远距离定量探测天然气或油管流体泄漏的系统和方法

专利名称：远距离定量探测天然气或油管流体泄漏的系统和方法
技术领域：
总的来说，本发明涉及光谱分析领域。具体而言，本发明涉及利用激光微分吸收对天然气和油管散发的示踪流体的光谱分析。
背景技术：
在本领域中地面地形的监视是众所周知的。在地面监视中，特别需要探测像道路、管线、电网这种人造物体或者实用目的的其它人造结构中是否存在材料破坏。探测到结构破坏的时候，相应的管理机构做出决定是否需要采取补救措施。常常是陆上工作人员通过视觉检查地面地形，通过乘坐车辆或者步行穿过一个区域，来确定是否有材料破坏问题。飞机或者卫星常常有图像捕获设备，比如电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体器件(CMOS)，或者辐射探测器，比如红外敏感探测器。众所周知也可以将机载摄影系统用于捕获地面相邻区域的图像。
当电磁辐射与物质相互作用的时候，会出现几种现象，包括电磁辐射的散射、吸收、透射和反射。频谱或光谱分析包括作为波长、频率或时间的函数，按顺序仔细地检查、分析和表示涉及电磁辐射和物质的相互作用。在光谱分析期间，不同的材料呈现不同的散射、吸收、反射和透射特性。这些独特的特性是由材料的化学和物理结构决定的。利用已知的测试对象，测定一组这些独特特性达到给定的肯定性程度的时候，就可以将这些光谱结果叫做基准光谱特征或者基准光谱。
从特性上讲，天然气包含甲烷、乙烷和少量其它气体的混合物。有机物质分解产生的气体，以后叫做沼气，只包含甲烷。特别需要能够区分作为管线或者容器中的破坏的结果释放的气体与散发的沼气，从而避免虚警的任何天然气探测方法。
油管包含具有足够浓度的挥发性溶解气体化合物，包括甲烷、乙烷和丙烷。油管在压力下工作，泄漏和伴随的压力下降导致挥发性的化合物逸出，从而提供了一种泄漏探测手段。可以用各种手段将电磁辐射导向测试对象。通常采用激光，但是也可以采用其它手段，例如无线电和微波电磁能量天线的使用。下文中，将电磁辐射导向测试对象的时候，其就叫做照明体。
探测气管和油管破坏的时候有一个特殊难题，因为气管或油管典型的是埋在地下的。在这种情况下，很难对管线中的任何破坏进行直接视觉评估。当管线内容物的泄漏证明破坏确实发生的时候，泄漏的材料产生特征痕迹或者信号。典型情况下，目前管线破坏是通过人员定期、高成本地沿着管线步行，利用某些手段来探测从管线散发的痕迹来确定的。气体会逸出管线，穿过地下土壤到达地表，然后散发到大气中。因此，可以监视大气来发现逸出管线的气体。大气中探测到的气体与管线泄漏之间的联系可以是直接或间接的。直接联系的一个实例是从地表油管或气管到大气中的特殊碳氢化合物气体的释放。天然气包括两种主要成分，甲烷和乙烷，按相当固定的比例混合。对这两种成分的测量以及正确浓度比的确认直接表明管线泄漏的存在。在这种情况下，联系是直接的，因为气体成分本身泄漏到大气中，虽然有可能成分发生了变化。类似地，输送气体的管线的内容物的其它挥发性成分也是能够探测的，并且将表明存在泄漏。甲烷从煤的热或者生物分解产生。探测到的气体(甲烷)与自然资源(煤)的不同，“间接”这个术语就是用来描述这种联系的。“间接联系”这个术语并没有该联系的科学基础非常微弱的意思。在科学文献中很好地描述了将煤转换成甲烷的过程。
对于油管或者石油管线，特定挥发性成分的释放表明液体泄漏的存在，因此构成管线破坏的间接证据。激光吸收光谱法(LAS)是一种在其它技术无能为力的多种情形下量化分子浓度的灵敏手段，特别是在遥感应用中。LAS的主要优点是测量是在“现场”完成的，这样就能够在多种环境下以良好的空间分辨率快速测量。对于吸收实验，透射光强I(v，x)与初始光强I0(v，x＝0)之比按照Beer定律与吸收浓度n相关I(v，x)/I0(v，x＝0)＝e-nxσ(v)将频率v处的分子截面表示为σ(v)，将激光传播的路程长度表示为x。对于I(v，x)/I0(v，x＝0)测量的任何给定的信噪比(SNR)，可以通过增加路径长度来提高测量灵敏度。有多个现有技术专利利用激光装置来探测大气中的示踪气体。这些基于激光的系统中的一些在微波或者紫外波长区域工作。这些基于激光的系统不象本学科发明一样在中红外波长范围工作。之所以讨论下面的一些专利是因为其中描述的基于激光的系统在探测碳氢化合物气体时也工作在中红外波长区域。
在Murray等公开的4,450,356号美国专利中，将频率混合二氧化碳(CO2)激光光束用于大气中气体的远距离探测。这种激光光束系统采用晶体频率倍频和和频产生接近三微米的波长。公开了选择许多波长的装置，但是仅仅公开了将两种中红外波长输送到地形目标。CO2激光器是连续不可调的，并且在与可接受的甲烷和乙烷谱线一致的波长上缺少强谱线。在Grant等的4,489,239号美国专利里，描述了用于探测甲烷气体管线泄漏的一种25米近距离便携式激光遥感器。该系统需要使用两个独立的氦氖(He-Ne)激光器。这两个激光器在两个不同的开、关甲烷特征波长上工作，其中每一个波长都是固定的。氦氖激光器通常是不可调谐的，也没有固体激光器效率高和可靠。类似地，在美国专利出版物公开2003/0030001A1中，Cooper等公开了采用可调谐二极管激光器来探测大气中的气体。该系统不允许实时补偿背景目标反射率的变化，也不能几乎同时测量多种气体，而这是对探测管线泄漏的扫描和遥感系统至关重要的要求。在美国专利4,871,916中，Scott描述了一种激光系统，这种激光系统采用钕激光器来遥感大气中的甲烷，以探测矿井内接近危险或者爆炸程度的状况。在该系统中，波长区域接近1.318微米。该系统只公开了甲烷的探测，不允许实时补偿背景目标反射率的变化。在转让给Geiger的美国专利5,157,257和5,250,810中描述了一种中红外DIAL系统。这种特定系统采用由波长为2.2～2.4或者3.1～3.5微米的六个不同的脉冲激光器形成的六个不同的相干光束来探测轻质碳氢化合物。这六个相干光束是完全时间复用的，并且通过选择性偏振合并成单独一个光束。为偏振使用了石英晶体。石英晶体很容易被高能激光脉冲损坏，并且该系统的复杂性不适合于野外使用，特别是在机载遥感应用中。还有，激光谱线宽度太宽，不能分辨许多关键气体的吸收带。在转让给Wamsley等的6,509,566B1号美国专利中，也描述了用于油气勘探的一种中红外DIAL系统。公开的这种系统包括单一的Cr:LiSAF激光器，它具有一个氢拉曼单元，用来产生适合于碳氢化合物探测的范围内的波长。这种激光器是水冷的，在单一波长上连续可调。该系统不能方便地允许实时补偿背景目标反射率的变化，也不允许同时探测其它气体。此外，这个单一的激光频率要参照一个外部频率计，因此，会发生漂移，这种漂移会给系统中的电子组件带来不利影响。
