(57)【要約】【課題】森林等の広域を計測対象とし、共存物質の影響がなく、高応答性で、かつ計測安定性に優れたガス濃度フラックス計測装置を提供する。【解決手段】レーザ光源と、レーザ出力制御装置と、波長変調制御装置と、第１の受光装置と、第１の直流成分検出器と、第１の波長変調復調器と、光学系と、参照セルと、第２の受光装置と、第２の直流成分検出器と、第２の波長変調復調器と、第３の波長変調復調器と、解析装置と、加算器と、温度計測手段と、圧力計測手段と、計測領域におけるガス流の水平２方向の流速成分と鉛直方向の流速成分とをそれぞれ直接的に計測し、これらの計測信号を解析装置に出力する流速計測手段とを有し、解析装置は、前記流速計測手段から入力される信号を用いて渦相関則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測対象ガスの運動量フラックスと濃度を演算により求める。【選択図】    図２
2005106546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
計測対象ガスに固有な吸収波長のレーザ光を計測領域に向けて発振する少なくとも１つの光源と、
前記光源の出力動作を制御するレーザ出力制御装置と、
前記光源から発振されるレーザの発振波長に対して変調を加えるための変調信号を出力し、かつ、その変調に同期した参照信号を出力する波長変調制御装置と、
計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第１の受光装置と、
前記第１の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第１の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第１の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号を出力する第１の波長変調復調器と、
前記光源から発振されるレーザを２つ以上に分配する光学系と、
濃度が既知の前記計測対象ガスが封入され、前記光学系により分配されて計測領域に向かわなくなったレーザが前記封入ガス中を透過するような位置に配置された参照セルと、
前記参照セル内の封入ガスを透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第２の受光装置と、
前記第２の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第２の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、前記参照セル内の封入ガス濃度に比例した信号を出力する第２の波長変調復調器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の奇数次高調波成分を検出し、レーザ波長を計測対象ガスの吸収波長に固定化するための基準信号を出力する第３の波長変調復調器と、
前記第１の直流成分検出器、第１の波長変調復調器、第２の直流成分検出器および第２の波長変調復調器から出力された信号に基づいて、計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度を算出し、その算出結果を出力する解析装置と、
前記波長変調制御装置からの変調信号と前記第３の波長変調復調器からのレーザ波長固定化信号とを加算し、その加算信号を前記レーザ出力制御装置への外部制御信号として出力する加算器と、
計測領域の温度を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する温度計測手段と、
計測領域の圧力を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する圧力計測手段と、を具備するガス濃度フラックス計測装置であって、
さらに、計測領域におけるガス流の水平２方向の流速成分と鉛直方向の流速成分とをそれぞれ直接的に計測し、これらの計測信号を前記解析装置に出力する流速計測手段を有し、
前記解析装置は、前記流速計測手段から入力される信号を用いて渦相関則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めることを特徴とするガス濃度フラックス計測装置。
【請求項２】
計測対象ガスに固有な吸収波長のレーザ光を計測領域に向けて発振する少なくとも１つの第１のレーザ光源と、
前記レーザ光源の出力動作を制御するレーザ出力制御装置と、
前記レーザ光源から発振されるレーザの発振波長に対して変調を加えるための変調信号を出力し、かつ、その変調に同期した参照信号を出力する波長変調制御装置と、
計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第１の受光装置と、
前記第１の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第１の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第１の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号を出力する第１の波長変調復調器と、
前記第１のレーザ光源から発振されるレーザを２つ以上に分配する光学系と、
濃度が既知の前記計測対象ガスが封入され、前記光学系により分配されて計測領域に向かわなくなったレーザが前記封入ガス中を透過するような位置に配置された参照セルと、
前記参照セル内の封入ガスを透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第２の受光装置と、
前記第２の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第２の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、前記参照セル内の封入ガス濃度に比例した信号を出力する第２の波長変調復調器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の奇数次高調波成分を検出し、レーザ波長を計測対象ガスの吸収波長に固定化するための基準信号を出力する第３の波長変調復調器と、
前記第１の直流成分検出器、第１の波長変調復調器、第２の直流成分検出器および第２の波長変調復調器から出力された信号に基づいて、計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度を算出し、その算出結果を出力する解析装置と、
前記波長変調制御装置からの変調信号と前記第３の波長変調復調器からのレーザ波長固定化信号とを加算し、その加算信号を前記レーザ出力制御装置への外部制御信号として出力する加算器と、
計測領域の温度を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する温度計測手段と、
計測領域の圧力を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する圧力計測手段と、を具備するガス濃度フラックス計測装置であって、
さらに、計測領域にレーザを照射する第２の光源と、
前記第２の光源から出射され計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を前記解析装置に出力する第３の受光装置と、を有し、
前記解析装置は、前記第３の受光装置から入力される信号を用いてレーザ透過率の時間変化を求め、求めたレーザ透過率の時間変化からガス密度の時間変化を導出し、さらにガス密度の時間変化から計測対象ガスの乱れの状態を把握するためにMonin-Obukhov相似則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めることを特徴とするガス濃度フラックス計測装置。
【請求項３】
計測対象ガスに固有な吸収波長のレーザ光を計測領域に向けて発振する第１の光源と、
前記第１の光源の出力動作を制御するレーザ出力制御装置と、
前記第１の光源から発振されるレーザの発振波長に対して変調を加えるための変調信号を出力し、かつ、その変調に同期した参照信号を出力する波長変調制御装置と、
計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第１の受光装置と、
前記第１の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第１の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第１の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号を出力する第１の波長変調復調器と、
前記第１の光源から発振されるレーザを２つ以上に分配する光学系と、
濃度が既知の前記計測対象ガスが封入され、前記光学系により分配されて計測領域に向かわなくなったレーザが前記封入ガス中を透過するような位置に配置された参照セルと、
前記参照セル内の封入ガスを透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第２の受光装置と、
前記第２の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第２の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、前記参照セル内の封入ガス濃度に比例した信号を出力する第２の波長変調復調器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の奇数次高調波成分を検出し、レーザ波長を計測対象ガスの吸収波長に固定化するための基準信号を出力する第３の波長変調復調器と、
前記第１の直流成分検出器、第１の波長変調復調器、第２の直流成分検出器および第２の波長変調復調器から出力された信号に基づいて、計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度を算出し、その算出結果を出力する解析装置と、
前記波長変調制御装置からの変調信号と前記第３の波長変調復調器からのレーザ波長固定化信号とを加算し、その加算信号を前記レーザ出力制御装置への外部制御信号として出力する加算器と、
計測領域の温度を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する温度計測手段と、
計測領域の圧力を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する圧力計測手段と、を具備するガス濃度フラックス計測装置であって、
さらに、計測対象ガスに固有な吸収波長のレーザ光を計測領域に向けて発振する第２の光源と、
前記第２の光源から発振され計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第３の受光装置と、
前記第３の受光装置から受けた信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を前記解析装置に出力する第３の直流成分検出器と、を有し、
前記解析装置は、前記第３の直流成分検出器から入力される信号を用いてレーザ透過率の時間変化を求め、求めたレーザ透過率の時間変化からガス密度の時間変化を導出し、さらにガス密度の時間変化から計測対象ガスの乱れの状態を把握するためにMonin-Obukhov相似則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めることを特徴とするガス濃度フラックス計測装置。
【請求項４】
計測対象ガスに固有な吸収波長のレーザ光を計測領域に向けて発振する単一の光源と、
前記光源の出力動作を制御するレーザ出力制御装置と、
