(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
測定領域からの赤外線を受け付け、当該赤外線についての赤外スペクトルデータを出力する赤外線検出手段と、
前記測定領域からの赤外線に生じている、前記測定領域内の測定対象ガスによって変動した赤外線の強度の変動量を、前記赤外スペクトルデータを用いて検出する変化量検出手段と、
前記赤外スペクトルデータを、赤外領域の波長と当該波長における輝度温度とを示す輝度温度スペクトルデータに変換する変換手段と、
前記輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうちの最大輝度温度を、前記測定対象ガスの背景温度として検出する背景温度検出手段と、
前記輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうち、前記赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯における輝度温度を用いて、前記測定対象ガスの温度を検出するガス温度検出手段と、
前記赤外線の強度の変動量と、前記測定対象ガスの背景温度と、前記測定対象ガスの温度と、に基づいて、前記測定対象ガスの面密度を算出する算出手段と、
前記測定対象ガスの背景までの距離を測定する距離測定手段と、を含み、
前記ガス温度検出手段は、前記測定された距離が長くなるほど、前記赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯を広くする、ガス測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載のガス測定装置において、
前記ガス温度検出手段は、前記赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯として、５〜８μｍの波長帯に含まれる波長帯を用いる、ガス測定装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載のガス測定装置において、
前記赤外線検出手段は、
前記測定領域から受け付けた赤外線を複数の赤外線に分割し、当該複数の赤外線の光路差を変えながら、当該複数の赤外線を合成して干渉光を生成する干渉手段と、
前記干渉光を受光する２次元赤外線検出手段と、
前記２次元赤外線検出手段の出力から前記干渉光の強度を測定して、当該干渉光の強度と前記光路差との関係を示すインターフェログラムを生成し、当該インターフェログラムをフーリエ変換することによって前記赤外スペクトルデータを出力する演算手段と、を含み、
前記２次元赤外線検出手段の出力に応じた映像を表示する表示手段を、さらに含む、ガス測定装置。
【請求項４】
請求項３に記載のガス測定装置において、
前記２次元赤外線検出手段が前記光路差の異なる干渉光を受光するごとに発生する出力を足し合わせる調整手段をさらに含み、
前記表示手段は、前記足し合わされた２次元赤外線検出手段の出力に応じた映像を表示する、ガス測定装置。
【請求項５】
請求項３または４に記載のガス測定装置において、
前記表示手段は、さらに、前記算出された測定対象ガスの面密度を、前記２次元赤外線検出手段の出力に応じた映像上に表示する、ガス測定装置。
【請求項６】
ガス測定装置が行うガス測定方法であって、
測定領域からの赤外線を受け付け、当該赤外線についての赤外スペクトルデータを出力する赤外線検出ステップと、
前記測定領域からの赤外線に生じている、前記測定領域内の測定対象ガスによって変動した赤外線の強度の変動量を、前記赤外スペクトルデータを用いて検出する変化量検出ステップと、
前記赤外スペクトルデータを、赤外領域の波長と当該波長における輝度温度とを示す輝度温度スペクトルデータに変換する変換ステップと、
前記輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうちの最大輝度温度を、前記測定対象ガスの背景温度として検出する背景温度検出ステップと、
前記輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうち、前記赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯における輝度温度を用いて、前記測定対象ガスの温度を検出するガス温度検出ステップと、
前記赤外線の強度の変動量と、前記測定対象ガスの背景温度と、前記測定対象ガスの温度と、に基づいて、前記測定対象ガスの面密度を算出する算出ステップと、
前記測定対象ガスの背景までの距離を測定する距離測定ステップと、を含み、
前記ガス温度検出ステップでは、前記測定された距離が長くなるほど、前記赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯を広くする、ガス測定方法。
【請求項７】
請求項６に記載のガス測定方法において、
前記ガス温度検出ステップでは、前記赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯として、５〜８μｍの波長帯に含まれる波長帯を用いる、ガス測定方法。
【請求項８】
請求項６または７に記載のガス測定方法において、
前記赤外線検出ステップは、
前記測定領域から受け付けた赤外線を複数の赤外線に分割し、当該複数の赤外線の光路差を変えながら、当該複数の赤外線を合成して干渉光を生成する干渉ステップと、
前記干渉光を２次元赤外線検出手段で受光する赤外線検出ステップと、
