CN101694265A - 机载天然气管道泄漏检测激光雷达的实时浓度标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机载天然气管道泄漏检测激光雷达的实时浓度标定方法，它应用于机载天然气管道泄漏检测激光雷达技术。本发明的实时浓度标定系统包括：接收望远镜，分析通道探测器及前放电路，分析通道锁相放大器，激光控制器，二极管激光器，45°分光镜，参考气体池，参考通道探测器及前放电路，参考通道锁相放大器及数据采集和数据处理单元。本发明的实时浓度标定方法是基于可调谐二极管激光器技术和谐波检测原理，不同于传统的“先标定，再测量”的方法，在每次测量的同时实时的反演出待测气体浓度，优点是作用距离远，探测灵敏度高，气体浓度标定效率高，实时性强，受环境变化影响小。

Description

机载天然气管道泄漏检测激光雷达的实时浓度标定方法

技术领域

本发明涉及光电仪器技术，具体指一种机载天然气管道泄漏检测激光雷达的实时浓度标定方法。

背景技术

据“2007中国石油天然气管道发展高峰论坛”发出的消息，近年来我们国家的能源消耗品中，天然气的消耗量逐年升高，已经超过煤炭成为仅次于石油的主要能源消耗品。中国已建和在建的天然气输送管道总长度已经有2.4万公里，据预计截至2010年底，我国天然气管道总长度将达到3.6万公里。专家指出，天然气管道泄漏现象严重，泄漏的天然气量一般大约要占输气总量的10％。天然气管道的泄漏不但给国家带来巨大的经济损失，同时对大气环境也将造成巨大破坏，这是因为天然气主要成分甲烷(分子式CH₄，约占天然气总量的92-98％)的“温室效应”是相同浓度二氧化碳(分子式CO₂)的22倍；另外天然气具有易燃性；随着管道使用年龄的增加，天然气管道泄漏带来的损失和安全威胁将日益加重。因此，必须发展高效、低成本的天然气管道泄漏监测技术来应对这一日益突出的现实问题。

传统的天然气管道泄漏监测方法是依靠手持探测器徒步探测，其特点是劳动强度大，效率低，成本高；基于直升机机载平台，在100-150米飞行高度上利用主动红外激光吸收光谱技术，结合GPS导航系统，进行高效、低成本探测的技术研究已经在国外有所报道。2000年以来，基于机载平台的监测技术在美国、德国和瑞士等国家已经得到重视和发展；研究表明，与传统方法相比，机载监测技术可以使得运行成本减少40％；美国能源部、德国鲁尔油气公司分别联合相关机构研制出了各自的机载监测仪器，并进行了试飞；瑞士PergamSuisse公司已经研制出可商业运作的机载监测仪器。目前该技术在国内尚属空白，考虑到我国天然气管道的发展现状和趋势，极有必要尽快发展该项技术的研究，以应对当前和未来的应用需求。

气体检测技术中非常重要的一个环节就是气体浓度的标定，目前大部分气体检测仪器，如日本手持式甲烷探测器LASERMETHANE等，一般都是“先标定，再测量”，即先在实验室用多个含有不同浓度标准气体的气体池作为探测目标，测得对应的实验结果，利用这些测量结果拟合出一条曲线，然后在实际测量应用中，根据接收光信号强度在曲线中找对应的气体浓度值。这种方法的弊端在于实验室标定的环境和实际测量的工作环境不同，会引入额外的测量误差，实时性也不强。中国科学院安徽光学精密机械研究所针对这种标定方法的不足，提出过一种适合实验室环境使用的参考气体浓度的标定待测气体浓度的方法，推导的公式是：

C_d＝K·(I_0rL_r/I_0dL_d)·C_r                    (1)

其中C_d是怀特池气体浓度，C_r是参考气体浓度，I_0r和I_0d是怀特池和参考池测量得到的反应光强的信号幅度，L_r和L_d是参考池和怀特池的光程，K是怀特池的二次谐波信号与参考池二次谐波信号进行回归分析得到的系数。这个方法的有几点不足的地方：(a)需要通过实验的方法得到参考池和待测气体池光程比的精确值，如果该值存在误差将直接影响测量结果；(b)K值需要在实验室经大量实验拟合得到。本发明对以上方法做了改进，提出了一种新的气体浓度实时标定方法，即用二次谐波与一次谐波的比值表征气体浓度值，再用参考气体浓度标定待测气体浓度。

发明内容

本发明的目的是在现有气体检测定标方法的基础上提出一种新的气体浓度实时标定方法，即在每次测量的同时由已知浓度的参考气体池实时标定出远距离待测气体的浓度。区别于传统气体检测的“先标定，后测量”的方法，这种标定和测量同时进行的实时浓度标定方法在工作效率，抗干扰性，实时性等方面具有明显的优势。

