WO2019112459A1 - Method for remote measurement of a concentration of gases in the atmosphere - Google Patents

Method for remote measurement of a concentration of gases in the atmosphere Download PDF

Info

Publication number
WO2019112459A1
WO2019112459A1 PCT/RU2017/000909 RU2017000909W WO2019112459A1 WO 2019112459 A1 WO2019112459 A1 WO 2019112459A1 RU 2017000909 W RU2017000909 W RU 2017000909W WO 2019112459 A1 WO2019112459 A1 WO 2019112459A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
gas
laser
methane
radiation
concentration
Prior art date
Application number
PCT/RU2017/000909
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Олег Валентинович ЕРШОВ
Алексей Григорьевич КЛИМОВ
Семен Михайлович НЕВЕРОВ
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "Пергам Рисерч энд Девелопмент"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "Пергам Рисерч энд Девелопмент" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "Пергам Рисерч энд Девелопмент"
Priority to CN201780056434.5A priority Critical patent/CN110392825A/en
Priority to EA201990359A priority patent/EA201990359A1/en
Publication of WO2019112459A1 publication Critical patent/WO2019112459A1/en

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F17—STORING OR DISTRIBUTING GASES OR LIQUIDS
    • F17D—PIPE-LINE SYSTEMS; PIPE-LINES
    • F17D5/00—Protection or supervision of installations
    • F17D5/02—Preventing, monitoring, or locating loss
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/59—Transmissivity
    • G01N21/61—Non-dispersive gas analysers

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

The invention relates to the field of systems for providing safety during the transportation and storage of a gas and concerns a method for remote measurement of a concentration of gas in the atmosphere. The measurements are carried out with the aid of a gas analyzer which is mounted on an aerial vehicle and comprises a controllable diode laser, an analytical channel and a reference channel. The processing of measurement signals and reference signals comprises defining a cross-correlation function, defining an auto-correlation function of the reference channel and filtering noise from the analytical channel using the functions produced. Furthermore, a coefficient of cross-correlation is defined depending on the values of the functions produced and a concentration of gas in the analytical channel is defined depending on the coefficient of cross-correlation. Simultaneous detection along different lines of absorption is then carried out, allowing a wide dynamic range of gas concentrations to be measured in the surface layer of the atmosphere.