本发明要解决的问题通常用管线来输送石油或者油、天然气、精炼石油或者气体产品、化学品、矿砂浆和其它流体或流态化物质或混合物。上述基于激光的系统几乎不能同时地探测多种气体，例如在天然气管线中的甲烷和乙烷。它们也不补偿背景或目标反射率的变化。另外，不能将不能连续调谐的激光器特别定制成探测各种气体。虚警一直困扰着上述现有技术的系统，并且它们探测多种气体的灵敏度是有疑问的。大气中出现的其它示踪气体也会干扰利用这些现有技术的基于激光的系统来探测天然气。

发明内容
本发明的目的是通过提供一种系统，用于利用机载平台远距离定量探测从天然气或油管的流体泄漏，来解决上述问题中的一个或多个，该机载平台包括用于接近同步地照射两个或多个目标流体的同一个目标区域和背景的至少一个激光光源，其中两个或多个目标流体的特征在于两个或多个吸收波长，其中的背景是在不同于所述两种或多种目标流体中任意一个的波长上探测到的。
另外，本发明还包括用于基于定位系统定向照射源的装置；利用所述照射源在沿着一条路径的一个几何区域内扫描所述两种或多种目标流体的装置；用于信号检测从而完成两种或多种目标流体的探测结果的定量检测的装置；以及控制系统操作的装置。用于远距离定量探测所述两种或多种目标流体泄漏的信号处理装置；以及为了给飞机平台定位进行路径规划和路径寻找的装置；以及将探测到从天然气或油管的泄漏的存在情况传送出去的装置都集成在本发明中。本发明的有益效果本发明具有如下优点它利用开发成熟的一微米二极管泵浦固体激光器、光参量振荡器和光参量放大器；它具有合理的波长转换效率；当表面覆盖类型(背景)改变的时候它能够测量多种目标浓度；它是可以连续调谐的。


参考附图，图1中的组件用大于100小于200的数字标记，图2中的组件用大于200小于300的数字标记，如此类推。
图1是本发明中快速移动机载平台上的3谱线可调谐DIAL激光器流体管线泄漏探测系统的示例性原理图；图2是现有技术DIAL气体探测系统的框图；图3是本发明中3谱线可调谐DIAL激光器流体管线泄漏探测系统的框图；图4是本发明中3谱线可调谐DIAL激光器流体管线泄漏探测系统的示例性的高级框图；图5是本发明中3谱线可调谐DIAL激光器流体管线泄漏探测系统的中级框图；图6是本发明中3谱线可调谐DIAL激光器流体管线泄漏探测系统的中级框图，给出了每个主要分系统的组件清单；
图7是用于产生选定波长的1微米光参量振荡器和放大器的框图；图8是用于产生所选3谱线波长之一的1微米光参量振荡器和放大器的框图；图9是本发明中飞行路径寻找系统的框图；图10是本发明中激光定向系统的框图；图11是所述3谱线可调谐DIAL激光器流体管线泄漏探测系统的框图。
为了方便理解，可能的情况下，采用了相同的标号来表示对于这些附图相同的元件。
具体实施例方式
这里描述的本发明针对的是与管线的油气泄漏有关的气体的测量。本发明涉及探测大气中气体的油气管线泄漏探测系统和方法，更具体地说，但不是要进行限制，涉及基于在中红外2～5微米频谱范围内工作的差分吸收激光雷达(DIAL)进行管线泄漏探测。一般而言，可以探测或者勘查以下流体气体、挥发性油、轻质原油、重质原油和危险物(hazardous)。绘制一个区域的气体浓度，并分析该图发现浓度异常。了解该气体异常以评估地下管线泄漏。
在本发明的讨论中，将“目标流体”这个术语用来表示或直接或间接地与管线泄漏相关联的流体。目标流体既可以是液体，也可以是气体。如上所述，测量得到的目标流体的大气浓度形成这种新的基础设施评估工具的基础。目标流体必须具有与管线泄漏相关联的某些独一无二的特性。例如，甲烷是以多种方式产生的。它可以作为碳氢化合物沉积物的散发物、煤沉积物散发物、具有产生甲烷的大量活跃细菌的湿地散发物、发生泄漏的天然气管线的散发物等等而出现在大气中。把管线泄漏以外的甲烷源叫做环境干扰。环境干扰使得目标流体与管线泄漏之间的联系复杂化，并且环境干扰的强度和类型随着标准的地理因素变化而变化，例如土壤类型、水文、地下结构和成分以及大气状况、天气和土地使用情况。像甲烷/乙烷这种独一无二的气体混合物对于天然气管线是有用的目标流体。与管线泄漏具有独一无二联系的个别气体或气体组合能够提供表明泄漏存在最有价值的信号。
本发明讲授沿着透过大气的路径采样的差分吸收激光雷达(DIAL)的使用。已经开发了探测大气中大多数示踪气体的多种仪器。可以大致地将这些仪器分类为在一个空间特定点采样气体的技术和诸如提供大范围气体浓度测量的众多基于人造卫星或基于天线的系统的遥感系统。有许多种气体源，由于它们独特的空间和时间特性，不能用这些技术来准确地定性。监视来自这种源的散发物需要能够远距离、迅速地在长路径上测量微小浓度的系统。典型的长路径差分吸收激光雷达(DIAL)满足这些要求。