前記光源から発振されるレーザの発振波長に対して変調を加えるための変調信号を出力し、かつ、その変調に同期した参照信号を出力する波長変調制御装置と、
計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第１の受光装置と、
前記第１の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第１の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第１の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号を出力する第１の波長変調復調器と、
前記光源から発振されるレーザを２つ以上に分配する光学系と、
濃度が既知の前記計測対象ガスが封入され、前記光学系により分配されて計測領域に向かわなくなったレーザが前記封入ガス中を透過するような位置に配置された参照セルと、
前記参照セル内の封入ガスを透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第２の受光装置と、
前記第２の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第２の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、前記参照セル内の封入ガス濃度に比例した信号を出力する第２の波長変調復調器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の奇数次高調波成分を検出し、レーザ波長を計測対象ガスの吸収波長に固定化するための基準信号を出力する第３の波長変調復調器と、
前記第１の直流成分検出器、第１の波長変調復調器、第２の直流成分検出器および第２の波長変調復調器から出力された信号に基づいて、計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度を算出し、その算出結果を出力する解析装置と、
前記波長変調制御装置からの変調信号と前記第３の波長変調復調器からのレーザ波長固定化信号とを加算し、その加算信号を前記レーザ出力制御装置への外部制御信号として出力する加算器と、
計測領域の温度を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する温度計測手段と、
計測領域の圧力を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する圧力計測手段と、を具備するガス濃度フラックス計測装置であって、
さらに、前記単一の光源から発振されるレーザを２つ以上に分配する光学系と、
分配された一つ以上のレーザの偏光面を回転させる偏光面回転装置と、
前記偏光面回転装置により偏光面が回転されたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第３の受光装置と、
前記第３の受光装置から受けた信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を前記解析装置に出力する第３の直流成分検出器と、を有し、
前記解析装置は、前記第３の直流成分検出器から入力される信号を用いてレーザ透過率の時間変化を求め、求めたレーザ透過率の時間変化からガス密度の時間変化を導出し、さらにガス密度の時間変化から計測対象ガスの乱れの状態を把握するためにMonin-Obukhov相似則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めることを特徴とするガス濃度フラックス計測装置。
【請求項５】
計測対象ガスに固有な吸収波長のレーザ光を計測領域に向けて発振する単一の光源と、
前記光源の出力動作を制御するレーザ出力制御装置と、
前記光源から発振されるレーザの発振波長に対して変調を加えるための変調信号を出力し、かつ、その変調に同期した参照信号を出力する波長変調制御装置と、
計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第１の受光装置と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第１の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号を出力する第１の波長変調復調器と、
前記光源から発振されるレーザを２つ以上に分配する光学系と、
濃度が既知の前記計測対象ガスが封入され、前記光学系により分配されて計測領域に向かわなくなったレーザが前記封入ガス中を透過するような位置に配置された参照セルと、
前記参照セル内の封入ガスを透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第２の受光装置と、
前記第２の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第２の直流成分検出器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、前記参照セル内の封入ガス濃度に比例した信号を出力する第２の波長変調復調器と、
前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の奇数次高調波成分を検出し、レーザ波長を計測対象ガスの吸収波長に固定化するための基準信号を出力する第３の波長変調復調器と、
前記第１の波長変調復調器、第２の直流成分検出器および第２の波長変調復調器から出力された信号に基づいて、計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度を算出し、その算出結果を出力する解析装置と、
前記波長変調制御装置からの変調信号と前記第３の波長変調復調器からのレーザ波長固定化信号とを加算し、その加算信号を前記レーザ出力制御装置への外部制御信号として出力する加算器と、
計測領域の温度を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する温度計測手段と、
計測領域の圧力を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する圧力計測手段と、を具備するガス濃度フラックス計測装置であって、
さらに、外部制御されるファラデー回転子を有し、前記単一の光源から発振されるレーザの偏光面を回転させる偏光面回転装置と、
前記ファラデー回転子の回転角度を制御し、レーザ偏光面を縦偏光と横偏光に一定周期で切り替えさせる偏光面変調制御装置と、
前記偏光面変調制御装置からの強度変調参照信号に基づいて前記第１の受光装置の出力信号中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきた縦偏光レーザの受光強度に比例した信号を計測部レーザ吸収量信号として前記解析装置に出力する第１の偏光面復調器と、
前記偏光面変調制御装置からの強度変調参照信号に基づいて前記第１の受光装置の出力信号中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきた横偏光レーザの受光強度に比例した信号を計測部レーザ吸収量信号として前記解析装置に出力する第２の偏光面復調器と、
前記偏光面変調制御装置からの強度変調参照信号に基づいて前記第１の受光装置の出力信号中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきたレーザの受光強度に比例した信号を濃度計測信号として前記解析装置に出力する第３の偏光面復調器と、を有し、
前記解析装置は、前記第１、第２及び第３の偏光面復調器からそれぞれ入力される信号を用いてレーザ透過率の時間変化を求め、求めたレーザ透過率の時間変化からガス密度の時間変化を導出し、さらにガス密度の時間変化から計測対象ガスの乱れの状態を把握するためにMonin-Obukhov相似則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めることを特徴とするガス濃度フラックス計測装置。
【請求項６】
前記第３の偏光面復調器は前記第１の波長変調復調器の後段に設けられ、偏光面変調周波数は波長変調周波数より小さく設定されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項７】
前記第３の偏光面復調器は前記第１の波長変調復調器の前段に設けられ、偏光面変調周波数は波長変調周波数より大きく設定されていることを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項８】
さらに、前記第１及び第２の偏光面復調器の前段に設けられ、前記偏光面変調制御装置からの偏光面変調参照信号の位相を変化させる信号位相変換器を有することを特徴とする請求項５記載の装置。
【請求項９】
前記第３の直流成分検出器の代わりとして、前記第１の受光装置から出力された信号の中から偏光面変調に同期した信号を検出し、受光強度に比例した信号を出力する偏光面変調復調器を有することを特徴とする請求項３又は４のいずれか一方に記載の装置。
【請求項１０】
前記光源と前記第１の受光装置は同じ容器内に収納されていることを特徴とする請求項１乃至５のうちのいずれか１項記載の装置。
【請求項１１】
さらに、前記温度計測手段と前記圧力計測手段も前記同じ容器内に収納されていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記流速計測手段として時間応答性良好な超音波流速計を用い、該超音波流速計は前記同じ容器内に収納されていることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
森林でのＣＯ2吸収量評価を行うため、また地面から発生する地球温暖化ガス（ＧＨＧ）の発生量調査等の環境調査を行うため、あるいはＣＯ2地下処分プラントやガス貯留設備やパイプライン等のガス漏洩を検知するために用いられるガス濃度フラックス計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、温室効果ガス（ＧＨＧ：ＣＯ2，ＣＨ4，Ｎ2Ｏ等）による地球温暖化問題が注目され、地表面や工業プラントからの各種ＧＨＧ放出／漏洩量や、森林でのＣＯ2吸収量の把握は重要性をますます増してきている。
【０００３】
地表面からの、単位面積当りのガス放出（フラックス）量を把握する最も簡単な方法は、図１５Ａに示すように、微小穴の開いた容器１０１を地面１００に伏せ、最初に容器１０１内の計測対象ガスの濃度を計測しておき、一定時間経過後に再度ガス濃度計測を行う手法である。ガス濃度フラックス量は、濃度差および容器の接地面積／容積から見積もることができる。
【０００４】
また、近年、各所で活発に実施され始めている森林ＣＯ2フラックス計測では、森林中に観測タワー９１を設置し、タワー９１上にて時間応答性の良い流速計５１とＣＯ2濃度計９３，９６を用いて大気観測を行い、両者の計測結果を渦相関法にて解析し、森林ＣＯ2フラックス量（すなわち、森林によるＣＯ2吸収量）を導出している。例えば、本発明者らは非特許文献１においてＣＯ2フラックスの連続観測を報告している。
【０００５】
具体的には、図１５Ｂに示すように、風速計測に関しては、時間応答性の非常に良い超音波流速計５１が一般的に用いられる。ＣＯ2濃度計測に関しては、サンプリング管９５を用いる方式のクローズドパス型ＣＯ2濃度計９６が一般的であるが、近年は、時間応答性の良い赤外光源を用いたオープンパス型ＣＯ2計９３（計測長は１ｍ以下）も使われるようになってきている。
【０００６】
