RU2736178C1

RU2736178C1 - Method and device for autonomous remote determination of concentration of atmospheric gas components

Info

Publication number: RU2736178C1
Application number: RU2020120030A
Authority: RU
Inventors: Максим Владимирович Спиридонов; Вячеслав Вячеславович Мещеринов; Виктор Алексеевич Казаков; Искандер Шамилевич Газизов
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2020-06-09
Publication date: 2020-11-12

Abstract

FIELD: gas analysis.

SUBSTANCE: invention relates to gas analysis and concerns an apparatus for independent remote determination of concentration of atmospheric gas components. Device includes an optical unit containing a diode laser, which provides a probing beam and a signal amplitude modulating system, a receiving system of an analytical channel, a reference cell and a control unit for receiving and processing data. Data control, reception and processing unit detects probing radiation passed through analyzed gas, extracts signal at first higher harmonic component of modulation frequency f and on secondary component 2f and calculates the probing beam absorption degree by the measured gas relative to the first harmonic component to the second harmonic component. Stabilization of the diode laser is carried out from the position of the peak of the absorption line of the measured gas on the component at frequency 3f with accuracy of 10^-4 cm^-1. Distance is calculated from phase shift to laser radiation scattering surface.

EFFECT: technical result consists in increase of sensitivity, reduction of weight and size characteristics and provision of possibility of gas analyzer installation on unmanned aerial vehicles.

5 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к области газоанализа и аналитического приборостроения, а именно к оптическим приборам, которые устанавливаются, на летательных аппаратах, в том числе беспилотных, служащих для экологического мониторинга окружающей среды, и касается способа автономного дистанционного определения концентрации атмосферных газовых составляющих путем удаленного обнаружения избыточной на фоне природного уровня концентрации загрязняющих или опасных веществ в атмосфере, дистанционного измерения их концентрации, в частности, определения местонахождения и интенсивности утечек из газопроводов высокого и низкого давления и других природных и промышленных источников.The invention relates to the field of gas analysis and analytical instrumentation, namely to optical instruments that are installed on aircraft, including unmanned aerial vehicles, serving for environmental monitoring of the environment, and relates to a method for autonomous remote determination of the concentration of atmospheric gas constituents by remote detection of excess in the background natural level of concentration of pollutants or hazardous substances in the atmosphere, remote measurement of their concentration, in particular, determination of the location and intensity of leaks from high and low pressure gas pipelines and other natural and industrial sources.

Задача дистанционного измерения концентрации метана становится одной из основных задач атмосферного газоанализа, поскольку метан является важным индикатором парникового эффекта, химических реакций с участием органических соединений и активно используемым энергетическим ресурсом. Хорошую возможность поиска и наблюдения утечек природного газа или, например, свалочного газа, более чем наполовину состоящего из метана, дает современное развитие беспилотной летательной техники. Таким образом, именно эта газовая составляющая атмосферного воздуха была выбрана в качестве целевого газа при апробации предлагаемой методики, лежащей в основе лидара для мониторинга индустриальных загрязнений, подходящего для установки на беспилотный летательный аппарат (БПЛА).The problem of remote measurement of methane concentration is becoming one of the main tasks of atmospheric gas analysis, since methane is an important indicator of the greenhouse effect, chemical reactions involving organic compounds, and an actively used energy resource. The modern development of unmanned aerial vehicles provides a good opportunity to search and observe leaks of natural gas or, for example, landfill gas, more than half of which consists of methane. Thus, it is this gas component of the atmospheric air that was selected as the target gas when testing the proposed methodology underlying the lidar for monitoring industrial pollution, suitable for installation on an unmanned aerial vehicle (UAV).

Проблема мониторинга утечек природного газа из магистральных трубопроводов в настоящий момент оказывается все более актуальной, поскольку существующая система внутритрубной дефектоскопии не может обеспечить нужную производительность. Более того, около 40% всей протяженности газопроводов, принадлежащих ПАО «Газпром», вовсе не приспособлены к такой диагностике. Возможным решением этой проблемы является применение дистанционного лазерного обнаружения утечек.The problem of monitoring natural gas leaks from main pipelines is currently becoming more and more urgent, since the existing in-line inspection system cannot provide the required performance. Moreover, about 40% of the total length of gas pipelines owned by PJSC Gazprom are not at all adapted to such diagnostics. A possible solution to this problem is the use of remote laser leak detection.

Последние годы во всем мире не прекращаются попытки создания приборов для обнаружения утечек газа с борта летательного аппарата. Ряд из них останавливается на стадии проекта. У остальных приборов сохраняются проблемы с совокупностью необходимых для реального применения параметров: точностью определения мест утечек и динамическим диапазоном по их интенсивности, максимальной дальностью обнаружения, минимизацией ложных результатов, быстродействием, надежностью и удобством в эксплуатации, малыми габаритами и весом, невысокой ценой приобретения и обслуживания для пользователя. В результате на рынке транспортировки природного газа по-прежнему отсутствуют удачные решения для дистанционного контроля утечек.In recent years, attempts to create instruments for detecting gas leaks from an aircraft have not stopped all over the world. A number of them stop at the project stage. The rest of the devices still have problems with the set of parameters necessary for real application: the accuracy of determining the places of leaks and the dynamic range of their intensity, maximum detection range, minimization of false results, speed, reliability and ease of use, small dimensions and weight, low purchase and maintenance costs for the user. As a result, the market for natural gas transportation still lacks successful solutions for remote monitoring of leaks.

Из уровня техники известны лазерные системы для дистанционного обнаружения утечек метана, построенные на двух лазерах [US 4489239 A, 1982]. Передатчик системы включает первый и второй лазеры, настроенные соответственно на длину волны, совпадающую с сильной линией поглощения метана, и референтную длину волны, на которой метан слабо поглощает излучение. Лазеры нацелены на топографическую цель вдоль системной оси, проходящую сквозь вращающееся колесо прерывателя. Приемник системы включает в себя сферическое зеркало для сбора отраженного лазерного излучения и фокусировки собранного излучения через узкополосный оптический фильтр на оптический детектор. Фильтр настроен на длины волн двух лазеров и подавляет фоновый шум для улучшения отношения сигнал/шум детектора. Выходной сигнал оптического детектора обрабатывается синхронным детектором, который измеряет разницу между сигналом на первой длине волны и сигналом на опорной длине волны.Laser systems for remote detection of methane leaks based on two lasers are known from the prior art [US Pat. No. 4,489,239 A, 1982]. The transmitter of the system includes the first and second lasers, respectively tuned to the wavelength coinciding with the strong absorption line of methane, and the reference wavelength, at which methane weakly absorbs radiation. The lasers aim at a topographic target along the system axis through the rotating chopper wheel. The receiver of the system includes a spherical mirror for collecting reflected laser radiation and focusing the collected radiation through a narrow-band optical filter onto an optical detector. The filter is tuned to the wavelengths of the two lasers and suppresses background noise to improve the signal-to-noise ratio of the detector. The output of the optical detector is processed by a synchronous detector, which measures the difference between the signal at the first wavelength and the signal at the reference wavelength.

