专利名称：气体浓度通量测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及到一种用于进行森林中的CO2吸收量评估、用于进行从地面产生的温室气体(GHG)的生成量的调查等环境调查、或者用于检测CO2地下处理成套设备、气体贮存设备、管道等的气体泄漏的浓度通量测量装置。
背景技术：
近些年来，温室气体(GHGCO2、CH4、N2O等)引起的地球温室效应的问题受到人们关注，对于来自地表、工业成套设备的各种GHG排放/泄漏量、森林中的CO2吸收量的掌握变得日益重要。
掌握来自地表的单位面积下的气体排放量(通量)的最简单的方法是，如图15A所示，将开有细小孔的容器101伏在地面100a上，首先测量容器101内的测量对象气体的浓度，经过一定时间后再次进行气体浓度测量。气体浓度通量可根据浓度差及容器的接地面积/容积进行估算。图中104是气体收集器，106是分析装置。
并且，近些年来，在开始在各地活跃进行的森林CO2通量的测量中，如图15B所示，在森林99中设置观测台91，在观测台91上利用时间响应性良好的流速计51和CO2浓度计93、96进行大气观测，对两者的测量结果通过涡度相关理论进行解析，导出森林CO2通量(即森林的CO2吸收量)。例如本发明人在非专利文献1中发表过CO2通量的连续观测。
具体而言，如图15B所示，在风速测量中，一般使用时间响应性非常好的超声波流速计51。在CO2浓度测量中，一般使用利用了取样管95的方式的闭路型CO2浓度计96，但近些年来，开始使用利用了时间响应性良好的红外光源的开路型CO2计93(测量长度为1m以下)。图中90是观测室，19是解析装置。
进一步，并非气体浓度通量的测量技术本身得到开发，而是利用了激光的广阔区域的动量通量(＝{大气质量(平均密度)×水平方向速度成分}的垂直方向输送量)的测量技术得到开发，其在森林测量中的应用取得进展。这种利用闪烁法的测量技术如图15C所示，在森林99中隔开设置二个观测台91、92，从一个观测台91上设置的光源部111内的闪烁测量单元70照射二束激光，以透过森林上部，通过另一个观测台92上设置的受光部112，测量各个激光透射率的时间变化(闪烁)。图中90是观测室，121是解调器，122是解析装置。
该现有装置的基本构成如图15D所示，由观测台上的二对闪烁测量用激光振荡器113、114，受光装置115、116，及测量室123内设置的解析部122构成。透过测量区域100的二束激光113a、114a分别由受光装置115、116接收，并将受光信号S101、S102发送到解析部122。在解析部122中，首先为了掌握光路上的大气紊乱状态(光路上的紊流状态解析131)，进行方差、协方差的解析132，接着利用基于Monin-Obukhov相似理论的解析方法133，求得运动能量、热的消散率ε，进一步求得动量通量及显热通量(根据情况不同有时也包括潜热通量)134。
但是众所周知，在大气边界层中，因地表的摩擦作用和热作用产生紊流，各种物理量向上空的输送主要为紊流输送。
Monin-Obukhov相似理论(以下称为MOS)表示该领域的的大气变量的各种统计量(平均值、方差、协方差、频谱等)变为与z/L(z测定高度，LMonin-Obukhov长度)相关的普遍的函数。因此当该相似理论成立时，测量大气紊流状态(此时，激光透射率的时间变化→大气密度的紊流(2次密度构造函数Dn2))，将该测量结果根据MOS依次进行解析(大气紊流状态→运动能量频谱→能量敞逸率)，导出动量通量。
关于这种动量通量的导出，假设在森林上部MOS成立，利用非专利文献2中记载的方法由激光的闪烁状态解析大气紊流状态，根据该结果，导出光路上的动量通量(闪烁法)。以上如图16A、16B所示。
非专利文献1中屋耕ほか「浅間山東麓ダケカンバ林におけるCO2フラツクスの連続観測の紹介」2002年CGER フラツクスリサ一チミ一テイング(2002年11月14日)、58頁。
非专利文献2Thiermann，V.“A displaced-beam scintillometer forline-averaged measurements of surface layer turbulence”.Tenthsymposium of turbulence and diffusion，29 Sept-2 Oct，1992，Portland，OR.，published by the American Meteorological Society，Boston，MA.p244-p247(1992).
但是利用上述现有方法测量气体浓度通量时，存在如下所述的各种问题。
(1)现有的气体浓度计没有完全满足用于通量测量的必要条件。
除了在现有技术开始所述的不考虑通量的时间变化的测量外，在用于森林CO2吸收量测量等通量测量的气体浓度测量中，要求具有以下特性。
(i)高响应性在涡度相关理论的通量检测中，要求尽可能快的响应性。
(ii)无共存物质的影响为了进行微量成分的检测，要求不受到对象气体以外的物质的影响。
(iii)测量稳定性由于需要长时间的连续测量，因此要求测量的稳定性。
通常所使用的取样式的闭路型气体浓度计96在构造上会产生测量缓慢、及稀释效果，因此其响应性存在问题。
并且，由于容易受到共存物质(H2O、固体粒子)的影响，必须进行前期处理(除湿、除尘)，响应性难于提高。
并且，为改善响应性而开始导入的开路型气体浓度计93由于在光源中使用振幅较大的红外光源，因此易于受到共存物质(尤其是H2O)的影响。并且，由于光源存在问题，测量稳定性上也存在问题。
(2)无法进行广阔区域的连续的气体浓度测量。
在现有的闭路式气体浓度计96中，测量范围仅限定在取样位置附近的区域中。并且在开路型气体浓度计93中，由于存在光源问题，其测量长度仅仅为1m以下。因此在现有的方法中，无法测量1m以上的，例如10m、100m、1km规模的广阔区域的气体浓度变动。并且在现有方法中，如果排列多个测量装置进行测量，理论上是可以进行广阔区域的气体浓度测量的。但是当设置多个测量装置时，该装置自身成为障碍物，会改变测量区域的状况(浓度、通量等)，因此无法进行正确的广阔区域的动量测量。
发明内容
本发明正是为了解决上述课题而出现的，其目的在于提供一种以森林等广阔区域作为测量对象、不受共存物质影响、响应性高且具有优异测量稳定性的气体浓度通量测量装置。
本发明人在之前的特愿2003-009785的申请说明书等中提出了利用以常温振荡的近红外半导体激光作为光源的波长调制方式的非接触气体浓度测量技术(波长可变半导体激光吸收分光法(Tunable DiodeLaser Absorption Spectroscopy)，以下称为TDLAS)的气体浓度监控系统。TDLAS是具有1)时间响应性非常良好、2)不受共存物质(固体粒子等)的影响、3)波长稳定等测量稳定性良好等优点的测量技术，(1)作为单纯的气体浓度计测量技术，和时间响应性高的流速计相结合，应用于通量测量，(2)或者，将TDLAS的气体浓度测量中所使用的可控制波长、偏光面的激光应用于通量测量，从而可实现有效解决上述课题的气体浓度通量测量。本发明人着眼于这种TDLAS的功能，完成了如下所述的本发明。
本发明涉及的气体浓度通量测量装置具有光源，使测量对象气体中固有的吸收波长的激光向测量区域振荡；激光输出控制装置，控制上述光源的输出动作；波长调制控制装置，输出用于相对由上述光源振荡的激光的振荡波长施加调制的调制信号，且输出与该调制同步的参照信号；第一受光装置，接收透过测量区域而来的激光，且输出与该受光强度对应的信号；第一直流成分检测器，从由上述第一受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第一波长调制解调器，根据来自上述波长调制控制装置的参照信号，从上述第一受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和测量区域的测量对象气体浓度成比例的信号；光学系统，将由上述光源振荡的激光分配为两份以上；参照单元，其配置在如下所述的位置浓度已知的上述测量对象气体被密封，通过上述光学系统被分配且不朝向测量区域的激光透过上述密封气体中的位置；第二受光装置，接收透过上述参照单元内的密封气体而来的激光，且输出和该受光强度对应的信号；第二直流成分检测器，从由上述第二受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第二波长调制解调器，根据来自上述波长调制控制装置的参照信号，从上述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和上述参照单元内的密封气体浓度成比例的信号；第三波长调制解调器，根据来自上述波长调制控制装置的参照信号，从上述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的奇数次高次谐波成分，输出用于将激光波长固定化为测量对象气体的吸收波长的基准信号；解析装置，根据由上述第一直流成分检测器、第一波长调制解调器、第二直流成分检测器、及第二波长调制解调器输出的信号，计算出测量区域中的气体浓度及固体粒子浓度，输出其计算结果；加法器，将来自上述波长调制控制装置的调制信号和来自上述第三波长调制解调器的激光波长固定化信号相加，将该加和信号作为输出到上述激光输出控制装置的外部控制信号输出；温度测量单元，测量测量区域的温度，将和该测量值对应的信号输出到上述解析装置；压力测量单元，测量测量区域的压力，将和该测量值对应的信号输出到上述解析装置，该气体浓度通量测量装置的特征在于(1)进一步具有流速测量单元，分别直接测量测量区域中的气流的水平二个方向的流速成分和垂直方向的流速成分，并