さらに、ガス濃度フラックスそのものではないが、レーザを用いた広域の運動量フラックス（＝｛大気質量（平均密度）×水平方向速度成分｝の鉛直方向輸送量）計測技術が開発され、森林計測への応用が進められている。この計測技術は、図１５Ｃに示すように、森林に二基の観測タワー９１，９２を離して設置し、一方のタワー９１上に設置した光源部１１１から森林上部を透過するようにレーザを２本照射し、もう一方のタワー９２上に設置した受光部１１２によりそれぞれのレーザ透過率の時間変化（シンチレーション）を計測する。
【０００７】
この従来装置の基本構成は、図１５Ｄに示すように、タワー上の２対のレーザ発振器１１３，１１４／受光装置１１５，１１６および計測室内に設けられた解析部１２２からなる。計測領域１００を透過した２本のレーザ光は受光装置１１５，１１６でそれぞれ受光され、受光信号１０１，１０２を解析部１２２へ送る。解析部１２２では、先ず光路上の大気の乱れ状態を把握するために分散、共分散の解析を行い、次いでMonin-Obukhov相似則による解析手法を用いて運動エネルギや熱の消散率εを求め、さらに運動量フラックスおよび顕熱フラックス（場合によっては潜熱フラックスも含む）を求める。
【０００８】
ところで、大気境界層では地表面の摩擦作用と熱的作用によって乱流が発生し、各種物理量の上空への輸送は、乱流輸送が支配的となることが知られている。Monin-Obukhov相似則（以後、ＭＯＳという）は、この領域の大気変数の各種統計量（平均値，分散，共分散，スペクトル等）がｚ／Ｌ（ｚ：測定高さ，Ｌ：Monin-Obukhov長）に関する普遍的な関数になることを示している。よって、この相似則が成立する場合は、大気乱流状態（この場合は、レーザ透過率の時間変化→大気密度の乱れ（２次の密度構造関数Ｄｎ２））を計測し、その計測結果をＭＯＳに基づいて順次解析（大気乱流状態→運動エネルギスペクトル→エネルギ散逸率）を行い、運動量フラックスを導出する。
【０００９】
このように運動量フラックスの導出に関しては、森林上部ではＭＯＳが成立すると仮定し、非特許文献２に記載されている手法を用いてレーザのシンチレーション状態から大気乱流状態を解析し、その結果から、光路上の運動量フラックス量が導き出される（シンチレーション法）。
【非特許文献１】中屋耕ほか「浅間山東麓ダケカンバ林におけるＣＯ2フラックスの連続観測の紹介」2002年CGERフラックスリサーチミーティング（2002年11月14日）、58頁
【非特許文献２】Thiermann, V.  "A displaced-beam scintillometer for line-averaged measurements of surface layer turbulence".  Tenth symposium of turbulence and diffusion, 29 Sept -2 Oct, 1992, Portland, OR., published by the American Meteorological Society, Boston, MA.: ｐ244-ｐ247 (1992).
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上述の従来方式を用いてガス濃度フラックスを計測する場合は、以下に示すような種々の問題点がある。  
（１）現状のガス濃度計は、フラックス計測に用いられている必要条件を完全に満たしていない。  
従来技術の最初に示した、フラックス量の時間変化を考慮しない計測は除き、森林ＣＯ2吸収量計測等のフラックス計測に用いられるガス濃度計測には次に掲げる特性が要求される。  
(i)高応答性
渦相関法でのフラックス検出には、可能な限り速い応答性が求められる。
【００１１】
(ii)共存物質の影響が無いこと
微量成分検出のため、対象ガス以外の物質に影響を受けないことが要求される。
【００１２】
(iii)計測安定性
長時間の連続計測が必要になるので、計測の安定性が要求される。
【００１３】
通常用いられている、サンプリング式のクローズドパス型ガス濃度計９６は、その構造上、計測遅れや希釈効果が働くため、その応答性に問題がある。
【００１４】
また、共存物質（Ｈ2Ｏ，固体粒子）の影響を受けやすいため、必ず、前処理（除湿，除塵）が必要となり、応答性の向上を困難にしている。
【００１５】
また、応答性改善を目的に導入が始まっているオープンパス型ガス濃度計９３は、光源に発振幅の広い赤外光源を用いるため、共存ガス（特に、Ｈ2Ｏ）の影響を受けやすい。また、光源の問題から、計測安定性にも課題を残している。
【００１６】
（２）広域の連続的なガス濃度計測は不可能である。  
現状のクローズドパス式ガス濃度計９６ではサンプリング位置近傍の領域のみに計測範囲が限定されてしまう。また、オープンパス型ガス濃度計９３では光源の問題から、その計測長はせいぜい１ｍ以下にすぎない。よって、従来方式では１ｍ以上の、例えば、１０ｍ、１００ｍ、１ｋｍ規模の広域のガス濃度変動を計測することはできない。なお、従来方式であっても、多数の計測装置を並べて計測すれば、理論的には広域のガス濃度計測も可能である。ただし、多数の計測装置を設置すると、それらの装置自身が障害物となって計測領域の状況（濃度、フラックス等）を変化させるため、正確な広域フラックス計測は不可能である。
【００１７】
本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、森林等の広域を計測対象とし、共存物質の影響がなく、高応答性で、かつ計測安定性に優れたガス濃度フラックス計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明者らは、先の特願２００３−００９７８５の出願明細書等において常温発振の近赤外半導体レーザを光源とした波長変調方式の非接触ガス濃度計測技術（波長可変半導体レーザ吸収分光法（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy(以下、ＴＤＬＡＳという)）を利用したガス濃度モニタリングシステムを提案している。ＴＤＬＡＳは、i）時間応答性が非常に良好であること、ii)共存物質（固体粒子など）の影響を受けないこと、iii)波長が安定しているなど計測の安定性が良好であること等の利点を有する計測技術であり、（イ）単純なガス濃度計測技術として、時間応答性の高い流速計と組み合わせて、フラックス計測に応用する（ロ）若しくは、ＴＤＬＡＳによるガス濃度計測に利用している、波長や偏光面の制御が可能なレーザを、フラックス計測に応用する手段を用いることで、上記の課題を有効に解決するガス濃度フラックス計測が可能となる。このようなＴＤＬＡＳの機能に着目して本発明者らは以下に述べる本発明を完成した。
【００１９】
本発明に係るガス濃度フラックス計測装置は、計測対象ガスに固有な吸収波長のレーザ光を計測領域に向けて発振する光源と、前記光源の出力動作を制御するレーザ出力制御装置と、前記光源から発振されるレーザの発振波長に対して変調を加えるための変調信号を出力し、かつ、その変調に同期した参照信号を出力する波長変調制御装置と、計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第１の受光装置と、前記第１の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第１の直流成分検出器と、前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第１の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号を出力する第１の波長変調復調器と、前記光源から発振されるレーザを２つ以上に分配する光学系と、濃度が既知の前記計測対象ガスが封入され、前記光学系により分配されて計測領域に向かわなくなったレーザが前記封入ガス中を透過するような位置に配置された参照セルと、前記参照セル内の封入ガスを透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第２の受光装置と、前記第２の受光装置から出力された信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を出力する第２の直流成分検出器と、前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、前記参照セル内の封入ガス濃度に比例した信号を出力する第２の波長変調復調器と、前記波長変調制御装置からの参照信号に基づいて、前記第２の受光装置から出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の奇数次高調波成分を検出し、レーザ波長を計測対象ガスの吸収波長に固定化するための基準信号を出力する第３の波長変調復調器と、前記第１の直流成分検出器、第１の波長変調復調器、第２の直流成分検出器および第２の波長変調復調器から出力された信号に基づいて、計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度を算出し、その算出結果を出力する解析装置と、前記波長変調制御装置からの変調信号と前記第３の波長変調復調器からのレーザ波長固定化信号とを加算し、その加算信号を前記レーザ出力制御装置への外部制御信号として出力する加算器と、計測領域の温度を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する温度計測手段と、計測領域の圧力を計測し、その計測値に応じた信号を前記解析装置に出力する圧力計測手段と、を具備するガス濃度フラックス計測装置であって、
（１）さらに、計測領域におけるガス流の水平２方向の流速成分と鉛直方向の流速成分とをそれぞれ直接的に計測し、これらの計測信号を前記解析装置に出力する流速計測手段を有し、前記解析装置は、前記流速計測手段から入力される信号を用いて渦相関則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス（計測領域全体の水平方向運動量［例：大気平均密度×水平風速］の鉛直方向輸送量）、計測対象ガスの濃度フラックス（計測対象ガスのみの鉛直方向輸送量）および計測対象ガス濃度を演算により求めるか、あるいは、
（２）さらに、計測領域にレーザを照射する第２の光源と、前記第２の光源から出射され計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を前記解析装置に出力する第３の受光装置と、を有し、前記解析装置は、前記第３の受光装置から入力される信号を用いてレーザ透過率の時間変化を求め、求めたレーザ透過率の時間変化からガス密度の時間変化を導出し、さらにガス密度の時間変化から計測対象ガスの乱れの状態を把握するためにMonin-Obukhov相似則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めるか、あるいは、
（３）さらに、計測対象ガスに固有な吸収波長のレーザ光を計測領域に向けて発振する第２の光源と、前記第２の光源から発振され計測領域を透過してきたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第３の受光装置と、前記第３の受光装置から受けた信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を前記解析装置に出力する第３の直流成分検出器と、を有し、前記解析装置は、前記第３の直流成分検出器から入力される信号を用いてレーザ透過率の時間変化を求め、求めたレーザ透過率の時間変化からガス密度の時間変化を導出し、さらにガス密度の時間変化から計測対象ガスの乱れの状態を把握するためにMonin-Obukhov相似則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めるか、あるいは、
