天然气浓度和距离的激光遥感探测装置

摘要

本发明公开了一种天然气浓度和距离的激光遥感探测装置。它包括红外激光发射和接收部件，以及与其电连接的控制处理部件，特别是控制处理部件包含电连接的发射信号控制组件和接收信号处理组件；发射信号控制组件用于实现对红外激光发射部件中的激光器(7)输出的调制；接收信号处理组件为与红外接收部件中的探测器(14)电连接的距离信号处理单元和浓度信号处理单元，其中，距离信号处理单元用于计算出红外接收部件至反射体(12)之间的距离，浓度信号处理单元用于计算出气体浓度。它具有极高的探测天然气浓度的精确度，可广泛应用于天然气泄漏的准确定位探测。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光遥感探测装置，尤其是一种天然气浓度和距离的激光遥感探测装置。

背景技术

随着天然气消费领域的不断扩大，我国已建成了数十万公里的天然气管道。对于如此长的天然气管网，在天然气的运输、储存、销售管理的过程中，泄漏是不可避免的，也是造成安全事故的最主要原因。因此，为及时发现泄漏点，人们研发出了天然气泄漏激光遥感探测技术。然而，该技术在探测天然气泄漏时，由于接收到的散射光随着反射体的不同，其回光功率变化极大，而解调的二次谐波信号又正比于光强，从而使测量结果的准确性大打折扣。为解决这一问题，人们做出了不懈的努力，如中国发明专利CN 101696897B于2011年9月7日公告的一种移动式单频差分天然气管道泄漏激光遥感探测系统及方法。该发明专利中提及的系统主要由甲烷气体探测仪、GPS全球定位系统和CCD相机，以及计算机组成，其中，甲烷气体探测仪包含与卡塞格林望远镜光连接的激光器、与位于卡塞格林望远镜焦点处的第二光电探测器电连接的控制处理单元，控制处理单元为其输入端依次电连接有模数转换器和三只锁相放大器、输出端依次电连接有数模转换器、正弦波模块及反馈控制直流电平模块、加法器和激光电流温度控制器；方法主要为经调制的激光按比例分成两束光，其中的一束光经内冲甲烷气体的参考吸收池后由第一光电探测器接收，并经第一锁相放大器解调后通过模数转换器送往微处理器，另一束光经卡塞格林望远镜同轴发射后，其反射光被第二光电探测器转换为电信号后，经第二和第三锁相放大器解调后通过模数转换器送往微处理器，由微处理器将采集到的第二、第三锁相放大器的输出信号相除得到一个正比于甲烷气体浓度的比值，该比值对应于用甲烷气体测量得到的系统标定曲线上所对应的某一气体浓度。这种采用二次谐波信号与一次谐波信号残余振幅的比来消除光强影响的措施，虽也能获得一些效果，却由于解调二次谐波信号和一次谐波信号采用的是不同的锁相放大器，两只锁相放大器的相位等信息并不一致，而遥感探测技术在实际应用中距离又是变化的，这就造成了相位也会有一定的改变，这些都会造成利用二次谐波信号与一次谐波信号残余振幅的比来消除光强起伏的影响存在着很大的误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题为克服现有技术中的欠缺之处，提供一种消除光强和距离变化对浓度测量影响的天然气浓度和距离的激光遥感探测装置。

为解决本发明的技术问题，所采用的技术方案为：天然气浓度和距离的激光遥感探测装置包括红外激光发射和接收部件，以及与其电连接的控制处理部件，特别是，

所述控制处理部件包含电连接的发射信号控制组件和接收信号处理组件；

所述发射信号控制组件为依次串接的三路信号发生器、加法器和激光控制器，用于将三路信号发生器输出的低频正弦波信号、高频正弦波信号和锯齿波信号经加法器获得控制信号，以注入激光控制器实现对红外激光发射部件中的激光器输出的调制；

所述接收信号处理组件为与红外接收部件中的探测器电连接的距离信号处理单元和浓度信号处理单元，其中，

距离信号处理单元为依次串接的高通滤波器、鉴相器和数据采集分析器，以及鉴相器的输入端还与三路信号发生器的高频正弦波信号端电连接，用于将携带距离位相信息的高频信号与高频正弦波信号进行鉴相比较，以将比较后的信号送往数据采集分析器计算出红外接收部件至反射体之间的距离，

浓度信号处理单元为低通滤波器的输出端分别经锁相放大器与数据采集分析器、以及直接与数据采集分析器电连接，其中的锁相放大器的输入端还经倍频电路与三路信号发生器的低频正弦波信号端电连接，用于将含有低频调制吸收信号与倍频后的低频正弦波信号经锁相放大器解调，以由数据采集分析器将解调得到的二次谐波信号与滤去高频后的低通调制吸收信号计算出气体浓度。

