信号処理装置およびレーザ計測装置
【課題】受光信号から所望の信号成分を高い精度で検出することができる信号処理装置およびレーザ計測装置を提供することにある。
【解決手段】透過周波数を含む透過周波数帯域の出力を通過させ、透過周波数帯域以外の出力を減衰する水晶フィルタと、透過周波数と指定周波数との差分の周波数を発振する発振器と、発振器から発振された信号と水晶フィルタを通過した信号とを混合し、水晶フィルタを通過した信号の透過周波数の出力を、指定周波数の出力に変換する下流側周波数変換器と、を有し、指定周波数以外の周波数の出力を低減するフィルタ処理部と、フィルタ処理部で処理された信号にスペクトル信号抽出処理(例えば、ロックイン処理)を行い、スペクトル信号を抽出するスペクトル信号抽出器(例えば、ロックイン検出器)と、を含む信号処理部を有することで上記課題を解決する。
【解決手段】透過周波数を含む透過周波数帯域の出力を通過させ、透過周波数帯域以外の出力を減衰する水晶フィルタと、透過周波数と指定周波数との差分の周波数を発振する発振器と、発振器から発振された信号と水晶フィルタを通過した信号とを混合し、水晶フィルタを通過した信号の透過周波数の出力を、指定周波数の出力に変換する下流側周波数変換器と、を有し、指定周波数以外の周波数の出力を低減するフィルタ処理部と、フィルタ処理部で処理された信号にスペクトル信号抽出処理(例えば、ロックイン処理)を行い、スペクトル信号を抽出するスペクトル信号抽出器(例えば、ロックイン検出器)と、を含む信号処理部を有することで上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ吸収分光法により測定対象のガスの物理量を算出するレーザ計測に用いる信号処理装置およびレーザ計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
管路内を流れるガス（気体）を分析する方法として、レーザ光を測定光として用いる方法がある。例えば、特許文献１には、一定電流に重畳された第１の交流成分を有する電流で変調され、温度に応じて波長が変化するレーザ光を発振するレーザと、検知雰囲気通過後のレーザ光の強度を電圧に変換する光強度電圧変換器と、該光強度電圧変換器の出力電圧を位相敏感検波する２つの位相敏感検波器と、一方の位相敏感検波器から得られる１次の位相敏感検波信号と他方の位相敏感検波器から得られる２次の位相敏感検波信号とに基づいて検知雰囲気の濃度を検知するガス検知装置が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、レーザ光を出射するレーザ素子と、レーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部と、周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、光検出部にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部と、光検出部にて検出されたレーザ光から２倍波成分を検出する２倍波成分検出部と、光検出部にて検出された基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出部と、を有するガス濃度測定装置が記載されている。また、当該ガス濃度測定装置は、レーザ光から検出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出する振幅比算出部と、基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいてレーザ素子の温度を設定する温度設定部と、吸収ピーク波長からシフトされた波長を基準とする波長変調を行った時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいてレーザ素子の駆動電流を制御する駆動電流制御部とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７９６６４９号明細書
【特許文献２】特開２００８−１４７５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１および特許文献２に記載されているように、測定光として波長変調を行いつつ出力したレーザ光を用い、当該レーザ光の吸収を計測することで、測定対象物質の濃度等の物理量を計測することができる。レーザ光を用いてガス濃度を計測することで高い応答性でガス濃度を計測することができる。
【０００６】
受光部がレーザ光を受光して生成する受光信号には、種々のノイズが含まれる。そのため、受光信号からノイズを除去し、必要な成分（例えば波長変調を行う変調周波数に対応する信号成分）を抽出するために各種信号処理を行う。この信号処理としては、ロックインアンプで、ロックイン処理およびローパス処理を行い特定のスペクトル信号を抽出する方法がある。しかしながら、検出対象の信号はノイズに対して出力が小さいため、高精度な検出を行う場合は、ロックインアンプによる処理前にＦＩＲフィルタや、バンドパスフィルタ等を設け、ロックインアンプの処理対象の周波数成分を抽出する、つまりロックインアンプの処理対象の周波数以外の周波数成分を低減させる処理を行う。
【０００７】
ここで、ＦＩＲフィルタやバンドパスフィルタを用いた処理では、ノイズを十分に低減できない場合があったり、ノイズを十分に低減するために多くの計算を実行する必要があったりする。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、受光信号から所望の信号成分を高い精度で検出することができるレーザ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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、流体が流れる計測セルと、測定対象のガスに固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力し、前記計測セルに入射させる発光部と、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、を有し、前記受光信号に基づいて前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量を算出するレーザ計測装置に適用され、前記受光部が受光した受光信号を処理し、前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量の算出に用いるスペクトル信号を出力する信号処理装置であって、前記指定周波数以外の周波数の出力を低減するフィルタ処理部と、前記フィルタ処理部で処理された信号にスペクトル信号抽出処理を行い、前記スペクトル信号を抽出するスペクトル信号抽出器と、を含み、前記フィルタ処理部は、透過周波数を含む透過周波数帯域の出力を通過させ、前記透過周波数帯域以外の出力を減衰する水晶フィルタと、前記透過周波数と前記指定周波数との差分の周波数を発振する発振器と、前記発振器から発振された信号と前記水晶フィルタを通過した信号とを混合し、前記水晶フィルタを通過した信号の透過周波数の出力を、前記指定周波数の出力に変換する下流側周波数変換器と、を有することを特徴とする。
【００１０】
ここで、信号処理装置は、前記受光信号に含まれる指定周波数の成分を前記透過周波数に含まれる周波数の成分に変換する上流側周波数変換部をさらに有することが好ましい。
【００１１】
また、前記上流側周波数変換部は、前記発振部から発振された信号と前記受光信号とを混合し、前記受光信号に含まれる指定周波数の成分を前記透過周波数に含まれる周波数の成分に変換することが好ましい。
【００１２】
また、前記発振器は、出力する信号の周波数を変更可能なことが好ましい。
【００１３】
また、前記指定周波数は、前記変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数であることが好ましい。
【００１４】
また、前記受光信号は、前記透過周波数の出力が前記スペクトル信号の前記指定周波数の出力であることが好ましい。
【００１５】
また、前記透過周波数は、前記変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数であることが好ましい。
【００１６】
また、前記下流周波数変換器と前記スペクトル信号抽出器との間に配置され、前記下流側周波数変換器を通過した信号から前記指定周波数以上の周波数の出力を低減するローパスフィルタをさらに有することが好ましい。
【００１７】
また、前記ローパスフィルタと前記スペクトル信号抽出器との間に配置され、前記下流側周波数変換器を通過した信号を増幅する増幅器と、前記ローパスフィルタと前記増幅器との間に配置されたコイルカップリングと、をさらに有することが好ましい。
【００１８】
また、前記水晶フィルタと前記下流側周波数変換器との間に配置され、前記水晶フィルタを通過した信号を増幅する増幅器と、前記水晶フィルタと前記増幅器との間に配置されたコイルカップリングと、をさらに有することが好ましい。
【００１９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明はレーザ計測装置であって、上記のいずれかに記載の信号処理装置と、流体を流す流路と連結可能な主管、前記主管に連結し、光が通過可能な窓部が形成された入射部、前記主管に連結し光が通過可能な窓部が形成された出射部と、を含む計測セルと、測定対象のガスに固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力し、前記入射部に入射させる発光部と、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、前記スペクトル信号に基づいて、前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量を算出する物理量算出部と、各部の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とする。
【００２０】
ここで、前記物理量算出部が算出する物理量は、前記測定対象のガスの濃度であることが好ましい。
【００２１】
また、前記物理量算出部は、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記測定対象のガスの濃度を算出することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明にかかる信号処理装置およびレーザ計測装置は、受光信号から所望の信号成分を高い精度で検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の信号処理装置を有するレーザ計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示すレーザ計測装置の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図４】図４は、水晶フィルタの特性を示すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図５Ｃ】図５Ｃは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図５Ｄ】図５Ｄは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図５Ｅ】図５Ｅは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図６】図６は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図７】図７は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図８】図８は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明にかかる信号処理装置およびレーザ計測装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、レーザ計測装置は、流路を流れる種々の気体（ガス）、液体等の流体に含まれる測定対象の物質（ガス、特定の成分）の物理量（濃度、量）を計測することができる。レーザ計測装置は、例えば、ディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガスに含まれる窒素酸化物、硫化酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア等の濃度等を計測してもよい。なお、測定対象のガスを排出（供給）する装置は、これに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。さらに、レーザ計測装置は、ゴミ焼却炉、ボイラ等の燃焼機器から排出される排ガスに含まれる測定対象物質の濃度等を計測することもできる。なお、以下の実施形態では、配管を流れる排ガスに含まれる測定物質の濃度を計測する場合として説明する。
【００２５】
図１は、本発明の信号処理装置を有するレーザ計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。図１に示すようにレーザ計測装置１０は、計測セル１２と、計測手段１４と、を有する。ここで、レーザ計測装置１０は、排ガスＡが流れる配管６と配管８との間に設けられている。また、排ガスＡは、配管６の上流側から供給され、配管６、レーザ計測装置１０、配管８を通過し、配管８よりも下流に排出される。なお、配管６の上流側には、排ガスの発生装置（供給装置）が配置されている。
【００２６】
計測セル１２は、基本的に主管２０と、入射管２２と、出射管２４とを有する。また、入射管２２には、窓２６が設けられており、出射管２４には、窓２８が設けられている。主管２０は、筒状の管状部材であり、一方の端部が配管６と連結され、他方の端部が配管８と連結されている。つまり、主管２０は、排ガスＡが流れる流路の一部となる位置に配置されている。これにより、排ガスＡは、配管６、主管２０、配管８の順に流れる。また、配管６を流れる排ガスＡは、基本的に全て主管２０を流れる。