（４）さらに、前記単一の光源から発振されるレーザの偏光面を回転させる偏光面回転装置と、前記偏光面回転装置により偏光面が回転されたレーザを受光し、かつ、その受光強度に応じた信号を出力する第３の受光装置と、前記第３の受光装置から受けた信号の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分を前記解析装置に出力する第３の直流成分検出器と、を有し、前記解析装置は、前記第３の直流成分検出器から入力される信号を用いてレーザ透過率の時間変化を求め、求めたレーザ透過率の時間変化からガス密度の時間変化を導出し、さらにガス密度の時間変化から計測対象ガスの乱れの状態を把握するためにMonin-Obukhov相似則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めるか、あるいは、
（５）さらに、外部制御されるファラデー回転子を有し、前記単一の光源から発振されるレーザの偏光面を回転させる偏光面回転装置と、前記ファラデー回転子の回転角度を制御し、レーザ偏光面を縦偏光と横偏光に一定周期で切り替えさせる偏光面変調制御装置と、前記偏光面変調制御装置からの強度変調参照信号に基づいて前記第１の受光装置の出力信号中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきた縦偏光レーザの受光強度に比例した信号を計測部レーザ吸収量信号として前記解析装置に出力する第１の偏光面復調器と、前記偏光面変調制御装置からの強度変調参照信号に基づいて前記第１の受光装置の出力信号中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきた横偏光レーザの受光強度に比例した信号を計測部レーザ吸収量信号として前記解析装置に出力する第２の偏光面復調器と、前記偏光面変調制御装置からの強度変調参照信号に基づいて前記第１の受光装置の出力信号中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきたレーザの受光強度に比例した信号を濃度計測信号として前記解析装置に出力する第３の偏光面復調器と、を有し、前記解析装置は、前記第１、第２及び第３の偏光面復調器から入力される信号を用いてレーザ透過率の時間変化を求め、求めたレーザ透過率の時間変化からガス密度の時間変化を導出し、さらにガス密度の時間変化から計測対象ガスの乱れの状態を把握するためにMonin-Obukhov相似則に基づく解析を行い、その解析結果を用いて計測領域の運動量フラックス、計測対象ガスの濃度フラックスおよび計測対象ガス濃度を演算により求めることを特徴とする。
【００２０】
なお、本明細書中において「運動量フラックス」とは、計測領域に存在するガス全体の水平方向運動量（例：大気平均密度×水平方向風速）の鉛直方向輸送量のことをいうものとする。また、「ガス濃度フラックス」とは、計測領域中の計測対象ガスのみの鉛直方向輸送量をいうものとする。
【００２１】
波長変調ＴＤＬＡＳとシンチレーション法との組合せに関しては次の２つをあげることができる。
【００２２】
（i）ＴＤＬＡＳ装置とシンチレーション計測装置との組合せ
例えば図７に示すように、波長変調ＴＤＬＡＳでの広域ガス濃度計測装置と、シンチレーション法による広域運動量フラックス計測装置を組合せ、夫々の計測結果を、Monin-Obukhov相似則に基づいて統合することで、広域のガス濃度フラックス計測が可能となる。
【００２３】
（ii）ＴＤＬＡＳガス濃度計測技術にシンチレーション手法を直接組み込む組合せ
例えば図９、図１１、図１３に示すように、波長変調ＴＤＬＡＳにシンチレーション手法の機能を追加し、単体装置による広域のガス濃度フラックス計測装置を可能とさせる。
【００２４】
次に、シンチレーション法による運動量フラックスの導出手順を図１６Ａと図１６Ｂに示す。シンチレーション法による運動量フラックスの導出に関する基本的な原理は非特許文献２で詳細に説明されている。なお、図１６Ａと図１６Ｂに示した導出手順においては、その表記を非特許文献２のものとは別表記としているが、基本的な考え方は同じである。
【００２５】
レーザ光が計測領域を通過する際、その領域のガス（大気）が乱れていると、屈折率の変化によりレーザ光が僅かに曲げられ、受光部でレーザ光の瞬き（レーザ・シンチレーション）が計測される。シンチレーション法では、二つの受光部でこの瞬きを計測し、図１６Ａに示すように、夫々のデータの分散（Ｂ１，Ｂ２），共分散（Ｂ）から、大気の乱れの最小単位（内部スケール）Ｌ0，運動量エネルギ散逸率ε，大気密度ρの変動程度（密度構造関数）Ｃｎ2をそれぞれ求める。
【００２６】
その結果をMonin-Obukhov相似則に基づいて解析し、図１６Ｂに示す式を用いて大気の摩擦速度ｕ＊を求める。次いで、その結果と大気密度ρとを用いて運動量フラックスＭ（＝ρ・（ｕ＊）2）を求める。
【００２７】
次に、ガス濃度フラックスの導出手順を図１７Ａと図１７Ｂを参照して説明する。
【００２８】
通常のシンチレーション法での計測と同様に、レーザ・シンチレーションの計測結果より、内部スケールＬ0，運動エネルギ散逸率ε，密度構造関数Ｃｎ2をそれぞれ求めるとともに、図１７Ａに示すように、ＴＤＬＡＳにより計測領域における計測対象ガス濃度ｇを求め、その結果から、計測領域の計測対象ガスの変動程度（ガス濃度構造関数）を求め、同様に、温度計測結果より温度構造関数Ｃｒ2を求める。
【００２９】
以上の計測結果を、Monin-Obukhov相似則に基づいて解析し、図１７Ｂに示す式を用いて大気の摩擦比濃Ｇ＊を求める。次いで、その結果と大気の摩擦速度ｕ＊と大気密度ρとを用いて計測対象ガスの濃度フラックスＧ（＝ρ・ｕ＊・Ｇ＊）を求める。
【発明の効果】
【００３０】
本発明によれば、従来技術の課題を克服して計測精度を向上させたガス濃度フラックス計測技術が実現できるばかりでなく、従来技術の組合せだけでは不可能であった広域のガス濃度フラックスのリアルタイム計測が可能となる。このため、本発明を用いた環境計測や、漏洩監視は、従来法を組み合わせた手法と比較すると、大幅な労力，コストの削減が可能になり、最終的には、森林管理や各種プラントの安全管理の高度化が図れる。
【００３１】
また、本発明によれば、レーザの偏光面を縦偏光と横偏光に切り替えることにより、レーザ発振装置の数および受光装置の数を減少させることができる。
【００３２】
また、本発明によれば、ガス濃度計測装置としての波長変調ＴＤＬＡＳ装置の下記の有利性が存分に発揮される。
【００３３】
(i)時間応答性が非常に良好である。
【００３４】
波長変調ＴＤＬＡＳ計測は光学計測であるため、従来技術で必要とされるガスサンプリングや前処理が不要である。このため従来技術の組合せでは不可能であった広域のガス濃度フラックス計測が可能になり、また良好な時間応答性のためにリアルタイムな計測が実現される。
【００３５】
従来の光学計測法と比較して、波長変調による濃度計測感度の大幅な向上が実現できており、計測時定数を下げても（時間応答性を上げても）十分な感度でのガス濃度フラックスの計測が可能になる。
【００３６】
(ii)共存物質の影響を受けない。
【００３７】
光源に波長線幅の非常に狭いレーザを用いているため、共存ガスの影響を受けない。波長変調計測により固体粒子の影響も除去が可能であり、汚れの影響にも強く、さらに雨天等の悪条件下でも問題無く計測できる。
【００３８】
(iii)計測の安定性が良好である。
【００３９】
本発明では、波長変調を複数段化することにより、計測安定性の向上を実証済みである。さらに、波長変調ＴＤＬＡＳはレーザ利用の光学計測であるため、従来のガス濃度計測技術では非常に困難であった広域ガス濃度のリアルタイム計測が可能となる。よって、この波長変調ＴＤＬＡＳ技術に、シンチレーション法による広域の運動量フラックス計測技術を結びつけることで、広域のガス濃度フラックスのリアルタイム計測が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
以下、添付の図面を参照して本発明の種々の好ましい実施の形態について説明する。
【００４１】
（ガス濃度計測の基本構成）  
先ず図１を参照してＴＤＬＡＳを利用したガス濃度計測装置の基本構成について説明する。ガス濃度計測装置１０は、光源部２、受光部３、直流成分検出器４，１２、波長変調復調器５、波長変調制御装置６、波長変調復調器７，８、加算器９、ＬＤ制御装置１１、Ａ／Ｄ変換器１３、コンピュータ１４を備えている。光源部２は、外周が耐候性に優れた光学系容器２ａで覆われ、内部に半導体レーザ光源２１、参照セル２５、レーザ光の一部を光学窓２３に向けて透過させるとともに一部を反射するハーフミラー２２、ハーフミラー２２で反射されたレーザ光を参照セル２５に向けて反射するミラー２４、参照セル２５からのレーザ光を受光する参照用受光部２６を備えている。
【００４２】
半導体レーザ光源２１は、レーザ素子の温度調節を行うためのペルチェ素子とともにＬＤモジュールのなかに設けられている。半導体レーザ素子はＬＤ制御装置１１の駆動回路に接続され、その温度と電流とが制御されるようになっている。ＬＤ制御装置１１から光源２１に送られる発振信号Ｓ１は、加算器９からの信号Ｓ１３によってフィードバック制御されるようになっている。なお、本実施形態では、光源２１として半導体レーザ素子を採用した場合を例にとって説明しているが、本発明の光源は半導体レーザ素子のみに限定されるものではなく、その他の波長変調が可能なレーザ発振器のすべてに適用可能であり、さらに、レーザ以外の光・電磁波の場合も、波長変調が可能な場合には、すべて適用可能である。また、ＬＤ制御装置１１は、手動で制御できるようにしてもよいし、外部制御できるようにしてもよい。
【００４３】
計測領域１００には温度測定器Ｔ１と圧力測定器Ｐ１が設けられ、温度測定信号Ｓ２および圧力測定信号Ｓ３がＡ／Ｄ変換器１３を介して解析部であるコンピュータ１４にそれぞれ送られるようになっている。
【００４４】
計測用受光部３は、光軸が光源部２の光軸と一致するように配置され、計測領域１００を透過してきたレーザ光を受光する。計測用受光部３の後段には第１の直流成分検出器４と第１の波長変調復調器５が設けられている。第１の直流成分検出器４は、受光部３から出力された信号Ｓ４の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分信号Ｓ５を解析部としてのコンピュータ１４に出力する。
【００４５】
第１の波長変調復調器５は、波長変調制御装置６からの参照信号Ｓ１０に基づいて、第１の受光装置から出力された信号Ｓ４の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号Ｓ６を出力する。
【００４６】
波長変調制御装置６は、濃度計測用の第１の波長変調復調器５、濃度校正用の第２の波長変調復調器７および加算器９の前段に設けられ、２つの波長変調復調器５，７には波長変調参照信号Ｓ１０をそれぞれ出力し、加算器９には波長変調信号Ｓ１１を出力する。
【００４７】
参照セル２５は、濃度が既知の計測対象ガス（例えば、ＣＯ2ガス）が封入され、光学系２２，２４により分配されて計測領域１００に向かわなくなったレーザが封入ガス中を透過するような位置に配置されている。
【００４８】
第２の受光装置２６は、参照セル２５の後段に配置され、参照セル２５内の封入ガスを透過してきたレーザを受光し、その受光強度に応じた信号Ｓ７を第２の直流成分検出器１２に出力する。
【００４９】
第２の直流成分検出器１２は、第２の受光装置２６から出力された信号Ｓ７の中から変調信号としての交流成分を取り除き、受光強度の直流成分信号Ｓ８を解析部１４に出力する。
【００５０】
第２の波長変調復調器７は、波長変調制御装置６からの参照信号Ｓ１０に基づいて、第２の受光装置２６から出力された信号Ｓ７の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、参照セル２５内の封入ガス濃度に比例した信号Ｓ９を解析部１４に出力する。
【００５１】
第３の波長変調復調器は、波長変調制御装置６からの参照信号Ｓ１０に基づいて、第２の受光装置から出力された信号Ｓ７の中からレーザに加えた波長変調信号の奇数次高調波成分を検出し、レーザ波長を計測対象ガスの吸収波長に固定化するための基準信号Ｓ１２を加算器９に出力する。
