(57)【要約】【課題】航空機から地表面上に向けて照射した光の地上物からの反射光を同航空機で受光して所定のガスの濃度を測定しその分布を取得するガス濃度分布測定システムにおいて、ガス濃度測定値の信頼性を効率的に向上する。【解決手段】航空機１（２，３）にガス濃度測定装置１１及び前方域反射特性測定装置１２を備える。前方域反射特性測定装置は、航空機１の現地点における航空機の移動方向Ｆに沿って地表面２０上のガス濃度測定装置１１による測定対象域３０より前方の前方域４０からの反射光を受光し当該前方域の反射特性を測定する。さらに、前方域反射特性測定装置による測定結果に基づき、ガス濃度測定装置が搭載される航空機の飛行を制御する制御手段、ガス濃度測定装置の測定条件を制御する制御手段、及びガス濃度測定装置の測定結果の信頼性を判定する判定手段のうち少なくともいずれか一を備える。【選択図】図１
2017125786.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機に搭載され、地表面上に向けて所定のガスの濃度測定用の光を照射し、当該光の地上物からの反射光を受光して前記所定のガスの濃度を測定するガス濃度測定装置を備え、前記航空機が所定の測定対象地帯上を航行して当該測定対象地帯における前記所定のガスの濃度分布を取得するガス濃度分布測定システムであって、
前記航空機の現地点における前記航空機の移動方向に沿って地表面上の前記ガス濃度測定装置による測定対象域より前方の前方域からの反射光を受光し当該前方域の反射特性を測定する前方域反射特性測定装置を、前記ガス濃度測定装置が搭載される航空機又は他の航空機に備え、
さらに、前記前方域反射特性測定装置による測定結果に基づき、前記ガス濃度測定装置が搭載される航空機の飛行を制御する制御手段、前記ガス濃度測定装置の測定条件を制御する制御手段、及び前記ガス濃度測定装置の測定結果の信頼性を判定する判定手段のうち少なくともいずれか一を備えるガス濃度分布測定システム。
【請求項２】
前記制御手段は、前記前方域反射特性測定装置による測定結果に基づき、前記ガス濃度測定装置が搭載される航空機の飛行高度、飛行速度及び飛行経路のうちいずれか１又は２以上を制御する請求項１に記載のガス濃度分布測定システム。
【請求項３】
前記制御手段は、前記前方域反射特性測定装置による測定結果に基づき、前記ガス濃度測定装置による投受光方向、投光パワー、受光信号のサンプリングレート、受光部のフィルタリング及び受光部の絞りのうちいずれか１又は２以上を制御する請求項１又は請求項２に記載のガス濃度分布測定システム。
【請求項４】
前記前方域反射特性測定装置は、前記前方域からの反射光のうち前記所定のガスの濃度測定用の光と共通の波長域につき、反射特性を測定する請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のガス濃度分布測定システム。
【請求項５】
前記前方域反射特性測定装置は、前記所定のガスの濃度測定用の光と共通の波長域の光を前記前方域に照射する投光装置を有する請求項４に記載のガス濃度分布測定システム。
【請求項６】
前記前方域反射特性測定装置の測定視野は、前記ガス濃度測定装置の測定視野より大きい請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載のガス濃度分布測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガス濃度分布測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ガス設備の老朽化や採掘現場のガスの漏えいが環境問題になっており、ガス漏えいの監視、ガス漏れ事故時のガス検知、ガス濃度分布の把握が求められている。
メタンなどのガスの濃度を測定する方法として、光学式の方法が知られる。それには、測定対象のガスの吸収帯と非吸収帯の波長の光を同じ空間に通し、受光光量の強度比に基づきガス濃度を測定する方法がある。
