專利名稱：：機(jī)載天然氣管道泄漏檢測(cè)激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及光電儀器技術(shù)，具體指一種機(jī)載天然氣管道泄漏檢測(cè)激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定方法。據(jù)"2007中國(guó)石油天然氣管道發(fā)展高峰論壇"發(fā)出的消息，近年來(lái)我們國(guó)家的能源消耗品中，天然氣的消耗量逐年升高，已經(jīng)超過(guò)煤炭成為僅次于石油的主要能源消耗品。中國(guó)已建和在建的天然氣輸送管道總長(zhǎng)度已經(jīng)有2.4萬(wàn)公里，據(jù)預(yù)計(jì)截至2010年底，我國(guó)天然氣管道總長(zhǎng)度將達(dá)到3.6萬(wàn)公里。專家指出，天然氣管道泄漏現(xiàn)象嚴(yán)重，泄漏的天然氣量一般大約要占輸氣總量的10%。天然氣管道的泄漏不但給國(guó)家?guī)?lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失，同時(shí)對(duì)大氣環(huán)境也將造成巨大破壞，這是因?yàn)樘烊粴庵饕煞旨淄?分子式CH^約占天然氣總量的92-98%)的"溫室效應(yīng)"是相同濃度二氧化碳(分子式C02)的22倍；另外天然氣具有易燃性；隨著管道使用年齡的增加，天然氣管道泄漏帶來(lái)的損失和安全威脅將日益加重。因此，必須發(fā)展高效、低成本的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)技術(shù)來(lái)應(yīng)對(duì)這一日益突出的現(xiàn)實(shí)問(wèn)題。傳統(tǒng)的天然氣管道泄漏監(jiān)測(cè)方法是依靠手持探測(cè)器徒步探測(cè)，其特點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，成本高；基于直升機(jī)機(jī)載平臺(tái)，在100-150米飛行高度上利用主動(dòng)紅外激光吸收光譜技術(shù)，結(jié)合GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，進(jìn)行高效、低成本探測(cè)的技術(shù)研究已經(jīng)在國(guó)外有所報(bào)道。2000年以來(lái)，基于機(jī)載平臺(tái)的監(jiān)測(cè)技術(shù)在美國(guó)、德國(guó)和瑞士等國(guó)家已經(jīng)得到重視和發(fā)展；研究表明，與傳統(tǒng)方法相比，機(jī)載監(jiān)測(cè)技術(shù)可以使得運(yùn)行成本減少40%;美國(guó)能源部、德國(guó)魯爾油氣公司分別聯(lián)合相關(guān)機(jī)構(gòu)研制出了各自的機(jī)載監(jiān)測(cè)儀器，并進(jìn)行了試飛；瑞士PergamSuisse公司已經(jīng)研制出可商業(yè)運(yùn)作的機(jī)載監(jiān)測(cè)儀器。目前該技術(shù)在國(guó)內(nèi)尚屬空白，考慮到我國(guó)天然氣管道的發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，極有必要盡快發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)的研究，以應(yīng)對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的應(yīng)用需求。氣體檢測(cè)技術(shù)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)就是氣體濃度的標(biāo)定，目前大部分氣體檢測(cè)儀器，如日本手持式甲烷探測(cè)器LASERMETHANE等，一般都是"先標(biāo)定，再測(cè)量"，即先在實(shí)驗(yàn)室用多個(gè)含有不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體的氣體池作為探測(cè)目標(biāo)，測(cè)得對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，利用這些測(cè)量結(jié)果擬合出一條曲線，然后在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中，根據(jù)接收光信號(hào)強(qiáng)度在曲線中找對(duì)應(yīng)的氣體濃度值。