将这些测量信号输出到上述解析装置，上述解析装置利用由上述流速测量单元输入的信号，进行基于涡度相关理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量(测量区域整体的水平方向动量[例大气平均密度×水平风速]的垂直方向的输送量)、测量对象气体的浓度通量(仅测量对象气体的垂直方向输送量)、及测量对象气体浓度，或者，(2)进一步具有第二光源，向测量区域照射激光；和第三受光装置，接收从上述第二光源射出并透过测量区域而来的激光，且将和该受光强度对应的信号输出到上述解析装置，上述解析装置利用上述第三受光装置输入的信号求得激光透射率的时间变化，根据求得的激光透射率的时间变化导出气体密度的时间变化，进一步为了通过气体密度的时间变化掌握测量对象气体的紊流状态，进行基于Monin-Obukhov相似理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量、测量对象气体的浓度通量、及测量对象气体浓度，或者，(3)进一步具有第二光源，使测量对象气体中固有的吸收波长的激光向测量区域振荡；第三受光装置，接收从上述第二光源振荡并透过测量区域而来的激光，且输出和该受光强度对应的信号；和第三直流成分检测器，在从上述第三受光装置接收的信号中去除作为调制信号的交流成分，将受光强度的直流成分输出到上述解析装置，上述解析装置利用从上述第三直流成分检测器输入的信号求得激光透射率的时间变化，根据求得的激光透射率的时间变化导出气体密度的时间变化，进一步为了通过气体密度的时间变化掌握测量对象气体的紊流状态，进行基于Monin-Obukhov相似理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量、测量对象气体的浓度通量、及测量对象气体浓度，或者，(4)进一步具有偏光面旋转装置，使由上述单一光源振荡的激光的偏光面旋转；第三受光装置，接收通过上述偏光面旋转装置旋转了偏光面的激光，且输出和该受光强度对应的信号；和第三直流成分检测器，在从上述第三受光装置接收的信号中去除作为调制信号的交流成分，将受光强度的直流成分输出到上述解析装置，上述解析装置利用从上述第三直流成分检测器输入的信号求得激光透射率的时间变化，根据求得的激光透射率的时间变化导出气体密度的时间变化，进一步为了通过气体密度的时间变化掌握测量对象气体的紊流状态，进行基于Monin-Obukhov相似理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量、测量对象气体的浓度通量、及测量对象气体浓度，或者，
(5)进一步具有偏光面旋转装置，其具有外部控制的法拉第旋转器，使由上述单一光源振荡的激光的偏光面旋转；偏光面调制控制装置，控制上述法拉第旋转器的旋转角度，对激光偏光面以一定周期切换为纵向偏光和横向偏光；第一偏光面解调器，根据来自上述偏光面调制控制装置的强度调制参照信号，从上述第一受光装置的输出信号中检测出和偏光面调制同步的信号，将和透过测量区域而来的纵向偏光激光的受光强度成比例的信号，作为测量部激光吸收量信号输出到上述解析装置；第二偏光面解调器，根据来自上述偏光面调制控制装置的强度调制参照信号，从上述第一受光装置的输出信号中检测出和偏光面调制同步的信号，将和透过测量区域而来的横向偏光激光的受光强度成比例的信号，作为测量部激光吸收量信号输出到上述解析装置；和第三偏光面解调器，根据来自上述偏光面调制控制装置的强度调制参照信号，从上述第一受光装置的输出信号中检测出和偏光面调制同步的信号，将和透过测量区域而来的激光的受光强度成比例的信号，作为浓度测量信号输出到上述解析装置，上述解析装置利用从上述第一、第二及第三偏光面解调器分别输入的信号求得激光透射率的时间变化，根据求得的激光透射率的时间变化导出气体密度的时间变化，进一步为了通过气体密度的时间变化掌握测量对象气体的紊流状态，进行基于Monin-Obukhov相似理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量、测量对象气体的浓度通量、及测量对象气体浓度。
在本说明书中，“动量通量”是指测量区域中存在的气体整体的水平方向动量(例大气平均密度×水平方向风速)的垂直方向输送量。并且，“气体浓度通量”是指仅测量区域中的测量对象气体的垂直方向输送量。
关于波长调制TDLAS和闪烁法的组合包括以下二种。
(1)TDLAS装置和闪烁测量装置的组合如图7所示，组合波长调制TDLAS的广阔区域的气体浓度测量装置和闪烁法的广阔区域动量通量测量装置，将各自的测量结果根据Monin-Obukhov相似理论进行汇总，可进行广阔区域的气体浓度通量测量。
(2)在TDLAS气体浓度测量技术中直接加入闪烁方法如图9、图11、图13所示，向波长调制TDLAS中加入闪烁方法的功能，可实现基于单体装置的广阔区域的气体浓度通量测量装置。
接着，闪烁法下的动量通量的导出步骤如图16A和图16B所示。与闪烁法下的动量通量导出相关的基本原理在非专利文献2中有详细说明。并且在图16A和图16B所示的导出步骤中，其标记与非专利文献2的标记不同，但其基本思想是相同的。
激光通过测量区域时，当该区域气体(大气)紊流时，由于折射率的变化，激光轻微弯曲，在受光部测量激光的闪烁(激光闪烁)。在闪烁法中，由二个受光部测量该闪烁，如图16A所示，根据各个数据的方差(B1、B2)、协方差(B)，分别求得大气紊流的最小单位(内部刻度)Lo、动量能量散逸率ε、大气密度ρ的变动程度(密度构造函数)Cn2。
将其结果根据Monin-Obukhov相似理论进行解析，并利用图16B所示的公式求得大气的摩擦速度u*。接着，利用其结果和大气密度ρ求得动量通量M(＝ρ·(u*)2)。
接着，参照图17A和图17B说明气体浓度通量的导出步骤。
和通常的闪烁法下的测量一样，根据激光闪烁的测量结果分别求得内部刻度Lo、运动能量散逸率ε、密度构造函数Cn2，同时如图17A所示，通过TDLAS求得测量区域中的测量对象气体浓度g，根据该结果求得测量区域的测量气体的变动程度(气体浓度构造函数)，同样根据温度测量结果求得温度构造函数Cr2。
将以上测量结果根据Monin-Obukhov相似理论进行解析，利用图17B所示的公式求得大气的摩擦比浓度G*。接着，利用该结果和大气的摩擦速度u*和大气密度ρ求得测量对象气体的浓度通量G(＝ρ·u*·G*)。
根据本发明，不仅可克服现有技术中的课题并实现提高测量精度的气体浓度通量测量技术，而且可实现通过组合现有技术不可能实现的广阔区域的气体浓度通量的实时测量。因此利用了本发明的环境测定、泄漏监控和组合现有技术的方法相比，可大幅减小劳力及成本，可最终可提高森林管理、各种成套设备的安全管理的程度。
并且根据本发明，通过将激光的偏光面切换为纵向偏光和横向偏光，可减少激光振荡装置的个数及受光装置的个数。
并且根据本发明，可充分发挥作为气体浓度测量装置的波长调制TDLAS装置的下述优点。
(1)时间响应性非常良好由于波长调制TDLAS测量是光学测量，因此无需现有技术中必需的气体取样、前期处理。因此在现有技术的组合下不可能实现的广阔区域的气体浓度通量测量变得可能，并且由于具有良好的时间响应性，因此可实现实时的测量。
和现有的光学测量法相比，可实现波长调制下的浓度测量灵敏度的大幅提高，即使降低测量时的常数(提高时间响应性)，也可以充足的灵敏度进行气体浓度通量的测量。
(2)不受共存物质的影响由于光源采用波长线宽非常小的激光，因此不受到共存气体的影响。通过波长调制测量也可去除固体粒子的影响，有较强的抗污染能力，并且在雨天等恶劣条件下也可不产生问题地测量。
(3)测量稳定性良好在本发明中，通过使波长调制多段化，实现了测量稳定性的提高。并且，由于波长调制TDLAS是利用激光的光学测量，因此在现有的气体浓度测量技术中非常困难的广阔区域气体浓度的实时测量变得可能。因此通过在该波长调制TDLAS技术中结合闪烁法下的广阔区域的动量通量测量技术，可进行广阔区域的气体浓度通量的实时测量。
图1是表示本发明装置中所组装的基本的气体浓度测量装置部分的构成框图。
图2是表示本发明的气体浓度通量测量装置(二个激光光源和二个受光装置的组合)的构成框图。
图3是表示本发明的气体浓度通量测量装置(一个激光光源和二个受光装置的组合；偏光面调制方式)的构成框图。
图4是表示本发明的气体浓度通量测量装置(一个激光光源和一个受光装置的组合；外部控制偏光面调制方式)的构成框图。
图5(a)是表示本发明的气体浓度通量测量装置(实施例1；森林观测台上的CO2浓度通量测量的例子)的构成框图，(b)是装置的概要配置图。
图6是表示实施例1的测量结果(和超声波流速计组合进行的森林CO2浓度通量测量结果)的特性线图。
图7(a)是表示本发明的气体浓度通量测量装置(实施例2；森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量测量的例子)的构成框图，(b)是装置的概要配置图。
图8是表示实施例2的测量结果(和闪烁法组合进行的森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量测量结果)的特性线图。
图9(a)是表示本发明的气体浓度通量测量装置(实施例3；森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量测量的例子)的构成框图，(b)是装置的概要配置图。
图10是表示实施例3的测量结果(利用半导体激光方式气体浓度通量测量装置进行的森林观测台之间的广阔区域CO2通量测量结果)的特性线图。