Чувствительность и точность подобных измерений ограничивается прежде всего тем, что излучение лазеров разнесено по времени, а коэффициент отражения света различными типами подстилающей поверхности варьируется в пределах 15%. Поэтому для получения достаточной чувствительности и точности измерений необходимо уменьшать промежуток времени между излучениями двух лазеров до 1 мсек и ниже, что усложняет оптическую систему вывода излучения. Расфокусировка выходного лазерного пучка для усреднения коэффициента отражения по большей площади приводит к снижению точности определения места утечки. Наиболее существенным недостатком таких приборов является крайне низкий динамический диапазон детектируемых концентраций, а именно невозможность измерения концентрации исследуемого вещества в широком диапазоне концентраций, без дополнительного изменения длины волны генерируемого излучения.The sensitivity and accuracy of such measurements is limited primarily by the fact that the laser radiation is spaced in time, and the light reflectance by various types of underlying surface varies within 15%. Therefore, to obtain sufficient sensitivity and measurement accuracy, it is necessary to reduce the time interval between the radiation of two lasers to 1 ms and below, which complicates the optical system for outputting radiation. Defocusing the output laser beam for averaging the reflection coefficient over a larger area leads to a decrease in the accuracy of determining the location of the leak. The most significant disadvantage of such devices is the extremely low dynamic range of detected concentrations, namely, the impossibility of measuring the concentration of the test substance in a wide range of concentrations without additional changes in the wavelength of the generated radiation.

Из уровня техники известны газоанализаторы, предполагающие проведение измерений внутри оптической кюветы [US 5130544 A, 1992]. В такой схеме измерений могут применяться закрытые кюветы, через которые прокачивается исследуемая газовая смесь, или открытые, используемые для локальных измерений концентрации исследуемого газа в воздухе. Подобные приборы устанавливались на пилотируемые летательные аппараты для измерения концентрации метана в воздухе. При использовании многопроходных кювет благодаря большой длине оптического пути чувствительность измерений оказывалась весьма высокой. Такие газоанализаторы оказываются эффективны при построении вертикальных профилей распределения концентрации различных газовых составляющих [Applied Optics 38, 7342-7354 (1999)]. В случае применения подобных устройств приборов для детектирования утечек природного газа из трубопроводов их принципиальным недостатком являются низкая точность локализации утечки и высокая вероятность ложного детектирования, обусловленные тем, что небольшие превышения естественной концентрации метана в воздухе могут не быть связанными с утечкой из газопроводов.Gas analyzers are known from the prior art, which imply measurements inside an optical cell [US 5130544 A, 1992]. In such a measurement scheme, closed cells can be used through which the studied gas mixture is pumped, or open cells used for local measurements of the concentration of the test gas in the air. Such devices were installed on manned aircraft to measure the concentration of methane in the air. When using multipass cells, the measurement sensitivity turned out to be very high due to the long optical path. Such gas analyzers are effective in constructing vertical profiles of the concentration of various gas constituents [Applied Optics 38, 7342-7354 (1999)]. In the case of using such devices, devices for detecting natural gas leaks from pipelines, their fundamental drawback is the low accuracy of leak localization and a high probability of false detection, due to the fact that small excess of the natural concentration of methane in the air may not be associated with a leak from gas pipelines.

Известны газоанализаторы, работающие на основе явления комбинационного рассеяния. Они включают в себя лазер, систему вывода лазерного излучения, приемный оптический тракт, фотоприемник, систему обработки и записи данных [RU 2022251 C1, 1991], [RU 2036372 C1, 1992]. Принцип действия таких устройств основан на взаимодействии лазерного излучения с молекулой, последующем возбуждении ее электронной подсистемы, которая в процессе релаксации излучает со сдвигом на собственные колебательные частоты. Это излучение регистрируется приемной системой прибора. По интенсивности зарегистрированного излучения осуществляется прямое измерение количества молекул на оптическом пути, пройденном излучением. Преимуществом данного метода является независимость получаемых результатов от внешних условий. Но для реализации подобных устройств необходимо использование лазеров с длиной волны менее 1 мкм и мощностью до 3 кВт/см², что приводит к использованию громоздкой аппаратуры с высоким энергопотреблением. К тому же излучение таких лазеров крайне опасно для зрения. Наконец, сечение комбинационного рассеяния для метана в рабочем диапазоне длин волн таких приборов составляет ~10^-29 см² на молекулу (в ближнем ИК-диапазоне ~10^-20 см²), из-за чего чувствительность подобных устройств оказывается относительно невелика.Known gas analyzers operating on the basis of the phenomenon of Raman scattering. They include a laser, a laser radiation output system, a receiving optical path, a photodetector, a data processing and recording system [RU 2022251 C1, 1991], [RU 2036372 C1, 1992]. The principle of operation of such devices is based on the interaction of laser radiation with a molecule, the subsequent excitation of its electronic subsystem, which in the process of relaxation emits with a shift by its natural vibrational frequencies. This radiation is registered by the receiving system of the device. The intensity of the registered radiation is used to directly measure the number of molecules along the optical path traversed by the radiation. The advantage of this method is the independence of the results obtained from external conditions. But to implement such devices, it is necessary to use lasers with a wavelength of less than 1 μm and a power of up to 3 kW / cm ² , which leads to the use of bulky equipment with high power consumption. In addition, the radiation from such lasers is extremely dangerous for the eyes. Finally, the Raman cross section for methane in the operating wavelength range of such devices is ~ 10 ^-29 cm ² per molecule (in the near-IR range ~ 10 ^-20 cm ² ), which is why the sensitivity of such devices is relatively low.