前記２次元赤外線検出手段の出力から前記干渉光の強度を測定して、当該干渉光の強度と前記光路差との関係を示すインターフェログラムを生成し、当該インターフェログラムをフーリエ変換することによって前記赤外スペクトルデータを出力する演算ステップと、を含み、
前記２次元赤外線検出手段の出力に応じた映像を表示する表示ステップを、さらに含む、ガス測定方法。
【請求項９】
請求項８に記載のガス測定方法において、
前記２次元赤外線検出手段が前記光路差の異なる干渉光を受光するごとに発生する出力を足し合わせる調整ステップをさらに含み、
前記表示ステップでは、前記足し合わされた２次元赤外線検出手段の出力に応じた映像を表示する、ガス測定方法。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のガス測定方法において、
前記表示ステップでは、さらに、前記算出された測定対象ガスの面密度を、前記２次元赤外線検出手段の出力に応じた映像上に表示する、ガス測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス測定装置およびガス測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
非特許文献１には、走査鏡、光学系、フーリエ分光器および単素子赤外線センサを有する遠隔ガス分光イメ−ジング検知装置（以下、単に「検知装置」と称する。）を用いて、処理部が、測定対象ガスを同定し、測定対象ガスの空間分布および測定対象ガスの密度を計測する技術が記載されている。
【０００３】
例えば、非特許文献１には、測定対象ガスの温度と、測定対象ガスの背景の温度（以下、単に「背景温度」と称する。）を、検知装置の出力に基づいて検出し、測定対象ガスの温度と背景温度を用いて、測定対象ガスを同定する技術が記載されている。
【０００４】
測定対象ガスの温度と、背景温度は、以下のようにして検出される。
【０００５】
処理部は、まず、単素子赤外線センサの出力から、赤外スペクトルデータを生成する。続いて、処理部は、赤外スペクトルデータを、輝度温度スペクトルデータに変換する。
【０００６】
処理部は、輝度温度スペクトルデータにおける最大の輝度温度を、背景温度として用いる。
【０００７】
輝度温度スペクトルデータにおける輝度温度の最大値は、検知装置と測定対象ガスの背景との間に存在する物質の中で、最も透過率の高い物質（背景からの光をほとんど透過する物質）のデータ、つまり、背景からの光のデータに対応する。このため、輝度温度の最大値は、輝度温度スペクトルデータの中で背景温度を最も忠実に表していると考えられる。
【０００８】
続いて、処理部は、輝度温度スペクトルデータにおける波長１４．５μｍ付近での最小の輝度温度を、測定対象ガスの温度として用いる。
【０００９】
波長１４．５μｍ付近は、ＣＯ2（二酸化炭素）の強い吸収帯に対応する。このため、測定対象ガスの背景からの光のうち波長１４．５μｍ付近の光は、ＣＯ2に吸収される。よって、輝度温度スペクトルデータにおける波長１４．５μｍ付近の輝度温度は、測定対象ガスの背景からの光ではなく、ＣＯ2の吸収量に依存し、吸収が非常に大きい場合、ＣＯ2ガス自体の温度を示す。
【００１０】
したがって、輝度温度スペクトルデータにおける波長１４．５μｍ付近での最小の輝度温度は、ＣＯ2の温度を表していると考えられる。ＣＯ2は、現在、地球大気に普遍的に存在する。このため、ＣＯ2の温度は、地球大気の温度を表していると考えられる。測定対象ガスも、地球大気に存在する。このため、測定対象ガスの温度は、地球大気の温度、すなわち、ＣＯ2の温度と等しくなると考えられる。
【非特許文献１】R. Harig and G. Matz, Field Analytical Chemistry and Technology, Vol. 5(1-2), pp.75-90, 2001
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
非特許文献１に記載の処理部は、波長１４．５μm付近に強い吸収帯があるＣＯ2を用いて測定対象ガスの温度を求めている。
【００１２】
このため、非特許文献１に記載の技術では、赤外線センサとして、少なくとも波長１４．５μmまでの赤外線を検出する赤外線センサを用いなければならないという制約を生じる。
【００１３】
よって、非特許文献１に記載の技術では、使用可能な赤外線センサが限られてしまい、例えば、カットオフ波長が１１μｍの２次元赤外線検出器を用いることができない。
【００１４】
本発明の目的は、上述した課題を解決することが可能なガス測定装置およびガス測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明のガス測定装置は、測定領域からの赤外線を受け付け、当該赤外線についての赤外スペクトルデータを出力する赤外線検出手段と、前記測定領域からの赤外線に生じている、前記測定領域内の測定対象ガスによって変動した赤外線の強度の変動量を、前記赤外スペクトルデータを用いて検出する変化量検出手段と、前記赤外スペクトルデータを、赤外領域の波長と当該波長における輝度温度とを示す輝度温度スペクトルデータに変換する変換手段と、前記輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうちの最大輝度温度を、前記測定対象ガスの背景温度として検出する背景温度検出手段と、前記輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうち、前記赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯における輝度温度を用いて、前記測定対象ガスの温度を検出するガス温度検出手段と、前記赤外線の強度の変動量と、前記測定対象ガスの背景温度と、前記測定対象ガスの温度と、に基づいて、前記測定対象ガスの面密度を算出する算出手段と、を含む。
