專利名稱：遠(yuǎn)距離定量探測天然氣或油管流體泄漏的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
總的來說，本發(fā)明涉及光譜分析領(lǐng)域。具體而言，本發(fā)明涉及利用激光微分吸收對天然氣和油管散發(fā)的示蹤流體的光譜分析。
背景技術(shù)：
在本領(lǐng)域中地面地形的監(jiān)視是眾所周知的。在地面監(jiān)視中，特別需要探測像道路、管線、電網(wǎng)這種人造物體或者實用目的的其它人造結(jié)構(gòu)中是否存在材料破壞。探測到結(jié)構(gòu)破壞的時候，相應(yīng)的管理機(jī)構(gòu)做出決定是否需要采取補(bǔ)救措施。常常是陸上工作人員通過視覺檢查地面地形，通過乘坐車輛或者步行穿過一個區(qū)域，來確定是否有材料破壞問題。飛機(jī)或者衛(wèi)星常常有圖像捕獲設(shè)備，比如電荷耦合器件(CCD)、互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體器件(CMOS)，或者輻射探測器，比如紅外敏感探測器。眾所周知也可以將機(jī)載攝影系統(tǒng)用于捕獲地面相鄰區(qū)域的圖像。
當(dāng)電磁輻射與物質(zhì)相互作用的時候，會出現(xiàn)幾種現(xiàn)象，包括電磁輻射的散射、吸收、透射和反射。頻譜或光譜分析包括作為波長、頻率或時間的函數(shù)，按順序仔細(xì)地檢查、分析和表示涉及電磁輻射和物質(zhì)的相互作用。在光譜分析期間，不同的材料呈現(xiàn)不同的散射、吸收、反射和透射特性。這些獨特的特性是由材料的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)決定的。利用已知的測試對象，測定一組這些獨特特性達(dá)到給定的肯定性程度的時候，就可以將這些光譜結(jié)果叫做基準(zhǔn)光譜特征或者基準(zhǔn)光譜。
從特性上講，天然氣包含甲烷、乙烷和少量其它氣體的混合物。有機(jī)物質(zhì)分解產(chǎn)生的氣體，以后叫做沼氣，只包含甲烷。特別需要能夠區(qū)分作為管線或者容器中的破壞的結(jié)果釋放的氣體與散發(fā)的沼氣，從而避免虛警的任何天然氣探測方法。
油管包含具有足夠濃度的揮發(fā)性溶解氣體化合物，包括甲烷、乙烷和丙烷。油管在壓力下工作，泄漏和伴隨的壓力下降導(dǎo)致?lián)]發(fā)性的化合物逸出，從而提供了一種泄漏探測手段。可以用各種手段將電磁輻射導(dǎo)向測試對象。通常采用激光，但是也可以采用其它手段，例如無線電和微波電磁能量天線的使用。下文中，將電磁輻射導(dǎo)向測試對象的時候，其就叫做照明體。
探測氣管和油管破壞的時候有一個特殊難題，因為氣管或油管典型的是埋在地下的。在這種情況下，很難對管線中的任何破壞進(jìn)行直接視覺評估。當(dāng)管線內(nèi)容物的泄漏證明破壞確實發(fā)生的時候，泄漏的材料產(chǎn)生特征痕跡或者信號。典型情況下，目前管線破壞是通過人員定期、高成本地沿著管線步行，利用某些手段來探測從管線散發(fā)的痕跡來確定的。氣體會逸出管線，穿過地下土壤到達(dá)地表，然后散發(fā)到大氣中。因此，可以監(jiān)視大氣來發(fā)現(xiàn)逸出管線的氣體。大氣中探測到的氣體與管線泄漏之間的聯(lián)系可以是直接或間接的。直接聯(lián)系的一個實例是從地表油管或氣管到大氣中的特殊碳?xì)浠衔餁怏w的釋放。天然氣包括兩種主要成分，甲烷和乙烷，按相當(dāng)固定的比例混合。對這兩種成分的測量以及正確濃度比的確認(rèn)直接表明管線泄漏的存在。在這種情況下，聯(lián)系是直接的，因為氣體成分本身泄漏到大氣中，雖然有可能成分發(fā)生了變化。類似地，輸送氣體的管線的內(nèi)容物的其它揮發(fā)性成分也是能夠探測的，并且將表明存在泄漏。甲烷從煤的熱或者生物分解產(chǎn)生。探測到的氣體(甲烷)與自然資源(煤)的不同，“間接”這個術(shù)語就是用來描述這種聯(lián)系的?！伴g接聯(lián)系”這個術(shù)語并沒有該聯(lián)系的科學(xué)基礎(chǔ)非常微弱的意思。在科學(xué)文獻(xiàn)中很好地描述了將煤轉(zhuǎn)換成甲烷的過程。
對于油管或者石油管線，特定揮發(fā)性成分的釋放表明液體泄漏的存在，因此構(gòu)成管線破壞的間接證據(jù)。激光吸收光譜法(LAS)是一種在其它技術(shù)無能為力的多種情形下量化分子濃度的靈敏手段，特別是在遙感應(yīng)用中。LAS的主要優(yōu)點是測量是在“現(xiàn)場”完成的，這樣就能夠在多種環(huán)境下以良好的空間分辨率快速測量。對于吸收實驗，透射光強(qiáng)I(v，x)與初始光強(qiáng)I0(v，x＝0)之比按照Beer定律與吸收濃度n相關(guān)I(v，x)/I0(v，x＝0)＝e-nxσ(v)將頻率v處的分子截面表示為σ(v)，將激光傳播的路程長度表示為x。對于I(v，x)/I0(v，x＝0)測量的任何給定的信噪比(SNR)，可以通過增加路徑長度來提高測量靈敏度。有多個現(xiàn)有技術(shù)專利利用激光裝置來探測大氣中的示蹤氣體。這些基于激光的系統(tǒng)中的一些在微波或者紫外波長區(qū)域工作。這些基于激光的系統(tǒng)不象本學(xué)科發(fā)明一樣在中紅外波長范圍工作。之所以討論下面的一些專利是因為其中描述的基于激光的系統(tǒng)在探測碳?xì)浠衔餁怏w時也工作在中紅外波長區(qū)域。
在Murray等公開的4,450,356號美國專利中，將頻率混合二氧化碳(CO2)激光光束用于大氣中氣體的遠(yuǎn)距離探測。這種激光光束系統(tǒng)采用晶體頻率倍頻和和頻產(chǎn)生接近三微米的波長。公開了選擇許多波長的裝置，但是僅僅公開了將兩種中紅外波長輸送到地形目標(biāo)。CO2激光器是連續(xù)不可調(diào)的，并且在與可接受的甲烷和乙烷譜線一致的波長上缺少強(qiáng)譜線。在Grant等的4,489,239號美國專利里，描述了用于探測甲烷氣體管線泄漏的一種25米近距離便攜式激光遙感器。該系統(tǒng)需要使用兩個獨立的氦氖(He-Ne)激光器。這兩個激光器在兩個不同的開、關(guān)甲烷特征波長上工作，其中每一個波長都是固定的。氦氖激光器通常是不可調(diào)諧的，也沒有固體激光器效率高和可靠。類似地，在美國專利出版物公開2003/0030001A1中，Cooper等公開了采用可調(diào)諧二極管激光器來探測大氣中的氣體。該系統(tǒng)不允許實時補(bǔ)償背景目標(biāo)反射率的變化，也不能幾乎同時測量多種氣體，而這是對探測管線泄漏的掃描和遙感系統(tǒng)至關(guān)重要的要求。在美國專利4,871,916中，Scott描述了一種激光系統(tǒng)，這種激光系統(tǒng)采用釹激光器來遙感大氣中的甲烷，以探測礦井內(nèi)接近危險或者爆炸程度的狀況。在該系統(tǒng)中，波長區(qū)域接近1.318微米。該系統(tǒng)只公開了甲烷的探測，不允許實時補(bǔ)償背景目標(biāo)反射率的變化。在轉(zhuǎn)讓給Geiger的美國專利5,157,257和5,250,810中描述了一種中紅外DIAL系統(tǒng)。這種特定系統(tǒng)采用由波長為2.2～2.4或者3.1～3.5微米的六個不同的脈沖激光器形成的六個不同的相干光束來探測輕質(zhì)碳?xì)浠衔铩＿@六個相干光束是完全時間復(fù)用的，并且通過選擇性偏振合并成單獨一個光束。為偏振使用了石英晶體。石英晶體很容易被高能激光脈沖損壞，并且該系統(tǒng)的復(fù)雜性不適合于野外使用，特別是在機(jī)載遙感應(yīng)用中。還有，激光譜線寬度太寬，不能分辨許多關(guān)鍵氣體的吸收帶。在轉(zhuǎn)讓給Wamsley等的6,509,566B1號美國專利中，也描述了用于油氣勘探的一種中紅外DIAL系統(tǒng)。公開的這種系統(tǒng)包括單一的Cr:LiSAF激光器，它具有一個氫拉曼單元，用來產(chǎn)生適合于碳?xì)浠衔锾綔y的范圍內(nèi)的波長。這種激光器是水冷的，在單一波長上連續(xù)可調(diào)。該系統(tǒng)不能方便地允許實時補(bǔ)償背景目標(biāo)反射率的變化，也不允許同時探測其它氣體。此外，這個單一的激光頻率要參照一個外部頻率計，因此，會發(fā)生漂移，這種漂移會給系統(tǒng)中的電子組件帶來不利影響。
