四国電力，四国総合研究所
研究期報１０６（2017年6月）
１９－２５ページ

高空間分解能酸素分布モニタリング技術の実現に向けた実験的検証㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部㈱四国総合研究所 電子技術部

キーワード：

レーザラマン分光
酸素欠乏症
遠隔計測
LＩＤＡＲ
マルチガス計測Key Words：

荻田
市川
星野
杉本
三木
朝日

将一
祐嗣
礼香
幸代
啓史
一平

Laser Raman Spectroscopy
Oxygen deficiency
Remote sensing
LIDAR
Multi-gas measurement

Experimental verification of high-resolution monitoring technology for oxygen concentration distribution

Shikoku Research Institute, Inc., Electronics Technology Department
Masakazu Ogita, Yuji Ichikawa,Ayako Hoshino,Sachiyo Sugimoto,Hirofumi Miki,Ippei Asahi

Abstract

More than fifty industrial accidents have been reported to be caused by oxygen deficiency for the last ten years.
Those kinds of accidents often lead to death and it is necessary to prevent them beforehand. A common method toprevent accidents in the work site, for example, when inspecting tunnels, manholes, or pipelines, is to measureoxygen concentration at any time, which requires a contact-type sensor body of a portable oxygen detector to be
exposed to the environment there, but there are a lot of issues about the safety of the method. Therefore, there is a
growing need to develop remote oxygen concentration measurement techniques. We experimentally verified a new
high-resolution LIDAR system for monitoring oxygen concentration distribution with high position specification
accuracy using remote gas concentration measurement technology applying Raman LIDAR that we had developed.
In this paper the configuration of the system and the results of the verification test are presented in detail.

－19－高空間分解能酸素分布モニタリング技術の実現に向けた実験的検証

1. 序論

一般に，光が気体中を進行すると，分子による酸素欠乏症による労働災害は，平成 18～27 年

光の散乱が起こる。その大部分は，レイリー散乱度の 10 年間で 50 件以上の発生が報告されていると呼ばれ，照射された光と同じ波長の散乱光とな

1)。酸欠による事故は致死率が極めて高く，死にるが，極一部は，元の光と異なる波長となって散至らずとも脳に障害が残る危険性があり，事故を乱される。この現象をラマン効果，元の波長と異未然に防ぐことが必須である。一方，トンネルやなる波長となった散乱光のことをラマン散乱光

マンホール，あるいは管路点検等の作業時の酸欠と呼ぶ。ラマン効果は，入射光と，散乱体である事故の防止策として主流となっている手法は，携

気体分子との間でエネルギの授受が行われるこ帯型の酸素検知器を用いて，作業箇所の酸素濃度とによって生じる現象であり，その結果，散乱光を随時測定して安全性の確認を行うものである。

波長がシフトする。分子は，分子種ごとに固有のこの手法は，酸素分子とセンサ素子が直接触れる

内部エネルギを有するため，ラマン散乱光の波長ことにより検知する接触式センサを用いるため，は分子種ごとに固有の値となる 3)。ラマン散乱光

センサ本体を測定環境に曝す必要がありオペレにはいくつかの種類があるが，本装置では，ストータの安全性に課題がある。また，センサが置かークス光と呼ばれるラマン散乱光を検出するこれた 1 点における酸素検知を行うものであり，空とによって酸素濃度のモニタリングを行う。スト

間的な濃度分布計測や遠隔からの計測は困難でークス光は，入射光のエネルギの一部が分子の内ある。したがって，酸素濃度の空間的な分布を遠部エネルギに転化することによって生じるもの

隔から安全に計測する技術が現在求められていで，入射光よりもエネルギの低い光となる。したる。これらの背景を踏まえて，本稿では，著者らがって，ストークス光の波長は，入射光よりも長がこれまでに開発を行ってきたガス濃度遠隔計

くなる。

測技術 2)を応用して，高い位置特定精度を有する

表 1 に，大気の主成分である窒素及び酸素と，酸素濃度空間分布モニタリングを目的としたラ

代表的な可燃性ガスである水素及びメタンのラ

イダシステム(以下，本装置)の実現に向けた実験

マンシフト及びラマン散乱波長を，図 2 に窒素及的検証を行ったので，その装置構成及び機能検証

び酸素のラマンスペクトルの一例をそれぞれ示試験の詳細について述べる。

す。

2. 計測手法

表１

2.1

ラマン効果

本装置は計測原理としてラマン効果を用いる。
ラマン効果の概念を図 1 に示す。

各種ガスのラマン散乱波長(355nm 励起)