【００２７】
入射管２２は、管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結されている。また、主管２０は、入射管２２との連結部が、入射管２２の開口（端部の開口）と略同一形状の開口となっている。つまり、入射管２２は、主管２０と、空気の流通が可能な状態で連結されている。また、入射管２２の他方の端部には、窓２６が設けられており、窓２６により封止されている。なお、窓２６は、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、入射管２２は、窓２６が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。
【００２８】
入射管２２は、図１に示すように、窓２６側の端部の開口（つまり、窓２６により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、入射管２２の形状は円筒形状に限定されず、空気および光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。
【００２９】
出射管２４は、入射管２２と略同一形状の管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結され、出射管２４の他方の端部には、窓２８が設けられている。出射管２４も、主管２０と空気が流通可能な状態で、窓２８が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。また、出射管２４は、中心軸が入射管２２の中心軸と略同一となる位置に配置されている。つまり、入射管２２と出射管２４とは、主管２０の対向する位置に配置されている。
【００３０】
また、出射管２４も、窓２８側の端部の開口（つまり、窓２８により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、出射管２４も形状は円筒形状に限定されず、空気および光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。なお、出射管２４も、後述するパージガスが安定して流れる形状とすることが好ましい。
【００３１】
次に、計測手段１４は、発光部４０と、光ファイバ４２と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、信号処理部（信号処理装置）４７と、物理量算出部４８と、制御部５０と、を有する。なお、本実施形態では、信号処理部４７と、物理量算出部４８と、を別々に設けたが一体で（１つの処理部として）設けてもよい。また、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と、物理量算出部４８と、制御部５０と、を一体で（１つの処理部として）設けてもよい。
【００３２】
発光部４０は、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。なお、発光部４０の発光素子は、出力するレーザ光の出力波長（周波数）を所定の波長幅（周波数幅）で変化させることができる発光素子である。発光素子としては、波長可変の半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diode）を用いることができる。発光部４０は、測定対象の物質が吸収する近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力する。例えば、計測対象が一酸化窒素の場合、発光部４０は、一酸化窒素を吸収する近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力する。また、計測対象が二酸化窒素の場合、発光部４０は、二酸化窒素を吸収する近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。また、計測対象が亜酸化窒素の場合、発光部４０は、亜酸化窒素を吸収する近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。なお、測定対象が複数の物質である場合、発光部４０は、夫々の物質が吸収する波長域の光を発光する発光素子を複数備え、それぞれの波長域の光を出力するようにしてもよい。光ファイバ４２は、発光部４０から出力されたレーザ光を案内し、窓２６から計測セル１２内に入射させる。
【００３３】
受光部４４は、計測セル１２の主管２０の内部を通過し、出射管２４の窓２８から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、受光部４４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光部４４は、受光したレーザ光の強度（光量）を受光信号として、信号処理部４７に送る。
【００３４】
光源ドライバ４６は、発光部４０を駆動する機能を有し、発光部４０に供給する電流、電圧を調整することで、発光部４０から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。光源ドライバ４６は、発振器であり、電流、電圧を所定の波形で発光部４０に供給することで時間により波長が変化するレーザ光を出力させる。本実施形態の光源ドライバ４６は、設定された変調周波数（例えば、１００ｋＨｚ、１２５ｋＨｚ）でレーザ光の波長を振動させる。光源ドライバ４６は、制御部５０を介して物理量算出部４８に、発光部４０から出力しているレーザ光の強度の情報を出力する。
【００３５】
信号処理部４７は、受光部４４がレーザ光を受光することで生成した信号（受光信号）を処理する。具体的には、信号処理部４７は、受光信号に含まれるノイズ成分を除去し、発光部４０から出力され受光部４４に到達したレーザ光の成分を抽出する。なお、抽出して生成される信号を以下スペクトル信号という。また、信号処理部４７の処理については後述する。
【００３６】
物理量算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号に基づいて、計測セル１２を流れる排ガスの濃度を算出する。物理量算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号と、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件とに基づいて、計測対象の物質の濃度を算出する。具体的には、物理量算出部４８は、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件に基づいて発光部４０から出力されるレーザ光の強度を算出し、信号処理部４７で生成されたスペクトル信号に基づいて受光したレーザ光の強度を算出する。物理量算出部４８は、この発光したレーザ光の強度と受光したレーザ光の強度と比較し、排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を算出する。
【００３７】
具体的には、発光部４０から出力された近赤外の波長域のレーザ光Ｌは、光ファイバ４２から計測セル１２の所定経路、具体的には、窓２６、入射管２２、主管２０、出射管２４、窓２８を通過した後、受光部４４に到達する。このとき、計測セル１２内の排ガスＡ中に測定対象の物質が含まれていると、計測セル１２を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光Ｌは、排ガスＡ中の測定対象の物質の濃度によって、受光部４４に到達するレーザ光の出力が変化する。受光部４４は、受光したレーザ光を受光信号に変換する。受光部４４で生成された受光信号は、信号処理部４７で処理されスペクトル信号として物理量算出部４８に入力される。また、制御部５０および光源ドライバ４６は、発光部４０から出力したレーザ光Ｌの強度を物理量算出部４８に出力する。物理量算出部４８は、発光部４０から出力した光の強度と、スペクトル信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル１２内を流れる排ガスＡの測定対象の物質の濃度を算出する。このように計測手段１４は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用いることで、出力したレーザ光の強度と、受光部４４で検出した受光信号とに基づいて主管２０内の所定位置、つまり、測定位置を通過する排ガスＡ中の測定対象の物質の濃度を、算出および／または計測することができる。また、計測手段１４は、連続的に測定対象の物質の濃度を、算出および／または計測することができる。なお、レーザ計測装置１０は、発光部４０から出力されるレーザ光の強度を一定として、スペクトル信号のみ基づいて排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を算出してもよい。
【００３８】
制御部５０は、各部の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて、各部の動作を制御する。なお、制御部５０は、計測手段１４の制御のみならず、レーザ計測装置１０の全体の動作を制御する。つまり、制御部５０は、レーザ計測装置１０の動作を制御する制御部である。
【００３９】
次に、図２から図４を用いて、レーザ計測装置１０の信号処理部４７の構成を説明し、信号処理部４７による受光信号の処理について説明する。ここで、図２は、図１に示すレーザ計測装置の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。また、図３Ａから図３Ｅは、それぞれ信号処理部の処理を説明するための説明図である。図４は、水晶フィルタの特性を示すグラフである。なお、図３Ａから図３Ｅは、信号の周波数と出力（強度）との関係を模式的に示すグラフ、つまり信号を周波数解析した場合に算出される周波数と出力の関係を示すグラフである。図３Ａから図３Ｅは、縦軸を出力とし、横軸を周波数とした。また、図４は、水晶フィルタの周波数特性を示すグラフであり、縦軸を利得［ｄＢ］とし、横軸を周波数［ＭＨｚ］とした。
【００４０】
図２に示す信号処理部４７は、受光部４４から送られた受光信号を処理してスペクトル信号を生成し、生成したスペクトル信号を物理量算出部４８に送る。信号処理部４７は、指定周波数以外の周波数の出力を低減するフィルタ処理部６２と、フィルタ処理部６２で処理された信号にスペクトル信号抽出処理(例えば、ロックイン処理)を行い、スペクトル信号を抽出するスペクトル信号抽出器(例えば、ロックイン検出器)６４と、を有する。ここで、指定周波数とは、スペクトル信号抽出器６４でスペクトル信号抽出する対象の周波数であり、検出対象である吸収スペクトルの成分を含む周波数である。本実施形態では、指定周波数として、変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数を用いる。
【００４１】
なお、以下の説明では、１２５ｋＨｚを変調周波数としたレーザ光を出力し、指定周波数を２５０ｋＨｚとしてスペクトル信号を生成する場合として説明する。つまり、以下の説明の例では、受光部４４がレーザ光を受光して生成する受光信号には、測定対象の物質がレーザ光を吸収することで生じる吸収スペクトルの成分が１２５ｋＨｚの偶数倍の周波数に含まれる。そこで、レーザ計測装置１０の信号処理部４７は、吸収スペクトルの成分が含まれる周波数のうち２５０ｋＨｚの周波数を解析対象（測定対象）の周波数、つまり指定周波数とし、指定周波数の成分を抽出する処理を行う。フィルタ処理部６２に送られる受光信号は、指定周波数である２５０ｋＨｚ成分にノイズ成分が重畳している。そのため、受光信号は、図３Ａに示すように、各周波数成分に出力が分布している状態となる。信号処理部４７が、図３Ａに示すようなノイズが重畳された受光信号から解析対象の指定周波数の成分を抽出する処理を行う。
【００４２】
フィルタ処理部６２は、発振器７０と、アップコンバータ（上流側周波数変換器）７２と、水晶フィルタ７４と、コイルカップリング７６と、増幅器７７と、ダウンコンバータ（下流側周波数変換器）７８と、ローパスフィルタ８０と、コイルカップリング８２と、増幅器８４と、を有する。
【００４３】
発振器７０は、設定した周波数の信号を生成し出力する信号生成器である。発振器７０は、指定周波数と後述する水晶フィルタ７４を通過する周波数（透過周波数）との差分の周波数（発振周波数）の信号を生成し、アップコンバー７２とダウンコンバータ７８とに送る。なお、本実施形態では、発振器７０は、発振周波数が１０．４５ＭＨｚの信号を出力する。つまり、周波数が１０．４５ＭＨｚの成分で構成された信号を出力する。
【００４４】
アップコンバータ（上流側周波数変換器）７２は、受光信号と発振器７０から送られた信号とをヘテロダインの定理により混合する混合器（周波数変換器、ミキサ）である。アップコンバータ７２は、受信信号の各周波数の成分を発振周波数分増加させた成分と発振周波数分減少させた成分とした信号を生成する。つまり、アップコンバータ７２は、発振周波数を基準として、正負の両方向に受信信号を展開した信号を生成する。つまり、発振周波数をｆとし、受信信号の各周波数ｆａとすると、周波数ｆａの出力をｆ±ｆａの周波数の出力とする。図３Ａに示す受信信号は、アップコンバータ（上流側周波数変換器）７２を通過することで、図３Ｂに示す信号となる。ここで、図３Ｂに示す信号は、受光振動の指定周波数（２５０ｋＨｚ）の成分が、発振周波数１０．４５ＭＨｚに±０．２５ＭＨｚした１０．２ＭＨｚの成分と、１０．７ＭＨｚの成分となる。アップコンバータ７２は、処理した信号を水晶フィルタ７４に送る。
【００４５】
