(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第１の光信号及び前記第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第１の光信号を第３の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
前記第３の光信号を受光して第１の電気信号に変換し、前記第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
前記光ファイバ伝送路を分岐するとともに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記送信手段と前記センサヘッドとを接続し、さらに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記センサヘッドと前記受信手段とを接続する分岐手段と、
を備えるガス検知システム。
【請求項２】
前記受信手段は、光ヘテロダイン検波により前記第２の光信号に対する前記第４の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第２の電気信号を生成し、前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの前記検知結果を補償する、請求項１に記載されたガス検知システム。
【請求項３】
前記受信手段に備えられた第１の光検出手段及び第２の光検出手段と、
前記第３の光信号が前記第１の光検出手段で受信され、前記第４の光信号が前記第２の光検出手段で受信されるように接続された、前記第３及び第４の光信号を分離する波長合分波フィルタをさらに備える、請求項１又は２に記載されたガス検知システム。
【請求項４】
前記送信手段は、前記第１の時間帯には前記第１の光信号を生成し、前記第２の時間帯には前記第２の光信号を生成するように前記光波長変調手段を制御する時間制御手段を備え、
前記受信手段は前記第３及び第４の光信号を受光する第３の光検出手段を備える、
請求項１又は２に記載されたガス検知システム。
【請求項５】
前記時間制御手段は、前記受信手段を、前記第３の光信号を受信する場合には前記第１の電気信号に基づいて前記検知結果を出力させ、前記第４の光信号を受信する場合には前記第２の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出させるように制御する、請求項４に記載されたガス検知システム。
【請求項６】
前記第１の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させ、前記第２の変調は前記パルス光の波長を前記第１の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせる、請求項１乃至５のいずれかに記載されたガス検知システム。
【請求項７】
パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号を生成し、
前記パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を生成し、
前記第１の光信号及び前記第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力し、
センサヘッドにおいて、前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第１の光信号を第３の光信号として受光して第１の電気信号に変換し、前記第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成し、
前記第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
ガス検知方法。
【請求項８】
光ヘテロダイン検波により前記第２の光信号に対する前記第４の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第２の電気信号を生成し、
前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
請求項７に記載されたガス検知方法。
【請求項９】
前記第３及び第４の光信号を分離し、
前記第３の光信号を第１の光検出手段で受信し、
前記第４の光信号を第２の光検出手段で受信する、
請求項７又は８に記載されたガス検知方法。
【請求項１０】
パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第１の光信号及び前記第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第１の光信号を第３の光信号として出力するセンサヘッドから前記第３の光信号を受光して第１の電気信号に変換し、前記第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
を備えるガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス検知システムに関し、特に、ガス濃度の測定値の環境温度による変動を補償できるガス検知システムガス検知方法及びガス検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、石炭や石油と比較して地球温暖化の要因となる二酸化炭素排出量が少ない天然ガスが注目され、各国の天然ガス消費量が増加している。これに伴い、天然ガスの配送網におけるガスの漏洩を検知するための、ガス検知システムの重要性が高まっている。
【０００３】
天然ガスの主成分はメタン分子（ＣＨ４）である。メタン分子（以下、単に「メタン」と記載する。）の検出に、半導体センサが使用される場合がある。半導体センサは、金属酸化物半導体が検出対象のガスと接触したときに生じる抵抗値の変化をガス濃度として検知する。しかし、半導体センサを用いる際にはセンサの電極を加熱する必要があるため、センサを防爆構造とする必要がある。また、半導体センサの寿命は一般的に数か月程度であるため、センサの校正や交換といった保守作業も必要である。その結果、半導体センサを用いたガス検知システムには、システムの構築コストが高いことに加えて運用コストが高いという課題がある。
【０００４】
半導体センサを用いる方式の代替として、ガスの光吸収を利用するガス検知装置が知られている。特許文献１及び２には、多箇所のガス濃度測定が可能なガス検知装置が記載されている。また、非特許文献１には、メタン分子の赤外吸収を利用する光ファイバ式ガス検知システムが記載されている。
【０００５】
さらに、本願発明に関連して、さらに、非特許文献２には、光ＳＳＢ（Single Side Band）変調器に入力される光信号のキャリア周波数を一定の周波数だけシフトさせる、波長変換技術が記載されている。非特許文献３には、ブリュアン（Brillouin）散乱による周波数シフトと温度との関係の実測値が記載されている。
【０００６】
国土幹線や地域幹線などの総延長の長いパイプラインや、プラント内に張り巡らされた導管からの漏洩を監視するためには、電源工事や防爆対応の観点からガスを検知するセンサに電源を要さないことが望ましい。特許文献１、２及び非特許文献１に記載されたガス検知システムは、各所に配置されたセンサの機能を非給電で実現する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平６−１４８０７１号公報
【特許文献２】特開平９−０４３１４１号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】市村他、“光ファイバ式ガス検知システム”、日立電線、Ｎｏ．２５、ｐｐ．２３-２８（２００６−１）
【非特許文献２】下津他、「光ＳＳＢ変調器による広帯域波長変換」、電子情報通信学会エレクトロニクスソサイエティ大会、Ｃ−３−７３、日本（２０００年）
【非特許文献３】坂入他、“ＢＯＴＤＲとＯＴＤＲを用いた歪みと温度を分離する測定システムに関する検討”、電子情報通信学会信学技報、ＯＦＴ２００２−５７（２００２−１１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
光吸収を利用したガス検知システムには、ガス分子の吸収スペクトルの強度が環境温度により変化するという問題がある。具体的には、センサの周辺温度が１０℃異なるとメタン分子の吸収スペクトルのピーク強度は約１０％変化する。従って大気中のガス濃度を正確に測定するためには、各センサの周辺温度を測定し、センサ毎に測定値の温度補償を行う必要がある。この際、センサへの非給電というガス検知システムの特長を損なわないためには、各センサの周辺温度の情報も非給電で取得できることが好ましい。
