CN111721485A - 基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，该方法使用两台具有微小重复频率差别的光学频率梳进行多外差干涉下转换到射频探测再与傅里叶变换光谱技术相结合，实现对石油天然气的非接触式在线检测，该方法的步骤为：（1）完成两台光学频率梳的重复频率和载波包络相位偏移频率的锁定（2）天然气泄漏检测；（3）两台光学频率梳进行多外差干涉射频探测；（4）通过计算机进行傅里叶变换还原光谱信息；（5）判断天然气检测区是否存在泄漏。本发明的优点是：该方法的光谱分辨率和信噪比更高，可同时甄别多种气体成分，抗干扰能力强。

Description

基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法。

背景技术

石油天然气作为目前人类广泛使用的绿色能源，其在开采，处理及运输过程中存在的泄漏问题一直是人们所担心的。由于天然气的主要成分甲烷（CH4）易燃易爆的特点，一旦发生泄漏，势必严重危及到工作人员的安全，所以快速有效地检测天然气是否存在泄漏对于石油天燃气的开发和生产有着非常重要的意义。虽然实际生产中已经存在一些检漏方法，如基于电化学和半导体技术的检测设备，但这些方法普遍存在检测精度较低，响应时间较长，且容易受到其他气体干扰等问题。基于激光光谱技术的气体检测技术，能够实现对气体的高分辨，非接触式在线检测，同时可以甄别多种气体成分，抗干扰能力强。光谱分析的基本原理是在激光的作用下，每一种原子都会吸收或发射自身的特征谱线，因此可以根据该光谱来鉴别物质及确定它的化学组成。而飞秒光学频率梳由德国科学家T. Hänsch提出并随后在2005年获得诺贝尔物理学奖后，以优异的时频域特性迅速获得科研人员的广泛关注。光学频率梳在时域上输出等时间间隔的飞秒脉冲序列，其傅里叶变换对应为频域内一系列等频间隔的频率梳齿，它的出现为高精度气体吸收光谱测量提供了新的技术手段，因此基于双光学频率梳的光谱技术在石油天然气泄漏在线检测领域有着非常广阔的应用前景。

发明内容

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，该方法通过采用两台光学频率梳多外差干涉与傅里叶变换光谱分析相结合，实现对天然气的快速检测。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于通过检测系统实现天然气泄漏检测，所述检测系统包括双光学频率梳模块、分光模块、参考臂、光缆传输模块、气体检测模块、合束模块、信号检测模块、数据采集及光谱分析模块，所述双光学频率梳模块包括两台光学频率梳，数据采集及光谱分析模块包括数据采集卡和计算机，通过所述检测系统进行天然气泄漏检测的工作方法包括以下步骤：

（1）完成两台所述光学频率梳的重复频率和载波包络相位偏移频率的锁定，两台所述光学频率梳分别输出信号光和本振光，所述信号光经所述合束模块中的偏振分束器分为参考光和探测光；

（2）所述探测光通过所述光缆传输模块经过所述气体检测模块中的天然气检测区；

（3）所述信号光与所述本振光进行多外差干涉射频探测；

（4）通过所述计算机进行傅里叶变换还原光谱信息；

（5）判断所述天然气检测区是否存在泄漏。

所述信号检测模块包括光电探测器、信号发生器以及伺服反馈电路，所述光学频率梳的重复频率的锁定方式为：通过所述光电探测器探测到所述光学频率梳发出的激光脉冲的重复频率信号，将所述重复频率信号与所述信号发生器产生的射频信号混频，经低通滤波得到重复频率抖动的误差信号，由所述伺服反馈电路控制反馈元件实现重复频率的锁定。

所述反馈元件为压电陶瓷、电光晶体、声光晶体、泵浦电流中的一种。

所述光学频率梳的载波包络相位偏移频率的锁定方式为：对所述光学频率梳的一路输出光进行功率放大与光谱展宽后然后光学倍频与光学合束拍频以将载波包络相位偏移频率提取出来，或使用连续激光器与种子源拍频探测后通过所述伺服反馈电路控制两台所述光学频率梳泵浦电流实现载波包络相位偏移频率的锁定。

判断所述天然气检测区是否存在泄漏的方法为：分析所述天然气检测区反馈的激光信号的光谱，将所述光谱的变化与标准甲烷气体吸收线对比，根据光谱强度衰减位置与甲烷气体光谱吸收线位置是否一致判断所述天然气检测区是否存在泄漏，根据所述光谱的强度衰减大小判断泄漏浓度。