水晶フィルタ７４は、所定の周波数である透過周波数の成分を選択的に通過させ、透過周波数以外の周波数成分を除去、低減するフィルタである。水晶フィルタ７４は、水晶振動子を用いるフィルタであり、透過周波数（水晶振動子と共振する周波数成分）を中心周波数とする一定の周波数帯域の成分を選択的に通過させ、透過周波数を中心周波数とする一定の周波数帯域以外の周波数の成分（出力）を減少させる。ここで、本実施形態の水晶フィルタ７４は、図４に示すように、透過周波数が１０．７ＭＨｚのフィルタである。ここで、図４の縦軸の利得は、各周波数における透過率と同様であり、利得が０に近いほど出力を透過し、利得のマイナス成分が大きいほど（−９０ｄＢに近いほど）、出力を低減する。なお、水晶フィルタ７４は、利得が−８０ｄＢの周波数成分は、ほとんど透過させない。水晶フィルタ７４は、１０．７ＭＨｚを中心として、１０．６９ＭＨｚ以上１０．７１ＭＨｚ未満の範囲の周波数成分の出力を一定程度透過し、それ以外の周波数成分の出力を低減させる。これにより、水晶フィルタ７４を透過した信号は、図３Ｃに示すように、透過周波数の１０．７ＭＨｚを中心とした一定周波数域の成分が支配的な信号となる。水晶フィルタ７４は、アップコンバータ７２から送られた信号に対して処理（フィルタ処理）を行い、処理を行った信号（水晶フィルタ７４を通過した信号）をコイルカップリング７６（増幅器７７）に送る。
【００４６】
コイルカップリング７６は、水晶フィルタ７４と、増幅器７７との間に配置されている。コイルカップリング７６は、増幅器７７に使用しているオペアンプの入力部の回路定数を整合する機器であり、増幅器７７の他の部品との整合部に配置されている。コイルカップリング７６は、一対のコイルで構成されており、一方のコイルが水晶フィルタ７４と接続し、他方のコイルが増幅器７７と接続している。コイルカップリング７６は、一対のコイルが対向して配置されており、水晶フィルタ７４から送られてきた信号を一方のコイルから他方のコイルに伝達し、増幅器７７に送る。コイルカップリング７６は、一対のコイルを介して信号を伝達することで、増幅器７７の整合部で発生する熱ノイズを抑制することができる。
【００４７】
増幅器７７は、水晶フィルタ７４から送られ、コイルカップリング７６を通過した信号（受光信号から透過周波数を中心とした周波数域以外の周波数の成分を除去、低減した信号）を増幅する。増幅器７７は、増幅した信号をダウンコンバータ７８に送る。
【００４８】
ダウンコンバータ（下流側周波数変換器）７８は、増幅器７７から送られた信号と発振器７０から送られた信号とをヘテロダインの定理により混合する混合器（周波数変換器、ミキサ）である。ダウンコンバータ７８は、アップコンバータ７２と同様の構成であり、増幅器７７から送られた信号の各周波数の成分を発振周波数分増加させた成分と発振周波数分減少させた成分とした信号を生成する。つまり、ダウンコンバータ７８は、発振周波数を基準として、正負の両方向に増幅器７７から送られた信号を展開した信号を生成する。ダウンコンバータ７８を通過した信号は、図３Ｄに示す信号となる。ここで、図３Ｄに示す信号は、透過周波数（１０．７ＭＨｚ）の成分が、発振周波数１０．４５ＭＨｚに±１０．７ＭＨｚした２５０ｋＨｚの成分と、２１．１５ＭＨｚの成分となる。ダウンコンバータ７８は、処理した信号をローパスフィルタ８０に送る。
【００４９】
ローパスフィルタ８０は、ダウンコンバータ７８とコイルカップリング８２との間に配置されている。ローパスフィルタ８０は、設定された閾値周波数以下の周波数の成分を透過させ、閾値周波数より大きい周波数の成分を低減するフィルタであり、ダウンコンバータ７８から送られた信号のうち、指定周波数を中心とした周波数域の成分を透過させ、透過周波数に発振周波数を加算した周波数を中心とした周波数域の成分を低減する。なお、ローパスフィルタ８０としては、１ＭＨｚ以上の周波数の成分を低減する（１ＭＨｚ未満の周波数の成分をそのまま透過する）フィルタを用いることが好ましい。本実施形態では、２５０ｋＨｚを中心とした周波数域の成分を透過させ、２１．１５ＭＨｚを中心とした周波数域の成分を低減する。
【００５０】
コイルカップリング８２は、ローパスフィルタ８０と、増幅器８４との間に配置されている。コイルカップリング８２は、増幅器８４に使用しているオペアンプの入力部の回路定数を整合する機器であり、増幅器８４の他の部品との整合部に配置されている。コイルカップリング８２は、一対のコイルで構成されており、一方のコイルがローパスフィルタ８０と接続し、他方のコイルが増幅器８４と接続している。コイルカップリング８２は、一対のコイルが対向して配置されており、ローパスフィルタ８０から送られてきた信号を一方のコイルから他方のコイルに伝達し、増幅器８４に送る。コイルカップリング７６は、一対のコイルを介して信号を伝達することで、増幅器８４の整合部で発生する熱ノイズを抑制することができる。
【００５１】
増幅器８４は、ローパスフィルタ８０から送られ、コイルカップリング８２を通過した信号（受光信号から指定周波数以外の周波数の成分を除去、低減した信号）を増幅する。これにより、増幅器８４を通過した信号は、図３Ｅに示す信号となる。図３Ｅに示す信号は、図３Ｄに示す信号がローパスフィルタ８０を通過することで２１．１５ＭＨｚを中心とした周波数域の成分が低減され２５０ｋＨｚを中心とした周波数域の成分が支配的な信号とされ、さらに２５０ｋＨｚを中心とした周波数域の成分が増幅された信号である。増幅器８４は、増幅した信号をスペクトル信号抽出器６４に送る。
【００５２】
次に、スペクトル信号抽出器６４は、フィルタ処理部６２で処理され、指定周波数以外の周波数の成分が低減された受光信号に対して、指定周波数を参照周波数としてスペクトル信号抽出処理を行う。これにより、指定周波数以外の周波数の成分が低減された受光信号から指定周波数のスペクトル信号を生成する。なお、スペクトル信号抽出器６４としては、上記で例示したように、ロックイン処理を行うロックイン検出器を用いることができる。ロックイン検出器を用いることで、安価な構成で高精度にスペクトル信号を抽出することができる。なお、スペクトル信号抽出器６４の種類はロックイン検出器に限定されない。スペクトル信号抽出器６４は、検出したスペクトル信号を物理量算出部４８に送る。信号処理部４７は、以上のようにして受光信号からスペクトル信号を生成及び／または抽出する。
【００５３】
次に、具体的な信号の計測結果の一例の図４及び図５Ａから図５Ｅを用いて、信号処理部４７の処理をより詳細に説明する。図５Ａから図５Ｅは、それぞれ信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。図５Ａから図５Ｅは、縦軸を電圧（出力）［ｄＢＶ］とし、横軸を周波数［ＭＨｚ］とした。なお、以下の説明では、１００ｋＨｚを変調周波数としたレーザ光を出力し、指定周波数を２００ｋＨｚとし、発振器の発振周波数を１０．５ＭＨｚとしてスペクトル信号を生成する場合として説明する。
【００５４】
まず、受光信号のスペクトル（信号処理部４７に入力する入力スペクトル）は、図５Ａに示すように、各周波数成分に出力が分布している状態となる。ここで、図５Ａに示す受光信号は、変調周波数の１００ｋＨｚの成分が−１０．９３ｄＢＶであり、指定周波数の２００ｋＨｚの成分が−５３．１６ｄＢＶである。このように、受光信号では、解析対象の２００ｋＨｚの成分とノイズの１００ｋＨｚの成分との差が−４２．２３ｄＢとなり、解析対象の成分が、ノイズ成分である１００ｋＨｚの成分よりも小さい出力となっている。
【００５５】
その後、アップコンバータ７２により周波数変換（アップコンバート）した信号は、図５Ｂに示す出力分布となる。図５Ｂに示すように、アップコンバートした信号は、発振周波数である１０．５ＭＨｚを中心として周波数軸に略対象な波形となる。またアップコンバートした信号は、変調周波数の１００ｋＨｚを周波数変換した１０．６０ＭＨｚの成分が−１７．７４ｄＢＶであり、指定周波数の２００ｋＨｚを周波数変換した１０．７ＭＨｚの成分が−６０．２０ｄＢＶである。このように、アップコンバートした信号では、解析対象の１０．７ＭＨｚの成分とノイズの１０．６ＭＨｚの成分との差が−４２．４６ｄＢとなる。なお、アップコンバータ７２で処理することで、各周波数の成分は減少している。
【００５６】
その後、水晶フィルタ７４を通過（透過）した信号は、図５Ｃに示す出力分布となる。なお、図５Ｃに示すグラフは、周波数１０ＭＨｚから１１ＭＨｚの範囲のみを示している。図５Ｃに示すように、水晶フィルタ７４を通過した信号は、透過周波数の１０．７ＭＨｚを中心とした周波数域の成分を透過させ、その他の周波数域の成分を低減する。これにより、水晶フィルタ７４を通過した信号は、周波数１０．６０ＭＨｚの成分が−１０１．２５ｄＢＶであり、１０．７ＭＨｚの成分が−６０．７２ｄＢＶである。このように、水晶フィルタ７４を通過した信号は、解析対象の１０．７ＭＨｚの成分は略そのまま通過させ、ノイズの１０．６ＭＨｚの成分を低減させる。これにより、解析対象の１０．７ＭＨｚの成分とノイズの１０．６ＭＨｚの成分との差が３７．５３ｄＢとなり、解析対象の成分がノイズ成分よりも大きくなる。
【００５７】
その後、ダウンコンバータ７８により周波数変換（ダウンコンバート）した信号は、図５Ｄに示す出力分布となる。なお、図５Ｄは、横軸の周波数軸を対数軸としている。図５Ｄに示すように、ダウンコンバートした信号は、発振周波数である１０．５ＭＨｚを中心として周波数軸に略対象な波形となり、解析対象の１０．７ＭＨｚの成分は、周波数２００ｋＨｚの成分と周波数２１．２ＭＨｚの成分となる。また、ノイズの１０．６ＭＨｚの成分は、周波数１００ｋＨｚの成分と周波数２１．３ＭＨｚの成分となる。つまり、１０．７ＭＨｚ以下の成分は、アップコンバータ７２の処理前の信号の周波数と同一の周波数の成分となる。ダウンコンバートした信号は、１００ｋＨｚの成分が−８９．５９ｄＢＶであり、指定周波数の２００ｋＨｚの成分が−５９．８０ｄＢＶである。このように、ダウンコンバートした信号では、解析対象の２００ｋＨｚの成分とノイズの１００ｋＨｚの成分との差が２９．７９ｄＢとなる。
【００５８】
その後、ローパスフィルタ８０を通過した信号は、図５Ｅに示す出力分布となる。また、図５Ｅも図５Ｄと同様に横軸の周波数軸を対数軸としている。なお、本具体例で用いたローパスフィルタ８０は、周波数１ＭＨｚ以上の成分を低減するフィルタである。図５Ｅに示すように、ローパスフィルタ８０を通過した信号は、周波数１ＭＨｚ以上の成分が低減され、周波数２１．２ＭＨｚの成分が低減される。また、周波数１００ｋＨｚの成分と、周波数２００ｋＨｚの成分とは、略そのまま透過する。ローパスフィルタ８０を通過した信号は、１００ｋＨｚの成分が−８９．６１ｄＢＶであり、指定周波数の２００ｋＨｚの成分が−６０．０６ｄＢＶである。このように、ローパスフィルタ８０を通過した信号では、解析対象の２００ｋＨｚの成分とノイズの１００ｋＨｚの成分との差が２９．５５ｄＢとなる。ローパスフィルタ８０を通過した信号は、その後、増幅器８４で増幅された後、スペクトル信号抽出器６４でスペクトル信号抽出処理されることで、指定周波数成分を抽出したスペクトル信号を生成する。
【００５９】
このように、レーザ計測装置１０の信号処理部４７は、受光信号の指定周波数の成分を水晶フィルタ７４の透過周波数の成分とした後、当該信号を水晶フィルタ７４に透過（通過）させることで、受光信号から効率よくノイズを除去または低減することができる。つまり、透過周波数（透過周波数を中心とした一定周波数域）以外の周波数の成分を高い割合で低減できる水晶フィルタ７４でフィルタ処理を行うことで、受光信号の指定周波数の成分以外の成分を効率よく除去、低減することができる。また、透過周波数を中心とした一定周波数域を他のフィルタに比して狭い周波数域とすることができる。これにより、指定周波数の成分を高精度に抽出することができる。例えば、本実施形態のように、２００ｋＨｚが指定周波数であり、１００ｋＨｚに大きなノイズ成分がある場合も、ノイズ成分を好適に低減することができる。
【００６０】
本実施形態のように、アップコンバータ７２及び発振器７０で受光信号の指定周波数の成分を水晶フィルタ７４の透過周波数の成分に変換することで、指定周波数の周波数によらず、水晶フィルタ７４ｄで受光信号の指定周波数の成分を透過させ、その他の周波数の成分を除去低減することができる。
【００６１】
また、水晶フィルタ７４を透過した信号をダウンコンバータ７８でタウンコンバートすることで、スペクトル信号抽出器６４での処理をより簡単にすることができる。さらに、１つの発振器７０がアップコンバータ７２とダウンコンバータ７８とに信号を供給することで、発振器の数を少なくすることができる。また信号処理部４７に入力時と出力時とで、解析対象の成分が含まれる周波数を同一周波数とすることができる。
【００６２】
また、受光信号から効率よくノイズを除去または低減し、指定周波数の成分の出力とノイズ成分の出力との差が小さくなることで、ノイズ除去後でスペクトル信号抽出処理前の信号をより大きく増幅することができ、スペクトル信号抽出処理前に指定周波数の成分の出力をより増幅することができる。ここで、増幅器８４は、スペクトル信号抽出器６４の計測レンジに適用可能な大きさまで増幅させる場合に信号の大きさを基準として増幅の比率を設定する。そのため、指定周波数の成分の出力とノイズ成分の出力との差が小さくなることで、ノイズ成分の出力が指定周波数の成分の出力よりも一定程度大きい場合よりも、指定周波数の成分の出力をより大きく増幅することができる。つまり、より大きく増幅しても、出力をスペクトル信号抽出器６４の計測レンジに適用可能な大きさに抑えることができる。これにより、指定周波数の成分の出力をより高精度に検出することができる。また、フィルタとしては、水晶フィルタを設ければよいため、装置構成を簡単にすることができる。
【００６３】
さらに、ノイズを好適に小さくできることで、スペクトル信号抽出器の計測レンジが小さい場合でも好適に指定周波数の出力を検出することができる。これにより、性能を維持しつつ、スペクトル信号抽出器を安価にすることができ、レーザ計測装置も安価にすることができる。
【００６４】
次に、図６を用いて、レーザ計測装置の他の実施形態について説明する。図６は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図６に示すレーザ計測装置の実施形態は、信号処理部の構成を除いて他の構成は、基本的に図１および図２に示すレーザ計測装置と同様である。また、図６に示す信号処理部１４７のうち、図２に示す信号処理部４７と同様の構成には、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６５】
図６に示す信号処理部１４７は、フィルタ処理部１６２と、スペクトル信号検出器６４と、を有する。フィルタ処理部１６２は、発振器７０と、水晶フィルタ７４と、コイルカップリング７６と、増幅器７７と、ダウンコンバータ（下流側周波数変換器）７８と、ローパスフィルタ８０と、コイルカップリング８２と、増幅器８４と、を有する。
【００６６】