工業プラントなどの地表上の大規模な空間を短時間に効率よく測定する場合には、特許文献１に記載されるように、航空機に搭載される投光装置及び受光装置を有したガス濃度測定装置から地表面に向け光束を照射し、地上物により反射された反射光を受光することで測定する方法が適当である。反射体となる地上物としては地表面（砂地、草地、舗装面など）のほか建物や自動車などの地表面上の人工物がある。航空機の移動によって地表面上をスキャニングすることで測定対象地帯のガス濃度分布を取得することができ、ＧＰＳなどにより測定地点の位置情報を得ることで地図上にガス濃度をマッピングすることが可能である。また、自律飛行式無人機を利用することで安全、低コストに、効率よく測定を行うことができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７７３４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、飛行制限等により上述の航空機の高度を高く飛行することが求められることで、測定誤差が大きくなってしまうことがある。その測定誤差の要因は、自然界にあるメタンである。自然界にあるメタンの濃度が一定でないため、航空機から地上物までの距離に相当する測定距離が長くなればなるほど、ガス漏洩でなくともガス測定濃度が高く出るからである。
小型軽量に構成される自律飛行式無人機を使うことで、低空でも飛行でき誤差を低くすることは可能である。
しかし、地上物での光の反射を利用したガス測定方法の場合、地上物の反射特性の如何により受光光量の変化が起きる。すなわち、地上物の反射率や正反射・拡散反射する性質、正反射の性質が強い場合の入射角・反射角の如何、具体的には地上物が池などの水であったり、緑葉植物であったり、自動車のフロントガラスか又はリフレクターであったりすることにより受光光量は影響を受ける。受光装置の感度に対して受光光量が過大であったり、過小であったりすることで測定精度が低下し、１回の測定では測定結果が正確か否か判定できないという問題や、測定条件を変更して再測定するには航空機が引き返さなくてはならず長時間を要し非効率であるという問題がある。
【０００５】
本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、航空機から地表面上に向けて照射した光の地上物からの反射光を同航空機で受光して所定のガスの濃度を測定しその分布を取得するガス濃度分布測定システムにおいて、ガス濃度測定値の信頼性を効率的に向上することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、航空機に搭載され、地表面上に向けて所定のガスの濃度測定用の光を照射し、当該光の地上物からの反射光を受光して前記所定のガスの濃度を測定するガス濃度測定装置を備え、前記航空機が所定の測定対象地帯上を航行して当該測定対象地帯における前記所定のガスの濃度分布を取得するガス濃度分布測定システムであって、
前記航空機の現地点における前記航空機の移動方向に沿って地表面上の前記ガス濃度測定装置による測定対象域より前方の前方域からの反射光を受光し当該前方域の反射特性を測定する前方域反射特性測定装置を、前記ガス濃度測定装置が搭載される航空機又は他の航空機に備え、
さらに、前記前方域反射特性測定装置による測定結果に基づき、前記ガス濃度測定装置が搭載される航空機の飛行を制御する制御手段、前記ガス濃度測定装置の測定条件を制御する制御手段、及び前記ガス濃度測定装置の測定結果の信頼性を判定する判定手段のうち少なくともいずれか一を備えるガス濃度分布測定システムである。
【０００７】
請求項２記載の発明は、前記制御手段は、前記前方域反射特性測定装置による測定結果に基づき、前記ガス濃度測定装置が搭載される航空機の飛行高度、飛行速度及び飛行経路のうちいずれか１又は２以上を制御する請求項１に記載のガス濃度分布測定システムである。
【０００８】
請求項３記載の発明は、前記制御手段は、前記前方域反射特性測定装置による測定結果に基づき、前記ガス濃度測定装置による投受光方向、投光パワー、受光信号のサンプリングレート、受光部のフィルタリング及び受光部の絞りのうちいずれか１又は２以上を制御する請求項１又は請求項２に記載のガス濃度分布測定システムである。
【０００９】
請求項４記載の発明は、前記前方域反射特性測定装置は、前記前方域からの反射光のうち前記所定のガスの濃度測定用の光と共通の波長域につき、反射特性を測定する請求項１から請求項３のうちいずれか一に記載のガス濃度分布測定システムである。
【００１０】