一方面，本发明利用基于机载平台的3谱线可调谐差分吸收激光雷达(DIAL)激光器光传感器用于远距离定量探测从天然气管线或油管的泄漏。另一方面，本发明选择最佳表示流体管线泄漏特性的示踪气体。对于本发明，评估从油气管线泄漏到大气的气体，选择甲烷和乙烷用于可靠地探测这两种类型的泄漏。再一方面，本发明最优选择电磁频谱的中红外区域内，甲烷和乙烷的光吸收特性的分子跃迁。分析甲烷和乙烷吸收特性，分别选择甲烷、乙烷和地表类型(背景)的两个开波长(on-wavelength)(也叫做开谱线(on-line))和一个关波长(off-wavelength)(也叫做关谱线(off-line))用于泄漏探测。将开谱线波长选择为靠近其它气体干扰最小位置处的目标气体光吸收尖峰。将关谱线选择为靠近其它气体干扰最小，地表反射率最高的目标气体光吸收的边锋。在本发明中，对于乙烷、甲烷和背景，将开谱线和关谱线波长分别选择为3369.8、3389和3429纳米。要注意，在现有技术中还没有使用过这些特定波长，并且如前所述，开谱线波长选择的标准是期望吸收只是以甲烷和乙烷为主，对于关谱线波长，期望吸收不是以甲烷、乙烷或者大气粒子为主。
另一方面，本发明采用稳定的连续可调谐激光器。因此，为甲烷和乙烷示踪气体和背景分别设计和使用了三个ND:YLF连续可调谐激光器。本发明还测量目标气体的浓度路径长度(path-length)。因此，根据本发明，这种3谱线可调谐DIAL激光系统针对每个扫描点测量两种选定目标气体的浓度路径长度。本发明对飞行路径上两种目标气体的多浓度路径长度测量结果进行统计分析。最后，本发明显示、储存以及传送与管线泄漏相关联的烟流的位置、大小和形状。
如图1示意性所示，本发明包括飞机110，机上3谱线可调谐差分吸收激光雷达(DIAL)激光器流体管线泄漏探测系统120，发射激光束130，示踪气体150，掩埋的管线160，泄漏区170，地表类型180，具有管线、泄漏区和示踪气体的地面3维剖面190，飞机飞行高度140(～500米)，以及无障碍管线通道区105。基于最佳的事先确定出来的飞行路径，飞机110飞向掩埋的管线160，以便探测泄漏区170，包括天然气或油管泄漏。在飞行过程中，机上GPS和惯性测量单元(IMU)定位系统(这里没有示出)，将飞行员引向散发示踪气体150的目标位置。当飞机到达目标位置的时候，激光束130自动地指向目标，扫描系统扫描中心目标区周围。然后分析返回光，得出以浓度路径长度为单位的甲烷和乙烷烟流的二维气体图或图像。
在DIAL测量系统中，基本上发射两个单波长激光脉冲。选择感兴趣的气体吸收的一个特定波长的激光脉冲，不同波长的另一个激光脉冲则不被吸收。测量出反射回传感器的两个波长的能量，并且将它们合并起来产生目标气体的浓度路径估计。该部分更加详细地描述该过程。
用以下关系式描述反射回传感器的能量 其中ET是发射能量，ρπ是表面反射比，CLP是烟流的浓度长度乘积，Cbg是气体的背景浓度，R是到表面的射程，σ(λ)是作为波长的函数的气体的吸收截面积。在该工作中，假设ET在脉冲到脉冲之间为常数(既然能够测量出任何变化并找出原因)，ρπ为0.005，对于所考虑的小范围波长，它不依赖于波长，R通常为500米，截面积σ(λ)不因为路径上压力和温度变化明显改变。该最后的假设对于高度变化达到许多公里的路径不成立，但是对于500米的飞机高度是合理的。还有，我们注意到当系统工作在地面远高于海平面的区域的时候可能需要重新测量σ(λ)。
公式(1)中依赖于波长的那一项是截面积σ(λ)。通过在两个波长上进行测量并且将结果相除，可以消掉这些项中不变化的许多项。令E1表示在一个波长上的能量测量结果，E2表示第二个波长上的测量结果。于是 将上式取自然对数，12log(E1E2)=(CLp+CbgR)(σ(λ2)-σ(λ1))---(3)]]>可以离线或者实时测量截面积(利用飞机上的气体单元)。在这两种情况下，每一波长的截面积都是已知值。因此，12(σ(λ2)-σ(λ1))log(E1E2)=(CLp+CbgR)---(4)]]>公式4是该工作中模型化的测量过程。但是，既然也可以由该系统测量R，并且估计或测量Cbg，那么还有另外的处理可能性。于是可以产生CLP的估计。在这个最终系统中，有可能CLP的估计自己就是这个乘积的一个重要部分，但是公式4的分析足以表征烟流探测性能。
在公式(4)中，没有考虑大气浓度长度(Ck)差别的影响。但是公式(5)包括了大气浓度长度差别的影响，其中Ck可以估计或测量出来。
12(σ(λ2)-σ(λ1))log[(E1E2)-2Ck]=(CLp+CbgR)---(5)]]>为了理解本发明，在图2中示出了一种现有技术DIAL系统的系统框图。由谱线锁定放大器210和230用电子控制信号275将单个开谱线激光器220和一个关谱线激光器240锁定到两个不同的波长上，将开谱线波长选择为接近目标气体的光吸收的尖峰，将关谱线波长选择为接近目标气体的光吸收波长的边锋。开谱线和关谱线激光束220和240由全息光栅250合并，并且由快扫描反射镜260通过望远镜270发射，由慢扫描反射镜280导向和导引。最后，对于感兴趣的区域，由激光束290顺序地扫描接近地面的大气中的示踪气体。于是，激光束290被示踪气体295散射和透射，由背景282反射，然后散射和透射回到示踪气体295中。下一步，返回光285由慢扫描反射镜280反射进望远镜270，由光束分离器232分开，从发射激光束205到达另一组光束分离器215，然后通过一组滤光片225，只让开谱线和关谱线波长通过，然后到达一组检波器235，最佳地将返回光转换成电信号。然后用放大器245电放大该信号，用一组A/D转换器255将其转换成数字信号。由计算机265处理和分析这个数字化的信号，从而计算开谱线和关谱线返回信号之间的比值，这个比值与目标气体浓度路径长度直接成正比。