発振器７０は、設定した周波数の信号を生成し出力する信号生成器である。発振器７０は、指定周波数と透過周波数との差分の周波数（発振周波数）の信号を生成し、ダウンコンバータ７８に送る。
【００６７】
このように、信号処理部１４７は、アップコンバータを備えない点を除いて他の構成は、信号処理部４７と同様である。本実施形態のレーザ計測装置の構成とした場合も、受光部４４がレーザ光を受光し、生成する受光信号に含まれる解析対象の吸収スペクトルの成分が透過周波数の成分となるようにすることで、水晶フィルタ７４が透過する周波数成分を測定対象の周波数の成分とすることができる。
【００６８】
このように、受光部４４が生成する受光信号に含まれる解析対象の吸収スペクトルの成分が透過周波数の成分とすることで、アップコンバータを設けることなく、受光信号から解析対象の吸収スペクトルの成分を抽出することができる。例えば、上記実施形態のように、透過周波数が１０．７ＭＨｚの場合は、レーザ光の変調周波数を５．３５ＭＨｚとすることで、解析対象を１０．７ＭＨｚとすることができる。
【００６９】
次に、図７を用いて、レーザ計測装置の他の実施形態について説明する。図７は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図７に示すレーザ計測装置の実施形態は、信号処理部の構成を除いて他の構成は、基本的に図１および図２に示すレーザ計測装置と同様である。また、図７に示す信号処理部２４７のうち、図２に示す信号処理部４７と同様の構成には、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００７０】
図７に示す信号処理部２４７は、フィルタ処理部２６２と、スペクトル信号抽出器６４と、を有する。フィルタ処理部２６２は、アップコンバータ２０と、周波数可変発振器２７０と、発振器２７１と、水晶フィルタ７４と、コイルカップリング７６と、増幅器７７と、ダウンコンバータ（下流側周波数変換器）７８と、ローパスフィルタ８０と、コイルカップリング８２と、増幅器８４と、を有する。
【００７１】
周波数可変発振器２７０は、発振周波数を任意に可変可能な信号生成器である。周波数可変発振器２７０は、発振周波数を多段階で変更したり、時間によって発振周波数を変化させたりすることができる。なお、周波数可変発振器２７０は、発振周波数として、指定周波数と水晶フィルタ７４を通過する周波数（透過周波数）との差分の周波数を基準とし、周波数を変更可能とする。周波数可変発振器２７０は、生成した信号をアップコンバータ７２に送る。
【００７２】
発振器２７１は、設定した周波数の信号を生成し出力する信号生成器である。発振器２７１は、指定周波数と透過周波数との差分の周波数（発振周波数）の信号を生成し、ダウンコンバータ７８に送る。
【００７３】
信号処理部２４７は、アップコンバータ７２に信号を供給する発振器を周波数可変発振器２７０とすることで、受光信号に含まれる信号の解析対象の周波数を選択することができる。つまり、アップコンバータ７２に入力する信号の発振周波数を変化させることで、水晶フィルタを通過する受光信号の周波数の成分を変更することができる。レーザ計測装置は、複数のレーザ光を別々の変調周波数で受光部４４に入射させた場合も１つの受光部４４でそれぞれの変調周波数に基づいた信号成分を抽出することができる。
【００７４】
また、周波数可変発振器２７０から出力する信号の発振周波数を掃引（変調）することで、変調周波数が不安定な場合も、信号に含まれる吸収スペクトルに起因する成分が水晶フィルタ７４を透過することができる。
【００７５】
また、ダウンコンバータ７８には、発振器２７１から信号を送ることで、水晶フィルタ７４を通過し、スペクトル信号抽出器６４に到達する信号のうち、水晶フィルタ７４の通過時の透過周波数の成分のタウンコンバート後の周波数を一定にすることができる。これにより、指定周波数を変更することなく、水晶フィルタ７４を透過した成分をスペクトル信号抽出処理で抽出することができる。
【００７６】
次に、図８および図９を用いて、レーザ計測装置の他の実施形態について説明する。図８は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。また、図９は、信号処理部の処理を説明するための説明図である。なお、図８に示すレーザ計測装置の実施形態は、信号処理部の構成を除いて他の構成は、基本的に図１および図２に示すレーザ計測装置と同様である。また、図８に示す信号処理部３４７のうち、図２に示す信号処理部４６と同様の構成には、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、図８に示す信号処理部３４７は、信号処理装置４７に自己診断機能、キャリブレーション機能を付加したものである。
【００７７】
図８に示す信号処理部３４７は、フィルタ処理部３６２と、スペクトル信号抽出器６４と、メモリ３６６と、内蔵信号発生器３６８と、信号合流部３６９と、を有する。フィルタ処理部３６２は、フィルタ処理部６２と同様の構成であるので詳細な説明を省略する。メモリ３６６は、記憶装置であり、スペクトル信号抽出器６４で生成された信号の情報を取得し、取得した自信号とその信号を生成した条件とを記憶する。信号内蔵発生器３６８は、信号を生成して出力する発振器であり、制御部５０に入力された指示に基づいて信号を生成し出力する。信号合流部３６９は、受光部４４とフィルタ処理部３６２との間に配置されており、受光部４４から送られた信号をフィルタ処理部３６２に送る。信号合流部３６９は、さらに、内蔵信号発生器３６８と連結しており、内蔵信号発生器３６８から送られた信号をフィルタ処理部３６２に送る。
【００７８】
信号処理部３４７は、上記のような構成である。信号処理部３４７は、制御部５０の制御に基づいて、メモリ３６６に記憶された情報に基づいてフィルタ処理部３６２、スペクトル信号抽出器３６４の診断、キャリブレーションを実行する。なお、制御部５０に替えて、信号処理部３４７が制御機能を備えてもよい。制御部５０は、信号内蔵生成部３６８から信号を出力させ、信号合流部３６９からフィルタ処理部３６２を通過しスペクトル信号抽出器６４に到達した信号を取得する。制御部５０は、スペクトル信号抽出器６４に到達した信号に基づいて、信号処理部３４７の経路内を伝達することで生じるホワイトノイズを検出し、その結果に基づいて信号処理部３４７の回路の診断やキャリブレーションを行う。例えば、図９に示すように、指定周波数２５０ｋＨｚの成分が波形３８０か、波形３８０よりも出力の大きい波形３８２か、波形３８０よりも出力の小さい波形３８４か、を検出し、信号処理部３４７の劣化状態を判定する。また、内蔵信号発生器３６８から強度の違う信号を順次出力し、その出力が、例えば、波形３８０、３８２、３８４のように、出力に比例しているか等を判定し、入力（受光信号）と出力（スペクトル信号）との関係を検出し、装置のキャリブレーションを行う。
【００７９】
信号処理部３４７は、以上のように、受光信号に変わる信号を生成し、系内のホワイトノイズを検出し、その結果を蓄積することで、系内の自己診断や、キャリブレーションを実行することができる。また、自己診断が可能となることで、不具合を解消することも可能となる。なお、自己診断や、キャリブレーションの方法は種々の方法を用いることができる。また、不具合が発生したら、使用者に通知するようにしてもよい。
【００８０】
また、上述したように、指定周波数は、変調周波数の整数倍の種々の値とすることができる。指定周波数として、変調周波数の４倍の周波数を用いても、変調周波数に含まれる吸収スペクトル（検出対象のスペクトル）の変化を検出することができる。なお、指定周波数として、変調周波数の４倍の周波数を用いて解析を行うとスペクトルの４次微分波形が検出される。このように変調周波数の２倍以外の周波数を用いることで、変調周波数の２倍の周波数にノイズ成分がある場合も吸収スペクトル（検出対象のスペクトル）の変化を検出することができる。
【００８１】
また、レーザ計測装置の信号処理部は、上記実施形態のように増幅器と他の部材との連結部（増幅器等を構成するオペアンプの整合部）には、コイルカップリングを設けることが好ましい。整合部にコイルカップリングを用いることで、熱ノイズ等を抑制できる。なお、上記効果を得ることができるため、増幅器と他の部材との連結部には、コイルカップリングを用いることが好ましいがこれに限定されず、種々の連結部材を用いることができる。
【００８２】
また、上記実施形態では、水晶フィルタ７４を透過した信号をローパスフィルタによりフィルタ処理をしたがこれに限定されない。フィルタとしてはバンドパスフィルタも用いることができる。また、信号成分が十分に大きい場合は増幅器７７、８４を設けなくてもよい。
【００８３】
また、レーザ計測装置は、発光部４０から出力するレーザ光の波長を変調周波数よりも低い周波数である掃引周波数（例えば０．１ｋＨｚ、１ｋＨｚ）で掃引することが好ましい。レーザ光を掃引周波数掃引させることで、測定対象の物質の吸収波長がずれている場合や、レーザ光の出力波長が変動した場合でも補正することができ、測定対象の物質の物理量をより高い精度で計測できる。ここで、変調周波数に基づいたレーザ光の波長の振動の振動幅は、掃引周波数に基づいたレーザ光の波長の変化幅よりも小さくすることが好ましい。これにより、発光部４０から出力されるレーザ光は、変調周波数で振動する振動の中心が、掃引周波数に基づいて変化するレーザ光となる。
【符号の説明】
【００８４】
６、８ 配管
１０ レーザ計測装置
１２ 計測セル
１４ 計測手段
２０ 主管
２２ 入射管
２４ 出射管
２６、２８ 窓
４０ 発光部
４２ 光ファイバ
４４ 受光部
４６ 光源ドライバ
４７ 信号処理部
４８ 物理量算出部
５０ 制御部
６２ フィルタ処理部
６４ スペクトル信号抽出器
７０ 発振器
７２ アップコンバータ
７４ 水晶フィルタ
７６、８２ コイルカップリング
７７、８４ 増幅器
７８ ダウンコンバータ
８０ ローパスフィルタ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ吸収分光法により測定対象のガスの物理量を算出するレーザ計測に用いる信号処理装置およびレーザ計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
管路内を流れるガス（気体）を分析する方法として、レーザ光を測定光として用いる方法がある。例えば、特許文献１には、一定電流に重畳された第１の交流成分を有する電流で変調され、温度に応じて波長が変化するレーザ光を発振するレーザと、検知雰囲気通過後のレーザ光の強度を電圧に変換する光強度電圧変換器と、該光強度電圧変換器の出力電圧を位相敏感検波する２つの位相敏感検波器と、一方の位相敏感検波器から得られる１次の位相敏感検波信号と他方の位相敏感検波器から得られる２次の位相敏感検波信号とに基づいて検知雰囲気の濃度を検知するガス検知装置が記載されている。
【０００３】
また、特許文献２には、レーザ光を出射するレーザ素子と、レーザ光を基本波で周波数変調する周波数変調部と、周波数変調されたレーザ光を検出する光検出部と、光検出部にて検出されたレーザ光から基本波成分を検出する基本波成分検出部と、光検出部にて検出されたレーザ光から２倍波成分を検出する２倍波成分検出部と、光検出部にて検出された基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいて測定対象ガスの濃度を算出するガス濃度算出部と、を有するガス濃度測定装置が記載されている。また、当該ガス濃度測定装置は、レーザ光から検出された基本波成分と２倍波成分との振幅比を算出する振幅比算出部と、基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいてレーザ素子の温度を設定する温度設定部と、吸収ピーク波長からシフトされた波長を基準とする波長変調を行った時の基本波成分と２倍波成分との振幅比に基づいてレーザ素子の駆動電流を制御する駆動電流制御部とを備える。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第２７９６６４９号明細書
【特許文献２】特開２００８−１４７５５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１および特許文献２に記載されているように、測定光として波長変調を行いつつ出力したレーザ光を用い、当該レーザ光の吸収を計測することで、測定対象物質の濃度等の物理量を計測することができる。レーザ光を用いてガス濃度を計測することで高い応答性でガス濃度を計測することができる。
【０００６】
受光部がレーザ光を受光して生成する受光信号には、種々のノイズが含まれる。そのため、受光信号からノイズを除去し、必要な成分（例えば波長変調を行う変調周波数に対応する信号成分）を抽出するために各種信号処理を行う。この信号処理としては、ロックインアンプで、ロックイン処理およびローパス処理を行い特定のスペクトル信号を抽出する方法がある。しかしながら、検出対象の信号はノイズに対して出力が小さいため、高精度な検出を行う場合は、ロックインアンプによる処理前にＦＩＲフィルタや、バンドパスフィルタ等を設け、ロックインアンプの処理対象の周波数成分を抽出する、つまりロックインアンプの処理対象の周波数以外の周波数成分を低減させる処理を行う。
【０００７】
ここで、ＦＩＲフィルタやバンドパスフィルタを用いた処理では、ノイズを十分に低減できない場合があったり、ノイズを十分に低減するために多くの計算を実行する必要があったりする。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、受光信号から所望の信号成分を高い精度で検出することができるレーザ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】
