一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统及方法与流程

本发明涉及量子成像，具体涉及一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统及方法。

背景技术：

1、易燃易爆的油气的成分主要由甲烷、丙烷、丁烷、丙烯、丁烯等气体构成，这些油气成分如果发生泄露，会带来严重的安全隐患，同时还会造成环境的污染。由此，针对油气泄露的探测变得十分重要。

2、量子成像是利用单光子探测器对光子的高灵敏探测，大幅度的提高成像的灵敏度。相对于传统的光电探测成像系统，量子成像可以将成像的灵敏度提高10^9倍(传统光电探测器探测灵敏度约为nw，约有10^9个光子)。量子成像的原理是成像系统主动发出脉冲激光，激光遇到物体发生漫反射，经过光学收集系统对光子进行收集。光信号以单光子的形式收集，每个像素只需要几个光子的收集。根据光子到达时间确定当前探测点物体距离探测装置距离。之后对所需视域范围内的像素扫描，并利用机器学习方法对图像进行重构，实现整个视域平面的成像。

3、易燃易爆的油气在不同的波长区域由不同的吸收谱。现在以甲烷为例，甲烷在空气中的折射率为1.000444，明显大于空气的折射率1.000292。因此在有油气泄露的时候会在空气中明显产生折射率差，油气和空气的界面会引起激光脉冲回波，从而探测到油气的泄露。

4、为此，现致力于研究出一种基于量子成像原理，计算油气折射率变化情况，从而实现油气泄露探测技术，以充分利用量子成像技术在探测灵敏度上的优势。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统及方法，以充分利用量子成像技术在探测灵敏度上的优势。

2、本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

3、一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统，包括：

4、光信号模块，用于产生经过探测区域的多角度脉冲激光，并形成脉冲激光的回波光信号；

5、单光子探测模块，用于接收回波光信号并将回波光信号转换为脉冲电信号；

6、成像模块，用于获取并积累所述脉冲电信号在时间上的分布，同时基于多角度的脉冲激光，完成探测区域内像素光子的收集，并基于重构算法对收集的像素光子进行量子成像，得到探测图像；

7、判断模块，用于根据探测图像中是否存在因折射率差而产生的泄露气体界面，判断是否存在油气泄露。

8、进一步改进在于，所述光信号模块包括：用于产生脉冲激光的激光器、与激光器输出端连接的光纤环形器、与光纤环形器的输出端口a连接的光发射组件、以及用于调整光发射组件发射角度的三维旋转台；

9、其中，所述光纤环形器的输出端口b与单光子探测模块连接。

10、进一步改进在于，所述光发射组件包括光学准直器、扩束器以及用于通过反射将准直器和扩束器对应的光学振镜。

11、进一步改进在于，所述单光子探测模块包括与光纤环形器的输出端口b连接的光开关、以及与光开关输出端连接的红外单光子探测器。

12、进一步改进在于，所述成像模块包括与红外单光子探测器输出端连接的时间数字转换器以及与时间数字转换器输出端连接的上位机。

13、进一步改进在于，所述上位机与三维旋转台的控制端连接。

14、本发明还提供了一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测方法，该方法利用上述系统，步骤包括：

15、s1、产生经过探测区域的多角度脉冲激光，并形成脉冲激光的回波光信号；

16、s2、接收回波光信号并将回波光信号转换为脉冲电信号；

17、s3、获取并积累所述脉冲电信号在时间上的分布，同时基于多角度的脉冲激光，完成探测区域内像素光子的收集，并基于重构算法对收集的像素光子进行量子成像，得到探测图像；

18、s4、根据探测图像中是否存在因折射率差而产生的泄露气体界面，判断是否存在油气泄露。

19、本发明的有益效果在于：本发明首次将量子成像技术应用到油气泄露探测中，利用了其探测灵敏度的优势，由于光在空气和油气中折射率的不同，当发生油气泄露时，光子会在气体的界面发生反射，使得系统收集到另一个光子脉冲信号，因此可在成像中有效的观察到泄露气体的界面，从而对泄露气体成像，判断气体泄露。

技术特征：

1.一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统，其特征在于，所述光信号模块包括：用于产生脉冲激光的激光器、与激光器输出端连接的光纤环形器、与光纤环形器的输出端口a连接的光发射组件、以及用于调整光发射组件发射角度的三维旋转台；

3.根据权利要求2所述的一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统，其特征在于，所述光发射组件包括光学准直器、扩束器以及用于通过反射将准直器和扩束器对应的光学振镜。

4.根据权利要求1所述的一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统，其特征在于，所述单光子探测模块包括与光纤环形器的输出端口b连接的光开关、以及与光开关输出端连接的红外单光子探测器。

5.根据权利要求4所述的一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统，其特征在于，所述成像模块包括与红外单光子探测器输出端连接的时间数字转换器以及与时间数字转换器输出端连接的上位机。

6.根据权利要求5所述的一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统，其特征在于，所述上位机与三维旋转台的控制端连接。

7.一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测方法，其特征在于，该方法利用权利要求1-6任一项所述系统，步骤包括：

技术总结
本发明公开了一种基于量子成像油气折射率的油气泄露探测系统及方法，系统包括：光信号模块，用于产生经过探测区域的多角度脉冲激光，并形成脉冲激光的回波光信号；单光子探测模块，用于接收回波光信号并将回波光信号转换为脉冲电信号；成像模块，用于获取并积累脉冲电信号在时间上的分布，同时基于多角度的脉冲激光，完成探测区域内像素光子的收集，并基于重构算法进行量子成像，得到探测图像；判断模块，用于根据探测图像中是否存在因折射率差而产生的泄露气体界面，判断是否存在油气泄露。本发明首次将量子成像技术应用到油气泄露探测中，利用了其探测灵敏度的优势，并基于光在空气和油气中折射率的不同的原理，实现了油气泄露判断。

技术研发人员：王涛
受保护的技术使用者：安徽道纪量子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13