主动式探测技术的核心理论基础是基于气体的光谱吸收特性，即气体分子在不同的条件下，吸收或发射光谱的波长、强度、偏振态等情况和气体的结构特征有着固有的关系。气体的分子结构不同，对应不同的吸收光谱；同一种气体浓度不同时，在同一吸收位置的吸收度不同，因此通过检测气体对特定光的吸收程度，就可以确定气体的成分及浓度。根据发射光的初始能量和被气体吸收后探测到的能量就可以反演出气体含量，反演依据是Lambert-beer定律：

P＝P₀Sexp[-D(υ)]＝P₀Sexp[-α(υ)·2C_R]                (2)

其中：P是光束被气体吸收后探测到的能量(W)；

P₀是发射的初始能量(W)；

ν是光频率(Hz)；

S是光学接收效率(接收功率与初始功率的比值)；

D(υ)是光学路径上的吸收光程；

α(υ)是气体对光的吸收系数(表征气体对光的吸收能力，ppm^-1·m^-1)；

C_R是气体路径积分浓度(ppm·m)，吸收两次乘2。

由于窄线宽，单一波长的光不容易获得，因此通常使用波长扫描的方法进行气体检测，即波长调制光谱(WMS)技术。用固定频率的正弦波(10kHz)调制激光，当激光的调制中心频率调谐在气体的吸收线上，其频率可由下式表示：

υ＝υ₀+Δυcos(2πft)             (3)

其中：v₀为吸收线中心频率；Δυ为调频的频偏。

(2)代入(1)中的α(υ)：

α(υ)＝α(υ₀+Δυcos(2πft))     (4)

(3)式可分解成Fourier余弦级数：

$\mathrm{\α}\left(\mathrm{\υ}\right)={\mathrm{\α}}_0\underset{N=0}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}{H}_N\left({\mathrm{\υ}}_0\right)\cos N\left(2\mathrm{\πft}\right)---\left(5\right)$

这里H_N(υ₀)是调制吸收系数的第N次Fourier系数；α₀是被测气体在吸收线中心上的吸收系数(单位：ppm^-1·m^-1)。

(1)可以进一步写成：

P＝P₀[Sηρ/(2R)²]exp[-α(υ)·2C_R]         (6)

其中：S为光接收系统的有效接收面积(单位m²)；η为光接收系统的总接收效率；ρ为反射目标的微分反射系数(单位：sr^-1)；R为探测距离(单位m)。

在长光程弱吸收情况下一般满足[-α(υ)·2C_R]≤1，这时(6)可以写成：

P≈P₀[Sηρ/(2R)²][1-α(υ)·2C_R]           (7)

由(5)和(7)可以算出激光回波中的直流分量和各次谐波分量。把光电探测器输出的电信号经过锁相放大器，就可以检测出这些谐波分量，其中一次谐波分量和二次谐波分量大小为：

P_1f≈K₁[Sηρ/(2R)²]P₀                      (8)

P_2f≈K₂[Sηρ/(2R)²]P₀α₀H₂(υ₀)·2C_R       (9)

其中K₁和K₂是比例系数，把(8)(9)式相比就可以得到：

C_R＝(K₁/K₂)·(P_2f/P_1f)/[2α₀H₂(υ₀)]

＝K·(P_2f/P_1f)/[2α₀H₂(υ₀)]                (10)

由(10)式可以看出，只要测得回波中的一次谐波分量和二次谐波分量即可确定被探测气体的路径积分浓度。

其中K＝K₁/K₂，通常的做法是先在实验里用已知浓度的气体标定K的值，然后在实际测量应用中代入K值计算得到待测气体的浓度，显然这种方法较为复杂，测量结果一致性不好，受环境影响因素较大。

因此本发明提出了一种用于机载天然气管道泄漏检测激光雷达气体浓度实时标定方法。具体内容如下：

如图1所示，系统主要包括：

1.激光器：包括二极管激光器5和控制器4，输出激光波长1625nm-1655nm，峰值功率20mW，线宽2MHz，门限电流10mA，最大前向电流225mA。控制器控制激光器输出正弦调制的光，波长在甲烷吸收峰前后来回扫描；

2.探测器及前置放大电路2、7：采用InGaAs的PIN管探测器，有效光敏面直径：2.0mm，响应率0.95A/W(1650nm)，结电容25pf，-3dB带宽40MHz，前置放大电路放大倍数10⁸，带宽300kHz；

3.光学结构：主反射镜1口径280mm，焦距300mm，准直镜发散角1mrad，探测器前加10nm窄带滤光片，参考气体池8长70mm，充入一个大气压的25％甲烷和75％氮气的混合气体；

4.数据采集和处理单元10：数据采集卡，AD精度16bit，采样率250KS/S，DA精度16bit，锁相放大器3、9由上位机软件实现。

浓度实时标定步骤如下：

A.基于直升机机载平台，在距地面100-150米高度，利用连续红外激光束对地面天然气管道扫描，接收并分析反射回来的激光信号反演气体浓度值；

B.实时浓度标定系统包括分析通道和参考通道，激光控制器4利用波长调制技术(WMS)控制二极管激光器5发出波长扫描的光分别通过两个通道，分析通道的激光通过泄漏的天然气时被部分吸收，经接收望远镜1接收后到达探测器及前放电路2，光信号转换为电信号；参考通道的激光则通过浓度已知的参考气体池7，直接到达探测器及前放电路8转换为电信号；