【０００９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、流体が流れる計測セルと、測定対象のガスに固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力し、前記計測セルに入射させる発光部と、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、を有し、前記受光信号に基づいて前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量を算出するレーザ計測装置に適用され、前記受光部が受光した受光信号を処理し、前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量の算出に用いるスペクトル信号を出力する信号処理装置であって、前記指定周波数以外の周波数の出力を低減するフィルタ処理部と、前記フィルタ処理部で処理された信号にスペクトル信号抽出処理を行い、前記スペクトル信号を抽出するスペクトル信号抽出器と、を含み、前記フィルタ処理部は、透過周波数を含む透過周波数帯域の出力を通過させ、前記透過周波数帯域以外の出力を減衰する水晶フィルタと、前記透過周波数と前記指定周波数との差分の周波数を発振する発振器と、前記発振器から発振された信号と前記水晶フィルタを通過した信号とを混合し、前記水晶フィルタを通過した信号の透過周波数の出力を、前記指定周波数の出力に変換する下流側周波数変換器と、を有することを特徴とする。
【００１０】
ここで、信号処理装置は、前記受光信号に含まれる指定周波数の成分を前記透過周波数に含まれる周波数の成分に変換する上流側周波数変換部をさらに有することが好ましい。
【００１１】
また、前記上流側周波数変換部は、前記発振部から発振された信号と前記受光信号とを混合し、前記受光信号に含まれる指定周波数の成分を前記透過周波数に含まれる周波数の成分に変換することが好ましい。
【００１２】
また、前記発振器は、出力する信号の周波数を変更可能なことが好ましい。
【００１３】
また、前記指定周波数は、前記変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数であることが好ましい。
【００１４】
また、前記受光信号は、前記透過周波数の出力が前記スペクトル信号の前記指定周波数の出力であることが好ましい。
【００１５】
また、前記透過周波数は、前記変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数であることが好ましい。
【００１６】
また、前記下流周波数変換器と前記スペクトル信号抽出器との間に配置され、前記下流側周波数変換器を通過した信号から前記指定周波数以上の周波数の出力を低減するローパスフィルタをさらに有することが好ましい。
【００１７】
また、前記ローパスフィルタと前記スペクトル信号抽出器との間に配置され、前記下流側周波数変換器を通過した信号を増幅する増幅器と、前記ローパスフィルタと前記増幅器との間に配置されたコイルカップリングと、をさらに有することが好ましい。
【００１８】
また、前記水晶フィルタと前記下流側周波数変換器との間に配置され、前記水晶フィルタを通過した信号を増幅する増幅器と、前記水晶フィルタと前記増幅器との間に配置されたコイルカップリングと、をさらに有することが好ましい。
【００１９】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明はレーザ計測装置であって、上記のいずれかに記載の信号処理装置と、流体を流す流路と連結可能な主管、前記主管に連結し、光が通過可能な窓部が形成された入射部、前記主管に連結し光が通過可能な窓部が形成された出射部と、を含む計測セルと、測定対象のガスに固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力し、前記入射部に入射させる発光部と、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、前記スペクトル信号に基づいて、前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量を算出する物理量算出部と、各部の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とする。
【００２０】
ここで、前記物理量算出部が算出する物理量は、前記測定対象のガスの濃度であることが好ましい。
【００２１】
また、前記物理量算出部は、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記測定対象のガスの濃度を算出することが好ましい。
【発明の効果】
【００２２】
本発明にかかる信号処理装置およびレーザ計測装置は、受光信号から所望の信号成分を高い精度で検出することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の信号処理装置を有するレーザ計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】図２は、図１に示すレーザ計測装置の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。
【図３Ａ】図３Ａは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図３Ｄ】図３Ｄは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図３Ｅ】図３Ｅは、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【図４】図４は、水晶フィルタの特性を示すグラフである。
【図５Ａ】図５Ａは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図５Ｂ】図５Ｂは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図５Ｃ】図５Ｃは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図５Ｄ】図５Ｄは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図５Ｅ】図５Ｅは、信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。
【図６】図６は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図７】図７は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図８】図８は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図９】図９は、信号処理部の処理を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明にかかる信号処理装置およびレーザ計測装置の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。なお、レーザ計測装置は、流路を流れる種々の気体（ガス）、液体等の流体に含まれる測定対象の物質（ガス、特定の成分）の物理量（濃度、量）を計測することができる。レーザ計測装置は、例えば、ディーゼルエンジンに取付、ディーゼルエンジンから排出される排ガスに含まれる窒素酸化物、硫化酸化物、一酸化炭素、二酸化炭素、アンモニア等の濃度等を計測してもよい。なお、測定対象のガスを排出（供給）する装置は、これに限定されず、ガソリンエンジンや、ガスタービン等種々の内燃機関に用いることができる。また、内燃機関を有する装置としては、車両、船舶、発電機等種々の装置が例示される。さらに、レーザ計測装置は、ゴミ焼却炉、ボイラ等の燃焼機器から排出される排ガスに含まれる測定対象物質の濃度等を計測することもできる。なお、以下の実施形態では、配管を流れる排ガスに含まれる測定物質の濃度を計測する場合として説明する。
【００２５】
図１は、本発明の信号処理装置を有するレーザ計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。図１に示すようにレーザ計測装置１０は、計測セル１２と、計測手段１４と、を有する。ここで、レーザ計測装置１０は、排ガスＡが流れる配管６と配管８との間に設けられている。また、排ガスＡは、配管６の上流側から供給され、配管６、レーザ計測装置１０、配管８を通過し、配管８よりも下流に排出される。なお、配管６の上流側には、排ガスの発生装置（供給装置）が配置されている。
【００２６】
計測セル１２は、基本的に主管２０と、入射管２２と、出射管２４とを有する。また、入射管２２には、窓２６が設けられており、出射管２４には、窓２８が設けられている。主管２０は、筒状の管状部材であり、一方の端部が配管６と連結され、他方の端部が配管８と連結されている。つまり、主管２０は、排ガスＡが流れる流路の一部となる位置に配置されている。これにより、排ガスＡは、配管６、主管２０、配管８の順に流れる。また、配管６を流れる排ガスＡは、基本的に全て主管２０を流れる。
【００２７】
入射管２２は、管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結されている。また、主管２０は、入射管２２との連結部が、入射管２２の開口（端部の開口）と略同一形状の開口となっている。つまり、入射管２２は、主管２０と、空気の流通が可能な状態で連結されている。また、入射管２２の他方の端部には、窓２６が設けられており、窓２６により封止されている。なお、窓２６は、光を透過する部材、例えば、透明なガラス、樹脂等で構成されている。これにより、入射管２２は、窓２６が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。
【００２８】
入射管２２は、図１に示すように、窓２６側の端部の開口（つまり、窓２６により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、入射管２２の形状は円筒形状に限定されず、空気および光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。
【００２９】
出射管２４は、入射管２２と略同一形状の管状部材であり、一方の端部が主管２０に連結され、出射管２４の他方の端部には、窓２８が設けられている。出射管２４も、主管２０と空気が流通可能な状態で、窓２８が設けられている端部が、空気が流通しない状態で、かつ、光が透過できる状態となる。また、出射管２４は、中心軸が入射管２２の中心軸と略同一となる位置に配置されている。つまり、入射管２２と出射管２４とは、主管２０の対向する位置に配置されている。
【００３０】
また、出射管２４も、窓２８側の端部の開口（つまり、窓２８により塞がれている開口）の面積と、主管２０側の端部（つまり、主管２０と連結している部分の開口）の面積とが実質的に同一の円筒形状である。なお、出射管２４も形状は円筒形状に限定されず、空気および光を通過させる筒型の形状であればよく、種々の形状とすることができる。例えば、断面が四角、多角形、楕円、非対称曲面となる形状としてもよい。また筒形状の断面の形状、径が位置によって変化する形状でもよい。なお、出射管２４も、後述するパージガスが安定して流れる形状とすることが好ましい。
【００３１】
次に、計測手段１４は、発光部４０と、光ファイバ４２と、受光部４４と、光源ドライバ４６と、信号処理部（信号処理装置）４７と、物理量算出部４８と、制御部５０と、を有する。なお、本実施形態では、信号処理部４７と、物理量算出部４８と、を別々に設けたが一体で（１つの処理部として）設けてもよい。また、光源ドライバ４６と、信号処理部４７と、物理量算出部４８と、制御部５０と、を一体で（１つの処理部として）設けてもよい。
【００３２】
発光部４０は、所定波長のレーザ光を出力（発光）させる発光素子を有する。なお、発光部４０の発光素子は、出力するレーザ光の出力波長（周波数）を所定の波長幅（周波数幅）で変化させることができる発光素子である。発光素子としては、波長可変の半導体レーザ素子（ＬＤ：Laser Diode）を用いることができる。発光部４０は、測定対象の物質が吸収する近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力する。例えば、計測対象が一酸化窒素の場合、発光部４０は、一酸化窒素を吸収する近赤外波長域を含む波長域のレーザ光を出力する。また、計測対象が二酸化窒素の場合、発光部４０は、二酸化窒素を吸収する近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。また、計測対象が亜酸化窒素の場合、発光部４０は、亜酸化窒素を吸収する近赤外波長域の波長域を含むレーザ光を出力する。なお、測定対象が複数の物質である場合、発光部４０は、夫々の物質が吸収する波長域の光を発光する発光素子を複数備え、それぞれの波長域の光を出力するようにしてもよい。光ファイバ４２は、発光部４０から出力されたレーザ光を案内し、窓２６から計測セル１２内に入射させる。
【００３３】
受光部４４は、計測セル１２の主管２０の内部を通過し、出射管２４の窓２８から出力されたレーザ光を受光する受光部である。なお、受光部４４は、例えば、フォトダイオード（ＰＤ、Photodiode）等の光検出器を備え、光検出器によってレーザ光を受光し、その光の強度を検出する。受光部４４は、受光したレーザ光の強度（光量）を受光信号として、信号処理部４７に送る。
【００３４】
光源ドライバ４６は、発光部４０を駆動する機能を有し、発光部４０に供給する電流、電圧を調整することで、発光部４０から出力されるレーザ光の波長、強度を調整する。光源ドライバ４６は、発振器であり、電流、電圧を所定の波形で発光部４０に供給することで時間により波長が変化するレーザ光を出力させる。本実施形態の光源ドライバ４６は、設定された変調周波数（例えば、１００ｋＨｚ、１２５ｋＨｚ）でレーザ光の波長を振動させる。光源ドライバ４６は、制御部５０を介して物理量算出部４８に、発光部４０から出力しているレーザ光の強度の情報を出力する。
【００３５】
信号処理部４７は、受光部４４がレーザ光を受光することで生成した信号（受光信号）を処理する。具体的には、信号処理部４７は、受光信号に含まれるノイズ成分を除去し、発光部４０から出力され受光部４４に到達したレーザ光の成分を抽出する。なお、抽出して生成される信号を以下スペクトル信号という。また、信号処理部４７の処理については後述する。
【００３６】
