RU2158423C1 - Method of remote detection of ecologically dangerous gases - Google Patents

Method of remote detection of ecologically dangerous gases Download PDF

Info

Publication number
RU2158423C1
RU2158423C1 RU99105621A RU99105621A RU2158423C1 RU 2158423 C1 RU2158423 C1 RU 2158423C1 RU 99105621 A RU99105621 A RU 99105621A RU 99105621 A RU99105621 A RU 99105621A RU 2158423 C1 RU2158423 C1 RU 2158423C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
dangerous gases
gases
radiation
reflected radiation
intensities
Prior art date
Application number
RU99105621A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Н.П. Андреева
М.С. Барашков
В.К. Демкин
Е.А. Печерский
С.М. Пшеничников
Original Assignee
Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика"
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 Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика" filed Critical Государственное унитарное предприятие "НПО Астрофизика"
Priority to RU99105621A priority Critical patent/RU2158423C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2158423C1 publication Critical patent/RU2158423C1/en

Links

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: ecological monitoring, remote diagnostics for detection and measurement of concentration of dangerous gases in areas of their emergency or unauthorized appearance. SUBSTANCE: method includes consistent irradiation of area of supposed appearance of dangerous gases by laser radiation with wave length fallen in band of absorption of dangerous gases, registration of reflected radiation and formation of videosignals. Irradiation and registration of reflected radiation is conducted in momentary angular vision field Δθ = D/L=d/L, where d is proposed diameter of cloud of dangerous gases; L is distance from radiation source to cloud of dangerous gases. After this first videosignal proportional to relation of difference of intensities of reflected radiation in (n-1)-th and nth spacings of observation to their sum is formed. Then second videosignal proportional to relation of difference of intensities of reflected radiation in(n-1)-th and nth spacings of observation to their sum. Availability of formed videosignals determines presence or absence of dangerous gases and amplitude of videosignals determines their concentration. EFFECT: increased possibility of detection of dangerous gases with simultaneous reduction of probability of false operations ( alarms ). 1 dwg

Description

Изобретение относится к лазерным дистанционным методам диагностики, экологическому мониторингу и может быть использовано для обнаружения и измерения концентрации опасных газов в местах аварийного или несанкционированного их появления: при авариях, разгерметизации магистральных газопроводов, технологического оборудования для добычи, хранения и использования природного газа, при возникновении утечки газа в жилых районах, производственных и жилых помещениях, шахтах, карьерах и т.д. The invention relates to laser remote diagnostic methods, environmental monitoring and can be used to detect and measure the concentration of hazardous gases in places of emergency or unauthorized occurrence thereof: in case of accidents, depressurization of gas pipelines, process equipment for the production, storage and use of natural gas, in the event of a leak gas in residential areas, industrial and residential premises, mines, quarries, etc.

Известен способ обнаружения утечек метана [1], заключающийся в подсветке участка трубопровода лазерным излучением на двух длинах волн, одна из которых λ1 = 3,3922 мкм попадает в центр полосы поглощения метана, а другая λ2 = 3,3912 мкм лежит на крыле полосы поглощения, регистрации рассеянного поверхностью излучения на обеих длинах волн, формировании видеосигнала, пропорционального отношению интенсивностей излучения, зарегистрированного на каждой длине волны и сравнении видеосигнала с априорно заданным порогом.A known method for detecting methane leaks [1], which consists in illuminating the pipeline section with laser radiation at two wavelengths, one of which λ 1 = 3.3922 μm falls into the center of the methane absorption band, and the other λ 2 = 3.3912 μm lies on the wing absorption bands, registration of radiation scattered by the surface at both wavelengths, the formation of a video signal proportional to the ratio of the radiation intensities recorded at each wavelength and comparing the video signal with an a priori specified threshold.

При малом пороге обнаружения такой метод дает значительное количество ложных срабатываний, определяемых флуктуациями фоновой концентрации атмосферного метана и водяных паров. При большом пороге обнаружения число ложных срабатываний уменьшается, но одновременно увеличивается вероятность пропуска утечки, т.е. уменьшается вероятность обнаружения. With a low detection threshold, this method gives a significant amount of false positives, determined by fluctuations in the background concentration of atmospheric methane and water vapor. With a large detection threshold, the number of false alarms decreases, but at the same time, the probability of missing a leak increases, i.e. probability of detection decreases.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом - является способ обнаружения утечки природного газа из трубопроводов [2], включающий облучение места предполагаемого появления опасных газов дифференциальной парой импульсов лазерного излучения, регистрацию отраженного излучения и формирование разностного видеосигнала. Этот способ позволяет с большой точностью определять место утечки метана и оценивать степень взрывоопасности облака газа, однако, обладает теми же недостатками, что и способ [1]. The closest in technical essence - the prototype - is a method for detecting natural gas leaks from pipelines [2], which includes irradiating the place of the alleged occurrence of dangerous gases with a differential pair of laser radiation pulses, recording reflected radiation and generating a differential video signal. This method allows you to accurately determine the place of methane leakage and assess the degree of explosion of a gas cloud, however, it has the same drawbacks as the method [1].