【００１０】
遠隔地の温度情報を非給電で取得する方法として、光ファイバ温度センサが知られている。光ファイバ温度センサを用いることで、光ファイバ中で発生するブリュアン散乱やラマン（Raman）散乱により発生する後方散乱光の周波数変化や強度変化を測定することによって、光ファイバの各所の応力や温度を測定できる。
【００１１】
非特許文献１に記載された技術では、大気中のメタンガスの濃度を測定するために、波長１６５０ｎｍ付近の吸収スペクトルが利用される。ブリュアン散乱の周波数シフト量は約１０ＧＨｚであるのに対して、ラマン散乱の周波数シフト量は約１３ＴＨｚである。すなわち、ラマン散乱による後方散乱光の波長帯域は一般の通信用光ファイバの伝送可能波長帯域を大きく逸脱する。このため、光ファイバ温度センサにはブリュアン散乱が利用される場合が多い。
【００１２】
図１１は、ブリュアン散乱を用いたＯＴＤＲ（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer：ＢＯＴＤＲ）により実現された温度測定装置１２１０のブロック図である。温度測定装置１２１０は、レーザダイオード等の光源（ＬＤgas）１２１１、ドライバ（ＬＤＤ）１２１６及び光強度変調器（Ｐｕｌｓｅ）１２１２によってパルス状のプローブ光を発生させる。温度測定装置１２１０は、プローブ光を、光サーキュレータ１２１３を介して光ファイバ伝送路１２１９に送出する。光ファイバ伝送路１２１９上の各点ではレイリー（Rayleigh）後方散乱光とブリュアン後方散乱光とが発生する。レイリー後方散乱光の波長はプローブ光の波長と同一であり、ブリュアン後方散乱光はブリュアン周波数シフトによりプローブ光から約１０ＧＨｚ離れた波長に現れる。
【００１３】
温度測定装置１２１０は、光検出器（Photo Detector：ＰＤgas）１２１４と信号処理部（Ｓｉｇ．Ｐｒｏｃ．）１２１５によってブリュアン後方散乱光の周波数シフト量を測定する。そして、周波数シフト量から光ファイバ伝送路１２１９の各点の温度を求めることができる。周波数シフト量は、ブリュアン後方散乱光と光源１２１１とのヘテロダイン検波により求められる。なお、光ファイバに加わる応力によってもブリュアン散乱の周波数は変化するが、ブリュアン散乱に影響を与えない程度のたわみを持たせた状態で光ファイバを敷設することで、周波数シフト量から温度情報のみを得ることができる。
【００１４】
図１２は、特許文献１に記載されたガス検知システムと、図１１に示したＢＯＴＤＲを用いた温度測定装置とを組み合わせたガス検知システム９０１の構成を簡略化して示す図である。ガス検知システム９０１は、制御装置１２２０、温度測定装置１２３０、波長合分波フィルタ（ＷＤＭ  ｆｉｌｔｅｒ）１２５０及びセンサネットワーク１２６０を備える。
【００１５】
ガス検知システム９０１では、光源１２１１の波長が、ガスの吸収波長を含む範囲内で変調される。特許文献１では光源の駆動電流の交流成分を変化させて波長変調を行っている。非特許文献１では光源の駆動電流の直流成分を変化させて波長変調を行っている。このような波長変調により、光源のスペクトルは広がる。
【００１６】
波長変調された光は、光サーキュレータ１２１３及び波長合分波フィルタ１２５０を介して、センサネットワーク１２６０が接続された光ファイバ伝送路１２７０に送出される。センサネットワーク１２６０は複数の光カプラ及びガスセンサを備え、ガスセンサを透過した光信号は折り返されて波長合分波フィルタ１２５０に戻る。波長合分波フィルタ１２５０は、光ファイバ伝送路１２７０から受信された光信号のうち、光源１２１１と同一の波長帯の光を制御装置１２２０へ出力する。制御装置１２２０は、光検出器１２１７及び信号処理部１２１８を用いて、光源の波長の吸収量から各センサで検知されたガス濃度を求める。
【００１７】
波長合分波フィルタ１２５０は、波長シフトしたブリュアン後方散乱光の波長帯の光信号を温度測定装置１２３０へ出力する。温度測定装置１２３０は、光検出器１２１４及び信号処理部１２１５を用いて、光源の波長のブリュアンシフト量から各センサの近傍で検知された温度を求める。信号処理部１２１５で求められた温度を用いることで、信号処理部１２１８で求められたガス濃度の温度特性を補償できる。
【００１８】
このように、ガス検知システム９０１は、遠隔地のガス濃度モニタ地点の温度を非給電で測定できるとともに、ガス分子の吸収スペクトルの強度の温度特性を補償できる。しかしながら、ガス検知システム９０１には、以下の課題がある。
【００１９】
ガス検知システム９０１の課題は、ガス分子の吸収スペクトルを測定する光信号（波長λｇａｓ）を温度測定にも使用することにより生じる。図１３は、ガス検知システム９０１の各部の光信号のスペクトルを示す図である。図１３の縦軸は光信号の強度を示し、横軸は波長を示す。
【００２０】
送信される光信号の波長は、図１３において光信号３１及び３２に示される。光源１２１１の波長変調前の波長はλｇａｓであり（光信号３１）、光源１２１１の駆動信号の制御により、制御装置１２２０の出力ではガスの吸収波長を含むように広げられる（光信号３２）。光信号３２は、プローブ光としてセンサネットワーク１２６０へ送出される出力信号である。センサネットワーク１２６０からの戻り光のうち、光信号３２のセンサで折り返された光信号及びレイリー後方散乱光は光信号３３に示され、光信号３２のブリュアン後方散乱光は光信号３４及び３５に示される。光信号３２のセンサで折り返された光信号は、ガス濃度の検知に用いられる。
【００２１】
光信号３２のスペクトルは拡げられているため、光信号３３の波長とブリュアン後方散乱光（光信号３４及び３５）の波長とは近接する。従って、光信号３３とブリュアン後方散乱光とを分離するためには波長合分波フィルタ１２５０に高い性能が求められる。また、光信号３２のスペクトルがさらに広がっている場合は、レイリー後方散乱光とブリュアン後方散乱光との分離が不可能となる可能性もある。すなわち、ガス検知システム９０１には、センサネットワーク１２６０からの戻り光からブリュアン後方散乱光のみを分離して温度情報を精度よく検出することが困難であるという課題がある。
【００２２】
第２の問題点は、上記第１の問題点を回避するためにガス検知システムで使用する光信号（波長λｇａｓ）とは別の光信号（波長λｔｈ）を用いて温度検知を行う場合に生じる。図１４は、この場合のガス検知システム９０２の構成を簡略化して示す図である。図１５は、ガス検知システム９０２の各部の光信号のスペクトルを示す図である。
【００２３】
図１４に示されるガス検知システム９０２は、ガス濃度の測定とセンサ周辺の温度測定とで、波長が異なる光源１２１１（波長λｇａｓ）及び光源１２４１（波長λｔｈ）を用いる。図１５の（３）に示すように、センサネットワーク１２６０からのブリュアン後方散乱光４４のスペクトルは、光信号４１のレイリー後方散乱光である光信号４２に対しても、充分に分離されている。従って、波長合分波フィルタ１２５０はブリュアン後方散乱光４４を比較的容易に分離可能であるため、温度測定装置１２４０は、光信号４１のブリュアン後方散乱光４４に基づいてセンサネットワーク１２６０の各部の温度を測定できる。
【００２４】
しかしながら、ガス検知システム９０２は、光源（１２１１及び１２４１）、光源ドライバ（１２１６及び１２４６）、光強度変調器（１２１２及１２４２）、光サーキュレータ（１２１３及び１２４３）が各々２個ずつ必要になる。その結果、ガス検知システム９０２には、高コストであるという課題がある。
【００２５】
特許文献１及び２に記載された技術のさらなる課題について以下に説明する。特許文献１に記載された多点ガス濃度測定装置は、１本の光ファイバを複数の分岐結合手段で分岐する構成を備える。特許文献１に記載された装置では、複数の測定点からの反射光が受信時に重なり合わないように、パルス状の光信号が用いられる。しかしながら、特許文献１に記載された装置には、測定点間の距離を小さくできないという課題がある。その理由は以下の通りである。特許文献１に記載された装置は、波長変調を行うために光源（レーザ）の駆動電流あるいは温度を変化させる。メタンの吸収スペクトルをカバーするためには波長を５ＧＨｚ程度変化させる必要がある。そして、レーザの駆動電流を変化させることによってこの波長変化を得るためには数μｓ（マイクロ秒）の時間を要する。その結果、ガスセルへ送出されるパルス光は数μｓ以上の幅を持つ。しかし、この幅は光ファイバ上で数ｋｍの伝搬距離に相当するため、特許文献１に記載された装置は、受信時に反射光が重ならないためには測定点の各々の間の距離を数ｋｍ以上離す必要がある。すなわち、特許文献１に記載された装置では、距離分解能の高い多地点ガス濃度監視システムを実現できない。
