】
なお、タイミング制御部２３の切り換えタイミングにより、これら第３の期間および第４の期間の切り換えが行われるが、本実施形態では、まず変調信号とずれた位相の同調信号で復調する第４の期間を行い、次に変調信号と同位相の同調信号で復調する第３の期間を行うようにして、これら第４の期間および第３の期間の組を周期的に繰り返し行うようにしている。
【０１３４】
また後者の処理ルートには、ＰＩ制御部４２ａ、変調器４３ａおよび減算器３７を備えたフィードバックループを持つ。ＰＩ制御部４２ａでは、第４の期間におけるローパスフィルタ１８ｃの出力を取り込み、該第４の期間の直後に来る第３の期間における受光信号からオフセット分を取り除くための振幅を生成する。変調器４３ａでは、ＰＩ制御部４２ａで生成された振幅に同調信号を重畳させて、同調周波数成分を持つオフセットキャンセル信号を生成する。減算器３７では、ハイパスフィルタ１６ａの出力からオフセットキャンセル信号を差し引いて位相検波器２１ａに供給する。
【０１３５】
なお、ＰＩ制御部４２ａおよび変調器４３ａには、タイミング制御部２３の切り換えタイミング信号が供給されており、ＰＩ制御部４２ａでは、該切り換えタイミング信号に基づき第４の期間におけるローパスフィルタ１８ｃの出力を取り込み、その周期の間（該第４の期間並びにその直後に来る第３の期間）取り込んだ値を保持する。また、変調器４３ａでは、該切り換えタイミング信号に基づき第３の期間にオフセットキャンセル信号を出力し、第４の期間にはゼロ値を出力するように制御される。
【０１３６】
また、参照セルを通過した受光信号の信号処理についても、ローパスフィルタ１８ｄを備えて高周波ノイズを除去する処理ルートと、アンプ１５ｂ、ハイパスフィルタ１６ｂ、位相検波器２１ｂ（第３復調手段）、ローパスフィルタ１８ｅ、ＰＩ制御部４２ｂ、変調器４３ｂおよび減算器３８を備える処理ルートとを有する。
【０１３７】
後者の処理ルートでは、アンプ１５ｂで信号増幅された後、ハイパスフィルタ１６ｂで低周波ノイズが除去され、位相検波器２１ｂで変調周波数の偶数倍の周波数（ここでは２倍）の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｅで高周波ノイズが除去される。
【０１３８】
またこの後者の処理ルートにはＰＩ制御部４２ｂ、変調器４３ｂおよび減算器３８を備えたフィードバックループを持つ。ＰＩ制御部４２ｂでは、第４の期間におけるローパスフィルタ１８ｂの出力を取り込み、該第４の期間の直後に来る第３の期間における受光信号からオフセット分を取り除くための振幅を生成する。変調器４３ｂでは、ＰＩ制御部４２ｂで生成された振幅に同調信号を重畳させて、同調周波数成分を持つオフセットキャンセル信号を生成する。減算器３８では、ハイパスフィルタ１６ｂの出力からオフセットキャンセル信号を差し引いて位相検波器２１ｂに供給する。
【０１３９】
なお、ＰＩ制御部４２ｂおよび変調器４３ｂには、タイミング制御部２３の切り換えタイミング信号が供給されており、ＰＩ制御部４２ｂでは、該切り換えタイミング信号に基づき第４の期間におけるローパスフィルタ１８ｃの出力を取り込み、その周期の間（該第４の期間並びにその直後に来る第３の期間）取り込んだ値を保持する。また、変調器４３ｂでは、該切り換えタイミング信号に基づき第３の期間にオフセットキャンセル信号を出力し、第４の期間にはゼロ値を出力するように制御される。
【０１４０】
またさらに、ハイパスフィルタ１６ｂの出力信号に対して変調周波数の奇数倍の周波数（ここでは１倍）で位相検波を施す位相検波器１９（第４復調手段）を備えて、該位相検波器１９の出力はアンプ／ローパスフィルタ２０を介して電圧生成部１４Ｂにフィードバックされる。ここでのレーザ光の発振波長のロック機能については、第１実施形態と同様である。
【０１４１】
次に、以上の各構成要素を備えたガス濃度計測装置における受光信号（主計測光）の信号処理について第４の期間および第３の期間に分けて説明する。第４の期間では、受信信号はハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、位相検波器２１ａで変調周波数の２倍の周波数の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去され、結果としてノイズによるオフセット信号のみが得られる。この第４の期間において、ＰＩ制御部４２ａでは、ローパスフィルタ１８ｃの出力を取り込み、現第４の期間の直後に来る第３の期間における受光信号からオフセット分を取り除くための振幅が生成され、変調器４３ａでは、ＰＩ制御部４２ａで生成された振幅に同調信号を重畳した、同調周波数成分を持つオフセットキャンセル信号が生成される。ここで生成したオフセットキャンセル信号は、直後に来る第３の期間に減算器３５に出力される。