图11(a)是表示本发明的气体浓度通量测量装置(实施例4；森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量测量的例子)的构成框图，(b)是装置的概要配置图。
图12是表示实施例4的测量结果(半导体激光方式气体浓度通量测量装置进行的森林观测台之间的广阔区域CO2通量测量结果)的特性线图。
图13(a)是表示本发明的气体浓度通量测量装置(实施例5；森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量测量的例子)的构成框图，(b)是装置的概要配置图。
图14是表示实施例5的测量结果(半导体激光方式气体浓度通量测量装置进行的森林观测台之间的广阔区域CO2通量测量结果)的特性线图。
图15A是现有的取样装置的概要图。
图15B是森林的CO2吸收量测量中所使用的现有装置的概要图。
图15C是通过闪烁法测量森林中动量通量的现有装置的概要图。
图15D是通过闪烁法测量动量通量的现有装置的概要图。
图16A是表示闪烁法下的动量通量的导出步骤的流程图。
图16B是表示闪烁法下的动量通量的导出步骤(接图16A)的流程图。
图17A是表示本发明下的气体浓度通量的导出步骤的流程图。
图17B是表示本发明下的气体浓度通量的导出步骤(接图17A)的流程图。
具体实施例方式
以下参照附图对本发明的各种优选实施方式进行说明。
(气体浓度测量的基本构成)首先参照图1对利用了TDLAS的气体浓度测量装置的基本构成进行说明。气体浓度测量装置10具有光源部2、测量用受光部3、直流成分检测器(测量用)4、直流成分检测器(参照用)12、波长调制解调器(浓度测量用)5、波长调制控制装置6、波长调制解调器(浓度校正用)7、波长调制解调器(激光波长固定化信号用)8、加法器9、LD控制装置(激光输出控制装置)11、A/D变换器13、计算机14。光源部2的外周由具有良好耐气候性的光学系统容器2a覆盖，其内部具有半导体激光光源21、参照单元25、使激光的一部分向光学窗23透过并反射一部分的半透明反射镜22、将由半透明反射镜22反射的激光向参照单元25反射的反射镜24、和接收来自参照单元25的激光的参照用受光部26。
半导体激光光源21和用于进行激光元件的温度调节的珀耳帖元件(Peltier device)同时设置在LD模块中。半导体激光元件和LD控制装置11的驱动电路连接，其温度和电流被控制。从LD控制装置11发送到光源21的振荡信号S1通过来自加法器9的信号S13被反馈控制。并且在本实施方式中，以光源21采用了半导体激光元件的情况为例进行了说明，本发明的光源不仅限定于半导体激光元件，可适用于其他所有可进行波长调制的激光振荡器，并且在激光以外的光、电磁波的情况下，如果波长可调制，均可适用。并且，LD控制装置11可以手动控制，也可以外部控制。
测量区域100中设有温度测量器T1和压力测量器P1，温度测量信号S2及压力测量信号S3通过A/D变换器13分别发送到作为解析部的计算机14。
测量用受光部3中，光轴配置得和光源部2的光轴一致，接收透过测量区域(气体、粒子)100的激光。在测量用受光部3的后部设有第一直流成分检测器(测量用)4、及第一波长调制解调器5。第一直流成分检测器4从由测量用受光部3输出的信号S4中去除作为调制信号的交流成分，将受光强度的直流成分信号S5输出到作为解析部的计算机14。
第一波长调制解调器(浓度测量用)5根据来自波长调制控制装置6的参照信号S10，从第一受光装置(测量用受光部)3输出的信号S4中，检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和测量区域的测量对象气体浓度成比例的信号S6。
波长调制控制装置6设置在浓度测量用的第一波长调制解调器5、浓度校正用的第二波长调制解调器7、及加法器9的前部，向二个波长调制解调器5、7分别输出波长调制参照信号S10，向加法器9输出波长调制信号S11。
参照单元25配置在以下所述位置浓度已知的测量对象气体(例如CO2气体)被密封，通过光学系统(半透明反射镜22、反向镜24)被分配而不朝向测量区域100的激光透过密封气体的位置。
第二受光装置(参照用受光部)26配置在参照单元25的后部，接收透过参照单元25内的密封气体的激光，将与该受光强度对应的信号S7输出到第二直流成分检测器(参照用)12。
第二直流成分检测器12从由第二受光装置26输出的信号S7中去除作为调制信号的交流成分，将受光强度的直流成分信号S8输出到解析部(计算机)14。
第二波长调制解调器(浓度校正用)7根据来自波长调制控制装置6的参照信号S10，从第二受光装置26输出的信号S7中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，将和参照单元25内的密封气体浓度成比例的信号S9输出到解析部(计算机)14。
第三波长调制解调器(激光波长固定化信号用)8根据来自波长调制控制装置6的参照信号S10，从第二受光装置输出的信号S7中检测出加入到激光中的波长调制信号的奇数次高次谐波成分，将用于把激光波长固定化为测量对象气体的吸收波长的基准信号S12输出到加法器9。
解析部(计算机)14根据分别由温度测量器T1、压力测量器P1、第一直流成分检测器4、第一波长调制解调器5、第二直流成分检测器12、及第二波长调制解调器7输出的信号S2、S3、S5、S6、S8、S9，分别计算出测量区域100中的气体浓度及固体粒子浓度，在记录该计算结果的同时输出显示到显示器上。
加法器9将来自波长调制控制装置6的调制信号S11、和来自第三波长调制解调器8的激光波长固定化信号S12相加，将该加和信号13作为输出到激光输出控制装置(LD控制装置)11的外部控制信号输出。
气体浓度的测定如下进行。
在参照单元25的内部，以一定的压力密封入浓度已知的标准气体或者使之流通。首先，将参照单元25内的已知的气体浓度、参照单元25的已知的光学长度、及测量区域的已知的光学长度数据输入到作为解析部的计算机14。计算机14从存储器中调出预定的数学式，将三个输入数据分别代入到预定数学式的对应参数中，通过运算求得气体浓度值。求得的气体浓度值被连续记录，同时其时刻变化的形态也显示在显示画面上。
以上是本发明装置中负责气体浓度测量的部分。本发明装置除了上述气体浓度测量部分外，还具有负责如下所述的通量测量的部分。
(气体浓度通量测量1)(二个光源和二个测量用受光部的组合)图2是表示实施方式的气体浓度通量测量装置的整体构成的图。并且对本实施方式的气体浓度通量测量装置10A的与上述气体浓度测量装置10重复的部分，省略其说明。
气体浓度通量测量装置10A在光源部2A内除了半导体激光光源21外还另外具有一个激光光源21A。因此光学系统容器2a中并列设有二个光学窗23a、23b，第一光源(半导体激光光源)21的振荡激光从一个光学窗23a射出到测量区域100，第二光源(激光光源)21A的振荡激光从另一个光学窗23b射出到测量区域100。第一及第二光源21、21A互相对齐位置，以使二束激光束光轴实质上平行。
受光部3A除了第一测量用受光部31外，还具有第二测量用受光部32。第一测量用受光部31接收由第一光源21振荡的激光，将其信号S41输出到第一直流成分检测器41。第二测量用受光部32接收从第二光源21A振荡的激光，将其信号S42输出到第三直流成分检测器42。
第三直流成分检测器42从受光信号S42中去除作为调制信号的交流成分，将大气紊流成分信号S52输出到解析部(计算机)14。与此同时第一直流成分检测器41从受光信号S42中去除作为调制信号的交流成分，将测量部受光强度信号S51输出到解析部(计算机)14。
波长调制解调器(浓度测量用)5根据来自波长调制控制装置6的参照信号S10，从第一受光装置(第一测量用受光部)31输出的信号S41中，检测出加入到激光的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和测量区域100的测量对象气体浓度成比例的信号S61。
解析部(计算机)14根据分别由温度测量器T1、压力测量器P1、第一直流成分检测器41、第一波长调制解调器5、第二直流成分检测器12、第二波长调制解调器7、及第三直流成分检测器42输出的信号S2、S3、S51、S52、S61、S8、S9，利用MOS理论分别计算出测量区域100中的气体浓度及固体粒子浓度，并且计算出测量区域100中的动量通量，连续记录这些计算结果同时输出显示到显示器上。图中99是测量区域100中的森林。
(气体浓度通量测量2)(单一光源和二个测量用受光部的组合)图3是表示其他实施方式的气体浓度通量测量装置的整体构成的图。并且对于本实施方式的气体浓度通量测量装置10B的与上述装置10、10A重复的部分，省略其说明。
气体浓度通量测量装置10B在光源部2B内具有偏光面旋转装置(90°固定)27、及激光分配用的光学系统22a、22b、24a、24b。在光源(半导体激光光源)21和偏光面旋转装置27之间，插入二个半透明反射镜22a、22b。第一半透明反射镜22a反射从单一光源21振荡的激光的一部分，并经由反射镜24a，分配到参照单元25。第二半透明反射镜22b反射透过第一半透明反射镜22a的光的一部分，使该反射光经由反射镜24b并从第一光学窗23a射出到测量区域100，同时使透过第一半透明反射镜22a的光的一部分透过，将该透过光分配到偏光面旋转装置27。偏光面旋转装置27内置有使纵向偏光90°旋转交替变换为横向偏光的法拉第旋转器。由偏光面旋转装置27进行偏光面调制的激光从第二光学窗23b射出到测量区域100。并且，光学系统22a、22b、24a、24b、及偏光面旋转装置27互相对齐位置，以使二束激光束光轴实质上平行。