本發(fā)明要解決的問題通常用管線來輸送石油或者油、天然氣、精煉石油或者氣體產(chǎn)品、化學(xué)品、礦砂漿和其它流體或流態(tài)化物質(zhì)或混合物。上述基于激光的系統(tǒng)幾乎不能同時地探測多種氣體，例如在天然氣管線中的甲烷和乙烷。它們也不補(bǔ)償背景或目標(biāo)反射率的變化。另外，不能將不能連續(xù)調(diào)諧的激光器特別定制成探測各種氣體。虛警一直困擾著上述現(xiàn)有技術(shù)的系統(tǒng)，并且它們探測多種氣體的靈敏度是有疑問的。大氣中出現(xiàn)的其它示蹤氣體也會干擾利用這些現(xiàn)有技術(shù)的基于激光的系統(tǒng)來探測天然氣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是通過提供一種系統(tǒng)，用于利用機(jī)載平臺遠(yuǎn)距離定量探測從天然氣或油管的流體泄漏，來解決上述問題中的一個或多個，該機(jī)載平臺包括用于接近同步地照射兩個或多個目標(biāo)流體的同一個目標(biāo)區(qū)域和背景的至少一個激光光源，其中兩個或多個目標(biāo)流體的特征在于兩個或多個吸收波長，其中的背景是在不同于所述兩種或多種目標(biāo)流體中任意一個的波長上探測到的。
另外，本發(fā)明還包括用于基于定位系統(tǒng)定向照射源的裝置；利用所述照射源在沿著一條路徑的一個幾何區(qū)域內(nèi)掃描所述兩種或多種目標(biāo)流體的裝置；用于信號檢測從而完成兩種或多種目標(biāo)流體的探測結(jié)果的定量檢測的裝置；以及控制系統(tǒng)操作的裝置。用于遠(yuǎn)距離定量探測所述兩種或多種目標(biāo)流體泄漏的信號處理裝置；以及為了給飛機(jī)平臺定位進(jìn)行路徑規(guī)劃和路徑尋找的裝置；以及將探測到從天然氣或油管的泄漏的存在情況傳送出去的裝置都集成在本發(fā)明中。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明具有如下優(yōu)點它利用開發(fā)成熟的一微米二極管泵浦固體激光器、光參量振蕩器和光參量放大器；它具有合理的波長轉(zhuǎn)換效率；當(dāng)表面覆蓋類型(背景)改變的時候它能夠測量多種目標(biāo)濃度；它是可以連續(xù)調(diào)諧的。


參考附圖，圖1中的組件用大于100小于200的數(shù)字標(biāo)記，圖2中的組件用大于200小于300的數(shù)字標(biāo)記，如此類推。
圖1是本發(fā)明中快速移動機(jī)載平臺上的3譜線可調(diào)諧DIAL激光器流體管線泄漏探測系統(tǒng)的示例性原理圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)DIAL氣體探測系統(tǒng)的框圖；圖3是本發(fā)明中3譜線可調(diào)諧DIAL激光器流體管線泄漏探測系統(tǒng)的框圖；圖4是本發(fā)明中3譜線可調(diào)諧DIAL激光器流體管線泄漏探測系統(tǒng)的示例性的高級框圖；圖5是本發(fā)明中3譜線可調(diào)諧DIAL激光器流體管線泄漏探測系統(tǒng)的中級框圖；圖6是本發(fā)明中3譜線可調(diào)諧DIAL激光器流體管線泄漏探測系統(tǒng)的中級框圖，給出了每個主要分系統(tǒng)的組件清單；
圖7是用于產(chǎn)生選定波長的1微米光參量振蕩器和放大器的框圖；圖8是用于產(chǎn)生所選3譜線波長之一的1微米光參量振蕩器和放大器的框圖；圖9是本發(fā)明中飛行路徑尋找系統(tǒng)的框圖；圖10是本發(fā)明中激光定向系統(tǒng)的框圖；圖11是所述3譜線可調(diào)諧DIAL激光器流體管線泄漏探測系統(tǒng)的框圖。
為了方便理解，可能的情況下，采用了相同的標(biāo)號來表示對于這些附圖相同的元件。
具體實施例方式
這里描述的本發(fā)明針對的是與管線的油氣泄漏有關(guān)的氣體的測量。本發(fā)明涉及探測大氣中氣體的油氣管線泄漏探測系統(tǒng)和方法，更具體地說，但不是要進(jìn)行限制，涉及基于在中紅外2～5微米頻譜范圍內(nèi)工作的差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)進(jìn)行管線泄漏探測。一般而言，可以探測或者勘查以下流體氣體、揮發(fā)性油、輕質(zhì)原油、重質(zhì)原油和危險物(hazardous)。繪制一個區(qū)域的氣體濃度，并分析該圖發(fā)現(xiàn)濃度異常。了解該氣體異常以評估地下管線泄漏。
在本發(fā)明的討論中，將“目標(biāo)流體”這個術(shù)語用來表示或直接或間接地與管線泄漏相關(guān)聯(lián)的流體。目標(biāo)流體既可以是液體，也可以是氣體。如上所述，測量得到的目標(biāo)流體的大氣濃度形成這種新的基礎(chǔ)設(shè)施評估工具的基礎(chǔ)。目標(biāo)流體必須具有與管線泄漏相關(guān)聯(lián)的某些獨一無二的特性。例如，甲烷是以多種方式產(chǎn)生的。它可以作為碳?xì)浠衔锍练e物的散發(fā)物、煤沉積物散發(fā)物、具有產(chǎn)生甲烷的大量活躍細(xì)菌的濕地散發(fā)物、發(fā)生泄漏的天然氣管線的散發(fā)物等等而出現(xiàn)在大氣中。把管線泄漏以外的甲烷源叫做環(huán)境干擾。環(huán)境干擾使得目標(biāo)流體與管線泄漏之間的聯(lián)系復(fù)雜化，并且環(huán)境干擾的強(qiáng)度和類型隨著標(biāo)準(zhǔn)的地理因素變化而變化，例如土壤類型、水文、地下結(jié)構(gòu)和成分以及大氣狀況、天氣和土地使用情況。像甲烷/乙烷這種獨一無二的氣體混合物對于天然氣管線是有用的目標(biāo)流體。與管線泄漏具有獨一無二聯(lián)系的個別氣體或氣體組合能夠提供表明泄漏存在最有價值的信號。
本發(fā)明講授沿著透過大氣的路徑采樣的差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)的使用。已經(jīng)開發(fā)了探測大氣中大多數(shù)示蹤氣體的多種儀器?？梢源笾碌貙⑦@些儀器分類為在一個空間特定點采樣氣體的技術(shù)和諸如提供大范圍氣體濃度測量的眾多基于人造衛(wèi)星或基于天線的系統(tǒng)的遙感系統(tǒng)。有許多種氣體源，由于它們獨特的空間和時間特性，不能用這些技術(shù)來準(zhǔn)確地定性。監(jiān)視來自這種源的散發(fā)物需要能夠遠(yuǎn)距離、迅速地在長路徑上測量微小濃度的系統(tǒng)。典型的長路徑差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)滿足這些要求。
