мобильное устройство и способ для дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана

Формула изобретения

1. Мобильное устройство для дистанционного обнаружения скоплений (20) газообразного метана, содержащее передающее устройство (12), снабженное источником (30) света для генерирования света, длина волны которого согласована со спектральной сигнатурой метана, и выполненное с возможностью направления генерируемого света в зону (14) измерения, детекторное устройство (24) для детектирования отраженного света (22) и устройство (26) обработки сигналов, отличающееся тем, что источник (30) света излучает свет с длиной волны, на которой метан поглощает, причем эта длина волны находится в интервале от 3200 до 3300 нм, а в состав источника (30) света включен оптический параметрический генератор (32), возбуждаемый инжекцией сигнала и связанный с лазером (34) накачки.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник (30) света излучает свет с длиной волны 3240 нм или 3220 нм, или 3249 нм, или 3270 нм, или 3290 нм.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник (36) сигнала, инжектируемого в оптический параметрический генератор (32), генерирует инжектируемый сигнал с длиной волны _s ^-1= _р ^-1- _i ^-1, где _р - длина волны лазера (34) накачки оптического параметрического генератора (32), a _i - длина волны поглощения метана.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что _i представляет собой длину холостой волны.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оптический параметрический генератор (32) соединен с передающей оптикой (44) волоконным световодом (42).

6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что волоконный световод (42) имеет сапфировые волокна.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что лазер (34) накачки представляет собой твердотельный лазер с модулируемой добротностью.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник (30) света излучает свет с первой длиной волны, соответствующей линии поглощения метана, и опорный свет со второй длиной волны, находящейся вне линии поглощения.

9. Устройство по п.8, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью излучения последовательности (50) импульсов света.

10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что временной интервал между импульсом поглощаемого света, излучаемым с длиной волны поглощения, и импульсом опорного света, излучаемым с длиной волны, находящейся вне линии поглощения, выбран таким образом, чтобы с учетом скорости движения носителя устройства обеспечивать пространственное перекрытие зон измерения, освещаемых импульсом поглощаемого света и импульсом опорного света.

11. Устройство по п.10, отличающееся тем, что временной интервал между импульсом поглощаемого света и импульсом опорного света составляет менее 300 мкс.

12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что импульсный лазер (34) для оптического параметрического генератора (32) выполнен с возможностью работы в режиме генерации сдвоенных импульсов.

13. Устройство по п.12, отличающееся тем, что импульсный лазер (34) является лазером с диодной накачкой, причем для генерации сдвоенных импульсов блок (40) модуляции добротности выполнен с возможностью по меньшей мере двукратного переключения во время импульса диодной накачки.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник (30) света является перестраиваемым в диапазоне длин волн, находящихся вокруг значения 3240 нм.

15. Устройство по п.1, отличающееся тем, что ширина спектра света, генерируемого источником (30) света, существенно меньше ширины соответствующей линии поглощения метана.

16. Устройство по п.1, отличающееся тем, что детектор детекторного устройства выполнен охлаждаемым.

17. Устройство по п.16, отличающееся тем, что детектор имеет термоэлектрическое охлаждение.

18. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в состав детекторного устройства (24) входит один или несколько детекторов на основе арсенида индия.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в состав детекторного устройства (24) входит телескоп.

20. Устройство по одному из пп.16-18, отличающееся тем, что детекторное устройство (24) для фокусировки содержит линзу Френеля (64).

21. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит дальномерное устройство.

22. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно обеспечивает проведение измерения с разрешением во времени, соответствующим времени, проходящему от излучения импульсов света до приема соответствующих импульсов отраженного света.

23. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно предназначено для установки на летательном аппарате (52).

24. Устройство по одному из пп.1-19, отличающееся тем, что лазер накачки (34) возбуждается инжекцией сигнала.

25. Способ дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана, заключающийся в том, что в зону измерения направляют импульсы света, длина волны которых согласована со спектральной сигнатурой метана, и детектируют отраженный свет, отличающийся тем, что длина волны импульсов света находится в области 3240 нм или 3220 нм, или 3249 нм, или 3270 нм, или 3290 нм, а излучаемый свет генерируют посредством оптического параметрического генератора, возбуждаемого инжекцией сигнала и накачиваемого лазером накачки.

26. Способ по п.25, отличающийся тем, что с временным интервалом от импульса поглощаемого света посылают импульс опорного света с длиной волны, находящейся вне линии поглощения.

27. Способ по п.26, отличающийся тем, что лазер накачки используют в режиме генерации сдвоенных импульсов для генерации импульсов поглощаемого света и импульсов опорного света.

28. Способ по одному из пп.25-27, отличающийся тем, что лазер накачки возбуждают инжекцией сигнала.