Molecular
speciesRaman shift[cm-1]

Raman scattering
wavelength [nm]O21556.0375.8

N22330.7387.0

H24160.2416.5

CH42914.0396.0

表１に示すように，ラマン散乱光の波長は散乱体となるガスの種類によって異なるため，分光器
や光学フィルタ等で分光して計測することにより，複数のガスが存在する環境下でも，対象とするガスのみを分離して検出することが可能である。また，図 2 に示すように，355nm のレーザ光で励起した場合，酸素のラマン散乱波長は，大気中に多量に存在する窒素分子のラマン散乱波長
図1

ラマン効果の概念(上)とエネルギ準位(下)に対し 10nm 以上離れていることから，透過波長－20－高空間分解能酸素分布モニタリング技術の実現に向けた実験的検証

域が比較的広い汎用的な光学フィルタを用いて技術であり 4)，一般的に知られている電波帯の電酸素のみの観測が可能であり，励起レーザ光とも

磁 波 を 送 信 波 と し て 用 い る レ ー ダ (RADAR ：十分に分離することができる。

Radio Detection And Ranging)計測とは異なり，ラOxygenNitrogen

500
400

Intensity [a.u.]Transmission wavelengthof optical filter

Excitation Wavelength(355nm)▼

イダ計測では送信波に光の波長帯域の電磁波であるレーザ光を用いている(図 4)。ライダは，レーザ光の単色性や指向性等の特性を利用し，遠方にある物質までの距離やその形状，及び濃度等の300

諸情報を遠隔計測する手法である 5) 6)。

200
100
0
350

図2

360

370
380
390
Wavelength[nm]400

窒素と酸素のラマンスペクトル(355nm 励起)

また，ラマン散乱光の強度は分子の数，即ちガス濃度に比例する。したがって，ラマン効果を捉えることにより，分子種の特定と濃度の定量化を同時に行うことができる。図 3 に，ガスセル内に充填した酸素ガス濃度を段階的に変化させた場

図4

ライダの概念合におけるラマン散乱光強度計測結果を示す。
ライダの基本原理は，観測空間にパルスレーザ
Raman Signal Intensity[mV]

光を照射し，被検物質と光の間に生じる散乱光，100

吸収，蛍光等の相互作用をライダエコーとして検80出するものである。測定対象となる物質や得られる情報は，ライダエコーとして受信する相互作用

y = 9.333 x
R² = 0.987

60によって異なり，一般的には，エアロゾル 7)8)，40

水蒸気 9)，風速 10)等の大気観測に用いられている。

20

本稿では，ライダによる観測としては近距離とな

0

る 10m 程度を対象とし，被検ガスの位置特定と
0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

Oxygen concentration [%]図3

濃度情報を得るためにライダエコーとしてラマン散乱光を捉えるシステムを開発する。
ラマンライダによる遠隔計測において，離隔距

酸素ラマン信号強度の濃度依存性

離 r の位置から得られるエコー信号強度 P(r)は一酸素濃度とラマン信号強度の相関係数は，図 3に示すように，0.9 以上の高い線形の相関を示し

般に(1)に示すライダ方程式によって記述される
11) 12)ている。このように，事前に検量線を取得してお。

P(r)  PL

くことで，未知の酸素濃度を計測することができc
AR R N (r ) 2  (r)e ( L  R ) r … (1)2r

ここで PL はレーザ出力，c は光速，はレーザる。

光パルス幅， R はラマン散乱光の受光効率， R
ライダによる気体の空間分布遠隔計測

は対象分子の後方ラマン散乱断面積，N(r)は距離

ライダ(LIDAR：Light Detection And Ranging)は

r の位置における被検ガスの分子密度，A は受光

レーザレーダとも呼ばれる光を用いた遠隔計測

面積，(r)は視野重なり関数，L と R はレーザ波

2.2

－21－

高空間分解能酸素分布モニタリング技術の実現に向けた実験的検証

誘導放出により光を増幅させるには，下位のエ長とラマン散乱波長における消散係数である。
(1)式により，ライダエコーとして得られるラ

ネルギ準位よりも上位のエネルギ準位に存在す

マン信号強度は，送信系のレーザ出力または受信る電子が多い状態(反転分布)が必要であり，反転系の受光面積を増大するほど強くなるが，これは分布の状態を形成できる物質がレーザ装置のコ装置の大型化に繋がり，またレーザ出力についてアとなるレーザ媒質に用いられている。一般にレは，大気空間中への放射に制約が生じる。受光効