【００２６】
特許文献１に記載された装置において、光分岐合流手段の間に光ファイバをスプールして配置することで、測定点間の距離を拡大できる。しかしながら、この場合、スプールされた光ファイバによる伝搬ロスによってガス濃度を監視可能な距離が大きく制限される。例えば、メタン分子の吸収スペクトルが存在する１．６５μｍにおけるシングルモードファイバ（Single Mode Fiber、ＳＭＦ）の伝搬ロスは約０．４ｄＢ／ｋｍである。従って、各測定地点間に１ｋｍのスプール用の光ファイバを配置すると、測定点を２５個所持つシステムでは、往復で最大２０ｄＢの過剰な損失が発生する。その結果、ガスの検知精度が著しく劣化するとともに、伝搬距離の延伸や測定点の増加が大きく制限される。
【００２７】
特許文献２に記載されたガス検知装置は、スペクトル幅の広い光信号を用いてガスの吸収を測定するために、高出力かつスペクトルの広いパルス光を発生させる光源を必要とする。しかしながら、スペクトルの広いパルス光が光ファイバ中を伝搬すると、波長分散によってパルス幅が広がり、複数の測定点からの戻り光パルスがガス検知装置に戻ってきた際に時間的に重なりガス濃度の測定が行えなくなる。また、特許文献２に記載されたガス検知装置は、ガス分子の吸収を受ける波長成分と受けない波長成分を切り分けるために、受信側に波長選択分離器及びパルス光遅延器を備える。その結果、受信側の光回路も複雑なものとなる。このように、特許文献２に記載されたガス検知装置は、構成が複雑でコストが高いという課題がある。
【００２８】
（発明の目的）
本発明の目的は、１台の光源を用いてガス濃度及び温度の双方を精度よく測定し、ガス濃度測定時の温度依存性を簡単な構成で補償できるガス検知システムを実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
本発明のガス検知システムは、パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号、及び、パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を光波長変調手段によって生成し、第１の光信号及び第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した第１の光信号を第３の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
第３の光信号を受光して第１の電気信号に変換し、第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知しガスの検知結果を生成するとともに、第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換し、第２の電気信号に基づいて算出されたセンサヘッドに対応する温度に基づいて、第１の電気信号から算出したガスの検知結果を補償する受信手段と、
光ファイバ伝送路を分岐するとともに、分岐された光ファイバ伝送路を介して送信手段とセンサヘッドとを接続し、さらに、分岐された光ファイバ伝送路を介してセンサヘッドと受信手段とを接続する分岐手段と、
を備える。
【００３０】
本発明のガス検知方法は、パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号を生成し、
パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を生成し、
第１の光信号及び第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力し、
センサヘッドにおいて、第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した第１の光信号を第３の光信号として受光して第１の電気信号に変換し、第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知しガスの検知結果を生成し、
第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換し、第２の電気信号に基づいて算出されたセンサヘッドに対応する温度に基づいて、第１の電気信号から算出したガスの検知結果を補償する、
ことを特徴とする。
【００３１】
本発明のガス検知装置は、パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号、及び、パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を光波長変調手段によって生成し、第１の光信号及び第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した第１の光信号を第３の光信号として出力するセンサヘッドから第３の光信号を受光して第１の電気信号に変換し、第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知しガスの検知結果を生成するとともに、第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換し、第２の電気信号に基づいて算出されたセンサヘッドに対応する温度に基づいて、第１の電気信号から算出したガスの検知結果を補償する受信手段と、
を備える。
【発明の効果】
【００３２】
本発明のガス検知システム、ガス検知装置及びガス検知方法は、ガス濃度測定を簡単な構成で精度よく低コストに行うことを可能とする。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】第１の実施形態のガス検知システム１の構成例を表すブロック図である。
【図２】光波長変調器１１４の構成例を示すブロック図である。
【図３】制御装置１１０における光信号の生成例を説明する図である。
【図４】ガス検知システム１の各部の光信号のスペクトルの例を示す図である。
【図５】光検出器１１６で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。
【図６】光検出器１１６で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。
【図７】温度測定装置２１０の光検出器２１１で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。
【図８】第２の実施形態のガス検知システム２の構成例を示すブロック図である。
【図９】第３の実施形態のガス検知装置８００の構成例を示すブロック図である。
【図１０】ガス検知装置８００の動作手順の例を示すフローチャートである。
【図１１】ＢＯＴＤＲにより実現された温度測定装置１２１０のブロック図である。
【図１２】ガス検知システム９０１の構成を簡略化して示す図である。
【図１３】ガス検知システム９０１の各部の光信号のスペクトルを示す図である。
【図１４】ガス検知システム９０２の構成を簡略化して示す図である。
【図１５】ガス検知システム９０２の各部の光信号のスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態のガス検知システム１の構成例を表すブロック図である。ガス検知システム１は、制御装置１１０、温度測定装置２１０、波長合分波フィルタ２２０、光ファイバ１２０−１〜１２０−ｎ、光カプラ１２１−１〜１２１−ｍ、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎを備える。ｎは２以上の整数、ｍ＝ｎ−１である。
【００３５】
以下では、光ファイバ１２０−１〜１２０−ｎを総称して光ファイバ１２０と記載する。光カプラ１２１−１〜１２１−ｍ、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎも同様に光カプラ１２１、センサヘッド１３０と総称する。
【００３６】
制御装置１１０とセンサヘッド１３０とは、伝送路である光ファイバ１２０で接続される。制御装置１１０は、レーザダイオード（ＬＤ）１１１、レーザダイオードドライバ（ＬＤＤ）１１２、光強度変調器（Ｐｕｌｓｅ）１１３、光波長変調器（λ ｍｏｄ）１１４を備える。制御装置１１０は、さらに、光サーキュレータ１１５、光検出器（Photo Detector、ＰＤ）１１６、信号処理部（Ｓｉｇ．Ｐｒｏｃ．）１１７、時間制御部（Ｔｉｍｅ）１１８を備える。