物理量算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号に基づいて、計測セル１２を流れる排ガスの濃度を算出する。物理量算出部４８は、信号処理部４７から出力されたスペクトル信号と、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件とに基づいて、計測対象の物質の濃度を算出する。具体的には、物理量算出部４８は、制御部５０により光源ドライバ４６を駆動させている条件に基づいて発光部４０から出力されるレーザ光の強度を算出し、信号処理部４７で生成されたスペクトル信号に基づいて受光したレーザ光の強度を算出する。物理量算出部４８は、この発光したレーザ光の強度と受光したレーザ光の強度と比較し、排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を算出する。
【００３７】
具体的には、発光部４０から出力された近赤外の波長域のレーザ光Ｌは、光ファイバ４２から計測セル１２の所定経路、具体的には、窓２６、入射管２２、主管２０、出射管２４、窓２８を通過した後、受光部４４に到達する。このとき、計測セル１２内の排ガスＡ中に測定対象の物質が含まれていると、計測セル１２を通過するレーザ光が吸収される。そのため、レーザ光Ｌは、排ガスＡ中の測定対象の物質の濃度によって、受光部４４に到達するレーザ光の出力が変化する。受光部４４は、受光したレーザ光を受光信号に変換する。受光部４４で生成された受光信号は、信号処理部４７で処理されスペクトル信号として物理量算出部４８に入力される。また、制御部５０および光源ドライバ４６は、発光部４０から出力したレーザ光Ｌの強度を物理量算出部４８に出力する。物理量算出部４８は、発光部４０から出力した光の強度と、スペクトル信号から算出される強度とを比較し、その減少割合から計測セル１２内を流れる排ガスＡの測定対象の物質の濃度を算出する。このように計測手段１４は、いわゆるＴＤＬＡＳ方式（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy：可変波長ダイオードレーザー分光法）を用いることで、出力したレーザ光の強度と、受光部４４で検出した受光信号とに基づいて主管２０内の所定位置、つまり、測定位置を通過する排ガスＡ中の測定対象の物質の濃度を、算出および／または計測することができる。また、計測手段１４は、連続的に測定対象の物質の濃度を、算出および／または計測することができる。なお、レーザ計測装置１０は、発光部４０から出力されるレーザ光の強度を一定として、スペクトル信号のみ基づいて排ガスＡに含まれる測定対象の物質の濃度を算出してもよい。
【００３８】
制御部５０は、各部の動作を制御する制御機能を有し、必要に応じて、各部の動作を制御する。なお、制御部５０は、計測手段１４の制御のみならず、レーザ計測装置１０の全体の動作を制御する。つまり、制御部５０は、レーザ計測装置１０の動作を制御する制御部である。
【００３９】
次に、図２から図４を用いて、レーザ計測装置１０の信号処理部４７の構成を説明し、信号処理部４７による受光信号の処理について説明する。ここで、図２は、図１に示すレーザ計測装置の信号処理部の概略構成を示すブロック図である。また、図３Ａから図３Ｅは、それぞれ信号処理部の処理を説明するための説明図である。図４は、水晶フィルタの特性を示すグラフである。なお、図３Ａから図３Ｅは、信号の周波数と出力（強度）との関係を模式的に示すグラフ、つまり信号を周波数解析した場合に算出される周波数と出力の関係を示すグラフである。図３Ａから図３Ｅは、縦軸を出力とし、横軸を周波数とした。また、図４は、水晶フィルタの周波数特性を示すグラフであり、縦軸を利得［ｄＢ］とし、横軸を周波数［ＭＨｚ］とした。
【００４０】
図２に示す信号処理部４７は、受光部４４から送られた受光信号を処理してスペクトル信号を生成し、生成したスペクトル信号を物理量算出部４８に送る。信号処理部４７は、指定周波数以外の周波数の出力を低減するフィルタ処理部６２と、フィルタ処理部６２で処理された信号にスペクトル信号抽出処理(例えば、ロックイン処理)を行い、スペクトル信号を抽出するスペクトル信号抽出器(例えば、ロックイン検出器)６４と、を有する。ここで、指定周波数とは、スペクトル信号抽出器６４でスペクトル信号抽出する対象の周波数であり、検出対象である吸収スペクトルの成分を含む周波数である。本実施形態では、指定周波数として、変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数を用いる。
【００４１】
なお、以下の説明では、１２５ｋＨｚを変調周波数としたレーザ光を出力し、指定周波数を２５０ｋＨｚとしてスペクトル信号を生成する場合として説明する。つまり、以下の説明の例では、受光部４４がレーザ光を受光して生成する受光信号には、測定対象の物質がレーザ光を吸収することで生じる吸収スペクトルの成分が１２５ｋＨｚの偶数倍の周波数に含まれる。そこで、レーザ計測装置１０の信号処理部４７は、吸収スペクトルの成分が含まれる周波数のうち２５０ｋＨｚの周波数を解析対象（測定対象）の周波数、つまり指定周波数とし、指定周波数の成分を抽出する処理を行う。フィルタ処理部６２に送られる受光信号は、指定周波数である２５０ｋＨｚ成分にノイズ成分が重畳している。そのため、受光信号は、図３Ａに示すように、各周波数成分に出力が分布している状態となる。信号処理部４７が、図３Ａに示すようなノイズが重畳された受光信号から解析対象の指定周波数の成分を抽出する処理を行う。
【００４２】
フィルタ処理部６２は、発振器７０と、アップコンバータ（上流側周波数変換器）７２と、水晶フィルタ７４と、コイルカップリング７６と、増幅器７７と、ダウンコンバータ（下流側周波数変換器）７８と、ローパスフィルタ８０と、コイルカップリング８２と、増幅器８４と、を有する。
【００４３】
発振器７０は、設定した周波数の信号を生成し出力する信号生成器である。発振器７０は、指定周波数と後述する水晶フィルタ７４を通過する周波数（透過周波数）との差分の周波数（発振周波数）の信号を生成し、アップコンバー７２とダウンコンバータ７８とに送る。なお、本実施形態では、発振器７０は、発振周波数が１０．４５ＭＨｚの信号を出力する。つまり、周波数が１０．４５ＭＨｚの成分で構成された信号を出力する。
【００４４】
アップコンバータ（上流側周波数変換器）７２は、受光信号と発振器７０から送られた信号とをヘテロダインの定理により混合する混合器（周波数変換器、ミキサ）である。アップコンバータ７２は、受信信号の各周波数の成分を発振周波数分増加させた成分と発振周波数分減少させた成分とした信号を生成する。つまり、アップコンバータ７２は、発振周波数を基準として、正負の両方向に受信信号を展開した信号を生成する。つまり、発振周波数をｆとし、受信信号の各周波数ｆａとすると、周波数ｆａの出力をｆ±ｆａの周波数の出力とする。図３Ａに示す受信信号は、アップコンバータ（上流側周波数変換器）７２を通過することで、図３Ｂに示す信号となる。ここで、図３Ｂに示す信号は、受光振動の指定周波数（２５０ｋＨｚ）の成分が、発振周波数１０．４５ＭＨｚに±０．２５ＭＨｚした１０．２ＭＨｚの成分と、１０．７ＭＨｚの成分となる。アップコンバータ７２は、処理した信号を水晶フィルタ７４に送る。
【００４５】
水晶フィルタ７４は、所定の周波数である透過周波数の成分を選択的に通過させ、透過周波数以外の周波数成分を除去、低減するフィルタである。水晶フィルタ７４は、水晶振動子を用いるフィルタであり、透過周波数（水晶振動子と共振する周波数成分）を中心周波数とする一定の周波数帯域の成分を選択的に通過させ、透過周波数を中心周波数とする一定の周波数帯域以外の周波数の成分（出力）を減少させる。ここで、本実施形態の水晶フィルタ７４は、図４に示すように、透過周波数が１０．７ＭＨｚのフィルタである。ここで、図４の縦軸の利得は、各周波数における透過率と同様であり、利得が０に近いほど出力を透過し、利得のマイナス成分が大きいほど（−９０ｄＢに近いほど）、出力を低減する。なお、水晶フィルタ７４は、利得が−８０ｄＢの周波数成分は、ほとんど透過させない。水晶フィルタ７４は、１０．７ＭＨｚを中心として、１０．６９ＭＨｚ以上１０．７１ＭＨｚ未満の範囲の周波数成分の出力を一定程度透過し、それ以外の周波数成分の出力を低減させる。これにより、水晶フィルタ７４を透過した信号は、図３Ｃに示すように、透過周波数の１０．７ＭＨｚを中心とした一定周波数域の成分が支配的な信号となる。水晶フィルタ７４は、アップコンバータ７２から送られた信号に対して処理（フィルタ処理）を行い、処理を行った信号（水晶フィルタ７４を通過した信号）をコイルカップリング７６（増幅器７７）に送る。
【００４６】
コイルカップリング７６は、水晶フィルタ７４と、増幅器７７との間に配置されている。コイルカップリング７６は、増幅器７７に使用しているオペアンプの入力部の回路定数を整合する機器であり、増幅器７７の他の部品との整合部に配置されている。コイルカップリング７６は、一対のコイルで構成されており、一方のコイルが水晶フィルタ７４と接続し、他方のコイルが増幅器７７と接続している。コイルカップリング７６は、一対のコイルが対向して配置されており、水晶フィルタ７４から送られてきた信号を一方のコイルから他方のコイルに伝達し、増幅器７７に送る。コイルカップリング７６は、一対のコイルを介して信号を伝達することで、増幅器７７の整合部で発生する熱ノイズを抑制することができる。
【００４７】
増幅器７７は、水晶フィルタ７４から送られ、コイルカップリング７６を通過した信号（受光信号から透過周波数を中心とした周波数域以外の周波数の成分を除去、低減した信号）を増幅する。増幅器７７は、増幅した信号をダウンコンバータ７８に送る。
【００４８】
ダウンコンバータ（下流側周波数変換器）７８は、増幅器７７から送られた信号と発振器７０から送られた信号とをヘテロダインの定理により混合する混合器（周波数変換器、ミキサ）である。ダウンコンバータ７８は、アップコンバータ７２と同様の構成であり、増幅器７７から送られた信号の各周波数の成分を発振周波数分増加させた成分と発振周波数分減少させた成分とした信号を生成する。つまり、ダウンコンバータ７８は、発振周波数を基準として、正負の両方向に増幅器７７から送られた信号を展開した信号を生成する。ダウンコンバータ７８を通過した信号は、図３Ｄに示す信号となる。ここで、図３Ｄに示す信号は、透過周波数（１０．７ＭＨｚ）の成分が、発振周波数１０．４５ＭＨｚに±１０．７ＭＨｚした２５０ｋＨｚの成分と、２１．１５ＭＨｚの成分となる。ダウンコンバータ７８は、処理した信号をローパスフィルタ８０に送る。
【００４９】
ローパスフィルタ８０は、ダウンコンバータ７８とコイルカップリング８２との間に配置されている。ローパスフィルタ８０は、設定された閾値周波数以下の周波数の成分を透過させ、閾値周波数より大きい周波数の成分を低減するフィルタであり、ダウンコンバータ７８から送られた信号のうち、指定周波数を中心とした周波数域の成分を透過させ、透過周波数に発振周波数を加算した周波数を中心とした周波数域の成分を低減する。なお、ローパスフィルタ８０としては、１ＭＨｚ以上の周波数の成分を低減する（１ＭＨｚ未満の周波数の成分をそのまま透過する）フィルタを用いることが好ましい。本実施形態では、２５０ｋＨｚを中心とした周波数域の成分を透過させ、２１．１５ＭＨｚを中心とした周波数域の成分を低減する。
【００５０】
コイルカップリング８２は、ローパスフィルタ８０と、増幅器８４との間に配置されている。コイルカップリング８２は、増幅器８４に使用しているオペアンプの入力部の回路定数を整合する機器であり、増幅器８４の他の部品との整合部に配置されている。コイルカップリング８２は、一対のコイルで構成されており、一方のコイルがローパスフィルタ８０と接続し、他方のコイルが増幅器８４と接続している。コイルカップリング８２は、一対のコイルが対向して配置されており、ローパスフィルタ８０から送られてきた信号を一方のコイルから他方のコイルに伝達し、増幅器８４に送る。コイルカップリング７６は、一対のコイルを介して信号を伝達することで、増幅器８４の整合部で発生する熱ノイズを抑制することができる。
【００５１】
増幅器８４は、ローパスフィルタ８０から送られ、コイルカップリング８２を通過した信号（受光信号から指定周波数以外の周波数の成分を除去、低減した信号）を増幅する。これにより、増幅器８４を通過した信号は、図３Ｅに示す信号となる。図３Ｅに示す信号は、図３Ｄに示す信号がローパスフィルタ８０を通過することで２１．１５ＭＨｚを中心とした周波数域の成分が低減され２５０ｋＨｚを中心とした周波数域の成分が支配的な信号とされ、さらに２５０ｋＨｚを中心とした周波数域の成分が増幅された信号である。増幅器８４は、増幅した信号をスペクトル信号抽出器６４に送る。
【００５２】
次に、スペクトル信号抽出器６４は、フィルタ処理部６２で処理され、指定周波数以外の周波数の成分が低減された受光信号に対して、指定周波数を参照周波数としてスペクトル信号抽出処理を行う。これにより、指定周波数以外の周波数の成分が低減された受光信号から指定周波数のスペクトル信号を生成する。なお、スペクトル信号抽出器６４としては、上記で例示したように、ロックイン処理を行うロックイン検出器を用いることができる。ロックイン検出器を用いることで、安価な構成で高精度にスペクトル信号を抽出することができる。なお、スペクトル信号抽出器６４の種類はロックイン検出器に限定されない。スペクトル信号抽出器６４は、検出したスペクトル信号を物理量算出部４８に送る。信号処理部４７は、以上のようにして受光信号からスペクトル信号を生成及び／または抽出する。
【００５３】
次に、具体的な信号の計測結果の一例の図４及び図５Ａから図５Ｅを用いて、信号処理部４７の処理をより詳細に説明する。図５Ａから図５Ｅは、それぞれ信号処理部の経路で検出されるスペクトルの一例を示すグラフである。図５Ａから図５Ｅは、縦軸を電圧（出力）［ｄＢＶ］とし、横軸を周波数［ＭＨｚ］とした。なお、以下の説明では、１００ｋＨｚを変調周波数としたレーザ光を出力し、指定周波数を２００ｋＨｚとし、発振器の発振周波数を１０．５ＭＨｚとしてスペクトル信号を生成する場合として説明する。
【００５４】
まず、受光信号のスペクトル（信号処理部４７に入力する入力スペクトル）は、図５Ａに示すように、各周波数成分に出力が分布している状態となる。ここで、図５Ａに示す受光信号は、変調周波数の１００ｋＨｚの成分が−１０．９３ｄＢＶであり、指定周波数の２００ｋＨｚの成分が−５３．１６ｄＢＶである。このように、受光信号では、解析対象の２００ｋＨｚの成分とノイズの１００ｋＨｚの成分との差が−４２．２３ｄＢとなり、解析対象の成分が、ノイズ成分である１００ｋＨｚの成分よりも小さい出力となっている。
