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 【技术领域】
本发明涉及遥感探测领域，尤其是一种用于移动方式下天然气管道泄漏激光遥感探测的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。
背景技术
20世纪90年代以来，我国天然气管道得到快速发展，天然气消费领域逐步扩大，城市燃气、发电、工业燃料、化工用气大幅度增长。输气管线的里程有了很大的增长，天然气输气管网和其零部件法兰、阀门、泵及其密封圈上的小孔所引起的泄漏是不可避免的，这种泄漏源有着成千上万，泄漏的气体不仅直接造成了经济损失，而且也是易燃易爆和污染之源。快速探测管线泄漏对减少经济损失和事故的发生尤其重要，为此研究人员一直在努力实现高灵敏度快速探测技术和装置。天然气的主要成分是甲烷，目前的遥感探测方法主要有差分激光雷达，该项技术主要采用二台激光器，一台激光器的发射波长位于甲烷分子的吸收峰，另外一台激光器工作波长位于甲烷分子的线翼上。目前可用于甲烷分子差分激光雷达探测的激光器主要是光学参量振荡器(OPO)，其价格极其昂贵。
【发明内容】
本发明的目的是提供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，以解决现有技术中的不足之处，提供一种实用、响应速度快、使用方便和维护成本低的移动式天然气管道泄漏激光遥感探测系统及信息化管理技术。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
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，包括有信号探测系统及计算机，其特征在于：所述信号探测系统包括甲烷气体探测仪、GPS全球定位系统及CCD相机，所述GPS全球定位系统及CCD相机与所述计算机进行信号通讯，所述CCD相机镜头对准待测管道目标；
所述甲烷气体探测仪包括微处理器、卡塞格林望远镜、激光器，所述微处理器与所述计算机进行信号通讯，微处理器上分别电连接有数模转换器和模数转换器，所述模数转换器上电连接有三个相同的锁相放大器；所述卡塞格林望远镜的镜筒上设置有光束整形模块，所述卡塞格林望远镜主镜上开有孔，孔中设置有滤光片，所述滤光片背面设置有第二光电探测器；所述激光器的激光调制端上电连接有激光电流温度控制器，激光器的出光口依次设置有激光分束器、参考吸收池、第一光电探测器，所述参考吸收池内充入甲烷气体；所述第一光电探测器与第一锁相放大器电连接，所述第二光电探测器分别与第二、第三锁相放大器电连接，所述光束整形模块的入光口处连接有光纤以接收所述激光分束器的部分分束光；
所述微处理器通过数模转换器产生直流分量DC和正弦波信号，并传输至激光电流温度控制器，所述激光电流温度控制器控制激光器的发射光波长并调制激光，所述激光器的出射光被所述激光分束器按一定光强比例分成两束光，一束光经过参考吸收池后被第一光电探测器接收，第一光电探测器将信号传输至第一锁相放大器解调后通过模数转换器传输至微处理器，另一束光通过光纤传输至所述光束整形模块，经过光束整形模块整形后，与卡塞格林望远镜同光轴发射至待测管道目标，待测管道目标的反射光被所述卡塞格林望远镜接收，并被卡塞格林望远镜内部的第二光电探测器转换为电信号后，通过第二锁相放大器和第三锁相放大器解调后传输至所述模数转换器，由模数转换器将信号转化为数字信号后传输至微处理器，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，所述比值对应于用标准气体测量得到的系统标定曲线上所对应的某一气体浓度，计算机实时采集由微处理器送出的浓度信号，如果测得的气体浓度大于设定的报警阈值，计算机将启动CCD相机开始采集泄漏场景的图像，并记录GPS全球定位系统的位置信息，同时计算机将泄漏场景信息、GPS信息和泄漏的浓度信息发送到信息管理中心或后续的维修小组。
所述的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，其特征在于：所述数模转换器上分别电连接有正弦波模块及反馈控制直流电平模块，所述正弦波模块及反馈控制直流电平模块的输出端分别与同一个加法器的两个输入端电连接，所述加法器的输出端与所述激光电流温度控制器的输入端电连接；所述微处理器通过数模转换器上的正弦波模块及反馈控制直流电平模块产生直流分量DC和正弦波信号，并通过加法器传输至所述激光电流温度控制器。
所述的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，其特征在于：所述激光分束器按99∶1的光强比例将激光器的出射光分成两束，1％的激光器出射光通过参考吸收池，99％的激光器出射光通过光纤传输至所述光束整形模块。
所述的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，其特征在于：所述卡塞格林望远镜的镜筒上还设置有两个反射镜，其中一个反射镜位于所述光束整形模块的出光口，所述光束整形模块的出射光依次被两个反射镜反射后与卡塞格林望远镜同光轴发射至待测管道目标。
所述的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，其特征在于：所述甲烷气体探测仪各部件集成为一体。
所述的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，其特征在于：所述激光器为二极管激光器。
本发明系统包括信号探测系统和计算机，信号探测系统包括甲烷气体探测仪、GPS全球定位系统、CCD相仪。