【００３７】
温度測定装置２１０は、光検出器２１１及び信号処理部２１２を備える。制御装置１１０と温度測定装置２１０とは、波長合分波フィルタ（ＷＤＭ ｆｉｌｔｅｒ）２２０を介して光ファイバ１２０−１と接続される。
【００３８】
光ファイバ１２０上には、光カプラ１２１−１〜１２１−ｍが直列に配置される。ｐ番目（１≦ｐ≦ｍ−１）の光カプラ１２１−ｐの分岐の一方は、センサヘッド１３０−ｐに接続される。光カプラ１２１−ｐの分岐の他方は、光ファイバ１２０−ｑ（ｑ＝ｐ＋１）に接続される。例えば、光カプラ１２１−１の分岐の一方は、センサヘッド１３０−１に接続される。光カプラ１２１−１の分岐の他方は、光ファイバ１２０−２に接続される。ただし、制御装置１１０から最も遠方の光カプラ１２１−ｍは、センサヘッド１３０−ｍ及び光ファイバ１２０−ｎに接続される。光ファイバ１２０−ｎは、センサヘッド１３０−ｎに接続される。
【００３９】
センサヘッド１３０は、周辺の大気に含まれるメタンの濃度を測定するために用いられるセンサである。センサヘッド１３０は、レンズ１３１とミラー１３２を備える。レンズ１３１とミラー１３２とはセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎに共通であるので、図１では単にレンズ１３１及びミラー１３２と記載される。レンズ１３１とミラー１３２との間は、センサヘッド１３０の周辺の大気にさらされる。
【００４０】
図２は、光波長変調器１１４の構成例を示すブロック図である。可変オシレータ（ＯＳＣ）２０１は、出力周波数が可変である電気信号の発振器である。可変オシレータ２０１から出力される電気信号は、カプラ（ＣＰＬ）２０２で４分岐される。分岐された各々の信号の位相は位相シフタ（ＰＳ）２０３−１〜２０３−４で調整される。位相シフタ２０３−１〜２０３−４から出力された４つの信号は、光ＳＳＢ（single side band）変調器２０４の４つのポートにそれぞれ入力される。可変オシレータ２０１及び位相シフタ２０３は、制御部（ＣＯＮＴ）２０５により制御される。光ＳＳＢ変調器２０４のＯＰＴｉｎには、光強度変調器１１３からパルス光が入力される。光ＳＳＢ変調器２０４は、パルス光を波長変調してＯＰＴｏｕｔから出力する。ＯＰＴｏｕｔは、光サーキュレータ１１５に接続される。
【００４１】
（ガス検知システム１の動作）
レーザダイオード１１１の駆動電流及び温度は、レーザダイオードドライバ１１２により制御される。レーザダイオード１１１は、波長１．６５μｍの連続光を出力する。この波長は、メタンによる吸収が大きい波長として知られている。出力された波長１．６５μｍの連続光は、光強度変調器１１３によりパルス変調され、所定の間隔のパルス光となる。パルス光は、光波長変調器１１４により波長変調される。
【００４２】
光波長変調器１１４は、パルス光に対して時間帯により異なる波長変調を行う。波長変調によって、ガス濃度測定に用いるための波長変調が施された光信号と、温度測定に用いるための波長変調が施された光信号とが時分割で生成される。それぞれの波長変調の詳細については後述する。
【００４３】
波長変調されたパルス光は、光サーキュレータ１１５及び波長合分波フィルタ２２０を介して光ファイバ１２０−１へ送出される。光ファイバ１２０を伝搬する光信号は、光カプラ１２１を通過するたびに２分岐される。２分岐された光信号の一方はセンサヘッド１３０に入力され、他方は光ファイバ１２０によって引き続き伝送される。
【００４４】
ｎ個のセンサヘッド１３０は、ガスの漏洩の検知が必要とされる場所に分散して設置される。センサヘッド１３０は、光カプラ１２１から入力された光信号を光ファイバ端面から放射し、放射された光信号をレンズ１３１により平行光線に変換する。平行光線はセンサヘッド１３０が設置された場所の大気中を伝搬し、ミラー１３２でレンズ１３１の方向に反射される。レンズ１３１は、反射された平行光線を、光信号を放射した光ファイバに集光する。光ファイバへ集光された光信号は、光カプラ１２１及び光ファイバ１２０を逆方向に伝搬して波長合分波フィルタ２２０へ戻る。光ファイバ１２０を逆方向に伝搬した光信号は波長合分波フィルタ２２０で波長に応じて分波される。波長合分波フィルタ２２０は、ガス濃度測定に用いるための波長変調が施された光信号を制御装置１１０へ出力する。このようにして、制御装置１１０から送信された光信号はセンサヘッド１３０で折り返され、制御装置１１０で受信される。
【００４５】
光サーキュレータ１１５は、光波長変調器１１４から出力された光信号を光ファイバ１２０−１へ送出するとともに、光ファイバ１２０−１から受信された光信号を光検出器１１６へ導く。光検出器１１６は、受信された光信号を電気信号に変換する。信号処理部１１７は、光検出器１１６が出力した電気信号を処理することにより、センサヘッド１３０が設置された各地点の大気に含まれるメタンの濃度を求める。
【００４６】
一方、温度測定に用いるための波長変調が施された光信号は、波長合分波フィルタ２２０から、温度測定装置２１０に導かれる。温度測定装置２１０で受信された光信号は、光検出器２１１で電気信号へと変換される。信号処理部２１２は、光検出器２１１が出力する電気信号を処理することにより、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎのそれぞれの周辺温度を計算する。求められた周辺温度は信号処理部２１２から信号処理部１１７へ通知される。信号処理部１１７は、求められたメタンの濃度を、信号処理部２１２から通知された周辺温度に基づいて、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎにおける測定値毎に補正する。
【００４７】
図３は、制御装置１１０における光信号の生成例を説明する図である。図３の（１）〜（３）は光強度を縦軸、時間を横軸として光信号の強度の時間変化を示す。図３の（４）〜（６）は光信号の波長を縦軸、時間を横軸として、制御装置１１０で生成される光信号の波長の時間変化を示す。光強度、波長及び時間はいずれも任意目盛である。図３の（５）、（６）においては、光信号がない時間の波長は示されていない。
【００４８】
レーザダイオード１１１から出力された直後の光信号の光強度及び波長λ０はともに一定である（図３の（１）、（４））。光強度変調器１１３は、レーザダイオード１１１から出力された光信号を変調して長さＴ１、間隔Ｔ２のパルス光を生成する。パルス光の周期ＴはＴ１＋Ｔ２である。光強度変調器１１３は光信号の光強度をパルス状に変調するが、光信号の波長λ０は一定のままである（図３の（２）、（５））。
【００４９】
光波長変調器１１４は、光強度変調器１１３から出力されたパルス光の光波長を変調する。本実施形態では、光波長変調器１１４は、時間帯１においては波長を１個のパルス内で長波長方向に掃引（λ０→λ１）し、得られた光信号をセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎにおける周辺ガス濃度測定に用いる。時間帯２においては、光波長変調器１１４は、パルス光の波長を短波長方向にシフトさせて波長λ２に固定し、得られた光信号をセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎの周辺温度測定に用いる（図３の（６））。時間帯１において、パルス光の波長は、１個のパルス光の発光から消光までの経過時間に対して一意となるように変調される。
【００５０】
時間制御部１１８は、図３の（６）の波長変調波形が得られるように、時間帯１及び時間帯２毎の、光波長変調器１１４の変調動作を管理する。なお、図３は、時間帯１に３個のパルス光が存在し、時間帯２に２個のパルス光が存在する例を示す。しかし、各時間帯に含まれるパルス光の数は図３の記載に限定されない。
【００５１】
図４は、ガス検知システム１の各部の光信号のスペクトルの例を示す図である。縦軸は光信号の強度を示し、横軸は波長を示す。レーザダイオード１１１の波長はλ０である（光信号２１）。光波長変調器１１４の出力、すなわち制御装置１１０から光ファイバ１２０−１へ出力される光信号の波長は、図３の（６）に示したように、時間帯１ではλ０〜λ１の間にあり（光信号２２）、時間帯２ではλ２である（光信号２３）。
【００５２】