Описание изобретения к патенту

Настоящее изобретение относится к мобильному устройству для дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана, содержащему передающее устройство, снабженное источником света для генерирования света, длина волны которого согласована со спектральной сигнатурой метана, и выполненное с возможностью направления генерируемого света в зону измерения, детекторное устройство для детектирования отраженного света и устройство обработки сигналов.

Помимо этого, изобретение относится к способу дистанционного обнаружения скоплений метана, заключающемуся в том, что в зону измерения направляют импульсы света, длина волны которых согласована со спектральной сигнатурой метана, и детектируют отраженный свет.

Подобные устройства для дистанционного обнаружения скоплений газа описаны в статье "Überwachung von Erdgastransportleitungen", W.Zirnig и др., gwa, 5/2002, 82-й год издания. Указанный метод называют также лидарным методом.

Подобная система, в частности, установленная на летательном аппарате, позволяет контролировать газопроводы на наличие утечек газа.

Исходя из вышеизложенного в основу настоящего изобретения была положена задача усовершенствования мобильного устройства для дистанционного обнаружения скоплений газа указанного в начале описания типа с тем, чтобы оно (устройство) обладало высокой чувствительностью измерений, а его конструкция отличалась компактностью и надежностью.

Эта задача решается в отношении устройства указанного в начале описания типа согласно изобретению благодаря тому, что источник света излучает свет с длиной волны, на которой метан поглощает, причем эта длина волны находится в интервале от 3200 до 3300 нм, а в состав источника света включен оптический параметрический генератор, возбуждаемый инжекцией сигнала (затравочного излучения) и связанный с лазером накачки, возбуждаемым инжекцией сигнала.

Благодаря тому что согласно изобретению генерируется свет с длиной волны, соответствующей определенной линии поглощения метана, находящейся в интервале от 3200 до 3300 нм, обеспечивается высокая чувствительность измерений.

Кроме того, путем выбора длины волны в указанном интервале длин волн обеспечивается возможность эффективного детектирования отраженного света. Для этого можно применять прежде всего детекторы на основе арсенида индия, поскольку соответствующая длина волны находится ниже края зоны арсенида индия. Помимо этого, подобные детекторы могут быть выполнены охлаждаемыми для получения высокого отношения сигнал - шум и тем самым дополнительно повысить чувствительность измерений.

С целью обеспечить высокую чувствительность измерений необходимо генерировать импульсы света высокой интенсивности с малой шириной спектра. Благодаря тому что согласно изобретению предусмотрен оптический параметрический генератор (также называемый параметрическим генератором света или оптическим параметрическим осциллятором), возбуждаемый инжекцией сигнала, и лазер накачки, возбуждаемый инжекцией сигнала, можно обеспечить работу источника света в узкополосном режиме, при этом источник света является перестраиваемым.

Источник света можно изготавливать надежным и компактным, благодаря чему такой источник можно также размещать на летательном аппарате, обычно подвергаемом воздействию переменных температур, а также механических нагрузок, таких как вибрации.

Источник света излучает прежде всего свет, длина волны которого составляет 3240 нм или 3220 нм, или 3249 нм, или 3270 нм, или 3290 нм. Эти длины волн соответствуют линиям поглощения метана, при этом существует возможность обеспечить высокую чувствительность измерений. При использовании этих линий имеет место также малая перекрестная чувствительность к содержащемуся в атмосфере водяному пару. Наиболее предпочтительной является длина волны, равная 3240 нм. В этом случае можно применять в качестве детекторного устройства охлаждаемые детекторы на основе арсенида индия, которые наряду с высокой эффективностью обеспечивают высокое значение отношения сигнал - шум.

Согласно одному из предпочтительных вариантов источник сигнала, инжектируемого в оптический параметрический генератор, генерирует инжектируемый сигнал с длиной волны, равной _s ^-1= _р ^-1- _i ^-1, где _р - длина волны лазера накачки оптического параметрического генератора, а _i - длина волны поглощения метана. Величина _i представляет собой прежде всего длину холостой волны. Тем самым обеспечивается преимущество, заключающееся в том, что с учетом указанного диапазона длин волн значения длины волны инжектируемого сигнала могут составлять около 1600 нм. Этот диапазон длин волн, представляющий интерес для техники телекоммуникаций, является рабочим для существующих высококачественных узкополосных лазеров на полупроводниковых диодах с распределенным брэгговским отражателем или с распределенной обратной связью или с внешним резонатором. В этом случае в качестве источников инжектируемого сигнала для оптического параметрического генератора можно использовать существующие лазеры на полупроводниковых диодах.