【００１６】
本発明のガス測定方法は、ガス測定装置が行うガス測定方法であって、測定領域からの赤外線を受け付け、当該赤外線についての赤外スペクトルデータを出力する赤外線検出ステップと、前記測定領域からの赤外線に生じている、前記測定領域内の測定対象ガスによって変動した赤外線の強度の変動量を、前記赤外スペクトルデータを用いて検出する変化量検出ステップと、前記赤外スペクトルデータを、赤外領域の波長と当該波長における輝度温度とを示す輝度温度スペクトルデータに変換する変換ステップと、前記輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうちの最大輝度温度を、前記測定対象ガスの背景温度として検出する背景温度検出ステップと、前記輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうち、前記赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯における輝度温度を用いて、前記測定対象ガスの温度を検出するガス温度検出ステップと、前記赤外線の強度の変動量と、前記測定対象ガスの背景温度と、前記測定対象ガスの温度と、に基づいて、前記測定対象ガスの面密度を算出する算出ステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ガス測定装置における赤外線検出部の制約を緩和することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施形態のガス測定装置１００を示した図である。
【００２０】
図１において、ガス測定装置１００は、赤外線検出部１と、データ解析部２と、表示部３と、距離測定部４と、を含む。
【００２１】
赤外線検出部１は、干渉部１１と、２次元赤外線検出器１２と、演算部１３と、を含む。
【００２２】
データ解析部２は、変化量検出部２１と、変換部２２と、背景温度検出部２３と、ガス温度検出部２４と、算出部２５と、を含む。算出部２５は、メモリ等の格納部２５ａと計算部２５ｂとを含む。
【００２３】
干渉部１１は、対物レンズ１１ａと、絞り部１１ｂと、コリメータ１１ｃと、ビームスプリッター１１ｄと、固定鏡１１ｅと、可動鏡１１ｆと、駆動制御部１１ｇと、駆動部１１ｈと、レンズ１１ｉと、を含む。
【００２４】
演算部１３は、基本クロック出力部１３ａと、画像取得部１３ｂと、強度測定部１３ｃと、インターフェログラム生成部１３ｄと、ＦＦＴ部１３ｅと、を含む。
【００２５】
赤外線検出部１は、一般的に赤外線検出手段と呼ぶことができる。なお、赤外線検出部１は、２次元赤外線検出器１２が赤外線センサとして用いられているフーリエ型赤外分光イメージ装置である。なお、フーリエ型赤外分光イメージ装置は、公知技術である。
【００２６】
赤外線検出部１は、測定領域５からの赤外線を受け付け、その赤外線についての赤外スペクトルデータを出力する。
【００２７】
干渉部１１は、一般的に干渉手段と呼ぶことができる。
【００２８】
干渉部１１は、測定領域５からの赤外線を複数の赤外線に分割し、それら複数の赤外線の光路差を変えながら、それら複数の赤外線を合成して干渉光を生成する。
【００２９】
対物レンズ１１ａは、測定領域５の像（赤外線を含む）を受け付け、その像を、絞り部１１ｂに設けられたアパーチャ１１ｂ１を介してコリメータ１１ｃに提供する。
【００３０】
コリメータ１１ｃは、測定領域５の像を平行光線束に変換し、平行光線束の測定領域５の像を、ビームスプリッター１１ｄに提供する。
【００３１】
ビームスプリッター１１ｄは、平行光線束の測定領域５の像の一部を透過し、残りを反射して、平行光線束の測定領域５の像を２つに分割する。
【００３２】
固定鏡１１ｅは、移動せず、ビームスプリッター１１ｄによって反射された像を反射して、ビームスプリッター１１ｄに戻す。
【００３３】
可動鏡１１ｆは、両矢印Ｘ方向に移動しながら、ビームスプリッター１１ｄを透過した像を反射して、ビームスプリッター１１ｄに戻す。
【００３４】
固定鏡１１ｅは移動せず、可動鏡１１ｆは移動する。このため、ビームスプリッター１１ｄを透過してから可動鏡１１ｆで反射されてビームスプリッター１１ｄに戻ってくるまでの像の光路と、ビームスプリッター１１ｄで反射されてから固定鏡１１ｅで反射されてビームスプリッター１１ｄに戻ってくるまでの像の光路と、の光路差（以下、単に「光路差」と称する。）は、可動鏡１１ｆに移動に伴い変化していく。
【００３５】
可動鏡１１ｆで反射されてビームスプリッター１１ｄに戻ってきた像と、固定鏡１１ｅで反射されてビームスプリッター１１ｄに戻ってきた像とは、ビームスプリッター１１ｄで合成されて干渉光になる。
【００３６】
レンズ１１ｉは、その干渉光を、２次元赤外線検出器１２に提供する。
【００３７】
なお、ビームスプリッター１１ｄを透過してから可動鏡１１ｆで反射されてビームスプリッター１１ｄに戻ってくるまでの像の光路と、ビームスプリッター１１ｄで反射されてから固定鏡１１ｅで反射されてビームスプリッター１１ｄに戻ってくるまでの像の光路が等しい場合、干渉光は、測定領域５の像となる。このため、２次元赤外線検出器１２は、測定領域５の像も受光する。
【００３８】
駆動制御部１１ｇは、基本クロック出力部１３ａからの基本クロックに応じたタイミングで駆動部１１ｈを駆動して、可動鏡１１ｆを両矢印Ｘ方向に移動する。
【００３９】
また、駆動制御部１１ｇは、可動鏡１１ｆの位置を表す情報、つまり、光路差を表す情報を、インターフェログラム生成部１３ｄに提供する。