センサヘッド１３０からの戻り光信号のスペクトルは、図４の光信号２４〜２８に示される。光信号２４及び２５は、それぞれ、光信号２２及び２３のセンサヘッド１３０からの反射光及びレイリー後方散乱光である。光信号２６及び２７は、光信号２２のブリュアン後方散乱光である。光信号２８は、光信号２３のブリュアン後方散乱光（アンチストークス光）である。また、光信号２７のスペクトルは、光信号２３のブリュアン後方散乱光（ストークス光）のスペクトルと重複する場合がある。
【００５３】
光信号２８の波長は、隣接する光信号２５の波長から充分に離れているため、波長合分波フィルタ２２０は、ブリュアン散乱光（光信号２８）のみを容易に分離して温度測定装置２１０へ出力できる。
【００５４】
光波長変調器１１４によるパルス光の波長変調は、非特許文献２に記載されている波長変換技術を参照して行われてもよい。非特許文献１に記載された波長変換技術は、オシレータから出力される一定の周波数の正弦波によって、入力される光信号のキャリア周波数を光ＳＳＢ変調器２０４において一定の周波数だけシフトさせる。
【００５５】
ただし、非特許文献２の方法を単純に適用するだけでは単なる波長変換しか行えないため、本実施形態の光波長変調器１１４では、波長掃引を行うために可変オシレータ２０１が用いられる。制御部２０５は、可変オシレータ２０１の出力周波数を時間帯１及び２、パルス光の周期Ｔ及び発光期間Ｔ１に合わせて変化させる。その結果、時間帯１では、図３の（６）に示すようなパルス光の発光期間Ｔ１内で波長がλ０からλ１まで掃引された変調波形が得られる。時間帯２では波長掃引が行われないため、出力波長がλ２で一定となるように可変オシレータ２０１の出力周波数が制御される。制御部２０５は、所望の特性のパルス光が得られるように、さらに、位相シフタ２０３を制御してもよい。
【００５６】
可変オシレータ２０１に代えて、任意波形発生器（Arbitrary Waveform Generator、ＡＷＧ）を用いてもよい。例えば、１０Ｇ（giga）サンプル／秒のＡＷＧを使用し、１０サンプリングポイント毎に０．１ＧＨｚずつ周波数を増加させることで、５０ｎｓ（nano second）の時間内に５．０ＧＨｚの周波数掃引を行うことができる。メタンの吸収スペクトル幅が約３．０ＧＨｚであるため、この吸収スペクトルを充分にカバーできる周波数掃引が短時間で実現される。また、５０ｎｓのパルス幅は約１０ｍのファイバ長に相当するため、１０ｍという比較的短い間隔でセンサヘッドを配置しても、各センサヘッドからの戻り光は時間的に区別される。すなわち、センサヘッドの設置地点間の距離が１０ｍ程度離れていれば、他のセンサヘッドからの信号の影響を受けることなくそれぞれの地点でガスを検知できる。
【００５７】
図５及び図６は、光検出器１１６で受信される光信号の波形例を概念的に示す図である。図５は、センサヘッド１３０が配置されたいずれの地点においてもガス漏洩がない場合の例を示す。
【００５８】
図５及び図６は、光信号に含まれる１つのパルスに対して、センサヘッド１３０からは複数のピークを含む光信号が受信されることを示す。各ピークの時間軸上の位置は、光信号の往復時間、すなわち、制御装置１１０と光信号のセンサヘッド１３０との距離によって定まる。本実施形態では、センサヘッド１３０の各々は、等間隔かつ制御装置１１０との距離が全て異なるように配置される。このため、図５及び図６のピークも等間隔となる。
【００５９】
図５に示される１つ目のピーク（Ａ０）は、光波長変調器１１４から送信される光信号が、光サーキュレータ１１５の指向性の不完全性（Directivity）のために、光検出器１１６で直接受信されるために生じる。２つ目以降のピーク（Ａ１〜Ａｎ）は、それぞれ、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎから折り返されたパルス光に対応するピークである。あらかじめセンサヘッド１３０を１個ずつ接続して対応するピークＡ１〜Ａｎが生じるタイミングを測定しておくことで、受信されるピークＡ１〜Ａｎとセンサヘッド１３０−１〜１３０−ｎとの対応を知ることができる。ピークの幅はパルス光の発光期間Ｔ１に等しく、ピークの間隔は、制御装置１１０における、光信号のセンサヘッド１３０からの応答時間の差によって定まる。また、パルス光の周期Ｔは、ピークＡ０からピークＡｎまでの時間よりも長く設定される。
【００６０】
図５及び図６に「レイリー後方散乱」として点線及びパルス光がない期間を示す曲線は、光ファイバのレイリー（Rayleigh）後方散乱に起因する受信光の強度を示す。レイリー後方散乱の強度は、制御装置１１０からセンサヘッドまでの距離が長くなるに従って、光ファイバ１２０の伝送ロス及び光カプラ１２１の分岐損によって減少する。センサヘッド１３０が設置された全ての地点においてガス漏洩がない場合、図５のように、センサヘッド１３０から折り返されたパルス光のピークは、いずれもなだらかな強度変化を示す。なお、図５及び図６に示すレイリー後方散乱による信号強度の時間的変化は概念を示す一例であり、レイリー後方散乱の強度は光カプラ１２１の数や光ファイバ１２０の光学的特性によって異なる。
【００６１】
一方、図６は、ｉ番目（１≦ｉ≦ｎ）のセンサヘッドが設置された地点において、ガス漏洩の結果、大気中のメタンガス濃度が高い場合の例を示す。この場合、図５とは異なり、ｉ番目のセンサヘッドからの折り返しパルス光（Ａｉ）のピークに、メタンガスによる光信号の吸収に起因するディップが観測される。このディップの量を光検出器１１６及び信号処理部１１７において検出することにより、ｉ番目のセンサヘッド周辺のメタンガスの濃度を知ることができる。光検出器１１６は、光強度に比例した振幅の電気信号を信号処理部１１７へ出力する。信号処理部１１７は、パルス光のピークにおける電気信号の時間的な強度変化をピーク毎に監視し、ガスの吸収によるディップを検出する。
【００６２】
以下は、信号処理部１１７の動作手順の例である。信号処理部１１７は、ｉ番目のピークのディップの深さ（すなわち、振幅変化）を検出する。そして、振幅変化が所定の閾値よりも大きい場合に、センサヘッド１３０−ｉの周辺でガスが漏洩していると判断して、制御装置１１０の外部へアラームを出力する。あるいは、信号処理部１１７は、ｉ番目のピークのディップの深さに基づいて、センサヘッド１３０−ｉの周辺のガスの濃度を算出し、算出したガス濃度を制御装置１１０の外部へ出力する。一般に、ガスの濃度が高いほどガスによる光吸収は増加し、ディップも深くなる。従って、あらかじめガスの濃度とディップの深さとの関係を測定しておくことで、ディップの深さからガスの濃度を求めることができる。
【００６３】
図７は、温度測定装置２１０の光検出器２１１で受信される光信号の波形例を、図５に示した光信号の波形例と対応させて概念的に示す図である。図７の（１）は、光検出器１１６で観測される信号波形の例を示す。図７の（１）は、（２）に示す温度測定受信器１２２の信号波形の例を説明するために、共通の時間軸で並べて表示される。光検出器２１１は、波長合分波フィルタ２２０で分離された光信号（図２の光信号２４）とレーザダイオード１１１の出力とを用いてヘテロダイン検波を行う。従って、光検出器２１１の出力からは光信号２４の周波数シフトに相当する情報が得られる。
【００６４】
図７の（１）では、「ｉ個目のセンサヘッドからの折り返しパルス」と記載された位置の時間領域でブリュアン周波数シフトが大きい。すなわち、ｉ個目のセンサヘッド付近の温度が高いことが分かる。ブリュアン周波数シフトと温度との関係の実測値は、例えば非特許文献３に開示されている。従って、周波数シフトの測定値からセンサヘッド周辺温度を算出し、ガス濃度センサの測定値を補正することができる。
【００６５】
（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態のガス検知システム１は、以下の効果を奏する。
【００６６】
第１の効果は、非給電という特長を保持したままガス濃度の測定精度を向上できることである。その理由は、ガス検知システム１は、光ファイバを用いた温度センシングにより各センサ部における周辺温度を測定できるためである。
【００６７】
第２の効果は、ガス検知システムの測定精度を向上させるためのコストを低減できることである。その理由は、１つの光源から出力される光信号の波長に時間帯毎に異なる変調を施し、ガス検知用と温度測定用とで異なる波長の光信号を使用することにより、光源及び周辺回路をガス濃度測定と温度測定とで共通化できる。そして、ガス検知用と温度測定用とで異なる波長の光信号を使用することで、ブリュアン後方散乱光を低コストに分離できる。
【００６８】