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в увеличении вероятности обнаружения опасных газов при одновременном уменьшении вероятности ложных срабатываний (тревог). Using the present invention, a technical result is achieved, consisting in increasing the probability of detection of hazardous gases while reducing the likelihood of false alarms (alarms).

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в способе дистанционного обнаружения экологически опасных газов, включающем последовательное облучение места предполагаемого появления опасных газов лазерным излучением с длиной волны, попадающей в полосу поглощения опасных газов, регистрацию отраженного излучения и формирование видеосигналов, облучение и регистрацию отраженного излучения производят в мгновенном угловом поле зрения

Figure 00000002
после чего формируют первый видеосигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n - 1)- и n-м шагах обзора к их сумме, затем формируют второй сигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n+1)- и n-м шагах обзора к их сумме и при наличии сформированных видеосигналов определяют присутствие или отсутствие опасных газов, а по амплитуде видеосигналов определяют концентрацию опасных газов, где d - предполагаемый (априорный) диаметр облака опасных газов, L - расстояние от источника облучения до облака опасных газов.In accordance with the invention, the technical result is achieved in that in a method for the remote detection of environmentally hazardous gases, comprising sequentially irradiating the site of the alleged occurrence of hazardous gases with laser radiation with a wavelength falling into the absorption band of hazardous gases, registering reflected radiation and generating video signals, irradiating and recording reflected radiation produce in an instantaneous angular field of view
Figure 00000002
after which they form the first video signal proportional to the ratio of the difference in the intensities of the reflected radiation in the (n - 1) - and nth steps of the review to their sum, then they form the second signal proportional to the ratio of the difference in the intensities of the reflected radiation in (n + 1) - and n- m steps of the review to their sum and in the presence of generated video signals determine the presence or absence of dangerous gases, and the amplitude of the video signals determines the concentration of dangerous gases, where d is the estimated (a priori) diameter of the cloud of dangerous gases, L is the distance from the source nick exposure to hazardous gas cloud.

Рассмотрим обнаружение опасных газов с помощью предлагаемого способа. Устройство для осуществления способа показано на чертеже где обозначено: 1 - отражающая поверхность, 2 - фоновое распределение опасных газов, 3 - облако опасных газов, 4-6 - зоны облучения на (n-1)-м, n-м, (n+1)-м шагах обзора, 7 - лазер, работающий на длине волны, попадающей в полосу поглощения опасных газов, 8 - приемо-передающий телескоп, 9 - фотоприемное устройство, 10 - устройство обработки и хранения информации, 11, 12 - видеосигналы обнаружения опасных газов и определения их концентрации. Consider the detection of hazardous gases using the proposed method. A device for implementing the method is shown in the drawing where it is indicated: 1 - reflective surface, 2 - background distribution of hazardous gases, 3 - cloud of hazardous gases, 4-6 - irradiation zones at (n-1) -th, n-th, (n + 1) the steps of the review, 7 - a laser operating at a wavelength falling into the absorption band of hazardous gases, 8 - a transmitting and receiving telescope, 9 - a photodetector, 10 - a device for processing and storing information, 11, 12 - video signals for detecting dangerous gases and determining their concentration.

Способ осуществляется следующим образом:
Зондирующее излучение лазера 7 на длине волны обнаруживаемого опасного газа сканирует предполагаемые места нахождения утечек с шагом, равным углу поля зрения ~d/L, где d - предполагаемый размер облака опасного газа, a L - расстояние от источника зондирующего излучения до облака. Отраженное от подстилающей поверхности излучение регистрируется с помощью приемо-передающего телескопа 8 в том же угле поля зрения фотоприемником 9, при этом интенсивность принимаемого излучения определяется формулами:

Figure 00000003

Figure 00000004

Figure 00000005

где I - интенсивность принимаемого отраженного излучения;
P - излучаемая мощность;
τатм - коэффициент пропускания излучения атмосферой;
τф - коэффициент пропусканий фона опасных газов;
τог - коэффициент пропускания облака опасных газов;
Котр - коэффициент отражения от отражающей поверхности;
Sтел - апертура приемного телескопа,
индекс "(n -1)" относится к параметрам на "(n -1)"-м шаге обзора, "n" - на "n"-м шаге обзора;
(n+1)- на (n +1)-м шаге обзора;
L - расстояние до подстилающей поверхности.The method is as follows:
The probing radiation of laser 7 at the wavelength of the detected hazardous gas scans the alleged locations of the leaks with a step equal to the field of view angle ~ d / L, where d is the estimated size of the cloud of hazardous gas, and L is the distance from the source of the probing radiation to the cloud. The radiation reflected from the underlying surface is recorded using a transceiver telescope 8 in the same angle of the field of view of the photodetector 9, while the intensity of the received radiation is determined by the formulas:
Figure 00000003

Figure 00000004

Figure 00000005

where I is the intensity of the received reflected radiation;
P is the radiated power;
τ atm is the atmospheric transmittance;
τ f - transmittance of the background of hazardous gases;
τ og - transmittance of a cloud of dangerous gases;
To otr is the reflection coefficient from the reflecting surface;
S tel - aperture of the receiving telescope,
the index "(n -1)" refers to the parameters at the "(n -1)" - m review step, "n" - at the "n" m review step;
(n + 1) - at the (n +1) -th step of the review;
L is the distance to the underlying surface.

После этого формируют первый видеосигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n-1)-м и n-м шагах обзора к их сумме. After that, the first video signal is formed, which is proportional to the ratio of the difference in the intensities of the reflected radiation in the (n-1) -th and nth steps of the review to their sum.

Величина 1-го видеосигнала равна

Figure 00000006

После этого формируют второй сигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n+1)-м и n-м шагах обзора к их сумме.The value of the 1st video signal is
Figure 00000006

After this, a second signal is generated proportional to the ratio of the difference in the intensities of the reflected radiation in the (n + 1) -th and nth steps of the survey to their sum.

Величина 2-го видеосигнала равна

Figure 00000007

где δог - величина затухания излучения в облаке опасных газов, пропорциональная концентрации опасных газов. Таким образом в предлагаемом способе уровень видеосигналов U1, U2 зависит только от наличия опасных газов и не зависит от уровня фона, т.е. в предложенном способе исключается (или уменьшается) влияние фонового уровня опасных газов, что увеличивает вероятность обнаружения облака утечки опасных газов при одновременном уменьшении вероятности ложных тревог.The magnitude of the 2nd video signal is
Figure 00000007

where δ og - the attenuation of radiation in a cloud of hazardous gases, proportional to the concentration of hazardous gases. Thus, in the proposed method, the level of video signals U 1 , U 2 depends only on the presence of hazardous gases and does not depend on the background level, i.e. in the proposed method, the background level of hazardous gases is eliminated (or reduced), which increases the likelihood of detecting a cloud of leakage of hazardous gases while reducing the likelihood of false alarms.

Любое ненулевое значение сформированных видеосигналов определяет присутствие опасных газов, а значение уровня видеосигналов определяет концентрацию газов. Any non-zero value of the generated video signals determines the presence of hazardous gases, and the value of the video signal level determines the concentration of gases.

Дополнительно следует отметить, что предлагаемый способ существенно (~ в 2 раза) проще существующих, т.к. он работает на одной длине волны λ1, попадающей в полосу поглощения опасных газов, в нем нет необходимости применять опорный канал λ2, который по сложности эквивалентен основному каналу.In addition, it should be noted that the proposed method is significantly (~ 2 times) simpler than the existing ones, because it operates at the same wavelength λ 1 falling into the absorption band of hazardous gases; it does not need to use the reference channel λ 2 , which is equivalent in complexity to the main channel.

Источники информации, принятые во внимание:
1. В. Е. Косицын и др. Вертолетный лазерный локатор утечек метана "Поиск-2". Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", 1990 г., стр.380.Sources of information taken into account:
1. V. E. Kositsyn et al. Helicopter laser locator for methane leaks “Search-2”. Abstracts of the VI All-Union Conference "Laser Optics", 1990, p. 380.

2. Патент России N 2017138, 30.07.94 г., МПК G 01 N 21/61. 2. Patent of Russia N 2017138, 07/30/94, IPC G 01 N 21/61.