Description

Способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере  The method of remote measurement of the concentration of gases in the atmosphere
Область техники, к которой относится изобретение The technical field to which the invention relates.
Техническое решение относится к области способов и систем обеспечения безопасности при транспортировке и хранении газа. Основное применение дистанционное измерение концентрации различных газов в атмосфере. Основное предназначение: детектирование метана с целью обнаружения утечек природного газа из газопроводов высокого и низкого давления и других природных и промышленных источников метана. Способ может использоваться на открытых газовых площадках газокомпрессорных станций, терминалов сжиженного газа и т.п.  The technical solution relates to the field of methods and systems to ensure the safety of transportation and storage of gas. The main application is the remote measurement of the concentration of various gases in the atmosphere. The main purpose: the detection of methane to detect leaks of natural gas from high and low pressure gas pipelines and other natural and industrial sources of methane. The method can be used in open gas platforms of gas compressor stations, liquefied gas terminals, etc.
Уровень техники  The level of technology
В последние 20 лет декларируется о создании ряда приборов для обнаружения утечек газа с борта вертолета, часть приборов существует только в виде проектов. Остальные приборы не удовлетворяют потребителей по совокупности следующих параметров: точность и оперативность определения мест утечек и их интенсивности, динамический диапазон по интенсивности утечек, максимальная дальность обнаружения, отсутствие ложных результатов, независимость результатов от погодных условий, быстродействие, надежность и удобство в работе, габариты и вес, удобство при установке прибора на борт и его настройке, соотношение цена/качество. В результате компании, осуществляющие транспортировку природного газа, до сих пор не имеют необходимых дистанционных мобильных средств контроля утечек газа.  In the past 20 years, a number of instruments for detecting gas leaks from a helicopter have been announced, some of the instruments exist only in the form of projects. The rest of the devices do not satisfy consumers by the combination of the following parameters: accuracy and efficiency of identifying leaks and their intensity, dynamic range of leakage intensity, maximum detection range, no false results, independence of results from weather conditions, speed, reliability and ease of operation, dimensions and weight, convenience when installing the device on board and setting it up, price / quality ratio. As a result, companies engaged in the transportation of natural gas still do not have the necessary remote mobile means to control gas leaks.
Из уровня техники известно множество газоанализаторов, например: патент Великобритании N 2237637, кл. G 01 N 21/61 , 21/31 , 1991. [1]; патент США 5130544, кл. G 01 N 21/61 , 1991. [2]; Applied Optics 38, 7342 - 7354 (1999).[3], в которых измерения производятся внутри оптической кюветы. При этом используются как закрытые кюветы, в которых исследуемая газовая смесь прокачивается через кювету, так и открытые - для локальных измерений концентрации газа (метана) в воздухе. Такие газоанализаторы устанавливались на различные летательные аппараты (самолеты, вертолеты, стратостаты) для измерения концентрации метана в воздухе. При этом чувствительность измерений оказывалась достаточно высокой, особенно при использовании многопроходных кювет, как за счет большой длины оптического пути, так и за счет стабильности условий измерений. Такие приборы очень эффективны при измерениях распределения концентрации различных газов (метана) на различных высотах, в разных частях Земли [3]. Были также попытки применения таких приборов для детектирования утечек природного газа из трубопроводов, так как при высокой чувствительности измерений обнаружение утечки может производиться при значительном удалении от нее (до 100 м). Однако принципиальным недостатком таких устройств являются низкая точность определения места утечки и большое количество ложных результатов, так как незначительные превышения (на 10%) фоновой концентрации метана в воздухе может быть обусловлено различными факторами, не связанными с утечкой газа из газопроводов. In the prior art there are many gas analyzers, for example: UK patent N 2237637, cl. G 01 N 21/61, 21/31, 1991. [1]; US patent 5,130,544, cl. G 01 N 21/61, 1991. [2]; Applied Optics 38, 7342-7354 (1999). [3], in which measurements are made inside the optical cell. It uses both closed cuvettes in which the gas mixture under study is pumped through the cuvette, as well as open ones for local measurements of the concentration of gas (methane) in the air. Such gas analyzers were installed on various aircraft (airplanes, helicopters, stratostats) to measure the concentration of methane in the air. At the same time, the sensitivity of measurements turned out to be rather high, especially when using multipass cuvettes, both due to the long optical path length and due to the stability of the measurement conditions. Such devices are very effective in measuring the concentration distribution of various gases (methane) at different altitudes, in different parts of the Earth [3]. There have also been attempts to use such devices to detect natural gas leaks from pipelines, since with a high sensitivity of measurements, leak detection can be carried out at a considerable distance from it (up to 100 m). However, a fundamental disadvantage of such devices is the low accuracy of the leak location and a large number of false results, since insignificant exceedances (by 10%) of the background concentration of methane in the air can be due to various factors not related to gas leakage from gas pipelines.
Множество различных типов приборов вертолетного или автомобильного (вездеходного) базирования непосредственно обследуют место утечки или место в непосредственной близости от утечки с некоторого расстояния (20 - 200 м). Эти приборы относятся к классу дистанционных и основаны на различных принципах действия. Они позволяют локализовать место утечки с гораздо большей точностью. К такому же типу приборов относится и представляемое устройство. Из других типов дистанционных детекторов утечек газа можно выделить четыре типа приборов, различающихся по принципу действия.  Many different types of helicopter or automobile (all-terrain) -based instruments directly inspect the leak or in the immediate vicinity of the leak from a certain distance (20 - 200 m). These devices belong to the class of remote and are based on various principles of operation. They allow you to localize the leak with much greater accuracy. To the same type of devices and represents the device. Of the other types of remote gas leak detectors, there are four types of devices that differ in the principle of operation.
В качестве дистанционного детектора утечек газа используются различные Инфракрасные (ИК) камеры, установленные на борт вертолета, например: RU 2115109 C16G21/61 , 1994 [4]. Тепловая аэросъемка в гидрогеологии и инженерной геологии / Под ред. Г.С.Выдрицкого. Л., 1986 [5]. При этом способе детектирования получают инфракрасное изображение поверхности Земли и различных объектов вдоль трубопровода в течение полета вертолета. Принцип действия данного способа детектирования основан на том, что при истечении газа из трубы (или другой емкости) с более высоким давлением в атмосферу через относительно небольшое отверстие, скорость потока газа оказывается достаточно высокой, что приводит к дроссельному эффекту и некоторая область пространства в окрестности утечки охлаждается. При расположении трубопровода на поверхности Земли утечка газа приведет к охлаждению некоторого участка трубы, а при подземном расположении - к охлаждению участка земли в окрестности утечки. Величина разности температур DT при дроссельном эффекте пропорциональна разности давлений DR в трубе и в окружающей среде: DT = K*DR, где К - константа, равная для метана 0,33 град/атм [6]. При давлении в магистральных газопроводах более 50 атм, максимальное охлаждение может достигать 20 град. Это приводит к уменьшению интенсивности теплового излучения охлажденных участков, что и может быть зарегистрировано ИК камерой. Однако величина охлаждения участков трубы или почвы в окрестности утечки существенно зависит также и от условий теплообмена. В частности, при наружном расположении утечки металл - материал трубы обладает достаточно высокой теплопроводностью, что приводит к «размыванию» места охлаждения на большое расстояние, в результате чего регистрируемый градиент температуры существенно уменьшается. При подземном же расположении утечки охлаждению подвергается значительный объем почвы, и охлаждение поверхностного слоя почвы значительно уменьшается. Приток энергии, уменьшающий градиент температуры, происходит не только за счет теплопроводности трубопровода и почвы, но и за счет конвекционных потоков и ветра в приземном слое атмосферы. В результате максимальный регистрируемый градиент температуры в окрестности утечки оказываетсяAs a remote detector for gas leaks, various Infrared (IR) cameras are used on board a helicopter, for example: RU 2115109 C16G21 / 61, 1994 [4]. Thermal aerial photography in hydrogeology and engineering geology / Ed. G.S.Vydritskogo. L., 1986 [5]. In this method of detection, an infrared image of the surface of the Earth and various objects along the pipeline during the flight of the helicopter is obtained. The principle of operation of this detection method is based on the fact that when gas flows from a pipe (or other container) with a higher pressure into the atmosphere through a relatively small opening, the gas flow rate is quite high, which leads to a throttle effect and some area of space in the vicinity of the leak cools down. When the pipeline is located on the surface of the Earth, a gas leak will lead to cooling of a certain part of the pipe, and at an underground location - to a cooling of the land in the vicinity of the leak. The magnitude of the temperature difference DT at the throttle effect is proportional to the pressure difference DR in the pipe and in the environment: DT = K * DR, where K is a constant equal to 0.33 deg / atm for methane [6]. With a pressure in the main gas pipelines of more than 50 atm, the maximum cooling can reach 20 degrees. This leads to a decrease in the intensity of thermal radiation of the cooled areas, which can be detected by an IR camera. However, the magnitude of the cooling of the pipe or soil sections in the vicinity of the leak also significantly depends on the heat exchange conditions. In particular, with the external location of the leakage, the metal - pipe material has a sufficiently high thermal conductivity, which leads to a "blurring" of the cooling place over a long distance, as a result of which the recorded temperature gradient significantly decreases. At the same underground leakage location, a significant amount of soil is exposed to cooling, and the cooling of the surface layer of the soil is significantly reduced. The influx of energy, which reduces the temperature gradient, occurs not only due to the thermal conductivity of the pipeline and the soil, but also due to convection currents and wind in the surface layer of the atmosphere. As a result the maximum recorded temperature gradient in the vicinity of the leak is
~ 10 град, а при незначительных утечках - менее 1 град. Чувствительность современных~ 10 degrees, and with minor leaks - less than 1 degrees. The sensitivity of modern
ИК камер менее 0,1 град, и, казалось бы, утечка газа легко может быть зарегистрирована.IR cameras less than 0.1 degrees, and seemingly a gas leak can easily be recorded.
Однако при регистрации утечки ИК камерой существует множество внешних факторов, существенно уменьшающих точность и достоверность результатов. Во-первых, растительность (трава, кустарник, деревья), которые в первую очередь попадают в поле зрения ИК камеры, охлаждаются значительно меньше, чем почва. Во-вторых, получаемый результат по величине охлаждения существенно зависит от погодных условий (ветер, влажность, температура земли и воздуха) и от типа почвы. В-третьих, ИК изображение участка Земли зависит не только от теплового излучения данного участка, но и от рассеянного солнечного излучения, которое существенно различается в освещенных и затененных местах. Это приводит к значительному числу ложных результатов, а при увеличении порога срабатывания - к уменьшению чувствительности регистрации утечек. However, when registering a leak with an IR camera, there are many external factors that significantly reduce the accuracy and reliability of the results. Firstly, the vegetation (grass, shrub, trees), which first of all come into view of the infrared camera, is cooled much less than the soil. Secondly, the result obtained in terms of cooling significantly depends on weather conditions (wind, humidity, temperature of the earth and air) and on the type of soil. Thirdly, the IR image of the site of the Earth depends not only on the thermal radiation of this area, but also on the scattered solar radiation, which differs significantly in the illuminated and shaded areas. This leads to a significant number of false results, and with an increase in the response threshold, to a decrease in the sensitivity of leak detection.
Наблюдение окрестности трубопровода при помощи ИК камер относится к пассивному способу регистрации утечек. Гораздо эффективнее активные дистанционные способы регистрации, при которых, поверхность Земли зондируется различными источниками света и исследуется получаемый отклик. В качестве таких источников используются различные лазеры, излучение которых напрямую взаимодействует с молекулами газа (метана) и получаемый отклик зависит от концентрации газа.  Observation of the vicinity of the pipeline using IR cameras refers to the passive method of detecting leaks. Much more effective is the active remote sensing methods in which the Earth's surface is probed by various light sources and the resulting response is investigated. Various lasers are used as such sources, the radiation of which directly interacts with gas molecules (methane) and the resulting response depends on the gas concentration.
Наибольшую достоверность регистрации утечек дают газоанализаторы, работающие по методу комбинационного рассеяния. Они включают в себя лазер, систему вывода лазерного излучения, приемный оптический тракт, фотоприемник, систему обработки и записи данных : Лидарные комплексы: современное состояние и перспективы. Оптика атмосферы. 1988, т.1 , N 18, с. 3 - 12. [7]; RU 2036372 С1 6 F17D 5/02, 1992. [8]; RU 2022251 С1 5 G01 N 21/61, 1991 [9].  The most reliable detection of leaks is provided by gas analyzers operating according to the method of Raman scattering. They include a laser, a laser output system, a receiving optical path, a photodetector, a data processing and recording system: Lidar complexes: current state and prospects. Optics of the atmosphere. 1988, Vol.1, N 18, p. 3 - 12. [7]; RU 2036372 C1 6 F17D 5/02, 1992. [8]; RU 2022251 C1 5 G01 N 21/61, 1991 [9].