【００４０】
２次元赤外線検出器１２は、一般的に２次元赤外線検出手段と呼ぶことができる。２次元赤外線検出器１２は、干渉光を受光する。
【００４１】
演算部１３は、一般的に演算手段と呼ぶことができる。
【００４２】
演算部１３は、２次元赤外線検出器１２の出力に基づいて干渉光の強度を測定する。演算部１３は、干渉光の強度と光路差との関係を示すインターフェログラムを生成する。演算部１３は、そのインターフェログラムをフーリエ変換することによって、測定領域５からの赤外線についての赤外スペクトルデータを生成して出力する。
【００４３】
基本クロック出力部１３ａは、基本クロックを出力する。
【００４４】
画像取得部１３ｂは、基本クロックに応じたタイミングで、２次元赤外線検出器１２の出力を取得する。画像取得部１３ｂは、２次元赤外線検出器１２の出力を、表示部３と強度測定部１３ｃに提供する。
【００４５】
強度測定部１３ｃは、２次元赤外線検出器１２の出力から干渉光の強度を測定する。強度測定部１３ｃは、干渉光の強度の測定結果を、インターフェログラム生成部１３ｄに提供する。
【００４６】
インターフェログラム生成部１３ｄは、強度測定部１３ｃから提供された干渉光の強度の測定結果と、駆動制御部１１ｇから提供された光路差を表す情報と、に基づいて、干渉光の強度と光路差との関係を示すインターフェログラムを生成する。インターフェログラム生成部１３ｄは、インターフェログラムをＦＦＴ部１３ｅに提供する。
【００４７】
ＦＦＴ部１３ｅは、インターフェログラムをフーリエ変換することによって、測定領域５からの赤外線についての赤外スペクトルデータを生成する。ＦＦＴ部１３ｅは、赤外スペクトルデータを、データ解析部２、具体的には、変化量検出部２１と変換部２２に提供する。
【００４８】
データ解析部２は、一般的にデータ解析手段と呼ぶことができる。データ解析部２は、赤外スペクトルデータを用いて、測定対象ガス５ａの面密度を算出する。
【００４９】
変化量検出部２１は、一般的に変化量検出手段と呼ぶことができる。
【００５０】
変化量検出部２１は、測定領域５からの赤外線に含まれる、測定領域５内の測定対象ガス５ａによって変動した赤外線の強度の変動量を、赤外スペクトルデータを用いて検出する。変化量検出部２１は、赤外線の強度の変動量を算出部２５に提供する。
【００５１】
変換部２２は、一般的に変換手段と呼ぶことができる。
【００５２】
変換部２２は、赤外スペクトルデータを、赤外領域の波長とその波長における輝度温度とを示す輝度温度スペクトルデータに変換する。変換部２２は、輝度温度スペクトルデータを、背景温度検出部２３とガス温度検出部２４に提供する。
【００５３】
背景温度検出部２３は、一般的に背景温度検出手段と呼ぶことができる。
【００５４】
背景温度検出部２３は、輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうちの最大輝度温度を、測定対象ガス５ａの背景５ｃの温度（背景温度）として検出する。背景温度検出部２３は、測定対象ガス５ａの背景温度を算出部２５に提供する。
【００５５】
ガス温度検出部２４は、一般的にガス温度検出手段と呼ぶことができる。
【００５６】
ガス温度検出部２４は、輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうち、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯における輝度温度を用いて、測定対象ガス５ａの温度を検出する。ガス温度検出部２４は、測定対象ガス５ａの温度を算出部２５に提供する。
【００５７】
ガス温度検出部２４は、例えば、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯として、５〜８μｍの波長帯に含まれる波長帯を用いる。なお、５〜８μｍの波長帯は、赤外領域内の水蒸気の吸収帯として公知である。
【００５８】
算出部２５は、一般的に算出手段と呼ぶことができる。
【００５９】
算出部２５は、赤外線の強度の変動量と、測定対象ガス５ａの背景温度と、測定対象ガス５ａの温度と、に基づいて、測定対象ガス５ａの面密度を算出する。算出部２５は、測定対象ガス５ａの面密度を表示部３に提供する。
【００６０】
格納部２５ａは、一般的に格納手段と呼ぶことができる。格納部２５ａは、測定対象ガス５ａに関する種々のデータを格納する。
【００６１】
計算部２５ｂは、一般的に計算手段と呼ぶことができる。計算部２５ｂは、赤外線の強度の変動量と、測定対象ガス５ａの背景温度と、測定対象ガス５ａの温度と、格納部２５ａ内のデータと、に基づいて、測定対象ガス５ａの面密度を算出する。
【００６２】
表示部３は、一般的に表示手段と呼ぶことができる。
【００６３】
表示部３は、画像取得部１３ｂから提供された２次元赤外線検出器１２の出力に基づいて、２次元赤外線検出器１２の出力に応じた映像（例えば、測定領域５の像）を表示する。
【００６４】
また、表示部３は、測定対象ガス５ａの面密度を、２次元赤外線検出器１２の出力に応じた映像上に表示する。
【００６５】
距離測定部４は、一般的に距離測定手段と呼ぶことができる。
【００６６】
距離測定部４は、測定対象ガス５ａの背景５ｃまでの距離を測定する。距離測定部４は、背景５ｃまでの距離の測定結果を、ガス温度検出部２４に提供する。
【００６７】
ガス温度検出部２４は、測定対象ガス５ａの温度測定に用いる、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯を、背景５ｃまでの距離の測定結果に基づいて調整する。例えば、ガス温度検出部２４は、測定された距離が長くなるほど、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯を広くする。なお、ガス温度検出部２４は、測定された距離が長くなるほど、背景温度を示す波長帯を狭くしてもよい。