Лазерные газоанализаторы, использующие абсорбционные свойства газов, обладают большей чувствительностью и быстродействием. Известен дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор [RU 2285251 C2, 2006], предназначенный для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ и содержащий блок лазерного излучателя с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, блок приема аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через диффузно отражающий объект, а также блок управления, приема и обработки данных.Laser gas analyzers that use the absorption properties of gases are more sensitive and faster. Known is a remote optical absorption laser gas analyzer [RU 2285251 C2, 2006], designed for remote measurement of the concentration of gaseous substances and containing a laser emitter unit with a wavelength varying in the absorption range of the detected molecule, an analytical signal receiving unit optically connected to the laser emitter unit through diffuse reflective object, as well as a block for control, reception and processing of data.

Из уровня техники известны устройства для дистанционного обнаружения утечек метана на уровне, превышающем естественный уровень фона, с использованием абсорбционной лазерной спектроскопии на основе перестраиваемого по длине волны диодного лазера [US 7075653 B1, 2006], [RU 137373 U1, 2014]. Эти приборы состоят из лазера, излучающего на длине волны, соответствующей полосе поглощения метана; оптического детектора, принимающего отраженное от удаленной мишени лазерное излучение; соединенного с детектором модуля обработки сигнала; статистического процессорного модуля обнаружения, функционально соединенного с детектором, способным давать оценку уровня природного содержания метана и оценку уровня шумов измерений, различать какой из указанных уровней превышает допустимые пределы; пользовательского интерфейса, функционально соединенного с указанным процессорным модулем. Недостатком таких устройств является низкая точность локализации места утечки и необходимость в осмотре газопровода инспектором. Подобные устройства не могут повсеместно использоваться вне городской черты.Devices for remote detection of methane leaks at a level exceeding the natural background level using absorption laser spectroscopy based on a wavelength-tunable diode laser are known from the prior art [US 7075653 B1, 2006], [RU 137373 U1, 2014]. These devices consist of a laser emitting at a wavelength corresponding to the absorption band of methane; an optical detector that receives laser radiation reflected from a distant target; a signal processing module connected to the detector; a statistical processor detection module functionally connected to a detector capable of assessing the level of natural methane content and assessing the level of measurement noise, distinguishing which of these levels exceeds the permissible limits; user interface, functionally connected to the specified processor module. The disadvantage of such devices is the low accuracy of localizing the leak and the need for an inspector to inspect the gas pipeline. Such devices cannot be widely used outside the city limits.

Класс приборов, ориентированных на дистанционное обнаружение утечек с расстояния в десятки-сотни метров, монтируемых на летательные и вездеходные аппараты, дают возможность локализации утечки в труднодоступных местах с гораздо большей точностью.A class of devices focused on remote detection of leaks from a distance of tens to hundreds of meters, mounted on aircraft and all-terrain vehicles, make it possible to localize a leak in hard-to-reach places with much greater accuracy.

Близким аналогом заявленного технического решения является газоанализатор, содержащий оптический блок и средства обработки данных [WO 2019112459 A1, 2019]. Оптический блок включает в себя лазерный модуль с диодным лазером, излучающим в окрестности длины волны 1,65 мкм, аналитический и реперный каналы. При проведении измерений изменяя и стабилизируя температуру диодного лазера, частота излучения перестраивается в диапазоне до 100 см^-1. Может меняться величина тока накачки диодного лазера и осуществляться сканирование частоты излучения в пределах до 5 см^-1. Усиленные сигналы аналитического и реперного каналов обрабатываются в режиме реального времени. При этом определяются кросскорреляционная функция F(z) и автокорреляционная функция сигнала реперного канала G(z), осуществляется фильтрации шума сигнала в аналитическом канале, по значениям данных функций определяется коэффициент кросскорреляции в зависимости от значений F(z) и G(z) и определяется концентрация газа в аналитическом канале в зависимости от коэффициента кросскорреляции, концентрации газа в реперной кювете и длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах. Устройство организовано в виде двух независимых частей: оптического блока, устанавливаемого на вертолете, и электроники с мобильным компьютером, собранной в отдельном кейсе.A close analogue of the claimed technical solution is a gas analyzer containing an optical unit and data processing means [WO 2019112459 A1, 2019]. The optical unit includes a laser module with a diode laser emitting in the vicinity of a wavelength of 1.65 microns, analytical and reference channels. When carrying out measurements, changing and stabilizing the temperature of the diode laser, the radiation frequency is tuned in the range up to 100 cm ^-1 . The value of the pump current of the diode laser can be changed and the radiation frequency is scanned within the range of up to 5 cm ^-1 . The amplified signals of the analytical and reference channels are processed in real time. In this case, the cross-correlation function F (z) and the autocorrelation function of the signal of the reference channel G (z) are determined, the signal noise in the analytical channel is filtered, the values of these functions are used to determine the cross-correlation coefficient depending on the values of F (z) and G (z) and gas concentration in the analytical channel depending on the cross-correlation coefficient, gas concentration in the reference cell and the length of the optical path in the analytical and reference channels. The device is organized in the form of two independent parts: an optical unit mounted on a helicopter, and electronics with a mobile computer, assembled in a separate case.

Недостатком данного устройства является возможность установки только на пилотируемые летательные аппараты ввиду больших габаритов и массы (оптический блок - 400×400×600 мм³, 25 кг; кейс электроники - 500×400×200 мм³, 10 кг), высокого суммарного энергопотребления - 100 Вт, а также необходимости в присутствии на борту оператора устройства. Учитывая значительную протяженность магистральных трасс и высокую стоимость полетов пилотируемой авиационной техники, использование таких устройств зачастую является экономически нецелесообразным.The disadvantage of this device is the ability to install only on manned aircraft due to its large dimensions and weight (optical unit - 400 × 400 × 600 mm ³ , 25 kg; electronics case - 500 × 400 × 200 mm ³ , 10 kg), high total energy consumption - 100 W, as well as the need for the presence of the device operator on board. Considering the considerable length of the main routes and the high cost of flights of manned aircraft, the use of such devices is often economically inexpedient.