Принцип действия данных приборов основан на том, что лазерное излучение, взаимодействуя с молекулой, возбуждает ее электронную подсистему, которая в процессе релаксации излучает на собственных колебательных частотах. Это излучение называется вынужденным комбинационным рассеянием и регистрируется приемной системой прибора.  The principle of operation of these devices is based on the fact that laser radiation, interacting with a molecule, excites its electronic subsystem, which in the process of relaxation emits at its own vibrational frequencies. This radiation is called stimulated Raman scattering and is recorded by the receiving system of the device.
Как правило, приемная система включает в себя спектрометр, дающий возможность регистрировать только вынужденное излучение метана. Таким образом, по интенсивности зарегистрированного излучения осуществляется прямое измерение количества молекул на оптическом пути от прибора до поверхности Земли. As a rule, the receiving system includes a spectrometer, which makes it possible to record only stimulated emission of methane. Thus, according to the intensity of the registered radiation, a direct measurement of the number of molecules in the optical path from the instrument to the surface of the Earth is carried out.
Существенное достоинство данного метода заключается в том, что никакие внешние условия измерений не влияют на получаемые результаты. Но такой тип прибора также имеет недостатки, существенно ограничивающие его применение. Во-первых, для комбинационного рассеяния света необходимы мощные коротковолновые (меньше 1 мкм) лазеры с мощностью до 3 кВт/см2 [8]. Это требует достаточно громоздкой аппаратуры с высоким уровнем электропотребления, излучение такого лазера очень опасно для глаз.The essential advantage of this method is that no external measurement conditions affect the results obtained. But this type of device also has drawbacks that significantly limit its use. First, powerful short-wave (less than 1 micron) are needed for Raman scattering lasers with power up to 3 kW / cm 2 [8]. This requires a rather cumbersome equipment with a high level of power consumption, the radiation of such a laser is very dangerous for the eyes.
Такие лазеры, как правило, функционируют в импульсном режиме с относительно малой частотой повторения импульсов, что ограничивает быстродействие прибора. Во-вторых, сечение комбинационного рассеяния относительно невелико и составляет для метанаSuch lasers, as a rule, operate in a pulsed mode with a relatively low pulse repetition rate, which limits the speed of the device. Secondly, the cross section of Raman scattering is relatively small and amounts to
~1029 см2 (для сравнения - сечение поглощения света метаном в ближнем ИК диапазоне в центре линий поглощения ~ 10-20 см2, а в среднем ИК - 10 18 - 1019 см2). В результате интенсивность комбинационного рассеяния относительно невелика, и даже при использовании громоздкой приемной системы чувствительность таких приборов относительно невелика. ~ 10 29 cm 2 (for comparison, the absorption cross section of light by methane in the near-IR range at the center of the absorption lines is ~ 10 -20 cm 2 , and on average IR - 10 18 - 10 19 cm 2 ). As a result, the intensity of Raman scattering is relatively small, and even when using a bulky receiving system, the sensitivity of such devices is relatively small.
Лазерные газоанализаторы, использующие абсорбционные свойства газов, обладают большей чувствительностью и быстродействием. Существуют ряд таких приборов вертолетного базирования для детектирования утечек газа, в которых излучение лазера направляется на участок земли вблизи газопровода, рассеянное излучение принимается, и по анализу получаемого с фотоприемника сигнала вычисляется средняя концентрация метана на оптическом пути от вертолета до земли.  Laser gas analyzers that use the absorption properties of gases have greater sensitivity and speed. There are a number of such helicopter-based devices for detecting gas leaks, in which laser radiation is directed to a plot of land near a gas pipeline, the scattered radiation is received, and by analyzing the signal received from the photodetector, the average concentration of methane in the optical path from the helicopter to the ground is calculated.
Для детектирования метана традиционно используются гелий-неоновые лазеры, длина волны излучения которых 3,3922 мкм совпадает с центром одной из достаточно сильных линий Р7 поглощения метана: лазерные абсорбционные методы анализа микроконцентрации газов. - М.: Энергоиздат, 1984. [10]; RU 2017138 С1 5 G01 N 21/61 , For the detection of methane, helium-neon lasers are traditionally used, the emission wavelength of which is 3.3922 μm coincides with the center of one of the fairly strong P7 methane absorption lines: laser absorption methods for analyzing gas microconcentration. - M .: Energoizdat, 1984. [10]; RU 2017138 C1 5 G01 N 21/61,
21/39, 1990.[11]; RU 2029287 С1 6 G01 [12]. Однако излучение лазера только на одной длине волны недостаточно для получения достоверных результатов особенно в полевых условиях, так как ослабление излучения лазера может быть вызвано не только поглощением метана, а также многими другими факторами, прежде всего изменением коэффициента отражения света от разных топографических объектов в течение полета вертолета. Более эффективен дифференциальный метод, в котором используется два гелий-неоновых лазера, излучающих на длинах волн 3,3922 мкм и 3,3912 мкм [11 , 12], причем поглощение метана на второй длине волны в 20 раз меньше, чем на первой.21/39, 1990. [11]; RU 2029287 C1 6 G01 [12]. However, laser radiation at only one wavelength is not enough to obtain reliable results, especially in field conditions, since the attenuation of laser radiation can be caused not only by methane absorption, but also by many other factors, primarily by changing the reflectance of light from different topographic objects during the flight. the helicopter. The differential method is more efficient, using two helium-neon lasers emitting at 3.3922 μm and 3.3912 μm [11, 12], and the absorption of methane at the second wavelength is 20 times less than at the first.
Оптическая схема вывода излучения в этих приборах сделана таким образом, что оба лазера освещают участок поверхности Земли поочередно с минимальной задержкой по времени. При обработке принятого сигнала вычисляется разность амплитуд сигнала в промежутки времени, соответствующие излучению различных лазеров. Эта разность пропорциональна средней концентрации метана на длине оптического пути. Разница коэффициентов поглощения для двух длин волн, вызванная фоновой концентрацией метана в воздухе на длине оптического пути 100 м, составляет 15%. Такая разность сигналов достаточно легко детектируется, и чувствительность и точность измерений, казалось бы, должны быть достаточно высоки. Однако чувствительность и точность измерений ограничиваются другими факторами. Прежде всего, излучение лазеров в сторону поверхности Земли разнесены по времени, а коэффициент отражения света типичными топографическими объектами (песок, глина, трава, листва, снег) варьируется в пределах 15%. Поэтому для получения достаточной чувствительности и точности измерений необходимо уменьшать промежуток времени между излучениями различных лазеров до 1 мсек и ниже, что усложняет оптическую систему вывода излучения. Другой способ - расфокусировка выходного лазерного пучка для усреднения коэффициента отражения по большей площади, но при этом снижается точность определения места утечки. Другой фактор ограничения точности измерений - несинхронные вариации мощностей излучения лазеров (дрейф и шум). Наиболее существенным недостатком таких приборов является крайне низкий динамический диапазон детектируемых концентраций. Превышение средней концентрации метана над фоновой всего в 10 раз приводит к уменьшению принимаемого сигнала на длине волны до нуля, и дифференциальный метод перестает работать. Для того чтобы обойти эту проблему вThe optical output of the radiation in these devices is designed in such a way that both lasers illuminate a portion of the Earth’s surface alternately with a minimum time delay. When processing a received signal, the difference between the amplitudes of the signal in the time intervals corresponding to the radiation of various lasers is calculated. This difference is proportional to the average concentration of methane in the optical path. The difference of the absorption coefficients for the two wavelengths, caused by the background concentration of methane in the air at an optical path length of 100 m, is 15%. Such a difference of signals is quite easily detected, and the sensitivity and accuracy of measurements would seem to be quite high. However, the sensitivity and accuracy of measurements are limited by other factors. First of all, the radiation of lasers toward the surface of the Earth are separated in time, and the coefficient of reflection of light typical topographic objects (sand, clay, grass, foliage, snow) vary by up to 15%. Therefore, in order to obtain sufficient sensitivity and measurement accuracy, it is necessary to reduce the time interval between the radiation of different lasers to 1 ms and lower, which complicates the optical radiation output system. Another method is defocusing of the output laser beam to averaging the reflection coefficient over a larger area, but this reduces the accuracy of the leak location. Another factor limiting the accuracy of measurements is the asynchronous variations of the laser radiation powers (drift and noise). The most significant drawback of such devices is the extremely low dynamic range of detected concentrations. Exceeding the average concentration of methane over the background just 10 times leads to a decrease in the received signal at a wavelength of up to zero, and the differential method stops working. In order to get around this problem in
[12] предлагается измерять поглощение только на длине волны 3,3912 мкм в случае зануления сигнала на длине волны 3,3922 мкм. Однако в этом случае получается недифференциальный метод измерений с указанными выше недостатками. В [11] предлагается при насыщении поглощения на длине волны 3,3922 мкм делать повторные измерения в данном месте утечки после перестройки излучения одного из лазеров на другую длину волны с гораздо меньшим коэффициентом поглощения метаном. Это снижает оперативность измерений и усложняет конструкцию прибора. При этом динамический диапазон измеряемых концентраций увеличивается всего в 10 - 50 раз, а как было справедливо замечено в [13], он должен быть не менее 105. Следует также заметить, что общим недостатком приборов на гелий-неоновых лазерах являются ненадежность и ограниченный срок службы газовых лазеров в полевых условиях. [12] It is proposed to measure the absorption only at a wavelength of 3.3912 μm in the case of a signal vanishing at a wavelength of 3.3922 μm. However, in this case, a non-differential measurement method with the above disadvantages is obtained. In [11], it is proposed to perform repeated measurements at the absorption point saturation at a wavelength of 3.3922 μm at a given leakage point after tuning the radiation of one of the lasers to another wavelength with a much lower absorption coefficient by methane. This reduces the efficiency of measurements and complicates the design of the device. At the same time, the dynamic range of measured concentrations increases only 10 - 50 times, and as was rightly noted in [13], it should be at least 10 5 . It should also be noted that a common drawback of helium-neon lasers is unreliability and the limited service life of gas lasers in the field.
Из уровня техники также известны газоанализаторы: RU 2086959 С1 6 G01 N 21/39, 21/61 , 1995. [13]; RU 2091759 С1 6 G01 N 21/39, 1995.[14]. В данных газоанализаторах предлагается другой тип лазерного газоанализатора, в котором используется импульсно-периодический твердотельный Nd:YAG лазер, излучающий на длине волны 1 ,06 мкм.  Gas analyzers are also known in the art: RU 2086959 C1 6 G01 N 21/39, 21/61, 1995. [13]; RU 2091759 C1 6 G01 N 21/39, 1995. [14]. In these gas analyzers, another type of laser gas analyzer is proposed, which uses a repetitively pulsed Nd: YAG laser emitting at a wavelength of 1, 06 μm.
Далее при помощи нелинейного кристалла LiNbOs длина волны излучения перестраивается в диапазон 3,1 - 3,6 мкм, где метан имеет множество сильных и слабых линий поглощения. Конкретное значение длины волны задается углом поворота нелинейного кристалла, осуществляемого при помощи электромеханического блока, и блоком селекции длин волн. Из-за относительно малого коэффициента нелинейного преобразования, для получения выходной мощности излучения, приемлемой для детектирования утечек метана, необходим мощный Nd:YAG лазер накачки. Поэтому лазер накачки является достаточно сложным техническим устройством, включающим в себя мощный блок питания, блок охлаждения, блок управления затвором внутри резонатора лазера для обеспечения режима генерации гигантских импульсов. Для формирования дифференциального режима детектирования метана в приборе используется два лазера накачки и два блока нелинейного преобразователя длины волны, настраиваемых независимо на разные длины волн из диапазона 3,1 мкм - 3,6 мкм. Блок вывода излучения и блок временной задержки обеспечивают поочередное облучение поверхности Земли в окрестности трубопровода излучением на двух длинах волн. Далее, как и в газоанализаторах на гелий-неоновых лазерах, рассеянное излучение попадает в приемную систему прибора, и поглощение метана вычисляется из разности получаемых сигналов для двух разных длин волн. По сравнению с детекторами метана на гелий-неоновых лазерах данный прибор [14] имеет значительное преимущество в том, что две длины волны излучения могут быть выбраны любыми из диапазона 3,1 - 3,6 мкм при помощи электромеханического блока перестройки длины волны и специального блока калибровки. Таким образом, существенно увеличивается динамический диапазон измеряемых концентраций, который достигает необходимой величины 5*105 (от уровня фоновой концентрации метана до взрывоопасной). Кроме того, возникает возможность детектирования не только метана, но и других углеводородов (этан, пропан, бутан), которые имеют линии поглощения в диапазоне перестройки частоты. Это позволяет детектировать не только утечки из газопроводов с природным газом, но также и утечки из других продуктопроводов, в частности ШФЛУ (широких фракций легких углеводородов).Then, using a non-linear LiNbOs crystal, the radiation wavelength is tuned to the range of 3.1–3.6 μm, where methane has many strong and weak absorption lines. The specific value of the wavelength is determined by the angle of rotation of the nonlinear crystal, carried out with the help of an electromechanical unit, and the unit of selection of wavelengths. Due to the relatively low non-linear conversion coefficient, a powerful Nd: YAG pump laser is needed to obtain an output radiation power acceptable for detecting methane leaks. Therefore, the pump laser is a rather complicated technical device, which includes a powerful power supply unit, a cooling unit, and a gate control unit inside the laser cavity to provide the mode of generation of giant pulses. To form a differential methane detection mode in the instrument Two pumping lasers and two nonlinear wavelength converter units are used, tunable independently for different wavelengths from the 3.1 micron to 3.6 micron range. The radiation output unit and the time delay unit provide alternate irradiation of the Earth's surface in the vicinity of the pipeline with radiation at two wavelengths. Further, as in helium-neon lasers gas analyzers, the scattered radiation enters the receiving system of the device, and the methane absorption is calculated from the difference of the received signals for two different wavelengths. Compared with methane detectors on helium-neon lasers, this device [14] has a significant advantage in that two wavelengths of radiation can be selected by any one from the range of 3.1–3.6 μm using an electromechanical wavelength tuning unit and a special unit calibration. Thus, the dynamic range of measured concentrations significantly increases, which reaches the required value of 5 * 10 5 (from the level of background methane concentration to explosive). In addition, it is possible to detect not only methane, but also other hydrocarbons (ethane, propane, butane), which have absorption lines in the frequency tuning range. This allows to detect not only leaks from gas pipelines with natural gas, but also leaks from other product pipelines, in particular WFLH (broad fractions of light hydrocarbons).