請求項５記載の発明は、前記前方域反射特性測定装置は、前記所定のガスの濃度測定用の光と共通の波長域の光を前記前方域に照射する投光装置を有する請求項４に記載のガス濃度分布測定システムである。
【００１１】
請求項６記載の発明は、前記前方域反射特性測定装置の測定視野は、前記ガス濃度測定装置の測定視野より大きい請求項１から請求項５のうちいずれか一に記載のガス濃度分布測定システムである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ガス濃度測定装置による測定対象域より前方の前方域の反射特性を、前方域反射特性測定装置により事前に測定し、前方域反射特性測定装置による測定結果に基づき、航空機の飛行を制御することによるガス測定の測定条件の制御、ガス濃度測定装置を直接制御することによるガス測定の測定条件の制御、及び、ガス濃度測定装置の測定結果の信頼性の判定のうち少なくともいずれか一つを実行することで、ガス濃度測定値の信頼性を向上することができる。
前方域反射特性測定装置により前方域を測定するので、反射特性を事前に知れた領域に対しガス濃度測定装置によるガス濃度測定を実行することができ、航空機が同じ地点を再飛行して長時間を要するということがなく効率的に信頼性の高いガス濃度測定を実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係るガス濃度分布測定システムによる測定の一例を示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るガス濃度分布測定システムによる測定の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の一実施形態に係るガス濃度分布測定システムによる測定の一例を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るガス濃度分布測定システムによる測定の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に本発明の一実施形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。
【００１５】
本実施形態のガス濃度分布測定システムは、図１に示すようにガス濃度測定装置１１及び前方域反射特性測定装置１２が搭載される航空機１を備える単独構成、又は図２に示すようにガス濃度測定装置１１が搭載される後行航空機２と、前方域反射特性測定装置１２が搭載される先行航空機３とを備える編隊構成によって実施される。
各航空機１，２，３は、自律飛行式無人機である。航空機１，２に搭載される制御装置１３は、自律飛行制御を司るとともに、前述の制御手段及び判定手段として機能する。航空機３に搭載される制御装置１４は、自律飛行制御を司る。また、編隊構成では、航空機２に搭載される通信装置１５と、航空機３に搭載される通信装置１６との間で通信が可能とされており、前方域反射特性測定装置１２の測定結果が航空機３から航空機２に送信される。航空機１，２に搭載される通信装置１５、航空機３に搭載される通信装置１６は、命令やその他の情報の送受信にも利用される。
【００１６】
まず、図１の例につき説明する。
航空機１が所定の測定対象地帯上を航行している間、ガス濃度測定装置１１は、地表面２０上に向けて所定のガスの濃度測定用の光３１を照射し、当該光３１の地上物２１，２２からの反射光３２を受光して所定のガスの濃度を測定する。所定のガスとしては例えばメタンである。ガス濃度測定装置１１の濃度測定方式としては、所定のガスの吸収帯域の光と、非吸収帯域の光を照射し、受光した反射光に含まれる吸収帯域の光と、非吸収帯域の光との強度比を算出する方式を実施する。
以上により測定対象地帯における所定のガスの濃度分布を取得するガス濃度分布測定システムが構成される。ガス濃度分布の地図上へのマッピングに関しては、航空機１にＧＰＳ受信機を搭載し、経度緯度情報を記録することで可能である。
【００１７】
一方、前方域反射特性測定装置１２は、航空機１が所定の測定対象地帯上を航行している間、航空機１の現地点における航空機１の移動方向Ｆに沿って地表面２０上のガス濃度測定装置１１による測定対象域３０より前方の前方域４０からの反射光を受光し当該前方域４０の反射特性を測定する。すなわち、前方域反射特性測定装置１２による測定対象域４２がガス濃度測定装置１１による測定対象域３０より前方である。