受光部3B除了第一测量用受光部31外，还具有第二测量用受光部32。第一测量用受光部31接收振荡激光，将其信号S41输出到第一直流成分检测器41。第二测量用受光部32接收偏光面调制激光，将其信号S42输出到第三直流成分检测器42。
第三直流成分检测器42从受光信号S42中去除作为调制信号的交流成分，将大气紊流成分信号S52输出到解析部(计算机)14。与此同时第一直流成分检测器41从受光信号S41中去除作为调制信号的交流成分，将测量部受光强度信号S51输出到解析部(计算机)14。
波长调制解调器(浓度测量用)5根据来自波长调制控制装置6的参照信号S10，从第一受光装置输出的信号S41中，检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和测量区域100的测量对象气体浓度成比例的信号S61。
解析部(计算机)14根据分别由温度测量器T1、压力测量器P1、第一直流成分检测器41、第一波长调制解调器5、第二直流成分检测器12、第二波长调制解调器(浓度校正用)7、及第三直流成分检测器42输出的信号S2、S3、S51、S52、S61、S8、S9，利用MOS理论分别计算出测量区域100中的气体浓度及固体粒子浓度，并且计算出测量区域100中的动量通量，连续记录这些计算结果同时输出显示到显示器上。
(气体浓度通量测量3)(单一光源和单一测量用受光部的组合)图4是表示其他气体浓度通量测量装置的整体构成的图。并且对于本实施方式的气体浓度通量测量装置10C的与上述装置10、10A、1OB重复的部分，省略其说明。
气体浓度通量测量装置10C在光源部2C内具有外部控制偏光面(调制)旋转装置(0°/90°)27A。半透明反射镜22a反射由单一光源(半导体激光光源)21振荡的激光的一部分，使该反射光经由反射镜24分配到参照单元25，同时使振荡激光的一部分透过并分配到外部控制偏光面旋转装置27A。外部控制偏光面旋转装置27A，从设置在外部的偏光面调制解调装置15输入调制控制信号S14时，通过法拉第旋转器以预定的时序在纵向偏光(0°)和横向偏光(90°)之间切换。激光在外部控制偏光面旋转装置27A进行偏光面调制后，从光学窗23向测量区域100射出，由测量用受光部3C接收。即，在本实施方式的装置中，通过使由单一光源21振荡的一束激光交替切换为纵向偏光和横向偏光的时序控制，来同时进行通量测量和浓度测量。
测量用受光部3C将受光信号S4分别输出到第一偏光面调制解调器17a、第二偏光面调制解调器17b、及第一波长调制解调器(浓度测量用)5。
偏光面调制控制装置15向外部控制偏光面旋转装置27A输出调制控制信号S14，同时分别向信号相位变换器16、第一偏光面调制解调器17a、及第三偏光面调制解调器18输出偏光面调制参照信号S15。
信号相位变换器16在从偏光面调制控制装置15输入偏光面调制参照信号S15时，变换信号的相位，将该相位变换信号S16输出到第二偏光面调制解调器17b。
波长调制解调器5根据来自波长调制控制装置6的参照信号S10，从受光信号S4中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，将和测量区域的测量对象气体浓度成比例的信号S6输出到第三偏光面调制解调器18。
第一偏光面调制解调器17a在从偏光面调制控制装置15输入偏光面调制参照信号S15时，从受光信号S4中检测出和偏光面调制同步的信号，将和透过测量区域100而来的纵向偏光激光的受光强度成比例的信号作为测量部激光吸收量信号S18输出到解析装置(计算机)14。
第二偏光面调制解调器17b在从信号相位变换器16输入相位变换信号S16时，从受光信号S4中检测出和偏光面调制同步的信号，将和透过测量区域而来的横向偏光激光的受光强度成比例的信号作为测量部激光吸收量信号S17输出到解析装置(计算机)14。
第三偏光面调制解调器18在从偏光面调制控制装置15输入偏光面调制参照信号S15时，作为和透过测量区域100而来的激光的受光强度S4的强度成比例的信号，将其作为浓度测量信号S62输出到解析装置(计算机)14。
其中，为了使从波长调制控制装置6输出的波长调制参照信号S10、从偏光面调制控制装置15输出的偏光面调制参照信号S15在波长调制解调器5或第三偏光面调制解调器18中不干扰，需要使它们的调制频率不同。例如如图4所示，将第三偏光面调制解调器18设置在波长调制解调器5的后部时，优选使偏光面调制参照信号S15的频率λ2(例如100Hz)设定得比波长调制参照信号S10的频率λ1(例如10kHz)充分小。另一方面，当使解调器5、18的配置和上述相反时，即，当第三偏光面调制解调器18设置在第一波长调制解调器5的前部时，优选使偏光面调制参照信号S15的频率λ2(例如1MHz)设定得比波长调制参照信号S10的频率λ1(10kHz)充分大。
解析部(计算机)14根据分别由温度测量器T1、压力测量器P1、第一偏光面解调器17a、第二偏光面解调器17b、第三偏光面解调器18、直流成分检测器(参照用)12、第二波长调制解调器(浓度校正用)7输出的信号S2、S3、S17、S18、S62、S8、S9，利用MOS理论分别计算出测量区域100中的气体浓度及固体粒子浓度，并且计算出测量区域100中的动量通量，连续记录这些计算结果同时输出显示到显示器上。
(实施例)作为实施例1，对使用组合TDLAS气体浓度测量装置和超声波流速计的气体浓度通量测量装置，在森林观测台上测量CO2通量和浓度的例子进行说明。
(实施例1)在本实施例1中，为了证实本发明的气体浓度通量测量，如图5(b)所示，把由波长可变TDLAS式气体浓度测量装置和超声波流速计组装到一个保护容器2b所形成的测量部2D设置到森林观测台91上，对两者的测量结果通过涡度相关理论进行解析，测量森林观测台91上的CO2浓度通量。并且，测量区域100的气体通过取样管95导入到森林观测台91上的测量部2D内。并且，在取样管95的气体采取端侧分别设置CO2计93及前期处理器94，实际测量CO2浓度用于比较确认，同时对采取气体用预定的方法进行前期处理。进一步，控制/解析部19D设置在观测台附近的观测室90内。
如图5(a)所示，气体浓度通量测量装置10D由测量部2D及控制/解析部19D构成，利用通信电缆或无线电报机，在测量部2D和控制/解析部19D之间进行信号的发送接收。组装在测量部2D内的波长可变TDLAS式气体浓度测量装置20的构成和图1所示的波长调制TDLAS式气体浓度测量装置基本相同，在本实施例中，为了提高气体浓度测量精度，在控制/解析部19D中，追加了双重的监视波长调制机构(第一波长调制波形发生器61、第二波长调制波形发生器62)和用于监视浓度0点的浓度零点测量部(直流检测器65c、零点参照部29c)。并且在图5(a)中，各个框中记载的PDS表示相位敏感检波器，G表示测量部，R表示参照部，Z表示背景CO2测量，FB表示波长固定。
具体而言，设置在观测台91上的测量部2D具有振荡激光的TDLAS光学系统单元20、接收透过测量区域100的激光的受光装置(PD-G)29a、及超声波风速计51。
测量部2D整体被保护容器2b覆盖。TDLAS光学系统单元(波长可变TDLAS式气体浓度测量装置)20为了提高耐环境性，整体被耐气候性的光学系统容器2a包围。光学系统容器2a中安装有用于射出激光的光学窗23。由光电二极管构成的受光装置(PD-G)29a和光学窗相对配置。取样管95的开口端导入到测量部2D的内部，位于受光装置(PD-G)29a和光学窗23之间，采取气体(森林99中的大气)供给到两者之间。在本实施例中，从光学窗23到受光装置(PD-G)29a为止的距离L1设定为约2m。
接着，森林观测台91旁边的观测室90上设置的控制/解析部19D具有控制半导体激光(LD)28的激光振荡的LD控制装置11；用于对该激光进行调制的第一(波长调制)波形发生器(No.1-FG)61；第二(波长调制)波形发生器(No.2-FG)62；从来自各受光装置(PD-G、PD-R、PD-Z)29a、29b、29c的受光信号中检测出直流成分，输出该受光强度信号S23、S22、S21的直流检测器(LPF)65a、65b、65c；从各个受光信号中，根据来自第一波长调制波形发生器61的参照信号，仅检测并输出与该调制频率的倍波频率成分同步的信号的第一相位敏感检波器(No.1-PSD-)63；从第一相位敏感检波器63的输出信号中，根据第二波长调制波形发生器62(No.2-FG)62的参照信号，仅检测并输出和调制频率的倍波频率成分同步的信号的第二相位敏感检波器(No.2-PSD-)64；用于取入各个信号的A/D变换器13；解析A/D变换信号，解析并记录大气中的CO2浓度、CO2浓度通量的微机(计算机)14；对第一波形发生器(No.1-FG)61和第二波形发生器(No.2-FG)62的调制信号、来自第二相位敏感检测器(No.2-PSD-FB)64d的波长固定化信号进行加和，作为LD控制装置11的外部控制信号输出的加法器9。
进一步，在本实施例中，附加用于使激光波长在CO2吸收波长的周边扫描的波长扫描波形发生器(FG)66、及用于使该信号和激光波长固定化信号切换的切换开关(SW)67。
测量部2D中收容有超声波流速计51、半导体式压力传感器53、及温度传感器52。这些超声波流速计51及传感器52、53安装在取样管91的吹气口附近，流速测量信号S19、温度测量信号S2、及压力测量信号S3经由A/D变换器13，分别输出到微机14。