在现有技术中，仅选择和测量一种示踪目标气体的特征特性。相反，在本发明中，使用一种以上的示踪目标气体的特征特性从而提高了这种油气管线泄漏探测系统的可靠性、灵敏度和性能。在图3中示出本发明的3谱线可调谐DIAL激光器光传感器系统的一个简化系统框图。用于甲烷的一个开谱线激光器320，用于乙烷的一个开谱线激光器395，以及一个关谱线激光器385，分别由谱线锁定放大器310、365和375用电子控制信号355锁定到三个不同的波长上；将这些开谱线波长选择为接近目标气体的光吸收特性的尖峰，将关谱线波长选择为接近目标气体的光吸收波长的边锋。这两个开谱线和一个关谱线激光束320、395和385由全息光栅340合并起来形成合并激光束330。合并激光束330由快扫描反射镜350通过望远镜302发射出去，由慢扫描反射镜304导向和导引，形成激光束360。对于感兴趣的区域，由激光束360顺序扫描接近地面的大气中的示踪气体。激光束360由示踪气体308散射和透射，由背景309反射，再次由示踪气体308散射和透射，成为返回光306。返回光306由慢扫描反射镜304从发射激光束360反射进望远镜302，并且由光束分离器331分开形成返回光370。在碰到一组滤光片390之前，返回光370通过一组光束分离器380。在一组检波器305将返回光最佳地转换成电信号之前，滤光片390只让两个开谱线和一个关谱线波长通过。由放大器315电放大该电子信号，用一组模数转换器325将其转换成数字信号。由计算机335处理和分析数字化的信号，计算出两个开谱线和关谱线返回信号之间的比值，这个比值直接正比于目标气体浓度路径长度。
选定目标气体例如甲烷的多种来源以及地表反射率类型的变化增大了虚警概率。因此，本发明采用的3谱线可调谐激光器DIAL系统使得来源于检测多种来源目标气体和可变地表反射率的虚警最小。
在图4中示出该系统的示例性框图。首先对用户获得的管线位置数据进行处理、滤波、归一化，并且储存在管线位置数据库410里。将用户获得的管线位置数据归一化涵盖了将标准文件格式应用于这些用户获得的管线位置数据。将感兴趣的区域的归一化位置数据下载到计算机控制、采集和分析系统450。与该计算机控制、采集和分析系统450通信的飞行路径寻找和激光定向系统430导引飞机沿着预定飞行路径飞行，并且将激光光束指向预定点。作为飞行路径寻找和激光定向系统430的一部分，机上飞机位置和运动测量仪器采取校正行动来导引飞机，并使激光指向飞行路径上的其它点。也与该计算机控制、采集和分析系统450通信的传感器系统440向泄漏示踪流体420发射激光光束，并且从泄漏示踪流体420接收返回的光。该计算机控制、采集和分析系统450发送控制信号给传感器系统440，并且从该传感器系统440接收信号，以监视、储存和分析泄漏浓度。
在图5中示出本发明更详细的框图以及它的主要分系统500。主要分系统500包括接口系统510，接口系统510具有图形用户界面(GUI)软件，用于主要分系统500的启动、停止、设置、监视和控制操作。计算机系统520具有高端高性能处理器(例如因特尔奔腾(注册商标)芯片或者AMD AthlonTM(注册商标)，或者IBM PowerPC750CX)，以及各种硬件组件，例如信号处理器和模数(A/D)转换器，以及用于与主要分系统500的其它组件通信的一个或者多个接口。例如，有链路连接到扫描器550、控制系统530、信号采集和分析系统505以及具有全球定位系统(GPS)的飞行路径寻找和激光定向系统525。整个主要分系统具有可拆除的硬件驱动和各种监视器用于显示处理状况。
信号采集和分析系统505有一个用于信号处理的信号处理板以及用于测量、记录和显示测得的乙烷和甲烷浓度的采集和分析软件。
主要分系统500包括飞机系统535。飞机系统535可以是CessnaTM402B飞机或者能够携带3谱线可调谐DIAL激光器流体管线泄漏探测系统以及机上飞行路径寻找和激光器定向系统525、在大约500米高度以67米每秒的速度飞行的其它飞机。
具体而言，飞行路径寻找和激光定向系统525包括便携式的全球定位系统(GPS)和惯性测量单元(IMU)以及到计算机系统520的链路，以便根据飞机的当前位置，利用激光系统540通过控制系统530连续更新飞机位置和引导激光光束。
管线位置数据库515包括软件算法以便处理、过滤和归一化用户获得的管线位置数据集合以及机上GPS和IMU实时位置数据，以预测最佳飞行路径并且用预测的最佳路径图更新管线位置数据库。
控制系统530包括用于操作3谱线可调谐激光系统540的所有电子和温度控制电路。例如，每个激光二极管当前需要的精密控制反馈环，温度传感器，锁定每个Nd:YLF的激光腔调谐器；激光输出给其相应的种子激光源，产生定时脉冲的定时电路，该定时脉冲用于同步每个激光激发、同时用于同步激光系统540中Q开关(Q switching)以及同步信号采集和分析系统505。因此，激光系统540包括采用3谱线直接探测DIAL激光发射系统。
激光系统540工作在中波红外频谱区域，采用三个全固体Nd:YLF激光发射器。这些激光器将输出单一频率的光，以3050赫兹的脉冲重复速率工作。每个激光器将产生大约0.68瓦的输出功率。这些激光器是可调谐的，并锁定到预期的波长。这个激光系统540还在三个不同的波长处提供10纳秒单频短脉冲。
扫描系统550包括快扫描旋转楔和慢扫描俯仰和摆动补偿楔分系统。这个快扫描旋转楔负责将来自发射激光系统540的发射激光引向目标区域。来自目标区的后向散射光也被扫描系统550引进检测(接收机)系统590。扫描系统550还在发射机/接收机分系统的光中心线周围产生圆旋转(circular rotating)照明模式。扫描系统550的慢扫描分系统俯仰和摆动补偿器将圆照明路径的中心引向目标区。
望远镜系统560是一个也叫做接收机望远镜的光学系统。望远镜系统560的主要功能是采集来自目标的后向散射光，并且将它聚焦到检测系统590。望远镜系统560聚焦在目标区域，并且落入接收机望远镜主反射镜的那部分后向散射光被望远镜第二反射镜和准直透镜聚焦成准直光束。光带宽涵盖该三个波长的高透射界面滤光片用于阻挡来自反射的太阳辐射和热表面热发射的宽带背景光。