甲烷气体探测仪主要由光束整形模块、卡塞格林望远镜、第一光电探测器、三个锁相放大器、二极管激光器、激光电流温度控制器、正弦波模块、反馈控制直流电平模块、加法器、激光分束器、参考吸收池、第二光电探测器数模转换器、模数转换器、数模转换器及微处理器等组成。
微处理器通过数模转换器来产生直流分量DC和正弦波信号，经加法器后注入到激光电流温度控制器，直流分量DC确保激光器发射波长工作在待测气体吸收峰位置，正弦波信号用于调制激光。激光输出通过一个激光分束器分成99∶1，1％部分的光通过参考吸收池，参考吸收池内充入甲烷气体，透过光经第一光电探测器探测送到第一锁相放大器进行三次谐波信号解调，解调后的信号经模数转换器送到微处理器来产生一个误差信号，误差信号通过数模转换器改变反馈控制直流电平模块的电压值，进而实现激光频率锁定。强度为99％的光连接到光束整形模块，整形后的光束发散角约为0.3mrad。光束经两个反射镜反射后与卡塞格林望远镜同光轴发射出去。发射出去的激光通过疑似泄漏气团到达其后侧的地形上，如水泥、泥土、草地等，经地表散射物散射返回到卡塞格林望远镜收集，收集后的光经第二光电探测器探测送到第二锁相放大器和第三锁相放大器进行二次和一次谐波信号解调，解调后地信号经模数转换器送到微处理器进行分析处理。微处理器将采集到的二次谐波信号和一次谐波信号相除得到一个正比于甲烷气体浓度的值，该比值对应于用标准气体测量得到的系统标定曲线上所对应的某一气体浓度。
计算机实时采集由微处理器送出的浓度信号，如果测得的气体浓度大于设定的报警阈值，计算机将启动CCD开始采集泄漏场景的图像，同时记录GPS位置信息，同时计算机将泄漏场景信息、GPS信息和泄漏的浓度信息发送到信息管理中心或后续的维修小组。
本发明结构简单，易于实用，并且整个系统的响应速度较快，使用时可将整个系统携带在车辆、飞机等运动载体上，因此使用较为方便，并且系统的维护成本很低。
【附图说明】
图1为本发明系统结构示意图。
【具体实施方式】
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，包括有信号探测系统及计算机218，信号探测系统包括甲烷气体探测仪、GPS全球定位系统220及CCD相机221，GPS全球定位系统220及CCD相机221与计算机218进行信号通讯，CCD相机221镜头对准待测管道目标113；
甲烷气体探测仪包括微处理器217、卡塞格林望远镜120、激光器226，微处理器217与计算机218进行信号通讯，微处理器217上分别电连接有数模转换器219和模数转换器216，模数转换器216上电连接有三个相同的锁相放大器；卡塞格林望远镜120的镜筒上设置有光束整形模块110，卡塞格林望远镜120主镜121上开有孔，孔中设置有滤光片122，滤光片122背面设置有第二光电探测器124；激光器226电连接有激光电流温度控制器225，激光器226的出光口依次设置有激光分束器210、参考吸收池211、第一光电探测器212，参考吸收池211内充入甲烷气体；第一光电探测器212与第一锁相放大器213电连接，第二光电探测器124分别与第二、第三锁相放大器214、215电连接，光束整形模块110的入光口处连接有光纤以接收所述激光分束器210的部分分束光；
微处理器217通过数模转换器219产生直流分量DC和正弦波信号，并传输至激光电流温度控制器225，激光电流温度控制器225控制激光器226的发射光波长并调制激光，激光器226的出射光被激光分束器210按一定光强比例分成两束光，一束光经过参考吸收池211后被第一光电探测器212接收，第一光电探测器212将信号传输至第一锁相放大器213解调后通过模数转换器216传输至微处理器217，另一束光通过光纤传输至光束整形模块110，经过光束整形模块110整形后，与卡塞格林望远镜120同光轴发射至待测管道目标113，待测管道目标113的反射光被卡塞格林望远镜120接收，并被卡塞格林望远镜120内部的第二光电探测器124转换为电信号后，通过第二锁相放大器214和第三锁相放大器215解调后传输至模数转换器216，由模数转换器216将信号转化为数字信号后传输至微处理器217，微处理器217将采集到的第二、第三锁相放大器214、215的输出信号相除得到一个正比于甲烷气体浓度的比值，比值对应于用标准气体测量得到的系统标定曲线上所对应的某一气体浓度，计算机218实时采集由微处理器217送出的浓度信号，如果测得的气体浓度大于设定的报警阈值，计算机218将启动CCD相机221开始采集泄漏场景的图像，并记录GPS全球定位系统220的位置信息，同时计算机218将泄漏场景信息、GPS信息和泄漏的浓度信息发送到信息管理中心或后续的维修小组。
数模转换器219上分别电连接有正弦波模块223及反馈控制直流电平模块222，正弦波模块223及反馈控制直流电平模块222的输出端分别与同一个加法器224的两个输入端电连接，加法器224的输出端与激光电流温度控制器225的输入端电连接；微处理器217通过数模转换器219上的正弦波模块223及反馈控制直流电平模块222产生直流分量DC和正弦波信号，并通过加法器224传输至激光电流温度控制器225。
激光分束器210按99∶1的光强比例将激光器226的出射光分成两束，1％的激光器226出射光通过参考吸收池211，99％的激光器226出射光通过光纤传输至所述光束整形模块110。
卡塞格林望远镜120的镜筒上还设置有两个反射镜111、112，其中一个反射镜111位于光束整形模块110的出光口，光束整形模块110的出射光依次被两个反射镜111、112反射后与卡塞格林望远镜120同光轴发射至待测管道目标113。
甲烷气体探测仪各部件集成为一体。
激光器226为二极管激光器。