C.两个通道的电信号分别经过锁相放大器3和9，提取出一次谐波和两次谐波成分，锁相放大器的作用是能把有用信号从噪声中有效检测出来，提取出来的信号再进入数据采集和数据处理单元10。把每个通道采集到的二次谐波信号与一次谐波信号做比，就可以消除初始激光强度，接收效率等因素的影响，得到每个通道气体浓度表达式，再把两个通道气体浓度表达式做比：

即分析通道气体的路径积分浓度：

C_Ra＝K·(P_2fa/P_1fa)/[2α₀H₂(υ₀)]          (11)

参考通道气体的路径积分浓度：

C_Ra＝K·(P_2fa/P_1fa)/[2α₀H₂(υ₀)]          (12)

由(11)(12)式可得：

C_Ra＝[(P_2fa/P_1fa)/(P_2fc/P_1fc)]·C_Rc        (13)

由于工作环境相同，K被消除，用(13)式即可实时的用已知浓度的参考气体标定泄漏气体的浓度。

(13)式与(1)式相比较，不包括光程，拟合系数等参数，用二次谐波与一次谐波的比值表征气体浓度，待测气体浓度只与每次测量的参考通道和测量通道的一、二次谐波大小，参考气体浓度有关，测量过程得到简化，测量结果的精度也随之提高。

本发明的优点是：

(1)本发明基于可调谐二极管激光器技术和谐波检测原理，应用于机载天然气管道泄漏检测激光雷达技术，因此具有作用距离远，探测灵敏度高等优点；

(2)本发明是根据已知浓度的参考气体实时反演出待测气体浓度，对比于“先标定，后测量”的方法，具有气体浓度标定效率高，实时性强，受环境影响小等优点。

(3)改进了原有定标方法，测量方法简单、有效，测量结果误差减小。

附图说明

图1是实时浓度标定系统的结构框图，其中：

(1)——接收望远镜；

(2)——分析通道光电探测器及前放电路；

(3)——分析通道锁相放大器；

(4)——激光控制器；

(5)——分布反馈式(DFB)二极管激光器；

(6)——45°分光镜；

(7)——充入已知浓度甲烷气体的参考气体池；

(8)——参考通道光电探测器及前放电路；

(9)——参考通道锁相放大器；

(10)——数据采集和数据处理单元。

机载天然气管道泄漏检测激光雷达气体浓度实时标定系统工作过程分为以下几步：

(a)首先用在参考通道安装含有浓度为25％的标准甲烷气体的气体池；

(b)在距离主反射镜大约50米的分析通道处放置一个可释放一定浓度甲烷气体的气体罐；

(c)在气体释放处放置一个甲烷气体浓度分析仪，用来测量泄漏气体的实际浓度；

(d)缓慢释放甲烷气体，随着气体浓度的增加，记录一组实验数据，与分析仪测得数据作比较，就可以得到本系统的测量误差，结果如下表所示。

气体释放时间	2秒	5秒	10秒	20秒
					分析仪测浓度	55ppm·m	120ppm·m	230ppm·m	560ppm·m
本系统测浓度	51ppm·m	113ppm·m	220ppm·m	571ppm·m
					误差	7.8％	6.2％	4.5％	1.9％

实验结论：待测气体浓度越大，系统测量误差越小；系统最低探测灵敏度达到100ppm·m以下，证明了该定标方法的可行性和正确性；如果继续降低电路噪声，抑制外界干扰，灵敏度可以进一步提高，完全可以实现100米距离内对100ppm·m以下探测的目标。

Claims (1)

1.一种机载天然气管道泄漏检测激光雷达的实时浓度标定方法，其特征在于：它包括如下步骤：

A.基于直升机机载平台，在距地面100-150米高度，利用连续红外激光束对地面天然气管道扫描，接收并分析反射回来的激光信号反演出气体的浓度值；

B.实时浓度标定系统包括分析通道和参考通道两个通道，每次测量时这两个通道同时工作，在相同的工作环境下用已知浓度的参考通道气体来标定未知浓度的分析通道气体浓度，激光控制器(4)利用波长调制技术控制二极管激光器(5)产生波长扫描的光分别通过两个通道，分析通道的激光通过泄漏的天然气时被部分吸收，经接收望远镜(1)接收后到达探测器及前放电路(2)，光信号转换为电信号；参考通道的激光则通过浓度已知的参考气体池(7)，直接到达探测器及前放电路(8)转换为电信号；

C.两个通道的电信号分别经过锁相放大器(3)和(9)，提取出一次谐波和两次谐波成分，再进入数据采集和数据处理单元(10)，把每个通道的二次谐波信号与一次谐波信号做比，就可以消除初始激光强度，接收效率等因素的影响，得到每个通道气体浓度表达式，再把两个通道气体浓度表达式做比，就可以实时的用已知浓度的参考气体标定泄漏气体的浓度。

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