Основные недостатки вышеперечисленных газоанализаторов:The main disadvantages of the above gas analyzers:

1. в большинстве случаев устройства являются сложными в изготовлении и эксплуатации;1. in most cases, devices are difficult to manufacture and operate;

2. максимальная чувствительность существующих приборов, основанных на абсорбционных методах, сопровождается массивностью, большим энергопотреблением, высокой стоимостью приобретения и обслуживания, необходимостью в присутствии оператора.2. The maximum sensitivity of existing devices based on absorption methods is accompanied by massiveness, high energy consumption, high acquisition and maintenance costs, and the need for the presence of an operator.

Поскольку в последние годы во всем мире очень активно развивается такая легкая авиационная техника как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), в том числе имеющие двигатели внутреннего сгорания, рассчитанные на длительные полеты на скоростях в десятки метров в секунду и высотах от десятков до сотен метров, выглядит обоснованным техническое решение, представляющее собой газоанализатор, обладающий достаточной чувствительностью для обнаружения утечек из магистральных газопроводов и определения их интенсивности и иного контроля индустриальных загрязнений, установленный на БПЛА. В большинстве случаев БПЛА имеют небольшие относительно пилотируемых аппаратов габариты и энерговооруженность, что приводит к ограничениям по полезной нагрузке, масса которой не должна превышать 5 кг, а энергопотребление - 30 Вт, при этом для реальных применений газоаналитического устройства необходима климатическая и вибрационная стойкость. Важным аспектом в таком случае является быстродействие устройства. Эксплуатация подобных приборов в свою очередь должна быть максимально простой, не требовать участия оператора в работе устройства во время полета БПЛА и допускать длительные перерывы между техническим обслуживанием. Также для экономической целесообразности применения таких приборов стоимость их приобретения и дальнейшего обслуживания должна быть предельно низкой. Таким требованиям отвечает предлагаемое техническое решение, основанное на методе модуляционной лазерной спектроскопии.Since in recent years such light aviation technology as unmanned aerial vehicles (UAVs), including those with internal combustion engines designed for long flights at speeds of tens of meters per second and altitudes from tens to hundreds of meters, has been actively developing all over the world, it looks justified technical solution, which is a gas analyzer with sufficient sensitivity to detect leaks from main gas pipelines and determine their intensity and other control of industrial pollution, installed on the UAV. In most cases, UAVs have small dimensions and power-to-weight relative to manned vehicles, which leads to limitations on the payload, the mass of which should not exceed 5 kg, and the power consumption should not exceed 30 W, while for real applications of a gas analytical device, climatic and vibration resistance is required. An important aspect in this case is the speed of the device. The operation of such devices, in turn, should be as simple as possible, not require operator participation in the operation of the device during the UAV flight, and allow long breaks between maintenance. Also, for the economic feasibility of using such devices, the cost of their acquisition and further maintenance should be extremely low. These requirements are met by the proposed technical solution based on the method of modulation laser spectroscopy.

Из уровня техники известны устройства и системы, использующие для оптического контроля газовых сред метод модуляционной спектроскопии [JP 2004361129 A, 2004], [CN 102706832 B, 2014]. Изобретение [CN 102706832 B] представляет собой лазерный инфракрасный газоанализатор на основе перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии для обнаружения хлористого водорода, метана, оксида углерода, водяного пара и других газов. Устройство содержит лазер, схему управления лазером, схему управления температурой, оптическую систему с оптическим резонатором, основной детектор, опорный детектор, схему модуляции и подавления интенсивности, схему фазовой синхронизации и усиления и схему сбора и отображения данных. Схема управления лазером и схема управления температурой лазера используются для управления генерируемым излучением, оба конца оптической системы соответственно соединены с лазером и детектором, схема фазовой синхронизации и усиления используется для извлечения гармонических сигналов, а схема сбора и отображения данных используется для отображения концентрации газа, подлежащего обнаружению.From the prior art, devices and systems are known that use the modulation spectroscopy method for optical control of gaseous media [JP 2004361129 A, 2004], [CN 102706832 B, 2014]. The invention [CN 102706832 B] is a laser infrared gas analyzer based on tunable diode laser absorption spectroscopy for the detection of hydrogen chloride, methane, carbon monoxide, water vapor and other gases. The device contains a laser, a laser control circuit, a temperature control circuit, an optical system with an optical resonator, a main detector, a reference detector, an intensity modulation and suppression circuit, a phase locking and amplification circuit, and a data acquisition and display circuit. The laser control circuit and the laser temperature control circuit are used to control the generated radiation, both ends of the optical system are respectively connected to the laser and the detector, the phase locking and amplification circuit is used to extract harmonic signals, and the data acquisition and display circuit is used to display the concentration of the gas to be detected. ...

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является изобретение [KR 20160085548 A, 2016], представляющее собой способ измерения концентрации газов, основанный на принципе модуляционной лазерной абсорбционной спектроскопии. Техническое решение реализации этого способа включает в себя: блок лазерного источника излучения, обеспечивающий зондирующий луч до объекта измерения, модулирующий амплитуду сигнала на частоте f, лежащей в предварительно определенной полосе частот; блок детектирования зондирующего излучения, прошедшего сквозь исследуемый газ, преобразующий оптический сигнал в электрический; и блок обработки, извлекающий сигнал на первой гармонической составляющей частоты модуляции f и на вторичной составляющей 2f путем обработки электрического сигнала с блока детектирования света и вычисляющий степень поглощения зондирующего луча измеряемым газом по отношению первой гармонической составляющей ко второй.The closest technical solution, selected as a prototype, is the invention [KR 20160085548 A, 2016], which is a method for measuring gas concentration based on the principle of modulation laser absorption spectroscopy. The technical solution for the implementation of this method includes: a block of a laser source of radiation, providing a probe beam to the measurement object, modulating the amplitude of the signal at a frequency f lying in a predetermined frequency band; a unit for detecting probe radiation that has passed through the analyzed gas, converting an optical signal into an electrical one; and a processing unit extracting a signal on the first harmonic component of the modulation frequency f and on the secondary component 2f by processing the electrical signal from the light detecting unit and calculating the absorption rate of the probe beam by the measured gas with respect to the first harmonic component to the second.