【００５５】
その後、アップコンバータ７２により周波数変換（アップコンバート）した信号は、図５Ｂに示す出力分布となる。図５Ｂに示すように、アップコンバートした信号は、発振周波数である１０．５ＭＨｚを中心として周波数軸に略対象な波形となる。またアップコンバートした信号は、変調周波数の１００ｋＨｚを周波数変換した１０．６０ＭＨｚの成分が−１７．７４ｄＢＶであり、指定周波数の２００ｋＨｚを周波数変換した１０．７ＭＨｚの成分が−６０．２０ｄＢＶである。このように、アップコンバートした信号では、解析対象の１０．７ＭＨｚの成分とノイズの１０．６ＭＨｚの成分との差が−４２．４６ｄＢとなる。なお、アップコンバータ７２で処理することで、各周波数の成分は減少している。
【００５６】
その後、水晶フィルタ７４を通過（透過）した信号は、図５Ｃに示す出力分布となる。なお、図５Ｃに示すグラフは、周波数１０ＭＨｚから１１ＭＨｚの範囲のみを示している。図５Ｃに示すように、水晶フィルタ７４を通過した信号は、透過周波数の１０．７ＭＨｚを中心とした周波数域の成分を透過させ、その他の周波数域の成分を低減する。これにより、水晶フィルタ７４を通過した信号は、周波数１０．６０ＭＨｚの成分が−１０１．２５ｄＢＶであり、１０．７ＭＨｚの成分が−６０．７２ｄＢＶである。このように、水晶フィルタ７４を通過した信号は、解析対象の１０．７ＭＨｚの成分は略そのまま通過させ、ノイズの１０．６ＭＨｚの成分を低減させる。これにより、解析対象の１０．７ＭＨｚの成分とノイズの１０．６ＭＨｚの成分との差が３７．５３ｄＢとなり、解析対象の成分がノイズ成分よりも大きくなる。
【００５７】
その後、ダウンコンバータ７８により周波数変換（ダウンコンバート）した信号は、図５Ｄに示す出力分布となる。なお、図５Ｄは、横軸の周波数軸を対数軸としている。図５Ｄに示すように、ダウンコンバートした信号は、発振周波数である１０．５ＭＨｚを中心として周波数軸に略対象な波形となり、解析対象の１０．７ＭＨｚの成分は、周波数２００ｋＨｚの成分と周波数２１．２ＭＨｚの成分となる。また、ノイズの１０．６ＭＨｚの成分は、周波数１００ｋＨｚの成分と周波数２１．３ＭＨｚの成分となる。つまり、１０．７ＭＨｚ以下の成分は、アップコンバータ７２の処理前の信号の周波数と同一の周波数の成分となる。ダウンコンバートした信号は、１００ｋＨｚの成分が−８９．５９ｄＢＶであり、指定周波数の２００ｋＨｚの成分が−５９．８０ｄＢＶである。このように、ダウンコンバートした信号では、解析対象の２００ｋＨｚの成分とノイズの１００ｋＨｚの成分との差が２９．７９ｄＢとなる。
【００５８】
その後、ローパスフィルタ８０を通過した信号は、図５Ｅに示す出力分布となる。また、図５Ｅも図５Ｄと同様に横軸の周波数軸を対数軸としている。なお、本具体例で用いたローパスフィルタ８０は、周波数１ＭＨｚ以上の成分を低減するフィルタである。図５Ｅに示すように、ローパスフィルタ８０を通過した信号は、周波数１ＭＨｚ以上の成分が低減され、周波数２１．２ＭＨｚの成分が低減される。また、周波数１００ｋＨｚの成分と、周波数２００ｋＨｚの成分とは、略そのまま透過する。ローパスフィルタ８０を通過した信号は、１００ｋＨｚの成分が−８９．６１ｄＢＶであり、指定周波数の２００ｋＨｚの成分が−６０．０６ｄＢＶである。このように、ローパスフィルタ８０を通過した信号では、解析対象の２００ｋＨｚの成分とノイズの１００ｋＨｚの成分との差が２９．５５ｄＢとなる。ローパスフィルタ８０を通過した信号は、その後、増幅器８４で増幅された後、スペクトル信号抽出器６４でスペクトル信号抽出処理されることで、指定周波数成分を抽出したスペクトル信号を生成する。
【００５９】
このように、レーザ計測装置１０の信号処理部４７は、受光信号の指定周波数の成分を水晶フィルタ７４の透過周波数の成分とした後、当該信号を水晶フィルタ７４に透過（通過）させることで、受光信号から効率よくノイズを除去または低減することができる。つまり、透過周波数（透過周波数を中心とした一定周波数域）以外の周波数の成分を高い割合で低減できる水晶フィルタ７４でフィルタ処理を行うことで、受光信号の指定周波数の成分以外の成分を効率よく除去、低減することができる。また、透過周波数を中心とした一定周波数域を他のフィルタに比して狭い周波数域とすることができる。これにより、指定周波数の成分を高精度に抽出することができる。例えば、本実施形態のように、２００ｋＨｚが指定周波数であり、１００ｋＨｚに大きなノイズ成分がある場合も、ノイズ成分を好適に低減することができる。
【００６０】
本実施形態のように、アップコンバータ７２及び発振器７０で受光信号の指定周波数の成分を水晶フィルタ７４の透過周波数の成分に変換することで、指定周波数の周波数によらず、水晶フィルタ７４ｄで受光信号の指定周波数の成分を透過させ、その他の周波数の成分を除去低減することができる。
【００６１】
また、水晶フィルタ７４を透過した信号をダウンコンバータ７８でタウンコンバートすることで、スペクトル信号抽出器６４での処理をより簡単にすることができる。さらに、１つの発振器７０がアップコンバータ７２とダウンコンバータ７８とに信号を供給することで、発振器の数を少なくすることができる。また信号処理部４７に入力時と出力時とで、解析対象の成分が含まれる周波数を同一周波数とすることができる。
【００６２】
また、受光信号から効率よくノイズを除去または低減し、指定周波数の成分の出力とノイズ成分の出力との差が小さくなることで、ノイズ除去後でスペクトル信号抽出処理前の信号をより大きく増幅することができ、スペクトル信号抽出処理前に指定周波数の成分の出力をより増幅することができる。ここで、増幅器８４は、スペクトル信号抽出器６４の計測レンジに適用可能な大きさまで増幅させる場合に信号の大きさを基準として増幅の比率を設定する。そのため、指定周波数の成分の出力とノイズ成分の出力との差が小さくなることで、ノイズ成分の出力が指定周波数の成分の出力よりも一定程度大きい場合よりも、指定周波数の成分の出力をより大きく増幅することができる。つまり、より大きく増幅しても、出力をスペクトル信号抽出器６４の計測レンジに適用可能な大きさに抑えることができる。これにより、指定周波数の成分の出力をより高精度に検出することができる。また、フィルタとしては、水晶フィルタを設ければよいため、装置構成を簡単にすることができる。
【００６３】
さらに、ノイズを好適に小さくできることで、スペクトル信号抽出器の計測レンジが小さい場合でも好適に指定周波数の出力を検出することができる。これにより、性能を維持しつつ、スペクトル信号抽出器を安価にすることができ、レーザ計測装置も安価にすることができる。
【００６４】
次に、図６を用いて、レーザ計測装置の他の実施形態について説明する。図６は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図６に示すレーザ計測装置の実施形態は、信号処理部の構成を除いて他の構成は、基本的に図１および図２に示すレーザ計測装置と同様である。また、図６に示す信号処理部１４７のうち、図２に示す信号処理部４７と同様の構成には、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００６５】
図６に示す信号処理部１４７は、フィルタ処理部１６２と、スペクトル信号検出器６４と、を有する。フィルタ処理部１６２は、発振器７０と、水晶フィルタ７４と、コイルカップリング７６と、増幅器７７と、ダウンコンバータ（下流側周波数変換器）７８と、ローパスフィルタ８０と、コイルカップリング８２と、増幅器８４と、を有する。
【００６６】
発振器７０は、設定した周波数の信号を生成し出力する信号生成器である。発振器７０は、指定周波数と透過周波数との差分の周波数（発振周波数）の信号を生成し、ダウンコンバータ７８に送る。
【００６７】
このように、信号処理部１４７は、アップコンバータを備えない点を除いて他の構成は、信号処理部４７と同様である。本実施形態のレーザ計測装置の構成とした場合も、受光部４４がレーザ光を受光し、生成する受光信号に含まれる解析対象の吸収スペクトルの成分が透過周波数の成分となるようにすることで、水晶フィルタ７４が透過する周波数成分を測定対象の周波数の成分とすることができる。
【００６８】
このように、受光部４４が生成する受光信号に含まれる解析対象の吸収スペクトルの成分が透過周波数の成分とすることで、アップコンバータを設けることなく、受光信号から解析対象の吸収スペクトルの成分を抽出することができる。例えば、上記実施形態のように、透過周波数が１０．７ＭＨｚの場合は、レーザ光の変調周波数を５．３５ＭＨｚとすることで、解析対象を１０．７ＭＨｚとすることができる。
【００６９】
次に、図７を用いて、レーザ計測装置の他の実施形態について説明する。図７は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。なお、図７に示すレーザ計測装置の実施形態は、信号処理部の構成を除いて他の構成は、基本的に図１および図２に示すレーザ計測装置と同様である。また、図７に示す信号処理部２４７のうち、図２に示す信号処理部４７と同様の構成には、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
【００７０】
図７に示す信号処理部２４７は、フィルタ処理部２６２と、スペクトル信号抽出器６４と、を有する。フィルタ処理部２６２は、アップコンバータ２０と、周波数可変発振器２７０と、発振器２７１と、水晶フィルタ７４と、コイルカップリング７６と、増幅器７７と、ダウンコンバータ（下流側周波数変換器）７８と、ローパスフィルタ８０と、コイルカップリング８２と、増幅器８４と、を有する。
【００７１】
周波数可変発振器２７０は、発振周波数を任意に可変可能な信号生成器である。周波数可変発振器２７０は、発振周波数を多段階で変更したり、時間によって発振周波数を変化させたりすることができる。なお、周波数可変発振器２７０は、発振周波数として、指定周波数と水晶フィルタ７４を通過する周波数（透過周波数）との差分の周波数を基準とし、周波数を変更可能とする。周波数可変発振器２７０は、生成した信号をアップコンバータ７２に送る。
【００７２】
発振器２７１は、設定した周波数の信号を生成し出力する信号生成器である。発振器２７１は、指定周波数と透過周波数との差分の周波数（発振周波数）の信号を生成し、ダウンコンバータ７８に送る。
【００７３】
信号処理部２４７は、アップコンバータ７２に信号を供給する発振器を周波数可変発振器２７０とすることで、受光信号に含まれる信号の解析対象の周波数を選択することができる。つまり、アップコンバータ７２に入力する信号の発振周波数を変化させることで、水晶フィルタを通過する受光信号の周波数の成分を変更することができる。レーザ計測装置は、複数のレーザ光を別々の変調周波数で受光部４４に入射させた場合も１つの受光部４４でそれぞれの変調周波数に基づいた信号成分を抽出することができる。
【００７４】
また、周波数可変発振器２７０から出力する信号の発振周波数を掃引（変調）することで、変調周波数が不安定な場合も、信号に含まれる吸収スペクトルに起因する成分が水晶フィルタ７４を透過することができる。
【００７５】
また、ダウンコンバータ７８には、発振器２７１から信号を送ることで、水晶フィルタ７４を通過し、スペクトル信号抽出器６４に到達する信号のうち、水晶フィルタ７４の通過時の透過周波数の成分のタウンコンバート後の周波数を一定にすることができる。これにより、指定周波数を変更することなく、水晶フィルタ７４を透過した成分をスペクトル信号抽出処理で抽出することができる。
【００７６】
次に、図８および図９を用いて、レーザ計測装置の他の実施形態について説明する。図８は、レーザ計測装置の他の実施形態の概略構成を示す模式図である。また、図９は、信号処理部の処理を説明するための説明図である。なお、図８に示すレーザ計測装置の実施形態は、信号処理部の構成を除いて他の構成は、基本的に図１および図２に示すレーザ計測装置と同様である。また、図８に示す信号処理部３４７のうち、図２に示す信号処理部４６と同様の構成には、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。また、図８に示す信号処理部３４７は、信号処理装置４７に自己診断機能、キャリブレーション機能を付加したものである。
【００７７】
図８に示す信号処理部３４７は、フィルタ処理部３６２と、スペクトル信号抽出器６４と、メモリ３６６と、内蔵信号発生器３６８と、信号合流部３６９と、を有する。フィルタ処理部３６２は、フィルタ処理部６２と同様の構成であるので詳細な説明を省略する。メモリ３６６は、記憶装置であり、スペクトル信号抽出器６４で生成された信号の情報を取得し、取得した自信号とその信号を生成した条件とを記憶する。信号内蔵発生器３６８は、信号を生成して出力する発振器であり、制御部５０に入力された指示に基づいて信号を生成し出力する。信号合流部３６９は、受光部４４とフィルタ処理部３６２との間に配置されており、受光部４４から送られた信号をフィルタ処理部３６２に送る。信号合流部３６９は、さらに、内蔵信号発生器３６８と連結しており、内蔵信号発生器３６８から送られた信号をフィルタ処理部３６２に送る。
【００７８】
信号処理部３４７は、上記のような構成である。信号処理部３４７は、制御部５０の制御に基づいて、メモリ３６６に記憶された情報に基づいてフィルタ処理部３６２、スペクトル信号抽出器３６４の診断、キャリブレーションを実行する。なお、制御部５０に替えて、信号処理部３４７が制御機能を備えてもよい。制御部５０は、信号内蔵生成部３６８から信号を出力させ、信号合流部３６９からフィルタ処理部３６２を通過しスペクトル信号抽出器６４に到達した信号を取得する。制御部５０は、スペクトル信号抽出器６４に到達した信号に基づいて、信号処理部３４７の経路内を伝達することで生じるホワイトノイズを検出し、その結果に基づいて信号処理部３４７の回路の診断やキャリブレーションを行う。例えば、図９に示すように、指定周波数２５０ｋＨｚの成分が波形３８０か、波形３８０よりも出力の大きい波形３８２か、波形３８０よりも出力の小さい波形３８４か、を検出し、信号処理部３４７の劣化状態を判定する。また、内蔵信号発生器３６８から強度の違う信号を順次出力し、その出力が、例えば、波形３８０、３８２、３８４のように、出力に比例しているか等を判定し、入力（受光信号）と出力（スペクトル信号）との関係を検出し、装置のキャリブレーションを行う。