Кроме того, прибор оборудован специальной системой пространственного сканирования для зондирования относительно широкой полосы поверхности Земли в течение полета вертолета. Также прибор дополнительно укомплектован ИК камерой для независимого детектирования утечек газа. Следует заметить, что целесообразность дополнительного использования И К камеры для количественного анализа достаточно сомнительна, так как лазерный газоанализатор должен обеспечивать гораздо лучшие параметры детектирования. Данное техническое решение [14] наиболее близко к заявляемому лазерному газоанализатору. In addition, the device is equipped with a special spatial scanning system for sensing a relatively wide strip of the Earth’s surface during a helicopter flight. Also, the device is additionally equipped with an IR camera for independent detection of gas leaks. It should be noted that the expediency of additional use of the IK camera for quantitative analysis is rather doubtful, since the laser gas analyzer must provide much better detection parameters. This technical solution [14] is closest to the claimed laser gas analyzer.
Из уровня техники известен дистанционный детектор утечек метана (RMLD). Назначение: С помощью дистанционного детектора утечек метана (RMLD), представляющего собой (они лет 20 не меняли дизайн) техническое решение компании Heath Consultants, возможно обнаружение утечек метана на расстоянии. Прибор RMLD - первый прибор нового поколения, разработанный для обнаружения утечек метана, который позволяет значительно повысить результативность и безопасность инспектирования. Используя прибор RMLD, становится возможным проводить работы даже в труднодоступных и труднопроходимых местах. Принцип работы лазерного детектора RMLD основан на лазерной технологии, представляющей собой оптический метод абсорбционной спектроскопии перенастраиваемого диодного лазера (см. ниже раздел 7). При прохождении лазерным лучом струи газа, метан поглощает часть энергии излучения, что незамедлительно улавливается прибором RMLD. Данная технология позволяет обнаруживать утечки дистанционно по линии визирования, не делая необходимой процедуру помещения прибора в место утечки. Также из уровня техники известен лазерный детектор LaserMethane mini. Лазерный детектор LaserMethane mini (LMm), портативный переносной прибор, предназначен для дистанционного детектирования метана, а также других газовых смесей, содержащих метан (природный газ или подобные газы). Он позволяет быстро детектировать утечки газов или накопившиеся объемы газов путем наведения лазерного луча на интересующую область. Характеристики LMm значительно улучшены по сравнению с предыдущей моделью - теперь прибор имеет искробезопасное исполнение, небольшие размеры, меньшую потребляемую мощность, обеспечивающую более длительное время работы, и расширенный диапазон рабочих температур. Принцип измерения основан на свойстве метана поглощать инфракрасное излучение лазера на определенной длине волны. Лазерный луч, направленный на объекты контроля (например, газовые трубы, потолок и т.п.), частично отражается. Устройство принимает этот отраженный поток излучения и измеряет степень его поглощения, которая затем пересчитывается в приборе в плотность метана в зондируемом слое газа (ppm-м; ppm - parts per million "число частей на миллион"). A prior art methane leak detector (RMLD) is known in the art. Purpose: With the help of a remote methane leak detector (RMLD), representing (they have not changed the design for 20 years) a technical solution of Heath Consultants, it is possible to detect methane leaks at a distance. The RMLD is the first new-generation device designed to detect methane leaks, which can significantly increase the effectiveness and safety of inspections. Using the RMLD device, it becomes possible to carry out work even in hard-to-reach and difficult to reach places. The principle of operation of the laser detector RMLD is based on laser technology, which is an optical method of absorption spectroscopy of a reconfigurable diode laser (see section 7 below). When a jet of gas passes by a laser beam, methane absorbs a part of the radiation energy, which is immediately caught by the RMLD instrument. This technology allows to detect leaks remotely along the line of sight, without making the necessary procedure for placing the instrument at the leak. Also from the prior art known laser detector LaserMethane mini. Laser detector LaserMethane mini (LMm), a portable portable device, is designed for remote detection of methane, as well as other gas mixtures containing methane (natural gas or similar gases). It allows you to quickly detect gas leaks or accumulated volumes of gases by pointing the laser beam at the area of interest. The characteristics of the LMm are significantly improved compared to the previous model - the device now has an intrinsically safe design, small dimensions, lower power consumption, providing a longer operating time, and an extended range of operating temperatures. The measurement principle is based on the property of methane to absorb infrared laser radiation at a certain wavelength. A laser beam directed at control objects (for example, gas pipes, a ceiling, etc.) is partially reflected. The device receives this reflected radiation flux and measures the degree of its absorption, which is then converted into methane density in the probed gas layer (ppm-m; ppm - parts per million "number of parts per million") in the device.
Из уровня техники также известен инфракрасный детектор с открытым оптическим трактом Searchline Excel (Honeywell International Inc.). Датчики Searchline предназначены для обнаружения наличия углеводородного облака и предотвращения образования взрывоопасных концентраций в открытом пространстве между излучателем и приемником инфракрасного излучения. Аналоговый выходной сигнал, пропорциональный фактической концентрации углеводородов в объеме воздуха между излучателем и приемником, измеряется в единицах: НПВ х м, указывающих уровень потенциальной опасности. Система управления может далее отключать опасный объект, форсировать работу системы вентиляции и т.д. Области применения: нефтехимия и химия, водоподготовка и водоочистка, производство полупроводников и т.д.  The prior art also known an infrared detector with an open optical path Searchline Excel (Honeywell International Inc.). Searchline sensors are designed to detect the presence of a hydrocarbon cloud and prevent the formation of explosive concentrations in the open space between the emitter and the infrared receiver. An analog output signal, proportional to the actual concentration of hydrocarbons in the air volume between the emitter and receiver, is measured in units of: LEL x m, indicating the level of potential danger. The control system can further shut down the hazardous object, force the operation of the ventilation system, etc. Scopes: petrochemistry and chemistry, water treatment and water purification, production of semiconductors, etc.
Наиболее близким аналогом заявленного технического решения является дистанционный датчик и способ для обнаружения метана (RU 137373, G01J, опубл.The closest analogue of the claimed technical solution is a remote sensor and method for detecting methane (RU 137373, G01J, publ.
10.02.2014). Дистанционный датчик метана, содержащий лазерный диод, излучающий свет на длине волны, соответствующей полосе поглощения метана, оптический детектор, принимающий и измеряющий часть лазерного излучения обратно отраженного от удаленной мишени и прошедшего через облако детектируемого газа; плату обработки сигнала, соединенную с оптическим детектором, процессорный модуль, соединенный с платой обработки сигнала, отличающийся тем, что дополнительно содержит передающий объектив с системой зеркал, соединенный с оптоволоконным делителем, который соединен с лазерным диодом с помощью оптического волокна, приемный объектив, собирающий сигнал обратно отраженный от удаленной мишени и прошедший через облако детектируемого газа, и фокусирующий сигнал на приемную площадку оптического детектора, многопроходную ячейку, пропускающую другую часть лазерного излучения, отделенную посредством оптоволоконного делителя и введенную коллиматором в многопроходную ячейку, и далее принимаемую вторым оптическим детектором, при этом коллиматор и второй оптический детектор установлены на противоположных сторонах многопроходной ячейки, а насос установлен на выходе многопроходной ячейки, одновременно покачивающий через нее за счет создаваемого разряжения детектируемый газ, поступающий из пробоотборника, расположенного на входе многопроходной ячейки. 02/10/2014). A remote methane sensor containing a laser diode, emitting light at a wavelength corresponding to the methane absorption band, an optical detector that receives and measures part of the laser radiation reflected back from a remote target and passed through a cloud of detected gas; a signal processing board connected to an optical detector, a processor module connected to a signal processing board, characterized in that it further comprises a transmitting lens with a system of mirrors connected to a fiber optic divider that is connected to a laser diode using an optical fiber, a receiving lens that collects a signal back reflected from a remote target and passed through a cloud of detected gas, and a focusing signal on the receiving area of the optical detector, a multi-pass cell that transmits ruguyu of the laser radiation, separated by a fiber optic divider and inserted by a collimator into a multipass cell, and then received by a second optical detector, the collimator and the second optical detector are mounted on opposite sides of the multipass cell, and the pump is mounted at the output of the multipass cell, simultaneously shaking the detected gas through it due to the generated vacuum coming from a sampler located at the entrance of a multi-pass cell.
Также близким аналогом заявленного технического решения является мобильное устройство и способ для дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана. (RU 2333473, G01 N21/31 , опубл. 27.05.2007). Сущность: заключается в том, что мобильное устройство для дистанционного обнаружения скоплений газообразного метана содержит 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, при этом 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 и связанный с лазером накачки. Технический результат: обеспечение высокой чувствительности измерений.  Also, a close analogue of the claimed technical solution is a mobile device and method for remotely detecting accumulations of gaseous methane. (RU 2333473, G01 N21 / 31, publ. 27.05.2007). SUBSTANCE: mobile device for remotely detecting methane gas accumulations contains a transmitting device equipped with a light source for generating light, the wavelength of which is matched with the spectral signature of methane, and capable of directing the generated light to the measurement area, a detector device for detecting reflected light and a signal processing device, while the light source emits light with a wavelength at which methane absorbs, and this length the wavelength is in the range from 3200 to 3300 nm, and an optical parametric oscillator is included in the light source, which is excited by signal injection and associated with the pump laser. EFFECT: ensuring high sensitivity of measurements.
Из уровня техники известен газоанализатор дистанционного измерения концентрации метана на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона и выносного оптоволоконного датчика. (Ахмедов Э.Р., Понуровский Я. Я. «Газоанализатор дистанционного измерения концентрации метана на основе диодного лазера ближнего ИК диапазона и выносного оптоволоконного датчика», Вестник МГТУ МИРЭА 2015 N° 2 (7) 6 Москва, Россия.) Газоанализатор предназначен для детектирования метана методом абсорбционной спектроскопии с использованием диодного лазера ближнего ИК диапазона и выносного датчика-однопроходной оптической кюветы длины 50 мм с волоконным входом и выходом излучения удаленностью более 50 км. Детектор может быть использован для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ, в том числе метана в нефтяной, газовой промышленности, в электроэнергетике и так далее. Особо значительный эффект может быть получен от его использования при добыче и транспортировке нефти и газа.  The prior art gas analyzer for remote measurement of methane concentration based on a near-IR diode laser and an external fiber optic sensor. (Akhmedov ER, Ponurovsky Ya. Ya. “Gas analyzer for remote measurement of methane concentration based on a near-IR diode laser and an external fiber-optic sensor”, Vestnik MGTU MIREA 2015 N ° 2 (7) 6 Moscow, Russia.) Gas analyzer is intended for Detecting methane by absorption spectroscopy using a near-infrared diode laser and a remote sensor — a single-pass optical cell of 50 mm length with a fiber input and a radiation output of more than 50 km. The detector can be used to remotely measure the concentration of gaseous substances, including methane in the oil, gas industry, electric power industry, and so on. A particularly significant effect can be obtained from its use in the extraction and transportation of oil and gas.
Сущность заявленного изобретения  The essence of the claimed invention
Задачей, решаемой заявленным техническим решением является решения проблемы по отсутствию автоматизированных систем мониторинга для обнаружения мест утечек на открытой территории. Задачей является создание системы дистанционного мониторинга утечек метана, которая позволить своевременно отреагировать, перекрыть утечку и тем самым снизить технологические потери природного газа, и предупредить. Технический результат заявленного технического решения заключается в своевременном обнаружении утечек метана. The problem solved by the claimed technical solution is to solve the problem of the absence of automated monitoring systems for detecting leaks in an open area. The task is to create a system for remote monitoring of methane leaks, which will allow for timely response, to block the leak and thereby reduce the technological losses of natural gas, and to warn. The technical result of the claimed technical solution is the timely detection of leaks of methane.