這種方法的弊端在于實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定的環(huán)境和實(shí)際測(cè)量的工作環(huán)境不同，會(huì)引入額外的測(cè)量誤差，實(shí)時(shí)性也不強(qiáng)。中國(guó)科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所針對(duì)這種標(biāo)定方法的不足，提出過(guò)一種適合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境使用的參考?xì)怏w濃度的標(biāo)定待測(cè)氣體濃度的方法，推導(dǎo)的公式是Cd=K(I。rLr/I。dLd)Cr(1)其中Cd是懷特池氣體濃度，&是參考?xì)怏w濃度，Ito和I。d是懷特池和參考池測(cè)量得到的反應(yīng)光強(qiáng)的信號(hào)幅度，k和Ld是參考池和懷特池的光程，K是懷特池的二次諧波信號(hào)與參考池二次諧波信號(hào)進(jìn)行回歸分析得到的系數(shù)。這個(gè)方法的有幾點(diǎn)不足的地方(a)需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法得到參考池和待測(cè)氣體池光程比的精確值，如果該值存在誤差將直接影
背景技術(shù)：
：響測(cè)量結(jié)果；(b)K值需要在實(shí)驗(yàn)室經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)擬合得到。本發(fā)明對(duì)以上方法做了改進(jìn)，提出了一種新的氣體濃度實(shí)時(shí)標(biāo)定方法，即用二次諧波與一次諧波的比值表征氣體濃度值，再用參考?xì)怏w濃度標(biāo)定待測(cè)氣體濃度。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有氣體檢測(cè)定標(biāo)方法的基礎(chǔ)上提出一種新的氣體濃度實(shí)時(shí)標(biāo)定方法，即在每次測(cè)量的同時(shí)由已知濃度的參考?xì)怏w池實(shí)時(shí)標(biāo)定出遠(yuǎn)距離待測(cè)氣體的濃度。區(qū)別于傳統(tǒng)氣體檢測(cè)的"先標(biāo)定，后測(cè)量"的方法，這種標(biāo)定和測(cè)量同時(shí)進(jìn)行的實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定方法在工作效率，抗干擾性，實(shí)時(shí)性等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。主動(dòng)式探測(cè)技術(shù)的核心理論基礎(chǔ)是基于氣體的光譜吸收特性，即氣體分子在不同的條件下，吸收或發(fā)射光譜的波長(zhǎng)、強(qiáng)度、偏振態(tài)等情況和氣體的結(jié)構(gòu)特征有著固有的關(guān)系。氣體的分子結(jié)構(gòu)不同，對(duì)應(yīng)不同的吸收光譜；同一種氣體濃度不同時(shí)，在同一吸收位置的吸收度不同，因此通過(guò)檢測(cè)氣體對(duì)特定光的吸收程度，就可以確定氣體的成分及濃度。根據(jù)發(fā)射光的初始能量和被氣體吸收后探測(cè)到的能量就可以反演出氣體含量，反演依據(jù)是L咖bert-beer定律<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中P是光束被氣體吸收后探測(cè)到的能量(W);P。是發(fā)射的初始能量(W);v是光頻率(Hz);S是光學(xué)接收效率(接收功率與初始功率的比值)；D(u)是光學(xué)路徑上的吸收光程；a(u)是氣體對(duì)光的吸收系數(shù)(表征氣體對(duì)光的吸收能力，卯m—1m—0;CK是氣體路徑積分濃度(ppmm)，吸收兩次乘2。由于窄線寬，單一波長(zhǎng)的光不容易獲得，因此通常使用波長(zhǎng)掃描的方法進(jìn)行氣體檢測(cè)，即波長(zhǎng)調(diào)制光譜(麗S)技術(shù)。用固定頻率的正弦波(10kHz)調(diào)制激光，當(dāng)激光的調(diào)制中心頻率調(diào)諧在氣體的吸收線上，其頻率可由下式表示<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中V。