本發(fā)明涉及一種激光遙感探測裝置，尤其是一種天然氣濃度和距離的激光遙感探測裝置。

背景技術(shù)：

隨著天然氣消費(fèi)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，我國已建成了數(shù)十萬公里的天然氣管道。對于如此長的天然氣管網(wǎng)，在天然氣的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、銷售管理的過程中，泄漏是不可避免的，也是造成安全事故的最主要原因。因此，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，人們研發(fā)出了天然氣泄漏激光遙感探測技術(shù)。然而，該技術(shù)在探測天然氣泄漏時(shí)，由于接收到的散射光隨著反射體的不同，其回光功率變化極大，而解調(diào)的二次諧波信號(hào)又正比于光強(qiáng)，從而使測量結(jié)果的準(zhǔn)確性大打折扣。為解決這一問題，人們做出了不懈的努力，如中國發(fā)明專利CN 101696897B于2011年9月7日公告的一種移動(dòng)式單頻差分天然氣管道泄漏激光遙感探測系統(tǒng)及方法。該發(fā)明專利中提及的系統(tǒng)主要由甲烷氣體探測儀、GPS全球定位系統(tǒng)和CCD相機(jī)，以及計(jì)算機(jī)組成，其中，甲烷氣體探測儀包含與卡塞格林望遠(yuǎn)鏡光連接的激光器、與位于卡塞格林望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)處的第二光電探測器電連接的控制處理單元，控制處理單元為其輸入端依次電連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和三只鎖相放大器、輸出端依次電連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換器、正弦波模塊及反饋控制直流電平模塊、加法器和激光電流溫度控制器；方法主要為經(jīng)調(diào)制的激光按比例分成兩束光，其中的一束光經(jīng)內(nèi)沖甲烷氣體的參考吸收池后由第一光電探測器接收，并經(jīng)第一鎖相放大器解調(diào)后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器送往微處理器，另一束光經(jīng)卡塞格林望遠(yuǎn)鏡同軸發(fā)射后，其反射光被第二光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第二和第三鎖相放大器解調(diào)后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器送往微處理器，由微處理器將采集到的第二、第三鎖相放大器的輸出信號(hào)相除得到一個(gè)正比于甲烷氣體濃度的比值，該比值對應(yīng)于用甲烷氣體測量得到的系統(tǒng)標(biāo)定曲線上所對應(yīng)的某一氣體濃度。這種采用二次諧波信號(hào)與一次諧波信號(hào)殘余振幅的比來消除光強(qiáng)影響的措施，雖也能獲得一些效果，卻由于解調(diào)二次諧波信號(hào)和一次諧波信號(hào)采用的是不同的鎖相放大器，兩只鎖相放大器的相位等信息并不一致，而遙感探測技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中距離又是變化的，這就造成了相位也會(huì)有一定的改變，這些都會(huì)造成利用二次諧波信號(hào)與一次諧波信號(hào)殘余振幅的比來消除光強(qiáng)起伏的影響存在著很大的誤差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的欠缺之處，提供一種消除光強(qiáng)和距離變化對濃度測量影響的天然氣濃度和距離的激光遙感探測裝置。

為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：天然氣濃度和距離的激光遙感探測裝置包括紅外激光發(fā)射和接收部件，以及與其電連接的控制處理部件，特別是，

所述控制處理部件包含電連接的發(fā)射信號(hào)控制組件和接收信號(hào)處理組件；

所述發(fā)射信號(hào)控制組件為依次串接的三路信號(hào)發(fā)生器、加法器和激光控制器，用于將三路信號(hào)發(fā)生器輸出的低頻正弦波信號(hào)、高頻正弦波信號(hào)和鋸齒波信號(hào)經(jīng)加法器獲得控制信號(hào)，以注入激光控制器實(shí)現(xiàn)對紅外激光發(fā)射部件中的激光器輸出的調(diào)制；