ーザ媒質が固体であれば固体レーザ，気体であれ

率 R は，ライダを構成する光学系の分光透過特性

ば気体レーザと呼称し，それぞれ代表的なものとや，検出器の量子効率等に依存し，視野重なり関

しては，YAG(Yttrium Aluminum Garnet)結晶，CO2

数 (r)は，ライダ送受信光学系の配置に依存する。

などが用いられている 14)。励起の方法には，光照

また両者はアライメント精度の影響を大きく受射，放電等がある。また，誘導放出によって生じける。これらを踏まえ，酸素ラマンライダ開発のた光は，共振器内に閉じ込めることによって更に指針は，光学系の材質や配置の観測波長域での最効率的に増幅される。典型的なレーザ共振器は，適化と，受光面積の拡大を必要最小限に留めるも2 枚の高反射ミラーを向い合わせにした構造になのとし，コンパクトかつレーザの出力を可能な限っており，出射側のミラーの反射率は，反対側のり抑えた上で，十分なライダエコーを取得できるミラーに比べていくらか低く，閉じ込めた光の一

光学系の実現を目指した。

部を透過させることによってレーザ光が発振される。したがって，レーザ装置はいずれも図 6 に

2.3 短パルスレーザ励起による高空間分解能化示すように，励起エネルギ源，レーザ媒質，光共(1)レーザ装置の動作原理

振器からなる構造となっている。

図 5 に示すように，原子，分子，半導体などで，異なる２つのエネルギ状態 E1，E2 が存在し，エネルギの高い状態から低い状態へと遷移が起こる時，そのエネルギ差に対応した波長の光が放出される。この過程を自然放出と呼ぶ。これに対し，励起状態にある分子などが，外部からのエネルギの入射に伴いより低い準位へ遷移すると共に，これに相当するエネルギを光として放射する現象
を誘導放出と呼ぶ。誘導放出によって放射される
光は，位相，波長，偏光等の光学的特性が入射し

図6

レーザ装置の仕組み

た光と一致する。レーザは，この誘導放出を利用して増幅された光であり，単色性，直進性等，通(2)DPSS マイクロチップレーザの適用

常の光と比較して際立った特徴を持つようにな
る

13)

。

本装置の送信系の光源として，マイクロチップ
DPSS(Diode-Pumped Solid-State)レーザを用いる。
マイクロチップ DPSS レーザの基本構造を図 7 に
示す。

図7
図5

マイクロチップ DPSS レーザの構造

自然放出(a)と誘導放出(b)DPSS レーザは，半導体レーザを励起光源とす－22－

高空間分解能酸素分布モニタリング技術の実現に向けた実験的検証

3．酸素ラマンライダの装置構成

る固体レーザの一種である。一般にレーザ発振器
は，光の照射や電流を流すなどして内部のレーザ

図 8 に酸素ラマンライダシステムの光学系構

媒質を励起させてレーザ光の発振を行うが，成を示す。ライダ光学系の配置としては，光送受DPSS レーザの場合，半導体レーザ(Laser diode，

信 軸 が分 離 され た biaxial 型 (双 頭型 )とし た 。

以下 LD) の照射で媒質を励起させる。また，レbiaxial 型は，受信光軸に対する送信光軸のなす角ーザ媒質の長さが mm オーダ以下の固体レーザ度に依存するブラインドエリアが生じる一方，光はマイクロチップレーザと呼ばれている。これは学系の構成としては比較的シンプルなため構成

レーザ装置におけるレーザ媒質と光共振器，更にが容易であり，かつ，送信ビームに起因するノイは波長変換結晶や受動 Q スイッチ素子の機能をズ成分が少ないといった特徴を持つ。送信系の光