检测系统590包括探测和电子调整三个中红外波长的返回信号所需要的组件和分系统。检测系统590也可以叫做接收机系统。检测系统590采用信号功率的直接检测，并且由于地面(背景)反射率变化和来自吸收示踪气体的衰减，使用三个独立的检波器，其中每个检波器观看返回光束的不同百分比，以获得大动态范围。接下来将检测到的电子信号放大和数字化。
将主要分系统500设计成检测示踪流体570。对于气体和管线泄漏，示踪流体570是甲烷和乙烷。一个目的是选择与示踪流体570相联系的特性，当流体管线泄漏的时候，这种特性能够用于可靠和耐用地探测可能的管线泄漏。
示踪流体570的探测可能会受到背景580的影响。
背景580被定义为来自地表的反射。背景580可以是灌木、土壤、水、树、沙子等等。背景580将后向散射光反射到望远镜系统560。
将监视器545包括在主要分系统500中来显示允许监视和分析3谱线DIAL激光器流体管线探测系统的相关处理状况的各种图形用户界面(GUI)。计算机系统520发送控制信号给控制系统530，并从控制系统530接收信息监视信号信息。计算机系统520还访问前面最佳确定的飞行路径数据库接口510和机上GPS和IMU定位路径寻找以及激光定向分系统525在受到控制系统530的控制的时候将激光光束定向，并且确定依次要被传送给飞机系统535的下一个目标位置。控制系统530发送电子锁定信号给激光系统540，还控制激光系统540中所有二极管激光器的温度。激光系统540以指定的波长产生三个几乎同时的脉冲激光光束(每部分不超过10纳秒)，用于发射到目标位置。发射的激光光束通过扫描系统530、大气、示踪流体570；最终照射到背景580。从背景580返回的信号再次通过示踪流体570和大气，回到望远镜系统560。返回光进入望远镜系统560的口径，并聚焦在检测系统590的检波器上。最佳由检测系统590将检测到的模拟信号数字化用于最优的动态范围，由信号采集和分析系统505分析该数字化的信号，以估计示踪流体的目标浓度路径长度。计算机系统520中的软件算法对估计出来的浓度路径长度进行统计分析。最后将分析得到的信号储存在计算机系统硬盘里，监视器540显示二维或三维气体图。
如图5所示，用于产生本发明的源#1激光的每个主要分系统的组件在图6中被进一步描述。这里描述的组件不管是单个的还是成组的都不是排它性的。可以用等效的组件替换。
参考图6，激光系统640可以包括发射机、泵浦激光器、光参量振荡器(OPO)、光参量放大器(OPA)、注入播种(injection-seeding)、计算机化的激光源控制器和谱线锁定机构。扫描系统650的组件可以包括反射镜、快扫描楔、慢扫描俯仰/摆动补偿楔和窗口支撑/外壳。
探测系统640可以包括光学滤光片、光匹配、检波器、放大器和模数转换器。而飞行路径寻找和激光定向系统630可以包括导航组件，例如全球定位系统(GPS)、惯性测量系统(IMU)以及高带宽飞机位置和高度更新设备。
信号控制、采集和分析系统620可以包括允许信号控制、信号采集、信号分析、辅助数据采集、扫描仪命令、导航数据采集和数据记录的组件。用户接口系统610可以具有供用户对接、飞行员对接的组件和并入目标管线图的飞行计划。监视器670显示GUI、处理状况和浓度泄漏率。电源控制器680给所有分系统提供电力。
信号控制、采集和分析系统620(包括如图5所示的520、530和505)发送控制电子锁定信号给激光系统640，并且从激光系统640接收监视信号信息。信号控制、采集和分析系统620还从飞行路径数据库界面610访问以前确定的最优飞行路径数据；并且控制机上GPS和IMU位置路径寻找和激光定向分系统630，以便通过扫描系统650将激光束定向。另外，信号控制、采集和分析系统620确定下一个目标位置，并且将目标信息传递给飞机系统535(图5中所示)。信号控制、采集和分析系统620还控制激光系统中所有二极管激光器的温度。激光系统640产生特定波长上三个几乎同时的脉冲激光束(例如每部分10纳秒以内)，并且通过扫描系统650将这些脉冲激光束发射给目标位置。发射的激光束通过大气，经过示踪流体，并最终照到背景上。从背景返回的信号随其回到望远镜690再次经过示踪流体和大气。返回光进入望远镜690的口径，聚焦在检测系统660的检波器上。将检测到的模拟信号数字化用于检测系统660所用的最佳动态范围，由信号控制、采集和分析系统620分析得到的数字信号，以估计示踪流体的目标浓度路径长度。信号控制、采集和分析系统620中的软件算法以统计方式分析估计出来的浓度路径长度。最后，将分析过的信号储存在信号控制、采集和分析系统620的硬盘上，并且监视器670显示二维或三维气体图。
图7示出了激光源的发射机的简化框图，该发射机采用泵浦光参量振荡器(OPO)-光参量放大器(OPA)频率转换器的1微米Nd:YLF激光器。给这个OPO播种(seeded)以确保单频工作。如图7所示，产生#2激光源(705)和#3激光源(715)，并且用空间滤光片790合并为单个发射波束。
基于源效率η，其是该不包括种子激光功率和冷却功率的电光效率，考虑了不同的激光源选择方法。
短的脉冲宽度和脉冲的精确定时要求使用有源Q开关激光器。Q开关适合于短脉冲，有源控制适合于精确定时。激光源必须紧凑、有效，以便与可能有限的飞机空间和功率兼容。买不到满足这些要求的任何商业源。传统的激光技术一般都是用非线性光技术来改变短波红外(SWIR)或长波红外(LWIR)中开发成熟的激光器的波长，以获得中波红外(MWIR)波长，例如本发明中采用的波长。能够将频率偏移到MWIR的SWIR和LWIR激光器的实例分别是钕(Nd)固体激光器和二氧化碳(CO2)气体激光器。