В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом оптический параметрический генератор соединен с передающей оптикой волоконным световодом. Благодаря этому обеспечивается возможность располагать источник света и передающую оптику на значительном расстоянии друг от друга, в результате чего, например, источник света можно разместить внутри вертолета, а передающую оптику можно прикрепить к вертолету снаружи. Тем самым создается также простая возможность обеспечить жесткое пространственное соотношение направления излучения света передающим устройством и направления (приема) детекторного устройства. Благодаря этому можно также обеспечить механическую развязку источника света и передающей оптики, вследствие чего становится возможным снизить влияние колебаний температуры, вибраций и иных факторов.

Согласно одному из наиболее предпочтительных вариантов волоконный световод имеет сапфировые волокна. В отношении света с используемыми в изобретении длинами волн сапфировые волокна характеризуются высокой величиной пропускания при высоком пороге оптического разрушения.

Как было установлено, в качестве лазера накачки предпочтительно использовать твердотельный лазер с модулируемой добротностью, такой, например, как лазер на иттрий-алюминиевом гранате, легированном неодимом (Nd:YAG-лазер). Подобный лазер накачки позволяет генерировать узкополосный излучаемый свет, характеризующийся требуемой длиной волны.

В соответствии с еще одним наиболее предпочтительным вариантом источник света излучает свет с первой длиной волны, соответствующей линии поглощения метана, и опорный свет со второй длиной волны, находящейся вне линии поглощения. Опорный свет позволяет выполнять измерение распределения газообразного метана даже при исключительно низкой концентрации (микроконцентрации газа). Поглощательные свойства детектируемого метана используются при реализации закона поглощения Ламберта-Бера. Использование импульса опорного света позволяет устранить влияние атмосферы и обратного рассеяния на величину измеряемого сигнала. Соответствующий метод измерений называется также методом, основанным на применении лидара дифференциального поглощения.

Согласно одному из предпочтительных вариантов обеспечена возможность генерировать последовательность импульсов света. Последовательность импульсов света характеризуется определенной частотой повторения или следования. Чем выше частота повторения, тем выше сплошность сканирования зоны измерения, такой, например, как пространство над трассой газопровода при движении вдоль него носителя предлагаемого в изобретении устройства. Так, например, для размещаемого на вертолете устройства для дистанционного обнаружения скоплений метана предусмотрена частота повторений в последовательности импульсов света, составляющая порядка 100 Гц.

В соответствии с изобретением временной интервал между импульсом поглощаемого света, излучаемым с длиной волны поглощения, и импульсом опорного света, излучаемым с длиной волны, находящейся вне линии поглощения, предлагается выбирать таким образом, чтобы с учетом скорости движения носителя устройства обеспечивать пространственное перекрытие зон измерения, освещаемых импульсом поглощаемого света и импульсом опорного света, направляемым с задержкой во времени. Благодаря этому становится возможным обеспечивать сканирование одной и той же зоны измерения импульсом поглощаемого света и соответствующим ему импульсом опорного света, и таким образом в общем случае импульс опорного света может выполнять функцию опорного сигнала.

В соответствии со следующим предпочтительным вариантом временной интервал между импульсом поглощаемого света и импульсом опорного света составляет менее 300 мкс. Подобную систему можно устанавливать предпочтительно на летательном аппарате, таком как вертолет. При обычной крейсерской скорости полета 100 км/ч летательный аппарат перемещается за 300 мкс менее чем на 1 см. Таким образом, при соответствующем задании интервала обеспечивается освещение фактически одной и той же зоны измерения с возможностью детектирования отраженных импульсов света.

Согласно одному из наиболее предпочтительных вариантов для оптического параметрического генератора применяется импульсный лазер, выполненный с возможностью работы в режиме генерации сдвоенных импульсов (в двухимпульсном режиме). В принципе существует возможность использовать отдельные лазеры накачки для генерации импульсов поглощаемого света и импульсов опорного света. Если лазер накачки рассчитан на генерацию сдвоенных импульсов, то в этом случае достаточно использовать один лазер накачки. При этом устройство можно выполнять компактным и использовать его с экономным потреблением энергии, благодаря чему это устройство наиболее пригодно для установки на летательном аппарате.

Лазер накачки может представлять собой, например, лазер с диодной накачкой, причем для генерации сдвоенных импульсов блок модуляции добротности выполнен с возможностью по меньшей мере двукратного переключения во время импульса диодной накачки. Таким образом, оптический параметрический генератор может испускать сдвоенный импульс, что в свою очередь приводит к тому, что излучаемый свет параметрического генератора имеет сдвоенный импульс в излученной последовательности оптических импульсов; при этом первый импульс света представляет собой импульс поглощаемого света и второй импульс света представляет собой импульс опорного света или наоборот.