わずか数 mm 角のモノリシックデバイスに集積

源にマイクロチップレーザ(波長 355nm，パルス化したものである。したがって，DPSS マイクロエネルギ 42J，パルス幅 1.5ns，パルス繰返し周

チップレーザは，励起用の LD とマイクロチップ

波数 1kHz)を用い，受信系は，屈折式望遠鏡によにより構成され， LD と同等のサイズながら，高りライダエコーを集光し，光電子増倍管(浜松ホ

出力化・高機能化が容易であるため，近年急速に

トニクス社製，R7400U)により検出する構成とし20)。

た。レーザ光は，放射後ビームエキスパンダによマイクロチップ DPSS レーザは，媒質の吸収特りコリメートされ観測空間中に照射した。これに性に応じて，狭いスペクトルで励起が行われるこ伴って生じるラマン散乱光は，ライダエコーとしとから，励起効率が非常に高く，加えて曲率加工て開口径 170mm のアクリル製フレネルレンズにを施さずとも励起に付随した熱レンズ効果で安より受信光学系内に集光され，エッジフィルタ

定した共振器が形成されるため，飛躍的に高輝度(レーザ波長遮断率<10-6)によるレーザ波長成分で高いビーム品質を持ったレーザ光の発振が可の除去と干渉フィルタ(中心波長 375.1nm，帯域幅能となる。また，フラッシュランプ励起の固体レ

1.0nm)による酸素のラマン散乱光(波長 375.1nm)

ーザ等と比較して，小型で軽量，周波数・強度雑の抽出を経て，光電子増倍管に結合される。光電音が低い，波長変換が容易，長寿命で保守が容易

子増倍管の出力はオシロスコープ(Tektronix 社製，であるなどの特徴を持ち，非線形光学波長変換素DPO7104C)に伝送され，時間波形として取得され子や Q スイッチ素子との組合せにより，LD 単体

る。測定更新周期は 1 秒である。また，レーザパ

では困難であった様々な機能を実現することがルス光を一部分岐検出し，オシロスコープのトリできる特徴がある。これらの特徴は，ライダシス

ガ信号として用いた。

開発が進められている

テムの実用化に向けて，極めて重要な要素である。
一方，ライダ計測における空間分解能 r は，
送信レーザ光のパルス幅  により， r=c・ 2
として決定される。本装置は，10m 程度の近距離での測距を行うため，従来のライダシステムにおける m~数十 m オーダの空間分解能に対し少なく
とも 10 倍以上の高い空間分解能が必要となる。
マイクロチップレーザは，共振器等がモノリシッ
ク化された構造となっているため，一般に，ns～数百 ps でパルス発振が可能となる。これは，空間分解能として数 cm～十数 cm に相当し，従来のライダシステムと比較して大幅な高空間分

図8

酸素ラマンライダの光学系構成

解能化が実現できる。また，ラマン散乱光強度は，
パルスレーザ光の瞬間的な尖頭出力に依存する

本装置では，高空間分解能を実現するために，ため，短パルス化することにより，実質的には励送信系レーザ光のパルス幅が 1.5ns となっており，起エネルギを抑えることができる。

ラマン散乱光信号もこれと同等のパルス光とな－23－

高空間分解能酸素分布モニタリング技術の実現に向けた実験的検証って光電子増倍管により検出される。即ち，光学

図 10 に示すように，20cm 間隔で取得したライ系で得られた短パルスのラマン散乱光を，時間波

ダエコー(ハードターゲットからの反射光 )がい

形で正確にデジタル信号として取得するためにずれもパルス光として検出されている。実施したは，高速に応答する光検出器と，高速 A/D 変換

計測では，ライダシステムの感度に空間的な分布機能を有するデジタイザが必要である。したがっがあるため，各位置毎にライダエコー強度は変動てここでは，検出器として立ち上がり時間が速い

するが，ここでは評価のため，信号強度は規格化

ヘッドオン型光電子増倍管を用い，デジタイザとして表記している。空間分解能について見ると，して 5GS/s のサンプルレート有する高速オシロ

それぞれ隣接するパルス波形についてピークがスコープを用いて信号を取得した。

確認できる一方で，信号強度約 80%で波形が重なっており分離度は低い。ここでは，波形の分解能

4．機能検証を半値全幅(FWHM： Full width at half maximum)

4.1の 50%における分離で評価する。これに照らし合

空間分解能の評価試作した酸素ラマンライダを用いて，装置の空わせると，本装置の空間分解能は約 30cm となり，間分解能の評価を行った。実験配置を図 9 に示す。

パルス幅から求めた空間分解能に対し広くなっている。これは，主に検出器に用いた光電子増倍管の応答速度によって，パルス光が若干時間的に広がって検出されていることに由来するものである。しかしながら，一般的なライダシステムと比較すると十分に高い空間分解能が実現されており，本装置によれば，30cm 程度の分解能で位置の特定が可能となる。
4.2 大気中酸欠モニタリング機能の評価
大気中に酸欠状態を模擬した空間を形成し，本図9装置による低酸素領域の検出機能を評価した。実

酸素濃度遠隔計測実験の配置

験配置を図 11 に示す。
ライダの視野内にハードターゲットを配置し，その反射光を検出した。ターゲットの位置をレー
ザ光のパルス幅から求めた空間分解能(r=22.5cm)程度の 20cm 毎で移動させた場合のライダエコー信号を比較することで，本装置の空間分解能を評価した。実験結果を図 10 に示す。
120

Signal Intensity [a.u.]