Заявленный технический результат достигается за счет того, что способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере, в котором: в режиме реального времени осуществляют автоматическое измерение и сбор данных концентрации газов в атмосфере посредством дистанционного газоанализатора, установленного на летательном аппарате, при этом дистанционный газоанализатор содержит: оптический блок, и средства обработки данных, при этом оптический блок включает лазерный модуль, аналитический канал, объектив (2), зеркало (5) аналитического канала, оптический фильтр (10), фотоприёмник (6) аналитического сигнала и реперный канал, в котором часть излучения лазера (1) проходит через кювету (8) с детектируемым газом и фокусируется на фотоприемнике (9) реперного канала, а часть излучения, рассеянного объектом, попадает на параболическое зеркало (5) и фокусируется на фотоприемник (6), проходя через оптический фильтр (10); дистанционный газоанализатор автоматизирован при помощи средства обработки данных, соединенных с компонентами оптического блока дистанционного газоанализатора посредством многофункциональной цифровой платы, включающей в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и аналогового интерфейсного модуля, при этом диодным лазером управляют посредством цифро-аналогового преобразователя на многофункциональной цифровой плате оптически сопряженном через блок вывода излучения, их входа АЦП подают усиленные сигналы с фотоприемников аналитического A(t) и реперного R(t) каналов, при этом упомянутые сигналы обрабатывают в режиме реального времени для вычисления средней концентрации выбранного газа на трассе от прибора до поверхности Земли, при этом обработка упомянутых сигналов включает этапы на которых: определяют кросскорреляционную функцию F(z) = \ A(t)*R(t+z)dt;onpeflenflK)T автокорреляционную функцию сигнала реперного канала: G(z) = J R(t)*R(t+z)dt; осуществляют фильтрации шума упомянутого сигнала в аналитическом канале используя значения данных функций, определяют коэффициент кросскорреляции в зависимости от значений F(z) и G(z) и определяют концентрацию газа в аналитическом канале в зависимости от коэффициента кросскорреляции, Со - концентрация газа в реперной кювете, L, - длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах соответственно; затем производят одновременное детектирование по различным линиям поглощения с обеспечением широкого динамического диапазона измеряемых концентраций газа в приземном слое атмосферы, при этом определяют величину утечки газа вдоль длины оптического пути от прибора до топографического объекта при учете скорости и направления ветра, при этом результаты измерений выводят на экран монитора в режиме реального времени в течение полета летательного аппарата и одновременно записывают в память компьютера для послеполетной обработки. The claimed technical result is achieved due to the fact that the method of remote measurement of the concentration of gases in the atmosphere, in which: real-time automatic measurement and collection of data on the concentration of gases in the atmosphere by means of a remote gas analyzer mounted on an aircraft, the remote gas analyzer contains: optical unit, and data processing facilities, while the optical unit includes a laser module, an analytical channel, a lens (2), a mirror (5) of an analytical unit an optical filter, an optical filter (10), a photodetector (6) of an analytical signal and a reference channel in which part of the laser radiation (1) passes through the cell (8) with the detected gas and focuses on the photodetector (9) of the reference channel, and part of the radiation scattered the object, hits the parabolic mirror (5) and focuses on the photodetector (6), passing through the optical filter (10); The remote gas analyzer is automated by means of data processing, connected to the components of the optical unit of the remote gas analyzer by means of a multi-functional digital card, which includes an analog-to-digital converter (ADC) and two digital-to-analog converters (DAC) and an analog interface module, while controlling the diode laser by means of a digital-to-analog converter on a multifunctional digital board optically coupled through a radiation output unit, their ADC input under The amplified signals from the photodetectors of the analytical A (t) and reference R (t) channels are amplified, while these signals are processed in real time to calculate the average concentration of the selected gas on the route from the instrument to the Earth's surface, while the processing of these signals includes the steps : determine the cross-correlation function F (z) = \ A (t) * R (t + z) dt; onpeflenflK) T autocorrelation function of the signal of the reference channel: G (z) = JR (t) * R (t + z) dt; filtering the noise of the signal in the analytical channel using the values of these functions, determine the cross correlation coefficient depending on the values of F (z) and G (z) and determine the gas concentration in the analytical channel depending on the cross correlation coefficient, Co is the gas concentration in the reference cell, L, are the optical path lengths in the analytical and reference channels, respectively; then simultaneous detection is performed on different absorption lines with provision of a wide dynamic range of measured gas concentrations in the atmospheric surface layer, while determining the amount of gas leakage along the optical path from the instrument to the topographic object while taking the wind speed and direction into account, and the measurement results display monitor in real time during the flight of the aircraft and simultaneously recorded in computer memory for post-flight processing.
В частном случае реализации заявленного технического решения используют лазерный модуль, основанный на перестраиваемом диодном лазере ближнего инфракрасного диапазона, излучающего в окрестности длины волны 1 ,65 мкм, функционирующим в импульсном режиме с малой скважностью со сканированием длины волны излучения в течение каждого импульса.  In the particular case of the implementation of the claimed technical solution using a laser module based on a tunable diode laser in the near infrared range, emitting in the vicinity of a wavelength of 1.65 microns, operating in a pulsed mode with a small duty cycle scanning the wavelength of radiation during each pulse.
В частном случае реализации заявленного технического решения частоту излучения диодного лазера перестраивают в диапазоне до 100 см-1 по волновому числу, при этом изменяют и стабилизируют температуру диодного лазера. In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, the radiation frequency of the diode laser is rearranged in the range up to 100 cm -1 according to the wave number, and the temperature of the diode laser is changed and stabilized.
В частном случае реализации заявленного технического решения изменяют величину питающего тока диодного лазера и осуществляют сканирование в пределах до 5 см-1. In the particular case of the implementation of the claimed technical solution to change the magnitude of the supply current of the diode laser and carry out scanning in the range of up to 5 cm -1 .
В частном случае реализации заявленного технического решения детектирование метана производят каждые 1 ,33 мсек.  In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, detection of methane is performed every 1, 33 ms.
В частном случае реализации заявленного технического решения детектируют газы, имеющие линии поглощения в диапазоне температурной перестройки длины волны излучения диодного лазера  In the particular case of the implementation of the claimed technical solution detects gases having absorption lines in the range of temperature tuning of the radiation wavelength of the diode laser
В частном случае реализации заявленного технического решения газы, имеющие близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения, детектируются одновременно, в частности, это возможно для таких газов, как метан и этан.  In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, gases having closely spaced absorption lines within the current scan of the emission wavelength are detected simultaneously, in particular, this is possible for gases such as methane and ethane.
В частном случае реализации заявленного технического решения измеряют пространственное распределение детектируемого газа в окрестности места утечки, при этом измеряют текущие координаты при помощи прибора спутниковой системы глобального позиционирования GPS и обрабатывают данные GPS в программе управления, вычисляют траекторию полета вертолета с синхронной регистрацией концентрации детектируемого газа.  In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, the spatial distribution of the detected gas in the vicinity of the leak is measured, while the current coordinates are measured using the GPS global positioning system and the GPS data is processed in the control program, the flight path of the detected gas is calculated with simultaneous registration of the detected gas concentration.
В частном случае реализации заявленного технического решения перенастраивают прибор на детектирование других газов, имеющих линии поглощения в ближнем ИК диапазоне, таких как пропан, аммиак, окислы азота, окислы углерода, летучие кислоты, кислород, вода, при этом заменяют диодный лазер на аналогичный по конструкции, но излучающий на другой длине волны, и заменяют программные параметров управления излучением лазера. Краткое описание чертежей In the particular case of the implementation of the claimed technical solution reconfigure the device to detect other gases having absorption lines in the near IR range, such as propane, ammonia, nitrogen oxides, carbon oxides, volatile acids, oxygen, water, while replacing the diode laser with a similar design , but radiating at a different wavelength, and replacing the program parameters of controlling laser radiation. Brief Description of the Drawings
Детали, признаки, а также преимущества настоящего технического решения следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного изобретения с использованием чертежей, на которых показано: Details, features, and advantages of the present technical solution follow from the following description of the embodiments of the claimed invention using the drawings which show:
Фиг. 1 - схематический сборочный чертеж оптической части дистанционного газоанализатора; FIG. 1 is a schematic assembly drawing of the optical part of a remote gas analyzer;
Фиг.2 - оптическая схема измерений на дистанционном газоанализаторе;  Figure 2 - optical measurement scheme on a remote gas analyzer;
Фиг.З - форма последовательности импульсов тока, управляющих излучением диодного лазера;  Fig.Z - the form of a sequence of current pulses, controlling the radiation of a diode laser;
Фиг.4 - спектр поглощения метана в окрестности длины волны 1 ,65 мкм.  Figure 4 - the absorption spectrum of methane in the vicinity of the wavelength of 1.65 microns.
Фиг.5 - спектр поглощения метана в линейном (а) и в логарифмическом (б) масштабе в окрестности линии R5 (1 ,65095 мкм), измеренный при следующих условиях: концентрация метана - фоновая в атмосфере, длина оптического пути - 100 м.  5 shows the absorption spectrum of methane in a linear (a) and logarithmic (b) scale in the vicinity of the R5 line (1, 65095 μm), measured under the following conditions: the concentration of methane is background in the atmosphere, the optical path length is 100 m.
Фиг.6 - блок-схема электроники дистанционного газоанализатора.  6 is a block diagram of the electronics of the remote gas analyzer.
На фигурах цифрами обозначены следующие позиции: In the figures, the numbers denote the following positions:
1 - диодный лазер; 2 - объектив; 3 - светоотделитель; 4 - топографический объект; 5 - параболическое зеркало; 6 - фотоприемник аналитического канала; 7 - линза; 8 - кювета с детектируемым газом; 9 - фотоприемник реперного канала; 10 - оптический фильтр; 11 - мультиплексор; 12 - программируемый усилитель; 13 - дизер; 14 - буферная память; 15 - компьютерная шина; 16 - программа управления; 17 - источник тока лазера; 18 - источник тока термоэлектрического элемента; 19 - преобразователь сопротивления термистора; 20 - прибор GPS; 21 - последовательный порт компьютера. 1 - diode laser; 2 - lens; 3 - light separator; 4 - topographic object; 5 - parabolic mirror; 6 - photodetector of the analytical channel; 7 - lens; 8 - a ditch with the detected gas; 9 - photodetector of the reference channel; 10 - optical filter; 11 - multiplexer; 12 - programmable amplifier; 13 - dizer; 14 - buffer memory; 15 - computer bus; 16 - management program; 17 - laser current source; 18 - current source of thermoelectric element; 19 - thermistor resistance transducer; 20 - GPS device; 21 - computer serial port.
Раскрытие изобретения DISCLOSURE OF INVENTION
Заявленный способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере реализован посредством устройства дистанционного измерения концентрации газов, основанного на ДП (диодном лазере) ближнего ИК (инфракрасного диапазона) диапазона, излучающего в окрестности длины волны 1 ,65 мкм, По сравнению со многими другими типами лазеров, в том числе и по сравнению с лазером известного технического решения [14] ДЛ имеют значительные преимущества по совокупности свойств. The claimed method of remote measurement of the concentration of gases in the atmosphere is realized by means of a device for remote measurement of the concentration of gases based on a near-infrared (infrared) diode laser range emitting in the vicinity of a wavelength of 1.65 microns. Compared to many other types of lasers, including in comparison with the laser known technical solutions [14] DL have significant advantages in terms of the combination of properties.
Во-первых, частота излучения ДЛ легко перестраивается в достаточно широком диапазоне (до 100 см-1 по волновому числу) при помощи изменения и стабилизации температуры ДЛ и также может быстро сканироваться в пределах до 5 см-1 при помощи изменения питающего его тока. Таким образом, операции выбора длины волны излучения и ее сканирования обеспечиваются в заявляемом газоанализаторе гораздо более простым и экономичным способом, чем в известном техническом решении [14]. First, the frequency of DL radiation can be easily tuned in a fairly wide range (up to 100 cm -1 by the wave number) by changing and stabilizing the temperature of the DL and can also be quickly scanned up to 5 cm -1 by changing its supply current. Thus, the operation of selecting the wavelength of radiation and its scanning is provided in the inventive gas analyzer in a much simpler and economical way than in the known technical solution [14].
Во-вторых, ДЛ миниатюрны по своим размерам, что немаловажно при создании компактных газоанализаторов.  Secondly, the DL is miniature in size, which is important when creating compact gas analyzers.
В-третьих, многие типы ДЛ выпускаются массовым тиражом в стандартном корпусе, и число этих типов непрерывно увеличивается, это позволяет создавать универсальные газоанализаторы со сменными лазерными блоками на различные молекулярные объекты.  Thirdly, many types of DL are produced in mass circulation in a standard package, and the number of these types is continuously increasing, this allows you to create universal gas analyzers with interchangeable laser units for various molecular objects.