為吸收線中心頻率；Au為調(diào)頻的頻偏。(2)代入(1)中的a(u):<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>(3)式可分解成Fourier余弦級(jí)數(shù)<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>詞(5)這里HN(u。)是調(diào)制吸收系數(shù)的第N次Fourier系數(shù)；a。是被測(cè)氣體在吸收線中心上的吸收系數(shù)(單位卯m—1m—0。(1)可以進(jìn)一步寫(xiě)成<formula>formulaseeoriginaldocumentpage4</formula>其中S為光接收系統(tǒng)的有效接收面積(單位m2);n為光接收系統(tǒng)的總接收效率；P為反射目標(biāo)的微分反射系數(shù)(單位sr—0;R為探測(cè)距離(單位m)。在長(zhǎng)光程弱吸收情況下一般滿足[-a(u)2CJ《l，這時(shí)(6)可以寫(xiě)成P"P。[SnP/(2R)2][1-a(u)2CK](7)由(5)和(7)可以算出激光回波中的直流分量和各次諧波分量。把光電探測(cè)器輸出的電信號(hào)經(jīng)過(guò)鎖相放大器，就可以檢測(cè)出這些諧波分量，其中一次諧波分量和二次諧波分量大小為Plf"KjSnP/(2R)2]P0(8)P2f"K2[SnP/(2R)2]P0a0H2(uo)2CK(9)其中&和K2是比例系數(shù)，把(8)(9)式相比就可以得到:Cr=瞎2)(P2f/Plf)/[2a。H2(u。)]=K(P2f/Plf)/[2a。H2(u。)](10)由(10)式可以看出，只要測(cè)得回波中的一次諧波分量和二次諧波分量即可確定被探測(cè)氣體的路徑積分濃度。其中K=IV^，通常的做法是先在實(shí)驗(yàn)里用已知濃度的氣體標(biāo)定K的值，然后在實(shí)際測(cè)量應(yīng)用中代入K值計(jì)算得到待測(cè)氣體的濃度，顯然這種方法較為復(fù)雜，測(cè)量結(jié)果一致性不好，受環(huán)境影響因素較大。因此本發(fā)明提出了一種用于機(jī)載天然氣管道泄漏檢測(cè)激光雷達(dá)氣體濃度實(shí)時(shí)標(biāo)定方法。具體內(nèi)容如下如圖1所示，系統(tǒng)主要包括1.激光器包括二極管激光器5和控制器4，輸出激光波長(zhǎng)1625nm-1655nm，峰值功率20mW，線寬2MHz，門(mén)限電流10mA，最大前向電流225mA。控制器控制激光器輸出正弦調(diào)制的光，波長(zhǎng)在甲烷吸收峰前后來(lái)回掃描；2.探測(cè)器及前置放大電路2、7:采用InGaAs的PIN管探測(cè)器，有效光敏面直徑2.Omm，響應(yīng)率0.95A/W(1650nm)，結(jié)電容25pf，_3dB帶寬40MHz，前置放大電路放大倍數(shù)108，帶寬300kHz;3.光學(xué)結(jié)構(gòu)主反射鏡1口徑280mm，焦距300mm，準(zhǔn)直鏡發(fā)散角lmrad，探測(cè)器前加10nm窄帶濾光片，參考?xì)怏w池8長(zhǎng)70mrn，充入一個(gè)大氣壓的25%甲烷和75%氮?dú)獾幕旌蠚怏w；4.數(shù)據(jù)采集和處理單元10:數(shù)據(jù)采集卡，AD精度16bit，采樣率250KS/S,DA精度16bit，鎖相放大器3、9由上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)。濃度實(shí)時(shí)標(biāo)定步驟如下A.基于直升機(jī)機(jī)載平臺(tái)，在距地面100-150米高度，利用連續(xù)紅外激光束對(duì)地面天然氣管道掃描，接收并分析反射回來(lái)的激光信號(hào)反演氣體濃度值；B.實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定系統(tǒng)包括分析通道和參考通道，激光控制器4利用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)(麗S)控制二極管激光器5發(fā)出波長(zhǎng)掃描的光分別通過(guò)兩個(gè)通道，分析通道的激光通過(guò)泄漏的天然氣時(shí)被部分吸收，經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡1接收后到達(dá)探測(cè)器及前放電路2，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；參考通道的激光則通過(guò)濃度已知的參考?xì)怏w池7，直接到達(dá)探測(cè)器及前放電路8轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；C.