【００６８】
なお、本実施形態では、赤外線検出部１は、波数分解能を１０ｃｍ-1（波長１０μｍの場合Δλ＝０．１μｍに対応）とし、波数範囲を１４３０〜８３３ｃｍ-1（７．０〜１２ｕｍ）とする。
【００６９】
具体的には、光路差の最大値（ＸOPDMAX）を５００ｕｍとする。換言すると、可動鏡１１ｆの最大可動距離（ＸMechMAX）を２５０ｕｍとする。
【００７０】
また、光路差が８．４ｕｍだけ変化するごとに（ΔＸOPD＝８．４ｕｍ）、演算部１３は、２次元赤外線検出器１２の出力をサンプリングする。換言すると、可動鏡１１ｆが４．２ｕｍ変化するごとに（ΔＸMech＝４．２ｕｍ）、演算部１３は、２次元赤外線検出器１２の出力をサンプリングする。
【００７１】
また、サンプリング数を６０点（シングルサイドインターフェログラム：Single-sided interferogramの場合）とする。
【００７２】
また、可動鏡１１ｆは、ΔＸMech＝４．２ｕｍごとに、左１６ステップ、右６０ステップの計７６ステップ駆動される。ステップ駆動と２次元赤外線検出器１２からの出力は、５ｍｓ＋５ｍｓ＝１０ｍｓごとに実施される。この場合、インターフェログラムの取得時間は０．８ｓｅｃとなる。
【００７３】
また、２次元赤外線検出器１２は、ＨｇＣｄＴｅで構成され、画素数が３２０×２４０であり、画素ピッチが３０μｍであり、フレームレート（Frame rate）が５−２００Ｈｚであり、積分時間が３μｓｅｃ〜２０ｍｓｅｃであり、ＮＥＴＤ（Noise Equivalent Temperature Difference）が３０ｍＫより小さい。
【００７４】
図２は、基本クロックと、可動鏡ステップ制御パルスと、画像取込みタイミングの一例を示したタイミングチャートである。
【００７５】
なお、赤外線検出部１の仕様は、上記に限らず適宜変更可能である。
【００７６】
次に、動作を説明する。
【００７７】
図３は、ガス測定装置１００の動作を説明するためのフローチャートである。
【００７８】
以下では、図４に示すように測定対象ガス５ａとしてＳＦ6が用いられた例を説明する。なお、測定対象ガス５ａは、ＳＦ6に限らず適宜変更可能である。
【００７９】
図４は、ガス測定装置１００と、測定領域５（測定対象ガス５ａと、地球大気５ｂと、背景５ｃとを含む。）との関係を示した説明図である。図４において、背景５ｃの温度は３０３Ｋであり、測定対象ガス５ａの温度は２９８Ｋであり、測定対象ガス５ａの直径が５ｍであり、測定対象ガス５ａの濃度は２．４７×１０14ｃｍ-3、１０ｐｐｍであり、背景５ｃまでの距離は５０ｍであり、湿度は６０％である。
【００８０】
ステップ３０１にて、赤外線検出部１は、測定領域５からの赤外線を受け付け、その赤外線についての赤外スペクトルデータを生成する。赤外線検出部１は、赤外スペクトルデータを、変化量検出部２１と変換部２２に提供する。
【００８１】
図５は、図４に対応した赤外スペクトルデータ（計測データ）を示した説明図である。
【００８２】
続いて、ステップ３０２にて、変化量検出部２１は、測定領域５からの赤外線に含まれる、測定領域５内の測定対象ガス５ａによって変動した赤外線の強度の変動量を、赤外スペクトルデータを用いて検出する。
【００８３】
例えば、変化量検出部２１は、測定対象ガス（ＳＦ6）５ａの吸収帯を予め記憶しておき、赤外スペクトルデータに示される、測定対象ガス（ＳＦ6）５ａの吸収帯での赤外線の強度の変動量（図５に示されたΔＩ）を、画像解析処理等を行って検出する。
【００８４】
変化量検出部２１は、赤外線の強度の変動量（ΔＩ）を算出部２５に提供する。
【００８５】
また、ステップ３０３にて、変換部２２は、非特許文献１に記載された公知の黒体輻射の式（プランクの式）を用いて、赤外スペクトルデータを、赤外領域の波長とその波長における輝度温度とを示す輝度温度スペクトルデータに変換する。変換部２２は、輝度温度スペクトルデータを、背景温度検出部２３とガス温度検出部２４に提供する。
【００８６】
図６は、図５に示された赤外スペクトルデータから変換された輝度温度スペクトルデータを示した説明図である。
【００８７】
続いて、ステップ３０４にて、背景温度検出部２３は、輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうちの最大の輝度温度を、背景５ｃの温度（Ａ）として検出する（図６参照）。背景温度検出部２３は、背景５ｃの温度（Ａ）を算出部２５に提供する。
【００８８】
また、ステップ３０５にて、ガス温度検出部２４は、輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうち、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯における輝度温度を用いて、測定対象ガス５ａの温度（Ｂ）を検出する。
【００８９】
測定対象ガス５ａの背景５ｃからの赤外線のうち、赤外領域内の水蒸気の吸収帯の光は、水蒸気に吸収される。よって、輝度温度スペクトルデータにおける水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯における輝度温度は、測定対象ガス５ａの背景５ｃからの光ではなく、ほぼ、水蒸気の温度を示す。
【００９０】
