專利名稱：機載天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法
技術領域：
本發(fā)明涉及甲垸氣體檢測技術，具體是指一種能夠用于直升機平臺上的天 然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法，它用于漫長天然氣管道的快速、低成本監(jiān) 測。
背景技術：
根據國家《天然氣管網布局及"十一五"發(fā)展規(guī)劃》，到2010年中國將基 本形成覆蓋全國的天然氣基干管網，管道總長度將達到4.4萬公里。如此綿長 的管道網絡，由于管道老化、地質結構變化等因素造成的天然氣管道泄漏事故 不可避免。統(tǒng)計數據表明，天然氣在通過管道輸運過程中泄漏量大約占到輸氣 總量的10%。由于天然氣是可燃性氣體，天然氣管道泄漏給國家造成直接經濟 損失的同時，也給人民群眾的生命財產安全帶來威脅；另外，天然氣的主要成 分甲烷是典型的溫室氣體，其溫室效應大約是相同濃度二氧化碳的20倍，因此 天然氣管道的大量泄漏會加劇地球溫室效應。正是基于這些原因，世界各國政 府在積極建設天然氣管道的同時，也非常重視天然氣管道泄漏監(jiān)測工作。資料 表明，西方發(fā)達國家很早在2004年前就已經開始研究機載天然氣管道泄漏監(jiān)測 方法以代替?zhèn)鹘y(tǒng)的手持儀器監(jiān)測方法，并研制成功了相應的機載監(jiān)測設備，有 的設備已經投入商業(yè)運營。國外研究表明，機載監(jiān)測方法取代傳統(tǒng)手持儀器監(jiān) 測方法可以使得監(jiān)測成本降低40%。査新表明，國內在天然氣管道泄漏監(jiān)測方 面也做了很多工作，但目前局限于手持式和近距離車載監(jiān)測。鑒于我國天然氣 管道業(yè)務的迅猛發(fā)展，及早開展機載天然氣管道監(jiān)測技術的研究具有顯著的社會效益和經濟效益。從飛機平臺監(jiān)測天然氣管道泄漏的思路決定了該技術必須采用遙測的手 段，而從目前遙測技術應用于氣體探測的發(fā)展狀況來看，光學遙測是唯一的選 擇。從飛行安全角度考慮，遙測距離不小于100米是合適的；如此距離上的光 學遙測可以分為兩類， 一類是被動式光學遙測， 一類是主動式光學遙測。被動式氣體遙測由于靈敏度低，虛警率高通常不被采用；主動式氣體遙測一個典型 實例就是差分吸收激光雷達，這種探測技術通常采用兩束特定波長的激光作為 光源， 一束激光的波長和氣體的吸收線重合，另一束激光的波長與氣體吸收線 之間存在略微的差異，兩束激光同時穿過待測氣體時，其中一束激光由于氣體 吸收而衰減，另外一束激光由于氣體不吸收而不被衰減，因此通過兩束激光回 波強度的差異可以反演出激光傳輸路徑上待測氣體的含量。具體到天然氣管道 泄漏監(jiān)測，探測對象是天然氣的主要成分甲烷，激光器必須采用窄線寬的中紅 外(3.4wm附近)OPO激光器，這種類型的激光器造價昂貴，需要專業(yè)維護和 使用，不利于機載天然氣管道泄漏監(jiān)測設備的應用推廣。 發(fā)明內容本發(fā)明的目的是要建立一種適于直升機平臺的天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)和 方法，采用低成本的可調諧半導體激光器作為探測光源，極大的降低了監(jiān)測儀 器整機系統(tǒng)的成本造價，有利于推動機載天然氣管道泄漏監(jiān)測設備的廣泛使用， 以服務于大范圍天然氣管道安全輸運。如圖1所示，其特征在于它包括激光器l、光束準直系統(tǒng)2、光學接收器 3、光探測器4、電子學信號采集系統(tǒng)5、計算機信號處理系統(tǒng)6。激光器1通 過尾纖把激光耦合出來，首先通過光束準直系統(tǒng)2讓激光束以較小的發(fā)散角發(fā) 射出去，達到地面以后反射回來的激光回波被光學接收器3接收，會聚于光探測器4上轉化為電信號，進而被電子學信號采集系統(tǒng)采集轉化為數字信號輸送 給計算機信號處理系統(tǒng)6。本發(fā)明機載天然氣管道泄漏監(jiān)測方法包括下列步驟A. 激光器l輸出連續(xù)光，通過正弦調制激光器的驅動電流使得激光波長在平均波長附近連續(xù)變化，激光輸出的平均波長和甲烷氣體在近紅外波段的某條吸收線重合；激光束經過準直以后從直升機平臺照射到地面；B. 激光回波被光學接收器3接收，會聚到光探測器4上轉化為電信號。如 果在激光腳印附近存在天然氣管道的泄漏點，則泄漏點附近會形成高濃度甲烷 氣體云團，激光束在從機載平臺到地面之間往返傳輸時會穿越甲烷氣體云團， 由于激光波長是在甲烷氣體吸收線附近變化，所以激光能量由于被甲烷氣體吸 收而衰減；C. 光探測器4輸出的光電信號被電子學信號采集系統(tǒng)5采集轉化為數字信 號輸送給計算機信號處理系統(tǒng)6，處理系統(tǒng)從激光回波的原始數據中提取出由 于甲烷氣體吸收產生的一次諧波和二次諧波信息，其中只有二次諧波信號的強 度是和甲垸氣體濃度成正比的的，而二次諧波和一次諧波信號的比值可以消除 路徑背景的影響，進而得到甲烷氣體濃度信息。本發(fā)明的優(yōu)點是(1) 采用的可調諧半導體激光器線寬非常窄，典型值是2MHz，遠遠小于 甲烷氣體自身的吸收線寬度，如此窄線寬的激光可以有效避免各種背景氣體的 吸收干擾，對探測氣體甲烷具有極強的選擇性。(2) 采用的可調諧半導體激光器與目前在通訊領域廣泛使用的激光器生產 工藝相同，技術成熟，造價低，作為核心器件可以極大的降低天然氣監(jiān)測設備 的整機成本。