兩個(gè)通道的電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)鎖相放大器3和9，提取出一次諧波和兩次諧波成分，鎖相放大器的作用是能把有用信號(hào)從噪聲中有效檢測(cè)出來(lái)，提取出來(lái)的信號(hào)再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元10。把每個(gè)通道采集到的二次諧波信號(hào)與一次諧波信號(hào)做比，就可以消除初始激光強(qiáng)度，接收效率等因素的影響，得到每個(gè)通道氣體濃度表達(dá)式，再把兩個(gè)通道氣體濃度表達(dá)式做比即分析通道氣體的路徑積分濃度CKa=K'(P2fa/Plfa)/[2a。H2(u0)]參考通道氣體的路徑積分濃度CKa=K'(P2fa/Plfa)/[2a。H2(u0)]由(11)(12)式可得C化一[(P2fa/Pifa)/(P2fr,/Pifr,)](11)(12)(13)由于工作環(huán)境相同，K被消除，用(13)式即可實(shí)時(shí)的用已知濃度的參考?xì)怏w標(biāo)定泄漏氣體的濃度。(13)式與(1)式相比較，不包括光程，擬合系數(shù)等參數(shù)，用二次諧波與一次諧波的比值表征氣體濃度，待測(cè)氣體濃度只與每次測(cè)量的參考通道和測(cè)量通道的一、二次諧波大小，參考?xì)怏w濃度有關(guān)，測(cè)量過(guò)程得到簡(jiǎn)化，測(cè)量結(jié)果的精度也隨之提高。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是(1)本發(fā)明基于可調(diào)諧二極管激光器技術(shù)和諧波檢測(cè)原理，應(yīng)用于機(jī)載天然氣管道泄漏檢測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)，因此具有作用距離遠(yuǎn)，探測(cè)靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)；(2)本發(fā)明是根據(jù)已知濃度的參考?xì)怏w實(shí)時(shí)反演出待測(cè)氣體濃度，對(duì)比于"先標(biāo)定，后測(cè)量"的方法，具有氣體濃度標(biāo)定效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，受環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)。(3)改進(jìn)了原有定標(biāo)方法，測(cè)量方法簡(jiǎn)單、有效，測(cè)量結(jié)果誤差減小。圖1是實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，其中(1)——接收望遠(yuǎn)鏡；(2)——分析通道光電探測(cè)器及前放電路；(3)——分析通道鎖相放大器；(4)——激光控制器；(5)——分布反饋式(DFB)二極管激光器；(6)——45°分光鏡；(7)——充入已知濃度甲烷氣體的參考?xì)怏w池；(8)——參考通道光電探測(cè)器及前放電路；(9)——參考通道鎖相放大器；(10)——數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元。機(jī)載天然氣管道泄漏檢測(cè)激光雷達(dá)氣體濃度實(shí)時(shí)標(biāo)定系統(tǒng)工作過(guò)程分為以下幾止少(a)首先用在參考通道安裝含有濃度為25%的標(biāo)準(zhǔn)甲烷氣體的氣體池；(b)在距離主反射鏡大約50米的分析通道處放置一個(gè)可釋放一定濃度甲烷氣體的氣體罐；(c)在氣體釋放處放置一個(gè)甲烷氣體濃度分析儀，用來(lái)測(cè)量泄漏氣體的實(shí)際濃度；(d)緩慢釋放甲烷氣體，隨著氣體濃度的增加，記錄一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，與分析儀測(cè)得數(shù)據(jù)作比較，就可以得到本系統(tǒng)的測(cè)量誤差，結(jié)果如下表所示。