ガス検知システム１は、さらに、以下の効果も奏する。すなわち、ガス検知システム１は、簡単かつ安価に多地点のガス検知を行うことができる。その第１の理由は、単一波長の光源の出力光の波長を、光波長変調器１１４を用いて変化させているため、高出力かつスペクトルの広いパルス光を発生させる光源を必要としないからである。第２の理由は、折り返された光信号の処理は光検出器１１６及び信号処理部１１７のみで行われるため、受信側に複雑な光回路を必要としないからである。
【００６９】
さらに、第１の実施形態のガス検知システム１は、距離分解能が高いガス検知システムを実現できる。その理由は、単一波長の光源から出力された短いパルスの波長を、光波長変調器１１４を用いて変化させているためである。このような構成により、スペクトルの広いパルス光を用いた場合と比較して光信号のパルス幅の広がりを小さくできるとともに、レーザの駆動電流や温度により波長変調を行った場合と比較して短いパルスで所望の波長変化が得られる。その結果、センサヘッド１３０間の距離が小さい場合でも、複数の測定点からの戻り光パルスが制御装置１１０において時間的に重なることを回避でき、高い距離分解能が得られる。そして、第１の実施形態のガス検知システム１は、上記の効果を得るために光ファイバ１２０上に光ファイバスプールを配置する必要がない。
【００７０】
さらに、第１の実施形態のガス検知システム１は、ガス検知システムの運用コストを低減できる。その理由は、ガス検知システム１は、センサヘッド毎に制御装置１１０から光ファイバを敷設する場合と比較して、１本のファイバに光カプラを挿入することで多くの地点のガス検知を行えるからである。１本のファイバに光カプラを挿入する構成は、システムの建設や保守が容易であるとともに、既設の光ファイバ網に空き心線が少ない地域へのガス検知システムの導入を容易とする。
【００７１】
（第１の実施形態の変形例）
以下に、第１の実施形態のガス検知システム１と同様の効果をもたらす変形例について説明する。
【００７２】
第１の実施形態では光波長変調器として光ＳＳＢ変調器を用いた。しかし、光ＳＳＢ変調器の代わりに大容量光通信技術に用いられているＩＱ変調器（Ｉｎ−ｐｈａｓｅ／Ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ変調器）を用いて波長変調を実現しても良い。また、大振幅の変調器ドライバを用い、光位相変調器（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｐｈａｓｅ変調器）の印加電圧を時間方向に変化させることによっても波長変調を実現できる。
【００７３】
また、レーザダイオード１１１と光サーキュレータ１１５との間及び光サーキュレータ１１５と光検出器１１６との間の一方又は両方に光増幅器を挿入してもよい。光増幅器を用いることでセンサヘッド１３０から受信した光信号の信号対雑音比を向上させることができる。
【００７４】
また、第１の実施形態のセンサヘッド１３０は、光信号を空間的に伝搬させる際、ミラー１３２を用いて１回反射させる。しかし、複数のミラーを用いて光信号を複数回反射させることで、空間内の光信号の伝搬経路を長くしてもよい。このような構成のセンサヘッドを用いることでガスによる光信号の吸収が増加し、より低濃度のガスを検出することができる。
【００７５】
また、図３では、光信号の波長がそれぞれのパルス内で直線的に変化する例を示した。しかし、波長の変化に正弦波を重畳して波長変調分光法（Wavelength Modulation Spectroscopy、ＷＭＳ法）によるガス濃度の算出を行ってもよい。ＷＭＳ法を用いることで、より感度の高いガス濃度の測定が可能となる。この際、直線的な波長変調と正弦波状の波長変調とはそれぞれ個別の光波長変調器により行われてもよい。
【００７６】
また、非特許文献２には、波長変換によって高次の側波帯が発生することが示される。このような高次の側波帯を抑圧するために、光波長変調器１１４の後段に光バンドパスフィルタが配置されてもよい。高次の側波帯を除去する光バンドパスフィルタを追加することにより雑音が抑圧されるため、より精度の高い測定が可能となる。
【００７７】
さらに、波長合分波フィルタ２２０とセンサヘッド１３０の間に光バンドパスフィルタを設置してもよい。光ファイバ１２０中のブリュアン散乱は後方のみでなく前方にも発生する。この前方に伝搬する散乱光がセンサヘッド１３０により反射されて温度測定装置２１０に戻ると正確な温度測定が困難になる。このため、前方散乱光を除去する波長特性を持つ光バンドパスフィルタが用いられてもよい。
【００７８】
第１の実施形態では光波長変調器１１４において、ガス濃度を測定する時間帯（時間帯１）に光信号の波長を長波長側に変調し、温度測定の時間帯（時間帯２）に光信号の波長を短波長側に変調する例を説明した。しかし、逆に、ガス濃度を測定する時間帯（時間帯１）に光信号の波長を短長波長側に変調し、温度測定の時間帯（時間帯２）に光信号の波長を長波長側に変調してもよい。この場合には、ブリュアン後方散乱光のうちストークス成分（長波長側の散乱光）を用いて温度測定を行うことができる。
【００７９】
また、本実施形態では波長１．６５μｍの光信号を用いてメタンの検出を行う例を示した。光信号の波長として、メタンの別の吸収スペクトルに相当する波長を用いてもよい。あるいは、メタンとは異なるガス分子の吸収スペクトルを、１．６５μｍ以外の波長でモニタして、メタン以外のガスを検出してもよい。さらに、複数の波長の光信号を用いて複数の異なる種類のガスを検出してもよい。
【００８０】
（第２の実施形態）
図８は、本発明の第２の実施形態のガス検知システム２の構成例を示すブロック図である。第１の実施形態では、ガス濃度測定用と温度測定用との２台の光検出器１１６及び２１２を使用した。第２の実施形態では、１台の光検出器でガス濃度測定と温度測定とを行う。以下の説明において、既出の要素には同一の名称及び参照符号を付して、重複する説明は省略する。
【００８１】
（実施形態の構成）
図８において、ガス検知システム２は、制御装置１１１０、光ファイバ１２０−１〜１２０−ｎ、光カプラ１２１−１〜１２１−ｍ、センサヘッド１３０−１〜１３０−ｎを備える。ｎは２以上の整数、ｍ＝ｎ−１である。
【００８２】
制御装置１１１０は、レーザダイオード１１１、レーザダイオードドライバ１１２、光強度変調器１１３、光波長変調器１１４を備える。制御装置１１０は、さらに、光サーキュレータ１１５、光検出器１１６、及び信号処理部１１７及び時間制御部１１８を備える。
【００８３】
（第２の実施形態の動作）
制御装置１１１０内での光信号の生成過程及び光波長変調器１１４による変調動作は、第１の実施形態と同様であり、本実施形態では説明を省略する。本実施形態では、光ファイバ１２０−１を戻ってきた光信号は、全て光検出器１１６で電気信号に変換され、当該電気信号は信号処理部１１７で処理される。ここで、光検出器１１６及び信号処理部１１７の動作は、時間制御部１１８により管理される。すなわち、時間制御部１１８は、光検出器１１６及び信号処理部１１７の動作を、時間帯１で生成された光信号の戻り光を受信する場合と、時間帯２で生成された光信号の戻り光を受信する場合とで切り替える。
【００８４】
具体的には、図３の時間帯１に生成された光信号の戻り光を受信する時間帯には、時間制御部１１８は、光検出器１１６及び信号処理部１１７を、光強度受信器として動作させる。この場合には、光検出器１１６へ入力される光信号の強度の時間変化に基づいて、第１の実施形態の図５及び図６で説明したように、各センサヘッド１３０の周辺ガス濃度が測定される。
【００８５】
一方、図３の時間帯２に生成された光信号の戻り光を受信する時間帯には、時間制御部１１８は、光検出器１１６及び信号処理部１１７を、第１の実施形態で説明した温度測定装置２１０の光検出器２１１及び信号処理部２１２として動作させる。このとき、光検出器１１６は、例えばレーザダイオード１１１の出力を用いてヘテロダイン受信を行う波長検出器として動作してもよい。時間帯２では、光検出器１１６は光信号のブリュアンシフト量に対応する周波数の信号を出力するため、制御装置１１１０は、この信号を用いてセンサヘッド１３０の周辺温度を測定できる。そして、制御装置１１１０は、時間帯２の間に送受信された光信号によって測定された周辺温度の情報を用いて、時間帯１に送信された光信号によって測定されたガス濃度測定値の温度依存性の補正を行うことができる。
【００８６】
（第２の実施形態の効果）
本実施形態のガス検知システム２は、１台の光検出器及び信号処理部によって、遠隔点のガス濃度及び周辺温度を測定できる。このため、ガス検知システム２は、第１の実施形態のガス検知システム１の効果に加えて、システムコストをより低価格化できる。