一方面，本發(fā)明利用基于機(jī)載平臺的3譜線可調(diào)諧差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)激光器光傳感器用于遠(yuǎn)距離定量探測從天然氣管線或油管的泄漏。另一方面，本發(fā)明選擇最佳表示流體管線泄漏特性的示蹤氣體。對于本發(fā)明，評估從油氣管線泄漏到大氣的氣體，選擇甲烷和乙烷用于可靠地探測這兩種類型的泄漏。再一方面，本發(fā)明最優(yōu)選擇電磁頻譜的中紅外區(qū)域內(nèi)，甲烷和乙烷的光吸收特性的分子躍遷。分析甲烷和乙烷吸收特性，分別選擇甲烷、乙烷和地表類型(背景)的兩個開波長(on-wavelength)(也叫做開譜線(on-line))和一個關(guān)波長(off-wavelength)(也叫做關(guān)譜線(off-line))用于泄漏探測。將開譜線波長選擇為靠近其它氣體干擾最小位置處的目標(biāo)氣體光吸收尖峰。將關(guān)譜線選擇為靠近其它氣體干擾最小，地表反射率最高的目標(biāo)氣體光吸收的邊鋒。在本發(fā)明中，對于乙烷、甲烷和背景，將開譜線和關(guān)譜線波長分別選擇為3369.8、3389和3429納米。要注意，在現(xiàn)有技術(shù)中還沒有使用過這些特定波長，并且如前所述，開譜線波長選擇的標(biāo)準(zhǔn)是期望吸收只是以甲烷和乙烷為主，對于關(guān)譜線波長，期望吸收不是以甲烷、乙烷或者大氣粒子為主。
另一方面，本發(fā)明采用穩(wěn)定的連續(xù)可調(diào)諧激光器。因此，為甲烷和乙烷示蹤氣體和背景分別設(shè)計和使用了三個ND:YLF連續(xù)可調(diào)諧激光器。本發(fā)明還測量目標(biāo)氣體的濃度路徑長度(path-length)。因此，根據(jù)本發(fā)明，這種3譜線可調(diào)諧DIAL激光系統(tǒng)針對每個掃描點測量兩種選定目標(biāo)氣體的濃度路徑長度。本發(fā)明對飛行路徑上兩種目標(biāo)氣體的多濃度路徑長度測量結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析。最后，本發(fā)明顯示、儲存以及傳送與管線泄漏相關(guān)聯(lián)的煙流的位置、大小和形狀。
如圖1示意性所示，本發(fā)明包括飛機(jī)110，機(jī)上3譜線可調(diào)諧差分吸收激光雷達(dá)(DIAL)激光器流體管線泄漏探測系統(tǒng)120，發(fā)射激光束130，示蹤氣體150，掩埋的管線160，泄漏區(qū)170，地表類型180，具有管線、泄漏區(qū)和示蹤氣體的地面3維剖面190，飛機(jī)飛行高度140(～500米)，以及無障礙管線通道區(qū)105?；谧罴训氖孪却_定出來的飛行路徑，飛機(jī)110飛向掩埋的管線160，以便探測泄漏區(qū)170，包括天然氣或油管泄漏。在飛行過程中，機(jī)上GPS和慣性測量單元(IMU)定位系統(tǒng)(這里沒有示出)，將飛行員引向散發(fā)示蹤氣體150的目標(biāo)位置。當(dāng)飛機(jī)到達(dá)目標(biāo)位置的時候，激光束130自動地指向目標(biāo)，掃描系統(tǒng)掃描中心目標(biāo)區(qū)周圍。然后分析返回光，得出以濃度路徑長度為單位的甲烷和乙烷煙流的二維氣體圖或圖像。
在DIAL測量系統(tǒng)中，基本上發(fā)射兩個單波長激光脈沖。選擇感興趣的氣體吸收的一個特定波長的激光脈沖，不同波長的另一個激光脈沖則不被吸收。測量出反射回傳感器的兩個波長的能量，并且將它們合并起來產(chǎn)生目標(biāo)氣體的濃度路徑估計。該部分更加詳細(xì)地描述該過程。
用以下關(guān)系式描述反射回傳感器的能量 其中ET是發(fā)射能量，ρπ是表面反射比，CLP是煙流的濃度長度乘積，Cbg是氣體的背景濃度，R是到表面的射程，σ(λ)是作為波長的函數(shù)的氣體的吸收截面積。在該工作中，假設(shè)ET在脈沖到脈沖之間為常數(shù)(既然能夠測量出任何變化并找出原因)，ρπ為0.005，對于所考慮的小范圍波長，它不依賴于波長，R通常為500米，截面積σ(λ)不因為路徑上壓力和溫度變化明顯改變。該最后的假設(shè)對于高度變化達(dá)到許多公里的路徑不成立，但是對于500米的飛機(jī)高度是合理的。還有，我們注意到當(dāng)系統(tǒng)工作在地面遠(yuǎn)高于海平面的區(qū)域的時候可能需要重新測量σ(λ)。
公式(1)中依賴于波長的那一項是截面積σ(λ)。通過在兩個波長上進(jìn)行測量并且將結(jié)果相除，可以消掉這些項中不變化的許多項。令E1表示在一個波長上的能量測量結(jié)果，E2表示第二個波長上的測量結(jié)果。于是 將上式取自然對數(shù)，12log(E1E2)=(CLp+CbgR)(σ(λ2)-σ(λ1))---(3)]]>可以離線或者實時測量截面積(利用飛機(jī)上的氣體單元)。在這兩種情況下，每一波長的截面積都是已知值。因此，12(σ(λ2)-σ(λ1))log(E1E2)=(CLp+CbgR)---(4)]]>公式4是該工作中模型化的測量過程。但是，既然也可以由該系統(tǒng)測量R，并且估計或測量Cbg，那么還有另外的處理可能性。于是可以產(chǎn)生CLP的估計。在這個最終系統(tǒng)中，有可能CLP的估計自己就是這個乘積的一個重要部分，但是公式4的分析足以表征煙流探測性能。
在公式(4)中，沒有考慮大氣濃度長度(Ck)差別的影響。但是公式(5)包括了大氣濃度長度差別的影響，其中Ck可以估計或測量出來。
12(σ(λ2)-σ(λ1))log[(E1E2)-2Ck]=(CLp+CbgR)---(5)]]>為了理解本發(fā)明，在圖2中示出了一種現(xiàn)有技術(shù)DIAL系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖。由譜線鎖定放大器210和230用電子控制信號275將單個開譜線激光器220和一個關(guān)譜線激光器240鎖定到兩個不同的波長上，將開譜線波長選擇為接近目標(biāo)氣體的光吸收的尖峰，將關(guān)譜線波長選擇為接近目標(biāo)氣體的光吸收波長的邊鋒。開譜線和關(guān)譜線激光束220和240由全息光柵250合并，并且由快掃描反射鏡260通過望遠(yuǎn)鏡270發(fā)射，由慢掃描反射鏡280導(dǎo)向和導(dǎo)引。最后，對于感興趣的區(qū)域，由激光束290順序地掃描接近地面的大氣中的示蹤氣體。于是，激光束290被示蹤氣體295散射和透射，由背景282反射，然后散射和透射回到示蹤氣體295中。下一步，返回光285由慢掃描反射鏡280反射進(jìn)望遠(yuǎn)鏡270，由光束分離器232分開，從發(fā)射激光束205到達(dá)另一組光束分離器215，然后通過一組濾光片225，只讓開譜線和關(guān)譜線波長通過，然后到達(dá)一組檢波器235，最佳地將返回光轉(zhuǎn)換成電信號。然后用放大器245電放大該信號，用一組A/D轉(zhuǎn)換器255將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由計算機(jī)265處理和分析這個數(shù)字化的信號，從而計算開譜線和關(guān)譜線返回信號之間的比值，這個比值與目標(biāo)氣體濃度路徑長度直接成正比。
在現(xiàn)有技術(shù)中，僅選擇和測量一種示蹤目標(biāo)氣體的特征特性。相反，在本發(fā)明中，使用一種以上的示蹤目標(biāo)氣體的特征特性從而提高了這種油氣管線泄漏探測系統(tǒng)的可靠性、靈敏度和性能。在圖3中示出本發(fā)明的3譜線可調(diào)諧DIAL激光器光傳感器系統(tǒng)的一個簡化系統(tǒng)框圖。用于甲烷的一個開譜線激光器320，用于乙烷的一個開譜線激光器395，以及一個關(guān)譜線激光器385，分別由譜線鎖定放大器310、365和375用電子控制信號355鎖定到三個不同的波長上；將這些開譜線波長選擇為接近目標(biāo)氣體的光吸收特性的尖峰，將關(guān)譜線波長選擇為接近目標(biāo)氣體的光吸收波長的邊鋒。這兩個開譜線和一個關(guān)譜線激光束320、395和385由全息光柵340合并起來形成合并激光束330。合并激光束330由快掃描反射鏡350通過望遠(yuǎn)鏡302發(fā)射出去，由慢掃描反射鏡304導(dǎo)向和導(dǎo)引，形成激光束360。對于感興趣的區(qū)域，由激光束360順序掃描接近地面的大氣中的示蹤氣體。激光束360由示蹤氣體308散射和透射，由背景309反射，再次由示蹤氣體308散射和透射，成為返回光306。返回光306由慢掃描反射鏡304從發(fā)射激光束360反射進(jìn)望遠(yuǎn)鏡302，并且由光束分離器331分開形成返回光370。在碰到一組濾光片390之前，返回光370通過一組光束分離器380。在一組檢波器305將返回光最佳地轉(zhuǎn)換成電信號之前，濾光片390只讓兩個開譜線和一個關(guān)譜線波長通過。由放大器315電放大該電子信號，用一組模數(shù)轉(zhuǎn)換器325將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。由計算機(jī)335處理和分析數(shù)字化的信號，計算出兩個開譜線和關(guān)譜線返回信號之間的比值，這個比值直接正比于目標(biāo)氣體濃度路徑長度。