所述双光学频率梳多外差干涉是指两台所述光学频率梳的重复频率分别为f _r和f _r+△f _r，两台所述光学频率梳在空间上重合产生以重复频率差△f _r为刷新频率的干涉脉冲，所述干涉脉冲的频谱与光谱一一对应，所述干涉脉冲的转换系数为

。

所述本振光在与所述探测光相同持续时间内移动并与所述探测光叠加以实现延迟扫描效果，所述光学频率梳的重复频率在百兆赫兹量级以上。

所述光学频率梳的光源采用被动锁模方式，所述被动锁模方式为非线性偏振旋转锁模、非线性放大环形镜锁模、可饱和吸收体锁模、克尔透镜锁模、碳纳米管锁模中的一种。

所述光学频率梳的激光种子源为全光纤型激光器、具有空间结构的全固态激光器、半空间半光纤化的激光器中的一种。

两台所述光学频率梳的光谱具有相同的中心波长，所述工作波长覆盖所述甲烷气体光谱吸收线的位置。

本发明的优点是：（1）该方法通过双光学频率梳多外差干涉和傅里叶变换光谱技术相结合实现对石油天然气泄漏检测，相比于其他光谱检测技术，该方法无需任何机械移动，测量速度更快，而且光谱分辨率、信噪比更高。（2）该方法使用双光学频率梳光谱技术可利用光梳的全光谱进行测量，类似于使用无数个频率和相位稳定的窄线宽激光，单个梳齿的线宽保证了对天然气检测的光谱分辨率。（3）该方法中的测量系统可以通过单级或级联的光学放大器实现平均功率在几十至上百瓦的高功率光学频率梳，光学频率梳的每根梳齿的单脉冲能量较高，可以在光学频率梳种子源脉冲具有较低重复频率的情况下完成对光谱的测量；同时，高功率光学频率梳有利于实现光学频率梳的频谱拓宽，通过高飞线性光纤可以将光学频率梳的输出光频带拓展至覆盖紫外、可见与红外的较宽范围，从而实现对多种气体成分泄漏的精准检测，拓宽本发明的应用领域。（4）该方法中探测光是通过长距离的光缆传输到达天然气检测区域，气体检测模块可以做成一体化设计，直接放入到天然气泄漏区域，从而实现对天然气泄漏区域的非接触式检测。

附图说明

图1为本发明中基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法的系统原理图；

图2为本发明中实施例的流程图；

图3为本发明中实施例的步骤图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-3所示，图中各标记分别为：

双光学频率梳模块1、信号光源光梳11、本振光源光梳12、原子钟13；

分光模块2、第一偏振分束器21、四分之一波片B 22；

参考臂3、四分之一波片A 31、第一反射镜32；

光缆传输模块4、光纤收集器41、光缆42；

气体检测模块5、光纤准直器51、天然气检测区52、第二反射镜53；

合束模块6、二分之一波片61、半透半反分束镜62；

信号检测模块7、第二偏振分束器71、第一透镜72、第二透镜73、第一光电探测器74、第二光电探测器75、第一低通滤波器76、第二低通滤波器77、第一射频放大器78、第二射频放大器79；

数据采集及光谱分析模块8、数据采集卡81、计算机82。

实施例：如图1所示，本实施例具体涉及一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，该方法中所用到的检测系统包括双光学频率梳模块1、分光模块2、参考臂3、光缆传输模块4、气体检测模块5、合束模块6、信号检测模块7、数据采集及光谱分析模块8。双光学频率梳模块1包括两台光学频率梳和原子钟13，两台光学频率梳分别为信号光源光梳11和本振光源光梳12。信号光源光梳11与分光模块2、光缆传输模块4、气体检测模块5依次设置，本振光源光梳12与合束模块6、信号检测模块7、数据采集及光谱分析模块8依次设置，分光模块2分别与参考臂3和合束模块6连接。为满足本实施例中检测系统双光学频率梳光谱分析的要求，需使信号光源光梳11和本振光源光梳12输出脉冲的重复频率信号具有差值，该差值一般在Hz至kHz量级。本实施例中的两台光学频率梳均为由半导体激光器LD泵浦的脉冲激光种子源，激光谐振腔内包含可调节腔长的反馈元件。反馈元件为压电陶瓷、电光晶体、声光晶体或泵浦电流。两台光学频率梳输出激光的中心波长取决于激光谐振腔内的增益介质，根据天然气主要成分甲烷吸收峰的光谱位置选择合适的种子源，也可直接使用近红外波段的种子源然后经高飞线性光纤将光谱拓宽至覆盖甲烷吸收位置。

