CN110392825A - 用于远程测量大气中气体浓度的方法 - Google Patents

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CN110392825A CN201780056434.5A CN201780056434A CN110392825A CN 110392825 A CN110392825 A CN 110392825A CN 201780056434 A CN201780056434 A CN 201780056434A CN 110392825 A CN110392825 A CN 110392825A
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叶尔绍夫·奥列格·瓦连京诺维奇
克利莫夫·阿列克谢·格里戈里耶维奇
涅韦罗夫·谢苗·米海洛维奇
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Pagama Research And Development Co Ltd
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Abstract

本发明涉及用于在气体运输和存储期间提供安全性的系统的领域并且涉及用于远程测量大气中的气体浓度的方法。在安装在飞行器上并且包括可控制二极管激光器、分析通道和参考通道的气体分析仪的帮助下进行测量。测量信号和参考信号的处理包括定义互相关函数，定义参考通道的自相关函数以及使用产生的函数对来自分析通道的噪声进行过滤。而且，取决于产生的函数的值定义互相关系数并且取决于互相关系数定义分析通道中的气体浓度。然后，进行沿着不同吸收线的同时检测，允许在大气表面层中测量气体浓度的宽动态范围。

Description

用于远程测量大气中气体浓度的方法
技术领域
技术方案涉及确保气体运输和存储期间安全性的方法和系统领域。主要应用是远程测量大气中各种气体的浓度。主要目的是检测甲烷以显示来自高压和低压气体管道以及其它天然和工业甲烷来源的天然气泄漏。该方法可以用于气体压缩站、液化气终端等开放式气体平台。
背景技术
在过去的20年里已经公布了许多用于检测来自直升机板的气体泄漏的装置。一些装置仅以项目的形式存在。通过结合以下参数这些装置的其它部分并不能满足消费者：确定泄漏位置和强度的准确性和效率、泄漏强度的动态范围、最大检测距离、不存在错误结果、天气条件的结果独立性、响应速度、操作的可靠性和便利性、尺寸和重量、飞行器板上安装装置时的便利性及其设置、价格/质量比等。结果，从事天然气运输的公司仍缺少必要的远程移动工具来控制气体泄漏。
在下述现有技术中存在许多已知的气体分析仪，例如，英国专利N 2237637，cl.G01N 21/61，21/31，1991.[1]；美国专利5130544，Cl.G 01 N 21/61，1991.[2]；AppliedOptics 38，7342-7354(1999).[3]，其中在光学比色皿内进行这些测量。采用了两个封闭的比色皿，研究的气体混合物通过比色皿泵送，并且打开的比色皿用于局部测量空气中的气体(甲烷)浓度。这种气体分析仪安装在各种飞行器(飞机、直升机、平流层)的板上以测量空气中甲烷的浓度。并且由于光路很长且测量条件稳定，测量的灵敏度非常高，特别是使用多通道比色皿时。这种装置在地球的不同部分在不同高度测量各种气体(甲烷)浓度分布非常有效[3]。尝试使用这种装置来检测来自管道的天然气泄漏，由于在高灵敏度测量时，可在距离其很远的地方(多达100米)检测泄漏。但这种装置的根本缺点是泄漏位置的确定精度低并且出现大量错误结果，这是由于空气中甲烷的背景浓度略微过量(10％)可能是由各种因素造成的，该因素与来自气体管道的气体泄漏无关。
许多不同类型的直升机或基于汽车(全地形)的装置直接或离开一定距离(20-200米)的附近检查泄漏位置。这些装置属于远程仪器类并且基于不同的作用原理。它们允许较准确地定位泄漏的位置。所主张的装置属于相同类型的仪器。根据其它类型的气体泄漏的远程探测器，可以区分为在它们的操作原理上不同的四种类型的装置。