参考图7，将1微米DPSSL/OPO-OPA激光源单个可调谐频率技术用于产生所选波长。OPO-OPA 750由工作在1047纳米的Q开关Nd:YLF激光器720泵浦。Nd:YLF激光器由工作在805纳米的光纤耦合二极管激光器710泵浦，并且还用来自公用种子源的CW(连续波)、单频1047纳米光给它注入播种。OPO-OPA 750被工作在～1510的外部腔二极管激光器注入播种，以确保3400纳米的单频输出。图7所示的Nd:YLF种子激光器(seed laser)730、ECDL种子激光器740、1微米DPSSL 710、OPO-光参量放大器(OPA)750分系统的组合，通过利用OPO腔中的两个非线性过程提高波长转换效率。OPA用于将OPO晶体产生的一些不需要的功率转换成3400纳米输出。如图7所示，OPO过程转换Nd:YLF泵浦波长(1047纳米＞3400纳米+1510纳米)，并且OPA过程随后产生更多的3400纳米输出(1510纳米＞3400纳米+2720纳米)。这意味着单个泵浦光子能够产生两个3400纳米光子。作为大于100％光子转换效率的结果，产生了比入射泵浦光子更多的MWIR光子。因此，该两步转换导致了更高的整体光-光转换效率，～25％或更高。于是，采用这种特定方法的整个系统效率为～2。
在图8中更详细地示出了单个激光源的框图。通过光纤的805纳米泵浦二极管激光器850的输出经过对准，聚焦到Nd:YLF棒860上，为激光器提供增益。还有，这个Nd:YLF激光器860是Q开关的，由1047纳米流星(meteor)种子激光器805播种。通过薄膜偏振片将860的1047纳米输出注入OPO-OPA激光器腔870。还有，用1510纳米ECDL种子激光器815给这个OPO-OPA激光器腔870播种。这个OPO-OPA是一个包括2个PPLN(周期电极铌酸锂晶体)的4反射镜环腔。将第一个晶体选择为利用1047纳米泵浦产生3400纳米和1510纳米光，而将第二个晶体(应该是一个不同的#)选择为利用1510纳米泵浦产生3400纳米和2700纳米的光。腔870在1510纳米处谐振，并且通过输出耦合器在这个波长上进行注入播种。利用Pound-Drever-Hall(PDH)技术将射频调制施加在二极管激光器种子1510纳米上，将这个腔长度锁定在840的种子频率上。二极管分系统810和890分别控制泵浦二极管激光器850的温度和电流。分系统820通过操作860控制腔的Q开关和播种。流星控制器845控制种子激光器805的1047纳米波长。855分系统锁定种子激光器860的腔长度。种子激光器控制器865控制1510纳米种子激光器波长；并且种子激光器波长电子组件875将种子激光器锁定在期望的波长上。
在图9中示出飞行路径寻找和激光定向分系统的框图。如同早些时候提到的一样，本发明在沿着管线路径的一个预定通道内，测量所述流体管线泄漏浓度的示踪特征气体。为了完成该任务，激光定向分系统根据当前飞机的位置和地面上的期望的测量位置，主动连续地引导三个合并光束。快旋转圆扫描仪905和慢旋转定向扫描仪915按照当前飞机位置和期望的通道范围用恒定的圆模式引导这三个光束。产生理想的飞行计划路径用于沿着飞行计划的最佳地面范围。通过更新位置和高度模快930以100赫兹的速度查询GPS和/或IMU系统920以确定当前飞机位置和高度。在当前位置的基础之上，确定理想飞行计划上最近的点以及与它有关的地面位置。所述圆位置参照当前高度指向这个地面位置。当前位置信息被计算机采集和控制系统940用来与扫描仪控制器/驱动器990通信，以控制慢旋转定向扫描仪915指向目标区域，并且将信息显示在飞行员数据显示器950上。扫描仪控制器/驱动器980和扫描仪控制器/驱动器990中的一个或者两个控制将三个激光光束引向地面目标位置的驱动器。扫描仪控制器/驱动器980给计算机采集和控制系统940提供扫描指令960，用于20～40赫兹处的每个1单位/扫描。
在图10中示出管线位置数据库分系统软件算法。对于稳定定向控制，在飞行过程中，每一时刻都需要独一无二的定向位置。因为管线可能沿着不规则的路线铺设，飞机不能完全按它的路线飞行，会碰到与定向目标有关的不定性。因此，最初，将预飞管线位置信息操作1010和理想飞行路径操作1030用来计算一个操作1020中的1对1查阅表。随后起始操作1040开始使飞机飞行在预定的高度上，朝向目标位置。操作1050中的机上GPS和IMU基于目标位置测量飞机的当前位置数据。在操作1070中寻找沿着理想飞行路径的最近纬度、经度、高度。随后在操作1090中寻找地面上的独一无二对应点。在操作1005中，计算出指向地面点所需要的楔角，并提供给飞行员路线纠正信息操作1080，其在操作1060中将扫描仪定向从而将三个光束引向最接近的目标地面点。
在图11中示出所开发的3谱线DIAL激光器气体管线泄漏探测系统的原理图，其中还有发射机和接收机(收发机)分系统更详细的信息。首先用三光束分离器1140将关谱线和两个开谱线波长(分别是1110、1120、1130)的三个激光源分裂开来，由一组功率计1170监视它们的功率，其次，用全息光栅1155将这三个激光源合并起来，从而使它们是共线的。共线光束1112进入光束合并光栅1114，提供一个固定的有限源孔径。这样，激光器对准中可能出现的任何漂移都会呈现为容易识别的发射脉冲能量偏差，但是不会影响气体浓度长度测量校准。然后将多波长源光束引入一组导引光路径反射镜1116。反射的定制光束进入检流计驱动的扫描快反射镜1118，并且通过也用于补偿飞机摆动和偏航飞行误差的扫描带的大孔径慢扫描反射镜1122被发射以照射地面。当检流计驱动的扫描快反射镜1118摆过25度的全角时，源光束在进入望远镜1108的时候摆过50度的弧度。望远镜1108产生发射光束的5度全角扫描，并且跟踪地面上激光器覆盖区1132的35米宽地面带扫1126(包括额外的角宽度用来补偿飞机偏航角)。从接收机覆盖区1128散射的光通过慢跟踪校正反射镜进入整个望远镜孔径。快扫描检流计驱动的反射镜1118也将收到的光反射在出射的瞳孔中。这样，检流计驱动的扫描快反射镜1118与发射光束的光学中心线同步地偏移接收机视场(FOV)中心角(换句话说，等效于偏移地面上的接收机覆盖区1128)。然后收到的光通过定制光束分离器1111，穿过窄带干涉滤光片1106，过滤以后的光1104照射到信号检波器1102，到达放大器1190，由1146将放大后的光1180数字化。为了监视锁定的三个波长的稳定性，将来自开谱线甲烷激光源1130的百分比激光光束1150通过分系统1160。气室谱线通过滤光片1165只让选定的激光谱线通过，然后在将这些信号通过一组功率计(能量计)1175来监视激光的功率之前，一组检波器1185将该激光转换成模拟电子信号。。于是，测量过的激光功率通过一组低速率模数转换器1195，最终这些模数转换器1195的输出由计算机控制采集和分析系统1148读取。扫描仪电子控制器分系统1144控制快扫描反射镜1122和慢扫描反射镜1124。图11中描述的管线位置数据库1142、计算机控制、采集和分析1148以及飞行路径寻找和激光定向1152分系统已经在前面描述过。
