способ лазерной локации утечек метана в промышленных газопроводах и устройство для его реализации

Формула изобретения

1. Способ лазерной локации утечек метана в промышленных газопроводах, заключающийся в том, что сканируют области вдоль газопровода тремя разночастотными модулированными лазерными лучами и принимают отраженный лазерный сигнал, отличающийся тем, что лазерные лучи модулируют по амплитуде, осуществляют селективный прием фотоприемником отраженного лазерного сигнала, прошедшего облако метана, на трех частотах, соответствующих частотам модуляции лазерных лучей, причем частоту сканирования согласовывают с частотами модуляции, а частоты модуляции соответствуют с частотно-временными параметрами фильтров фотоприемника.

2. Устройство лазерной локации утечек метана в промышленных газопроводах, включающее передающую часть, содержащую два разночастотных лазерных излучателя, причем первый лазерный излучатель соединен с входом первого модулятора, приемную часть, содержащую последовательно соединенные оптическую систему, фотоприемник с фильтрами и блок обработки сигналов, сканирующее устройство, взаимосвязывающее передающую и приемную части, отличающееся тем, что первый модулятор выполнен амплитудным, в передающую часть включены второй и третий амплитудные модуляторы, светоделитель и преобразователь частоты, причем второй лазерный излучатель соединен со светоделителем, первый выход которого последовательно соединен с вторым амплитудным модулятором, а второй выход - с последовательно соединенными преобразователем частоты и третьим амплитудным модулятором, лазерные излучатели выполнены из гелийнеоновой смеси с линиями излучения в области спектра поглощения метана, частоту сканирования сканирующего устройства согласовывают с частотами модуляции первого, второго и третьего амплитудных модуляторов, частоты которых согласовывают с частотами фильтров фотоприемника.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерной локации, а именно к системам получения информации об объектах в приземном слое атмосферы с борта летательного аппарата.

Целью изобретения является распознавание облака метана при контроле утечек в промышленном газопроводе.

Известен способ получения изображения земной поверхности с использованием оптического квантового генератора, основанный на передаче излучения ОКГ на исследуемый объект, приеме отраженного от объекта излучения, преобразовании его и обработке [1].

Известен способ дистанционного измерения параметров пространственного распределения концентрации аэрозоля в атмосфере и устройство для его осуществления (А.с. СССР N 1812535, кл. G 01 S 17/00). Устройство работает следующим образом: лазерный излучатель под управлением блока синхронизации формирует световой импульс, который фокусируется передающим каналом оптической системы и с помощью сканера излучается в начальную точку выброса. Рассеянное выбросом оптическое излучение через сканер попадает в приемный канал оптической фокусирующей системы, которая фокусирует принятое оптическое излучение на фотоприемнике. Сформированный фотоприемником электрический сигнал усиливается усилителем и поступает в измеритель, который определяет распределение по дальности концентрации загрязняющих веществ.

Недостатками указанного способа и устройства является отсутствие возможности точной селекции определенного газа (в данном случае, метана) и выделения этой информации на фоне мешающих атмосферных помех.

Известен способ и устройство одновременного зондирования земной поверхности излучением с различными длинами волн, приеме и обработке отраженных сигналов [2].

Недостатком указанных технических решений является невозможность применения их для контроля и идентификации облака метана.

Предложенный способ отличается от описанных технических решений тем, что сканирование вдоль газопровода промодулированным лазерным излучением осуществляется тремя разночастотными лучами, промодулированными дополнительно по амплитуде, отраженные от метанового облака лучи принимаются одним фотоприемником, сканирование осуществляется синхронного с модуляцией лучей, причем скорость сканирования согласована с частотно-временными параметрами фильтров фотоприемника.

