氣體泄漏激光遙感機載探測裝置的制作方法

本發明涉及一種激光遙感機載探測裝置，尤其是一種氣體泄漏激光遙感機載探測裝置。

背景技術：

隨著天然氣消費領域的不斷擴大，我國已建成了數十萬公里的天然氣管道。對于如此長的天然氣管網，在天然氣的運輸、儲存、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，為及時地發現泄漏點，人們研發出了天然氣泄漏激光遙感探測技術。然而，該技術在探測天然氣泄漏時，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，而解調的二次諧波信號又正比于光強，從而使測量結果的準確性大打折扣。為解決這一問題，人們做出了不懈的努力，如中國發明專利CN 101696897B于2011年9月7日公告的一種移動式單頻差分天然氣管道泄漏激光遙感探測系統及方法。該發明專利中提及的系統主要由甲烷氣體探測儀、GPS全球定位系統和CCD相機，以及計算機組成，其中，甲烷氣體探測儀包含與卡塞格林望遠鏡光連接的激光器、與位于卡塞格林望遠鏡焦點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轉換器和三只鎖相放大器、輸出端依次電連接有數模轉換器、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；方法主要為經調制的激光按比例分成兩束光，其中的一束光經內沖甲烷氣體的參考吸收池后由第一光電探測器接收，并經第一鎖相放大器解調后通過模數轉換器送往微處理器，另一束光經卡塞格林望遠鏡同軸發射后，其反射光被第二光電探測器轉換為電信號后，經第二和第三鎖相放大器解調后通過模數轉換器送往微處理器，由微處理器將采集到的第二、第三鎖相放大器的輸出信號相除得到一個正比于甲烷氣體濃度的比值，該比值對應于用甲烷氣體測量得到的系統標定曲線上所對應的某一氣體濃度。這種采用二次諧波信號與一次諧波信號殘余振幅的比來消除光強影響的探測系統及方法，雖也獲得了一些效果，卻仍存在著不足之處，首先，由于解調二次諧波信號和一次諧波信號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，而遙感探測技術在實際應用中距離又是變化的，這就造成了相位也會有一定的改變，這些都會造成利用二次諧波信號與一次諧波信號殘余振幅的比來消除光強起伏的影響存在著很大的誤差；其次，探測系統于單位時間內移動的距離有限，難以快速有效地探測較大區域天然氣管網的泄漏。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題為克服現有技術中的不足之處，提供一種消除光強變化對濃度測量影響，且易于快速探測較大區域天然氣管網的氣體泄漏激光遙感機載探測裝置。

為解決本發明的技術問題，所采用的技術方案為：氣體泄漏激光遙感機載探測裝置包括紅外激光發射和接收部件，以及與其電連接的控制處理部件，特別是，

所述機載探測裝置位于飛行器上，且還含有螺旋探測軌跡部件，所述螺旋探測軌跡部件由置于電機軸上的旋轉反射鏡組成，其中，旋轉反射鏡的法線與電機軸線的夾角為1～6°、且與紅外激光發射部件的光軸呈40～50°角；

所述控制處理部件包含電連接的發射信號控制組件和接收信號處理組件，其中，

發射信號控制組件為鋸齒波信號發生器和正弦波信號發生器的輸出端經加法器與激光調制器電連接，用于將鋸齒波信號和正弦波信號疊加后形成控制信號，以由激光調制器實現對紅外激光發射部件中的激光器輸出的調制，

接收信號處理組件為分別與紅外接收部件中的探測器電連接的鎖相放大器和數據采集器，以及鎖相放大器的輸入端經倍頻器與正弦波信號發生器的輸出端電連接、輸出端與數據采集器的輸入端電連接，數據采集器的輸出端與計算機電連接，用于由攜帶泄漏氣體信息的信號與倍頻后的正弦波信號解調出二次諧波信號，并由數據采集器連同攜帶泄漏氣體信息的信號一起送往計算機，計算出泄漏氣體的濃度。