<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>實(shí)驗(yàn)結(jié)論待測(cè)氣體濃度越大，系統(tǒng)測(cè)量誤差越??；系統(tǒng)最低探測(cè)靈敏度達(dá)到100ppmm以下，證明了該定標(biāo)方法的可行性和正確性；如果繼續(xù)降低電路噪聲，抑制外界干擾，靈敏度可以進(jìn)一步提高，完全可以實(shí)現(xiàn)100米距離內(nèi)對(duì)100卯mm以下探測(cè)的目標(biāo)。權(quán)利要求一種機(jī)載天然氣管道泄漏檢測(cè)激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定方法，其特征在于它包括如下步驟A.基于直升機(jī)機(jī)載平臺(tái)，在距地面100-150米高度，利用連續(xù)紅外激光束對(duì)地面天然氣管道掃描，接收并分析反射回來(lái)的激光信號(hào)反演出氣體的濃度值；B.實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定系統(tǒng)包括分析通道和參考通道兩個(gè)通道，每次測(cè)量時(shí)這兩個(gè)通道同時(shí)工作，在相同的工作環(huán)境下用已知濃度的參考通道氣體來(lái)標(biāo)定未知濃度的分析通道氣體濃度，激光控制器(4)利用波長(zhǎng)調(diào)制技術(shù)控制二極管激光器(5)產(chǎn)生波長(zhǎng)掃描的光分別通過(guò)兩個(gè)通道，分析通道的激光通過(guò)泄漏的天然氣時(shí)被部分吸收，經(jīng)接收望遠(yuǎn)鏡(1)接收后到達(dá)探測(cè)器及前放電路(2)，光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；參考通道的激光則通過(guò)濃度已知的參考?xì)怏w池(7)，直接到達(dá)探測(cè)器及前放電路(8)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；C.兩個(gè)通道的電信號(hào)分別經(jīng)過(guò)鎖相放大器(3)和(9)，提取出一次諧波和兩次諧波成分，再進(jìn)入數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元(10)，把每個(gè)通道的二次諧波信號(hào)與一次諧波信號(hào)做比，就可以消除初始激光強(qiáng)度，接收效率等因素的影響，得到每個(gè)通道氣體濃度表達(dá)式，再把兩個(gè)通道氣體濃度表達(dá)式做比，就可以實(shí)時(shí)的用已知濃度的參考?xì)怏w標(biāo)定泄漏氣體的濃度。全文摘要本發(fā)明公開(kāi)了一種機(jī)載天然氣管道泄漏檢測(cè)激光雷達(dá)的實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定方法，它應(yīng)用于機(jī)載天然氣管道泄漏檢測(cè)激光雷達(dá)技術(shù)。本發(fā)明的實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定系統(tǒng)包括接收望遠(yuǎn)鏡，分析通道探測(cè)器及前放電路，分析通道鎖相放大器，激光控制器，二極管激光器，45°分光鏡，參考?xì)怏w池，參考通道探測(cè)器及前放電路，參考通道鎖相放大器及數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理單元。本發(fā)明的實(shí)時(shí)濃度標(biāo)定方法是基于可調(diào)諧二極管激光器技術(shù)和諧波檢測(cè)原理，不同于傳統(tǒng)的“先標(biāo)定，再測(cè)量”的方法，在每次測(cè)量的同時(shí)實(shí)時(shí)的反演出待測(cè)氣體濃度，優(yōu)點(diǎn)是作用距離遠(yuǎn)，探測(cè)靈敏度高，氣體濃度標(biāo)定效率高，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，受環(huán)境變化影響小。文檔編號(hào)G01N21/31GK101694265SQ20091019674公開(kāi)日2010年4月14日申請(qǐng)日期2009年9月29日優(yōu)先權(quán)日2009年9月29日發(fā)明者亓洪興,李正文,楊一德,楊俊,潘明忠,舒嶸申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所;