单一的半导体激光(LD)28可使激光振荡波长调整为CO2的吸收波长之一。光学系统包括第一半透明反射镜22a、第二半透明反射镜22b、及反射镜24。第一半透明反射镜22a使从光源28振荡的激光的一部分透过并分配，从光学窗23向测量用受光装置(PD-G)29a射出，同时使振荡激光的一部分反射并分配到第二半透明反射镜22b。第二半透明反射镜22b使分配光的一部分反射并进一步分配到参照单元25，同时使分配光的一部分透过并经由反射镜24分配到零参照部(PD-Z)29c。在参照单元25内，密封用于浓度校正和激光波长的向CO2吸收波长固定化的规定浓度的CO2气体(CO2＝1％，N2＝99％)。透过参照单元25的光进入到参照用受光装置(PD-R)29b，受光信号输出到控制/解析部19D的直流检测器(LPF)65b。直流检测器(LPF)65b将从受光信号中去除了作为调制信号的交流成分的信号S22输出到微机14。另一方面，从零参照部(PD-Z)29c有受光信号输入到控制/解析部19D的直流检测器(LPF)65c时，直流检测器(LPF)65c将从受光信号中去除了作为调制信号的交流成分的信号S21输出到微机14。
测量用受光装置(PD-G)29a向控制/解析部19D的直流检测器(LPF)65a及第一相位敏感检波器(No.1-PSD-G)63a分别输出受光信号。当受光信号输入到直流检测器(LPF)65a时，直流检测器(LPF)65a把从受光信号中去除了作为调制信号的交流成分的信号S23输出到微机14。第一相位敏感检波器(No.1-PSD-G)63a根据来自第一波长调制波形发生器(No.1-FG)61的波长调制参照信号，从测量用受光装置29a输出的信号中，检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，将与参照单元内的密封气体浓度成比例的信号输出到第二相位敏感检波器(No.2-PSD-G)64a。进一步，第二相位敏感检波器(No.2-PSD-G)64a根据来自第二波长调制波形发生器(No.2-FG)62的波长调制参照信号，从受光装置29a输出的信号中检测出向激光中加入的波长调制信号的奇数次高次谐波成分，将和参照单元内的密封气体浓度成比例的信号S24输出到微机14。
波长扫描波形发生器(FG)66，为了在测量对象气体所固有的吸收频谱上使激光振荡波长逐渐扫描，例如将频率0.5Hz或0.01Hz的斜面波施加到半导体激光元件的注入电流中。并且，当长期测量气体浓度的变化时，停止波长扫描波形发生器66进行的激光振荡波长的扫描，将激光振荡波长锁定为固定波长。波长扫描信号S28从波长扫描波形发生器66输出到微机14。
二个波长调制波形发生器61、62为了调制激光振荡波长，将各自不同频率的正弦波重叠施加到半导体激光元件28的注入电流中。例如，从一个波长调制波形发生器61，作为第一调制频率f，例如10kHz的正弦波(f＝10kHz)信号经由加法器9施加到LD控制装置11，从另一个波长调制波形发生器62，作为第二调制频率w，例如500Hz的正弦波(f＝500Hz＝0.5kHz)信号经由加法器9施加到LD控制装置11。
加法器9重叠来自波长扫描波形发生器66的扫描信号S29，来自二个波长调制波形发生器61、62的不同频率f、w的调制信号S25、S26，及来自二段相位敏感检波器63a～63d、64a～64d的频率2f+w的三次微分解调信号S27，施加到半导体激光元件的注入电流中。
从波长扫描波形发生器66将具有扫描波长的斜面波施加到注入电流的同时，从各波长调制波形发生器61、62将不同的频率f、w的正弦波重叠施加到注入电流，由此，激光振荡波长通过二个不同的频率f、w被调制为二重。其结果，由于接收该激光的信号中含有调制频率f、w及其高次谐波，因此通过第一相位敏感检波器63a～63d，信号以二倍的频率20kHz(2f)被解调，接着通过第二相位敏感检波器64a～64d，以二倍的频率1kHz(2w)被解调，将其重叠而得到的四次微分信号(2f+2w)被发送到微机14。
并且，通过第一相位敏感检波器63a～63d以二倍的频率20kHz(2f)被解调的信号在第二相位敏感检波器64a～64d中以频率w解调。将其重叠而得到的三次微分信号(2f+w)通过切换开关67发送到加法器9，根据该信号，激光振荡波长被反馈控制为测量对象气体的吸收中心波长。
观测台91上的风速由超声波流速计51测量，该风速信号(S)输出到观测室90的控制/解析部19D。测量区域100如图中所示，是测量长度2m(＝L1)的观测台91上的大气。测量区域100的压力由半导体式压力传感器53测量，该压力测量信号S3输出到观测室90，测量区域100的温度由热电偶(温度传感器)52测量，该温度测量信号S2输出到微机14。并且，温度、压力测量中有时也不使用传感器，而利用对象气体的吸收频谱的特性由激光进行测量。
为了测量吸收频谱，通过波长扫描波形发生器(FG)66例如将0.5Hz或0.01Hz的斜面波施加到注入电流，缓慢扫描激光波长。为了测量长时间的浓度变化，锁定激光波长。
进一步在本实施例中，为了和现有的测量进行比较，从与本发明的测量区域大致相同的位置采取大气，通过前期处理器94进行前期处理后，用现有的CO2计93进行测量，和超声波流速计51的测量结果同时进行涡度相关解析，同时测量CO2浓度通量。
图6中横轴表示测量时刻，纵轴表示测量的CO2浓度通量(mg/mg2·S)，是表示实施例1的测量结果的特性线图。在图中实线A1表示利用本发明装置测量的实施例1的结果，虚线B1表示利用现有的取样法装置测量的比较例的结果。
两者的结果基本一致，证明了本发明的CO2浓度通量测量是可行的。并且在天刚亮、或刚日落后等时，发生植物的光合/呼吸切换，在动量通量从负到正大幅变化的状态下，本实施例的测量结果(特性线A1)明确地捕捉了其形态，而在现有技术的测量结果(特性线B1)中，其形态为大致平均的结果。其原因在于，因稀释效果等，现有的CO2计93的响应性缓慢。由此在现有的装置中，无法充分捕捉测量区域内的快速变动，具有通量评估比实际较小的倾向。与之相对，本发明的装置下的CO2浓度通量测量可切实地捕捉测量区域内的快速变动，证明了其有效性。
(实施例2)接着，作为实施例2，参照图7对组合TDLAS下的广阔区域气体浓度测量装置和闪烁方法的测量森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量的例子进行说明。并且对于本实施例的与上述实施例重复的部分，省略其说明。
在本实施例2中，为了证明本发明下的广阔区域的气体浓度通量测量，在森林观测台上组合设置波长可变TDLAS式气体浓度测量装置和闪烁法式动量通量测量装置，对两者的测量结果根据Monin-Obukhov相似理论进行解析，测量森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量。
图7表示本实施例2的装置系统。波长可变TDLAS式气体浓度测量装置2E、19E的构成实质上和图5所示的实施例1的装置系统2D、19D相同，并且，观测室90上设置的控制/解析部19E实质上和图5所示的实施例1的控制/解析部19D相同。但是本实施例2的装置为了进行广阔区域气体浓度测量，测量长度L2大幅拉长为等于森林观测台91、92之间的距离L2＝81m。并且在图7中，各个框中标记的FG表示波形发生器，PSD表示相位敏感检波器，G表示测量部，R表示参照部，Z表示背景CO2测量，FB表示波长固定，S表示闪烁测量部。下述图9、11、13也同样。
具体而言，第一观测台91上设置的光源部2E具有和上述实施例1实质上相同构成的TDLAS光学系统单元20；图15D所示的闪烁测量单元70。该光源部2E将参照部受光信号S22、零部受光信号S21、闪烁测量单元70的强度调制参照信号S24向观测室90的控制/解析部19E输出的同时，输出到TDLAS光学系统单元20的LD控制信号S1从观测室90的控制/解析部19E被发送。在闪烁测量单元70中，收容有二个闪烁测量用激光振荡器71、72，振荡的激光分别通过光学窗73a、73b，射出到测量区域100，由第二观测台92上的受光部3E分别接收。
并且在本实施例中，在第一森林观测台91上设置半导体式压力传感器53和热电偶(温度传感器)52，该测量值代表测量区域100的压力和温度，但有时也利用对象气体的吸收频谱的特性通过激光测量测量区域100的平均压力、平均温度。
接着，第二森林观测台92上设置的受光部3E由如下部分构成接收从第一观测台91上的光源部2E的TDLAS光学系统单元20射出并透过大气的激光的受光装置(PD-G)35、及接收从闪烁测量单元70照射的激光的受光装置(PD-S1、PD-S2)33、34，各个受光信号S23、S191、S192(G、S1、S2)为了解析而输出到观测室90的控制/解析部19E。
并且在本实施例中，从观测台91、92上的光源部2E及受光部3E到观测室90为止的信号输送(图7中的*εP)通过由通常的金属线构成的电配线电缆进行，但本发明不限于此，为了应对测量长度更长的情况，也可采用通信设施易于设置的光纤方式、无线方式的信号传送方法。
图8中横轴表示测量时刻，纵轴表示测量的CO2浓度通量(mg/mg2·S)，是表示实施例2的测量结果的特性线图。在图中实线A2表示利用本发明装置测量的实施例2的结果，虚线B2表示将现有的CO2计进行的浓度测量与在第一观测台91上的超声波流速计进行的通量测量组合后的比较例1的结果，双点划线C2表示将现有的CO2计进行的浓度测量与在第二观测台92上的超声波流速计进行的通量测量组合后的比较例2的结果。从图可知，本实施例2的测量结果(特性线A2)是比比较例的结果(特性线B2、C2)圆滑的变化曲线。这是因为，在本发明装置中，从光源部到受光部之间完全没有障碍物存在(没有外部干扰)。另一方面，利用现有装置的比较例的测量结果在变化曲线中产生较多的锯齿状。这是因为，在现有技术中测量区域内设有多个测量装置，对某个测量装置而言其他测量装置成为障碍物，测量装置自身成为外部干扰产生的原因。