【００８７】
第２の実施形態の内容は上記で説明した形態に限定されない。第１の実施形態と同様に、第２の実施形態においても、使用する変調器や光増幅器、分光方法や波長などが異なる構成も本願発明の範囲に含まれる。
【００８８】
なお、第１及び第２の実施形態では１本の光ファイバ伝送路を２分岐して一方にセンサヘッドを接続し、センサヘッドからの戻り光を同一の光ファイバ伝送路を用いて伝送する構成を説明した。しかし、本願発明が適用可能なセンサヘッドの配置はこれに限られない。例えば、特許文献２に記載された、往路と復路とで異なる光ファイバ伝送路が用いられる構成にも、本願発明は適用可能である。さらに、光スターカプラを用いて分岐された光ファイバ伝送路にセンサヘッドが接続された構成にも、本願発明は適用可能である。
【００８９】
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態のガス検知装置８００の構成例を示すブロック図である。図１０は、ガス検知装置８００の動作手順の例を示すフローチャートである。第２の実施形態で説明した制御装置１１１０は、以下の構成を備えるガス検知装置８００と呼ぶこともできる。すなわち、ガス検知装置８００は、送信部８０１と受信部８０２とを備える。送信部８０１は、図８の光波長変調器１１４を含む。送信部８０１は、さらに、図８のレーザダイオード１１１、レーザダイオードドライバ１１２、光強度変調器１１３を含んでもよい。受信部８０２は、図８の光検出器１１６及び信号処理部１１７を含んでもよい。
【００９０】
送信部８０１は、パルス光の波長に対して、時間帯１には第１の変調が施された第１の光信号を生成し、時間帯２には第２の変調が施された第２の光信号を生成する（図１０のステップＳ０１）。第１及び第２の変調は、光波長変調器において行われる。送信部８０１は、第１の光信号及び第２の光信号を、センサヘッドと接続された伝送路に出力する（ステップＳ０２）。ここで、センサヘッドは、大気中を伝搬させた第１の光信号を第３の光信号として出力する。
【００９１】
受信部８０２は、第３の光信号を受光して（ステップＳ０３）第１の電気信号に変換する（ステップＳ０４）。そして、受信部８０２は、第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて、大気中に含まれる所定の種類のガスをセンサヘッド毎に検知し（ステップＳ０５）、ガスの検知の結果を生成する（ステップＳ０６）。
【００９２】
受信部８０２は、さらに、第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して（ステップＳ０７）第２の電気信号に変換する（ステップＳ０８）。そして、受信部８０２は、第２の電気信号に基づいてセンサヘッドに対応する温度を算出する（ステップＳ０９）。受信部８０２は、算出された温度に基づいて、ステップＳ０６で生成されたガスの検知結果を補償して、補償された検知結果を出力する（ステップＳ１０）。
【００９３】
第３の実施形態のガス検知装置８００は、以下の効果を奏する。
【００９４】
第１の効果は、ガス濃度の測定精度を非給電という特長を保持したまま向上できることである。その理由は、ガス検知装置８００は、光ファイバの散乱光から生成された信号に基づいて各センサヘッドにおける周辺温度を測定できるためである。
【００９５】
第２の効果は、ガス検知システムの測定精度を向上させるためのコストを低減できることである。その理由は、１つの光波長変調器を用いて、パルス光の波長を時間帯毎に変調することにより、光源及び周辺回路をガス濃度測定と温度測定とで共通化できるためである。
【００９６】
以上の各実施形態に記載された機能及び手順は、制御装置１１０、１１１０あるいは温度測定装置２１０が備える中央処理装置（Central Processing Unit、ＣＰＵ）がプログラムを実行することにより実現されてもよい。プログラムは、固定された、一時的でない記録媒体に記録される。記録媒体としては半導体メモリ又は固定磁気ディスク装置が用いられるが、これらには限定されない。ＣＰＵは例えば信号処理部１１７及び２１２の少なくとも一方に備えられるコンピュータでもよいが、これらには限定されない。
【００９７】
なお、本発明の実施形態は以下の付記のようにも記載されうるが、これらには限定されない。
【００９８】
（付記１）
パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第１の光信号及び前記第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第１の光信号を第３の光信号として出力する複数のセンサヘッドと、
前記第３の光信号を受光して第１の電気信号に変換し、前記第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
前記光ファイバ伝送路を分岐するとともに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記送信手段と前記センサヘッドとを接続し、さらに、分岐された前記光ファイバ伝送路を介して前記センサヘッドと前記受信手段とを接続する分岐手段と、
を備えるガス検知システム。
【００９９】
（付記２）
前記受信手段は、光ヘテロダイン検波により前記第２の光信号に対する前記第４の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第２の電気信号を生成し、前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、付記１に記載されたガス検知システム。
【０１００】
（付記３）
前記受信手段に備えられた第１の光検出手段及び第２の光検出手段と、
前記第３の光信号が前記第１の光検出手段で受信され、前記第４の光信号が前記第２の光検出手段で受信されるように接続された、前記第３及び第４の光信号を分離する波長合分波フィルタをさらに備える、付記１又は２に記載されたガス検知システム。
【０１０１】
（付記４）
前記送信手段は、前記第１の時間帯には前記第１の光信号を生成し、前記第２の時間帯には前記第２の光信号を生成するように前記光波長変調手段を制御する時間制御手段を備え、
前記受信手段は前記第３及び第４の光信号を受光する第３の光検出手段を備える、
付記１又は２に記載されたガス検知システム。
【０１０２】
（付記５）
前記時間制御手段は、前記受信手段を、前記第３の光信号を受信する場合には前記第１の電気信号に基づいて前記検知結果を出力させ、前記第４の光信号を受信する場合には前記第２の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出させるように制御する、付記４に記載されたガス検知システム。
【０１０３】
（付記６）
前記第１の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させ、前記第２の変調は前記パルス光の波長を前記第１の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせる、付記１乃至５のいずれかに記載されたガス検知システム。
【０１０４】
（付記７）
パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号を生成し、
前記パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を生成し、
前記第１の光信号及び前記第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力し、
センサヘッドにおいて、前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第１の光信号を第３の光信号として受光して第１の電気信号に変換し、前記第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成し、
前記第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
ガス検知方法。
【０１０５】
（付記８）
光ヘテロダイン検波により前記第２の光信号に対する前記第４の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第２の電気信号を生成し、
前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、
付記７に記載されたガス検知方法。
【０１０６】
（付記９）