使用安装在直升机板上的各种红外(IR)摄像机作为远程气体泄漏探测器，例如：RU 2115109C16G21/61，1994[4]，水文地质和工程地质的热航空测量(Thermal aerialsurvey in hydrogeology and engineering geology)/编辑：b.G.S.Vydritsky.L.,1986[5]。借助该检测方法，可在直升机飞行过程中获得地球表面和沿管道的各种物体的红外图像。该检测方法的操作原理基于以下事实：当气体通过相对较小的开口从具有较高压力的管道(或其它容器)流出到大气中时，气体流速非常高并且这会导致节流效应且泄漏位置附近的某些区域冷却。当管道位于土地表面上时，气体泄漏导致管道的某一部分冷却，并且在管道位于地下的情况下-使泄漏位置附近的土壤冷却。在存在节流效应的情况下温度差ΔT的大小与管道和环境中的压力差ΔP成比例：ΔT＝K*ΔP，其中，K是甲烷的等于0.33度/atm的常数[6]。当主气体管道中的压力大于50atm时，最大冷却可达到20度。这导致可以通过红外摄像机检测的冷却区域的热辐射强度降低。然而，泄漏位置附近的管段或土壤的冷却值也很大程度上取决于热交换条件。特别是，在外部泄漏位置的情况下，管道的金属材料具有足够高的导热率，这导致在长距离上冷却位置的“模糊不清”，结果检测到的温度梯度显著降低。在地下泄漏位置的情况下，大量的土壤暴露以冷却，而土壤表面层的冷却显著减少。降低温度梯度的能量流入不仅由于管道和土壤的导热性而且由于大气地球表层附近的对流和风而发生。因此，泄漏位置附近的最大记录温度梯度为～10度，并且在轻微泄漏的情况下-小于1度。现代红外摄像机的灵敏度低于0.1度，看来可以容易地记录气体泄漏。然而，当使用红外摄像机记录泄漏时，存在许多外部因素明显降低结果的准确性和可靠性。首先，穿过红外摄像机视野的植被(草、灌木、树木)的冷却比土壤少很多。其次，在冷却方面获得的结果明显取决于天气条件(风、湿度、土壤和空气的温度)并且取决于土壤的类型。第三，地球一部分的红外图像不仅取决于该区域的热辐射，而且还取决于散射的太阳辐射，其在照明和阴影区域中明显不同。这导致大量错误结果，并且在响应阈值增加的情况下-导致泄漏检测的灵敏度降低。
使用红外摄像机观察管道附近是指被动的检测泄漏的方法。比较有效的是主动远程配准方法，其中通过各种光源探测地球表面并且对得到的响应进行研究。作为这样的源，使用各种激光，其辐射直接与气体(甲烷)分子相互作用并且所得到的响应取决于气体浓度。
通过根据拉曼散射方法操作的气体分析仪提供最可靠的泄漏检测。它们包括激光器、激光输出系统、接收光路、光探测器、数据处理和记录系统：激光雷达复合体(Lidarcomplexes)：当前状态和前景(current state and prospects)，大气光学(Optics of theatmosphere)，1988，Vol.1，N 18，p.3-12[7]；RU 2036372C1 6F17D 5/02，1992[8]；RU2022251C1 5G01N 21/61，1991[9]。
这些装置的操作原理基于以下事实：与分子相互作用的激光辐射激发其电子子系统，其在弛豫过程中以自身的振荡频率进行辐射。该辐射称为受激拉曼散射并且由装置的接收系统记录。
通常，接收系统包括光谱仪，其可以仅记录甲烷的受激辐射。因此，根据记录辐射(registered radiation)的强度，进行从仪器到地球表面的光路中的分子数的直接测量。该方法的主要优点是外部测量条件不会影响所获得的结果。但这种类型的装置还具有的缺点是，其使用明显受到限制。首先，对于拉曼散射需要采用功率多达3kW/cm2的强大短波(小于1μm)激光器[8]。这需要相当笨重的装置，其具有高水平的功率消耗。这种激光器的辐射对眼睛伤害极大。这些激光器通常在脉冲模式下工作，脉冲重复率相对较低，这限制了装置的速度。其次，拉曼散射的横截面相对较小并且甲烷的横截面积为～10–29cm2(为了比较，在吸收线中心在近红外范围内甲烷吸光的横截面为～10-20cm2，并且在中间红外范围内为-10-18-10-19cm2)。结果是，拉曼散射的强度相对较小，并且甚至在使用笨重的接收系统时，这种装置的灵敏度相对较小。
使用气体吸收特性的激光气体分析仪具有较高的灵敏度和操作速度。存在许多这种基于直升机的装置用于检测气体泄漏，其中将激光辐射引导到气体管道附近的一块土地，接收散射辐射，且从直升机到地球的光路中的甲烷平均浓度通过分析从光探测器接收的信号进行计算。
对于甲烷的检测，传统使用氦-氖激光器，其发射波长-3.3922μm与其中一条相当强的P7甲烷吸收线的中心重合：分析气体微浓度的激光吸收方法(Laser absorptionmethods for analyzing gas microconcentration)-M.:Energoizdat，1984[10]；RU2017138C1 5G01N 21/61，21/39，1990[11]；RU 2029287C1 6G01[12]。然而，仅一个波长的激光辐射不足以获得可靠的结果，特别是在现场条件下，原因是激光辐射的减少不仅可由甲烷吸收引起，而且可由许多其它因素引起，主要是通过改变直升机飞行期间来自不同地形物体的光学反射。使用两个辐射波长为3.3922μm和3.3912μm的氦-氖激光器的差分法较为有效[11，12]，并且第二波长的甲烷吸收比第一波长小20倍。设计这些装置中辐射的光输出使得两个激光器轮流地照射地球表面的一部分，延时最短。在处理接收的信号时，计算对应于不同激光辐射的时间间隔中，信号幅度的差异。