如图2所示，分光模块2包括第一偏振分束器21和四分之一波片B22。参考臂3包括四分之一波片A31和第一反射镜32。光缆传输模块4包括光纤收集器41和光缆42。气体检测模块5设置在天然气检测区52，气体检测模块5包括光纤准直器51和第二反射镜53。合束模块6包括二分之一波片61和半透半反分束镜62。信号检测模块7包括偏振分束器71、第一透镜72、第二透镜73、第一光电探测器74、第二光电探测器75、第一低通滤波器76、第二低通滤波器77、第一射频放大器78和第二射频放大器79。数据采集及光谱分析模块8包括数据采集卡81和计算机82，数据采集卡81的采集频率应大于两台光学频率梳的重复频率f _r, 并使用原子钟13作为外参考。

如图3所示，本实施例中基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法的步骤为：

步骤S1，完成信号光源光梳11和本振光源光梳12的重复频率和载波包络相位偏移频率的锁定，信号光源光梳11发射信号光，本振光源光梳12发射本振光，信号光经第一偏振分束器21分为参考光和探测光；

具体的，信号光源光梳11和本振光源光梳12的重复频率同时与原子钟13锁定，即将直接探测到的重复频率信号与原子钟13控制的标准信号混频，得到的误差信号反馈控制激光器腔长，激光器腔长的控制对于全光纤型激光器可以通过将光纤缠绕在压电陶瓷上实现，对于具有空间结构的激光器可以通过将压电陶瓷粘在腔内反射镜背面实现。光学频率梳的重复频率在百兆赫兹量级以上，可有效抑制低频噪声的影响，提高数据的获取速率。光学频率梳载波包络相位偏移频率的锁定通常需要对光学频率梳的一路输出光进行功率放大与光谱展宽，然后光学倍频与光学合束拍频，将载波包络相位偏移频率提取出来；也可以直接使用连续激光器与种子源拍频探测，然后利用伺服反馈电路实现载波包络相位偏移频率的锁定。光学频率梳的光源采用被动锁模方式，可以为非线性偏振旋转锁模、非线性放大环形镜锁模、可饱和吸收体锁模、克尔透镜锁模或碳纳米管锁模；光学频率梳的激光种子源可以为全光纤型激光器、具有空间结构的全固态激光器、半空间半光纤化的激光器；两台光学频率梳的光谱拥有相同的中心波长，且工作波长可以覆盖甲烷气体光谱吸收线位置。信号光源光梳11输出信号光，本振光源光梳12输出本振光。信号光经过第一偏振分束器21分为参考光和探测光；参考光经过四分之一波片A31被第一反射镜32反射，再次经过四分之一波片A31，透过第一偏振分束器21与探测光合束。

步骤S2，探测光通过光缆42传输经过气体检测模块5中的天然气检测区52；

具体的，探测光经过四分之一波片B22，由光纤收集器41进入光缆传输模块4，经过光缆42传输后到达气体检测模块5。在气体检测模块中,探测光经由光纤准直器51准直输出进入天然气检测区52，透过天然气检测区52后由第二反射镜53反射再次经过天然气检测区52原路返回，再次经过四分之一波片A31由第一偏振分束器21反射再和参考光合束。

步骤S3，信号光与本振光进行多外差干涉射频探测；

具体的，本振光等时间步长地在探测光持续时间内移动与探测光叠加以实现延迟扫描效果。信号光与本振光经由半透半反分束镜62合束，通过旋转二分之一波片61控制本振光在第二偏振分束器71分束后两路光的分光比。由第二偏振分束器71将合束的激光分为参考光与本振光的合束光以及探测光与本振光的合束光。双光学频率梳多外差干涉是指两台光学频率梳的重复频率分别为f _r和f _r+△f _r，两台光学频率梳在空间上重合产生以重复频率差△f _r为刷新频率的干涉脉冲，干涉脉冲的频谱与光谱一一对应，干涉脉冲的转换系数为

。参考光与本振光的合束光由第一透镜72聚焦在第一光电探测器74上，两束光多外差干涉产生下转换的射频参考信号，再依次经由第一低通滤波器76滤波和第一射频放大器78放大后进行数据采集；探测光和本振光的合束光由第二透镜73聚焦在第二光电探测器75上，两束光多外差干涉产生下转换的射频探测信号，再依次经由第二低通滤波器77和第二射频放大器79放大后进行数据采集。