Недостатком данного устройства можно считать отсутствие стабилизации длины волны генерируемого диодным лазером излучения по линии поглощения исследуемого газа, что ухудшает отношение полезного сигнала к шумам системы из-за недостаточной стабильности лазерного излучения, а также ввиду стационарного исполнения указанного технического решения отсутствие обратной связи глубины модуляции с уровнем поглощения измеряемого газа и вычисления дистанции до рассеивающей поверхности.The disadvantage of this device can be considered the lack of stabilization of the wavelength of the radiation generated by the diode laser along the absorption line of the test gas, which worsens the ratio of the useful signal to the system noise due to insufficient stability of the laser radiation, and also due to the stationary execution of the specified technical solution, the lack of feedback of the modulation depth with the level absorption of the measured gas and calculation of the distance to the scattering surface.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является решение проблемы, заключающейся в отсутствии компактных газоанализаторов, подходящих для установки на БПЛА, для проведения экологического мониторинга среды, в частности для поиска утечек из магистральных газопроводов, находящихся в труднодоступных местах. Предлагаемое техническое решение, реализованное в виде дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора, позволит одновременно осуществлять измерение концентрации нескольких газовых составляющих атмосферного воздуха при проведении измерений на фиксированной трассе или в режиме пространственного сканирования.The technical result of the proposed invention is to solve the problem of the lack of compact gas analyzers suitable for installation on UAVs for environmental monitoring of the environment, in particular for searching for leaks from gas pipelines located in hard-to-reach places. The proposed technical solution, implemented in the form of a remote optical absorption laser gas analyzer, will allow simultaneous measurement of the concentration of several gas constituents of atmospheric air during measurements on a fixed route or in a spatial scanning mode.

Заявленный технический результат достигается тем, что для устранения указанных недостатков прототипа в случае реализации методики модуляционной лазерной абсорбционной спектроскопии в условиях автономного лидарного мониторинга индустриальных загрязнений, в том числе поиска утечек из магистральных газопроводов, посредством компактного энергоэффективного газоанализатора, подходящего для установки на беспилотный летательный аппарат, что способствует удешевлению процедуры мониторинга, в предложенном компактном газоанализаторе предлагается для повышения отношения полезного сигнала к шумам системы реализация стабилизации длины волны генерируемого диодным лазером излучения по линии поглощения исследуемого газа, для чего оптический блок, содержащий указанный полупроводниковый диодный лазерный источник излучения ИК-диапазона 1 с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы благодаря модуляции тока инжекции, реализуемой при помощи многофункциональной цифровой платы 13 и цифро-аналогового преобразователя 12, соединен при помощи оптического волокна 2 и оптоволоконного светоделителя 3 с передающей оптической системой 4 аналитического и реперного каналов, причем реперный канал содержит однопроходную кювету 9 со смесью измеряемого газа и азота при атмосферном давлении, сквозь которую проходит малая часть лазерного излучения, фокусируемая на фотодиоде 8 реперного канала, при этом непрерывная обработка усиленного сигнала реперного канала позволяет вычислить гармоническую составляющую сигнала на утроенной частоте модуляции 3f и выполнить алгоритм температурной стабилизации диодного лазера 1, эквивалентный стабилизации температуры лазера по положению пика линии поглощения измеряемого газа, по составляющей на частоте 3f с точностью до 10^-4 см^-1, недостижимой при использовании для управления элементом Пельтье, установленного в корпус диодного лазера, только PID-регулятора, к тому же сигнал, поступивший с приемной системы 7 аналитического канала, принимающей лазерное излучение, рассеянное от поверхности топографического объекта 6 и прошедшее через облако детектируемого газа 5, включающей приемный телескоп, оптический фильтр и фотодиод, попадает в аналоговый предусилитель 10, осуществляющий усиление и частотную фильтрацию сигнала, после чего при помощи аналого-цифрового преобразователя 11 и многофункциональной цифровой платы 13 блока управления, приема и обработки данных обрабатывается согласно методике квадратурного детектирования, что позволяет избавиться от негативного эффекта, связанного с флуктуациями фазы последовательности импульсов принимаемого рассеянного лазерного излучения, способного приводить к ошибке определения концентрации на порядок величины и более, в ходе обработки по первой гармонической составляющей аналитического сигнала на частоте f проводится оценка интенсивности принимаемого сигнала, а также по сдвигу фаз вычисляется расстояние до рассеивающей излучение лазера поверхности, причем в процессе выполнения алгоритмов работы глубина модуляции, связанная с уровнем поглощения измеряемого газа, может меняться в реальном времени в зависимости от концентрации измеряемой газовой составляющей, которая вычисляется в реальном времени по отношению гармонических составляющих аналитического сигнала на удвоенной частоте 2f и на частоте модуляции f.The claimed technical result is achieved by the fact that in order to eliminate the indicated disadvantages of the prototype in the case of the implementation of the modulation laser absorption spectroscopy technique in the conditions of autonomous lidar monitoring of industrial pollution, including the search for leaks from main gas pipelines, by means of a compact energy efficient gas analyzer suitable for installation on an unmanned aerial vehicle, which helps to reduce the cost of the monitoring procedure, in the proposed compact gas analyzer it is proposed to increase the ratio of the useful signal to the system noise to stabilize the wavelength of the radiation generated by the diode laser along the absorption line of the test gas, for which the optical unit containing the indicated semiconductor diode laser source of IR radiation 1 s wavelength that varies in the absorption range of the detected molecule due to modulation of the injection current, implemented using a multifunctional digital card 13 and a digital-to-analog converter 12, connected by means of an optical fiber 2 and a fiber-optic beam splitter 3 with a transmitting optical system 4 of the analytical and reference channels, and the reference channel contains a single-pass cell 9 with a mixture of measured gas and nitrogen at atmospheric pressure, through which a small part of the laser radiation focused on the photodiode 8 of the reference channel, while continuous processing of the amplified signal of the reference channel allows calculating the harmonic component of the signal at three times the modulation frequency 3f and performing the temperature stabilization algorithm for diode laser 1, which is equivalent to stabilizing the laser temperature by the position of the peak of the absorption line of the measured gas, by the component at a frequency of 3f with an accuracy of 10 ^-4 cm ^-1 , unattainable when using only the PID controller to control the Peltier element installed in the diode laser housing, moreover, the signal received from the receiving system 7 of the analytical channel, which receives laser radiation scattered from the surface of a topographic object 6 and passed through a cloud of detected gas 5, including a receiving telescope, an optical filter and a photodiode, enters the analog preamplifier 10, which amplifies and frequency filters the signal, after which, using an analog-to-digital converter 11 and a multifunctional digital board 13 of the control unit, receiving and processing data is processed according to the method of quadrature detection, which makes it possible to get rid of the negative effect associated with fluctuations in the phase of the sequence of pulses of the received scattered laser radiation, which can lead to an error in determining the concentration by an order of magnitude or more during processing according to the first harmonic component of the analytical signal at frequency f, the intensity of the received signal is estimated, and the distance to the surface scattering the laser radiation is calculated from the phase shift, and in the process of executing the algorithms The depth of modulation associated with the absorption level of the measured gas can vary in real time depending on the concentration of the measured gas component, which is calculated in real time from the ratio of the harmonic components of the analytical signal at doubled frequency 2f and at modulation frequency f.