该差异与光路中甲烷的平均浓度成比例。由光路长度为100m的空气中甲烷背景浓度引起的两个波长吸收系数差为15％。很容易检测到这种信号差异，且测量的灵敏度和精度似乎非常高。然而，测量的灵敏度和精度受到其它因素的限制。首先，激光对地球表面辐射的时间不同，并且典型的地形物体(沙子、粘土、草、树叶、雪)的光反射系数在15％内变化。因此，为了获得足够的灵敏度和测量精度，必需将不同激光辐射之间的时间间隔减小到1毫秒和更低，这使光辐射输出系统复杂化。另一种方法是使输出激光束散焦以便在较大区域上取反射系数的平均值，但同时降低了确定泄漏位置的精度。限制测量精度的另一个因素是激光辐射功率的异步变化(漂移和噪声)。这种装置最明显的缺点是：检测浓度的动态范围极低。背景中超过甲烷平均浓度仅10倍，将接收到的在波长下的信号减少到零，并且差分方法停止工作。为了避开该问题，在[12]中提出了在3.3922μm波长下在信号归零的情况下，测量仅在3.3912μm波长下的吸收。然而，在这种情况下，具有存在上述缺点的非差分测量方法。在[11]中，提出了在将其中一个激光器的辐射重新布置到另一波长(甲烷吸收系数非常小)之后，在给定泄漏点处在3.3922μm的波长下吸收饱和之后进行重复测量。这降低了测量效率并使装置的设计复杂化。同时，被测量浓度的动态范围仅增加10-50倍，如在[13]中明显提到的，其应不小于105。还应注意，氦-氖激光器的共同缺点是它们的不可靠性且在现场条件下寿命有限。
下列气体分析仪在以下现有技术中也是已知的：RU 2086959C1 6G01 N 21/39，21/61，1995[13]；RU 2091759C1 6G01N 21/39，1995[14]。这些是使用以1.06μm的波长辐射的重复脉冲固态Nd:YAG激光器的其它类型的激光气体分析仪。
然后，使用非线性LiNbO3晶体，将辐射波长重新布置至3.1-3.6μm的范围，其中甲烷具有多条强和弱吸收线。波长的具体值通过非线性晶体的旋转角度和选择波长的单元确定，旋转角度在机电单元的协助下进行。由于非线性转换系数相对较小，需要强大的Nd:YAG泵浦激光器来获得对于检测甲烷泄漏可接受的输出辐射功率。因此，泵浦激光器是相当复杂的技术装置，其包括强大的电源单元、冷却单元和激光谐振器内部的栅极控制单元，以提供用于产生巨脉冲的模式。为了形成差分甲烷检测模式，在该仪器中使用两个泵浦激光器和两个非线性波长转换器单元，该波长转换器单元被独立地调节到3.1微米到3.6微米范围的不同波长。辐射输出单元和时间延迟单元通过在两个波长下管道附近的地球表面的匝数来提供辐射。此外，如在氦-氖激光器气体分析仪中，散射的辐射进入装置的接收系统，并且根据两个不同波长的接收信号的差异来计算甲烷吸收。与氦-氖激光器上的甲烷探测器相比，该装置[14]具有显著的优势，原因是可以使用变波长机电单元和特殊校准单元从3.1-3.6μm的范围中选择两个辐射波长。因此，测量浓度的动态范围明显增加并且达到5*105的所需值(从背景到甲烷的爆炸性浓度的水平)。此外，不仅可以检测甲烷，而且可以检测其它烃(乙烷、丙烷、丁烷)，其它烃在频率变化范围内具有吸收线。这使得不仅可以检测来自天然气管道的泄漏，而且可以检测来自其它产品管道的泄漏，特别是BFLH(大分数的轻质烃)。此外，该装置配备了特殊的空间扫描系统，用于在直升机飞行期间探测地球表面的相对宽的区域。该装置额外配备了红外摄像机用于独立检测气体泄漏。应该注意，额外使用红外摄像机进行定量分析的合理性相当值得怀疑，原因是激光气体分析仪必须提供非常好的检测参数。该技术方案[14]最接近于公开的激光气体分析仪。
在技术中，公知的是远程甲烷泄漏探测器(RMLD)。其目的：借助于远程甲烷泄漏探测器(RMLD)(其代表Heath Consultants公司(他们20年没有改变探测器的设计)的技术方案)，可以从远处检测甲烷泄漏。RMLD是第一款设计用于检测甲烷泄漏的新一代装置，其可以明显提高检测的有效性和安全性。使用RMLD装置，即使在难以到达并且勉强通过的区域(barely passable region)中也可进行工作。激光探测器RMLD的操作原理基于激光技术，该技术是通过可重新调节二极管激光器吸收光谱的光学方法(参见下面的第7部分)。在激光束穿过气流时，甲烷吸收被RMLD仪器立即捕获的部分辐射能量。该技术允许沿着瞄准线远程检测泄漏，无需将仪器放置在泄漏位置处的步骤。
在现有技术中，还已知激光探测器，“便携式激光甲烷泄漏检测仪(LaserMethanemini)”。激光探测器，“便携式激光甲烷泄漏检测仪”(LMm)是便携式装置，其设计用于远程检测甲烷以及含有甲烷的其它气体混合物(天然气或类似气体)。允许通过将激光束引导到感兴趣的区域，来快速检测气体泄漏或气体的累积体积。与之前的型号相比，LMm的特性得到了明显改善-该装置现具有火花安全设计(高安全设计，spark-safedesign)、小尺寸、较低的功率消耗、提供较长的操作时间、以及延长的工作温度范围。测量原理基于甲烷吸收特定波长的红外激光辐射的能力。指向受控对象(例如，气体管道、天花板等)的激光束被部分反射。该装置接收该反射的辐射流并测量吸收程度，然后通过装置将其转换为探测气体层中的甲烷密度(ppm-m；ppm-百万分率(parts per million))。