В предпочтительном варианте применяется источник света, перестраиваемый в диапазоне длин волн, находящихся примерно вокруг значения 3240 нм.

Высокую чувствительность измерений можно обеспечить, если ширина спектра света, генерируемого его источником, является существенно более узкой по сравнению с шириной соответствующей линии поглощения метана.

Согласно предпочтительному варианту детектор детекторного устройства выполнен охлаждаемым, благодаря чему обеспечивается высокое отношение сигнал - шум. Так, в частности, детектор может иметь имеет термоэлектрическое охлаждение, например, на одном или нескольких элементах Пельтье. Благодаря этому отпадает необходимость транспортировать вместе с предлагаемым в изобретении устройством какой-либо охладитель, такой как азот.

Высокая чувствительность измерений обеспечивается при условии, если в состав детекторного устройства входит один или несколько детекторов на основе арсенида индия. Край зоны арсенида индия соответствует примерно 3300 нм. Высокая эффективность (детекторного устройства) обеспечивается путем выбора длины волны согласно изобретению ниже этого края зоны для импульсов поглощаемого света. При применении детекторов на основе арсенида индия можно обеспечивать высокую эффективность даже без охлаждения азотом. Так, например, термоэлектрическим методом можно обеспечить охлаждение таких детекторов до температуры, равной примерно -40°С.Благодаря этому устройство можно изготавливать компактным.

Для фокусировки принятого света в состав детекторного устройства может входить телескоп.

Для обеспечения фокусировки может быть предусмотрена линза Френеля. Преимущества линз Френеля состоят в их малом весе, дешевизне и возможности изготавливать с их использованием приемную оптику для детекторного устройства меньшей длины. Эти преимущества особенно актуальны для мобильного устройства для дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана. Существуют материалы, характеризующиеся высоким уровнем пропускания света в соответствующих диапазонах длин волн.

Согласно наиболее предпочтительному варианту предлагаемое в изобретении устройство содержит дальномерное устройство. Подобное дальномерное устройство позволяет определять столб естественного фона метана; благодаря этому становится возможным скорректировать полученный сигнал, опять же обеспечивая высокую чувствительность измерений.

В принципе существует возможность предусмотреть отдельное дальномерное устройство, в состав которого входит, например, лазерный дальномер. Однако в наиболее предпочтительном варианте изобретение предусматривает проведение измерения с разрешением во времени, соответствующим времени, проходящему от излучения импульсов света до приема соответствующих импульсов отраженного света. Благодаря этому автоматически измерение расстояния выполняется точно в том месте, в котором проводится определение наличия газообразного метана.

Предлагаемое в изобретении устройство предназначено для размещения на летательном аппарате, прежде всего на вертолете.

Еще одна задача изобретения состояла в усовершенствовании способа указанного в начале описания таким образом, чтобы обеспечить высокую чувствительность измерений.

Указанная задача решается согласно изобретению благодаря тому, что длина волны импульсов света находится в области 3240 нм или 3220 нм, или 3249 нм, или 3270 нм, или 3290 нм, а излучаемый свет генерируют посредством оптического параметрического генератора, возбуждаемого инжекцией сигнала (затравочного излучения) и накачиваемого лазером накачки, возбуждаемым инжекцией сигнала.

Предлагаемый в изобретении способ дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана обладает преимуществами, описанными выше применительно к предлагаемому в изобретении устройству.

Другие предпочтительные варианты также описаны выше применительно к предлагаемому в изобретении устройству.

Ниже изобретение более подробно описано на примере предпочтительных вариантов его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показано:

на фиг.1 - схематичное изображение устройства для дистанционного обнаружения скоплений газа, поясняющее осуществление метода, основанного на применении лидара или лазерного локатора, и метода, основанного на применении лидара дифференциального поглощения,

на фиг.2 - схема, иллюстрирующая выполнение предлагаемого в изобретении устройства для дистанционного обнаружения скоплений газа по одному из вариантов,

на фиг.3 - расчетное пропускание света парами воды, содержащимися в стандартной атмосфере при длине проходимого светом пути, равной 300 м, при длине волн, выбираемой в диапазоне длин волн от 3200 до 3300 нм (левая ось ординат), и характерное для метана сечение поглощения в этом диапазоне длин волн (правая ось ординат); рабочие длины волн поглощаемого света указаны стрелками,

на фиг.4 - схематичное изображение прохождения последовательности импульсов излучаемого света во времени,

на фиг.5 - схематичное изображение, иллюстрирующее применение предлагаемого в изобретении устройства по одному из вариантов,

на фиг.6 - прохождение во времени импульсов при измерении расстояния,

на фиг.7 - схематичное изображение линзы Френеля и

на фиг.8 - изменение пропускания света материалом Poly IR^® 5, используемым для изготовления линзы Френеля, в зависимости от длины волны.