選定目標(biāo)氣體例如甲烷的多種來源以及地表反射率類型的變化增大了虛警概率。因此，本發(fā)明采用的3譜線可調(diào)諧激光器DIAL系統(tǒng)使得來源于檢測多種來源目標(biāo)氣體和可變地表反射率的虛警最小。
在圖4中示出該系統(tǒng)的示例性框圖。首先對用戶獲得的管線位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、濾波、歸一化，并且儲存在管線位置數(shù)據(jù)庫410里。將用戶獲得的管線位置數(shù)據(jù)歸一化涵蓋了將標(biāo)準(zhǔn)文件格式應(yīng)用于這些用戶獲得的管線位置數(shù)據(jù)。將感興趣的區(qū)域的歸一化位置數(shù)據(jù)下載到計算機(jī)控制、采集和分析系統(tǒng)450。與該計算機(jī)控制、采集和分析系統(tǒng)450通信的飛行路徑尋找和激光定向系統(tǒng)430導(dǎo)引飛機(jī)沿著預(yù)定飛行路徑飛行，并且將激光光束指向預(yù)定點。作為飛行路徑尋找和激光定向系統(tǒng)430的一部分，機(jī)上飛機(jī)位置和運動測量儀器采取校正行動來導(dǎo)引飛機(jī)，并使激光指向飛行路徑上的其它點。也與該計算機(jī)控制、采集和分析系統(tǒng)450通信的傳感器系統(tǒng)440向泄漏示蹤流體420發(fā)射激光光束，并且從泄漏示蹤流體420接收返回的光。該計算機(jī)控制、采集和分析系統(tǒng)450發(fā)送控制信號給傳感器系統(tǒng)440，并且從該傳感器系統(tǒng)440接收信號，以監(jiān)視、儲存和分析泄漏濃度。
在圖5中示出本發(fā)明更詳細(xì)的框圖以及它的主要分系統(tǒng)500。主要分系統(tǒng)500包括接口系統(tǒng)510，接口系統(tǒng)510具有圖形用戶界面(GUI)軟件，用于主要分系統(tǒng)500的啟動、停止、設(shè)置、監(jiān)視和控制操作。計算機(jī)系統(tǒng)520具有高端高性能處理器(例如因特爾奔騰(注冊商標(biāo))芯片或者AMD AthlonTM(注冊商標(biāo))，或者IBM PowerPC750CX)，以及各種硬件組件，例如信號處理器和模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，以及用于與主要分系統(tǒng)500的其它組件通信的一個或者多個接口。例如，有鏈路連接到掃描器550、控制系統(tǒng)530、信號采集和分析系統(tǒng)505以及具有全球定位系統(tǒng)(GPS)的飛行路徑尋找和激光定向系統(tǒng)525。整個主要分系統(tǒng)具有可拆除的硬件驅(qū)動和各種監(jiān)視器用于顯示處理狀況。
信號采集和分析系統(tǒng)505有一個用于信號處理的信號處理板以及用于測量、記錄和顯示測得的乙烷和甲烷濃度的采集和分析軟件。
主要分系統(tǒng)500包括飛機(jī)系統(tǒng)535。飛機(jī)系統(tǒng)535可以是CessnaTM402B飛機(jī)或者能夠攜帶3譜線可調(diào)諧DIAL激光器流體管線泄漏探測系統(tǒng)以及機(jī)上飛行路徑尋找和激光器定向系統(tǒng)525、在大約500米高度以67米每秒的速度飛行的其它飛機(jī)。
具體而言，飛行路徑尋找和激光定向系統(tǒng)525包括便攜式的全球定位系統(tǒng)(GPS)和慣性測量單元(IMU)以及到計算機(jī)系統(tǒng)520的鏈路，以便根據(jù)飛機(jī)的當(dāng)前位置，利用激光系統(tǒng)540通過控制系統(tǒng)530連續(xù)更新飛機(jī)位置和引導(dǎo)激光光束。
管線位置數(shù)據(jù)庫515包括軟件算法以便處理、過濾和歸一化用戶獲得的管線位置數(shù)據(jù)集合以及機(jī)上GPS和IMU實時位置數(shù)據(jù)，以預(yù)測最佳飛行路徑并且用預(yù)測的最佳路徑圖更新管線位置數(shù)據(jù)庫。
控制系統(tǒng)530包括用于操作3譜線可調(diào)諧激光系統(tǒng)540的所有電子和溫度控制電路。例如，每個激光二極管當(dāng)前需要的精密控制反饋環(huán)，溫度傳感器，鎖定每個Nd:YLF的激光腔調(diào)諧器；激光輸出給其相應(yīng)的種子激光源，產(chǎn)生定時脈沖的定時電路，該定時脈沖用于同步每個激光激發(fā)、同時用于同步激光系統(tǒng)540中Q開關(guān)(Q switching)以及同步信號采集和分析系統(tǒng)505。因此，激光系統(tǒng)540包括采用3譜線直接探測DIAL激光發(fā)射系統(tǒng)。
激光系統(tǒng)540工作在中波紅外頻譜區(qū)域，采用三個全固體Nd:YLF激光發(fā)射器。這些激光器將輸出單一頻率的光，以3050赫茲的脈沖重復(fù)速率工作。每個激光器將產(chǎn)生大約0.68瓦的輸出功率。這些激光器是可調(diào)諧的，并鎖定到預(yù)期的波長。這個激光系統(tǒng)540還在三個不同的波長處提供10納秒單頻短脈沖。
掃描系統(tǒng)550包括快掃描旋轉(zhuǎn)楔和慢掃描俯仰和擺動補(bǔ)償楔分系統(tǒng)。這個快掃描旋轉(zhuǎn)楔負(fù)責(zé)將來自發(fā)射激光系統(tǒng)540的發(fā)射激光引向目標(biāo)區(qū)域。來自目標(biāo)區(qū)的后向散射光也被掃描系統(tǒng)550引進(jìn)檢測(接收機(jī))系統(tǒng)590。掃描系統(tǒng)550還在發(fā)射機(jī)/接收機(jī)分系統(tǒng)的光中心線周圍產(chǎn)生圓旋轉(zhuǎn)(circular rotating)照明模式。掃描系統(tǒng)550的慢掃描分系統(tǒng)俯仰和擺動補(bǔ)償器將圓照明路徑的中心引向目標(biāo)區(qū)。
望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)560是一個也叫做接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)560的主要功能是采集來自目標(biāo)的后向散射光，并且將它聚焦到檢測系統(tǒng)590。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)560聚焦在目標(biāo)區(qū)域，并且落入接收機(jī)望遠(yuǎn)鏡主反射鏡的那部分后向散射光被望遠(yuǎn)鏡第二反射鏡和準(zhǔn)直透鏡聚焦成準(zhǔn)直光束。光帶寬涵蓋該三個波長的高透射界面濾光片用于阻擋來自反射的太陽輻射和熱表面熱發(fā)射的寬帶背景光。