在现有技术中，还已知具有开放光路“Searchline Excel”(HoneywellInternational Inc.)的红外探测器。“Searchline”传感器被设计以检测烃云(碳氢化合物云，hydrocarbon cloud)的存在并防止在红外辐射的发射器和接收器之间的空间中形成爆炸性浓度。与辐射的发射器和接收器之间空气中烃的实际浓度成比例的模拟输出信号以下列单位测量：LEL x m，表示潜在危险的水平。控制系统可以进一步关闭危险物体；强制通风系统的工作等。应用范围：石化和化学、水的制备和水净化、半导体的生产等。
所主张的技术方案的最接近的类似方案是远程传感器和用于检测甲烷的方法(RU137373，G01J，2014年2月10日公布)。远程甲烷传感器，包括：激光二极管，发射对应于甲烷吸收带的波长的光；光探测器，接收并测量从远程目标反射回来并穿过检测气体云的一部分激光辐射；信号处理板，连接至光探测器；连接到信号处理板的处理器模块，其特征在于，附加有透射透镜，透镜具有连接到光纤分束器的镜系统，光纤分束器通过光纤连接到激光二极管；接收透镜，收集从远程目标反射并穿过检测气体云的信号，并将信号聚焦在光探测器的接收区域上；多通道比色皿，传输其它部分的激光辐射，该激光辐射由光纤分束器分离并由准直器输入到多通道比色皿中，然后由第二光探测器接收，准直器和第二光探测器安装在多通道比色皿的相对侧上；以及安装在多通道比色皿出口处的泵，同时泵送来自位于多通道比色皿入口处的采样器的可检测气体通过它。
所主张的技术方案的接近类似方案是用于远程检测气态甲烷积聚的移动装置和方法(RU 2333473，G01N21/31，2007年5月27日公布)。该发明的实质在于：用于远程检测气态甲烷积聚的移动装置包括发射装置(transmitting device)，该发射装置配备有用于产生光的源，其波长与甲烷的光谱特征相匹配，且能够将产生的光引导到测量区域；用于检测反射光的探测器装置和信号处理装置。光源发射具有甲烷吸收波长的光，并且该波长在3200至3300nm的范围内，并且光源包括通过信号注入受到激发并连接到泵浦激光器的光参量发生器。技术结果：确保测量的高灵敏度。
在现有技术中，已知基于近红外二极管激光器和外部光纤传感器用于远程测量甲烷浓度的气体分析仪。(Akhmedov E.R.,Ponurovsky Ya.Ya.“基于近红外二极管激光器和外部光纤传感器用于远程测量甲烷浓度的气体分析仪”，Bulletin of MGTU MIREA(MoscowState Technical University,Moscow Institute of Radio-Electronics andAutomatics)2015No.2(7)6，莫斯科，俄罗斯)。气体分析仪被设计用于通过使用NIR二极管激光器和外部传感器的吸收光谱法来检测甲烷，外部传感器为-单通道50mm长度光学比色皿，具有光纤输入和远程超过50km的辐射输出。探测器可以用于远程测量石油和天然气工业、电力工业等中包括甲烷的气态物质的浓度。使用装置在石油和天然气(油和气)的提取和输送期间可以获得装置特别明显的效果。
发明内容
可以通过所要求保护的技术方案解决的问题(对象)是不存在用于在开放区域中检测泄漏位置的自动监测系统。目的是建立用于远程监测甲烷泄漏的系统，该系统允许以及时的方式响应、阻止泄漏并且从而减少天然气的技术损失，以及防止泄漏。
所要求保护的技术方案的技术结果是以及时的方式检测甲烷的泄漏。
所要求保护的技术结果通过远程测量大气中气体浓度的方法实现，其中，使用安装在飞行器板上的远程气体分析仪进行大气中气体浓度的自动实时测量和数据收集。远程气体分析仪包括光学单元和数据处理设备(数据处理单元)，其中光学单元包括激光器模块(激光模块)、分析通道(analytical channel)、透镜(2)、分析通道镜(5)、滤光器(10)、分析信号光探测器(6)、和参考通道，其中一部分激光辐射(1)穿过具有被检测气体的比色皿(元件，盒，传感器，cell)(8)并聚焦在参考通道的光探测器(9)上，并且被物体(对象)散射的其它部分辐射击中(射到，撞击，hit)抛物面镜(parabolic mirror)(5)并聚焦在光探测器(6)上，穿过滤光器(10)。