Суть способа заключается в следующем. В стандартной атмосфере присутствуют ряд газов и паров, в том числе метан и пары воды, которые имеют так называемую фоновую концентрацию. Обнаружение метана производится по регистрации величины поглощения сигнала, отраженного от земной поверхности, при зондировании с летательного аппарата. Величина поглощения зависит как от интегральной концентрации метана на трассе зондирования, так и от степени совпадения длины волны зондирующего излучения со спектральным ходом поглощения метана. Поскольку в любой атмосфере имеются пары воды, спектр поглощения которой является практически непрерывным, а сечение поглощения довольно значительным, то на общую величину поглощения на спектральной линии зондирования метана сказывается влияние поглощения воды. Учитывая, что спектральный ход поглощения метана и воды имеет свои особенности, зондирование производят дополнительно на длине волны, смещенной относительно первой. Кроме поглощения парами воды на величину амплитуды отраженного сигнала влияет изменение значения отражающих свойств поверхности земли. Для учета переменного коэффициента отражения землей зондирование еще дополнительно производится на третьей длине волны излучения, поглощение на которой, в основном, зависит или только от метана, или только от воды.

Таким образом, получая три отраженных сигнала на трех длинах волн решается задача определения концентрации метана путем исключения влияния воды и переменной величины отражения земной поверхности. Для разделения отраженных сигналов на трех длинах волн ₁,₂,₃ осуществляется амплитудная модуляция излучения на частотах f₁, f₂, f₃ соответственно. Отраженные сигналы регистрируются фотоприемником и разделяются за счет фильтрации на частотах амплитудной модуляции. Дальнейшая совместная обработка трех сигналов позволяет обеспечить определение количества метана в приземном слое в районе трубопровода.

Отличием устройства для реализации способа является наличие преобразователя, позволяющего изменить длину волны излучения. Частотно-временные параметры фильтров фотоприемника согласованы со скоростью сканирования.

Устройство для реализации способа обнаружения утечек метана (фиг. 1) содержит: первый лазерный излучатель 1, первый амплитудный модулятор 2, второй лазерный излучатель 3, светоделитель 4, второй амплитудный модулятор 5, преобразователь частоты 6, третий амплитудный модулятор 7, оптическую систему 8, фотоприемник 9, блок обработки сигнала 10, сканирующее устройство 11.

На чертеже облако метана обозначено индексом 12.

Устройство работает следующим образом: непрерывный световой поток с лазерного излучателя 1 поступает на вход амплитудного модулятора 2. Непрерывный световой поток лазерного излучателя 3 поступает на светоделитель 4. Первый световой поток лазерного излучателя 3 поступает на амплитудный модулятор 5, а второй световой поток - на преобразователь частоты 6 и амплитудный модулятор 7. Световые потоки от лазерных излучателей 1, 3 поступают на сканирующее устройство 11. Отраженные от поверхности земли световые потоки через сканирующее устройство 11 и оптическую систему 8 поступают на фотоприемник 9, с выходов которого три электрических сигнала, отфильтрованные на частотах модуляции амплитудных модуляторов 2, 5, 7, поступают в блок обработки сигнала 10.

Амплитудные модуляторы 2, 5, 7 обеспечивают селективный прием излучения на фотоприемнике для разделения отраженного сигнала и позволяют сократить полосу пропускания для уменьшения влияния шумов. Лазерные излучатели 1, 3 выполнены на гелий-неоновой смеси с линиями излучения в области спектра поглощения метана.

Частота сканирования устройства 11, обеспечивающего обзор пространства поперек оси вертолета, согласована с частотой модуляции. Скорость сканирования выбирается из условий создания растра обзора с заданным шагом, а частоты амплитудной модуляции излучения выбираются исходя из скорости сканирования и согласовываются с частотно-временными параметрами электрических фильтров фотоприемника для получения требуемого отношения сигнал/шум за время однократного отсчета. Фотоприемник 9 содержит фотодетектор и усилители с фильтрами. Блок обработки регистрирует сигнал по превышению заданного отношения сигнал/шум. Сканирование осуществляется линейно, поперек оси вертолета.