檢測系統(tǒng)590包括探測和電子調(diào)整三個中紅外波長的返回信號所需要的組件和分系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)590也可以叫做接收機(jī)系統(tǒng)。檢測系統(tǒng)590采用信號功率的直接檢測，并且由于地面(背景)反射率變化和來自吸收示蹤氣體的衰減，使用三個獨立的檢波器，其中每個檢波器觀看返回光束的不同百分比，以獲得大動態(tài)范圍。接下來將檢測到的電子信號放大和數(shù)字化。
將主要分系統(tǒng)500設(shè)計成檢測示蹤流體570。對于氣體和管線泄漏，示蹤流體570是甲烷和乙烷。一個目的是選擇與示蹤流體570相聯(lián)系的特性，當(dāng)流體管線泄漏的時候，這種特性能夠用于可靠和耐用地探測可能的管線泄漏。
示蹤流體570的探測可能會受到背景580的影響。
背景580被定義為來自地表的反射。背景580可以是灌木、土壤、水、樹、沙子等等。背景580將后向散射光反射到望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)560。
將監(jiān)視器545包括在主要分系統(tǒng)500中來顯示允許監(jiān)視和分析3譜線DIAL激光器流體管線探測系統(tǒng)的相關(guān)處理狀況的各種圖形用戶界面(GUI)。計算機(jī)系統(tǒng)520發(fā)送控制信號給控制系統(tǒng)530，并從控制系統(tǒng)530接收信息監(jiān)視信號信息。計算機(jī)系統(tǒng)520還訪問前面最佳確定的飛行路徑數(shù)據(jù)庫接口510和機(jī)上GPS和IMU定位路徑尋找以及激光定向分系統(tǒng)525在受到控制系統(tǒng)530的控制的時候?qū)⒓す夤馐ㄏ?，并且確定依次要被傳送給飛機(jī)系統(tǒng)535的下一個目標(biāo)位置。控制系統(tǒng)530發(fā)送電子鎖定信號給激光系統(tǒng)540，還控制激光系統(tǒng)540中所有二極管激光器的溫度。激光系統(tǒng)540以指定的波長產(chǎn)生三個幾乎同時的脈沖激光光束(每部分不超過10納秒)，用于發(fā)射到目標(biāo)位置。發(fā)射的激光光束通過掃描系統(tǒng)530、大氣、示蹤流體570；最終照射到背景580。從背景580返回的信號再次通過示蹤流體570和大氣，回到望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)560。返回光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)560的口徑，并聚焦在檢測系統(tǒng)590的檢波器上。最佳由檢測系統(tǒng)590將檢測到的模擬信號數(shù)字化用于最優(yōu)的動態(tài)范圍，由信號采集和分析系統(tǒng)505分析該數(shù)字化的信號，以估計示蹤流體的目標(biāo)濃度路徑長度。計算機(jī)系統(tǒng)520中的軟件算法對估計出來的濃度路徑長度進(jìn)行統(tǒng)計分析。最后將分析得到的信號儲存在計算機(jī)系統(tǒng)硬盤里，監(jiān)視器540顯示二維或三維氣體圖。
如圖5所示，用于產(chǎn)生本發(fā)明的源#1激光的每個主要分系統(tǒng)的組件在圖6中被進(jìn)一步描述。這里描述的組件不管是單個的還是成組的都不是排它性的?？梢杂玫刃У慕M件替換。
參考圖6，激光系統(tǒng)640可以包括發(fā)射機(jī)、泵浦激光器、光參量振蕩器(OPO)、光參量放大器(OPA)、注入播種(injection-seeding)、計算機(jī)化的激光源控制器和譜線鎖定機(jī)構(gòu)。掃描系統(tǒng)650的組件可以包括反射鏡、快掃描楔、慢掃描俯仰/擺動補(bǔ)償楔和窗口支撐/外殼。
探測系統(tǒng)640可以包括光學(xué)濾光片、光匹配、檢波器、放大器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器。而飛行路徑尋找和激光定向系統(tǒng)630可以包括導(dǎo)航組件，例如全球定位系統(tǒng)(GPS)、慣性測量系統(tǒng)(IMU)以及高帶寬飛機(jī)位置和高度更新設(shè)備。
信號控制、采集和分析系統(tǒng)620可以包括允許信號控制、信號采集、信號分析、輔助數(shù)據(jù)采集、掃描儀命令、導(dǎo)航數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)記錄的組件。用戶接口系統(tǒng)610可以具有供用戶對接、飛行員對接的組件和并入目標(biāo)管線圖的飛行計劃。監(jiān)視器670顯示GUI、處理狀況和濃度泄漏率。電源控制器680給所有分系統(tǒng)提供電力。
信號控制、采集和分析系統(tǒng)620(包括如圖5所示的520、530和505)發(fā)送控制電子鎖定信號給激光系統(tǒng)640，并且從激光系統(tǒng)640接收監(jiān)視信號信息。信號控制、采集和分析系統(tǒng)620還從飛行路徑數(shù)據(jù)庫界面610訪問以前確定的最優(yōu)飛行路徑數(shù)據(jù)；并且控制機(jī)上GPS和IMU位置路徑尋找和激光定向分系統(tǒng)630，以便通過掃描系統(tǒng)650將激光束定向。另外，信號控制、采集和分析系統(tǒng)620確定下一個目標(biāo)位置，并且將目標(biāo)信息傳遞給飛機(jī)系統(tǒng)535(圖5中所示)。信號控制、采集和分析系統(tǒng)620還控制激光系統(tǒng)中所有二極管激光器的溫度。激光系統(tǒng)640產(chǎn)生特定波長上三個幾乎同時的脈沖激光束(例如每部分10納秒以內(nèi))，并且通過掃描系統(tǒng)650將這些脈沖激光束發(fā)射給目標(biāo)位置。發(fā)射的激光束通過大氣，經(jīng)過示蹤流體，并最終照到背景上。從背景返回的信號隨其回到望遠(yuǎn)鏡690再次經(jīng)過示蹤流體和大氣。返回光進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡690的口徑，聚焦在檢測系統(tǒng)660的檢波器上。將檢測到的模擬信號數(shù)字化用于檢測系統(tǒng)660所用的最佳動態(tài)范圍，由信號控制、采集和分析系統(tǒng)620分析得到的數(shù)字信號，以估計示蹤流體的目標(biāo)濃度路徑長度。信號控制、采集和分析系統(tǒng)620中的軟件算法以統(tǒng)計方式分析估計出來的濃度路徑長度。最后，將分析過的信號儲存在信號控制、采集和分析系統(tǒng)620的硬盤上，并且監(jiān)視器670顯示二維或三維氣體圖。
圖7示出了激光源的發(fā)射機(jī)的簡化框圖，該發(fā)射機(jī)采用泵浦光參量振蕩器(OPO)-光參量放大器(OPA)頻率轉(zhuǎn)換器的1微米Nd:YLF激光器。給這個OPO播種(seeded)以確保單頻工作。如圖7所示，產(chǎn)生#2激光源(705)和#3激光源(715)，并且用空間濾光片790合并為單個發(fā)射波束。
基于源效率η，其是該不包括種子激光功率和冷卻功率的電光效率，考慮了不同的激光源選擇方法。
短的脈沖寬度和脈沖的精確定時要求使用有源Q開關(guān)激光器。Q開關(guān)適合于短脈沖，有源控制適合于精確定時。激光源必須緊湊、有效，以便與可能有限的飛機(jī)空間和功率兼容。買不到滿足這些要求的任何商業(yè)源。傳統(tǒng)的激光技術(shù)一般都是用非線性光技術(shù)來改變短波紅外(SWIR)或長波紅外(LWIR)中開發(fā)成熟的激光器的波長，以獲得中波紅外(MWIR)波長，例如本發(fā)明中采用的波長。能夠?qū)㈩l率偏移到MWIR的SWIR和LWIR激光器的實例分別是釹(Nd)固體激光器和二氧化碳(CO2)氣體激光器。