远程气体分析仪通过数据处理单元自动化，数据处理单元通过多功能数字板和模拟接口模块连接到远程气体分析仪的光学单元的组件，多功能数字板包括模数转换器(ADC)、两个数模转换器(DAC)，其中通过经由辐射输出单元光耦合的多功能数字板上的数模转换器控制二极管激光器，ADC输入利用来自分析A(t)和参考R(t)通道的光探测器的放大信号(amplified signal)提供，其中实时处理这些信号以计算从仪器到地球表面的光路上所选择气体的平均浓度，并且这些信号的处理包括以下步骤：其中确定互相关函数F(z)＝∫A(t)*R(t+z)dt，和参考通道信号的自相关函数G(z)＝R(t)*R(t+z)dt。使用这些函数的值对分析通道中的上述信号噪声进行过滤(滤波)。取决于F(z)和G(z)的值确定互相关系数以及取决于互相关系数确定分析通道中的气体浓度。C0是参考比色皿(referencecuvette)中的气体浓度，L、L0分别是分析通道和参考通道中的光路的长度。然后，对大气的接地层(表面层，地面层，ground layer)中提供有测量气体浓度的宽动态范围的不同吸收线同时进行检测，同时考虑风的速度和方向沿着从仪器到地形物体(地形对象，topographic object)的光路确定气体泄漏的量，并且在飞行器飞行期间测量结果实时显示在监视器上并且将这些数据同时记录在计算机存储器中用于飞行后处理。
在所要求保护的技术方案的特定实施方式中，使用基于近红外范围的可调节二极管激光器的激光器模块，该可调节二极管激光器辐射接近1.65μm的波长，以每个脉冲期间光谱扫描辐射波长的占空比(off-duty ratio)小的脉冲模式操作。
在所要求保护的技术方案的特定实施方式中，根据波数将二极管激光器辐射的频率重新调节在多达100cm-1的范围内，并且改变和稳定二极管激光器的温度。
在所要求保护的技术方案的特定实施方式中，改变二极管激光器的电源大小并且在多达5cm-1的范围内进行扫描。
在所要求保护的技术方案的特定实施方式中，每隔1.33毫秒进行甲烷的检测。
在所要求保护的技术方案的特定实施方式中，检测在二极管激光辐射波长的温度调节范围内具有吸收线的气体。
在所要求保护的技术方案的特定实施方式中，同时检测在辐射的电流扫描波长(当前扫描波长，current scanning wavelength)内具有紧密间隔的吸收线的气体，特别地，这对于诸如甲烷和乙烷的气体是可能的。
在所要求保护的技术方案的特定实施方式中，测量泄漏位置附近被检测气体的空间分布；并且使用全球定位系统(GPS)测量当前坐标(电流坐标，current coordinate)，并且通过控制程序处理所获得的数据，计算直升机飞行路径(helicopter flight path)，同时记录被检测气体的浓度。
在所要求保护的技术方案的特定实施方式中，调节装置以检测在近红外范围内具有吸收线的其它气体，诸如丙烷、氨、氮氧化物、碳氧化物、挥发性酸、氧、水。并且使用具有类似结构的二极管激光器代替该二极管激光器，但以不同波长辐射，并且也替换激光辐射控制的程序参数。
附图说明
利用所附的图根据下文对所要求保护发明的实现选项的描述，可以看出本技术方案的细节、特征和优点：
图1-远程气体分析仪的光学部件的示意性装配图；
图2-使用远程气体分析仪进行测量的光学方案；
图3-控制二极管激光器的辐射的电流脉冲序列的配置；
图4-在接近1.65μm的波长下甲烷的吸收光谱；
图5-在下列条件下测量的R5线(1.65095μm)附近的线性(a)和对数(b)标度中甲烷的吸收光谱：大气中甲烷的背景浓度、光路长度-100m；
图6-远程气体分析仪的电子设备的框图。
图上的数字表示下列位置：
1-二极管激光器；2-透镜；3-光分离器；4-地形物体；5-抛物面镜；6-分析通道的光探测器；7-透镜；8-具有被检测气体的比色皿(cuvette)；9-参考通道的光探测器；10-滤光器；11-多路复用器；12-可编程放大器；13-口称(dizer)；14-缓冲存储器；15-计算机总线；16-控制程序；17-激光器的激光电源；18-热电元件的电源；19-热敏电阻的转换器；20-GPS装置；21-计算机的串行端口。
具体实施方式
所要求保护的远程测量大气中气体浓度的方法通过基于辐射接近1.65μm波长的近-IR(红外)范围DL(二极管激光器)远程测量气体浓度的装置实现。与包括已知技术方案[14]的激光器的许多其它类型的激光器相比，DL通过特性的组合具有显著的优点。
第一，DL辐射的频率可以通过改变并稳定DL的温度在相当宽的范围内(波数多达100cm-1)容易地调节并且还可以通过改变其馈送电流快速扫描多达5cm-1。因此，与已知技术方案[14]的情况相比，在所要求保护的气体分析仪中以更加简单和经济的方式提供选择辐射波长并扫描它的操作。
第二，DL非常小并且这在创建紧凑型气体分析仪时是重要的。
第三，在标准壳体中大量生产多种类型的DL，并且这些类型的数量不断增加；这允许创建具有可互换激光单元的通用气体分析仪，用于各种分子物体(分子对象，molecularobject)。
第四，DL功率消耗相对较低：为了稳定DL温度，需要不超过2瓦的功率，并且由于高效率因子(30-80％)，激光辐射本身增加了相对较少一部分的功率消耗。