В частном случае реализации заявленного технического решения добавлен по крайней мере один дополнительный аналогичный модуль лазерного излучателя, настроенный на работу в другом спектральном диапазоне.In a particular case of the implementation of the claimed technical solution, at least one additional similar laser emitter module is added, tuned to operate in a different spectral range.

В частном случае реализации заявленного технического решения модули лазерных излучателей выполнены съемными и сменными.In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, the laser emitter modules are removable and replaceable.

В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно определяется пространственное распределение измеряемой газовой составляющей при помощи определения текущих координат по данным систем глобальной спутниковой навигации GPS и/или ГЛОНАСС.In the particular case of the implementation of the claimed technical solution, the spatial distribution of the measured gas component is additionally determined by determining the current coordinates according to the data of the GPS and / or GLONASS global satellite navigation systems.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:The invention is illustrated by drawings, which show:

Фиг. 1 - спектр поглощения метана в окрестности длины волны 1,65 мкм;FIG. 1 - absorption spectrum of methane in the vicinity of a wavelength of 1.65 μm;

Фиг. 2 - коэффициент поглощения метана в окрестности линии R4 (1,65095 мкм) при фоновой концентрация метана в атмосфере и длине оптического пути 100 м;FIG. 2 - absorption coefficient of methane in the vicinity of the R4 line (1.65095 μm) at a background concentration of methane in the atmosphere and an optical path length of 100 m;

Фиг. 3 - форма выходной оптической мощности излучения диодного лазера (ДЛ);FIG. 3 - the shape of the output optical power of the diode laser (DL) radiation;

Фиг. 4 - форма гармонических составляющих принимаемого сигнала на частоте модуляции f, удвоенной частоте 2f и утроенной 3f;FIG. 4 - the shape of the harmonic components of the received signal at the modulation frequency f, doubled frequency 2f and tripled 3f;

Фиг. 5 - блок-схема дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора;FIG. 5 is a block diagram of a remote optical absorption laser gas analyzer;

Фиг. 6 - блок-схема электроники газоанализатора.FIG. 6 is a block diagram of the electronics of the gas analyzer.

Заявленный способ дистанционного измерения концентрации, превышающей естественное значение, атмосферных газовых составляющих на примере метана возможен посредством непрерывного измерения глубины линии поглощения этого газа. Для этого хорошо подходят сильные линии поглощения метана, например, линия поглощения Q4 колебательной полосы ν₃=3,312 мкм и первого обертона R4 полосы 2ν₃=1,651 мкм. Ширина линии поглощения R4, измеренная на полувысоте контура, при атмосферном давлении составляет Δν=0,13 см^-1. Эта линия поглощения может наблюдаться в условиях средней и высокой влажности. Таким образом для реализации предложенного способа оптимальным вариантом источника лазерного излучения является полупроводниковый диодный лазер с длиной волны излучения в области 1,65 мкм. Такой лазер может быстро перестраиваться по длине волны в окрестности пика выбранной линии поглощения путем модуляции тока накачки, при этом возможно реализовать стабилизацию температуры кристалла на уровне 10^-4 К, что в выбранном диапазоне соответствует ~10^-4 см^-1.The claimed method for remote measurement of concentration exceeding the natural value of atmospheric gas components using methane as an example is possible by continuously measuring the depth of the absorption line of this gas. Strong absorption lines of methane are well suited for this, for example, the absorption line Q4 of the vibrational band ν ₃ = 3.312 μm and the first overtone R4 of the band 2ν ₃ = 1.651 μm. The absorption line width R4, measured at half-height of the contour, at atmospheric pressure is Δν = 0.13 cm ^-1 . This absorption line can be observed in medium to high humidity conditions. Thus, for the implementation of the proposed method, the optimal version of the laser radiation source is a semiconductor diode laser with a radiation wavelength in the region of 1.65 μm. Such a laser can be quickly tuned in wavelength in the vicinity of the peak of the selected absorption line by modulating the pump current, while it is possible to stabilize the crystal temperature at a level of 10 ^-4 K, which in the selected range corresponds to ~ 10 ^-4 cm ^-1 .

Стоит отметить, что для создания абсорбционного лазерного газоанализатора лидарного типа для обнаруженния превышений естественного уровня содержания метана в атмосфере выбор ближнего ИК-диапазона предпочтительнее средней ИК-области спектра. Несмотря на то, что линии поглощения метана, лежащие в диапазоне 3,1-3,6 мкм, примерно на два порядка превосходят по интенсивности линии вблизи 1,65 мкм, это компенсируется возможностью применения в ближнем ИК-диапазоне недорогих и компактных полупроводниковых фотодиодов на основе InGaAs, чувствительность которых превосходит чувствительность фотоприемников среднего ИК-диапазона также на два порядка.It should be noted that for the creation of an absorption laser gas analyzer of the lidar type for detecting the excess of the natural level of methane content in the atmosphere, the choice of the near IR range is preferable to the mid IR range of the spectrum. Despite the fact that the absorption lines of methane, lying in the range of 3.1-3.6 μm, are approximately two orders of magnitude higher in intensity than the lines near 1.65 μm, this is compensated by the possibility of using inexpensive and compact semiconductor photodiodes in the near-IR range. based on InGaAs, the sensitivity of which exceeds the sensitivity of mid-IR photodetectors also by two orders of magnitude.