參考圖7，將1微米DPSSL/OPO-OPA激光源單個可調(diào)諧頻率技術(shù)用于產(chǎn)生所選波長。OPO-OPA 750由工作在1047納米的Q開關(guān)Nd:YLF激光器720泵浦。Nd:YLF激光器由工作在805納米的光纖耦合二極管激光器710泵浦，并且還用來自公用種子源的CW(連續(xù)波)、單頻1047納米光給它注入播種。OPO-OPA 750被工作在～1510的外部腔二極管激光器注入播種，以確保3400納米的單頻輸出。圖7所示的Nd:YLF種子激光器(seed laser)730、ECDL種子激光器740、1微米DPSSL 710、OPO-光參量放大器(OPA)750分系統(tǒng)的組合，通過利用OPO腔中的兩個非線性過程提高波長轉(zhuǎn)換效率。OPA用于將OPO晶體產(chǎn)生的一些不需要的功率轉(zhuǎn)換成3400納米輸出。如圖7所示，OPO過程轉(zhuǎn)換Nd:YLF泵浦波長(1047納米＞3400納米+1510納米)，并且OPA過程隨后產(chǎn)生更多的3400納米輸出(1510納米＞3400納米+2720納米)。這意味著單個泵浦光子能夠產(chǎn)生兩個3400納米光子。作為大于100％光子轉(zhuǎn)換效率的結(jié)果，產(chǎn)生了比入射泵浦光子更多的MWIR光子。因此，該兩步轉(zhuǎn)換導(dǎo)致了更高的整體光-光轉(zhuǎn)換效率，～25％或更高。于是，采用這種特定方法的整個系統(tǒng)效率為～2。
在圖8中更詳細(xì)地示出了單個激光源的框圖。通過光纖的805納米泵浦二極管激光器850的輸出經(jīng)過對準(zhǔn)，聚焦到Nd:YLF棒860上，為激光器提供增益。還有，這個Nd:YLF激光器860是Q開關(guān)的，由1047納米流星(meteor)種子激光器805播種。通過薄膜偏振片將860的1047納米輸出注入OPO-OPA激光器腔870。還有，用1510納米ECDL種子激光器815給這個OPO-OPA激光器腔870播種。這個OPO-OPA是一個包括2個PPLN(周期電極鈮酸鋰晶體)的4反射鏡環(huán)腔。將第一個晶體選擇為利用1047納米泵浦產(chǎn)生3400納米和1510納米光，而將第二個晶體(應(yīng)該是一個不同的#)選擇為利用1510納米泵浦產(chǎn)生3400納米和2700納米的光。腔870在1510納米處諧振，并且通過輸出耦合器在這個波長上進(jìn)行注入播種。利用Pound-Drever-Hall(PDH)技術(shù)將射頻調(diào)制施加在二極管激光器種子1510納米上，將這個腔長度鎖定在840的種子頻率上。二極管分系統(tǒng)810和890分別控制泵浦二極管激光器850的溫度和電流。分系統(tǒng)820通過操作860控制腔的Q開關(guān)和播種。流星控制器845控制種子激光器805的1047納米波長。855分系統(tǒng)鎖定種子激光器860的腔長度。種子激光器控制器865控制1510納米種子激光器波長；并且種子激光器波長電子組件875將種子激光器鎖定在期望的波長上。
在圖9中示出飛行路徑尋找和激光定向分系統(tǒng)的框圖。如同早些時候提到的一樣，本發(fā)明在沿著管線路徑的一個預(yù)定通道內(nèi)，測量所述流體管線泄漏濃度的示蹤特征氣體。為了完成該任務(wù)，激光定向分系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前飛機(jī)的位置和地面上的期望的測量位置，主動連續(xù)地引導(dǎo)三個合并光束?？煨D(zhuǎn)圓掃描儀905和慢旋轉(zhuǎn)定向掃描儀915按照當(dāng)前飛機(jī)位置和期望的通道范圍用恒定的圓模式引導(dǎo)這三個光束。產(chǎn)生理想的飛行計劃路徑用于沿著飛行計劃的最佳地面范圍。通過更新位置和高度模快930以100赫茲的速度查詢GPS和/或IMU系統(tǒng)920以確定當(dāng)前飛機(jī)位置和高度。在當(dāng)前位置的基礎(chǔ)之上，確定理想飛行計劃上最近的點以及與它有關(guān)的地面位置。所述圓位置參照當(dāng)前高度指向這個地面位置。當(dāng)前位置信息被計算機(jī)采集和控制系統(tǒng)940用來與掃描儀控制器/驅(qū)動器990通信，以控制慢旋轉(zhuǎn)定向掃描儀915指向目標(biāo)區(qū)域，并且將信息顯示在飛行員數(shù)據(jù)顯示器950上。掃描儀控制器/驅(qū)動器980和掃描儀控制器/驅(qū)動器990中的一個或者兩個控制將三個激光光束引向地面目標(biāo)位置的驅(qū)動器。掃描儀控制器/驅(qū)動器980給計算機(jī)采集和控制系統(tǒng)940提供掃描指令960，用于20～40赫茲處的每個1單位/掃描。
在圖10中示出管線位置數(shù)據(jù)庫分系統(tǒng)軟件算法。對于穩(wěn)定定向控制，在飛行過程中，每一時刻都需要獨一無二的定向位置。因為管線可能沿著不規(guī)則的路線鋪設(shè)，飛機(jī)不能完全按它的路線飛行，會碰到與定向目標(biāo)有關(guān)的不定性。因此，最初，將預(yù)飛管線位置信息操作1010和理想飛行路徑操作1030用來計算一個操作1020中的1對1查閱表。隨后起始操作1040開始使飛機(jī)飛行在預(yù)定的高度上，朝向目標(biāo)位置。操作1050中的機(jī)上GPS和IMU基于目標(biāo)位置測量飛機(jī)的當(dāng)前位置數(shù)據(jù)。在操作1070中尋找沿著理想飛行路徑的最近緯度、經(jīng)度、高度。隨后在操作1090中尋找地面上的獨一無二對應(yīng)點。在操作1005中，計算出指向地面點所需要的楔角，并提供給飛行員路線糾正信息操作1080，其在操作1060中將掃描儀定向從而將三個光束引向最接近的目標(biāo)地面點。
在圖11中示出所開發(fā)的3譜線DIAL激光器氣體管線泄漏探測系統(tǒng)的原理圖，其中還有發(fā)射機(jī)和接收機(jī)(收發(fā)機(jī))分系統(tǒng)更詳細(xì)的信息。首先用三光束分離器1140將關(guān)譜線和兩個開譜線波長(分別是1110、1120、1130)的三個激光源分裂開來，由一組功率計1170監(jiān)視它們的功率，其次，用全息光柵1155將這三個激光源合并起來，從而使它們是共線的。共線光束1112進(jìn)入光束合并光柵1114，提供一個固定的有限源孔徑。這樣，激光器對準(zhǔn)中可能出現(xiàn)的任何漂移都會呈現(xiàn)為容易識別的發(fā)射脈沖能量偏差，但是不會影響氣體濃度長度測量校準(zhǔn)。然后將多波長源光束引入一組導(dǎo)引光路徑反射鏡1116。反射的定制光束進(jìn)入檢流計驅(qū)動的掃描快反射鏡1118，并且通過也用于補(bǔ)償飛機(jī)擺動和偏航飛行誤差的掃描帶的大孔徑慢掃描反射鏡1122被發(fā)射以照射地面。當(dāng)檢流計驅(qū)動的掃描快反射鏡1118擺過25度的全角時，源光束在進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡1108的時候擺過50度的弧度。望遠(yuǎn)鏡1108產(chǎn)生發(fā)射光束的5度全角掃描，并且跟蹤地面上激光器覆蓋區(qū)1132的35米寬地面帶掃1126(包括額外的角寬度用來補(bǔ)償飛機(jī)偏航角)。從接收機(jī)覆蓋區(qū)1128散射的光通過慢跟蹤校正反射鏡進(jìn)入整個望遠(yuǎn)鏡孔徑?？鞉呙铏z流計驅(qū)動的反射鏡1118也將收到的光反射在出射的瞳孔中。這樣，檢流計驅(qū)動的掃描快反射鏡1118與發(fā)射光束的光學(xué)中心線同步地偏移接收機(jī)視場(FOV)中心角(換句話說，等效于偏移地面上的接收機(jī)覆蓋區(qū)1128)。然后收到的光通過定制光束分離器1111，穿過窄帶干涉濾光片1106，過濾以后的光1104照射到信號檢波器1102，到達(dá)放大器1190，由1146將放大后的光1180數(shù)字化。為了監(jiān)視鎖定的三個波長的穩(wěn)定性，將來自開譜線甲烷激光源1130的百分比激光光束1150通過分系統(tǒng)1160。氣室譜線通過濾光片1165只讓選定的激光譜線通過，然后在將這些信號通過一組功率計(能量計)1175來監(jiān)視激光的功率之前，一組檢波器1185將該激光轉(zhuǎn)換成模擬電子信號。。于是，測量過的激光功率通過一組低速率模數(shù)轉(zhuǎn)換器1195，最終這些模數(shù)轉(zhuǎn)換器1195的輸出由計算機(jī)控制采集和分析系統(tǒng)1148讀取。掃描儀電子控制器分系統(tǒng)1144控制快掃描反射鏡1122和慢掃描反射鏡1124。圖11中描述的管線位置數(shù)據(jù)庫1142、計算機(jī)控制、采集和分析1148以及飛行路徑尋找和激光定向1152分系統(tǒng)已經(jīng)在前面描述過。