【００５２】
解析装置は、温度測定器Ｔ１、圧力測定器Ｐ１、第１の直流成分検出器４、第１の波長変調復調器５、第２の直流成分検出器１２および第２の波長変調復調器７からそれぞれ出力された信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ８，Ｓ９に基づいて、計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度をそれぞれ算出し、その算出結果を記録するとともにディスプレイ上に出力表示する。
【００５３】
加算器９は、波長変調制御装置６からの変調信号Ｓ１１と第３の波長変調復調器８からのレーザ波長固定化信号Ｓ１２とを加算し、その加算信号Ｓ１３をレーザ出力制御装置１１への外部制御信号として出力する。
【００５４】
ガス濃度の検定は次のようにしてなされる。  
参照セル２５の内部にはガス濃度が既知の標準ガスを一定圧力で封入するか、または通流させてある。先ず、参照セル２５内の既知のガス濃度と、参照セル２５の既知の光学長さと、計測領域の既知の光学長さとを解析部であるコンピュータ１４にデータ入力する。コンピュータ１４は、メモリから所定の数式を呼び出し、３つの入力データを所定の数式の該当パラメータにそれぞれ代入し、演算によりガス濃度値を求める。求めたガス濃度値は、連続的に記録されるとともに、その時々刻々変化する様子がディスプレイ画面上に表示される。
【００５５】
以上が本発明装置のうちガス濃度計測を担う部分である。本発明装置は上記のガス濃度計測部分に加えてさらに以下に述べるフラックス計測を担う部分を備えている。
【００５６】
（ガス濃度フラックス計測１）  
（２つの光源と２つの計測用受光部との組合せ）  
図２は実施形態のガス濃度フラックス計測装置の全体構成を示す図である。なお、本実施形態のガス濃度フラックス計測装置１０Ｂが上述したガス濃度計測装置１０と重複する部分の説明は省略する。
【００５７】
ガス濃度フラックス計測装置１０Ａは、光源部２Ａ内に半導体レーザ光源２１の他にもう１つ別にレーザ光源２１Ａを備えている。このため光学系容器２ａには２つの光学窓２３ａ，２３ｂが並んで設けられ、一方の光学窓２３ａからは第１の光源２１の発振レーザが計測領域１００に出射され、他方の光学窓２３ｂからは第２の光源２１Ａの発振レーザが計測領域１００に出射されるようになっている。２本のレーザビーム光軸が実質的に平行になるように第１及び第２の光源２１，２１Ａは互いに位置合わせされている。
【００５８】
受光部３Ａは第１の計測用受光部３１の他に第２の計測用受光部３２を備えている。第１の計測用受光部３１は、第１の光源２１から発振されたレーザを受光し、その信号Ｓ４１を第１の直流成分検出器４１に出力する。第２の計測用受光部３２は、第２の光源２１Ａから発振されたレーザを受光し、その信号Ｓ４２を第３の直流成分検出器４２に出力する。
【００５９】
第３の直流成分検出器４２は、受光信号Ｓ４２の中から変調信号としての交流成分を取り除き、大気乱流成分信号Ｓ５２を解析部１４に出力する。これと並行して第１の直流成分検出器４１は、受光信号Ｓ４２の中から変調信号としての交流成分を取り除き、計測部受光強度信号Ｓ５１を解析部１４に出力する。
【００６０】
波長変調復調器５は、波長変調制御装置６からの参照信号Ｓ１０に基づいて、第１の受光装置から出力された信号Ｓ４１の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号Ｓ６１を出力する。
【００６１】
解析部１４は、温度測定器Ｔ１、圧力測定器Ｐ１、第１の直流成分検出器４１、第１の波長変調復調器５、第２の直流成分検出器１２、第２の波長変調復調器７および第３の直流成分検出器４２からそれぞれ出力された信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５１，Ｓ５２，Ｓ６１，Ｓ８，Ｓ９に基づいて、ＭＯＳ則に従って計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度をそれぞれ算出するとともに、計測領域中の運動量フラックスを算出し、これらの算出結果を連続記録するとともにディスプレイ上に出力表示する。
【００６２】
（ガス濃度フラックス計測２）  
（単一光源と２つの計測用受光部との組合せ）  
図３は他の実施形態のガス濃度フラックス計測装置の全体構成を示す図である。なお、本実施形態のガス濃度フラックス計測装置１０Ｂが上述の装置１０，１０Ａと重複する部分の説明は省略する。
【００６３】
ガス濃度フラックス計測装置１０Ｂは、光源部２Ｂ内に偏光面回転装置２７およびレーザ分配用の光学系２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂを備えている。光源２１と偏光面回転装置２７との間には２つのハーフミラー２２ａ，２２ｂが挿入されている。第１のハーフミラー２２ａは、単一の光源２１から発振されたレーザ光の一部を反射してミラー２４ａを経由して参照セル２５に分配する。第２のハーフミラー２２ｂは、第１のハーフミラー２２ａを透過した光の一部を反射し、その反射光をミラー２４ｂを経由して第１の光学窓２３ａから計測領域に出射させるとともに、第１のハーフミラー２２ａを透過した光の一部を透過させ、その透過光を偏光面回転装置２７に分配する。偏光面回転装置２７は、縦偏光を９０°回転させて横偏光に交互に変換するファラデー回転子を内蔵している。偏光面回転装置２７で偏光面変調されたレーザ光は第２の光学窓２３ｂから計測領域１００に出射されるようになっている。なお、２本のレーザビーム光軸が実質的に平行になるように光学系２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂおよび偏光面回転装置２７は互いに位置合わせされている。
【００６４】
受光部３Ａは第１の計測用受光部３１の他に第２の計測用受光部３２を備えている。第１の計測用受光部３１は、発振レーザを受光し、その信号Ｓ４１を第１の直流成分検出器４１に出力する。第２の計測用受光部３２は、偏光面変調レーザを受光し、その信号Ｓ４２を第３の直流成分検出器４２に出力する。
【００６５】
第３の直流成分検出器４２は、受光信号Ｓ４２の中から変調信号としての交流成分を取り除き、大気乱流成分信号Ｓ５２を解析部１４に出力する。これと並行して第１の直流成分検出器４１は、受光信号Ｓ４２の中から変調信号としての交流成分を取り除き、計測部受光強度信号Ｓ５１を解析部１４に出力する。
【００６６】
波長変調復調器５は、波長変調制御装置６からの参照信号Ｓ１０に基づいて、第１の受光装置から出力された信号Ｓ４１の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号Ｓ６１を出力する。
【００６７】
解析部１４は、温度測定器Ｔ１、圧力測定器Ｐ１、第１の直流成分検出器４１、第１の波長変調復調器５、第２の直流成分検出器１２、第２の波長変調復調器７および第３の直流成分検出器４２からそれぞれ出力された信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ５１，Ｓ５２，Ｓ６１，Ｓ８，Ｓ９に基づいて、ＭＯＳ則に従って計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度をそれぞれ算出するとともに、計測領域中の運動量フラックスを算出し、これらの算出結果を連続記録するとともにディスプレイ上に出力表示する。
【００６８】
（ガス濃度フラックス計測３）  
（単一光源と単一の計測用受光部との組合せ）  
図４はさらに他のガス濃度フラックス計測装置の全体構成を示す図である。なお、本実施形態のガス濃度フラックス計測装置１０Ｃが上述の装置１０，１０Ａ，１０Ｂと重複する部分の説明は省略する。
【００６９】
ガス濃度フラックス計測装置１０Ｃは、光源部２Ｃ内に外部制御偏光面回転装置２７Ａを備えている。ハーフミラー２２ａは、単一の光源２１から発振されたレーザ光の一部を反射し、その反射光をミラー２４を経由して参照セル２５に分配するとともに、発振レーザ光の一部を透過させて外部制御偏光面回転装置２７Ａに分配する。外部制御偏光面回転装置２７Ａは、外部に設けられた偏光面変調制御装置１５から変調制御信号Ｓ１４が入力されると、ファラデー回転子により所定のタイミングで縦偏光（０°）と横偏光（９０°）との間で切り替える。レーザ光は、外部制御偏光面回転装置２７Ａで偏光面変調された後に光学窓２３から計測領域１００に向けて出射され、受光部３に受光される。すなわち、本実施形態の装置では、単一光源２１から発振された１本のレーザ光を縦偏光と横偏光とに交互に切り替えるタイミング制御によりフラックス計測と濃度計測とを同時に行うようにしている。
【００７０】
受光部３は、受光信号Ｓ４を第１の偏光面変調復調器１７ａ、第２の偏光面変調復調器１７ｂおよび波長変調復調器５（濃度計測用）のそれぞれに出力する。
【００７１】
偏光面変調制御装置１５は、外部制御偏光面回転装置２７Ａに変調制御信号Ｓ１４を出力するとともに、信号位相変換器１６、第１の偏光面変調復調器１７ａおよび第３の偏光面変調復調器１８のそれぞれに偏光面変調参照信号Ｓ１５を出力する。
【００７２】
信号位相変換器１６は、偏光面変調制御装置１５から偏光面変調参照信号Ｓ１５が入ると、信号の位相を変換し、その位相変換信号Ｓ１６を第２の偏光面変調復調器１７ｂに出力する。
【００７３】
波長変調復調器５は、波長変調制御装置６からの参照信号Ｓ１０に基づいて、受光信号Ｓ４の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、計測領域の計測対象ガス濃度に比例した信号Ｓ６を第３の偏光面変調復調器１８に出力する。
【００７４】
第１の偏光面変調復調器１７ａは、偏光面変調制御装置１５から偏光面変調参照信号Ｓ１５が入ると、受光信号Ｓ４の中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきた縦偏光レーザの受光強度に比例した信号を計測部レーザ吸収量信号Ｓ１８として解析装置１４に出力する。
【００７５】
第２の偏光面変調復調器１７ｂは、信号位相変換器１６から位相変換信号Ｓ１６が入ると、受光信号Ｓ４の中から偏光面変調に同期した信号を検出し、計測領域を透過してきた横偏光レーザの受光強度に比例した信号を計測部レーザ吸収量信号Ｓ１７として解析装置１４に出力する。
【００７６】
第３の偏光面変調復調器１８は、偏光面変調制御装置１５から偏光面変調参照信号Ｓ１５が入ると、計測領域を透過してきたレーザの受光信号Ｓ４の強度に比例した信号とし、これを濃度計測信号Ｓ６２として解析装置１４に出力する。
【００７７】
ここで、波長変調制御装置６から出力された波長変調参照信号Ｓ１０と偏光面変調制御装置１５から出力された偏光面変調参照信号Ｓ１５とが波長変調復調器５または第３の偏光面変調復調器１８において干渉しないように、これらの変調周波数を異ならせておく必要がある。例えば図４に示すように第３の偏光面変調復調器１８を波長変調復調器５の後段に設けた場合は、偏光面変調参照信号Ｓ１５の周波数λ２（例えば１００Ｈｚ）を波長変調参照信号Ｓ１０の周波数λ１（例えば１０ｋＨｚ）より十分小さく設定することが望ましい。一方、これとは復調器５，１８の配置を逆にする場合、すなわち第３の偏光面変調復調器１８を第１の波長変調復調器の前段に設けた場合は、偏光面変調参照信号Ｓ１５の周波数λ２（例えば１ＭＨｚ）を波長変調参照信号Ｓ１０の周波数λ１（１０ｋＨｚ）より十分大きく設定することが望ましい。
【００７８】
解析部１４は、温度測定器Ｔ１、圧力測定器Ｐ１、第１の偏光面復調器１７ａ、第２の偏光面復調器１７ｂ、第３の偏光面復調器１８、第１の波長変調復調器５、第２の波長変調復調器７からそれぞれ出力された信号Ｓ２，Ｓ３，Ｓ１７，Ｓ１８，Ｓ６２，Ｓ８，Ｓ９に基づいて、ＭＯＳ則に従って計測領域中のガス濃度および固体粒子濃度をそれぞれ算出するとともに、計測領域中の運動量フラックスを算出し、これらの算出結果を連続記録するとともにディスプレイ上に出力表示する。