したがって、輝度温度スペクトルデータにおける水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯での最小の輝度温度は、水蒸気の温度を表していると考えられる。水蒸気は、現在、地球大気に普遍的に存在する。このため、水蒸気の温度は、地球大気の温度を表していると考えられる。測定対象ガス５ａも、地球大気に存在する。このため、測定対象ガス５ａの温度は、地球大気の温度、すなわち、水蒸気の温度と等しくなると考えられる。
【００９１】
ガス温度検出部２４は、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯として、５〜８μｍの波長帯に含まれる波長帯（例えば、７〜７．３μｍ）を用いる。
【００９２】
ガス温度検出部２４は、輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうち、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯における最小の輝度温度、すなわち、水蒸気の温度を、測定対象ガス５ａの温度（Ｂ）として検出する。ガス温度検出部２４は、測定対象ガス５ａの温度（Ｂ）を算出部２５に提供する。
【００９３】
なお、距離測定部４が、背景５ｃまでの距離を測定している場合、ガス温度検出部２４は、測定対象ガス５ａの温度測定に用いる、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯を、距離測定部４にて測定された背景５ｃまでの距離に基づいて調整する。
【００９４】
例えば、ガス温度検出部２４は、測定された距離が長くなるほど、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯を広くする。
【００９５】
続いて、ステップ３０６にて、算出部２５（具体的には、計算部２５ｂ）は、背景５ｃの温度（Ａ）と測定対象ガス５ａの温度（Ｂ）の差（ΔＴ）を算出する。
【００９６】
続いて、ステップ３０７にて、計算部２５ｂは、格納部２５ａ内のデータと、差（ΔＴ）と、赤外線の強度の変動量（ΔＩ）と、を用いて、測定対象ガス５ａの面密度（ｎＬ）を計算する。
【００９７】
例えば、計算部２５ｂは、以下の式１を用いて、測定対象ガス５ａの面密度（ｎＬ）を計算する。
【００９８】
【数１】
0005125544.tif 000002
【００９９】
式１において、Ａ（λ，Ｔb）は、プランク（Planck）関数の１次微分値であり、αλは、測定対象ガス５ａの吸収係数である。格納部２５ａは、式１と、Ａ（λ，Ｔb）と、αλを予め格納しておく。
【０１００】
式１は、以下の関係から導かれる。
【０１０１】
ガス測定装置１００に取り込まれる光の強度（Ｎλr）は、式２によってうまく近似されることが知られている（非特許文献１等参照）。
【０１０２】
【数２】
0005125544.tif 000003
【０１０３】
式２において、
【０１０４】
【数３】
0005125544.tif 000004
【０１０５】
は、測定対象ガス５ａが存在する状況下での背景５ｃからの光の強度を表す。
【０１０６】
【数４】
0005125544.tif 000005
【０１０７】
は、背景５ｃが存在する状況下での測定対象ガス５ａからの光の強度を表す。なお、εbは背景５ｃの輻射率であり、λは波長であり、Ｔbは背景５ｃの温度であり、Ｔgは測定対象ガス５ａの温度である。Ｂ（λ，Ｔb）は、プランクの式であり、温度Ｔbの黒体からの波長λの光の輻射を示す。Ｂ（λ，Ｔg）は、プランクの式であり、温度Ｔgの黒体からの波長λの光の輻射を示す。
【０１０８】
ここで、ガスが光学的に薄い場合、αλｎＬの値が小さい（αλｎＬ＜＜１）ので、式２において、
【０１０９】
【数５】
0005125544.tif 000006
【０１１０】
と近似すると、式３が得られる。
【０１１１】
【数６】
0005125544.tif 000007
【０１１２】
ここで、波長８〜１２μｍ帯では、背景５ｃとなる土および植物等は、εb≒１なので、式３において、εb＝１と近似すると、式４が得られる。
【０１１３】
【数７】
0005125544.tif 000008
【０１１４】
ここで、Ｔg＝Ｔb−ΔＴを用いて、式４を近似すると、式５が得られる。
【０１１５】
【数８】
0005125544.tif 000009
【０１１６】
式５において、Ｂ（λ，Ｔb）は、背景５ｃからの放射を表す。このため、式５のＡ（λ，Ｔb）αλｎＬΔＴは、ΔＩとなる。
【０１１７】
よって、
【０１１８】
【数９】
0005125544.tif 000010
【０１１９】
式６より、式１が求められる。
【０１２０】
続いて、表示部３は、画像取得部１３ｂから提供された２次元赤外線検出器１２の出力に基づいて、２次元赤外線検出器１２の出力に応じた映像を表示する。例えば、表示部３は、２次元赤外線検出器１２の出力に応じた映像として、測定領域５の像を表示する。
【０１２１】
また、表示部３は、算出部２５にて算出された測定対象ガス５ａの面密度を、２次元赤外線検出器１２の出力に応じた映像上に表示する。
【０１２２】
図７〜図１０は、図４に示した例において、背景５ｃまでの距離を変えた場合の輝度温度スペクトルデータを示した説明図である。
【０１２３】
図１１は、図６〜図１０のそれぞれに示した輝度温度スペクトルデータから、測定対象ガス５ａの温度（Ｂ）と、背景５ｃの温度（Ａ）とを、温度精度０．２度Ｃで得るために使用する波長領域を示した説明図である。
【０１２４】
なお、図１１に示した波長領域は、一例であって、例えば、ガス測定装置１００に要求される温度精度に応じて適宜変更可能である。
【０１２５】
図１１に示したように、背景５ｃまでの距離が長くなるほど、測定対象ガス５ａの温度（Ｂ）を高い精度で検出できる波長領域は広くなる。