前方域４０の反射特性を測定するために、ＣＣＤなどの画素マトリックスを有した受光素子を適用し、測定対象域４２内の各位置における反射特性を測定するものが適用される。又は、航空機１の移動方向Ｆに対して左右に１素子ＰＤの受光視野を走査するものであっても良い。
また、地上物の反射特性の影響によりガス濃度測定装置１１における受光光量がどうなるかを、事前に前方域反射特性測定装置１２によって測定することが目的であるため、前方域反射特性測定装置１２は、前方域４０からの反射光のうちガス濃度測定装置１１による測定対象ガスの濃度測定用の光と共通の波長域につき、反射特性を測定するものとされる。具体的には、上述した吸収帯域の光につき反射特性を測定する。
前方域反射特性測定装置１２が測定する反射光の光源は、太陽光であってもよいが、前方域反射特性測定装１２が、吸収帯域の光または非吸収帯域の光を前方域４０に照射する投光装置を有するものとして実施することが好ましい。前方域反射特性測定装置１２における吸収帯域または非吸収帯域の光の受光を確実にできるとともに、夜間測定も可能になるからである。
【００１８】
前方域反射特性測定装置１２の測定対象域４２が測定対象地帯に入れば、前方域反射特性測定装置１２による測定が開始される。遅れてガス濃度測定装置１１の測定対象域３０が測定対象地帯に入り、ガス濃度測定装置１１による測定が開始される。
図１に示す池２２が前方域反射特性測定装置１２の測定対象域４２に入ったとき、池２２からの反射による吸収帯域の光の受光光量が池２２の周囲の同時又は既に測定した地表面２１からの反射による吸収帯域の光の受光光量より過度に減少したとする。
制御装置１３は、池２２からの反射による吸収帯域の光の受光光量では過小のためガス濃度測定装置１１の測定精度が落ちると判断し、航空機１の飛行経路を制御して池２２を回避し、池２２の周囲の地表面２１での反射によりガス濃度測定を実行する。
これにより、ガス濃度測定装置１１により吸収帯域及び非吸収帯域の受光強度値がそれぞれ正確に得られて、ガス濃度測定値の信頼性が向上する。
【００１９】
次に、図２の例につき説明する。
計画飛行経路上を航空機３が航空機２に先行して飛行する。前方域反射特性測定装置１２の測定対象域４２が測定対象地帯に入れば、前方域反射特性測定装置１２による測定を開始する。遅れてガス濃度測定装置１１の測定対象域３０が測定対象地帯に入り、ガス濃度測定装置１１による測定を開始する。
図２に示す池２２が前方域反射特性測定装置１２の測定対象域４２に入ったとき、池２２からの反射による吸収帯域の光の受光光量が池２２の周囲の同時又は既に測定した地表面２１からの反射による吸収帯域の光の受光光量より過度に減少したとする。
制御装置１３は、飛行経路を変更せず、池２２での反射を含めてガス濃度測定を続行する。制御装置１３は、判定手段として機能し、池２２での反射によるガス濃度測定装置１１の測定結果の信頼性を、共通の測定対象域、すなわち池２２に対する前方域反射特性測定装置１２による測定結果に基づき判定する。例えば、池２２からの反射による吸収帯域の光の受光光量では過小のため正確な受光強度値が得られずガス濃度測定装置１１の測定結果の信頼性は「低い」と判定する。池２２の周囲の地表面２１での反射によるガス濃度測定結果については、信頼性が「高い」と判定する。
ガス濃度測定装置１１の測定結果に以上の判定結果が関連付けされることで、ガス濃度測定値の信頼性を向上することができる。
【００２０】
次に、図３の例につき説明する
図３の例におけるシステム構成は、図１と同じく単独構成としている。
航空機１の飛行経路上の地表面２０に、乾いている領域２３と、濡れている領域２４があったとする。乾いている領域２３は比較的反射率の高く、濡れている領域２４は比較的反射率の低くなる。
制御装置１３は、前方域反射特性測定装置１２の測定結果に基づき乾いている領域２３からの高い反射率では、ガス濃度測定装置１１での受光光量が感度上限を超えて飽和すると判断し、乾いている領域２３がガス濃度測定装置１１の測定対象域３０に入る時の航空機１の飛行速度を上げる。
これに比較して、制御装置１３は、濡れている領域２４がガス濃度測定装置１１の測定対象域３０に入る時の航空機１の飛行速度を相対的に下げる。