В-четвертых, энергопотребление ДЛ относительно мало: для стабилизации температуры ДЛ требуется не более 2 Вт мощности, а из-за высокого КПД преобразования (30 - 80%) само излучение лазера добавляет относительно малую долю энергопотребления.  Fourth, the DL power consumption is relatively small: to stabilize the DL temperature, no more than 2 W of power is required, and because of the high conversion efficiency (30–80%), the laser radiation itself adds a relatively small fraction of the power consumption.
В качестве источника излучения в приборе используют Диодный Лазер (ДЛ), излучающий на длине волны вблизи 1 ,65 мкм, где метан имеет ряд относительно сильных (с сечением Ю 20 см2) и множество слабых линий поглощения. The device uses a diode laser (DL) as a radiation source, which emits at a wavelength of about 65 microns, where methane has a number of relatively strong (with a cross section of 10 20 cm 2 ) and a lot of weak absorption lines.
Излучение диодного лазера (1) коллимируется объективом (2) и направляется на какой-либо топографический объект (4), расположенный на достаточно большом расстоянии, таким образом, чтобы оптическая ось приемного канала была направлена в сторону объекта, в окрестности которого предполагается проводить измерения.  The diode laser radiation (1) is collimated by an objective lens (2) and directed to a topographic object (4) located at a sufficiently large distance so that the optical axis of the receiving channel is directed toward the object in the vicinity of which measurements are to be taken.
Диодный лазер (в дальнейшем ДЛ) излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов 300 мксек на длине волны 1 ,65 мкм. Излучение лазера отражается топографическим объектом (земля, трава, лес, и т.д.), попадает на приемное зеркало и фокусируется на фотоприемник (ФП).  The diode laser (hereinafter DL) emits in a pulsed mode with a pulse duration of 300 µs at a wavelength of 1.65 microns. The laser radiation is reflected by a topographic object (earth, grass, forest, etc.), falls on the receiving mirror and focuses on the photodetector (AF).
Дистанционный газоанализатор состоит из оптического блока и компонентов электроники прибора. Оптический блок газоанализатора содержит лазерный модуль, объектив, зеркало аналитического канала, оптический фильтр, фотоприёмник аналитического сигнала и реперный канал. При этом в качестве источника излучения в детекторе используется диодный лазер, работающий в ближнем инфракрасном диапазоне со средней длиной волны 1 ,65 мкм, которая может изменяться в зависимости от температуры лазера и величины тока накачки. Лазерный модуль выполнен в корпусе стандарта ТО-8, в котором ДЛ установлен на термоэлектрическом элементе, позволяющем изменять температуру лазера в диапазоне от -10°С до + 60°С. Максимальная мощность излучения лазера: 15 мВт. Оптический модуль прибора содержит объектив с максимальным пропусканием в ближней инфракрасной области спектра. При помощи данного объектива в детекторе формируется почти параллельный (слабо расходящийся) лазерный луч, имеющий диаметр 5 см на расстоянии 50 м.  The remote gas analyzer consists of an optical unit and electronic components of the device. The optical unit of the gas analyzer contains a laser module, a lens, a mirror of an analytical channel, an optical filter, a photodetector of an analytical signal and a reference channel. In this case, a diode laser operating in the near-infrared range with an average wavelength of 1.65 μm is used as the radiation source in the detector, which may vary depending on the laser temperature and the magnitude of the pump current. The laser module is made in the case of the standard TO-8, in which the DL is installed on a thermoelectric element that allows changing the laser temperature in the range from -10 ° C to + 60 ° C. Maximum laser power: 15 mW. The optical module of the device contains a lens with a maximum transmittance in the near infrared region of the spectrum. With the help of this lens, an almost parallel (slightly diverging) laser beam having a diameter of 5 cm at a distance of 50 m is formed in the detector.
Для фокусирования рассеянного лазерного излучения в приборе используется специальное короткофокусное параболическое зеркало аналитического канала, которое по сравнению со сферическим зеркалом, имеющим аналогичные параметры, вносит существенно меньше аберрационных искажений. To focus the scattered laser radiation, the device uses a special short-focus parabolic mirror of the analytical channel, which compared to a spherical mirror with similar parameters, it introduces significantly less aberrational distortions.
В качестве фотоприемника аналитического канала в аналитическом канале используется фотодиод на основе InGaAs в корпусе типа ТО-5 с диаметром фоточувствительной области 2 мм.  An InGaAs photodiode in a TO-5 type case with a photosensitive area of 2 mm is used as a photodetector of an analytical channel in an analytical channel.
Для уменьшения влияния солнечной засветки, непосредственно перед фотоприемником аналитического канала установлен оптический фильтр, который позволяет уменьшать интенсивность солнечной засветки в 90 раз. Пропускание этого фильтра на рабочей длине волны составляет 90%.  To reduce the influence of solar illumination, an optical filter is installed directly in front of the photodetector of the analytical channel, which allows reducing the intensity of solar illumination by 90 times. The transmission of this filter at the working wavelength is 90%.
Реперный канал содержит кювету, заполненную смесью метана (25%) и азота (75%) при атмосферном давлении и линзу, в фокусе которой расположен фотодиод InGaAs с диаметром фоточувствительной области 1 мм.  The reference channel contains a cuvette filled with a mixture of methane (25%) and nitrogen (75%) at atmospheric pressure and a lens in the focus of which is an InGaAs photodiode with a photosensitive area of 1 mm.
Оптический блок детектора также включает в себя реперный канал, в котором часть излучения лазера проходит через кювету с метаном и фокусируется на другом фотоприемнике. Часть излучения, рассеянного объектом (4), попадает на параболическое зеркало (5) и фокусируется на фотоприемник (6), проходя через оптический фильтр (10). Эти элементы образуют аналитический канал измерений. В реперный канал отводится часть (~10%) излучения диодного лазера при помощи светоделителя (3). Реперный канал включает в себя линзу (7), кювету (8) с метаном и фотоприемник (9).  The optical unit of the detector also includes a reference channel in which part of the laser radiation passes through a cell with methane and focuses on another photodetector. Part of the radiation scattered by the object (4) hits the parabolic mirror (5) and focuses on the photodetector (6), passing through the optical filter (10). These elements form an analytical measurement channel. A part (~ 10%) of the diode laser radiation is diverted to the reference channel using a beam splitter (3). The reference channel includes a lens (7), a cuvette (8) with methane and a photodetector (9).
Применение дополнительного реперного оптического канала, включающего в себя кювету с детектируемым газом, и режим быстрого сканирования длины волны излучения лазера позволяет применить такой способ подавления шумов при обработке данных, как фильтр кросскорреляционной функции сигналов основного и реперного каналов, что способствовало значительному увеличению чувствительности измерений.  The use of an additional reference optical channel, which includes a cuvette containing the gas to be detected, and the mode of fast scanning of the laser radiation wavelength makes it possible to apply this method of noise suppression during data processing, such as the filter of the cross-correlation function of the signals of the main and reference channels, which contributed to a significant increase in measurement sensitivity.
Несмотря на то, что поглощение метана в средней ИК области спектра (3,1 - 3,6 мкм) примерно в 100 раз больше, чем в ближней ИК области около 1 ,65 мкм, в заявляемом устройстве используются ДЛ ближнего ИК диапазона. Для этого существует несколько причин. Прежде всего, чувствительность и уровень шумов используемых в заявляемом устройстве фотоприемников (типа InGaAs) в 100 раз лучше по сравнению с лучшими фотоприемниками из диапазона 3 - 4 мкм. Используемая в заявляемом устройстве приемная система обеспечивает уровень шумов 2 пВт (при усреднении за 0,5 сек). Это дает возможность производить измерения при меньшем уровне мощности излучения лазера. В устройстве используется ДЛ мощностью 15 мВт, при этом мощность излучения, попадающая на приемник в аналитическом канале, составляет примерно 15 нВт при коэффициенте рассеяния света около 0,25 (для песка, земли, травы, листвы) и при расстоянии до топографического объекта 50 м. Таким образом, минимальное измеряемое значение поглощения составляет 1 ,3*104. Despite the fact that methane absorption in the middle IR region of the spectrum (3.1–3.6 μm) is about 100 times greater than in the near IR region around 1.65 μm, DL of the near IR range is used in the inventive device. There are several reasons for this. First of all, the sensitivity and noise level of the photodetectors used in the inventive device (InGaAs type) is 100 times better compared to the best photodetectors in the range of 3-4 μm. Used in the inventive device receiving system provides a noise level of 2 pW (when averaged over 0.5 seconds). This makes it possible to make measurements at a lower laser radiation power level. The device uses a DL with a power of 15 mW, while the radiation power entering the receiver in the analytical channel is approximately 15 nW with a light scattering factor of about 0.25 (for sand, earth, grass, foliage) and at a distance of 50 m from a topographic object Thus, the minimum measured absorption value is 1, 3 * 10 4 .
К достоинствам ДЛ ближнего ИК диапазона следует также отнести то, что они могут излучать как в непрерывном режиме, так и в импульсном вплоть до частот 10 МГц; это открывает широкие возможности по использованию различных режимов излучения.The advantages of the near-infrared DL should also include the fact that they can radiate both in continuous mode and in pulsed mode up to frequencies of 10 MHz; This opens up opportunities for the use of different modes of radiation.
Также, для полевых измерений важно, что ИК диапазон 1 - 2 мкм является наиболее безопасным для глаз человека, в отличие от более коротковолновых лазеров и лазеров среднего ИК диапазона, используемых в известном техническом решении и в других лазерных газоанализаторах. Also, for field measurements, it is important that the IR range of 1 - 2 μm is the safest for human eyes, in contrast to the shorter-wave lasers and mid-IR lasers used in the known technical solution and in other laser gas analyzers.
Применение перестраиваемого диодного лазера в качестве источника зондирующего излучения и используемая методика измерений позволяет проводить одновременное детектирование таких газов как метан и этан, а также перенастраивать прибор на детектирование других газов, имеющих линии поглощения в ближнем ИК диапазоне, таких как пропан, аммиак, окислы азота, окислы углерода, летучие кислоты, кислород, вода, при помощи замены диодного лазера на аналогичный по конструкции, но излучающий на другой длине волны, и замены программных параметров управления излучением лазера  The use of a tunable diode laser as a source of probe radiation and the measurement technique used allows simultaneous detection of such gases as methane and ethane, and also retune the instrument to detect other gases that have absorption lines in the near IR range, such as propane, ammonia, oxides of nitrogen, carbon oxides, volatile acids, oxygen, water, by replacing a diode laser with a similar in design, but radiating at a different wavelength, and replacing program parameters of the control detecting the laser radiation
В представляемом устройстве ДЛ установлен на термоэлектрическом нагревателе/охладителе, который позволяет изменять температуру лазера в диапазоне - 10 + 60 °С, что приводит к изменению длины волны излучения лазера в диапазоне 1 ,642 - 1 ,656 мкм. Для детектирования метана может быть выбрана, например, линия R5, центр которой находится на 1 ,65095 мкм. Для стабилизации температуры ДЛ используется термистор, находящийся в тепловом контакте с корпусом лазера. ДЛ в представляемом устройстве излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов 1 мсек с промежутком между импульсами 0,33 мсек.  In the present device, the DL is installed on a thermoelectric heater / cooler, which allows changing the laser temperature in the range of - 10 + 60 ° С, which leads to a change in the wavelength of laser radiation in the range of 1, 642 - 1, 656 microns. For the detection of methane can be selected, for example, the line R5, the center of which is located at 1, 65095 microns. To stabilize the temperature of the DL, a thermistor is used, which is in thermal contact with the laser housing. The DL in the present device emits in a pulsed mode with a pulse duration of 1 ms with an interval between pulses of 0.33 ms.
Импульсы тока, питающие лазер, изображены на Фиг. 3, они имеют трапециевидную форму. Это дает возможность осуществить сканирование частоты излучения ДП, например, в окрестности линии метана R5 в диапазоне около 5 см 1 (по волновому числу). The current pulses feeding the laser are depicted in FIG. 3, they have a trapezoidal shape. This makes it possible to scan the frequency of the radiation of the DP, for example, in the vicinity of the methane line R5 in the range of about 5 cm 1 (according to the wavenumber).
Спектр поглощения метана в диапазоне в окрестности длины волны 1 ,65 мкм показан на Фиг. 4, а детальный спектр в окрестности линии R5 - на Фиг. 5. Из рисунка видно, что кроме линии R5 в данном диапазоне находится множество слабых линий поглощения метана. Это дает возможность производить измерения одновременно не только по линии R5 (при относительно малых концентрациях метана), но также по слабым линиям метана при достаточно больших концентрациях, когда поглощение на линии R5 насыщается.  The absorption spectrum of methane in the range in the vicinity of a wavelength of 1.65 microns is shown in FIG. 4, and a detailed spectrum in the vicinity of the line R5 is shown in FIG. 5. It can be seen from the figure that, in addition to the R5 line, there are many weak methane absorption lines in this range. This makes it possible to measure simultaneously not only along the R5 line (at relatively low concentrations of methane), but also along weak lines of methane at sufficiently high concentrations when the absorption on the R5 line is saturated.
Фоновая концентрация метана в атмосфере (1 ,6*10_4%) приводит к поглощениюThe background concentration of methane in the atmosphere (1, 6 * 10 _4 %) leads to absorption
7*103 в центре линии R5 на длине оптического пути 100 м (см. Фиг.5). В результате фоновая концентрация метана на высоте 50 м может быть измерена с отношением сигнал/шум 50 (при усреднении результатов за 0,5 сек). Максимальная концентрация метана в облаке утечки газа, которая может быть измерена по линии R5, составляет7 * 10 3 in the center of the line R5 on the optical path length of 100 m (see Figure 5). As a result, the background concentration of methane at a height of 50 m can be measured with a signal-to-noise ratio of 50 (when the results are averaged over 0.5 seconds). The maximum concentration of methane in the gas leakage cloud, which can be measured along the R5 line, is