【００７９】
信号処理部３４７は、以上のように、受光信号に変わる信号を生成し、系内のホワイトノイズを検出し、その結果を蓄積することで、系内の自己診断や、キャリブレーションを実行することができる。また、自己診断が可能となることで、不具合を解消することも可能となる。なお、自己診断や、キャリブレーションの方法は種々の方法を用いることができる。また、不具合が発生したら、使用者に通知するようにしてもよい。
【００８０】
また、上述したように、指定周波数は、変調周波数の整数倍の種々の値とすることができる。指定周波数として、変調周波数の４倍の周波数を用いても、変調周波数に含まれる吸収スペクトル（検出対象のスペクトル）の変化を検出することができる。なお、指定周波数として、変調周波数の４倍の周波数を用いて解析を行うとスペクトルの４次微分波形が検出される。このように変調周波数の２倍以外の周波数を用いることで、変調周波数の２倍の周波数にノイズ成分がある場合も吸収スペクトル（検出対象のスペクトル）の変化を検出することができる。
【００８１】
また、レーザ計測装置の信号処理部は、上記実施形態のように増幅器と他の部材との連結部（増幅器等を構成するオペアンプの整合部）には、コイルカップリングを設けることが好ましい。整合部にコイルカップリングを用いることで、熱ノイズ等を抑制できる。なお、上記効果を得ることができるため、増幅器と他の部材との連結部には、コイルカップリングを用いることが好ましいがこれに限定されず、種々の連結部材を用いることができる。
【００８２】
また、上記実施形態では、水晶フィルタ７４を透過した信号をローパスフィルタによりフィルタ処理をしたがこれに限定されない。フィルタとしてはバンドパスフィルタも用いることができる。また、信号成分が十分に大きい場合は増幅器７７、８４を設けなくてもよい。
【００８３】
また、レーザ計測装置は、発光部４０から出力するレーザ光の波長を変調周波数よりも低い周波数である掃引周波数（例えば０．１ｋＨｚ、１ｋＨｚ）で掃引することが好ましい。レーザ光を掃引周波数掃引させることで、測定対象の物質の吸収波長がずれている場合や、レーザ光の出力波長が変動した場合でも補正することができ、測定対象の物質の物理量をより高い精度で計測できる。ここで、変調周波数に基づいたレーザ光の波長の振動の振動幅は、掃引周波数に基づいたレーザ光の波長の変化幅よりも小さくすることが好ましい。これにより、発光部４０から出力されるレーザ光は、変調周波数で振動する振動の中心が、掃引周波数に基づいて変化するレーザ光となる。
【符号の説明】
【００８４】
６、８ 配管
１０ レーザ計測装置
１２ 計測セル
１４ 計測手段
２０ 主管
２２ 入射管
２４ 出射管
２６、２８ 窓
４０ 発光部
４２ 光ファイバ
４４ 受光部
４６ 光源ドライバ
４７ 信号処理部
４８ 物理量算出部
５０ 制御部
６２ フィルタ処理部
６４ スペクトル信号抽出器
７０ 発振器
７２ アップコンバータ
７４ 水晶フィルタ
７６、８２ コイルカップリング
７７、８４ 増幅器
７８ ダウンコンバータ
８０ ローパスフィルタ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が流れる計測セルと、測定対象のガスに固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力し、前記計測セルに入射させる発光部と、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、を有し、前記受光信号に基づいて前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量を算出するレーザ計測装置に適用され、
前記受光部が受光した受光信号を処理し、前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量の算出に用いるスペクトル信号を出力する信号処理装置であって、
前記指定周波数以外の周波数の出力を低減するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部で処理された信号にスペクトル信号抽出処理を行い、前記スペクトル信号を抽出するスペクトル信号抽出器と、を含み、
前記フィルタ処理部は、透過周波数を含む透過周波数帯域の出力を通過させ、前記透過周波数帯域以外の出力を減衰する水晶フィルタと、
前記透過周波数と前記指定周波数との差分の周波数を発振する発振器と、
前記発振器から発振された信号と前記水晶フィルタを通過した信号とを混合し、前記水晶フィルタを通過した信号の透過周波数の出力を、前記指定周波数の出力に変換する下流側周波数変換器と、を有することを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記受光信号に含まれる指定周波数の成分を前記透過周波数に含まれる周波数の成分に変換する上流側周波数変換部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記上流側周波数変換部は、前記発振部から発振された信号と前記受光信号とを混合し、前記受光信号に含まれる指定周波数の成分を前記透過周波数に含まれる周波数の成分に変換することを特徴とする請求項２に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記発振器は、出力する信号の周波数を変更可能なこと特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記指定周波数は、前記変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記受光信号は、前記透過周波数の出力が前記スペクトル信号の前記指定周波数の出力であることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項７】
前記透過周波数は、前記変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数であることを特徴とする請求項６に記載の信号処理装置。
【請求項８】
前記下流周波数変換器と前記スペクトル信号抽出器との間に配置され、前記下流側周波数変換器を通過した信号から前記指定周波数以上の周波数の出力を低減するローパスフィルタをさらに有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項９】
前記ローパスフィルタと前記スペクトル信号抽出器との間に配置され、前記下流側周波数変換器を通過した信号を増幅する増幅器と、
前記ローパスフィルタと前記増幅器との間に配置されたコイルカップリングと、をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の信号処理装置。
【請求項１０】
前記水晶フィルタと前記下流側周波数変換器との間に配置され、前記水晶フィルタを通過した信号を増幅する増幅器と、
前記水晶フィルタと前記増幅器との間に配置されたコイルカップリングと、をさらに有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の信号処理装置と、
流体を流す流路と連結可能な主管、前記主管に連結し、光が通過可能な窓部が形成された入射部、前記主管に連結し光が通過可能な窓部が形成された出射部と、を含む計測セルと、
測定対象のガスに固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力し、前記入射部に入射させる発光部と、
前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、
前記スペクトル信号に基づいて、前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量を算出する物理量算出部と、
各部の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とするレーザ計測装置。
【請求項１２】
前記物理量算出部が算出する物理量は、前記測定対象のガスの濃度であることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ計測装置。
【請求項１３】
前記物理量算出部は、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記測定対象の物質の濃度を算出することを特徴とする請求項１２に記載のレーザ計測装置。
【請求項１】
流体が流れる計測セルと、測定対象のガスに固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力し、前記計測セルに入射させる発光部と、前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、を有し、前記受光信号に基づいて前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量を算出するレーザ計測装置に適用され、
前記受光部が受光した受光信号を処理し、前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量の算出に用いるスペクトル信号を出力する信号処理装置であって、
前記指定周波数以外の周波数の出力を低減するフィルタ処理部と、
前記フィルタ処理部で処理された信号にスペクトル信号抽出処理を行い、前記スペクトル信号を抽出するスペクトル信号抽出器と、を含み、
前記フィルタ処理部は、透過周波数を含む透過周波数帯域の出力を通過させ、前記透過周波数帯域以外の出力を減衰する水晶フィルタと、
前記透過周波数と前記指定周波数との差分の周波数を発振する発振器と、
前記発振器から発振された信号と前記水晶フィルタを通過した信号とを混合し、前記水晶フィルタを通過した信号の透過周波数の出力を、前記指定周波数の出力に変換する下流側周波数変換器と、を有することを特徴とする信号処理装置。
【請求項２】
前記受光信号に含まれる指定周波数の成分を前記透過周波数に含まれる周波数の成分に変換する上流側周波数変換部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項３】
前記上流側周波数変換部は、前記発振部から発振された信号と前記受光信号とを混合し、前記受光信号に含まれる指定周波数の成分を前記透過周波数に含まれる周波数の成分に変換することを特徴とする請求項２に記載の信号処理装置。
【請求項４】
前記発振器は、出力する信号の周波数を変更可能なこと特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項５】
前記指定周波数は、前記変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項６】
前記受光信号は、前記透過周波数の出力が前記スペクトル信号の前記指定周波数の出力であることを特徴とする請求項１に記載の信号処理装置。
【請求項７】
前記透過周波数は、前記変調周波数を２倍以上で整数倍した周波数であることを特徴とする請求項６に記載の信号処理装置。
【請求項８】
前記下流周波数変換器と前記スペクトル信号抽出器との間に配置され、前記下流側周波数変換器を通過した信号から前記指定周波数以上の周波数の出力を低減するローパスフィルタをさらに有することを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項９】
前記ローパスフィルタと前記スペクトル信号抽出器との間に配置され、前記下流側周波数変換器を通過した信号を増幅する増幅器と、
前記ローパスフィルタと前記増幅器との間に配置されたコイルカップリングと、をさらに有することを特徴とする請求項８に記載の信号処理装置。
【請求項１０】
前記水晶フィルタと前記下流側周波数変換器との間に配置され、前記水晶フィルタを通過した信号を増幅する増幅器と、
前記水晶フィルタと前記増幅器との間に配置されたコイルカップリングと、をさらに有することを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の信号処理装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載の信号処理装置と、
流体を流す流路と連結可能な主管、前記主管に連結し、光が通過可能な窓部が形成された入射部、前記主管に連結し光が通過可能な窓部が形成された出射部と、を含む計測セルと、
測定対象のガスに固有な吸収波長を含む波長域のレーザ光を変調周波数で波長を変調しつつ出力し、前記入射部に入射させる発光部と、
前記入射部から入射され、前記計測セルを通過し、前記出射部から出射された前記レーザ光を受光し、受光した光量を受光信号として出力する受光部と、
前記スペクトル信号に基づいて、前記計測セルを流れる測定対象のガスの物理量を算出する物理量算出部と、
各部の動作を制御する制御部と、を有することを特徴とするレーザ計測装置。
【請求項１２】
前記物理量算出部が算出する物理量は、前記測定対象のガスの濃度であることを特徴とする請求項１１に記載のレーザ計測装置。
【請求項１３】
前記物理量算出部は、前記発光部から出力したレーザ光の強度と、前記受光部で受光したレーザ光の強度とに基づいて、前記測定対象の物質の濃度を算出することを特徴とする請求項１２に記載のレーザ計測装置。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図３Ｄ】
【図３Ｅ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図５Ｅ】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１７３１７６（Ｐ２０１２−１７３１７６Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３６３２６（Ｐ２０１１−３６３２６）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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