作为天然气浓度和距离的激光遥感探测装置的进一步改进：

优选地，数据采集分析器的输出端电连接有报警器。

优选地，低频正弦波信号的频段范围为10～50kHz，高频正弦波信号的频段范围为200～2000kHz。

优选地，红外激光发射部件为依次连接的激光器、光纤和位于散射光收集透镜中心处的光纤准直器。

优选地，红外激光接收部件为散射光收集透镜和位于散射光收集透镜焦点处的探测器。

优选地，激光器为二极管激光器，或量子级联激光器，或OPO激光器。

相对于现有技术的有益效果是：

采用这样的结构后，既通过提取直接反映散射光回光强度信息的非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号幅值，消除了浓度测量中光强变化对其的影响，又杜绝了不同锁相放大器的相位不一致造成的误差，还因浓度和距离的同时测量，为准确地扣除大气中背景气体浓度对吸收信号的干扰奠定了基础，极大地提高了探测天然气浓度的精确度，从而使本发明可广泛应用于对天然气泄漏的准确定位探测。

附图说明

图1是本发明的一种基本结构示意图。

图2是图1中的探测器探测到的信号图。

图3是经图1中的锁相放大器解调后得到的二次谐波信号图。

图4是图1中的低通滤波器输出的滤去高频后的低通调制吸收信号图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的优选方式作进一步详细的描述。

参见图1，天然气浓度和距离的激光遥感探测装置的构成如下：

装置包括电连接的红外激光发射部件、红外激光接收部件和控制处理部件；其中，

红外激光发射部件为依次连接的激光器7、光纤8和位于散射光收集透镜10中心处的光纤准直器9；其中的激光器7为二极管激光器(或量子级联激光器，或OPO激光器)。

红外激光接收部件为散射光收集透镜10和位于散射光收集透镜10焦点处的探测器14。

控制处理部件包含电连接的发射信号控制组件和接收信号处理组件；其中的，

发射信号控制组件为依次串接的三路信号发生器0、加法器4和激光控制器6；其中，三路信号发生器0分别输出30(可为10～50)kHz的低频正弦波信号1、1100(可为200～2000)kHz的高频正弦波信号2和锯齿波信号3，用于对红外激光发射部件中的激光器7输出的调制；

接收信号处理组件为与红外接收部件中的探测器14电连接的距离信号处理单元和浓度信号处理单元，其中，

距离信号处理单元为依次串接的高通滤波器15、鉴相器17和数据采集分析器25，以及鉴相器17的输入端还与三路信号发生器0的高频正弦波信号2端电连接，用于计算出红外接收部件至反射体12之间的距离，

浓度信号处理单元为低通滤波器19的输出端分别经锁相放大器21与数据采集分析器25、以及直接与数据采集分析器25电连接，其中的锁相放大器21的输入端还经倍频电路22与三路信号发生器0的低频正弦波信号1端电连接，用于计算出气体浓度。

数据采集分析器25的输出端电连接有报警器26。

参见图1、图2、图3和图4，探测时，三路信号发生器0输出的低频正弦波信号1、高频正弦波信号2和锯齿波信号3经加法器4后，叠加成了控制信号5，该控制信号5注入激光控制器6后，对激光器7的输出进行调制。

当载有调制信息的激光经光纤8和光纤准直器9在射向待测空间的过程中，遭遇泄漏气团11及反射体12后，其散射光13经散射光收集透镜10汇聚于位于散射光收集透镜10焦点处的探测器14上，由其转换为如图2所示的电信号，并分别由高通滤波器15和低通滤波器19接收。

高通滤波器15将探测器14输出的电信号转换为携带距离位相信息的高频信号16，并将其送入鉴相器17后，与高频正弦波信号2进行鉴相比较，得到比较后的信号18；之后，比较后的信号18被送往数据采集分析器25，由其计算出红外接收部件至反射体12之间的距离。

低通滤波器19将探测器14输出的电信号分别转换为含有低频调制吸收信号20和如图4所示的滤去高频后的低通调制吸收信号23后，分别送往锁相放大器21和数据采集分析器25；锁相放大器21对含有低频调制吸收信号20与经倍频电路22倍频后的低频正弦波信号进行解调，得到如图3所示的二次谐波信号24；随后，由数据采集分析器25将解调得到的二次谐波信号24与滤去高频后的低通调制吸收信号23计算出气体浓度。

计算气体浓度的具体过程为，

式中的P_2f为二次谐波信号的强度——峰值与基线之间的差值，P_sin为提取非吸收段加载在锯齿波上的低频正弦波信号，S_dc是激光强度信息的直流分量，k₁、k₂是常数，α₀是气体分子的吸收系数，C是气体浓度；其中，

$>C=\frac{k_1}{2k_2{\alpha }_0}·\frac{P_{2f}}{P_{\sin }}=K·\frac{P_{2f}}{P_{\sin }},$>

式中的k为常数。

若气体浓度高于设定的值，则触发报警器26发出声或光报警。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的天然气浓度和距离的激光遥感探测装置进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。