Примером реализации предложенного способа и устройства является прибор, состоящий из оптического блока и блока управления, приема и обработки полученных данных. Оптический блок содержит полупроводниковый диодный лазерный источник излучения ИК-диапазона с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, а именно в диапазоне длин волн 1645-1655 нм, который соединен при помощи оптоволоконного светоделителя с соотношением ~90/10 с передающей оптической системой аналитического и реперного каналов. Рассеянное от поверхности топографического объекта и прошедшее через облако измеряемого газа лазерное излучение, попадает в приемную систему аналитического канала, включающую приемную линзу, оптический фильтр, уменьшающий интенсивность солнечной засветки в 200 раз и пропускающий 60% полезного сигнала, и фотодиод с диаметром фоточувствительной области 2 мм. Реперный канал, содержащий однопроходную кювету со смесью СН₄ и N₂ при атмосферном давлении, сквозь которую проходит малая часть генерируемого диодным лазером излучения, фокусируемая на фотодиоде с диаметром фоточувствительной области 1 мм, необходим для прецизионной температурной стабилизации лазерного кристалла.An example of the implementation of the proposed method and device is a device consisting of an optical unit and a control unit, receiving and processing the received data. The optical unit contains a semiconductor diode laser source of infrared radiation with a wavelength varying in the absorption range of the detected molecule, namely, in the wavelength range of 1645-1655 nm, which is connected using a fiber-optic beam splitter with a ratio of ~ 90/10 to the transmitting optical system of the analytical and reference channels. The laser radiation scattered from the surface of the topographic object and passed through the cloud of the measured gas enters the receiving system of the analytical channel, which includes a receiving lens, an optical filter that reduces the intensity of solar illumination by 200 times and transmits 60% of the useful signal, and a photodiode with a photosensitive area of 2 mm in diameter ... A reference channel containing a single-pass cell with a mixture of CH ₄ and N ₂ at atmospheric pressure, through which a small part of the radiation generated by a diode laser, focused on a photodiode with a photosensitive region of 1 mm in diameter, passes, is required for precision temperature stabilization of the laser crystal.

Блок управления, приема и обработки данных выполнен в виде аналогового модуля управления током инжекции и температурой диодного лазера и усиления принимаемого аналогового сигнала и многофункциональной цифровой платы, содержащей аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и два цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), программируемый микроконтроллер (МК) и программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС). Быстродействующий 16-битный ЦАП выдает ток накачки лазера, а также задает напряжение на элементе Пельтье, встроенном в корпус лазера. 16-битный АЦП принимает предварительно усиленные и прошедшие фильтрацию сигналы с фотодиодов аналитического и реперного каналов, а также сигнал с мониторного фотодиода диодного лазера, на 12-битный АЦП подается напряжение с термистора, по которому рассчитывается текущая температура лазерного кристалла.The block for control, reception and processing of data is made in the form of an analog module for controlling the injection current and temperature of the diode laser and amplification of the received analog signal and a multifunctional digital board containing an analog-to-digital converter (ADC) and two digital-to-analog converters (DAC), a programmable microcontroller ( MK) and a programmable logic integrated circuit (FPGA). A fast 16-bit DAC provides the pump current for the laser as well as the voltage across the Peltier element built into the laser housing. The 16-bit ADC receives the pre-amplified and filtered signals from the photodiodes of the analytical and reference channels, as well as the signal from the monitor photodiode of the diode laser; the 12-bit ADC receives voltage from the thermistor, which calculates the current temperature of the laser crystal.

Учитывая скорость перемещения БПЛА, необходимо использовать методику, которая способствовала бы высокой скорости обработки сигнала. В качестве такой методики выбран алгоритм работы, основанный на абсорбционной модуляционной лазерной спектроскопии и синхронном детектировании сигнала. С учетом выбранных МК и ПЛИС данный алгоритм позволяет достичь скорости обработки данных в единицы МГц и использовать для работы 10²-10³ усреднений аналитического сигнала.Given the speed at which the UAV moves, it is necessary to use a technique that would facilitate high speed signal processing. As such a technique, an operation algorithm based on absorption modulation laser spectroscopy and synchronous signal detection was chosen. Taking into account the selected MC and FPGA, this algorithm allows to achieve the data processing speed in MHz units and to use 10 ² -10 ³ averaging of the analytical signal for operation.

В процессе выполнения алгоритмов работы ток накачки диодного лазера модулируется гармонической функцией синуса с глубиной модуляции, связанной с уровнем поглощения измеряемого газа, и частотой f, которые могут меняться в зависимости от концентрации измеряемой газовой составляющей и скорости полета летательного аппарата путем обратной связи отправляемых в ЦАП данных с непрерывно обновляемыми результатами расчета концентрации измеряемого газа в атмосферном воздухе.During the execution of the operating algorithms, the pump current of the diode laser is modulated by a harmonic sine function with a modulation depth related to the absorption level of the measured gas and a frequency f, which can vary depending on the concentration of the measured gas component and the flight speed of the aircraft by feedback of the data sent to the DAC with continuously updated results of calculating the concentration of the measured gas in the ambient air.

Благодаря нелинейным эффектам, связанным с поглощением лазерного излучения молекулами измеряемого газа, осуществляется преобразование амплитудной модуляции сигнала в частотное сканирование выбранной спектральной линии вблизи ее пика. Сигналы, принимаемые в аналитическом и реперном каналах, усиленные в аналоговом модуле, обрабатываются согласно методике синхронного детектирования, что позволяет значительно увеличить отношение сигнал/шум. В ходе обработки, реализованной на МК STM32 с ядром ARM Cortex-M7 и ПЛИС Cyclone IV, вычисляются гармонические составляющие принимаемого сигнала на частоте модуляции f, удвоенной 2f и утроенной 3f частотах. По первой гармонической составляющей аналитического сигнала проводится оценка интенсивности принимаемого сигнала, а также вычисляется расстояние до рассеивающей излучение лазера поверхности по сдвигу фаз. По отношению гармонических составляющих аналитического сигнала на удвоенной частоте 2f и на частоте модуляции f в реальном времени вычисляется концентрация измеряемого газа. Для дополнительного увеличения отношения сигнала к шумам системы выполняется частотная фильтрация сигнала аналитического канала с использованием П-образного фильтра с диапазоном, захватывающим частоты от f до 2f. По составляющей реперного сигнала, также прошедшего П-образный частотный фильтр, на частоте 3f непрерывно реализуется алгоритм температурной стабилизации диодного лазера с точностью до 10^-4 см^-1, недостижимой при использовании для управления элементом Пельтье, установленного в корпус диодного лазера, только PID-регулятора.Due to the nonlinear effects associated with the absorption of laser radiation by the molecules of the measured gas, the amplitude modulation of the signal is converted into a frequency scan of the selected spectral line near its peak. The signals received in the analytical and reference channels, amplified in the analog module, are processed according to the method of synchronous detection, which significantly increases the signal-to-noise ratio. In the course of processing, implemented on an STM32 MK with an ARM Cortex-M7 core and a Cyclone IV FPGA, the harmonic components of the received signal are calculated at a modulation frequency f, doubled 2f and tripled 3f frequencies. The first harmonic component of the analytical signal is used to estimate the intensity of the received signal, and the distance to the surface scattering the laser radiation is calculated from the phase shift. The concentration of the measured gas is calculated in real time from the ratio of the harmonic components of the analytical signal at double the frequency 2f and at the modulation frequency f. To further increase the signal-to-noise ratio of the system, the analytical channel signal is frequency filtered using a U-shaped filter with a range that captures frequencies from f to 2f. The component of the reference signal, which also passed the U-shaped frequency filter, at a frequency of 3f continuously implements an algorithm for temperature stabilization of the diode laser with an accuracy of 10 ^-4 cm ^-1 , unattainable when using only PID to control the Peltier element installed in the diode laser housing. regulator.