Claims (1)

Способ дистанционного обнаружения экологически опасных газов, включающий последовательное облучение места предполагаемого появления опасных газов лазерным излучением с длиной волны, попадающей в полосу поглощения опасных газов, регистрацию отраженного излучения и формирование видеосигналов, отличающийся тем, что облучение и регистрацию отраженного излучения производят в мгновенном угловом поле зрения
Figure 00000008
после чего формируют первый видеосигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n-1) и n-м шагах обзора к их сумме, затем формируют второй видеосигнал, пропорциональный отношению разности интенсивности отраженного излучения в (n+1)- и n-м шагах обзора к их сумме, и при наличии сформированных видеосигналов определяют присутствие или отсутствие опасных газов, а по амплитуде видеосигналов определяют концентрацию опасных газов, где d - предполагаемый диаметр облака опасных газов, L - расстояние от источника облучения до облака опасных газов.A method for the remote detection of environmentally hazardous gases, comprising sequentially irradiating the place of the alleged occurrence of hazardous gases with laser radiation with a wavelength falling into the absorption band of hazardous gases, registering reflected radiation and generating video signals, characterized in that the radiation and registration of reflected radiation are performed in an instantaneous angular field of view
Figure 00000008
after which a first video signal is formed proportional to the ratio of the difference in the intensities of the reflected radiation in (n-1) and nth steps of the review to their sum, then a second video signal is formed that is proportional to the ratio of the difference in the intensities of the reflected radiation in (n + 1) and n-m the steps of the review to their sum, and in the presence of generated video signals, the presence or absence of dangerous gases is determined, and the concentration of dangerous gases is determined from the amplitude of the video signals, where d is the estimated diameter of the cloud of dangerous gases, L is the distance from the source of teachings to clouds of hazardous gases.
RU99105621A 1999-03-22 1999-03-22 Method of remote detection of ecologically dangerous gases RU2158423C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99105621A RU2158423C1 (en) 1999-03-22 1999-03-22 Method of remote detection of ecologically dangerous gases

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU99105621A RU2158423C1 (en) 1999-03-22 1999-03-22 Method of remote detection of ecologically dangerous gases

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2158423C1 true RU2158423C1 (en) 2000-10-27

Family

ID=20217375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU99105621A RU2158423C1 (en) 1999-03-22 1999-03-22 Method of remote detection of ecologically dangerous gases

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2158423C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2460059C1 (en) * 2011-06-09 2012-08-27 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of determining megapolis air pollution with harmful gases

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2460059C1 (en) * 2011-06-09 2012-08-27 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт аэрокосмического мониторинга "АЭРОКОСМОС" Method of determining megapolis air pollution with harmful gases

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11692900B2 (en) Apparatuses and methods for anomalous gas concentration detection
Sugimoto et al. High-speed noncontact acoustic inspection method for civil engineering structure using multitone burst wave
US4555627A (en) Backscatter absorption gas imaging system
CN102005097B (en) Infrared laser perimeter protection method
US20100280765A1 (en) Sensing using polarization diversity and wavelength dependent backscatter
US5296711A (en) Technique for the remote detection of sea slicks
US5185521A (en) Sensing apparatus and method for detecting raman emissions from a species at the interface of the sensing length of an optical fiber
KR20200057998A (en) Apparatus for detecting oil spill
Gaudio et al. First open field measurements with a portable CO2 lidar/dial system for early forest fires detection
KR101879641B1 (en) Turbidity Measuring Method By Using Airbone Bathymetry LIDAR Wave Form Analysis
RU2158423C1 (en) Method of remote detection of ecologically dangerous gases
US20110267599A1 (en) Systems, methods, devices, and computer readable media for terahertz radiation detection
Gong et al. Detecting submerged objects by Brillouin scattering
AU2001286870B2 (en) Passive ranging to a target reflecting solar radiation
CN115265759A (en) Engineering on-line monitoring system and method based on optical fiber sound wave detection
Romanovskii Airborne DIAL lidar gas analysis of the atmosphere by middle IR gas lasers: Numerical modeling
RU2300077C1 (en) Remote method of measuring thickness of oil product thick films onto water surface
AU2001286870A1 (en) Passive ranging to a target reflecting solar radiation
Babey et al. Feasibility of optical detection of land mine trip wires
Kovalev et al. Simple algorithm to determine the near-edge smoke boundaries with scanning lidar
Gelfusa et al. Detection of pollutant sources in the atmosphere with Lidar/Dial techniques: Results of an experimental campaign in the south of Italy
RU2649094C1 (en) Method for determining the opportunity of application of a spectroradiometer for environmental monitoring of the atmosphere
Belov et al. OPTICAL METHOD OF DETECTION OF OIL CONTAMINATION ON WATER SURFACE IN UV SPECTRAL RANGE.
Verkhoshentseva et al. Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics
Kokhanenko, Geoff Ludbrook, Ivan Penner, Vitalii Shamanaev Airborne laser sensing of Scottish coastal waters

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20090323