圖1為本發(fā)明的機載天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)結構示意圖；其中-1——激光器；2——光束準直系統(tǒng)；3——光學接收器；4——光探測器；5——電子學信號采集系統(tǒng)；6——計算機信號處理系統(tǒng)；7——甲烷云團。
具體實施方式
下面根據圖12給出本發(fā)明一個較好實施例。用于機載天然氣管道泄漏監(jiān)測的系統(tǒng)包括如下幾個部分 1 ) 激光器1激光器1發(fā)射出的光束參與甲烷氣體吸收過程，從而反演甲烷濃度信息。選用分布反饋式(DFB)激光器，工作波長1653nm，線寬2MHz，功率15mW。2) 光束準直系統(tǒng)2光束準直系統(tǒng)2使得激光束以較小的發(fā)射角照射到地面，形成較小面積的 激光腳印。選用的光束準直系統(tǒng)是匹配FC/APC光纖接口的光纖準確器，準直 后激光發(fā)散角為lmrad。3) 光學接收器3光學接收器3用來接收激光回波，把光能量會聚到光探測器4。選用的光學 接收器一個反射式拋物面反射鏡，有效口徑300mm。4) 光探測器4光探測器4用來對激光回波信號進行光電轉換。選用非制冷型InGaAs單元 探測器。5) 電子學信號采集系統(tǒng)5電子學信號采集系統(tǒng)5用來對光探測器4輸出的激光回波的電信號進行采集。6) 計算機信號處理系統(tǒng)6計算機信號處理系統(tǒng)6用來對電子學信號采集系統(tǒng)5輸出的數字信號進行 處理和保存。
權利要求
1.一種機載天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)，它包括激光器(1)、光束準直系統(tǒng)(2)、光學接收器(3)、光探測器(4)、電子學信號采集系統(tǒng)(5)、計算機信號處理系統(tǒng)(6)；其特征在于激光器(1)采用可調諧半導體激光器，激光的平均波長位于甲烷氣體的1653nm近紅外吸收線上，光探測器(4)采用非制冷型InGaAs單元探測器。
2. —種基于權利要求1所述的監(jiān)測系統(tǒng)的天然氣管道泄漏監(jiān)測方法，其特征在于它包括如下步驟A. 激光器(1)輸出連續(xù)光，通過正弦調制激光器的驅動電流使得激光波 長在平均波長附近連續(xù)變化，激光輸出的平均波長和甲垸氣體在近紅外波段的 某條吸收線重合；激光束經過準直以后從直升機平臺照射到地面；B. 激光回波被光學接收器(3)接收，會聚到光探測器(4)上轉化為電信 號。如果在激光腳印附近存在天然氣管道的泄漏點，則泄漏點附近會形成高濃 度甲烷氣體云團，激光束在從機載平臺到地面之間往返傳輸時會穿越甲烷氣體 云團，由于激光波長是在甲烷氣體吸收線附近變化，所以激光能量由于被甲垸 氣體吸收而衰減；C. 光探測器(4)輸出的光電信號被電子學信號采集系統(tǒng)(5)采集轉化為 數字信號輸送給計算機信號處理系統(tǒng)(6)，處理系統(tǒng)從激光回波的原始數據中 提取出一次諧波和二次諧波信息，其中只有二次諧波信號的強度是和甲烷氣體 濃度成正比的的，而二次諧波和一次諧波信號的比值用以消除路徑背景的影響， 進而得到甲垸氣體濃度信息。
全文摘要
機載天然氣管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)及監(jiān)測方法。本發(fā)明公開了一種適于直升機平臺的甲烷氣體監(jiān)測方法，它用于漫長天然氣管道泄漏的快速、低成本監(jiān)測。本發(fā)明的機載甲烷氣體監(jiān)測系統(tǒng)包括激光器、光束準直器、光學接收器、光探測器、電子學信號采集系統(tǒng)、計算機信號處理系統(tǒng)。本發(fā)明的甲烷氣體監(jiān)測方法基于波長調制吸收光譜原理，特征在于激光波長在甲烷氣體吸收線附近被正弦調制，激光束在往返傳輸過程中如果遇到甲烷氣體云團的吸收，激光回波信號的二次諧波分量相比于背景氣體吸收會顯著增大，從而表征著天然氣管道泄漏點存在。
文檔編號F17D5/00GK101619807SQ20091005533
公開日2010年1月6日 申請日期2009年7月24日 優(yōu)先權日2009年7月24日
發(fā)明者亓洪興, 李正文, 俊 楊, 楊一德, 潘明忠, 嶸 舒 申請人:中國科學院上海技術物理研究所