本發(fā)明涉及一種激光遙感機(jī)載探測(cè)裝置，尤其是一種氣體泄漏激光遙感機(jī)載探測(cè)裝置。

背景技術(shù)：

隨著天然氣消費(fèi)領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，我國已建成了數(shù)十萬公里的天然氣管道。對(duì)于如此長的天然氣管網(wǎng)，在天然氣的運(yùn)輸、儲(chǔ)存、銷售管理的過程中，泄漏是不可避免的，也是造成安全事故的最主要原因。因此，為及時(shí)地發(fā)現(xiàn)泄漏點(diǎn)，人們研發(fā)出了天然氣泄漏激光遙感探測(cè)技術(shù)。然而，該技術(shù)在探測(cè)天然氣泄漏時(shí)，由于接收到的散射光隨著反射體的不同，其回光功率變化極大，而解調(diào)的二次諧波信號(hào)又正比于光強(qiáng)，從而使測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性大打折扣。為解決這一問題，人們做出了不懈的努力，如中國發(fā)明專利CN 101696897B于2011年9月7日公告的一種移動(dòng)式單頻差分天然氣管道泄漏激光遙感探測(cè)系統(tǒng)及方法。該發(fā)明專利中提及的系統(tǒng)主要由甲烷氣體探測(cè)儀、GPS全球定位系統(tǒng)和CCD相機(jī)，以及計(jì)算機(jī)組成，其中，甲烷氣體探測(cè)儀包含與卡塞格林望遠(yuǎn)鏡光連接的激光器、與位于卡塞格林望遠(yuǎn)鏡焦點(diǎn)處的第二光電探測(cè)器電連接的控制處理單元，控制處理單元為其輸入端依次電連接有模數(shù)轉(zhuǎn)換器和三只鎖相放大器、輸出端依次電連接有數(shù)模轉(zhuǎn)換器、正弦波模塊及反饋控制直流電平模塊、加法器和激光電流溫度控制器；方法主要為經(jīng)調(diào)制的激光按比例分成兩束光，其中的一束光經(jīng)內(nèi)沖甲烷氣體的參考吸收池后由第一光電探測(cè)器接收，并經(jīng)第一鎖相放大器解調(diào)后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器送往微處理器，另一束光經(jīng)卡塞格林望遠(yuǎn)鏡同軸發(fā)射后，其反射光被第二光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，經(jīng)第二和第三鎖相放大器解調(diào)后通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器送往微處理器，由微處理器將采集到的第二、第三鎖相放大器的輸出信號(hào)相除得到一個(gè)正比于甲烷氣體濃度的比值，該比值對(duì)應(yīng)于用甲烷氣體測(cè)量得到的系統(tǒng)標(biāo)定曲線上所對(duì)應(yīng)的某一氣體濃度。這種采用二次諧波信號(hào)與一次諧波信號(hào)殘余振幅的比來消除光強(qiáng)影響的探測(cè)系統(tǒng)及方法，雖也獲得了一些效果，卻仍存在著不足之處，首先，由于解調(diào)二次諧波信號(hào)和一次諧波信號(hào)采用的是不同的鎖相放大器，兩只鎖相放大器的相位等信息并不一致，而遙感探測(cè)技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中距離又是變化的，這就造成了相位也會(huì)有一定的改變，這些都會(huì)造成利用二次諧波信號(hào)與一次諧波信號(hào)殘余振幅的比來消除光強(qiáng)起伏的影響存在著很大的誤差；其次，探測(cè)系統(tǒng)于單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)的距離有限，難以快速有效地探測(cè)較大區(qū)域天然氣管網(wǎng)的泄漏。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處，提供一種消除光強(qiáng)變化對(duì)濃度測(cè)量影響，且易于快速探測(cè)較大區(qū)域天然氣管網(wǎng)的氣體泄漏激光遙感機(jī)載探測(cè)裝置。

為解決本發(fā)明的技術(shù)問題，所采用的技術(shù)方案為：氣體泄漏激光遙感機(jī)載探測(cè)裝置包括紅外激光發(fā)射和接收部件，以及與其電連接的控制處理部件，特別是，

所述機(jī)載探測(cè)裝置位于飛行器上，且還含有螺旋探測(cè)軌跡部件，所述螺旋探測(cè)軌跡部件由置于電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)反射鏡組成，其中，旋轉(zhuǎn)反射鏡的法線與電機(jī)軸線的夾角為1～6°、且與紅外激光發(fā)射部件的光軸呈40～50°角；