0,04%. Более высокие значения концентраций (до 4%) измеряются одновременно при помощи слабой линии метана на длине волны 1 ,6501 мкм. Таким образом, динамический диапазон измеряемых концентраций составляет 106 (при относительно медленных измерениях с усреднением за 0,5 сек) и 105 (при быстрых измерениях за 50 мсек). 0.04%. Higher concentrations (up to 4%) are measured simultaneously using a weak methane line at a wavelength of 1, 6501 microns. So the dynamic the range of measured concentrations is 10 6 (with relatively slow measurements with averaging over 0.5 sec) and 10 5 (with fast measurements over 50 ms).
Необходимый динамический диапазон (от фоновой до взрывоопасной концентрации) достигается в представляемом устройстве без дополнительной настройки параметров излучателя, тогда как в известном техническом решении [14] необходимо перенастраивать частоту излучателя, что существенно снижает оперативность измерений.  The required dynamic range (from background to explosive concentration) is achieved in the present device without additional tuning of the emitter parameters, whereas in the known technical solution [14] it is necessary to reconfigure the emitter frequency, which significantly reduces the measurement performance.
Описанный способ измерения позволяет помимо метана детектировать и другие летучие углеводороды, имеющие линии поглощения в диапазоне температурной перестройки длины волны излучения диодного лазера. При этом ряд газов, имеющих близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения, могут детектироваться одновременно, в частности, это возможно для таких газов, как метан и этан. Хотя в известном техническом решении [14] возможно детектирование других летучих углеводородов помимо метана, но отсутствует возможность их одновременного детектирования.  The described method of measurement allows, in addition to methane, to detect other volatile hydrocarbons having absorption lines in the range of temperature tuning of the radiation wavelength of a diode laser. In this case, a number of gases having closely spaced absorption lines within the current scan of the emission wavelength can be detected simultaneously, in particular, this is possible for gases such as methane and ethane. Although in the known technical solution [14] it is possible to detect other volatile hydrocarbons besides methane, but there is no possibility of their simultaneous detection.
Детектирование метана может производиться каждые 1 ,33 мсек и по быстродействию заявляемое устройство существенно превосходит как известное техническое решение, так и другие известные дистанционные газоанализаторы. В реальных полевых измерениях такое быстродействие избыточно, поэтому в данном приборе производится усреднение и данные обрабатываются через 40 мсек и 0,5 сек (два режима усреднения - одновременно).  Detection of methane can be done every 1, 33 ms, and the speed of the claimed device significantly exceeds the known technical solution, as well as other well-known remote gas analyzers. In real field measurements, such speed is redundant, therefore, this instrument performs averaging and data is processed after 40 ms and 0.5 sec (two averaging modes — simultaneously).
Электрическая блок-схема устройства представлена на Фиг. 6.  The electrical block diagram of the device is shown in FIG. 6
Прибор автоматизирован при помощи компьютера типа Note-book, который соединен с компонентами оптического блока (лазером и двумя фотоприемниками) посредством многофункциональной цифровой платы (включающей в себя набор аналого- цифрового преобразователя (АЦП) и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и аналогового интерфейсного модуля. Управление прибором производится при помощи компьютерной программы, созданной в среде LabView.  The device is automated using a Note-book computer, which is connected to the components of the optical unit (a laser and two photodetectors) by means of a multi-functional digital board (including an analog-to-digital converter kit (ADC) and two digital-to-analog converters (DAC) and an analog interface module. The device is controlled using a computer program created in the LabView environment.
Один ЦАП управляют током через лазер, другой - током через термоэлектрический элемент согласно описанной процедуре. Для преобразования управляющих напряжений с выхода обоих ЦАП в источники тока в составе интерфейсного аналогового модуля используются преобразователи-усилители (см. Фиг. 6).  One DAC is controlled by the current through the laser, the other by the current through the thermoelectric element according to the procedure described. To convert the control voltages from the output of both DACs to current sources, the interface analog module uses transducer-amplifiers (see Fig. 6).
Сопротивление термистора преобразуется в напряжение, подаваемое на один из входов АЦП. На два других входа АЦП подаются усиленные сигналы с фотоприемников аналитического A(t) и реперного R(t) каналов.  The resistance of the thermistor is converted to a voltage applied to one of the inputs of the ADC. Two other inputs of the ADC are fed with amplified signals from the photodetectors of the analytical A (t) and reference R (t) channels.
Программная обработка сигналов с фотоприемников включает в себя ряд математических процедур, включая вычисление кросскорреляционной функции:  Software processing of signals from photodetectors includes a number of mathematical procedures, including the calculation of the cross-correlation function:
F(z) = J A(t)*R(t+z)dt и автокорреляционной функции сигнала реперного канала: F (z) = JA (t) * R (t + z) dt and autocorrelation function of the reference channel signal:
G(z) = ] R(t)*R(t+z)dt G (z) =] R (t) * R (t + z) dt
Значения данных функций используют для фильтрации шума упомянутого сигнала в аналитическом канале, используя в качестве фильтра форму линии метана в реперном канале, что существенно увеличивает точность и чувствительность измерений.  The values of these functions are used to filter the noise of the said signal in the analytical channel, using as a filter the shape of the line of methane in the reference channel, which significantly increases the accuracy and sensitivity of measurements.
Далее вычисляется коэффициент кросскорреляции:  Next, the cross correlation coefficient is calculated:
К = J F(z)*G(z)dz/ 1 G(z)*G(z)dz K = JF (z) * G (z) dz / 1 G (z) * G (z) dz
и концентрация метана в аналитическом канале вычисляется по формуле:  and the concentration of methane in the analytical channel is calculated by the formula:
С = K*Co*U/L, C = K * Co * U / L,
где Со - концентрация метана в реперной кювете, L, Ц - длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах соответственно.  where Co is the concentration of methane in the reference cell, L, and C are the optical path lengths in the analytical and reference channels, respectively.
Возможность использования кросскорреляционной функции существует в заявляемом устройстве благодаря выбранному режиму управления лазером с быстрым сканированием его длины волны излучения.  The possibility of using the cross-correlation function exists in the inventive device due to the selected laser control mode with fast scanning of its radiation wavelength.
В известном же техническом решении [14] и в других лазерных газоанализаторах концентрация метана вычисляется из разности сигналов на двух длинах волн и данная математическая процедура увеличения точности измерений не применима. Применяемая в устройстве процедура кросскорреляции также обеспечивает существенно более высокую (чем в известном техническом решении) селективность измерений - прибор нечувствителен к искажениям сигнала и к другим газам помимо метана.  In the well-known technical solution [14] and in other laser gas analyzers, the methane concentration is calculated from the difference of signals at two wavelengths and this mathematical procedure for increasing the measurement accuracy is not applicable. The cross-correlation procedure used in the device also provides a significantly higher (than in the known technical solution) measurement selectivity - the device is insensitive to signal distortion and to other gases besides methane.
В результате обработки сигналов фотоприемников вычисляется концентрация метана вдоль длины оптического пути от прибора до топографического объекта. При утечке газа из трубопровода (или из других источников метана) образуется облако метана с неоднородным распределением концентрации метана. Характерные размеры облака и среднее значение концентрации метана в облаке зависят как от давления газа в трубе и диаметра отверстия, так и от направления и скорости ветра.  As a result of processing the photodetector signals, the concentration of methane is calculated along the optical path from the instrument to the topographic object. When gas leaks from the pipeline (or from other methane sources), a cloud of methane is formed with a non-uniform distribution of methane concentration. The characteristic dimensions of the cloud and the average concentration of methane in the cloud depend both on the gas pressure in the pipe and the hole diameter, and on the direction and speed of the wind.
При помощи прибора спутниковой системы глобального позиционирования GPS, входящего в состав газоанализатора, можно измерять текущие координаты, которые считываются через последовательный порт компьютера и обрабатываются в программе. В результате вычисляется траектория полета вертолета с синхронной регистрацией концентрации метана. Используемый дополнительно прибор спутниковой системы глобального позиционирования GPS и обработка данных GPS в программе управления прибором позволяет измерять пространственное распределение детектируемого газа в окрестности места утечки.  With the help of the instrument of the satellite GPS global positioning system, included in the gas analyzer, you can measure the current coordinates, which are read through the computer’s serial port and processed in the program. As a result, the flight path of the helicopter is calculated with simultaneous registration of methane concentration. The satellite GPS global positioning device used additionally and the GPS data processing in the instrument control program allows measuring the spatial distribution of the detected gas in the vicinity of the leak.
При облете зарегистрированной утечки газа определяется пространственное распределение метана в окрестности места утечки, а координаты утечки газа фиксируются. Величина утечки далее вычисляется при учете скорости и направления ветра. Результаты измерений выводятся на экран монитора в режиме реального времени в течение полета вертолета и одновременно записываются в память компьютера для послеполетной обработки. Программа управления прибором и обработки данных работает в автоматическом режиме и не требует вмешательства оператора. When circling a recorded gas leak, the spatial distribution of methane in the vicinity of the leak is determined, and the coordinates of the gas leak are recorded. The leakage value is then calculated when taking into account wind speed and direction. Measurement results are displayed on the monitor screen in real time. during the flight of the helicopter and simultaneously recorded in the computer's memory for post-flight processing. The instrument control and data processing program operates in automatic mode and does not require operator intervention.
Устройство для осуществления способа организовано в виде двух независимых частей: оптического блока, устанавливаемого на вертолете, и электроники с компьютером типа Note-book, собранной в отдельном кейсе. Габариты оптического блока - 400x400x600 мм3, вес - 25 кг; габариты кейса-электроники - 500x400x200 мм3, вес - 10 кг. Таким образом, по сравнению с известным техническим решением прибор является гораздо более компактным и удобным при транспортировке и установке в вертолете. Суммарное энергопотребление заявляемого устройства от бортовой сети вертолета составляет 100 Вт, что значительно меньше, чем в известном техническом решении и в других известных дистанционных газоанализаторах. A device for implementing the method is organized in two independent parts: an optical unit mounted on a helicopter, and electronics with a computer such as a Note-book assembled in a separate case. The dimensions of the optical unit - 400x400x600 mm 3 , weight - 25 kg; case electronics dimensions - 500x400x200 mm 3 , weight - 10 kg. Thus, in comparison with the known technical solution, the device is much more compact and convenient during transportation and installation in a helicopter. The total power consumption of the claimed device from the helicopter's on-board network is 100 W, which is significantly less than in the known technical solution and in other known remote gas analyzers.
Предлагаемое изобретение было реализовано на практике и прошло наземные испытания. Далее прибор устанавливался на вертолеты типа Ми-2 и К-26 как для проведения испытаний с демонстрационной искусственно-создаваемой утечкой, так и для реальных измерений. Результаты испытаний продемонстрировали работоспособность заявляемого устройства, как по составным частям, так и в целом.  The present invention has been implemented in practice and has passed ground tests. Next, the device was installed on helicopters of the type Mi-2 and K-26, both for testing with a demonstration artificially created leak, and for real-life measurements. The test results demonstrated the operability of the claimed device, both in component parts and in general.
Описанный способ измерения позволяет помимо метана детектировать и другие летучие углеводороды, имеющие линии поглощения в диапазоне температурной перестройки длины волны излучения диодного лазера. При этом ряд газов, имеющих близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения, могут детектироваться одновременно, в частности, это возможно для таких газов, как метан и этан. Хотя в известном техническом решении [14] возможно детектирование других летучих углеводородов помимо метана, но отсутствует возможность их одновременного детектирования.  The described method of measurement allows, in addition to methane, to detect other volatile hydrocarbons having absorption lines in the range of temperature tuning of the radiation wavelength of a diode laser. In this case, a number of gases having closely spaced absorption lines within the current scan of the emission wavelength can be detected simultaneously, in particular, this is possible for gases such as methane and ethane. Although in the known technical solution [14] it is possible to detect other volatile hydrocarbons besides methane, but there is no possibility of their simultaneous detection.
Детектирование метана может производиться каждые 1 ,33 мсек и по быстродействию заявляемое техническое решение существенно превосходит как известное техническое решение, так и другие известные дистанционные газоанализаторы. В реальных полевых измерениях такое быстродействие избыточно, поэтому в данном приборе производится усреднение и данные обрабатываются через 40 мсек и 0,5 сек (два режима усреднения - одновременно).  Detection of methane can be done every 1, 33 ms, and the speed of the claimed technical solution significantly exceeds both the well-known technical solution and other known remote gas analyzers. In real field measurements, such speed is redundant, therefore, this instrument performs averaging and data is processed after 40 ms and 0.5 sec (two averaging modes — simultaneously).