ガス濃度測定装置１１による一つの受光強度値を得るためのサンプリング積算量を、乾いている領域２３では過多となることを抑え、濡れている領域２４では過少となることを抑えてそれぞれ適度にし、ガス濃度測定装置１１により吸収帯域及び非吸収帯域の受光強度値がそれぞれ正確に得られて、ガス濃度測定値の信頼性が向上する。
【００２１】
次に、図４の例につき説明する
図４の例におけるシステム構成は、図１と同じく単独構成としている。
図４に示す建物２５が前方域反射特性測定装置１２の定対象域４２に入ったとき、建物２５の屋上面からの反射による吸収帯域の光の受光光量が建物２５の周囲の同時又は既に測定した地表面２１からの反射による吸収帯域の光の受光光量より過度に増加したとする。
制御装置１３は、建物２５からの反射による吸収帯域の光の受光光量では過大のためガス濃度測定装置１１での受光光量が感度上限を超えて飽和すると判断し、ガス濃度測定装置１１での受光光量を落とすための次のようにガス濃度測定装置１１の測定条件を制御する。すなわち、ガス濃度測定装置１１による投光の出力パワーを落とす、受光部にＮＤフィルターを介入させる、受光部の可変絞りを小さく絞るなどである。
これにより、ガス濃度測定装置１１により吸収帯域及び非吸収帯域の受光強度値がそれぞれ正確に得られて、ガス濃度測定値の信頼性が向上する。
【００２２】
以上の実施形態において、前方域反射特性測定装置１２の測定視野４１は、ガス濃度測定装置１１の測定視野３３より大きくされている。
これにより、飛行経路や飛行高度の誤差や意図的な飛行経路や飛行高度の変更があっても、ガス濃度測定装置１１の測定対象域３０が前方域反射特性測定装置１２による測定済みの領域に入るようにすることが容易である。
【００２３】
その他の実施形態等につき説明する。
図１の例、図３の例、図４の例においても、図２の例のように編隊構成で実施してもよい。
図１の例では、飛行経路を制御することで池２２を回避したが、ガス濃度測定装置１１の投受光方向を変更することで、飛行経路を変更せずにガス濃度測定装置１１による測定対象域を池２２から回避してもよい。
図３の例では、飛行速度を制御することにより、一つの受光強度検出値を得るためのサンプリング積算量を制御したが、飛行速度を変更せず受光信号のサンプリングレートを制御することで一つの受光強度検出値を得るためのサンプリング積算量を制御してもよい。
図２の例における測定結果の信頼性の判定は、図１の例、図３の例、図４の例のように、航空機の飛行やガス濃度測定装置の測定条件を制御する場合にも実施してもよい。
以上の実施形態では、飛行経路の制御、飛行高度の制御、飛行速度の制御等の航空機の飛行制御、ガス濃度測定用の光の投受光方向や投光パワーの制御、サンプリングレートの制御、受光部のフィルタリングや絞りの制御等のガス濃度測定装置の測定条件の制御を個々に実施する場合を説明したが、適宜に組み合わせて実施することで効果的に目的を達成することができる。
以上の実施形態における前方域反射特性測定装置１２は、吸収帯域の光に加えて、ガス濃度測定装置１１と同じ非吸収帯域の光を照射するものであってもよい。
同一の航空機１に搭載する場合、ガス濃度測定装置１１と前方域反射特性測定装置１２は、光源や受光素子を共用化して構成してもよい。
編隊構成の場合、いずれの航空機に制御手段や判定手段を構成するかは任意である。
ガス濃度測定装置１１及び前方域反射特性測定装置１２による測定結果とその位置情報を地上装置に送信し、当該地上装置に制御手段や判定手段を構成して実施してもよい。
制御手段や判定手段が搭載される航空機を設ける場合も、ガス濃度測定装置１１や前方域反射特性測定装置１２が搭載される航空機とは別に設けてもよい。
【符号の説明】
【００２４】
１     航空機
２     後行航空機
３     先行航空機
１１   ガス濃度測定装置
１２   前方域反射特性測定装置
１３   制御装置
１４   制御装置
１５   通信装置
１６   通信装置
２０   地表面
３０   測定対象域
３３   測定視野
４０   前方域
４１   測定視野
４２   測定対象域
Ｆ     移動方向
【図１】
2017125786.tif 000003
【図２】
2017125786.tif 000004
【図３】
2017125786.tif 000005
【図４】
2017125786.tif 000006