通過改變結(jié)合于此的3譜線DIAL激光器傳感器的波長，可以將本發(fā)明用于探測碳?xì)浠衔餁怏w的多種成分。
已經(jīng)參考一個或多個實施例描述了本發(fā)明。但是很顯然，本領(lǐng)域內(nèi)普通技術(shù)人員能夠進(jìn)行各種改變和改進(jìn)而不會偏離本發(fā)明的范圍。本發(fā)明用于探測油氣管線泄漏，但是本領(lǐng)域內(nèi)任何技術(shù)人員都理解，可以將本發(fā)明用于探測危險材料或者感興趣的其它材料。還要理解，可以將本發(fā)明用于探測油氣或感興趣的其它自然資源。
部件清單105無障礙管線通道110飛擾120機(jī)載3譜線可調(diào)諧DIAL激光器流體管線探測系統(tǒng)130發(fā)射的激光束140飛行高度150示蹤氣體160掩埋的管線170泄漏區(qū)域180地表類型背景190地面的3D截面205合并激光光束的一部分210譜線鎖定放大器215光束分離器220開譜線激光器225濾光片230譜線鎖定放大器
232光束分離器235檢波器240關(guān)譜線激光器245放大器250全息光柵255模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D260快掃描反射鏡265計算機(jī)控制、采集和分析系統(tǒng)270望遠(yuǎn)鏡275電子控制信號280慢掃描反射鏡282地表類型背景285返回光290發(fā)射的激光295示蹤氣體370合并的激光光束的一部分310譜線鎖定放大器331光束分離器390濾光片320甲烷開譜線激光器365譜線鎖定放大器395乙烷開譜線放大器380光束分離器305檢波器375譜線鎖定放大器385關(guān)譜線激光器315放大器325模數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D340全息光柵350快掃描反射鏡
335計算機(jī)控制、采集和分析系統(tǒng)302望遠(yuǎn)鏡355電子控制信號(激光譜線鎖定通信)304慢掃描反射鏡309地表類型背景306返回光360發(fā)射的激光308示蹤氣體410管線位置數(shù)據(jù)庫420泄漏示蹤流體430飛行路徑尋找和激光定向系統(tǒng)440傳感器系統(tǒng)450計算機(jī)控制、采集和分析系統(tǒng)460監(jiān)視器510接口系統(tǒng)520計算機(jī)系統(tǒng)530控制系統(tǒng)540激光器系統(tǒng)550掃描儀系統(tǒng)560望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)570示蹤流體580背景590檢測系統(tǒng)505信號采集和分析系統(tǒng)515管線位置數(shù)據(jù)庫525飛行路徑尋找和激光定向系統(tǒng)535飛機(jī)系統(tǒng)610接口系統(tǒng)620信號控制、采集和分析系統(tǒng)630飛行路徑尋找和激光器定向系統(tǒng)
640激光器系統(tǒng)650掃描儀系統(tǒng)660檢測系統(tǒng)670監(jiān)視器680電源控制變頻器690望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)705#2單個激光源715#3單個激光源710光纖耦合二極管激光器720二極管泵浦Q開關(guān)ND:YLF激光器730Nd:YLF種子激光器740外部腔二極管激光器(ECDL)種子激光器750光參量振蕩器(OPO)-光參量放大器(OPA)760光束分離器770基準(zhǔn)氣體單元780望遠(yuǎn)鏡790全息光柵/空間濾光片810二極管溫度控制器820電光Q開關(guān)控制器830溫度穩(wěn)定840對種子激光器OPO腔長度鎖定850805納米二極管激光器860Q開關(guān)播種Nd:YLF激光器870OPO-OPA注入播種的880空間濾光片/將3個產(chǎn)生的激光合并成單個發(fā)射光束的光束合并器890二極管電流控制器805流星Nd:YLF種子激光器815OPO種子激光器外部腔二極管激光器835基準(zhǔn)氣體單元845流星控制器
855Nd:YLF腔長度鎖定種子激光器865種子激光器控制器920GPS/IMU系統(tǒng)930位置和高度更新940計算機(jī)采集和控制系統(tǒng)950飛行員顯示數(shù)據(jù)960快掃描儀更新信號970慢掃描儀更新信號905快掃描儀控制器驅(qū)動915慢掃描儀控制器驅(qū)動980快旋轉(zhuǎn)掃描儀990慢旋轉(zhuǎn)掃描儀1010來自勘查的管線坐標(biāo)圖1020查閱表(LUT)1030理想飛行路徑數(shù)據(jù)1040開始目標(biāo)位置和路徑計算1050讀取當(dāng)前數(shù)據(jù)(緯度、經(jīng)度、擺動俯仰角和高度、)1060定向掃描儀(定向激光器)1070最近點LUT1080飛行員路徑校正信息1090LUT中的對應(yīng)的地面點坐標(biāo)1005定向角計算1150合并后激光光束的一部分11103389納米關(guān)譜線激光光源11203336.8納米乙烷開譜線激光光源11303429納米甲烷關(guān)譜線激光光源1140光束分離器1155全息光柵1170功率計1112單個合并的激光光束
1114光束擴(kuò)展器1116導(dǎo)引反射鏡1118雙楔快椎掃描1122雙楔椎定向掃描儀1124來自地表的反射光(返回光)1126地帶1128接收機(jī)覆蓋區(qū)1132激光器覆蓋區(qū)1108Kirkham望遠(yuǎn)鏡1111導(dǎo)引反射鏡1106窄帶干涉濾光片1104過濾返回光1102檢波器1190放大器1180放大后的信號1146A/D1160發(fā)射的激光能量測量分系統(tǒng)1165基準(zhǔn)氣體單元1185檢波器1175發(fā)射能量1195低速率A/D1142管線位置系統(tǒng)1144掃描儀驅(qū)動器和位置編碼器1148計算機(jī)控制、采集和分析系統(tǒng)1152飛行路徑尋找和激光器定向系統(tǒng)1154激光器譜線鎖定通信
權(quán)利要求
1.一種利用機(jī)載平臺遠(yuǎn)距離探測天然氣或油管流體泄漏的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括a)至少兩個激光光源，用于充分照射一種或多種目標(biāo)流體的目標(biāo)區(qū)域和背景，其中所述一種或多種目標(biāo)流體包括一個或多個吸收波長，并且所述背景包括與所述一種或多種目標(biāo)流體中任意一個都不相同的波長；b)用于為所述光源中的每一個產(chǎn)生和改變對應(yīng)于所述一種或多種目標(biāo)流體的每一種以及所述背景的選定波長的裝置；c)基于定位系統(tǒng)將所述激光光源定向的裝置；d)沿著路徑，在幾何區(qū)域內(nèi)掃描所述激光光源的裝置；e)探測所述一種或多種目標(biāo)流體的裝置；f)為所述機(jī)載平臺的定位進(jìn)行路徑規(guī)劃和路徑尋找的裝置；和g)將檢測到所述天然氣或油管存在泄漏的情況傳送出去的裝置。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其中所述一種或多種目標(biāo)流體是碳?xì)浠衔餁怏w。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其中所述碳?xì)浠衔餁怏w是甲烷、乙烷，或甲烷和乙烷。