使用辐射波长为约1.65μm的二极管激光器(DL)作为装置中的辐射源，其中，甲烷具有相对较强的数量(横截面为10-20cm2)和大量弱的吸收线。
二极管激光辐射(1)通过透镜(2)校准并引导到位于足够远距离的地形物体(4)使得接收通道的光轴指向将进行测量附近的物体。
二极管激光器(下文中为DL)以在1.65μm的波长下具有300μs的脉冲持续时间的脉冲模式辐射。激光辐射被地形物体(地球(地面)、草(草地)、森林等)反射，击中接收镜并聚焦在光探测器(PD)上。
远程气体分析仪由光学单元和装置的电子元件组成。气体分析仪的光学单元包括激光器模块、透镜、分析通道镜、滤光器、分析信号的光探测器和参考通道。在探测器中使用在近红外范围内工作的二极管激光器作为平均波长为1.65μm的辐射源，其可以取决于激光器温度和泵电流的大小而变化。激光器模块设计在TO-8标准壳体中，其中将DL安装在热电元件上，该热电元件允许激光温度在-10℃至+60℃的范围内变化。最大激光功率为15mW。装置的光学模块包含光谱的近红外区域中具有最大透射率的透镜。借助于该透镜，形成在50m的距离处具有5cm直径的几乎平行(稍微发散)的激光束。
为了聚焦散射的激光辐射，使用分析通道的特殊短焦抛物面镜，与具有类似参数的球面镜相比，该抛物面镜产生了显著更少的像差畸变(aberrational distortion)。
使用具有2mm的光敏区域的在TO-5型壳体中的InGaAs类光电二极管作为分析通道中的光探测器。
为了减少日光曝晒(日光照射)的影响，滤光器直接安装在分析通道的光探测器的前面，这可以将日光曝晒的强度降低90倍。这种滤光器在工作波长下的传输率(transmission)为90％。
参考通道包含在大气压下填充有甲烷(25％)和氮气(75％)的混合物的比色皿，以及其焦点位于具有1mm的光敏区域的InGaAs光电二极管的透镜。
探测器的光学单元还包括参考通道，其中一部分激光辐射穿过包含甲烷的比色皿并聚焦在其它光探测器上。被物体(4)散射的部分辐射击中抛物面镜(5)并聚焦在光探测器(6)上，穿过滤光器(10)。这些元件(要素)形成分析测量通道。使用分束器(3)将一部分的二极管激光辐射(～10％)转移到参考通道。参考通道包括透镜(7)、具有甲烷的比色皿(8)和光探测器(9)。
使用包括具有被检测气体的比色皿的附加的参考光学通道和激光辐射波长的快速扫描模式使得可以在数据处理期间对主要通道和参考通道的互相关函数信号应用如滤波器(滤光器)的噪声抑制方法，这有助于测量灵敏度的显著提高。
尽管在光谱的中间红外区域(3.1-3.6μm)中的甲烷吸收比在约1.65μm的近红外区域中高约100倍的事实，但在所要求保护的装置中使用近红外范围的DL。对此存在几个原因。首先，所要求保护的装置(InGaAs型)中使用的光探测器的灵敏度和噪声水平比来自3-4μm范围的最佳光探测器好100倍。所要求保护的装置中使用的接收系统提供2pW的噪声水平(在0.5秒内取平均时)。这使得可以在较低激光辐射的功率水平下进行测量。在装置中使用功率为15mW的DL，并且在分析通道中进入接收器的辐射功率为约15nW，光散射系数为约0.25(对于沙子、地球(地面)、草(草地)、树叶(叶子))，并且距地形物体的距离为50米。因此，最小测量吸收值为1.3*10-4。
近红外DL的优点还应包括它们可以以连续模式和以多达10MHz频率的脉冲模式两者进行辐射的事实。这为使用不同辐射模式提供了广泛的机会。对于现场测量，还重要的是，与已知技术方案中和其它激光气体分析仪中使用的短波激光器和中等范围(中程)红外激光器相比，1-2μm的红外范围对于人眼是最安全的。
使用可调节的二极管激光器作为探测辐射源和所使用的测量技术允许同时检测诸如甲烷和乙烷的气体，以及配置装置通过用具有类似设计的二极管激光器代替二极管激光器，但以不同波长辐射，并改变激光辐射的程序参数，用于检测在近红外范围内具有吸收线的其它气体，诸如丙烷、氨、氮氧化物、碳氧化物、挥发性酸、氧、水)。
在所要求保护的装置中，DL安装在热电加热器/冷却器上，该热电加热器/冷却器允许在-10+60℃的范围内改变激光温度，这使得在1.642-1.656μm的范围内改变激光辐射的波长。为了检测甲烷，可以选择线R5，其中心位于1.65095μm处。为了使DL的温度稳定，使用热敏电阻，该热敏电阻与激光器壳体热接触。所提供的装置中的DL以脉冲模式进行辐射，脉冲持续时间为1ms，脉冲之间的间隔为0.33ms。
馈送激光的电流脉冲示出在图3中，它们具有梯形形状。这使得可以例如，在甲烷线R5附近在约5cm-1的范围内(根据波数)扫描DL的辐射频率。
在1.65μm波长附近范围内甲烷的吸收光谱示出在图4中，并且在R5线附近的详细光谱示出在图5中。根据该图，可以看出，除了R5线之外，在该范围内存在多条弱甲烷吸收线。这使得可以不仅沿着R5线(在相对低的甲烷浓度下)，而且当R5线上的吸收饱和时在足够高浓度下沿着弱甲烷线同时进行测量。