所述控制處理部件包含電連接的發(fā)射信號(hào)控制組件和接收信號(hào)處理組件，其中，

發(fā)射信號(hào)控制組件為鋸齒波信號(hào)發(fā)生器和正弦波信號(hào)發(fā)生器的輸出端經(jīng)加法器與激光調(diào)制器電連接，用于將鋸齒波信號(hào)和正弦波信號(hào)疊加后形成控制信號(hào)，以由激光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外激光發(fā)射部件中的激光器輸出的調(diào)制，

接收信號(hào)處理組件為分別與紅外接收部件中的探測(cè)器電連接的鎖相放大器和數(shù)據(jù)采集器，以及鎖相放大器的輸入端經(jīng)倍頻器與正弦波信號(hào)發(fā)生器的輸出端電連接、輸出端與數(shù)據(jù)采集器的輸入端電連接，數(shù)據(jù)采集器的輸出端與計(jì)算機(jī)電連接，用于由攜帶泄漏氣體信息的信號(hào)與倍頻后的正弦波信號(hào)解調(diào)出二次諧波信號(hào)，并由數(shù)據(jù)采集器連同攜帶泄漏氣體信息的信號(hào)一起送往計(jì)算機(jī)，計(jì)算出泄漏氣體的濃度。

作為氣體泄漏激光遙感機(jī)載探測(cè)裝置的進(jìn)一步改進(jìn)：

優(yōu)選地，計(jì)算機(jī)的輸出端電連接有無線通信部件；利于地面上實(shí)時(shí)地獲得探測(cè)結(jié)果。

優(yōu)選地，激光調(diào)制器為連續(xù)窄線寬的種子激光器；易于獲得窄線寬的中紅外激光輸出來測(cè)量氣體泄漏。

優(yōu)選地，紅外激光發(fā)射部件為依次光連接的激光器、第一反射鏡和位于光收集器光軸上的第二反射鏡。

優(yōu)選地，紅外激光接收部件為光收集器和位于光收集器焦點(diǎn)處的探測(cè)器，其中，光收集器為卡塞格林望遠(yuǎn)鏡或菲涅爾透鏡。

優(yōu)選地，激光器為窄線寬二極管激光器，或窄線寬量子級(jí)聯(lián)激光器，或窄線寬連續(xù)OPO激光器。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)的有益效果是：

采用這樣的結(jié)構(gòu)后，既通過提取直接反映散射光回光強(qiáng)度信息的非吸收段加載在鋸齒波上的正弦波信號(hào)，消除了濃度測(cè)量中光強(qiáng)變化對(duì)其的影響，又杜絕了不同鎖相放大器的相位不一致造成的誤差，還因基于飛行器的快速移動(dòng)而于待測(cè)管道上方形成了螺旋管探測(cè)軌跡，保證了在待測(cè)管道上方形成了一個(gè)寬的探測(cè)通道，避免了單一測(cè)量軌跡因飛行器姿勢(shì)的抖動(dòng)或風(fēng)速風(fēng)向引起的氣團(tuán)漂移所造成的探測(cè)激光無法完全覆蓋探測(cè)區(qū)域的缺陷，不僅大大地提高了探測(cè)天然氣濃度的精確度，也極大地提高了探測(cè)天然氣管網(wǎng)的速度，更是杜絕了漏測(cè)的可能，使其極易于廣泛地應(yīng)用于對(duì)天然氣泄漏的精確定位和大面積的快速探測(cè)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基本結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是圖1中的螺旋探測(cè)軌跡部件于探測(cè)區(qū)域形成的螺旋管探測(cè)軌跡圖。

圖3是經(jīng)圖1中的鎖相放大器解調(diào)后得到的二次諧波信號(hào)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選方式作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。

參見圖1，氣體泄漏激光遙感機(jī)載探測(cè)裝置的構(gòu)成如下：

裝置位于飛行器上，其包括電連接的紅外激光發(fā)射部件、紅外激光接收部件和控制處理部件，以及螺旋探測(cè)軌跡部件；其中，

紅外激光發(fā)射部件為依次光連接的激光器5、第一反射鏡7和位于光收集器11光軸12上的第二反射鏡8；其中的激光器5為窄線寬二極管激光器(可為窄線寬量子級(jí)聯(lián)激光器，或窄線寬連續(xù)OPO激光器)。