【００７９】
［実施例］
実施例１としてＴＤＬＡＳガス濃度計測装置と超音波流速計とを組み合わせたガス濃度フラックス計測装置を用いて森林観測タワー上においてＣＯ2フラックスと濃度を計測した例について説明する。
【００８０】
（実施例１）  
本実施例１では、本発明によるガス濃度フラックス計測を実証するために、図５（ｂ）に示すように、波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置と超音波流速計を１つの容器２ｂ内に組み込んだ計測部２Ｄを森林観測タワー９１上に設置し、両者の計測結果を渦相関法で解析し、森林観測タワー９１上でのＣＯ2濃度フラックスを計測した。なお、計測領域１００のガスは、サンプリング管９５を通って森林観測タワー９１上の計測部２Ｄ内に導入するようにした。また、サンプリング管９５のガス採取端側にＣＯ2計９３および前処理器９４をそれぞれ設け、比較確認用としてＣＯ2濃度を実際に測定するとともに採取ガスを所定の方法で前処理した。さらに、制御／解析部１９Ｄはタワー近傍の観測室９０内に設けた。
【００８１】
図５（ａ）に示すように、ガス濃度フラックス計測装置１０Ｄは計測部２Ｄおよび制御／解析部１９Ｄからなり、通信ケーブルまたは無線電信機を用いて計測部２Ｄと制御／解析部１９Ｄとの間で信号の送受信がなされるようになっている。計測部２Ｄ内に組み込まれた波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置２０の構成は、図１に示した波長変調ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置とほぼ同じであるが、本実施例ではガス濃度計測精度の向上を目的として、制御／解析部１９Ｄにおいて二重の波長変調機構（波長変調波形発生器６１，６２）と濃度０点を監視するための濃度ゼロ計測部（直流検出器６５ｃ、ゼロ参照部２９ｃ）を追加している。
【００８２】
具体的には、タワー９１上に設置した計測部２Ｄは、レーザを発振するＴＤＬＡＳ光学系ユニット２０、計測領域１００を透過してきたレーザを受光する受光装置（ＰＤ−Ｇ）２９ａおよび超音波風速計５１を備えている。
【００８３】
計測部２Ｄは全体が保護容器２ｂにより覆われている。ＴＤＬＡＳ光学系ユニット２０は、耐環境性の向上を図るために耐候性に優れた光学系容器２ａにより全体が囲まれている。光学系容器２ａにはレーザ光を出射するための光学窓２３が取り付けられている。フォトダイオードからなる受光装置（ＰＤ−Ｇ）２９ａが光学窓２３と向き合って配置されている。サンプリング管９１の開口端は計測部２Ｄの内部に導入され、受光装置（ＰＤ−Ｇ）２９ａと光学窓２３との間に位置し、両者間に採取ガス（森林中の大気）が供給されるようになっている。本実施例では光学窓２３から受光装置（ＰＤ−Ｇ）２９ａまでの距離Ｌ１を約２ｍに設定した。
【００８４】
次に、森林観測タワー横の観測室に設置した制御／解析部１９Ｄは、上記ＬＤ２８のレーザ発振を制御するＬＤ制御装置１１と、そのレーザ光に変調を掛けるための第１の波形発生器（Ｎｏ．１−ＦＧ）６１、第２の波形発生器（Ｎｏ．１−ＦＧ，Ｎｏ．２−ＦＧ）６２、各受光装置（ＰＤ−Ｇ，ＰＤ−Ｒ，ＰＤ−Ｚ）２９ａ，２９ｂ，２９ｃからの受光信号の中から直流成分を検出し、その受光強度信号Ｓ２３，Ｓ２２，Ｓ２１を出力する直流検出器（ＬＰＦ）、それぞれの受光信号から、第１の波長変調波形発生器６１からの参照信号に基づいて、その変調周波数の倍波周波数成分に同期した信号のみを検出し出力する第１の位相敏感検波器（Ｎｏ．１−ＰＳＤ−）６３と、Ｎｏ．１−ＰＳＤの出力信号から、Ｎｏ．２−ＦＧの参照信号に基づいて、変調周波数の倍波周波数成分に同期した信号のみを検出，出力する位相敏感検出器（Ｎｏ．１−ＰＳＤ）６３，それぞれの信号を取り込むためのＡ／Ｄ変換部１３、Ａ／Ｄ変換信号を解析し、大気中のＣＯ2濃度，ＣＯ2濃度フラックスを解析し記録するパソコン（ＰＣ）１４、Ｎｏ．１−ＦＧ６１とＮｏ．２−ＦＧ６２の変調信号や、Ｎｏ．２−ＰＳＤ−ＦＢ６４ｄからの波長固定化信号を加算してＬＤ制御装置１１の外部制御信号として出力する加算器９とを備えている。
【００８５】
さらに、本実施例では、レーザ波長をＣＯ2吸収波長の周りで掃引するための波長掃引波形発生器（ＦＧ）６６と、その信号をレーザ波長固定化信号と切り替えるための切換スイッチ（切換ＳＷ）６７とを付加している。
【００８６】
計測部２Ｄには超音波流速計５１、半導体式圧力センサ５３および温度センサ５２が収納されている。これらの超音波流速計５１およびセンサ５２，５３は、サンプリング管９１のガス吹出し口の近傍に取り付けられ、流速計測信号Ｓ１９、温度計測信号Ｓ２および圧力計測信号Ｓ３をＡ／Ｄ変換器１３を経由してパソコン１４にそれぞれ出力する。
【００８７】
単一の半導体レーザ（ＬＤ）２８はレーザ発振波長をＣＯ2の吸収波長の一つに調整できるようになっている。光学系は、第１のハーフミラー２２ａ、第２のハーフミラー２２ｂおよび反射ミラー２４を含んでいる。第１のハーフミラー２２ａは、光源２８から発振されたレーザ光の一部を透過させて分配し、光学窓２３から計測用受光装置（ＰＤ−Ｇ）２９ａに向けて出射させるとともに、発振レーザ光の一部を反射させて第２のハーフミラー２２ｂに分配する。第２のハーフミラー２２ｂは、分配光の一部を反射させて参照セル２５にさらに分配するとともに、分配光の一部を透過させて反射ミラー２４を経由してゼロ参照部（ＰＤ−Ｚ）２９ｃに分配する。参照セル２５内には濃度較正とレーザ波長のＣＯ2吸収波長への固定化のために規定濃度のＣＯ2ガス（ＣＯ2＝１％，Ｎ２＝９９％）を封入してある。参照セル２５を透過した光は参照用受光装置（ＰＤ−Ｒ）２９ｂに入り、制御／解析部１９Ｄの直流検出器（ＬＰＦ）６５ｂに受光信号が出力される。直流検出器（ＬＰＦ）６５ｂは、受光信号の中から変調信号としての交流成分を取り除いた信号Ｓ２２をパソコン１４に出力する。一方、ゼロ参照部（ＰＤ−Ｚ）２９ｃから制御／解析部１９Ｄの直流検出器（ＬＰＦ）６５ｃに受光信号が入ると、直流検出器（ＬＰＦ）６５ｃは受光信号の中から変調信号としての交流成分を取り除いた信号Ｓ２１をパソコン１４に出力する。
【００８８】
計測用受光装置（ＰＤ−Ｇ）２９ａは、制御／解析部１９Ｄの直流検出器（ＬＰＦ）６５ｃおよび第１の位相敏感検波器（Ｎｏ．１−ＰＳＤ−Ｇ）６３ａのそれぞれに受光信号を出力する。直流検出器（ＬＰＦ）６５ｃに受光信号が入ると、直流検出器（ＬＰＦ）６５ｃは受光信号の中から変調信号としての交流成分を取り除いた信号Ｓ２３をパソコン１４に出力する。第１の位相敏感検波器（Ｎｏ．１−ＰＳＤ−Ｇ）６３ａは、第１の波長変調波形発生器（Ｎｏ．１−ＦＧ）６１からの波長変調参照信号に基づいて、受光装置２９ａから出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の偶数次高調波成分を検出し、参照セル内の封入ガス濃度に比例した信号を第２の位相敏感検波器（Ｎｏ．２−ＰＳＤ−Ｇ）６４ａに出力する。さらに第２の位相敏感検波器（Ｎｏ．２−ＰＳＤ−Ｇ）６４ａは、第２の波長変調波形発生器（Ｎｏ．２−ＦＧ）６２からの波長変調参照信号に基づいて、受光装置２９ａから出力された信号の中からレーザに加えた波長変調信号の奇数次高調波成分を検出し、参照セル内の封入ガス濃度に比例した信号Ｓ２４をパソコン１４に出力する。
【００８９】
波長掃引波形発生器６６は、測定対象ガスに固有の吸収スペクトルのところでレーザ発振波長をゆっくりと掃引させるために、例えば周波数０．５Ｈｚ又は０．０１Ｈｚのランプ波を半導体レーザ素子の注入電流に印可するようになっている。なお、長時間にわたりガス濃度の変化を測定する場合は、波長掃引波形発生器６６によるレーザ発振波長の掃引を止め、レーザ発振波長を所定波長にロックする。波長掃引波形発生器６６からは波長掃引信号Ｓ２８がパソコン１４に出力される。
【００９０】
２つの波長変調波形発生器６１，６２は、レーザ発振波長を変調するために、それぞれ異なる周波数のサイン波を半導体レーザ素子２８の注入電流に重ねて印可するようになっている。例えば、一方の波長変調波形発生器６１からは第１の変調周波数ｆとして例えば１０ｋＨｚのサイン波（ｆ＝１０ｋＨｚ）信号が加算器９を経由してＬＤ制御装置１１に印可され、他方の波長変調波形発生器６２からは第２の変調周波数ｗとして例えば５００Ｈｚのサイン波（ｗ＝５００Ｈｚ＝０．５ｋＨｚ）信号が加算器９を経由してＬＤ制御装置１１に印可されるようになっている。
【００９１】
加算器９は、波長掃引波形発生器６６からの掃引信号Ｓ２９、２つの波長変調波形発生器６１，６２からの異なる周波数ｆ，ｗの変調信号Ｓ２５，Ｓ２６、二段の位相敏感検波器６３ａ〜６３ｄ，６４ａ〜６４ｄからの周波数２ｆ＋ｗの３次微分復調信号Ｓ２７を重畳して半導体レーザ素子の注入電流に印可するようになっている。
【００９２】
波長掃引波形発生器６６から掃引波長をもつランプ波を注入電流に印可するとともに、各波長変調波形発生器６１，６２から異なる周波数ｆ，ｗのサイン波を注入電流に重ねて印可すると、これによりレーザ発振波長は２つの異なる周波数ｆ，ｗで二重に変調される。その結果、このレーザ光を受光した信号には変調周波数ｆ，ｗとその高調波が含まれるようになるので、位相敏感検波器６３ａ〜６３ｄにより信号が２倍の周波数２０ｋＨｚ（２ｆ）で復調され、次いで位相敏感検波器６４ａ〜６４ｄにより２倍の周波数１ｋＨｚ（２ｗ）で復調され、これらが重畳された４次微分信号（２ｆ＋２ｗ）がパソコン１４に送られる。
【００９３】
また、位相敏感検波器６３ａ〜６３ｄにより２倍の周波数２０ｋＨｚ（２ｆ）で復調された信号は、位相敏感検波器６４ａ〜６４ｄにおいて周波数ｗで復調される。これらが重畳された３次微分信号（２ｆ＋ｗ）が切替スイッチ６７を通って加算器９に送られ、この信号に基づきレーザ発振波長が測定対象ガスの吸収中心波長にフィードバック制御される。
【００９４】
タワー９１上の風速は、超音波流速計５１で計測しており、その風速信号（Ｓ）は観測室９０の制御／解析部１９Ｄに出力されている。計測領域１００は、図中に示すように、計測長２ｍ（＝Ｌ１）のタワー上の大気である。また、計測領域１００の圧力は半導体式圧力センサ５３で計測しており、その計測信号Ｓ３は計測室に出力され、計測領域の温度は熱電対で計測しており、その温度信号Ｓ２は計測へ出力されている。なお、温度や圧力に関しては、センサを用いないで、対象ガスの吸収スペクトルの特性を利用してレーザで計測する場合もある。
【００９５】
吸収スペクトルの測定のためには、波長掃引波形発生器（ＦＧ）６６により例えば０．５Ｈｚまたは０．０１Ｈｚのランプ波を注入電流に印可し、レーザ波長をゆっくりと掃引する。長時間の濃度変化を測定するためにはレーザ波長をロックする。
【００９６】
さらに、本実施例では、従来計測との比較のために、本発明の計測領域とほぼ同じ位置から大気をサンプリングし、前処理器９４で前処理を行った上で、従来ＣＯ2計９３で計測し、超音波流速計５１の計測結果と併せて渦相関解析し、ＣＯ2濃度フラックスを同時計測した。
【００９７】
図６は横軸に計測時刻をとり、縦軸に計測したＣＯ2濃度フラックス（ｍｇ／ｍ2・Ｓ）をとって、実施例１の計測結果を示す特性線図である。図中にて実線Ａ１は本発明装置により計測した実施例１の結果を示し、破線Ｂ１は従来のサンプリング法利用装置により計測した比較例の結果を示した。
【００９８】
両者の結果は、ほぼ一致しており、本発明によるＣＯ2濃度フラックス計測が可能であることが実証された。さらに、夜明け直後や、日没直後などで、植物の光合成／呼吸の切り替わりが起きて、運動量フラックスがマイナスからプラスに大きく変化する状況では、本実施例の計測結果（特性線Ａ１）は、その様子を明確に捕らえているが、従来技術の計測結果（特性線Ｂ１）ではその様子がやや均された結果となっている。この原因は、希釈効果等による従来ＣＯ2計９３の応答性遅れが原因と考えられる。このように従来装置では計測領域内での速い変動を十分にとらえることができず、実際よりもフラックス量を過小評価してしまう傾向にある。これに対して本発明装置によるＣＯ2濃度フラックス計測は、計測領域内での速い変動を的確にとらえることができており、その有効性が実証された。