通过改变结合于此的3谱线DIAL激光器传感器的波长，可以将本发明用于探测碳氢化合物气体的多种成分。
已经参考一个或多个实施例描述了本发明。但是很显然，本领域内普通技术人员能够进行各种改变和改进而不会偏离本发明的范围。本发明用于探测油气管线泄漏，但是本领域内任何技术人员都理解，可以将本发明用于探测危险材料或者感兴趣的其它材料。还要理解，可以将本发明用于探测油气或感兴趣的其它自然资源。
部件清单105无障碍管线通道110飞扰120机载3谱线可调谐DIAL激光器流体管线探测系统130发射的激光束140飞行高度150示踪气体160掩埋的管线170泄漏区域180地表类型背景190地面的3D截面205合并激光光束的一部分210谱线锁定放大器215光束分离器220开谱线激光器225滤光片230谱线锁定放大器
232光束分离器235检波器240关谱线激光器245放大器250全息光栅255模数转换器A/D260快扫描反射镜265计算机控制、采集和分析系统270望远镜275电子控制信号280慢扫描反射镜282地表类型背景285返回光290发射的激光295示踪气体370合并的激光光束的一部分310谱线锁定放大器331光束分离器390滤光片320甲烷开谱线激光器365谱线锁定放大器395乙烷开谱线放大器380光束分离器305检波器375谱线锁定放大器385关谱线激光器315放大器325模数转换器A/D340全息光栅350快扫描反射镜
335计算机控制、采集和分析系统302望远镜355电子控制信号(激光谱线锁定通信)304慢扫描反射镜309地表类型背景306返回光360发射的激光308示踪气体410管线位置数据库420泄漏示踪流体430飞行路径寻找和激光定向系统440传感器系统450计算机控制、采集和分析系统460监视器510接口系统520计算机系统530控制系统540激光器系统550扫描仪系统560望远镜系统570示踪流体580背景590检测系统505信号采集和分析系统515管线位置数据库525飞行路径寻找和激光定向系统535飞机系统610接口系统620信号控制、采集和分析系统630飞行路径寻找和激光器定向系统
640激光器系统650扫描仪系统660检测系统670监视器680电源控制变频器690望远镜系统705#2单个激光源715#3单个激光源710光纤耦合二极管激光器720二极管泵浦Q开关ND:YLF激光器730Nd:YLF种子激光器740外部腔二极管激光器(ECDL)种子激光器750光参量振荡器(OPO)-光参量放大器(OPA)760光束分离器770基准气体单元780望远镜790全息光栅/空间滤光片810二极管温度控制器820电光Q开关控制器830温度稳定840对种子激光器OPO腔长度锁定850805纳米二极管激光器860Q开关播种Nd:YLF激光器870OPO-OPA注入播种的880空间滤光片/将3个产生的激光合并成单个发射光束的光束合并器890二极管电流控制器805流星Nd:YLF种子激光器815OPO种子激光器外部腔二极管激光器835基准气体单元845流星控制器
855Nd:YLF腔长度锁定种子激光器865种子激光器控制器920GPS/IMU系统930位置和高度更新940计算机采集和控制系统950飞行员显示数据960快扫描仪更新信号970慢扫描仪更新信号905快扫描仪控制器驱动915慢扫描仪控制器驱动980快旋转扫描仪990慢旋转扫描仪1010来自勘查的管线坐标图1020查阅表(LUT)1030理想飞行路径数据1040开始目标位置和路径计算1050读取当前数据(纬度、经度、摆动俯仰角和高度、)1060定向扫描仪(定向激光器)1070最近点LUT1080飞行员路径校正信息1090LUT中的对应的地面点坐标1005定向角计算1150合并后激光光束的一部分11103389纳米关谱线激光光源11203336.8纳米乙烷开谱线激光光源11303429纳米甲烷关谱线激光光源1140光束分离器1155全息光栅1170功率计1112单个合并的激光光束
1114光束扩展器1116导引反射镜1118双楔快椎扫描1122双楔椎定向扫描仪1124来自地表的反射光(返回光)1126地带1128接收机覆盖区1132激光器覆盖区1108Kirkham望远镜1111导引反射镜1106窄带干涉滤光片1104过滤返回光1102检波器1190放大器1180放大后的信号1146A/D1160发射的激光能量测量分系统1165基准气体单元1185检波器1175发射能量1195低速率A/D1142管线位置系统1144扫描仪驱动器和位置编码器1148计算机控制、采集和分析系统1152飞行路径寻找和激光器定向系统1154激光器谱线锁定通信
权利要求
1.一种利用机载平台远距离探测天然气或油管流体泄漏的系统，该系统包括a)至少两个激光光源，用于充分照射一种或多种目标流体的目标区域和背景，其中所述一种或多种目标流体包括一个或多个吸收波长，并且所述背景包括与所述一种或多种目标流体中任意一个都不相同的波长；b)用于为所述光源中的每一个产生和改变对应于所述一种或多种目标流体的每一种以及所述背景的选定波长的装置；c)基于定位系统将所述激光光源定向的装置；d)沿着路径，在几何区域内扫描所述激光光源的装置；e)探测所述一种或多种目标流体的装置；f)为所述机载平台的定位进行路径规划和路径寻找的装置；和g)将检测到所述天然气或油管存在泄漏的情况传送出去的装置。