大气中甲烷的背景浓度(1.6*10-4％)导致在100m的光路长度上在R5线的中心处为7*10-3的吸收(参见图5)。结果，可以在信噪比为50(在0.5秒内取平均时)的情况下测量高度为50m处的甲烷的背景浓度。可以沿R5线测量的气体泄漏云(gas leakage cloud)中甲烷的最大浓度为0.04％。使用在1.6501μm的波长下的弱甲烷线同时测量较高浓度(多达4％)。因此，测量浓度的动态范围为106(对于相对较慢的测量，在0.5秒内取平均)和105(对于超过50毫秒的快速测量)。
在所提供的装置中实现所需的动态范围(从背景到爆炸性浓度)，并没有额外调节发射器参数，而在已知的技术方案[14]中，必需重新调节发射器频率并且这显著降低了测量性能。
除了甲烷之外，所述测量方法允许检测其它挥发性烃，该挥发性烃在二极管激光器辐射波长的温度重新调节范围内具有吸收线。其中，可以同时检测在辐射波长的电流扫描限制内具有紧密间隔的吸收线的许多气体，特别地，这对于诸如甲烷和乙烷的气体是可能的。尽管在已知的技术方案[14]中，除了甲烷之外还可以检测其它挥发性烃，但不可能同时进行它们的检测。
可以每隔1.33毫秒进行(一次)甲烷的检测，并且在速度方面，所要求保护的装置显著胜过已知的技术方案和其它已知的远程气体分析仪两者。在实际现场测量中，这样的速度是冗余的，因此，在该装置中，进行取平均并在40毫秒和0.5秒之后处理数据(两个平均模式-同时)。
装置的电气框图示出在图6中。
装置使用笔记本型计算机进行自动化，该笔记本型计算机通过多功能数字板(包括模数转换器(ADC)和两个数模转换器(DAC)的套件以及模拟接口模块，连接到光学单元组件(激光器和两个光探测器)。使用LabView(虚拟仪器)环境中创建的计算机程序来控制装置。
一个DAC由通过激光器的电流来控制，另一个-由根据所描述步骤通过热电元件的电流来控制。为了将控制电压从两个DAC的输出转换为电流源作为模拟接口模块的一部分，使用转换器-放大器(converter-amplifier)(参见图6)。
将热敏电阻的电阻转换为施加到ADC的一个输入的电压。另外两个ADC输入利用来自分析A(t)和参考R(t)通道的光探测器的放大信号来提供。
来自光探测器的信号的软件处理包括许多数学程序，包括互相关函数的计算：
F(z)＝∫A(t)*R(t+z)dt
以及参考通道信号的自相关函数：
G(z)＝∫R(t)*R(t+z)dt
使用这些函数的值来过滤分析通道中上述信号的噪声，使用参考通道中甲烷的线形作为滤波器(滤光器)，这显著提高了测量的精度和灵敏度。
然后计算互相关系数：
K＝∫F(z)*G(z)dz/∫G(z)*G(z)dz
以及通过下述计算分析通道中的甲烷浓度：
C＝K*C0*L0/L
其中，C0是参考比色皿中甲烷的浓度，L、L0分别是分析通道和参考通道中的光路长度。
由于快速扫描其辐射波长的所选择的激光控制模式，因此在所要求保护的装置中存在使用互相关函数的可能性。
在公知的技术解决方案[14]中和在其它激光气体分析仪中，根据两个波长下信号差异计算甲烷浓度，并且用于提高测量精度的该数学程序不适用。该装置中使用的互相关程序还提供了显著较高(与公知的技术解决方案中相比)的测量选择性-该装置对信号失真和除了甲烷之外的其它气体不敏感。
作为对光探测器信号处理的结果，沿着从仪器到地形物体的光路计算甲烷浓度。当气体从管道(或从其它甲烷源)泄漏时，形成了具有甲烷浓度的不均匀分布的甲烷云。云的特征尺寸和云中甲烷的平均浓度两者取决于管道中的气体压力和孔径，并且取决于风的方向和速度。
使用作为气体分析仪的一部分的GPS卫星定位系统，可以测量当前坐标，该坐标通过计算机的串行端口读取并且通过程序进行处理。结果，计算直升机的飞行路径，同时记录甲烷浓度。额外使用的卫星GPS全球定位装置和通过仪器控制程序进行的GPS数据处理允许测量泄漏附近被检测气体的空间分布。
在所记录气体泄漏的飞越(flyby)期间，确定泄漏附近甲烷的空间分布，并记录气体泄漏的坐标。然后考虑风的速度和方向，计算泄漏值。在直升机飞行期间测量结果实时显示在监视器屏幕上，并同时记录在计算机存储器中用于飞行后处理。装置控制和数据处理程序自动运行并且无需操作员进行干预。
用于实施该方法的装置以两个独立部分的形式进行构造：安装在直升机板上的光学单元，以及具有装配在单独壳体中的笔记本型计算机的电子装置。光学单元的尺寸-400x400x600mm3时，重量-25kg；电子装置的壳体尺寸-500x400x200mm3，重量-10kg。因此，与公知的技术方案相比，该装置更加紧凑并且便于在直升机板上进行运输和安装。来自直升机机载网络(helicopter on-board network)的所要求保护的装置的总功率消耗为100W，与公知的技术方案和其它已知的远程气体分析仪相比，这显著更低。