作為氣體泄漏激光遙感機載探測裝置的進一步改進：

優選地，計算機的輸出端電連接有無線通信部件；利于地面上實時地獲得探測結果。

優選地，激光調制器為連續窄線寬的種子激光器；易于獲得窄線寬的中紅外激光輸出來測量氣體泄漏。

優選地，紅外激光發射部件為依次光連接的激光器、第一反射鏡和位于光收集器光軸上的第二反射鏡。

優選地，紅外激光接收部件為光收集器和位于光收集器焦點處的探測器，其中，光收集器為卡塞格林望遠鏡或菲涅爾透鏡。

優選地，激光器為窄線寬二極管激光器，或窄線寬量子級聯激光器，或窄線寬連續OPO激光器。

相對于現有技術的有益效果是：

采用這樣的結構后，既通過提取直接反映散射光回光強度信息的非吸收段加載在鋸齒波上的正弦波信號，消除了濃度測量中光強變化對其的影響，又杜絕了不同鎖相放大器的相位不一致造成的誤差，還因基于飛行器的快速移動而于待測管道上方形成了螺旋管探測軌跡，保證了在待測管道上方形成了一個寬的探測通道，避免了單一測量軌跡因飛行器姿勢的抖動或風速風向引起的氣團漂移所造成的探測激光無法完全覆蓋探測區域的缺陷，不僅大大地提高了探測天然氣濃度的精確度，也極大地提高了探測天然氣管網的速度，更是杜絕了漏測的可能，使其極易于廣泛地應用于對天然氣泄漏的精確定位和大面積的快速探測。

附圖說明

圖1是本發明的一種基本結構示意圖。

圖2是圖1中的螺旋探測軌跡部件于探測區域形成的螺旋管探測軌跡圖。

圖3是經圖1中的鎖相放大器解調后得到的二次諧波信號圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的優選方式作進一步詳細的描述。

參見圖1，氣體泄漏激光遙感機載探測裝置的構成如下：

裝置位于飛行器上，其包括電連接的紅外激光發射部件、紅外激光接收部件和控制處理部件，以及螺旋探測軌跡部件；其中，

紅外激光發射部件為依次光連接的激光器5、第一反射鏡7和位于光收集器11光軸12上的第二反射鏡8；其中的激光器5為窄線寬二極管激光器(可為窄線寬量子級聯激光器，或窄線寬連續OPO激光器)。

紅外激光接收部件為光收集器11和位于光收集器11焦點處的探測器20；其中的光收集器11為卡塞格林望遠鏡(或菲涅爾透鏡)。

控制處理部件包含電連接的發射信號控制組件和接收信號處理組件；其中的，

發射信號控制組件為鋸齒波信號發生器1和正弦波信號發生器2的輸出端經加法器3與激光調制器4電連接；其中，激光調制器4為連續窄線寬的種子激光器，用于對紅外激光發射部件中的激光器5輸出的調制；

接收信號處理組件為分別與紅外接收部件中的探測器20電連接的鎖相放大器21和數據采集器22，以及鎖相放大器21的輸入端經倍頻器23與正弦波信號發生器2的輸出端電連接、輸出端與數據采集器22的輸入端電連接，數據采集器22的輸出端與計算機24電連接，用于計算出泄漏氣體的濃度。

螺旋探測軌跡部件由置于電機14軸上的旋轉反射鏡13組成；其中，旋轉反射鏡13的法線與電機14軸線的夾角為3(可為1～6)°、且與紅外激光發射部件的光軸12呈45(可為40～50)°角；

計算機24的輸出端電連接有無線通信部件。

參見圖1、圖2和圖3，探測時，鋸齒波信號發生器1和正弦波信號發生器2分別輸出的鋸齒波信號和正弦波信號經加法器3后，疊加成了控制信號送入激光調制器4，由激光調制器4實現對紅外激光發射部件中的激光器5輸出的調制。

帶有調制信息的激光束6經第一反射鏡7和位于光收集器11——由凹面鏡9和凸透鏡10組成的卡塞格林望遠鏡光軸12上的第二反射鏡8，射向以旋轉軸15為旋轉軸心的旋轉反射鏡13。由旋轉反射鏡13反射的激光束6于含有地下天然氣管道17的待測區域的地面16上形成了如圖2所示的螺旋管探測軌跡。激光束6經螺旋管探測軌跡內的地面16散射后形成的地形散射光19，經旋轉反射鏡13和光收集器11匯聚于探測器20上，并由其轉換為電信號。

當地下天然氣管道17泄漏，形成泄漏氣團18時，就會被探測器20探測到攜帶泄漏氣體信息的信號，并經接收信號處理組件由攜帶泄漏氣體信息的信號與倍頻后的正弦波信號解調出如圖3所示的二次諧波信號后，連同攜帶泄漏氣體信息的信號一起經計算機24計算出泄漏氣體的濃度。

計算泄漏氣體濃度的具體過程為，

P_2f＝k₁·s_dcα₀·2C，

P_sin＝k₂·S_dc，

式中的P_2f為二次諧波信號的強度——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正弦波信號，S_dc是激光強度信息的直流分量，k₁、k₂是常數，α₀是氣體分子的吸收系數，C是氣體濃度；其中，

式中的k為常數。

為使地面上的相關部門實時地了解探測的結果，可由計算機24經無線通信部件發出相應的信息。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明的氣體泄漏激光遙感機載探測裝置進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若對本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。