Предлагаемое в изобретении устройство для дистанционного обнаружения скоплений газа, схематично показанное на фиг.1 и обозначенное на ней в целом позицией 10, имеет передающее устройство 12 для генерирования лазерного излучения, оснащенное соответствующей передающей оптикой, позволяющей направлять свет в зону 14 измерения.

Как более подробно описано ниже, в состав передающего устройства 12 входит источник света, испускающий импульсы 16, 18 лазерного излучения. При этом длина волн этих световых импульсов 16, 18 согласована со спектральной сигнатурой детектируемого газа, которым в случае настоящего изобретения является метан. Отраженный от скопления 20 газообразного метана свет 22 принимается приемной оптикой детекторного устройства 24. Для обработки принятого света предусмотрено устройство 26 обработки сигналов, соединенное с передающим устройством 12 и прежде всего с устройством управления передающего устройства 12 и предназначенное для анализа результатов измерений.

При этом детекторное устройство 24 жестко связано с направлением света, излучаемого передающим устройством 12.

Подобный активный оптический метод обнаружения места скопления газа, предусматривающий использование лазерного излучения, а также обнаружение и анализ характеристик отраженного света, основывается на применении лидара или лазерного локатора (от англ. "LIDAR", "Light Detecting And Ranging").

При осуществлении метода, основанного на применении лидара дифференциального поглощения (от англ. "Differential Absorption Lidar", "DIAL") и реализации закона поглощения Ламберта-Бера, используется свойство детектируемого газа поглощать излучение. Согласно этому методу испускаются импульсы 16, 18 света с различной длиной волны. Импульс 16 света, называемый также импульсом, находящимся в пределах линии поглощения, или поглощаемым импульсом, имеет длину волны, соответствующую длине волны света, поглощаемого детектируемым газом. Соответствующий свет поглощается газом. Смещенный же во времени посланный импульс 18 света имеет длину волны, на которой свет не поглощается. Импульс 18 света называется импульсом, находящимся за пределами линии поглощения, или непоглощаемым импульсом. Этот импульс используется в качестве сигнала опорного света. Сигнал опорного света может быть также послан перед поглощаемым импульсом.

Методы, основанные на применении лидара или лидара дифференциального поглощения, описаны в разделе 15.2.2 публикации W. Demtröder, Laser Spectroscopy, Corrected Printing, 1998, изд-во Springer-Verlag применительно к измерениям атмосферных характеристик. Данная публикация в этом отношении в полном объеме включена в настоящее описание в качестве ссылки.

При наличии в зоне 14 измерения детектируемого газа отраженный импульс 16' света, связанный с импульсом 16 света, оказывается более слабым вследствие (частичного) поглощения света скоплением 20 газа по сравнению с посланным импульсом 16 света. Импульс 18' же опорного света отражается значительно менее ослабленным. Путем сравнения интенсивностей можно вычислить произведение концентрации газа на сечение поглощения.

В соответствии с одним из вариантов выполнения устройство для дистанционного обнаружения скоплений газа, обозначенное на фиг.2 общей позицией 28, имеет входящий в состав передающего устройства 12 источник 30 света, под которым (источником) подразумевается прежде всего источник лазерного излучения. Источник 30 света имеет оптический параметрический генератор 32 (ОПГ). ОПГ представляет собой нелинейную оптическую систему, обеспечивающую непрерывное излучение света с переменной частотой. ОПГ имеет приемлемую оптически нелинейную среду, такую, например, как нелинейный кристалл, расположенный в оптическом резонаторе. ОПГ накачивается лазером 34 накачки. В результате взаимодействия создаваемого лазером 34 накачки когерентного поля накачки, например, с обладающим нелинейной восприимчивостью кристаллом генерируются две волны с переменной частотой; эти волны обозначаются как сигнальная волна и холостая волна. Длины волн определены на основе принципа сохранения энергии и сохранения импульса в виде условия фазового согласования. Изменяемость частоты обеспечивается за счет приемлемого изменения условия фазового согласования.

В качестве оптических кристаллов пригодны к применению, например, LiNbO₃, KTiOPO ₄ (КТР), KTiOAsO₄ (KTA), KNbO ₃ или материалы, характеризующиеся свойством, допускающим квазифазовое согласование.

Для ОПГ источником инжектируемого сигнала является лазер 36 генерации инжектируемого сигнала. При инжекции в ОПГ 32 направляют узкополосное когерентное излучение внешнего источника света (источника инжектируемого сигнала). Речь идет об известном методе, описанном, например, в публикации А. Fix, "Untersuchung der spektralen Eigenschaften von optischen parametrischen Oszillatoren aus dem optisch nichtlinearen Material Betabariumborat", диссертация, университет г.Кайзерслаутерн, изд-во Schaker, Ахен, 1995.