所要求保护的发明已在实践中实施并已通过了地面测试。此外，该装置安装在Mi-2和K-26型直升机上，两者用于进行测试，两者显示人工产生的泄漏并进行实际泄漏测量。测试结果证明了所要求保护装置在组成部分和总体方面两者的效率。
所述测量方法允许检测甲烷和其它挥发性烃两者，该挥发性烃在二极管激光器的辐射波长的温度调节范围内具有吸收线。并且可以同时检测在辐射波长的电流扫描限制内具有紧密间隔的吸收线的许多气体，特别地，这对于诸如甲烷和乙烷的气体是可能的。尽管在公知的技术方案[14]中，除了甲烷之外还可以检测其它挥发性烃，但不可能同时进行它们的检测。
可以每隔1.33毫秒进行甲烷的检测，并且在速度方面，所提出的技术方案显著胜过公知的技术方案和其它公知的远程气体分析仪两者。在实际现场测量中，这样的速度是冗余的，因此，在该装置中进行取平均并且在40毫秒和0.5秒之后处理数据(两个平均模式-同时)。

Claims (9)

1.一种远程测量大气中气体浓度的方法，其中，通过安装在飞行器上的远程气体分析仪实时进行大气中气体浓度的自动测量和数据收集，其中所述远程气体分析仪包括光学单元和数据处理单元，其中所述光学单元包括激光器模块、分析通道、透镜、分析通道镜、滤光器、分析信号的光探测器和参考通道，其中一部分激光辐射穿过包含被检测气体的比色皿并聚焦在所述参考通道的光探测器上，并且被物体散射的其它部分辐射击中抛物面镜并聚焦在光探测器上，穿过所述滤光器；所述远程气体分析仪通过数据处理设备自动化，所述数据处理设备使用多功能数字板和模拟接口模块连接到所述远程气体分析仪的所述光学单元的组件，所述多功能数字板包括模数转换器(ADC)和两个数模转换器(DAC)，并且使用通过辐射输出单元光耦合的多功能数字板上的数模转换器控制二极管激光器，ADC输入利用来自分析A(t)和参考R(t)通道的光探测器的放大信号提供，其中实时处理这些信号以计算从仪器到地球表面的光路上所选择气体的平均浓度，并且这些信号的处理包括下列步骤，其中：确定互相关函数F(z)＝∫A(t)*R(t+z)dt，和参考通道信号的自相关函数G(z)＝R(t)*R(t+z)dt；使用这些函数的值对所述分析通道中的上述信号噪声进行过滤；取决于F(z)和G(z)的值确定互相关系数以及取决于所述互相关系数确定所述分析通道中的气体浓度，C0是参考比色皿中的气体浓度，L、L0分别是分析通道和参考通道中的光路的长度；然后，对大气的接地层中提供有测量气体浓度的宽动态范围的不同吸收线同时进行检测，其中考虑风的速度和方向沿着从仪器到地形物体的光路确定气体泄漏的量，其中在飞行器飞行期间测量结果实时显示在监视器上并且将这些数据同时记录在计算机存储器中用于飞行后处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法使用基于近红外范围的可调节二极管激光器的激光器模块，所述可调节二极管激光器辐射接近1.65μm的波长，以每个脉冲期间光谱扫描辐射波长的占空比小的脉冲模式操作。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法根据波数将所述二极管激光器的辐射频率重新布置在多达100cm-1的范围内，并且改变和稳定所述二极管激光器的温度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法改变所述二极管激光器的供电电流的大小并且在多达5cm-1的范围内进行扫描。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法每隔1.33毫秒进行甲烷的检测。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法检测在所述二极管激光器的辐射波长的温度重新调节范围内具有吸收线的气体。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法检测在辐射波长的电流扫描内具有紧密间隔的吸收线的气体，特别地，这对于诸如甲烷和乙烷的气体是可能的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法测量泄漏位置附近被检测气体的空间分布，并且使用GPS全球定位系统测量当前坐标，并且在控制程序中处理GPS数据，计算直升机的飞行路径，同时记录被检测气体的浓度。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法配置装置以检测在近红外范围内具有吸收线的其它气体，诸如丙烷、氨、氮的氧化物、碳的氧化物、挥发性酸、氧、水，通过在设计上类似的二极管激光器代替所述二极管激光器，但以不同波长辐射，并且替换激光辐射控制程序的参数。
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