本发明的广阔区域CO2浓度通量的测量结果(特性线A2)无法由利用了现有技术的比较例的测量结果(特性线B2、C2)直接验证，但本发明的测量结果与在各观测台上利用现有技术测量的结果基本一致，从而可证明本发明适用于广阔区域CO2浓度通量的实时测量。
(实施例3)作为实施例3，参照图9对利用半导体激光方式浓度通量测量装置测量森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量的例子进行说明。并且对于本实施例的与上述实施例重复的部分，省略其说明。
在本实施例3中，为了证明本发明下的广阔区域的气体浓度通量测量，在森林观测台91、92上设置半导体激光式气体浓度通量测量装置，该装置是追加了闪烁法功能的波长可变TDLAS式气体浓度测量装置的单位装置，对其测量结果根据Monin-Obukhov相似理论进行解析，测量森林观测台91、92之间的广阔区域CO2浓度通量。并且，本实施例3和实施例2一样，测量长度L2为与观测台间距离相等的L2＝81m。
图9表示实施例3的装置系统。波长可变TDLAS式气体浓度测量装置2F、3F的构成和图2所示的代表性的装置构成基本相同，和实施例1、2一样，为了提高测量灵敏度、测量稳定性，追加了二重波长调制机构及零点测量机构。并且，观测室90上设置的控制/解析部19F和图7所示的实施例2的控制/解析部19D基本相同。
具体的装置配置是，第一森林观测台91上设置的光源部2F在实施例1、2的TDLAS光学系统单元20的基本构成中，组装和气体浓度测量用光源(LD1)28a不同的激光振荡装置28b。参照部受光信号S22、零部受光信号21从光源部2F向观测室90的控制/解析部19F输出，同时各个光源部LD的控制信号S1a、S1b从观测室90的控制/解析部19F发送。并且，在本实施例中，在第一森林观测台91上设置半导体式压力传感器53及热电偶(温度传感器)52，其测量值代表测量区域100的压力和温度，但有时也利用对象气体的吸收频谱的特性通过激光测量测量区域100的平均压力和平均温度。
接着，第二森林观测台92上设置的受光部3F由从光学单元20射出并透过观测台91、92之间的大气的各个激光的受光装置(PD-G，PD-S)29a、29d构成，各个受光信号S20、S23为了解析而输出到观测室60的控制/解析部19F。并且在本实施例中，该信号输送(图7中的*标记)通过由通常的电配线电缆进行，但当测量长度更长时，也可采用设施易于设置的光纤输送、无线输送。
图10中横轴表示测量时刻，纵轴表示测量的CO2浓度通量(mg/mg2·S)，是表示实施例3的测量结果的特性线图。在图中实线A3表示利用本发明装置测量的实施例3的结果，虚线B3表示将现有的CO2计进行的浓度测量与在第一观测台91上的超声波流速计进行的通量测量组合后的比较例1的结果，点划线C3表示将现有的CO2计进行的浓度测量与在第二观测台92上的超声波流速计进行的通量测量组合后的比较例2的结果。从图可知，本实施例3的测量结果(特性线A3)是比比较例的结果(特性线B3、C3)圆滑的变化曲线。这是因为，在本发明装置中，从光源部到受光部之间完全没有障碍物存在(没有外部干扰)。另一方面，利用现有装置的比较例的测量结果在变化曲线中产生较多的锯齿状。这是因为，在现有技术中测量区域内设有多个测量装置，对某个测量装置而言其他测量装置成为障碍物，测量装置自身成为外部干扰产生的原因。
本发明的广阔区域CO2浓度通量的测量结果(特性线A3)无法由利用了现有技术的比较例的测量结果(特性线B3、C3)直接验证，但本发明的测量结果和在各观测台上利用现有技术测量的结果基本一致，从而可证明本发明适用于广阔区域CO2浓度通量的实时测量。
(实施例4)作为实施例4，参照图11对利用半导体激光方式气体浓度通量测量装置测量森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量的例子进行说明。并且对于本实施例的与上述实施例重复的部分，省略其说明。
在本实施例4中，为了证明本发明下的广阔区域的气体浓度通量测量，在森林观测台91、92上设置半导体激光式气体浓度通量测量装置2G、3G，该装置是追加了闪烁法功能的波长可变TDLAS式气体浓度测量装置的单位装置，对其测量结果根据Monin-Obukhov相似理论进行解析，测量森林观测台91、92之间的广阔区域CO2浓度通量。并且，本实施例4和实施例2一样，测量长度L2为与观测台间距离相等的L2＝81m。
图11表示实施例4的装置系统。波长可变TDLAS式气体浓度测量装置的构成和图3所示的代表性的装置构成基本相同，和实施例1、2一样，为了提高测量灵敏度、测量稳定性，追加了二重波长调制机构及零点测量机构。
至于具体的装置配置，第一森林观测台91上设置的光源部2G的构成是，在实施例1、2的TDLAS光学系统单元的基本构成中，追加了偏光面旋转器27G，其将测量用激光分配为两份，将其中一个激光偏光面90°旋转，并使之向测量区域振荡，参照部受光信号S22、零部受光信号S21向观测室90的控制/解析部19G输出，同时，输出到TDLAS光学系统单元20的LD控制信号S1从观测室90的控制/解析部19G发送。偏光面旋转器27G中，内置法拉第旋转器，使由半导体激光光源(LD)28振荡的激光的偏光面旋转90°，使激光偏光面从纵向偏光变换为横向偏光。
并且，在本实施例中，在第一森林观测台91上设置半导体式压力传感器53及热电偶(温度传感器)52，其测量值代表测量区域100的压力和温度，但有时也利用对象气体的吸收频谱的特性通过激光测量测量区域的平均压力和平均温度。
接着，第二森林观测台92上设置的受光部3G由接收从光学单元20射出并透过观测台91、92之间的大气中的二束激光的二个受光装置(PD-G，PD-S)29a、29d构成，该受光信号S23、S20为了解析而输出到观测室90的控制/解析部19G。并且在本实施例中，该信号输送(图11的*标记)由通常的电配线电缆进行，但当测量长度更长时，也可采用通信设施易于设置的光纤方式、无线方式。其后，观测室90上设置的控制/解析部19G和图7所示的实施例2中的基本相同。
图12中横轴表示测量时刻，纵轴表示测量的CO2浓度通量(mg/mg2·S)，是表示实施例4的测量结果的特性线图。在图中实线A4表示利用本发明装置测量的实施例4的结果，虚线B4表示将现有的CO2计进行的浓度测量与在第一观测台91上的超声波流速计进行的通量测量组合后的比较例1的结果，双点划线C4表示将现有的CO2计进行的浓度测量与在第二观测台92上的超声波流速计进行的通量测量组合后的比较例2的结果。
本发明的广阔区域CO2浓度通量的测量结果无法通过现有技术的测量结果直接验证，但本发明的测量结果和在各观测台上利用现有技术测量的结果基本一致，从而可证明本发明适用于广阔区域CO2浓度通量的实时测量。
(实施例5)作为实施例5，参照图13对利用半导体激光方式气体浓度通量测量装置测量森林观测台之间的广阔区域CO2浓度通量的例子进行说明。并且对于本实施例的与上述实施例重复的部分，省略其说明。
在本实施例5中，为了证明本发明下的广阔区域的气体浓度通量测量，在森林观测台91、92上设置半导体激光式气体浓度通量测量装置2H、10H，该装置是追加了闪烁法功能的波长可变TDLAS式气体浓度测量装置的单位装置，对其测量结果根据Monin-Obukhov相似理论进行解析，测量森林观测台91、92之间的广阔区域CO2浓度通量。并且，本实施例和实施例2一样，测量长度L2是与观测台间距离相当的L2＝81m。
图13表示实施例5的装置系统。由于波长可变TDLAS式气体浓度测量装置的构成和波长调制频率相比，偏光面调制频率十分低，因此和图4所示的代表性的装置构成基本相同，和实施例1、2一样，为了提高测量灵敏度、测量稳定性，追加了二重波长调制机构及零点测量机构。
至于具体的装置配置，第一森林观测台91上设置的光源部2H由在实施例1、2的TDLAS光学系统单元的基本构成中追加了用于附加偏光面调制功能的偏光面调制装置59、及其调制控制装置58的光学单元20构成，参照部受光信号S22、零部受光信号S21、偏光面调制参照信号S37向观测室90的控制/解析部19H输出，同时，输出到光学系统单元20的LD控制信号S1从观测室90的控制/解析部19H发送。并且，在本实施例中，在第一森林观测台91上设置半导体式压力传感器53及热电偶(温度传感器)52，其测量值代表测量区域的压力和温度，但有时也利用对象气体的吸收频谱的特性通过激光测量测量区域的平均压力和平均温度。
观测室90上设置的控制/解析部19H是向图7所示的实施例2的控制/解析部中追加如下部分用于从第二相位敏感检波器(No.2-PSD-G)64a所输出的信号中，根据偏光面调制参照信号S37，检测和调制同步的信号成分的第三相位敏感检波器(No.3-PSD-G)64e；用于从PD-G的受光信号中取出纵向偏光激光的受光强度信号的第一相位敏感检波器(No.1-PSD-S)63a；用于从PD-G的受光信号中取出横向偏光激光的受光强度信号的相位敏感检波器(No.2-PSD-S)64f；和输入使偏光面调制参照信号S37的相位偏移的信号S36的移相器68。但去掉受光强度信号用的直流成分检测装置。
第二森林观测台92上设置的受光部2H由接收从光学单元20射出并透过观测台91、92之间的大气中的激光的受光装置(PD-G)29构成，该受光信号S22为了解析而输出到观测室90的控制/解析部19H。并且在本实施例中，该信号输送(图11的*标记)由通常的电配线电缆进行，但当测量长度更长时，也可采用通信设施易于设置的光纤输送、无线输送。
图14中横轴表示测量时刻，纵轴表示测量的CO2浓度通量(mg/mg2·S)，是表示实施例5的测量结果的特性线图。在图中实线A5表示利用本发明装置测量的实施例5的结果，虚线B5表示将现有的CO2计进行的浓度测量与在第一观测台91上的超声波流速计进行的通量测量组合后的比较例1的结果，双点划线C5表示将现有的CO2计进行的浓度测量与在第二观测台92上的超声波流速计进行的通量测量组合后的比较例2的结果。