4.一種利用機(jī)載平臺遠(yuǎn)距離探測天然氣或油管流體泄漏的方法，該方法包括a)利用至少兩個激光光源照射一種或多種目標(biāo)流體的目標(biāo)區(qū)域和背景，其中所述一種或多種目標(biāo)流體包括一個或多個吸收波長，并且所述背景具有與所述一種或多種目標(biāo)流體中任意一種不同的波長；b)為所述光源中的每一個產(chǎn)生和改變對應(yīng)于所述一種或多種目標(biāo)流體的選定波長；c)基于定位系統(tǒng)將所述光源定向；d)利用所述多個光源沿著路徑掃描幾何區(qū)域；e)利用定量信號處理探測所述一種或多種目標(biāo)流體；f)利用路徑規(guī)劃和路徑尋找裝置為所述機(jī)載平臺定位；以及g)將探測到的所述天然氣或油管存在泄漏的情況傳送出去。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中所述一種或多種目標(biāo)流體是碳?xì)浠衔餁怏w。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中所述碳?xì)浠衔餁怏w是甲烷、乙烷，或者甲烷和乙烷。
7.一種利用機(jī)載平臺遠(yuǎn)距離探測天然氣或是油管流體泄漏的系統(tǒng)，包括a)用于同時照射一種或多種目標(biāo)流體的目標(biāo)區(qū)和背景的兩種或多種激光光源；b)用于選擇對應(yīng)于所述一種或多種目標(biāo)流體的多個吸收波長的一個或多個波長的裝置，其中所述背景具有不同于所述一種或多種目標(biāo)流體中任意一個的波長；c)為所述光源的每一個產(chǎn)生和改變對應(yīng)于所述一種或多種目標(biāo)流體的選定波長的裝置；d)基于定位系統(tǒng)將所述光源定向的裝置；e)利用所述光源沿著路徑掃描幾何區(qū)域的裝置；f)用于信號檢測以及測量所述一種或多種目標(biāo)流體的特性的裝置；g)用于遠(yuǎn)距離定量處理所述一種或多種目標(biāo)流體的信號處理裝置；h)用于為所述機(jī)載平臺定位而進(jìn)行路徑規(guī)劃和路徑尋找的裝置；以及i)用于將探測到的所述天然氣或油管存在泄漏的情況傳送出去的裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，包括用于單獨控制每一個所述光源的強(qiáng)度的控制器。
9.如權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其中所述一種或多種目標(biāo)流體是碳?xì)浠衔餁怏w。
10.如權(quán)利要求9所述的系統(tǒng)，其中所述碳?xì)浠衔餁怏w是甲烷、乙烷，或者甲烷和乙烷。
11.利用機(jī)載平臺遠(yuǎn)距離定量實時探測流體的一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括a)至少兩個激光光源，用于幾乎同時地照射一種或多種目標(biāo)流體的相同目標(biāo)區(qū)域和背景，其中所述一種或多種目標(biāo)流體的特征在于一個或多個吸收波長，并且所述背景具有不同于所述一種或多種目標(biāo)流體中任意一種的波長；b)在多個波長的范圍上為所述光源的每一個實時地產(chǎn)生和動態(tài)改變對應(yīng)于所述一種或多種目標(biāo)流體的選定波長的裝置；c)基于定位系統(tǒng)將所述多個光源定位的裝置；d)利用所述多個光源沿著路徑在幾何區(qū)域內(nèi)掃描所述一種或多種目標(biāo)流體的裝置；e)用于進(jìn)行實時信號檢測，從而獲得所述一種或多種目標(biāo)流體的探測結(jié)果的定量處理的裝置；f)用于所述一種或多種目標(biāo)流體的遠(yuǎn)距離定量處理探測的實時信號處理裝置；g)為了對所述機(jī)載平臺定位而進(jìn)行路徑規(guī)劃和路徑尋找的裝置；以及h)用于將探測到的所述多種流體存在的情況傳送出去的裝置。
12.如權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其中所述系統(tǒng)可以為碳?xì)浠衔餁怏w的探測而調(diào)諧。
13.利用機(jī)載平臺遠(yuǎn)距離定量探測流體的一種方法，該方法包括a)利用至少兩個激光光源幾乎同時地照射一種或多種目標(biāo)流體的相同目標(biāo)區(qū)和背景，其中所述一種或多種目標(biāo)流體的特征在于一個或多個吸收波長，其中所述背景具有不同于所述一種或多種目標(biāo)流體中任意一種的波長；b)相對于定位系統(tǒng)定向所述多個激光光源；c)利用所述多個光源沿著路徑在幾何區(qū)域內(nèi)掃描所述一種或多種目標(biāo)流體；d)利用定量實時信號處理實時探測所述一種或多種目標(biāo)流體；e)在多個波長的范圍上為所述光源的每一個實時地產(chǎn)生和動態(tài)改變對應(yīng)于所述一種或多種目標(biāo)流體的選定波長；f)利用路徑規(guī)劃和路徑尋找裝置為所述機(jī)載平臺定位；以及g)將探測到的所述流體存在的情況傳送出去。
14.如權(quán)利要求13所述的方法，還包括調(diào)諧所述照射源用于探測碳?xì)浠衔餁怏w的步驟。
15.利用機(jī)載平臺遠(yuǎn)距離定量探測流體的一種方法，該方法包括a)用至少兩個激光光源用作照射源幾乎同時地照射一種或多種目標(biāo)流體的相同目標(biāo)區(qū)和背景，其中所述一種或多種目標(biāo)流體的特征在于一個或多個吸收波長，并且其中所述背景具有不同于所述一種或多種目標(biāo)流體中任意一種的波長；b)相對于定位系統(tǒng)定向所述多個光源；c)利用所述多個光源沿著路徑在幾何區(qū)域內(nèi)掃描所述一種或多種目標(biāo)流體；d)從源接收輔助目標(biāo)信息；e)利用定量實時信號處理實時地探測所述一種或多種目標(biāo)流體；f)基于所述輔助目標(biāo)信息為所述多個光源的每一個在多個波長的范圍上實時地產(chǎn)生和動態(tài)改變對應(yīng)于所述一種或多種目標(biāo)流體的選定波長；g)利用路徑規(guī)劃和路徑尋找裝置為所述機(jī)載平臺定位；以及h)將探測到存在所述流體的情況傳送出去。
全文摘要
利用機(jī)載平臺遠(yuǎn)距離定量探測從天然氣或油管的流體泄漏的一種系統(tǒng)；包括至少一個激光光源，用于幾乎同時地照射兩種或多種目標(biāo)流體和背景，其中兩種或多種目標(biāo)流體的特征在于兩個或多個吸收波長，其中的背景具有不同于所述兩種或多種流體中任意一種的波長。利用照射源在沿著路徑的幾何區(qū)域內(nèi)掃描兩種或多種目標(biāo)流體的時候，這個照射源基于定位系統(tǒng)被定向。信號檢波器利用定量信號處理來探測所述兩種或多種目標(biāo)流體。還包括控制器、路徑規(guī)劃和路徑尋找工具用于機(jī)載平臺的定位，以及通信器，用于傳送檢測到泄漏存在的情況。
文檔編號G01N21/39GK1918466SQ200480041874
公開日2007年2月21日 申請日期2004年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2003年12月19日
發(fā)明者胡什曼德·M·卡拉耶, 古斯塔沃·R·帕斯-皮耶爾特, 約翰·P·斯普豪爾 申請人:Itt制造企業(yè)公司