【００９９】
（実施例２）  
次に、実施例２として図７を参照してＴＤＬＡＳでの広域ガス濃度計測装置とシンシレーション手法を組み合わせた森林観測タワー間の広域ＣＯ2フラックスを計測した例について説明する。なお、本実施例が上記の実施例と重複する部分の説明は省略する。
【０１００】
本実施例２では、本発明による広域のガス濃度フラックス計測を実証するために、森林観測タワー上に波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置とシンチレーション法式運動量フラックス計測装置を組み合わせて設置し、両者の計測結果をMonin-Obukhov相似則に基づいて解析し、森林観測タワー間での広域ＣＯ2濃度フラックスを計測した。
【０１０１】
図７に本実施例２の装置系統を示す。波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置２Ｅ，１９Ｅの構成は、図５に示した実施例１の装置系統２Ｄ，１９Ｄと実質的に同じであり、また、観測室９０に設置した制御／解析部１９Ｅは、図５に示した実施例１の制御／解析部１９Ｄと実質的に同じである。しかし、本実施例２の装置は、広域ガス濃度計測のために、計測長が森林観測タワー９１，９２間の距離と等しい８１ｍと大幅に長距離化している。
【０１０２】
具体的には、第１の観測タワー９１上に設置した光源部２Ｅは、上記実施例１と実質的に同じ構成のＴＤＬＡＳ光学系ユニット２０と、図１５Ｄに示したシンチレーション計測ユニット７０とを備えている。この光源部２Ｅは、参照部受光信号Ｓ２２、ゼロ部受光信号Ｓ２１、シンチレーション計測ユニット７０の強度変調参照信号Ｓ２４が観測室９０の制御／解析部１９Ｅに向けて出力すると同時に、ＴＤＬＡＳ光学系ユニット２０へのＬＤ制御信号Ｓ１が観測室９０の制御／解析部１９Ｅから送信されている。シンチレーション計測ユニット７０のなかには２つのレーザ発振器７１，７２が収納され、発振されるレーザは光学窓７３ａ，７３ｂをそれぞれ通って計測領域１００に出射され、第２のタワー９２上の受光部３Ｅでそれぞれ受光されるようになっている。
【０１０３】
また、本実施例では、第１の森林監視タワー９１上に半導体式圧力センサ５３と熱電対５２を設置し、その計測値を計測領域の圧力と温度として代表させているが、対象ガスの吸収スペクトルの特性を利用して計測領域の平均圧力，平均温度をレーザで計測する場合もある。
【０１０４】
次に、第２の森林観測タワー９２上に設置した受光部３Ｅは、第１タワー９１上の光源部２ＥのＴＤＬＡＳ光学系ユニット２０から出射され、大気中を透過してきたレーザを受光する受光装置（ＰＤ−Ｇ）３５と、シンチレーション計測ユニット７０から照射されたレーザを受光する受光装置（ＰＤ−Ｓ１，ＰＤ−Ｓ２）３３，３４とから構成されており、夫々の受光信号Ｓ２３，Ｓ１９１，Ｓ１９２（Ｇ，Ｓ１，Ｓ２）は、解析のため観測室９０の制御／解析部１９Ｅへ出力される。
【０１０５】
なお、本実施例では、タワー９１，９２上の光源部２Ｅおよび受光部３Ｅから観測室９０までの信号伝送を通常の電気配線ケーブルで行ったが、本発明はこれのみに限定されるものではなく、さらに計測長が長くなった場合に対応するために通信施設の設置が容易な光ファイバー方式や無線方式の伝送方法を採用することも可能である。
【０１０６】
図８は横軸に計測時刻をとり、縦軸に計測したＣＯ2濃度フラックス（ｍｇ／ｍ2・Ｓ）をとって、実施例２の計測結果を示す特性線図である。図中にて実線Ａ２は本発明装置により計測した実施例２の結果を示し、破線Ｂ２は従来のＣＯ2計による濃度計測と第１観測タワー９１上での超音波流速計によるフラックス計測を組み合せた比較例１の結果を示し、二点鎖線Ｃ２は従来のＣＯ2計による濃度計測と第２観測タワー９２上での超音波流速計によるフラックス計測を組み合せた比較例２の結果を示した。図から明らかなように本実施例２の計測結果（特性線Ａ２）は、比較例の結果（特性線Ｂ２，Ｃ２）よりも滑らかな変化曲線となっている。これは本発明装置では光源部から受光部までの間に障害物がまったく無い（外乱がない）ことに起因している。一方、従来装置を用いた比較例の計測結果は変化曲線にギザギザが多く発生している。これは従来技術では計測領域内に多数の計測装置が設置されるので、ある計測装置からみれば他の計測装置が障害物となり、計測装置それ自体が外乱の発生原因となるからである。
【０１０７】
本発明による広域ＣＯ2濃度フラックスの計測結果（特性線Ａ２）を、従来技術を用いた比較例の計測結果（特性線Ｂ２，Ｃ２）で直接検証することはできないが、本発明の計測結果は、各タワー上で従来技術を用いて計測した結果とほぼ一致しており、本発明が広域ＣＯ2濃度フラックスのリアルタイム計測に好適であることを実証できた。
【０１０８】
（実施例３）  
実施例３として図９を参照して半導体レーザ方式ガス濃度フラックス計測装置を用いて森林観測タワー間の広域ＣＯ2フラックスを計測した例について説明する。なお、本実施例が上記の実施例と重複する部分の説明は省略する。
【０１０９】
本実施例３では、本発明による広域のガス濃度フラックス計測を実証するため、森林観測タワー上にシンチレーション法機能を追加した波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置の単体装置である半導体レーザ式ガス濃度フラックス計測装置を設置し、その計測結果をMonin-Obukhov相似則に基づいて解析し、森林観測タワー間での広域ＣＯ2濃度フラックスを計測した。なお、本実施例３でも実施例２と同様に計測長はタワー間距離と等しい８１ｍとした。
【０１１０】
図９に実施例３の装置系統を示す。波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置２Ｆ，３Ｆの構成は、図２に示した代表的装置構成とほぼ同様であり、実施例１，２と同様に、計測感度や計測安定性の向上のため、二重波長変調機構およびゼロ点計測機構を追加している。また、観測室９０に設置した制御／解析部１９Ｆは、図７に示した実施例２の制御／解析部１９Ｄとほぼ同様である。
【０１１１】
具体的な装置配置は、第１の森林観測タワー９１上に設置した光源部２Ｆは、実施例１，２のＴＤＬＡＳ光学系ユニット２０の基本構成に、ガス濃度計測用光源１１ａとは別個のレーザ発振装置１１ｂを組み込んでいる。光源部２Ｆからは、参照部受光信号Ｓ２３、ゼロ部受光信号Ｓ２１が観測室９０の制御／解析部１９Ｆに向けて出力されており、同時に、それぞれの光源部ＬＤの制御信号が観測室９０の制御／解析部１９Ｆから送信されている。また、本実施例では、第１の森林監視タワー９１上に半導体式圧力センサ５３および熱電対５２を設置し、その計測値を計測領域１００の圧力と温度として代表させているが、対象ガスの吸収スペクトルの特性を利用して計測領域１００の平均圧力と平均温度をレーザで計測する場合もある。
【０１１２】
次に、第２観測タワー９２上に設置した受光部３Ｆは、光学ユニット２０から出射されてタワー９１〜９２間の大気中を透過してきた、それぞれのレーザの受光装置（ＰＤ−Ｇ，ＰＤ−Ｓ）２９ａ，２９ｄで構成され、それぞれの受光信号Ｓ２０，Ｓ２３は、解析のために観測室６０の制御／解析部１９Ｆへ出力される。なお、本実施例では、この信号伝送を通常の電気配線ケーブルで行ったが、さらに計測長が長くなった場合は、施設設置の容易な光ファイバー伝送や無線伝送も可能である。
【０１１３】
図１０は横軸に計測時刻をとり、縦軸に計測したＣＯ2濃度フラックス（ｍｇ／ｍ2・Ｓ）をとって、実施例３の計測結果を示す特性線図である。図中にて実線Ａ３は本発明装置により計測した実施例３の結果を示し、破線Ｂ３は従来のＣＯ2計による濃度計測と第１観測タワー９１上での超音波流速計によるフラックス計測を組み合せた比較例１の結果を示し、二点鎖線Ｃ３は従来のＣＯ2計による濃度計測と第２観測タワー９２上での超音波流速計によるフラックス計測を組み合せた比較例２の結果を示した。図から明らかなように本実施例３の計測結果（特性線Ａ３）は、比較例の結果（特性線Ｂ３，Ｃ３）よりも滑らかな変化曲線となっている。これは本発明装置では光源部から受光部までの間に障害物がまったく無い（外乱がない）ことに起因している。一方、従来装置を用いた比較例の計測結果は変化曲線にギザギザが多く発生している。これは従来技術では計測領域内に多数の計測装置が設置されるので、ある計測装置からみれば他の計測装置が障害物となり、計測装置それ自体が外乱の発生原因となるからである。
【０１１４】
本発明による広域ＣＯ2濃度フラックスの計測結果（特性線Ａ３）を、従来技術を用いた比較例の計測結果（特性線Ｂ３，Ｃ３）で直接検証することはできないが、本発明の計測結果は、各タワー上で従来技術を用いて計測した結果とほぼ一致しており、本発明が広域ＣＯ2濃度フラックスのリアルタイム計測に好適であることを実証できた。
【０１１５】
（実施例４）  
実施例４として図１１を参照して半導体レーザ方式ガス濃度フラックス計測装置を用いて森林観測タワー間の広域ＣＯ2フラックス計測について説明する。なお、本実施例が上記の実施例と重複する部分の説明は省略する。
【０１１６】
本実施例４では、本発明による広域のガス濃度フラックス計測を実証するため、森林観測タワー９１，９２上にシンチレーション法機能を追加した波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置の単体装置である半導体レーザ式ガス濃度フラックス計測装置２Ｇ，３Ｇを設置し、その計測結果をMonin-Obukhov相似則に基づいて解析し、森林観測タワー９１，９２間での広域ＣＯ2濃度フラックスを計測した。なお、本実施例でも上記の実施例２と同様に計測長はタワー間距離と等しい８１ｍとした。
【０１１７】
図１０に実施例４の装置系統を示す。波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置の構成は図３に示した代表的装置構成とほぼ同様であるが、実施例１，２と同様に、計測感度や計測安定性の向上のため、二重波長変調機構とゼロ点計測機構を追加した。
【０１１８】
具体的な装置配置は、第１の森林観測タワー９１上に設置した光源部２Ｇは、実施例１，２のＴＤＬＡＳ光学系ユニットの基本構造に、計測用レーザを２つに分配し、その一方のレーザ偏光面を９０°回転させたうえで、計測領域に向けて発振させる偏光面回転器２７Ｇを追加した構成であり、参照部受光信号Ｓ２２、ゼロ部受光信号Ｓ２１が観測室９０の制御／解析部１９Ｇに向けて出力されており、同時に、ＴＤＬＡＳ光学系ユニット２０へのＬＤ制御信号が観測室９０の制御／解析部１９Ｇから送信されている。偏光面回転器２７Ｇは、ファラデー回転子を内蔵しており、光源２８から発振されたレーザ光の偏光面を９０°回転させて、縦偏光から横偏光にレーザ偏光面を変換するものである。
【０１１９】
また、本実施例では、第１の森林監視タワー９１上に半導体式圧力センサ５３と熱電対５２を設置し、その計測値を計測領域１００の圧力と温度として代表させているが、対象ガスの吸収スペクトルの特性を利用して計測領域の平均圧力と平均温度をレーザで計測する場合もある。
【０１２０】
次に、第２の森林観測タワー９２上に設置した受光部３Ｇは、光学ユニット２０から出射され、タワー９１，９２間の大気中を透過してきた２本のレーザを受光する２つの受光装置（ＰＤ−Ｇ，ＰＤ−Ｓ）２９ａ，２９ｄで構成されており、その受光信号（Ｇ，Ｓ）は、解析の為、観測室の制御／解析部へ出力される。なお、本実施例では、この信号伝送を通常の電気配線ケーブルで行ったが、さらに計測長が長くなった場合は、通信施設の設置が容易な光ファイバー方式や無線方式の伝送も可能である。後に、観測室９０に設置した制御／解析部１９Ｇは、図７に示した実施例２のものとほぼ同様である。