所述接收信號(hào)處理組件為與紅外接收部件中的探測器電連接的距離信號(hào)處理單元和濃度信號(hào)處理單元，其中，

距離信號(hào)處理單元為依次串接的高通濾波器、鑒相器和數(shù)據(jù)采集分析器，以及鑒相器的輸入端還與三路信號(hào)發(fā)生器的高頻正弦波信號(hào)端電連接，用于將攜帶距離位相信息的高頻信號(hào)與高頻正弦波信號(hào)進(jìn)行鑒相比較，以將比較后的信號(hào)送往數(shù)據(jù)采集分析器計(jì)算出紅外接收部件至反射體之間的距離，

濃度信號(hào)處理單元為低通濾波器的輸出端分別經(jīng)鎖相放大器與數(shù)據(jù)采集分析器、以及直接與數(shù)據(jù)采集分析器電連接，其中的鎖相放大器的輸入端還經(jīng)倍頻電路與三路信號(hào)發(fā)生器的低頻正弦波信號(hào)端電連接，用于將含有低頻調(diào)制吸收信號(hào)與倍頻后的低頻正弦波信號(hào)經(jīng)鎖相放大器解調(diào)，以由數(shù)據(jù)采集分析器將解調(diào)得到的二次諧波信號(hào)與濾去高頻后的低通調(diào)制吸收信號(hào)計(jì)算出氣體濃度。

作為天然氣濃度和距離的激光遙感探測裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：

優(yōu)選地，數(shù)據(jù)采集分析器的輸出端電連接有報(bào)警器。

優(yōu)選地，低頻正弦波信號(hào)的頻段范圍為10～50kHz，高頻正弦波信號(hào)的頻段范圍為200～2000kHz。

優(yōu)選地，紅外激光發(fā)射部件為依次連接的激光器、光纖和位于散射光收集透鏡中心處的光纖準(zhǔn)直器。

優(yōu)選地，紅外激光接收部件為散射光收集透鏡和位于散射光收集透鏡焦點(diǎn)處的探測器。

優(yōu)選地，激光器為二極管激光器，或量子級(jí)聯(lián)激光器，或OPO激光器。

相對于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

采用這樣的結(jié)構(gòu)后，既通過提取直接反映散射光回光強(qiáng)度信息的非吸收段加載在鋸齒波上的低頻正弦波信號(hào)幅值，消除了濃度測量中光強(qiáng)變化對其的影響，又杜絕了不同鎖相放大器的相位不一致造成的誤差，還因濃度和距離的同時(shí)測量，為準(zhǔn)確地扣除大氣中背景氣體濃度對吸收信號(hào)的干擾奠定了基礎(chǔ)，極大地提高了探測天然氣濃度的精確度，從而使本發(fā)明可廣泛應(yīng)用于對天然氣泄漏的準(zhǔn)確定位探測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中的探測器探測到的信號(hào)圖。

圖3是經(jīng)圖1中的鎖相放大器解調(diào)后得到的二次諧波信號(hào)圖。

圖4是圖1中的低通濾波器輸出的濾去高頻后的低通調(diào)制吸收信號(hào)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

參見圖1，天然氣濃度和距離的激光遙感探測裝置的構(gòu)成如下：

裝置包括電連接的紅外激光發(fā)射部件、紅外激光接收部件和控制處理部件；其中，

紅外激光發(fā)射部件為依次連接的激光器7、光纖8和位于散射光收集透鏡10中心處的光纖準(zhǔn)直器9；其中的激光器7為二極管激光器(或量子級(jí)聯(lián)激光器，或OPO激光器)。

紅外激光接收部件為散射光收集透鏡10和位于散射光收集透鏡10焦點(diǎn)處的探測器14。

控制處理部件包含電連接的發(fā)射信號(hào)控制組件和接收信號(hào)處理組件；其中的，

發(fā)射信號(hào)控制組件為依次串接的三路信號(hào)發(fā)生器0、加法器4和激光控制器6；其中，三路信號(hào)發(fā)生器0分別輸出30(可為10～50)kHz的低頻正弦波信號(hào)1、1100(可為200～2000)kHz的高頻正弦波信號(hào)2和鋸齒波信號(hào)3，用于對紅外激光發(fā)射部件中的激光器7輸出的調(diào)制；