Claims

Формула изобретения Claim
1. Способ дистанционного измерения концентрации газов в атмосфере, в котором: в режиме реального времени осуществляют автоматическое измерение и сбор данных концентрации газов в атмосфере посредством дистанционного газоанализатора, установленного на летательном аппарате, при этом дистанционный газоанализатор содержит: оптический блок, и средства обработки данных, при этом оптический блок включает лазерный модуль, аналитический канал, объектив, зеркало аналитического канала, оптический фильтр, фотоприёмник аналитического сигнала и реперный канал, в котором часть излучения лазера проходит через кювету с детектируемым газом и фокусируется на фотоприемнике реперного канала, а часть излучения, рассеянного объектом, попадает на параболическое зеркало и фокусируется на фотоприемник, проходя через оптический фильтр; дистанционный газоанализатор автоматизирован при помощи средства обработки данных, соединенных с компонентами оптического блока дистанционного газоанализатора посредством многофункциональной цифровой платы, включающей в себя аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и двух цифро-аналоговых преобразователей (ЦАП) и аналогового интерфейсного модуля, при этом диодным лазером управляют посредством цифро-аналогового преобразователя на многофункциональной цифровой плате оптически сопряженном через блок вывода излучения, их входа АЦП подают усиленные сигналы с фотоприемников аналитического A(t) и реперного R(t) каналов, при этом упомянутые сигналы обрабатывают в режиме реального времени для вычисления средней концентрации выбранного газа на трассе от прибора до поверхности Земли, при этом обработка упомянутых сигналов включает этапы на которых: определяют кросскорреляционную функцию F(z) = \ A(t)*R(t+z)dt; определяют автокорреляционную функцию сигнала реперного канала: G(z) = J 1. A method of remote measurement of the concentration of gases in the atmosphere, in which: in real-time, automatic measurement and collection of data on the concentration of gases in the atmosphere is carried out by means of a remote gas analyzer mounted on an aircraft, while the remote gas analyzer contains: an optical unit and data processing means while the optical unit includes a laser module, an analytical channel, a lens, a mirror of an analytical channel, an optical filter, a photodetector of an analytical signal, and p Pernet channel in which part of the laser radiation passes through the cell with a detectable gas and is focused on reference channel photodetector, a portion of the radiation scattered by the object strikes the parabolic mirror and is focused on the photodetector passing through the optical filter; The remote gas analyzer is automated by means of data processing, connected to the components of the optical unit of the remote gas analyzer by means of a multi-functional digital card, which includes an analog-to-digital converter (ADC) and two digital-to-analog converters (DAC) and an analog interface module, while controlling the diode laser by means of a digital-to-analog converter on a multifunctional digital board optically coupled through a radiation output unit, their ADC input under The amplified signals from the photodetectors of the analytical A (t) and reference R (t) channels are amplified, while these signals are processed in real time to calculate the average concentration of the selected gas on the route from the instrument to the Earth's surface, while the processing of these signals includes the steps : determine the cross-correlation function F (z) = \ A (t) * R (t + z) dt; determine the autocorrelation function of the signal of the reference channel: G (z) = J
R(t)*R(t+z)dt; осуществляют фильтрации шума упомянутого сигнала в аналитическом канале используя значения данных функций, определяют коэффициент кросскорреляции в зависимости от значений F(z) и G(z) и определяют концентрацию газа в аналитическом канале в зависимости от коэффициента кросскорреляции, Со - концентрация газа в реперной кювете, L, Ц - длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах соответственно; затем производят одновременное детектирование по различным линиям поглощения с обеспечением широкого динамического диапазона измеряемых концентраций газа в приземном слое атмосферы, при этом определяют величину утечки газа вдоль длины оптического пути от прибора до топографического объекта при учете скорости и направления ветра, при этом результаты измерений выводят на экран монитора в режиме реального времени в течение полета летательного аппарата и одновременно записывают в память компьютера для послеполетной обработки. R (t) * R (t + z) dt; filtering the noise of the signal in the analytical channel using the values of these functions, determine the cross correlation coefficient depending on the values of F (z) and G (z) and determine the gas concentration in the analytical channel depending on the cross correlation coefficient, Co is the gas concentration in the reference cell, L, C are the optical path lengths in the analytical and reference channels, respectively; then simultaneous detection is performed on different absorption lines with provision of a wide dynamic range of measured gas concentrations in the atmospheric surface layer, while determining the amount of gas leakage along the optical path from the instrument to the topographic object while taking the wind speed and direction into account, and the measurement results display monitor in real time during the flight of the aircraft and simultaneously recorded in computer memory for post-flight processing.
2. Способ по п.1 , отличающийся тем, что используют лазерный модуль, основанный на перестраиваемом диодном лазере ближнего инфракрасного диапазона, излучающего в окрестности длины волны 1 ,65 мкм, функционирующим в импульсном режиме с малой скважностью со сканированием длины волны излучения в течение каждого импульса. 2. The method according to claim 1, characterized in that they use a laser module based on a tunable near-infrared diode laser, emitting in the vicinity of a wavelength of 1.65 μm, operating in a pulsed mode with a small duty cycle and scanning the radiation wavelength during each pulse.
3. Способ по п.1 , отличающийся тем, что частоту излучения диодного лазера перестраивают в диапазоне до 100 см-1 по волновому числу, при этом изменяют и стабилизируют температуру диодного лазера. 3. The method according to claim 1, characterized in that the radiation frequency of the diode laser is rearranged in the range up to 100 cm -1 according to the wavenumber, and the temperature of the diode laser is changed and stabilized.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменяют величину питающего тока диодного лазера и осуществляют сканирование в пределах до 5 см 1. 4. The method according to claim 1, characterized in that they change the magnitude of the supply current of the diode laser and carry out scanning in the range of up to 5 cm 1 .
5. Способ по п.1 , отличающийся тем, что детектирование метана производят каждые 1 ,33 мсек. 5. The method according to p. 1, characterized in that the detection of methane produced every 1, 33 msec.
6. Способ по п.1 , отличающийся тем, что детектируют газы, имеющие линии поглощения в диапазоне температурной перестройки длины волны излучения диодного лазера 6. The method according to claim 1, characterized in that they detect gases having absorption lines in the range of temperature tuning of the radiation wavelength of the diode laser
7. Способ по п.1 , отличающийся тем, что газы, имеющие близкорасположенные линии поглощения в пределах токового сканирования длины волны излучения, детектируются одновременно, в частности, это возможно для таких газов, как метан и этан. 7. The method according to claim 1, characterized in that gases having closely spaced absorption lines within the current scan of the emission wavelength are detected simultaneously, in particular, this is possible for gases such as methane and ethane.
8. Способ по п.1 , отличающийся тем, что измеряют пространственное распределение детектируемого газа в окрестности места утечки, при этом измеряют текущие координаты при помощи прибора спутниковой системы глобального позиционирования GPS и обрабатывают данные GPS в программе управления, вычисляют траекторию полета вертолета с синхронной регистрацией концентрации детектируемого газа. 8. The method according to claim 1, characterized in that they measure the spatial distribution of the detected gas in the vicinity of the leak, measure the current coordinates using a GPS global positioning system and process the GPS data in the control program, calculate the helicopter flight path with synchronous recording concentration of detected gas.
9. Способ по п.1 , отличающийся тем, что перенастраивают прибор на детектирование других газов, имеющих линии поглощения в ближнем ИК диапазоне, таких как пропан, аммиак, окислы азота, окислы углерода, летучие кислоты, кислород, вода, при этом заменяют диодный лазер на аналогичный по конструкции, но излучающий на другой длине волны, и заменяют программные параметров управления излучением лазера. 9. The method according to claim 1, characterized in that they reconfigure the device to detect other gases having absorption lines in the near IR range, such as propane, ammonia, oxides of nitrogen, oxides of carbon, volatile acids, oxygen, water, while replacing the diode the laser is similar in design, but radiating at a different wavelength, and replaces the program parameters of laser radiation control.
PCT/RU2017/000909 2017-12-04 2017-12-06 Method for remote measurement of a concentration of gases in the atmosphere WO2019112459A1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201780056434.5A CN110392825A (en) 2017-12-04 2017-12-06 Method for remotely measuring gas concentration in atmosphere
EA201990359A EA201990359A1 (en) 2017-12-04 2017-12-06 METHOD FOR REMOTE MEASUREMENT OF GAS CONCENTRATION IN THE ATMOSPHERE

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017142157 2017-12-04
RU2017142157A RU2679455C1 (en) 2017-12-04 2017-12-04 Gases in the atmosphere concentration remote measurement method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2019112459A1 true WO2019112459A1 (en) 2019-06-13

Family

ID=65442370

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2017/000909 WO2019112459A1 (en) 2017-12-04 2017-12-06 Method for remote measurement of a concentration of gases in the atmosphere

Country Status (4)

Country Link
CN (1) CN110392825A (en)
EA (1) EA201990359A1 (en)
RU (1) RU2679455C1 (en)
WO (1) WO2019112459A1 (en)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112145976A (en) * 2020-08-12 2020-12-29 海隆石油工业集团有限公司 Detection system and method based on infrared gas cloud imaging and robot applying system
CN113567384A (en) * 2021-07-08 2021-10-29 浙江焜腾红外科技有限公司 Long-distance infrared gas sensor
CN115628852A (en) * 2022-12-19 2023-01-20 山西讯潮科技有限公司 Multi-end centralized control linkage accurate leakage detection method and system based on TDLAS and holder
RU216708U1 (en) * 2023-01-10 2023-02-22 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "ТКА" Optical infrared module for selective determination of ammonia concentration in the exhaled air stream

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2758799C1 (en) * 2020-08-21 2021-11-02 Владимир Александрович Полянский Method for remote identification of radioactive cloud in atmosphere
RU208963U1 (en) * 2021-10-19 2022-01-24 Общество с Ограниченной Ответственностью "ГАСЕНС" OPTICAL DEVICE FOR MEASURING GAS CONCENTRATION
CN117491313A (en) * 2023-11-13 2024-02-02 南京市锅炉压力容器检验研究院 TDLAS-based field methane leakage space intelligent identification method

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2022251C1 (en) * 1991-12-29 1994-10-30 Малое предприятие "Межотраслевой научно-внедренческий центр "Экоприбор" Air pollution testing complex
US20080225273A1 (en) * 2005-12-01 2008-09-18 Pergam-Suisse Ag Mobile Remote Detection of Fluids by a Laser

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5202570A (en) * 1990-03-27 1993-04-13 Tokyo Gas Co., Ltd. Gas detection device
GB0220914D0 (en) * 2002-09-10 2002-10-23 Qinetiq Ltd Lidar apparatus and method
US7400398B2 (en) * 2006-05-09 2008-07-15 Environmental Systems Products Holdings Inc. Remote emissions sensing system and method incorporating spectral matching by data interpolation

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2022251C1 (en) * 1991-12-29 1994-10-30 Малое предприятие "Межотраслевой научно-внедренческий центр "Экоприбор" Air pollution testing complex
US20080225273A1 (en) * 2005-12-01 2008-09-18 Pergam-Suisse Ag Mobile Remote Detection of Fluids by a Laser

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.G.BEREZIN ET AL.: "Trace complex-molecule detection using near-IR diode lasers", APPLIED. PHYSICS B - LASERS AND OPTICS, 2002, pages 203 - 214, XP002371000 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112145976A (en) * 2020-08-12 2020-12-29 海隆石油工业集团有限公司 Detection system and method based on infrared gas cloud imaging and robot applying system
CN113567384A (en) * 2021-07-08 2021-10-29 浙江焜腾红外科技有限公司 Long-distance infrared gas sensor
CN115628852A (en) * 2022-12-19 2023-01-20 山西讯潮科技有限公司 Multi-end centralized control linkage accurate leakage detection method and system based on TDLAS and holder
RU216708U1 (en) * 2023-01-10 2023-02-22 Общество с ограниченной ответственностью "Научно-техническое предприятие "ТКА" Optical infrared module for selective determination of ammonia concentration in the exhaled air stream

Also Published As

Publication number Publication date
RU2679455C1 (en) 2019-02-11
EA201990359A1 (en) 2019-10-31
CN110392825A (en) 2019-10-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2679455C1 (en) Gases in the atmosphere concentration remote measurement method
US7965391B2 (en) Airborne tunable mid-IR laser gas-correlation sensor
US20070018104A1 (en) Machine for detecting sulfur hexafluoride (SF6) leaks using a carbon dioxide laser and the differential absorption lidar ( DIAL) technique and process for making same
US5298751A (en) Remote active vapor concentration measurement system and method thereof
EP1491877A1 (en) Active remote sensing using a simultaneous spectral sampling technique
CA2912040C (en) Method and system for monitoring emissions from an exhaust stack
Viciani et al. A cryogenically operated laser diode spectrometer for airborne measurement of stratospheric trace gases
Frish et al. Standoff gas leak detectors based on tunable diode laser absorption spectroscopy
RU2694461C1 (en) Remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm (2 versions), method of its implementation and a fiber-optic raman amplifier for a remote optical absorption laser gas analyzer with radiation wavelength in the region of 1_6 mcm
Li et al. Mid-infrared telemetry sensor based calibration gas cell for CO detection using a laser wavelength locking technique
Loewenstein et al. Argus: A new instrument for the measurement of the stratospheric dynamical tracers, N2O and CH4
Grishkanich et al. Laser remote spectroscopy for geological exploration of hydrocarbons deposits
US8445850B2 (en) Optical remote sensing of fugitive releases
Zhevlakov et al. Hydrocarbon halo-laser spectroscopy for oil exploration needs
Zhevlakov et al. CARS technique for geological exploration of hydrocarbons deposits
Gaudio Laser based standoff techniques: a review on old and new perspective for chemical detection and identification
Sadovnikov et al. Calibration and field test of mobile lidar for remote sensing of atmospheric methane
Schwarm et al. Three-dimensional real-time mapping of CO and CO2 concentrations in active forest burns with a UAV spectrometer
ES2847583T3 (en) Self-calibrating anti-pollution remote sensing system and procedure
RU2285251C2 (en) Remote optical absorption laser gas analyzer
Degtiarev et al. Compact mid-infrared DIAL lidar for ground-based and airborne pipeline monitoring
Zhevlakov et al. Remote laser spectroscopy of oil and gas deposits
RU2736178C1 (en) Method and device for autonomous remote determination of concentration of atmospheric gas components
Meshcherinov et al. Lidar-based gas analyzer for remote sensing of atmospheric methane
RU2804263C1 (en) Mobile lidar gas analyzer

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 17933964

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 23/10/2020)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 17933964

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1