【０１２６】
このため、本実施形態では、ガス温度検出部２４は、測定された距離が長くなるほど、測定対象ガス５ａの温度（Ｂ）、つまり、水蒸気の温度を測定するために使用する、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯を広くしている。
【０１２７】
本実施形態によれば、ガス温度検出部２４は、輝度温度スペクトルデータにて示される輝度温度のうち、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯における輝度温度を用いて、測定対象ガスの温度を検出する。
【０１２８】
赤外領域内の水蒸気の吸収帯は、５〜８μｍ程度の波長帯にある。このため、赤外線検出部１は、波長１４．５μmまでの赤外線を検出しなくてもよい。
【０１２９】
よって、本実施形態によれば、カットオフ波長が１４．５μm付近にある赤外線センサを有する赤外線検出部だけでなく、カットオフ波長が１４．５μmよりも短い赤外線センサを有する赤外線検出部も、赤外線検出部１として使用することが可能になる。
【０１３０】
このため、例えば、カットオフ波長が１１μｍ程度の２次元赤外線センサを有する赤外線検出部、または、カットオフ波長が１１μｍ程度の単素子赤外線センサを有する赤外線検出部を、赤外線検出部１として使用することが可能になる。
【０１３１】
したがって、赤外線検出部１に関する制約を緩和することが可能になる。
【０１３２】
また、本実施形態では、赤外スペクトルデータの分解能が、非特許文献１に記載された装置より低くなっている。このため、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に対応する輝度温度が検出しやすくなる。
【０１３３】
本実施形態では、ガス温度検出部２４は、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯として、５〜８μｍの波長帯に含まれる波長帯を用いる。
【０１３４】
この場合、上述したように、カットオフ波長が１４．５μm付近にある赤外線センサを有する赤外線検出部だけでなく、カットオフ波長が１４．５μmよりも短い赤外線センサを有する赤外線検出部も、赤外線検出部１として使用することが可能になる。よって、赤外線検出部１に関する制約を緩和することが可能になる。
【０１３５】
本実施形態では、赤外線検出部１は、干渉部１１と、２次元赤外線検出器１２と、演算部１３と、を含む。
【０１３６】
干渉部１１は、測定領域５から受け付けた赤外線を複数の赤外線に分割し、複数の赤外線の光路差を変えながら、複数の赤外線を合成して干渉光を生成する。複数の赤外線の光路差がない場合、この干渉光は、測定領域５の像を表す。
【０１３７】
２次元赤外線検出器１２は、干渉部１１からの干渉光を受光する。よって、複数の赤外線の光路差がない場合、２次元赤外線検出器１２の出力は、測定領域５の像を表す。
【０１３８】
演算部１３は、２次元赤外線検出器１２の出力を用いて、赤外スペクトルデータを出力する。また、表示部３は、２次元赤外線検出器１２の出力に応じた映像を表示する。
【０１３９】
このため、２次元赤外線検出器１２の出力を、赤外スペクトルデータの生成用と、測定領域５の映像用とに使用することができる。
【０１４０】
また、赤外線検出器として、２次元赤外線検出器１２が用いられているので、単素子の赤外線検出器が使用された場合に比べて、短時間で、測定領域５の映像データを出力することが可能になる。
【０１４１】
本実施形態では、表示部３は、さらに、算出部２５にて算出された測定対象ガス５ａの面密度を、２次元赤外線検出器１２の出力に応じた映像上に表示する。
【０１４２】
この場合、測定領域５と、測定領域５に存在する測定対象ガス５ａの面密度とを、同時に表示することができる。よって、使用者は、測定対象ガス５ａが存在する領域を容易に理解することが可能になる。
【０１４３】
本実施形態では、ガス温度検出部２４は、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯を、背景５ｃまでの距離に基づいて調整する。
【０１４４】
背景５ｃまでの距離が長いと、測定領域５に含まれる水蒸気の量が多くなる。このため、水蒸気の吸収帯において、背景５ｃからの光が吸収されやすくなる。よって、水蒸気の吸収帯における輝度温度は、水蒸気の温度、すなわち、測定対象ガス５ａの温度をより反映しやすくなる。
【０１４５】
よって、測定対象ガス５ａの温度検出の精度を向上することが可能になる。
【０１４６】
本実施形態では、ガス温度検出部２４は、背景５ｃまでの距離が長くなるほど、赤外領域内の水蒸気の吸収帯に含まれる波長帯を広くする。
【０１４７】
この場合、測定対象ガス５ａの温度検出の精度を向上できる。
【０１４８】
次に、本発明の第２実施形態を説明する。
【０１４９】
図１２は、本発明の第２実施形態のガス測定装置１００Ａを示した図である。図１２において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１５０】
以下、第２実施形態について、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１５１】
第１実施形態（ガス測定装置１００）と比較すると、第２実施形態（ガス測定装置１００Ａ）では、フレーム積分部６が追加される。
【０１５２】
フレーム積分部６は、一般的に調整手段と呼ぶことができる。
【０１５３】
フレーム積分部６は、２次元赤外線検出器１２が光路差の異なる干渉光を受光するごとに発生する出力を画像取得部１３ｂから受け付けて足し合わせる。フレーム積分部６は、足し合わされた２次元赤外線検出器１２の出力を表示部３に提供する。