【０１２１】
図１２は横軸に計測時刻をとり、縦軸に計測したＣＯ2濃度フラックス（ｍｇ／ｍ2・Ｓ）をとって、実施例４の計測結果を示す特性線図である。図中にて実線Ａ４は本発明装置により計測した実施例４の結果を示し、破線Ｂ４は従来のＣＯ2計による濃度計測と第１観測タワー９１上での超音波流速計によるフラックス計測を組み合せた比較例１の結果を示し、二点鎖線Ｃ４は従来のＣＯ2計による濃度計測と第２観測タワー９２上での超音波流速計によるフラックス計測を組み合せた比較例２の結果を示した。
【０１２２】
本発明による広域ＣＯ2濃度フラックスの計測結果を、従来技術の計測結果で直接検証することはできないが、本発明での計測結果は、各タワー上で従来技術にて計測した結果とほぼ一致しており、本発明にて広域ＣＯ2濃度フラックスのリアルタイム計測が可能であることを実証できたといえる。
【０１２３】
（実施例５）  
実施例５として図１３を参照して半導体レーザ方式ガス濃度フラックス計測装置を用いて森林観測タワー間の広域ＣＯ2フラックス計測する場合について説明する。なお、本実施例が上記の実施例と重複する部分の説明は省略する。
【０１２４】
本実施例５では、本発明による広域のガス濃度フラックス計測を実証するため、森林観測タワー９１，９２上にシンチレーション法機能を追加した波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置の単体装置である半導体レーザ式ガス濃度フラックス計測装置１０Ｈを設置し、その計測結果をMonin-Obukhov相似則に基づいて解析し、森林観測タワー９１，９２間での広域ＣＯ2濃度フラックスを計測した。なお、本実施例でも上記実施例２と同様に、計測長はタワー間距離と等しい８１ｍとした。
【０１２５】
図１３に実施例５の装置系統を示す。波長可変ＴＤＬＡＳ式ガス濃度計測装置の構成は、波長変調周波数と比較して偏光面変調周波数が十分低いため、図４に示した代表的装置構成とほぼ同様であるが、実施例１，２と同様に、計測感度や計測安定性の向上のために、二重波長変調機構とゼロ点計測機構を追加している。
【０１２６】
具体的な装置配置は、第１の森林観測タワー９１上に設置した光源部２Ｈは、実施例１，２のＴＤＬＡＳ光学系ユニットの基本構造に、偏光面変調機能を付加するための偏光面変調装置５９と、その変調制御装置５８を追加した光学ユニット２０で構成され、参照部受光信号Ｓ２２、ゼロ部受光信号Ｓ２１、偏光面変調参照信号Ｓ３７が観測室９０の制御／解析部１９Ｈに向けて出力されており、同時に、光学系ユニット２０へのＬＤ制御信号が観測室９０の制御／解析部１９Ｈから送信されている。また、本実施例では、第１の森林監視タワー９１上に半導体式圧力センサ５３と熱電対５２を設置し、その計測値を計測領域の圧力と温度として代表させているが、対象ガスの吸収スペクトルの特性を利用して計測領域の平均圧力と平均温度をレーザで計測する場合もある。
【０１２７】
観測室９０に設置した制御／解析部１９Ｈは、図７に示した実施例２のものに、第２の位相敏感検波器（Ｎｏ．２−ＰＳＤ−Ｇ）６４ａから出力される信号から、偏光面変調参照信号Ｓ３７に基づいて、変調に同期した信号成分を検出するための第３の位相敏感検出器（Ｎｏ．３−ＰＳＤ−Ｇ）６４ｅと、ＰＤ−Ｇの受光信号から縦偏光レーザの受光強度信号を取り出すための第１の位相敏感検出器（Ｎｏ．１−ＰＳＤ−Ｓ）６３ａや、ＰＤ−Ｇの受光信号から横偏光レーザの受光強度信号を取り出すための位相敏感検出器（Ｎｏ．２−ＰＳＤ−Ｓ）６４ｆ、偏光面変調参照信号Ｓ３７の位相をシフトさせる信号Ｓ３６を出力する位相シフター６８が追加され、その代わりに受光強度信号用の直流成分検出装置は省かれている。
【０１２８】
第２の森林観測タワー９２上に設置した受光部２Ｈは、光学ユニット２０から出射され、タワー９１，９２間の大気中を透過してきたレーザを受光する受光装置（ＰＤ−Ｇ）２９で構成されており、その受光信号Ｓ２２は、解析のため観測室９０の制御／解析部１９Ｈへ出力される。なお、本実施例では、この信号伝送を通常の電気配線ケーブルで行ったが、さらに計測長が長くなった場合は、通信施設設置が容易な光ファイバー方式や無線方式の伝送とすることも可能である。
【０１２９】
図１４は横軸に計測時刻をとり、縦軸に計測したＣＯ2濃度フラックス（ｍｇ／ｍ2・Ｓ）をとって、実施例５の計測結果を示す特性線図である。図中にて実線Ａ５は本発明装置により計測した実施例５の結果を示し、破線Ｂ５は従来のＣＯ2計による濃度計測と第１観測タワー９１上での超音波流速計によるフラックス計測を組み合せた比較例１の結果を示し、二点鎖線Ｃ５は従来のＣＯ2計による濃度計測と第２観測タワー９２上での超音波流速計によるフラックス計測を組み合せた比較例２の結果を示した。
【０１３０】
本発明による広域ＣＯ2濃度フラックスの計測結果を、従来技術の計測結果で直接検証することはできないが、本発明での計測結果は、各タワー上で従来技術にて計測した結果とほぼ一致しており、本発明にて広域ＣＯ2濃度フラックスのリアルタイム計測が可能であることを実証できたといえる。
【産業上の利用可能性】
【０１３１】
本発明のガス濃度フラックス計測装置は、広域にわたる地球温暖化ガス（ＧＨＧ）の存在量のモニタリングに用いられ、例えば森林でのＣＯ2吸収量の評価や、地表、地中で発生するＧＨＧ発生量調査等の環境調査に用いられ、あるいはＣＯ2地下処分プラントやガス貯留設備，パイプライン等のガス漏洩の検知にも用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１３２】
【図１】本発明装置に組み込まれる基本的なガス濃度計測装置の部分を示す構成ブロック図。
【図２】本発明のガス濃度フラックス計測装置（２個のレーザ光源と２個の受光装置の組み合せ）を示す構成ブロック図。
【図３】本発明のガス濃度フラックス計測装置（１個のレーザ光源と２個の受光装置の組み合せ；偏光面変調方式）を示す構成ブロック図。
【図４】本発明のガス濃度フラックス計測装置（１個のレーザ光源と１個の受光装置の組み合せ；外部制御偏光面変調方式）を示す構成ブロック図。
【図５】（ａ）は本発明のガス濃度フラックス計測装置（実施例１；森林観測タワー上でのＣＯ2濃度フラックス計測例）を示す構成ブロック図、（ｂ）は装置の概略配置図。
【図６】実施例１の計測結果（超音波流速計との組合せによる森林ＣＯ2濃度フラックス計測結果）を示す特性線図。
【図７】（ａ）は本発明のガス濃度フラックス計測装置（実施例２；森林観測タワー間での広域ＣＯ2濃度フラックス計測例）を示す構成ブロック図、（ｂ）は装置の概略配置図。
【図８】実施例２の計測結果（シンチレーション法との組合せによる森林観測タワー間での広域ＣＯ2フラックス計測結果）を示す特性線図。
【図９】（ａ）は本発明のガス濃度フラックス計測装置（実施例３；森林観測タワー間での広域ＣＯ2濃度フラックス計測例）を示す構成ブロック図、（ｂ）は装置の概略配置図。
【図１０】実施例３の計測結果（半導体レーザ方式ガス濃度フラックス計測装置による森林観測タワー間での広域ＣＯ2フラックス計測結果）を示す特性線図。
【図１１】（ａ）は本発明のガス濃度フラックス計測装置（実施例４；森林観測タワー間での広域ＣＯ2濃度フラックス計測例）を示す構成ブロック図、（ｂ）は装置の概略配置図。
【図１２】実施例４の計測結果（半導体レーザ方式ガス濃度フラックス計測装置による森林観測タワー間での広域ＣＯ2フラックス計測結果）を示す特性線図。
【図１３】（ａ）は本発明のガス濃度フラックス計測装置（実施例５；森林観測タワー間での広域ＣＯ2濃度フラックス計測例）を示す構成ブロック図、（ｂ）は装置の概略配置図。
【図１４】実施例５の計測結果（半導体レーザ方式ガス濃度フラックス計測装置による森林観測タワー間での広域ＣＯ2フラックス計測結果）を示す特性線図。
【図１５Ａ】従来のサンプリング装置の概要図。
【図１５Ｂ】森林でのＣＯ2吸収量計測に用いられている従来装置の概要図。
【図１５Ｃ】シンチレーション法により森林中運動量フラックスを計測する従来装置の概要図。
【図１５Ｄ】シンチレーション法により運動量フラックスを計測する従来装置の概要図。
【図１６Ａ】シンチレーション法による運動量フラックスの導出手順を示すフローチャート。
【図１６Ｂ】シンチレーション法による運動量フラックスの導出手順（図１６Ａの続き）を示すフローチャート。
【図１７Ａ】本発明によるガス濃度フラックスの導出手順を示すフローチャート。
【図１７Ｂ】本発明によるガス濃度フラックスの導出手順（図１７Ａの続き）を示すフローチャート。
【符号の説明】
【０１３３】
１０…ガス濃度計測装置
１０Ａ〜１０Ｈ…ガス濃度フラックス計測装置
１１，１１ａ，１１ｂ…ＬＤ制御装置（レーザ出力制御装置）
１２…第２の直流成分検出器（参照用）
１３…Ａ／Ｄ変換器
１４…データ解析／記録／表示部（解析装置；パソコン）
１５…偏光面変調制御装置
１６…信号位相変換器
１７ａ，１７ｂ，１８…偏光面変調復調器
１９Ｄ〜１９Ｈ…制御／解析部
２，２Ａ〜２Ｈ…光源部（計測部）
２ａ…光学系容器、２ｂ…保護容器
２０…光学系ユニット
２１…レーザ光源
２２，２２ａ〜２２ｃ…ハーフミラー
２３，２３ａ，２３ｂ…光学窓
２４…ミラー
２５…参照セル
２６，２９ｂ…参照用受光部（第２の受光装置）
２７，２７Ａ，２７Ｇ…偏光面変調装置（偏光面回転装置）
２８，２８ａ，２８ｂ…レーザダイオード（ＬＤ）
２９ａ…フォトダイオード（第１の受光装置）
２９ｂ…フォトダイオード（第２の受光装置）
２９ｃ，２９ｄ…フォトダイオード（第３の受光装置）
３，３Ａ〜３Ｈ，３１，３３，３４…第１の計測用受光部（第１の受光装置）
３２，３３，３４…第２の計測用受光部（第３の受光装置）
３ａ…光学系容器
４，４１，４２…第１の直流成分検出器（計測用）
５…第１の波長変調復調器（濃度計測用）
６…波長変調制御装置
７…第２の波長変調復調器（濃度校正用）
８…第３の波長変調復調器（レーザ波長固定化信号用）
９…加算器
５１…超音波流速計
５２…温度センサ
５３…圧力センサ
５８…偏光面変調制御器
５９…偏光面変調器（偏光面回転器）
６１，６２…波長変調波形発生器
６３ａ〜６３ｄ，６４ａ〜６４ｄ…位相敏感検波器
６５ａ〜６５ｄ…ローパスフィルタ
６６…波長掃引波形発生器
６７…切替スイッチ
７０…シンチレーション計測ユニット
７１，７２…レーザ発振器
７３ａ，７３ｂ…光学窓
９０…観測室
９１，９２…タワー
９３…オープンパス型ＣＯ2計
９５…サンプリング管
９６…クローズパス型ＣＯ2計
１００…計測領域
Ｔ１…温度計測器
Ｐ１…圧力計測器
Ｓ１〜Ｓ１９２…信号
【図１】
2005106546.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2005106546.tif 000007
【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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【図１２】
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【図１３】
2005106546.tif 000015
【図１４】
2005106546.tif 000016
【図１５Ａ】
2005106546.tif 000017
【図１５Ｂ】
2005106546.tif 000018
【図１５Ｃ】
2005106546.tif 000019
【図１５Ｄ】
2005106546.tif 000020
【図１６Ａ】
2005106546.tif 000021
【図１６Ｂ】
2005106546.tif 000022
【図１７Ａ】
2005106546.tif 000023
【図１７Ｂ】
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