接收信號(hào)處理組件為與紅外接收部件中的探測器14電連接的距離信號(hào)處理單元和濃度信號(hào)處理單元，其中，

距離信號(hào)處理單元為依次串接的高通濾波器15、鑒相器17和數(shù)據(jù)采集分析器25，以及鑒相器17的輸入端還與三路信號(hào)發(fā)生器0的高頻正弦波信號(hào)2端電連接，用于計(jì)算出紅外接收部件至反射體12之間的距離，

濃度信號(hào)處理單元為低通濾波器19的輸出端分別經(jīng)鎖相放大器21與數(shù)據(jù)采集分析器25、以及直接與數(shù)據(jù)采集分析器25電連接，其中的鎖相放大器21的輸入端還經(jīng)倍頻電路22與三路信號(hào)發(fā)生器0的低頻正弦波信號(hào)1端電連接，用于計(jì)算出氣體濃度。

數(shù)據(jù)采集分析器25的輸出端電連接有報(bào)警器26。

參見圖1、圖2、圖3和圖4，探測時(shí)，三路信號(hào)發(fā)生器0輸出的低頻正弦波信號(hào)1、高頻正弦波信號(hào)2和鋸齒波信號(hào)3經(jīng)加法器4后，疊加成了控制信號(hào)5，該控制信號(hào)5注入激光控制器6后，對激光器7的輸出進(jìn)行調(diào)制。

當(dāng)載有調(diào)制信息的激光經(jīng)光纖8和光纖準(zhǔn)直器9在射向待測空間的過程中，遭遇泄漏氣團(tuán)11及反射體12后，其散射光13經(jīng)散射光收集透鏡10匯聚于位于散射光收集透鏡10焦點(diǎn)處的探測器14上，由其轉(zhuǎn)換為如圖2所示的電信號(hào)，并分別由高通濾波器15和低通濾波器19接收。

高通濾波器15將探測器14輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為攜帶距離位相信息的高頻信號(hào)16，并將其送入鑒相器17后，與高頻正弦波信號(hào)2進(jìn)行鑒相比較，得到比較后的信號(hào)18；之后，比較后的信號(hào)18被送往數(shù)據(jù)采集分析器25，由其計(jì)算出紅外接收部件至反射體12之間的距離。

低通濾波器19將探測器14輸出的電信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為含有低頻調(diào)制吸收信號(hào)20和如圖4所示的濾去高頻后的低通調(diào)制吸收信號(hào)23后，分別送往鎖相放大器21和數(shù)據(jù)采集分析器25；鎖相放大器21對含有低頻調(diào)制吸收信號(hào)20與經(jīng)倍頻電路22倍頻后的低頻正弦波信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到如圖3所示的二次諧波信號(hào)24；隨后，由數(shù)據(jù)采集分析器25將解調(diào)得到的二次諧波信號(hào)24與濾去高頻后的低通調(diào)制吸收信號(hào)23計(jì)算出氣體濃度。

計(jì)算氣體濃度的具體過程為，

式中的P_2f為二次諧波信號(hào)的強(qiáng)度——峰值與基線之間的差值，P_sin為提取非吸收段加載在鋸齒波上的低頻正弦波信號(hào)，S_dc是激光強(qiáng)度信息的直流分量，k₁、k₂是常數(shù)，α₀是氣體分子的吸收系數(shù)，C是氣體濃度；其中，

$C=\frac{k_1}{2k_2{\mathrm{\α}}_0}\·\frac{P_{2f}}{P_{\sin }}=K\·\frac{P_{2f}}{P_{\sin }},$

式中的k為常數(shù)。

若氣體濃度高于設(shè)定的值，則觸發(fā)報(bào)警器26發(fā)出聲或光報(bào)警。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明的天然氣濃度和距離的激光遙感探測裝置進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。