【０１４２】
また、第３の期間では、受信信号はハイパスフィルタ１６ａで低周波ノイズが除去され、減算器３７によりハイパスフィルタ１６ａ出力とオフセットキャンセル信号の差分がとられ、オフセット分のみが取り除かれた信号が位相検波器２１ａに供給される。位相検波器２１ａで変調周波数の２倍の周波数の同調信号で復調され、さらにローパスフィルタ１８ｃで高周波ノイズが除去され、結果として、第１の期間にはノイズによるオフセット信号が除去されたガス濃度信号が得られることとなる。
【０１４３】
以上説明したように、本実施形態のガス濃度計測装置および方法では、キャンセル信号生成手段（ＰＩ制御部４２ａおよび変調器４３ａ）により、第４の期間における位相検波器２１ａの出力に基づきノイズによるオフセット分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成し、第３の期間では、減算器３７で受光信号からオフセットキャンセル信号を差し引いた信号を位相検波器２１ａによって復調することとしたので、ノイズによるオフセット信号を差し引いた正確なガス濃度を求めることができ、結果として、対ノイズ性に優れ、高精度のガス濃度計測が可能なガス濃度計測装置および方法を実現することができる。
【０１４４】
以上の説明では、主として実ガス計測ルート（フォトダイオード（ＰＤ２）５で受光する主計測光の信号処理）について説明したが、参照ガス計測ルート（参照セルを通過した受光信号の信号処理）についても同様である。すなわち、キャンセル信号生成手段（ＰＩ制御部４２ｂおよび変調器４３ｂ）により、第４の期間における位相検波器２１ｂ（第３復調手段）の出力に基づきノイズによるオフセット分を取り除くためのオフセットキャンセル信号を生成し、第３の期間では、減算器３８で受光信号からオフセットキャンセル信号を差し引いた信号を位相検波器２１ｂ（第３復調手段）によって復調することにより、正確な参照セルのガス濃度を求めることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１４５】
本発明のガス濃度計測装置および方法は、燃焼を利用した全ての装置や化学プラント等のガスを発生または排出する可能性のある装置およびその周辺において、或いは地下駐車場、トンネル、高速道路の料金所などのガスが滞留する可能性の高い場所などで、さらには車両等に搭載されて、各種のガスまたは排ガス等々を計測、分析、監視する装置に適用可能である。
【符号の説明】
【０１４６】
１  半導体レーザダイオード（光源）
２  ＬＤドライバ
４  フォトダイオード（ＰＤ１；第２受光手段）
５  フォトダイオード（ＰＤ２；受光手段）
６  フォトダイオード（ＰＤ３）
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ，８Ｅ  測定ユニット
９  ＡＤ変換器
１０  コンピュータ
１１  タイミング制御部
１２  電圧発生器
１３  サイン波発生器
１４Ａ，１４Ｂ  電圧生成部
１５ａ，１５ｂ  アンプ
１６ａ，１６ｂ，１６ａ１〜１６ｂ２  ハイパスフィルタ
１７ａ，２１ａ  位相検波器（復調手段）
１７ｂ，２１ｂ  位相検波器（第３復調手段）
１８ａ〜１８ｅ２  ローパスフィルタ
１９  位相検波器（第４復調手段）
２０  アンプ／ローパスフィルタ
２２，３２  同調信号生成部
２３  タイミング制御部
２４  逓倍器
２５  位相器
２６  切換スイッチ
３０ａ  位相検波器（第１復調手段）
３０ｂ  位相検波器（第５復調手段）
３１ａ  位相検波器（第２復調手段）
３１ｂ  位相検波器（第６復調手段）
３３〜３８  減算器
４０ａ，４０ｂ，４２ａ，４２ｂ  ＰＩ制御部
４１ａ，４１ｂ，４３ａ，４３ｂ  変調器
【図１】
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【図２】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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