Фоновая концентрация метана в атмосферном воздухе составляет 1,6 ppm, что на дистанции 100 м приводит к поглощению 0,7% на длине волны 1,65095 мкм. Коэффициент рассеяния топографическими объектами (землей, песком, травой) составляет ~0,25. Отношение принимаемой мощности в аналитическом канале к выходной мощности лазерного излучения при расстоянии до поверхности 50 м для предложенной конфигурации составит ~3*10^-7. фоновая концентрация метана в атмосферном воздухе может быть измерена при усреднении за 20 мсек с отношением сигнала к шуму ~3.The background concentration of methane in the atmospheric air is 1.6 ppm, which at a distance of 100 m leads to an absorption of 0.7% at a wavelength of 1.65095 microns. The scattering coefficient of topographic objects (ground, sand, grass) is ~ 0.25. The ratio of the received power in the analytical channel to the output power of laser radiation at a distance to the surface of 50 m for the proposed configuration will be ~ 3 * 10 ^-7 . The background concentration of methane in atmospheric air can be measured by averaging over 20 ms with a signal-to-noise ratio of ~ 3.

Опытный образец прибора был создан и успешно прошел лабораторные испытания. Габариты устройства составляют 275×175×65 мм³, масса - 4 кг, пиковое энергопотребление - 35 Вт (при стандартном потреблении 20 Вт), рабочий температурный диапазон от -20°С до +60°С. При выходной оптической мощности диодного лазера 15 мВт и диаметре входной апертуры принимающей оптики 100 мм чувствительность прибора на расстоянии от рассеивающей поверхности 50 м составила 50 ppm*m для фоновой концентрации метана в атмосфере.A prototype device was created and successfully passed laboratory tests. The dimensions of the device are 275 × 175 × 65 mm ³ , weight - 4 kg, peak power consumption - 35 W (with standard consumption of 20 W), operating temperature range from -20 ° С to + 60 ° С. When the output optical power of the diode laser is 15 mW and the diameter of the input aperture of the receiving optics is 100 mm, the sensitivity of the device at a distance of 50 m from the scattering surface was 50 ppm * m for the background concentration of methane in the atmosphere.

Claims

1. A method for remote determination of the concentration of small gas constituents of atmospheric air, based on the method of absorption modulation laser spectroscopy, which consists in the fact that the radiation of a laser light source is modulated by a harmonic function with a frequency f, the radiation transmitted through the cloud of the gas under study and the radiation scattered from the distant surface is synchronously detected, determining the harmonic components of the recorded signal at the modulation frequency f and the doubled frequency 2f, due to which the concentration of the studied gas component is calculated from the ratio of the components of the recorded signal at frequencies f and 2f, characterized in that quadrature detection of the recorded signal is used to increase the ratio of the useful signal to the system noise, stabilize the wavelength of the radiation generated by the laser source along the absorption line of the test gas with an accuracy of 10 ^-4 cm ^-1 , for which the component of the recorded signal is determined at a frequency those 3f, and the phase incursion calculates the distance to the scattering surface.

2. The method according to claim 1, characterized in that the spatial distribution of the measured gas component is additionally recorded by determining the current coordinates according to the data of the GPS and / or GLONASS global satellite navigation systems.

3. A device for autonomous remote determination of the concentration of atmospheric gas components, which includes: an optical unit containing a laser radiation source, providing a probe beam to the measurement object, modulating the signal amplitude at a frequency lying in a predetermined frequency band; a control, reception and data processing unit that detects the probe radiation that has passed through the gas under study, converts the optical signal into an electrical one, extracts the signal at the first higher harmonic component of the modulation frequency f and at the secondary component 2f by processing the electrical signal from the photodetector and calculating the absorption degree of the probe beam with the measured gas in relation to the first harmonic component to the second, characterized in that the optical unit containing a semiconductor diode laser source of infrared radiation with a wavelength varying in the absorption range of the detected molecule is connected using a fiber-optic beam splitter with a transmitting optical system of the analytical and reference channels, and the reference channel contains a single-pass cuvette with a mixture of measured gas and nitrogen at atmospheric pressure, through which a small part of the laser radiation passes, focused on the photodiode, the reference channel a, while continuous processing of the amplified signal of the reference channel makes it possible to calculate the harmonic component of the signal at three times the modulation frequency 3f and perform an algorithm for temperature stabilization of the diode laser, which is equivalent to stabilization of the laser temperature by the position of the peak of the absorption line of the measured gas, by the component at the frequency 3f with an accuracy of 10 ^{- 4} cm ^-1 , in addition, the signal received from the receiving system of the analytical channel, which receives laser radiation scattered from the surface and passed through the measured gas cloud, including the receiving telescope, optical filter and photodiode, is received in the control unit, data reception and processing, where the intensity of the received signal is estimated from the first harmonic component of the analytical signal at frequency f, and the phase shift is used to calculate the distance to the surface scattering laser radiation, and in the process of executing the algorithms, the modulation depth associated with the absorption level is measured gas, can vary in real time depending on the concentration of the measured gas component, which is calculated in real time from the ratio of the harmonic components of the analytical signal at doubled frequency 2f and modulation frequency f.

4. The device according to claim 3, characterized in that at least one additional similar laser emitter module is added, configured to operate in a different spectral range.

5. The device according to claim 3 or 4, characterized in that the laser emitter modules are removable and replaceable.