步骤S4，将两路收集到的信号同时进入数据采集卡81，通过计算机82编程进行傅里叶变换还原光谱信息；

步骤S5, 分析两路光谱信息，将还原的光谱与标准的甲烷气体吸收线对比，判断天然气检测区是否存在泄漏；

具体的，分析测量臂3反馈的激光信号的光谱，将测得的光谱变化与标准的甲烷气体吸收峰对比，若光谱强度衰减位置与甲烷气体吸收峰位置一致，则所探测的天然气区域存在泄漏，并且可以根据光谱吸收线强度衰减大小判断天然气的泄漏浓度。

Claims (10)

1.一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于通过检测系统实现天然气泄漏检测，所述检测系统包括双光学频率梳模块、分光模块、参考臂、光缆传输模块、气体检测模块、合束模块、信号检测模块、数据采集及光谱分析模块，所述双光学频率梳模块包括两台光学频率梳，数据采集及光谱分析模块包括数据采集卡和计算机，通过所述检测系统进行天然气泄漏检测的工作方法包括以下步骤：

（1）完成两台所述光学频率梳的重复频率和载波包络相位偏移频率的锁定，两台所述光学频率梳分别输出信号光和本振光，所述信号光经所述合束模块中的偏振分束器分为参考光和探测光；

（2）所述探测光通过所述光缆传输模块经过所述气体检测模块中的天然气检测区；

（3）所述信号光与所述本振光进行多外差干涉射频探测；

（4）通过所述计算机进行傅里叶变换还原光谱信息；

（5）判断所述天然气检测区是否存在泄漏。

2.根据权利要求1所述的一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于所述信号检测模块包括光电探测器、信号发生器以及伺服反馈电路，所述光学频率梳的重复频率的锁定方式为：通过所述光电探测器探测到所述光学频率梳发出的激光脉冲的重复频率信号，将所述重复频率信号与所述信号发生器产生的射频信号混频，经低通滤波得到重复频率抖动的误差信号，由所述伺服反馈电路控制反馈元件实现重复频率的锁定。

3.根据权利要求2所述的一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于所述反馈元件为压电陶瓷、电光晶体、声光晶体、泵浦电流中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于所述光学频率梳的载波包络相位偏移频率的锁定方式为：对所述光学频率梳的一路输出光进行功率放大与光谱展宽后然后光学倍频与光学合束拍频以将载波包络相位偏移频率提取出来，或使用连续激光器与种子源拍频探测后通过所述伺服反馈电路控制两台所述光学频率梳泵浦电流实现载波包络相位偏移频率的锁定。

5.根据权利要求1所述的一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于判断所述天然气检测区是否存在泄漏的方法为：分析所述天然气检测区反馈的激光信号的光谱，将所述光谱的变化与标准甲烷气体吸收线对比，根据光谱强度衰减位置与甲烷气体光谱吸收线位置是否一致判断所述天然气检测区是否存在泄漏，根据所述光谱的强度衰减大小判断泄漏浓度。

6.根据权利要求1所述的一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于所述双光学频率梳多外差干涉是指两台所述光学频率梳的重复频率分别为f _r和f _r+△f _r，两台所述光学频率梳在空间上重合产生以重复频率差△f _r为刷新频率的干涉脉冲，所述干涉脉冲的频谱与光谱一一对应，所述干涉脉冲的转换系数为

。

7.根据权利要求1所述的一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于所述本振光在与所述探测光相同持续时间内移动并与所述探测光叠加以实现延迟扫描效果，所述光学频率梳的重复频率在百兆赫兹量级以上。

8.根据权利要求1所述的一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于所述光学频率梳的光源采用被动锁模方式，所述被动锁模方式为非线性偏振旋转锁模、非线性放大环形镜锁模、可饱和吸收体锁模、克尔透镜锁模、碳纳米管锁模中的一种。

9.根据权利要求1所述的一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于所述光学频率梳的激光种子源为全光纤型激光器、具有空间结构的全固态激光器、半空间半光纤化的激光器中的一种。

10.根据权利要求1所述的一种基于双光学频率梳光谱技术的石油天然气泄漏检测方法，其特征在于两台所述光学频率梳的光谱具有相同的中心波长，所述工作波长覆盖所述甲烷气体光谱吸收线的位置。

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