【０１５４】
表示部３は、足し合わされた２次元赤外線検出器１２の出力に応じた映像（例えば、測定領域５の像）を表示する。
【０１５５】
本実施形態では、フレーム積分部６は、２次元赤外線検出器１２が光路差の異なる干渉光を受光するごとに発生する出力を画像取得部１３ｂから受け付けて足し合わせる。
【０１５６】
一般的に信号をＮ回足し合わせると信号雑音比はルートＮ倍良くなる。本実施形態の場合、光路差ごとの信号が異なるため、ルートＮ倍より改善率は低いが、足し合わせない場合より、信号雑音比は向上する。
【０１５７】
次に、本発明の第３実施形態を説明する。
【０１５８】
図１３は、本発明の第３実施形態のガス測定装置１００Ｂを示した図である。図１３において、図１に示したものと同一のものには同一符号を付してある。
【０１５９】
以下、第３実施形態について、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【０１６０】
第１実施形態（ガス測定装置１００）と比較すると、第３実施形態（ガス測定装置１００Ｂ）では、表示部３と、距離測定部４が省略される。
【０１６１】
本実施形態によれば、ガス測定装置１００Ｂは、赤外線検出部１と、変化量検出部２１と、変換部２２と、背景温度検出部２３と、ガス温度検出部２４と、算出部２５と、を含むので、第１実施形態で説明したように、赤外線検出部１に関する制約を緩和することが可能になる。
【０１６２】
以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。
【０１６３】
例えば、２つのガス測定装置を用いて、測定対象のガスを異なる方向から観察すると、測定対象のガス雲の大きさ（Ｌ）を推定することができる。
【０１６４】
この場合、測定対象のガス雲の大きさ（Ｌ）と、測定対象のガスの面密度と、を用いて、測定対象のガスの濃度を導き出すことができる。
【０１６５】
また、この場合、図１４に示したように、表示部３が、２次元赤外線検出器１２の出力に応じた映像に、測定対象のガス雲の大きさ（Ｌ）を重ねて表示してもよい。
【図面の簡単な説明】
【０１６６】
【図１】本発明の第１実施形態のガス測定装置１００を示した図である。
【図２】赤外線検出部１の動作の一部を説明するためのタイミングチャートである。
【図３】ガス測定装置１００の動作を説明するためのフローチャートである。
【図４】ガス測定装置１００と、測定領域５（測定対象ガス５ａと、地球大気５ｂと、背景５ｃとを含む。）との関係を示した説明図である。
【図５】図４に対応した赤外スペクトルデータ（計測データ）を示した説明図である。
【図６】図５に示された赤外スペクトルデータから変換された輝度温度スペクトルデータを示した説明図である。
【図７】図４において、背景５ｃまでの距離を変えた場合の輝度温度スペクトルデータを示した説明図である。
【図８】図４において、背景５ｃまでの距離を変えた場合の輝度温度スペクトルデータを示した説明図である。
【図９】図４において、背景５ｃまでの距離を変えた場合の輝度温度スペクトルデータを示した説明図である。
【図１０】図４において、背景５ｃまでの距離を変えた場合の輝度温度スペクトルデータを示した説明図である。
【図１１】図６〜図１０のそれぞれに示した輝度温度スペクトルデータから、測定対象ガス５ａの温度（Ｂ）と、背景５ｃの温度（Ａ）とを、温度精度０．２度Ｃで得るために使用する波長領域を示した説明図である。
【図１２】本発明の第２実施形態のガス測定装置１００Ａを示した図である。
【図１３】本発明の第３実施形態のガス測定装置１００Ｂを示した図である。
【図１４】表示部３の表示例を示した説明図である。
【符号の説明】
【０１６７】
１        赤外線検出部
１１      干渉部
１１ａ    対物レンズ
１１ｂ    絞り部
１１ｂ１  アパーチャ
１１ｃ    コリメータ
１１ｄ    ビームスプリッター
１１ｅ    固定鏡
１１ｆ    可動鏡
１１ｇ    駆動制御部
１１ｈ    駆動部
１１ｉ    レンズ
１２      ２次元赤外線検出器
１３      演算部
１３ａ    基本クロック出力部
１３ｂ    画像取得部
１３ｃ    強度測定部
１３ｄ    インターフェログラム生成部
１３ｅ    ＦＦＴ部
２        データ解析部
２１      変化量検出部
２２      変換部
２３      背景温度検出部
２４      ガス温度検出部
２５      算出部
３        表示部
４        距離測定部
５        測定領域
５ａ      測定対象ガス
５ｂ      地球大気（水蒸気）
５ｃ      背景
１００、１００Ａ  ガス測定装置
【図１】
0005125544.tif 000011
【図２】
0005125544.tif 000012
【図３】
0005125544.tif 000013
【図４】
0005125544.tif 000014
【図５】
0005125544.tif 000015
【図６】
0005125544.tif 000016
【図７】
0005125544.tif 000017
【図８】
0005125544.tif 000018
【図９】
0005125544.tif 000019
【図１０】
0005125544.tif 000020
【図１１】
0005125544.tif 000021
【図１２】
0005125544.tif 000022
【図１３】
0005125544.tif 000023
【図１４】
0005125544.tif 000024