紅外激光接收部件為光收集器11和位于光收集器11焦點(diǎn)處的探測(cè)器20；其中的光收集器11為卡塞格林望遠(yuǎn)鏡(或菲涅爾透鏡)。

控制處理部件包含電連接的發(fā)射信號(hào)控制組件和接收信號(hào)處理組件；其中的，

發(fā)射信號(hào)控制組件為鋸齒波信號(hào)發(fā)生器1和正弦波信號(hào)發(fā)生器2的輸出端經(jīng)加法器3與激光調(diào)制器4電連接；其中，激光調(diào)制器4為連續(xù)窄線寬的種子激光器，用于對(duì)紅外激光發(fā)射部件中的激光器5輸出的調(diào)制；

接收信號(hào)處理組件為分別與紅外接收部件中的探測(cè)器20電連接的鎖相放大器21和數(shù)據(jù)采集器22，以及鎖相放大器21的輸入端經(jīng)倍頻器23與正弦波信號(hào)發(fā)生器2的輸出端電連接、輸出端與數(shù)據(jù)采集器22的輸入端電連接，數(shù)據(jù)采集器22的輸出端與計(jì)算機(jī)24電連接，用于計(jì)算出泄漏氣體的濃度。

螺旋探測(cè)軌跡部件由置于電機(jī)14軸上的旋轉(zhuǎn)反射鏡13組成；其中，旋轉(zhuǎn)反射鏡13的法線與電機(jī)14軸線的夾角為3(可為1～6)°、且與紅外激光發(fā)射部件的光軸12呈45(可為40～50)°角；

計(jì)算機(jī)24的輸出端電連接有無線通信部件。

參見圖1、圖2和圖3，探測(cè)時(shí)，鋸齒波信號(hào)發(fā)生器1和正弦波信號(hào)發(fā)生器2分別輸出的鋸齒波信號(hào)和正弦波信號(hào)經(jīng)加法器3后，疊加成了控制信號(hào)送入激光調(diào)制器4，由激光調(diào)制器4實(shí)現(xiàn)對(duì)紅外激光發(fā)射部件中的激光器5輸出的調(diào)制。

帶有調(diào)制信息的激光束6經(jīng)第一反射鏡7和位于光收集器11——由凹面鏡9和凸透鏡10組成的卡塞格林望遠(yuǎn)鏡光軸12上的第二反射鏡8，射向以旋轉(zhuǎn)軸15為旋轉(zhuǎn)軸心的旋轉(zhuǎn)反射鏡13。由旋轉(zhuǎn)反射鏡13反射的激光束6于含有地下天然氣管道17的待測(cè)區(qū)域的地面16上形成了如圖2所示的螺旋管探測(cè)軌跡。激光束6經(jīng)螺旋管探測(cè)軌跡內(nèi)的地面16散射后形成的地形散射光19，經(jīng)旋轉(zhuǎn)反射鏡13和光收集器11匯聚于探測(cè)器20上，并由其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。

當(dāng)?shù)叵绿烊粴夤艿?7泄漏，形成泄漏氣團(tuán)18時(shí)，就會(huì)被探測(cè)器20探測(cè)到攜帶泄漏氣體信息的信號(hào)，并經(jīng)接收信號(hào)處理組件由攜帶泄漏氣體信息的信號(hào)與倍頻后的正弦波信號(hào)解調(diào)出如圖3所示的二次諧波信號(hào)后，連同攜帶泄漏氣體信息的信號(hào)一起經(jīng)計(jì)算機(jī)24計(jì)算出泄漏氣體的濃度。

計(jì)算泄漏氣體濃度的具體過程為，

P_2f＝k₁·s_dcα₀·2C，

P_sin＝k₂·S_dc，

式中的P_2f為二次諧波信號(hào)的強(qiáng)度——峰值與基線之間的差值，P_sin為提取非吸收段加載在鋸齒波上的正弦波信號(hào)，S_dc是激光強(qiáng)度信息的直流分量，k₁、k₂是常數(shù)，α₀是氣體分子的吸收系數(shù)，C是氣體濃度；其中，

式中的k為常數(shù)。

為使地面上的相關(guān)部門實(shí)時(shí)地了解探測(cè)的結(jié)果，可由計(jì)算機(jī)24經(jīng)無線通信部件發(fā)出相應(yīng)的信息。

顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明的氣體泄漏激光遙感機(jī)載探測(cè)裝置進(jìn)行各種改動(dòng)和變型而不脫離本發(fā)明的精神和范圍。這樣，倘若對(duì)本發(fā)明的這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變型在內(nèi)。