Путем инжекции сигнала можно уменьшить ширину спектральных линий импульсного ОПГ, не вызывая при этом значительного повышения потерь в ОПГ-резонаторе. Эффективность ОПГ в результате инжекции не снижается, при этом простыми конструктивными средствами можно получить узкие спектральные линии. В отношении интенсивности излучения к источнику инжектируемого сигнала предъявляются весьма невысокие требования.

Для перестраиваемого ОПГ источник 36 генерации инжектируемого сигнала должен быть перестраиваемым.

Под лазером 34 накачки для ОПГ подразумевается предпочтительно твердотельный лазер с модулируемой добротностью, такой, например, как Nd:YAG-лазер. Согласно изобретению возможность возбуждения инжекцией сигнала предусмотрена и для лазера 34 накачки, который с этой целью снабжен лазером, выполняющим функцию источника 38 инжектируемого сигнала.

Лазер накачки 34 генерирует импульсы накачки для генерации импульсов 16, 18 света.

Для генерации поглощаемых импульсов 16 и непоглощаемых импульсов 18 в принципе можно предусмотреть применение двух различных лазеров накачки.

Согласно изобретению предусмотрен единственный лазер 34 накачки, способный генерировать два различных импульса. С этой целью, например, блок 40 модуляции добротности лазера 34 накачки, представляющий собой, например, модулятор на ячейке Поккельса, выполнен с возможностью генерирования через определенный временной интервал импульсов накачки, которые вслед за этим генерируют импульсы 16, 18 света в ОПГ 32.

Так, например, лазер 34 накачки накачивается импульсом диодной накачки продолжительностью, равной, например, 400 мкс. Во время такого импульса диодной накачки блок модуляции добротности дважды переключается с целью обеспечить генерацию двух импульсов накачки лазера 34 накачки, которые далее подаются в ОПГ 32. Блок модуляции добротности задействуется, например, через временной интервал продолжительностью 200 мкс с целью обеспечить генерацию импульсов, следующих друг за другом через соответствующий по продолжительности временной интервал. Импульсы накачки лазера 34 накачки имеют одинаковую длину волны.

Благодаря применению единственного лазера 34 накачки, способного работать в режиме генерации сдвоенных импульсов, устройство 28 может быть выполнено более компактным, поскольку отпадает необходимость во втором лазере накачки. Помимо этого, можно снизить потребление энергии этим устройством именно благодаря отсутствию второго лазера накачки.

ОПГ 32 переключается соответственно синхронно с импульсами накачки лазера 34 накачки с целью обеспечить генерацию поглощаемых импульсов и непоглощаемых импульсов с различной длиной волны. Для этого лазер 36 генерации инжектируемого сигнала включается соответственно управляемым образом, т.е. ОПГ принимает инжектируемый сигнал с различной длиной волны для генерации поглощаемого света и сигнала опорного света.

Излучаемый ОПГ 32 свет, т.е. импульсы 16, 18 света, генерируемые в виде последовательности импульсов, передаются по волоконному световоду 42 в передающую оптику 44. Передающая оптика 44 обеспечивает направление лазерного излучения (т.е. последовательности импульсов света с импульсами 16, 18) в зону 14 измерения.

Благодаря волоконному световоду 42 источник 30 света можно располагать на значительном расстоянии от передающей оптики 44. В том случае, когда устройство 24 размещено, например, на вертолете, этот световод позволяет располагать источник 30 света в самом вертолете, а передающая оптика 44 прикреплена как навесное устройство к вертолету снаружи. Благодаря этому можно упростить требования, предъявляемые к механическому креплению, выполняемому снаружи вертолета. При этом следует также обращать внимание на то обстоятельство, что детекторное устройство 24 для приема отраженного света должно располагаться вблизи передающей оптики 44.

Для изготовления волоконного световода 42, рассчитанного на пропускание волн указанной ниже длины, наиболее пригодны сапфировые волокна. Соответствующий волоконный световод 42 обладает высокими характеристиками пропускания света с высоким оптическим порогом разрушения. Тем самым становится возможным вводить излучаемый свет источника 30 в волоконный световод без каких-либо дефектов.

Между ОПГ 32 и местом 46 ввода лазерного излучения в волоконный световод 42 расположен светоделитель 48. Последний позволяет направлять частичный луч выведенного из ОПГ 32 света в устройство 26 обработки сигналов для вырабатывания необходимой для анализа отраженного света 22 опорного сигнала для излучаемого света.