前記第３及び第４の光信号を分離し、
前記第３の光信号を第１の光検出手段で受信し、
前記第４の光信号を第２の光検出手段で受信する、
付記７又は８に記載されたガス検知方法。
【０１０７】
（付記１０）
時間制御手段によって、前記第１の時間帯には前記第１の光信号を生成し、
前記第２の時間帯には前記第２の光信号を生成する、
付記７又は８に記載されたガス検知方法。
【０１０８】
（付記１１）
前記時間制御手段によって、前記第３の光信号を受信する場合には前記第１の電気信号に基づいて前記検知結果を出力し、前記第４の光信号を受信する場合には前記第２の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出する、
付記１０に記載されたガス検知方法。
【０１０９】
（付記１２）
前記第１の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させ、前記第２の変調は前記パルス光の波長を前記第１の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせる、付記７乃至１１のいずれかに記載されたガス検知装置の制御方法。
【０１１０】
（付記１３）
ガス検知システムが備えるコンピュータに、
パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号を生成する手順、
前記パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を生成する手順、
前記第１の光信号及び前記第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力する手順、
センサヘッドにおいて、前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第１の光信号を第３の光信号として受光して第１の電気信号に変換する手順、
前記第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成する手順、
前記第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換する手順、
前記第２の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する手順、
を実行させるためのガス検知システムの制御プログラム。
【０１１１】
（付記１４）
光ヘテロダイン検波により前記第２の光信号に対する前記第４の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第２の電気信号を生成する手順、
前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する手順、
をさらに実行させる、付記１３に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
【０１１２】
（付記１５）
前記第３及び第４の光信号を分離する手順、
前記第３の光信号を第１の光検出手段で受信する手順、
前記第４の光信号を第２の光検出手段で受信する手順、
をさらに実行させる、付記１３又は１４に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
【０１１３】
（付記１６）
さらに、
時間制御手段に、前記第１の時間帯には前記第１の光信号を生成する手順及び前記第２の時間帯には前記第２の光信号を生成する手順、
を実行させる、付記１３又は１４に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
【０１１４】
（付記１７）
前記時間制御手段に、前記第３の光信号を受信する場合には前記第１の電気信号に基づいて前記検知結果を出力する手順、前記第４の光信号を受信する場合には前記第２の電気信号に基づいて前記センサヘッドに対応する温度を算出する手順、
をさらに実行させる、付記１６に記載されたガス検知システムの制御プログラム。
【０１１５】
（付記１８）
前記第１の変調は、前記パルス光の波長を時間経過とともに単調に変化させるものであり、前記第２の変調は前記パルス光の波長を前記第１の光信号の波長の変化とは逆方向にシフトさせるものである、付記１３乃至１７のいずれかに記載されたガス検知システムの制御プログラム。
【０１１６】
（付記１９）
パルス光の波長に対して第１の時間帯に第１の変調が施された第１の光信号、及び、前記パルス光の波長に対して第２の時間帯に第２の変調が施された第２の光信号を光波長変調手段によって生成し、前記第１の光信号及び前記第２の光信号を光ファイバ伝送路に出力する送信手段と、
前記第１の光信号を大気中を伝搬させ、大気中を伝搬した前記第１の光信号を第３の光信号として出力するセンサヘッドから前記第３の光信号を受光して第１の電気信号に変換し、前記第１の電気信号の振幅の時間的変化に基づいて前記大気中に含まれる所定の種類のガスを前記センサヘッド毎に検知し前記ガスの検知結果を生成するとともに、前記第２の光信号の散乱光である第４の光信号を受光して第２の電気信号に変換し、前記第２の電気信号に基づいて算出された前記センサヘッドに対応する温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する受信手段と、
を備えるガス検知装置。
【０１１７】
（付記２０）
前記受信手段は、光ヘテロダイン検波により前記第２の光信号に対する前記第４の光信号の周波数シフト量の情報を有する前記第２の電気信号を生成し、前記周波数シフト量に基づいて算出された温度に基づいて、前記第１の電気信号から算出した前記ガスの検知結果を補償する、付記１９に記載されたガス検知装置。
【０１１８】
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。本発明の構成や詳細には、本発明のスコープ内で当業者が理解し得るさまざまな変更をすることができる。また、各実施形態の構成要素は、矛盾がない限り組み合わせることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本願発明は、ガス濃度の測定システムに適用できる。特に、広いエリアの多地点のガス濃度情報を遠隔から測定するようなシステムに適用できる。
【符号の説明】
【０１２０】
１、２    ガス検知システム
２１〜２８、３１〜３４、４１、４２、４４    光信号
１１０、１１１０、１２２０    制御装置
１１１    レーザダイオード
１１２    レーザダイオードドライバ
１１３、１２１２、１２４２    光強度変調器
１１４    光波長変調器
１１５、１２１３、１２４３    光サーキュレータ
１１６、２１１、１２１４、１２１７    光検出器
１１７、２１２、１２１５、１２１８    信号処理部
１１８    時間制御部
１２０、１２０−１〜１２０−ｎ    光ファイバ
１２１、１２１−１〜１２０−ｍ    光カプラ
１２２    温度測定受信器
１３０、１３０−１〜１３０−ｎ    センサヘッド
１３１    レンズ
１３２    ミラー
２０１    可変オシレータ
２０３    位相シフタ
２０４    光ＳＳＢ変調器
２０５    制御部
２１０、１２１０、１２３０、１２４０    温度測定装置
２２０、１２５０    波長合分波フィルタ
８００    ガス検知装置
８０１    送信部
８０２    受信部
９０１、９０２    ガス検知システム
１２１１、１２４１    光源
１２１９、１２７０    光ファイバ伝送路
１２６０    センサネットワーク
【図１】
0006658256.tif 000002
【図２】
0006658256.tif 000003
【図３】
0006658256.tif 000004
【図４】
0006658256.tif 000005
【図５】
0006658256.tif 000006
【図６】
0006658256.tif 000007
【図７】
0006658256.tif 000008
【図８】
0006658256.tif 000009
【図９】
0006658256.tif 000010
【図１０】
0006658256.tif 000011
【図１１】
0006658256.tif 000012
【図１２】
0006658256.tif 000013
【図１３】
0006658256.tif 000014
【図１４】
0006658256.tif 000015
【図１５】
0006658256.tif 000016