本发明的广阔区域CO2浓度通量的测量结果无法通过现有技术的测量结果直接验证，但本发明的测量结果和在各观测台上利用现有技术测量的结果基本一致，从而可证明本发明适用于广阔区域CO2浓度通量的实时测量。
产业上的利用可能性本发明的气体浓度通量测量装置用于广阔区域中的地球温室气体(GHG)的存在量的监测，例如用于森林中的CO2吸收量评估、地表、地中产生的GHG生成量调查等环境调查，或者用于CO2地下处理成套设备、气体贮存设备、管道等的气体泄漏的检测。
权利要求
1.一种气体浓度通量测量装置，具有至少一个光源，使测量对象气体中固有的吸收波长的激光向测量区域振荡；激光输出控制装置，控制所述光源的输出动作；波长调制控制装置，输出用于相对由所述光源振荡的激光的振荡波长施加调制的调制信号，且输出与该调制同步的参照信号；第一受光装置，接收透过测量区域而来的激光，且输出与该受光强度对应的信号；第一直流成分检测器，从由所述第一受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第一波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第一受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和测量区域的测量对象气体浓度成比例的信号；光学系统，将由所述光源振荡的激光分配为两份以上；参照单元，其配置在如下所述的位置浓度已知的所述测量对象气体被密封，通过所述光学系统被分配且不朝向测量区域的激光透过所述密封气体中的位置；第二受光装置，接收透过所述参照单元内的密封气体而来的激光，且输出和该受光强度对应的信号；第二直流成分检测器，从由所述第二受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第二波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和所述参照单元内的密封气体浓度成比例的信号；第三波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的奇数次高次谐波成分，输出用于将激光波长固定化为测量对象气体的吸收波长的基准信号；解析装置，根据由所述第一直流成分检测器、第一波长调制解调器、第二直流成分检测器、及第二波长调制解调器输出的信号，计算出测量区域中的气体浓度及固体粒子浓度，输出其计算结果；加法器，将来自所述波长调制控制装置的调制信号和来自所述第三波长调制解调器的激光波长固定化信号相加，将该加和信号作为输出到所述激光输出控制装置的外部控制信号输出；温度测量单元，测量测量区域的温度，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置；和压力测量单元，测量测量区域的压力，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置，该气体浓度通量测量装置的特征在于，进一步具有流速测量单元，分别直接测量测量区域中的气流的水平二个方向的流速成分和垂直方向的流速成分，并将这些测量信号输出到所述解析装置，所述解析装置利用由所述流速测量单元输入的信号，进行基于涡度相关理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量、测量对象气体的浓度通量、及测量对象气体浓度。
2.一种气体浓度通量测量装置，其具有至少一个的第一激光光源，使测量对象气体中固有的吸收波长的激光向测量区域振荡；激光输出控制装置，控制所述激光光源的输出动作；波长调制控制装置，输出用于相对由所述激光光源振荡的激光的振荡波长施加调制的调制信号，且输出与该调制同步的参照信号；第一受光装置，接收透过测量区域而来的激光，且输出与该受光强度对应的信号；第一直流成分检测器，从由所述第一受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第一波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第一受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和测量区域的测量对象气体浓度成比例的信号；光学系统，将由所述第一激光光源振荡的激光分配为两份以上；参照单元，其配置在如下所述的位置浓度已知的所述测量对象气体被密封，通过所述光学系统被分配且不朝向测量区域的激光透过所述密封气体中的位置；第二受光装置，接收透过所述参照单元内的密封气体而来的激光，且输出和该受光强度对应的信号；第二直流成分检测器，从由所述第二受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第二波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和所述参照单元内的密封气体浓度成比例的信号；第三波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的奇数次高次谐波成分，输出用于将激光波长固定化为测量对象气体的吸收波长的基准信号；解析装置，根据由所述第一直流成分检测器、第一波长调制解调器、第二直流成分检测器、及第二波长调制解调器输出的信号，计算出测量区域中的气体浓度及固体粒子浓度，输出其计算结果；加法器，将来自所述波长调制控制装置的调制信号和来自所述第三波长调制解调器的激光波长固定化信号相加，将该加和信号作为输出到所述激光输出控制装置的外部控制信号输出；温度测量单元，测量测量区域的温度，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置；和压力测量单元，测量测量区域的压力，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置，该气体浓度通量测量装置的特征在于，进一步具有第二光源，向测量区域照射激光；和第三受光装置，接收从所述第二光源射出并透过测量区域而来的激光，且将和该受光强度对应的信号输出到所述解析装置，所述解析装置利用所述第三受光装置输入的信号求得激光透射率的时间变化，根据求得的激光透射率的时间变化导出气体密度的时间变化，进一步为了通过气体密度的时间变化掌握测量对象气体的紊流状态，进行基于Monin-Obukhov相似理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量、测量对象气体的浓度通量、及测量对象气体浓度。
3.一种气体浓度通量测量装置，其具有第一光源，使测量对象气体中固有的吸收波长的激光向测量区域振荡；激光输出控制装置，控制所述第一光源的输出动作；波长调制控制装置，输出用于相对由所述第一光源振荡的激光的振荡波长施加调制的调制信号，且输出与该调制同步的参照信号；第一受光装置，接收透过测量区域而来的激光，且输出与该受光强度对应的信号；第一直流成分检测器，从由所述第一受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第一波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第一受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和测量区域的测量对象气体浓度成比例的信号；光学系统，将由所述第一光源振荡的激光分配为两份以上；参照单元，其配置在如下所述的位置浓度已知的所述测量对象气体被密封，通过所述光学系统被分配且不朝向测量区域的激光透过所述密封气体中的位置；第二受光装置，接收透过所述参照单元内的密封气体而来的激光，且输出和该受光强度对应的信号；第二直流成分检测器，从由所述第二受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第二波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和所述参照单元内的密封气体浓度成比例的信号；第三波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的奇数次高次谐波成分，输出用于将激光波长固定化为测量对象气体的吸收波长的基准信号；解析装置，根据由所述第一直流成分检测器、第一波长调制解调器、第二直流成分检测器、及第二波长调制解调器输出的信号，计算出测量区域中的气体浓度及固体粒子浓度，输出其计算结果；加法器，将来自所述波长调制控制装置的调制信号和来自所述第三波长调制解调器的激光波长固定化信号相加，将该加和信号作为输出到所述激光输出控制装置的外部控制信号输出；温度测量单元，测量测量区域的温度，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置；和压力测量单元，测量测量区域的压力，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置，该气体浓度通量测量装置的特征在于，进一步具有第二光源，使测量对象气体中固有的吸收波长的激光向测量区域振荡；第三受光装置，接收从所述第二光源振荡并透过测量区域而来的激光，且输出和该受光强度对应的信号；和第三直流成分检测器，在从所述第三受光装置接收的信号中去除作为调制信号的交流成分，将受光强度的直流成分输出到所述解析装置，所述解析装置利用从所述第三直流成分检测器输入的信号求得激光透射率的时间变化，根据求得的激光透射率的时间变化导出气体密度的时间变化，进一步为了通过气体密度的时间变化掌握测量对象气体的紊流状态，进行基于Monin-Obukhov相似理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量、测量对象气体的浓度通量、及测量对象气体浓度。