Как предусмотрено согласно изобретению, длина волны поглощаемых импульсов 16 света соответствует длине волны поглощения метана, причем эта длина волны выбирается в диапазоне от 3200 до 3300 нм. На фиг.3 показан характерный спектр поглощения метана. Линии поглощения, расположенные в указанном диапазоне и обладающие малой перекрестной чувствительностью к водяному пару, указаны стрелками. Используемая согласно изобретению линия соответствует длине волны, составляющей 3239,7 нм или 3220,1 нм, или 3249,4 нм, или 3269,5 нм, или 3290,2 нм. При таких значениях длины волны содержащийся в атмосфере водяной пар характеризуется относительно высоким показателем пропускания света, благодаря чему имеет место малая перекрестная чувствительность к водяному пару.

Как ожидается, при работе установленного на вертолете устройства, использующего поглощаемые импульсы света с длиной волны, равной 3239,7 нм, метан можно обнаруживать на расстоянии 80-140 м до его скопления, если скорость утечки метана составляет от 10 до 200 л/ч.

Для детектирования поглощаемых импульсов света с длинами волн в соответствии с указанными выше условиями имеются соответствующие детекторы, обладающие достаточной чувствительностью для регистрации отраженного света 22. Так, в частности, можно использовать детекторы на основе арсенида индия с охлаждением, основанным на использовании эффекта Пельтье, или с термоэлектрическим охлаждением. Эти детекторы отличаются высокой эффективностью и низким уровнем шума. Край зоны арсенида индия располагается вблизи 3300 нм. Благодаря тому что линии поглощения выбираются ниже 3300 нм, обеспечена высокая эффективность детектора.

Край зоны детекторов на основе арсенида индия смещается при более низких температурах к меньшим значениям длины волны. При более низких температурах снижается шум детектора. При указанной длине волны, равной 3239,7 нм, обеспечивается высокая эффективность и низкий уровень шума, поскольку детектор можно охлаждать (например, термоэлектрическим методом охлаждения путем использования эффекта Пельтье), при этом обеспечено определенное расстояние до края зоны.

Длина волны непоглощаемых импульсов света находится рядом с соответствующей длиной волны поглощаемых импульсов света, причем эта длина должна быть вне линии поглощения. При этом предпочтительно, чтобы по сравнению с длиной волны поглощаемых импульсов света имело место высокое дифференциальное поглощение.

Предлагаемый в изобретении источник 30 света генерирует поглощаемые импульсы 16 света с одной из указанных выше длин волн и соответствующие непоглощаемые импульсы 18 света.

В предпочтительном варианте импульс света с длиной волны, лежащей в пределах линии поглощения, генерируют на длине _i холостой волны, а инжекцию осуществляют на длине _s сигнальной волны. Для длины сигнальной волны справедливо выражение: _s ^-1= _р ^-1- _i ^-1, где _р - длина волны излучения лазера 34 накачки. При осуществлении способа при этих условиях длина волны инжектируемого сигнала составляет примерно 1600 нм. В соответствующем диапазоне длин волн могут работать имеющиеся высококачественные узкополосные диодные лазеры с распределенным брэгговским отражателем или с распределенной обратной связью или с внешним резонатором, благодаря чему сводятся к минимуму расходы на конструктивные компоненты для лазера 36 генерации инжектируемого сигнала.

При этом можно получать узкополосное лазерное излучение высокой интенсивности. При этом можно обеспечивать чувствительность измерений 50 млн^-1·м или еще лучшую.

На фиг.4 схематично показана последовательность 48 импульсов света. Длительность d периода времени между поглощаемым импульсом 16 света и непоглощаемым импульсом 18 света определена при этом благодаря тому, что освещаемые соответственно обоими импульсами 16, 18 света участки зоны 14 измерения должны перекрываться полностью и(ли) перекрываться по возможности в значительной степени. Если устройство 28 размещено на мобильном носителе, таком, например, как вертолет, который пролетает вдоль газопровода, то импульсы 16, 18 света попадают в различные части пространства. Импульсы 18' света уже нельзя использовать в качестве импульсов опорного света, если они относятся к освещенному участку, который отличается от участка, освещаемого импульсами 16 света.

Предпочтительная продолжительность временного интервала между импульсами 16, 18 света составляет примерно от 200 до 300 мкс. При движении со скоростью, равной, например, 100 км/ч, вертолет перемещается за временной интервал, равный 300 мкс, на расстояние, равное примерно 1 см. При перемещении на такое расстояние для детекторного устройства 24 обеспечивается также достаточное перекрытие.

Временной интервал D между поглощаемыми импульсами 16 в последовательности 48 импульсов света обычно составляет порядка 10 мс, что соответствует частоте повторения, равной 100 Гц. Если скорость вертолета составляет, например, 100 км/ч, то он перемещается за 10 мс примерно на 30 см. Тем самым частота повторения, составляющая 100 Гц, позволяет практически полностью перекрывать зону измерения вдоль трассы полета вертолета, например, вдоль трассы газопровода.