100

図 11

酸素濃度遠隔計測実験の配置

80

本装置の観測領域に長さ 1.5m の塩化ビニル管

60を 7m 離隔して設置し，管内に窒素ガスを放出す

40ることにより低酸素領域を模擬した空間を再現20した。管内にレーザ光を照射し，発生する酸素ガ
スのラマン散乱光をライダエコーとして取得し

0
4.0

4.2

図 10

4.4

4.6

4.8 5.0 5.2
Distance[m]

5.4

5.6

空間分解能の評価結果事例

5.8

6.0

た。得られた信号を通常の大気中において取得した酸素のラマンエコーと比較した。また，管内に設置した接触式酸素濃度計の指示値とライダに－24－

高空間分解能酸素分布モニタリング技術の実現に向けた実験的検証

Oxygen Raman Signal Intensity [mV]より得られた酸素濃度とを比較することにより，定量性を評価した。
ライダの観測領域は 6m から 12m とし，6m の位置が焦点となる光学系配置とした。図 12 に，
大気中及び低酸素領域における酸素ラマン信号

Oxygen Raman Signal Intensity [mV]を比較した結果を示す。

10

25
20
15

10
5
6.7-6.9m－Atmosphere

8－Nitrogen mix

7.0-7.2m

7.3-7.5m

15

20

0
0

5

10

25

Oxygen concentration (Indicated value of sensor) [%]

6

図 13

酸素ラマン信号とセンサによる酸素濃度4指示値の比較

2

図 13 によると，低酸素領域のいずれの箇所においても，接触式センサの指示値に対して良好な

0
2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

12.0

Distance [m]図 12

大気中及び低酸素時における酸素のラマ
ン散乱光信号相関が得られており，本装置の酸素の定量性が示されている。実用においては，図 12 における大気中の酸素によるラマン信号を事前に取得し，これを酸素濃度 20.95%(一定)として，濃度換算することができる。本結果における相関のバラつきや図 12 における通常の大気中における酸素のラ線形近似直線の勾配の差は，主に酸素センサ設置

マン信号波形についてみると，本装置の観測領域

位置と測定箇所(レーザ照射位置)の差異に起因である 6m から 12m の領域で焦点位置から後方のするものと考えられる。

約 7m 付近にピークを持つ酸素ラマン信号の分布が確認できる。これは biaxial 型のライダシステ

5. 結論

ムにおけるラマンエコーの典型的な時間波形と高い空間分解能を有する酸素濃度分布モニタなっており，本装置が遠隔計測装置として良好にリングを目的としたラマンライダシステムの実機能していることを示している。低酸素領域を形現に向け，試作機の開発と機能の実験的検証を行成した場合の波形についてみると，塩化ビニル管った。本装置の空間分解能は約 30cm であり，通が設置された 7m 地点を中心に約 2m の領域にお常のライダシステムと比較して大幅な空間分解

ける信号が著しく低下していることが確認でき能の向上を実現した。また，大気中の酸素濃度のる。これは本装置が，大気中における酸素濃度の空間分布のモニタリングが可能であり，濃度の定空間分布モニタリングが可能であることを示す

量評価が可能であることを示した。これにより，結果である。

本装置を用いて，遠隔から酸素濃度の低下とその次に，管内下方 3 箇所に配置した接触式センサ

位置及び範囲をリアルタイムにモニタリングすにより測定した酸素濃度と，本装置により取得しることができ，酸欠による災害事故防止に向けたた各センサ配置箇所における酸素ラマン信号強低酸素領域の連続監視等に有効であることを確度を比較した結果を図 13 に示す。

認した。
今後は，ライダシステムの小型化，高性能化を進め，更なる高分解能化の実現や，他のガス種への応用など，実用化に向けた研究開発を進めていく予定である。

－25－

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