2.如权利要求1所述的系统，其中所述一种或多种目标流体是碳氢化合物气体。
3.如权利要求2所述的系统，其中所述碳氢化合物气体是甲烷、乙烷，或甲烷和乙烷。
4.一种利用机载平台远距离探测天然气或油管流体泄漏的方法，该方法包括a)利用至少两个激光光源照射一种或多种目标流体的目标区域和背景，其中所述一种或多种目标流体包括一个或多个吸收波长，并且所述背景具有与所述一种或多种目标流体中任意一种不同的波长；b)为所述光源中的每一个产生和改变对应于所述一种或多种目标流体的选定波长；c)基于定位系统将所述光源定向；d)利用所述多个光源沿着路径扫描几何区域；e)利用定量信号处理探测所述一种或多种目标流体；f)利用路径规划和路径寻找装置为所述机载平台定位；以及g)将探测到的所述天然气或油管存在泄漏的情况传送出去。
5.如权利要求4所述的方法，其中所述一种或多种目标流体是碳氢化合物气体。
6.如权利要求5所述的方法，其中所述碳氢化合物气体是甲烷、乙烷，或者甲烷和乙烷。
7.一种利用机载平台远距离探测天然气或是油管流体泄漏的系统，包括a)用于同时照射一种或多种目标流体的目标区和背景的两种或多种激光光源；b)用于选择对应于所述一种或多种目标流体的多个吸收波长的一个或多个波长的装置，其中所述背景具有不同于所述一种或多种目标流体中任意一个的波长；c)为所述光源的每一个产生和改变对应于所述一种或多种目标流体的选定波长的装置；d)基于定位系统将所述光源定向的装置；e)利用所述光源沿着路径扫描几何区域的装置；f)用于信号检测以及测量所述一种或多种目标流体的特性的装置；g)用于远距离定量处理所述一种或多种目标流体的信号处理装置；h)用于为所述机载平台定位而进行路径规划和路径寻找的装置；以及i)用于将探测到的所述天然气或油管存在泄漏的情况传送出去的装置。
8.如权利要求7所述的系统，包括用于单独控制每一个所述光源的强度的控制器。
9.如权利要求7所述的系统，其中所述一种或多种目标流体是碳氢化合物气体。
10.如权利要求9所述的系统，其中所述碳氢化合物气体是甲烷、乙烷，或者甲烷和乙烷。
11.利用机载平台远距离定量实时探测流体的一种系统，该系统包括a)至少两个激光光源，用于几乎同时地照射一种或多种目标流体的相同目标区域和背景，其中所述一种或多种目标流体的特征在于一个或多个吸收波长，并且所述背景具有不同于所述一种或多种目标流体中任意一种的波长；b)在多个波长的范围上为所述光源的每一个实时地产生和动态改变对应于所述一种或多种目标流体的选定波长的装置；c)基于定位系统将所述多个光源定位的装置；d)利用所述多个光源沿着路径在几何区域内扫描所述一种或多种目标流体的装置；e)用于进行实时信号检测，从而获得所述一种或多种目标流体的探测结果的定量处理的装置；f)用于所述一种或多种目标流体的远距离定量处理探测的实时信号处理装置；g)为了对所述机载平台定位而进行路径规划和路径寻找的装置；以及h)用于将探测到的所述多种流体存在的情况传送出去的装置。
12.如权利要求11所述的系统，其中所述系统可以为碳氢化合物气体的探测而调谐。
13.利用机载平台远距离定量探测流体的一种方法，该方法包括a)利用至少两个激光光源几乎同时地照射一种或多种目标流体的相同目标区和背景，其中所述一种或多种目标流体的特征在于一个或多个吸收波长，其中所述背景具有不同于所述一种或多种目标流体中任意一种的波长；b)相对于定位系统定向所述多个激光光源；c)利用所述多个光源沿着路径在几何区域内扫描所述一种或多种目标流体；d)利用定量实时信号处理实时探测所述一种或多种目标流体；e)在多个波长的范围上为所述光源的每一个实时地产生和动态改变对应于所述一种或多种目标流体的选定波长；f)利用路径规划和路径寻找装置为所述机载平台定位；以及g)将探测到的所述流体存在的情况传送出去。
14.如权利要求13所述的方法，还包括调谐所述照射源用于探测碳氢化合物气体的步骤。
15.利用机载平台远距离定量探测流体的一种方法，该方法包括a)用至少两个激光光源用作照射源几乎同时地照射一种或多种目标流体的相同目标区和背景，其中所述一种或多种目标流体的特征在于一个或多个吸收波长，并且其中所述背景具有不同于所述一种或多种目标流体中任意一种的波长；b)相对于定位系统定向所述多个光源；c)利用所述多个光源沿着路径在几何区域内扫描所述一种或多种目标流体；d)从源接收辅助目标信息；e)利用定量实时信号处理实时地探测所述一种或多种目标流体；f)基于所述辅助目标信息为所述多个光源的每一个在多个波长的范围上实时地产生和动态改变对应于所述一种或多种目标流体的选定波长；g)利用路径规划和路径寻找装置为所述机载平台定位；以及h)将探测到存在所述流体的情况传送出去。
全文摘要
利用机载平台远距离定量探测从天然气或油管的流体泄漏的一种系统；包括至少一个激光光源，用于几乎同时地照射两种或多种目标流体和背景，其中两种或多种目标流体的特征在于两个或多个吸收波长，其中的背景具有不同于所述两种或多种流体中任意一种的波长。利用照射源在沿着路径的几何区域内扫描两种或多种目标流体的时候，这个照射源基于定位系统被定向。信号检波器利用定量信号处理来探测所述两种或多种目标流体。还包括控制器、路径规划和路径寻找工具用于机载平台的定位，以及通信器，用于传送检测到泄漏存在的情况。
文档编号G01N21/39GK1918466SQ200480041874
公开日2007年2月21日 申请日期2004年12月17日 优先权日2003年12月19日
发明者胡什曼德·M·卡拉耶, 古斯塔沃·R·帕斯-皮耶尔特, 约翰·P·斯普豪尔 申请人:Itt制造企业公司