На фиг.5 схематично показан вертолет 52, на котором размещено предлагаемое в изобретении устройство 28 для дистанционного обнаружения скоплений газа. Вертолет 52 пролетает вдоль трассы 54 газопровода с одной или несколькими газопроводными нитками 56. Из-за утечки газа из газопроводной нитки 56 над ней могут образовываться скопления 20 газообразного метана.

Передающая оптика 44 направляет излучаемый свет в виде луча на трассу 54 газопровода, а детекторное устройство 24 принимает отраженный свет 22.

В изобретении предусмотрена возможность измерения расстояний. Благодаря этому становится возможным определять влияние естественного фона метана на результат измерения и соответственно корректировать результат измерения. Благодаря измерению расстояния можно определять называемый столбом уровень естественного фона метана в освещаемой части зоны 14 измерения.

В принципе можно предусмотреть отдельное дальномерное устройство, такое, например, как лазерный дальномер. Кроме того, расстояние можно измерять с использованием навигационной системы вместе с предварительно сохраненными моделями местности.

Согласно изобретению предусмотрено дальномерное устройство, регистрирующее в привязке к шкале времени отраженные от земли 58 (см. фиг.5) импульсы света. Предусмотрено приемное устройство, встроенное в детекторное устройство 24, характеризующееся такой полосой частот, которая обеспечивает возможность разрешения во времени отраженных импульсов. При этом измерение расстояния выполняется согласно изобретению автоматически на том месте, на котором выполняются измерения, направленные на обнаружение скопления 20 газообразного метана.

На фиг.6 показан соответствующий график прохождения импульсов в функции времени. Сигнал 60 ближнего поля инициирует процесс измерения расстояния. Этот сигнал 60 ближнего поля поступает, например, через излучаемый свет 16, при этом развязку (сигнала) обеспечивает светоделитель 48.

Далее устройство 26 обработки сигналов определяет временной интервал t, через который возвращается отраженный от земли сигнал 62. На основе этой разности отсчетов времени можно определить расстояние. Согласно проиллюстрированному на фиг.6 варианту время прохождения сигнала составляет 1204 нс, откуда следует, что расстояние между передающей оптикой 44 и землей 58 составляет 180 м.

Для фокусировки принятого света детекторное устройство 24 имеет, например, телескоп.

Помимо этого, для обеспечения фокусировки можно также предусмотреть линзу Френеля 64. На фиг.7 схематично показана подобная линза Френеля. Она имеет светопреломляющую структуру, выполненную таким образом, что для проходящего света реализуется эффект фокусировки. Преимущества линз Френеля по сравнению с телескопами заключаются в их (линз) малом весе, меньшей себестоимости изготовления, а также в том, что они позволяют уменьшить габариты приемной оптики детекторного устройства 24. Эти преимущества являются весьма существенными при размещении предлагаемого в изобретении устройства 28 для дистанционного обнаружения скоплений газа на мобильных носителях и прежде всего на летательных аппаратах.

В диапазоне длин волн от 3200 до 3300 нм уровень фона солнечного света примерно на два порядка ниже, чем в спектральном диапазоне видимого света. Тем самым в отличие от спектрального диапазона видимого света также с учетом уровня фона солнечного света обеспечивается вполне приемлемая величина отношения уровня сигнала к уровню шума для линзы Френеля.

Существуют материалы, характеризующиеся в диапазоне длин волн от 3200 до 3300 нм, используемом в изобретении, достаточно высокими показателями пропускания света. На фиг.8 показано в качестве примера изменение величины пропускания света материалом Poly в функции длины волны света. Как следует из приведенного на фиг.8 графика, величина пропускания света при длине волны менее 4000 нм составляет примерно 90%. Линза Френеля 64, изготовленная из такого материала, пригодна для фокусировки отраженного света 22.

Предлагаемое в изобретении устройство 28 для дистанционного обнаружения скоплений газа представляет собой лазерную систему, которая может быть изготовлена надежной и компактной и при этом оптимальной по себестоимости. Эта система отличается высокой чувствительностью измерений, составляющей в одиночном цикле менее 50 млн^-1·м. Предлагаемое в изобретении устройство 28 для дистанционного обнаружения скоплений газа можно размещать на летательном аппарате, таком как вертолет. При освещении зоны измерения импульсами 16 света и импульсами 18 опорного света в режиме генерации сдвоенных импульсов при типичной скорости полета вертолета обеспечивается достаточное перекрытие сканируемой площади. Трассу газопровода можно контролировать на всем ее протяжении без каких-либо пропусков.