4.一种气体浓度通量测量装置，其具有单一光源，使测量对象气体中固有的吸收波长的激光向测量区域振荡；激光输出控制装置，控制所述光源的输出动作；波长调制控制装置，输出用于相对由所述光源振荡的激光的振荡波长施加调制的调制信号，且输出与该调制同步的参照信号；第一受光装置，接收透过测量区域而来的激光，且输出与该受光强度对应的信号；第一直流成分检测器，从由所述第一受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第一波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第一受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和测量区域的测量对象气体浓度成比例的信号；光学系统，将由所述光源振荡的激光分配为两份以上；参照单元，其配置在如下所述的位置浓度已知的所述测量对象气体被密封，通过所述光学系统被分配且不朝向测量区域的激光透过所述密封气体中的位置；第二受光装置，接收透过所述参照单元内的密封气体而来的激光，且输出和该受光强度对应的信号；第二直流成分检测器，从由所述第二受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第二波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和所述参照单元内的密封气体浓度成比例的信号；第三波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的奇数次高次谐波成分，输出用于将激光波长固定化为测量对象气体的吸收波长的基准信号；解析装置，根据由所述第一直流成分检测器、第一波长调制解调器、第二直流成分检测器、及第二波长调制解调器输出的信号，计算出测量区域中的气体浓度及固体粒子浓度，输出其计算结果；加法器，将来自所述波长调制控制装置的调制信号和来自所述第三波长调制解调器的激光波长固定化信号相加，将该加和信号作为输出到所述激光输出控制装置的外部控制信号输出；温度测量单元，测量测量区域的温度，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置；和压力测量单元，测量测量区域的压力，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置，该气体浓度通量测量装置的特征在于，进一步具有光学系统，将由所述单一光源振荡的激光分配为两份以上；偏光面旋转装置，使分配后的一份以上的激光的偏光面旋转；第三受光装置，接收通过所述偏光面旋转装置旋转了偏光面的激光，且输出和该受光强度对应的信号；第三直流成分检测器，在从所述第三受光装置接收的信号中去除作为调制信号的交流成分，将受光强度的直流成分输出到所述解析装置，所述解析装置利用从所述第三直流成分检测器输入的信号求得激光透射率的时间变化，根据求得的激光透射率的时间变化导出气体密度的时间变化，进一步为了通过气体密度的时间变化掌握测量对象气体的紊流状态，进行基于Monin-Obukhov相似理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量、测量对象气体的浓度通量、及测量对象气体浓度。
5.一种气体浓度通量测量装置，其具有单一光源，使测量对象气体中固有的吸收波长的激光向测量区域振荡；激光输出控制装置，控制所述光源的输出动作；波长调制控制装置，输出用于相对由所述光源振荡的激光的振荡波长施加调制的调制信号，且输出与该调制同步的参照信号；第一受光装置，接收透过测量区域而来的激光，且输出与该受光强度对应的信号；第一波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第一受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和测量区域的测量对象气体浓度成比例的信号；光学系统，将由所述光源振荡的激光分配为两份以上；参照单元，其配置在如下所述的位置浓度已知的所述测量对象气体被密封，通过所述光学系统被分配且不朝向测量区域的激光透过所述密封气体中的位置；第二受光装置，接收透过所述参照单元内的密封气体而来的激光，且输出和该受光强度对应的信号；第二直流成分检测器，从由所述第二受光装置输出的信号中去除作为调制信号的交流成分，输出受光强度的直流成分；第二波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的偶数次高次谐波成分，输出和所述参照单元内的密封气体浓度成比例的信号；第三波长调制解调器，根据来自所述波长调制控制装置的参照信号，从所述第二受光装置输出的信号中检测出加入到激光中的波长调制信号的奇数次高次谐波成分，输出用于将激光波长固定化为测量对象气体的吸收波长的基准信号；解析装置，根据由第一波长调制解调器、第二直流成分检测器、及第二波长调制解调器输出的信号，计算出测量区域中的气体浓度及固体粒子浓度，输出其计算结果；加法器，将来自所述波长调制控制装置的调制信号和来自所述第三波长调制解调器的激光波长固定化信号相加，将该加和信号作为输出到所述激光输出控制装置的外部控制信号输出；温度测量单元，测量测量区域的温度，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置；和压力测量单元，测量测量区域的压力，将和该测量值对应的信号输出到所述解析装置，该气体浓度通量测量装置的特征在于，进一步具有偏光面旋转装置，其具有外部控制的法拉第旋转器，使由所述单一光源振荡的激光的偏光面旋转；偏光面调制控制装置，控制所述法拉第旋转器的旋转角度，对激光偏光面以一定周期切换为纵向偏光和横向偏光；第一偏光面解调器，根据来自所述偏光面调制控制装置的强度调制参照信号，从所述第一受光装置的输出信号中检测出和偏光面调制同步的信号，将和透过测量区域而来的纵向偏光激光的受光强度成比例的信号，作为测量部激光吸收量信号输出到所述解析装置，第二偏光面解调器，根据来自所述偏光面调制控制装置的强度调制参照信号，从所述第一受光装置的输出信号中检测出和偏光面调制同步的信号，将和透过测量区域而来的横向偏光激光的受光强度成比例的信号，作为测量部激光吸收量信号输出到所述解析装置；和第三偏光面解调器，根据来自所述偏光面调制控制装置的强度调制参照信号，从所述第一受光装置的输出信号中检测出和偏光面调制同步的信号，将和透过测量区域而来的激光的受光强度成比例的信号，作为浓度测量信号输出到所述解析装置，所述解析装置利用从所述第一、第二及第三偏光面解调器分别输入的信号求得激光透射率的时间变化，根据求得的激光透射率的时间变化导出气体密度的时间变化，进一步为了通过气体密度的时间变化掌握测量对象气体的紊流状态，进行基于Monin-Obukhov相似理论的解析，利用该解析结果通过运算求得测量区域的动量通量、测量对象气体的浓度通量、及测量对象气体浓度。
6.根据权利要求5所述的气体浓度通量测量装置，其特征在于，所述第三偏光面解调器设置在所述第一波长调制解调器的后部，偏光面调制频率设定得小于波长调制频率。
7.根据权利要求5所述的气体浓度通量测量装置，其特征在于，所述第三偏光面解调器设置在所述第一波长调制解调器的前部，偏光面调制频率设定得大于波长调制频率。
8.根据权利要求5所述的气体浓度通量测量装置，其特征在于，具有信号相位变换器，其设置在所述第一及第二偏光面解调器的前部，使来自所述偏光面调制控制装置的偏光面调制参照信号的相位变化。
9.根据权利要求3或4所述的气体浓度通量测量装置，其特征在于，具有偏光面调制解调器，用于取代所述第三直流成分检测器，从所述第一受光装置输出的信号中检测出和偏光面调制同步的信号，输出和受光强度成比例的信号。
10.根据权利要求1至5中的任意一项所述的气体浓度通量测量装置，其特征在于，所述光源和所述第一受光装置收容在同一容器内。
11.根据权利要求10所述的气体浓度通量测量装置，其特征在于，所述温度测量单元和所述压力测量单元也收容在所述同一容器内。
12.根据权利要求10所述的气体浓度通量测量装置，其特征在于，作为所述流速测量单元使用时间响应性良好的超声波流速计，该超声波流速计收容在所述同一容器内。
全文摘要
提供一种以森林等广阔区域为测量对象、不受共存物质影响、响应性高且具有优异测量稳定性的气体浓度通量测量装置，其具有激光光源；激光输出控制装置；波长调制控制装置；第一受光装置；第一直流成分检测器；第一波长调制解调器；光学系统；参照单元；第二受光装置；第二直流成分检测器；第二波长调制解调器；第三波长调制解调器；解析装置；加法器；温度测量单元；压力测量单元；和流速测量单元，分别直接测量测量区域中的气流水平二个方向的流速成分和垂直方向的流速成分，并将这些测量信号输出到解析装置，其中，解析装置利用从上述流速测量单元输入的信号进行基于涡度相关理论的解析，并利用该解析结果通过计算求得测量对象气体的动量通量和浓度。
文档编号G01W1/00GK1860360SQ20048002827
公开日2006年11月8日 申请日期2004年9月28日 优先权日2003年9月29日
发明者牟田研二, 田浦昌纯, 中屋耕 申请人:三菱重工业株式会社, 财团法人电力中央研究所