用于监测天然气泄露位置和浓度的差分吸收激光雷达系统

本发明涉及天然气泄露监测，具体涉及一种用于监测天然气泄露位置和浓度的差分吸收激光雷达系统。

背景技术：

1、天然气作为一种优质的清洁能源，其开发和利用日益受到重视，近年来，由于天然气管道的腐蚀、意外损坏，泄露事故发生率增大，日趋严重，在工厂中泄露事故发生后很难及时发现泄露地点。天然气管道泄露激光遥测技术主要包括傅里叶变换红外光谱(ftir)、可调谐半导体激光吸收光谱(tdlas)技术。ftir技术能实现多种组分的同时测量，但ftir技术的主要缺点是低灵敏度，更重要的是傅里叶变换计算耗时，探测系统需要液氮制冷，而且价格昂贵，不利于工业实际应用。

2、目前国内外已经对激光雷达检测天然气泄露开展了广泛的研究，国际研究的检测天然气泄露大多采用激光雷达发射单束激光，通过对返回信号的采集、分析进而解决天然气泄露问题。但目前国际研发的天然气泄露探测器存在成本高、探测位置信息不够精确等缺陷。

技术实现思路

1、鉴于以上问题，本发明提出一种用于监测天然气泄露位置和浓度的差分吸收激光雷达系统，以解决现有激光雷达系统设备昂贵，对雷达要求高，无法简便、精确地测量天然气泄露位置及浓度的问题。

2、用于监测天然气泄露位置和浓度的差分吸收激光雷达系统，包括信号采集子系统和信号处理子系统8；其中，

3、所述信号采集子系统用于采集雷达回波信号，包括激光器1、光电探测器2、云台3、扩束器5、望远镜单元6；所述激光器1用于发射激光；所述光电探测器2放置于激光器1上方，并与信号处理子系统8连接，用于将光辐射信号转换为回波电压信号；所述云台3上固定放置激光器1、光电探测器2、扩束器5、望远镜单元6，所述云台3与信号处理子系统8连接，以将实时监测的角度信息传输至信号处理子系统8；所述扩束器5放置于激光器1前方，用于扩大光斑，压缩发散角；所述望远镜单元6放置于光电探测器2前方，用于收集会聚反射回的光辐射信号；

4、所述信号处理子系统8用于将光电探测器2传输的微弱电信号放大，并将模拟信号转换为数字信号；对各个角度信息对应的数字信号进行处理，以获取甲烷气体浓度和泄露区位置。

5、进一步地，所述信号采集子系统还包括支撑装置4和防雨罩7，所述支撑装置4与所述云台3固定连接，用于支撑激光器1、光电探测器2、云台3、扩束器5、望远镜单元6；所述防雨罩7放置于所述信号采集子系统外部，用于保护子系统内各部件。

6、进一步地，所述光电探测器2和所述云台3分别通过数据线9与信号处理子系统8连接。

7、进一步地，所述云台3为两轴云台，待监测区域为矩形上表面区域，在待监测区域的某一顶点设置一个信号采集子系统；利用所述差分吸收激光雷达系统监测天然气泄露位置和浓度的方法包括：

8、对云台3在垂直方向上的俯仰角进行划分，获取多个俯仰角；

9、激光器1先后发出两种波长的激光，控制云台3在每个俯仰角对应的水平范围内转动，利用信号采集子系统采集雷达回波信号，利用信号处理子系统8对雷达回波信号进行处理，计算获取待测气体的浓度，若浓度达到预设阈值，则判定该处存在甲烷泄露，记录该点坐标与浓度值信息，从而获取甲烷泄露区在每个俯仰角上所对应的一组初始位置坐标和终止位置坐标，进而计算获得多组初始位置坐标和终止位置坐标。

10、进一步地，云台3在每个俯仰角对应的水平转动范围为0°-90°。

11、进一步地，所述获取甲烷泄露区在每个俯仰角上所对应的一组初始位置坐标和终止位置坐标包括：

12、以信号采集子系统所在的顶点为原点o，顶点对应的两条边分别为x轴和y轴，竖直向上为z轴，建立空间直角坐标系；信号采集子系统置于z轴上，距地面高度为h，其坐标为(0,0,h)；则每组初始位置坐标表示为：

13、(h×tanβi×cosα2i-1，h×tanβi×sinα2i-1)

14、每组终止位置坐标表示为：

15、(h×tanβi×cosα2i，h×tanβi×sinα2i)

16、其中，βi表示云台俯仰角划分后第i个俯仰角；α2i-1表示第i个俯仰角对应的初始水平角；α2i表示第i个俯仰角对应的终止水平角。

17、进一步地，所述云台3为单轴云台，待监测区域为矩形上表面区域，在待监测区域相邻两边的中点各设置一个信号采集子系统；利用所述差分吸收激光雷达系统监测天然气泄露位置和浓度的方法包括：

18、以待监测矩形区域的一个顶点为原点o，该顶点对应的一边为x轴，对应的另一边为y轴，竖直向上为z轴，建立空间直角坐标系；设待监测区域的一边长度为2a，另一边长度为2b，则将一个信号采集子系统放置于长度为2a的一边中点上方hx处，坐标为(a,0,hx)，将另一个信号采集子系统放置于长度为2b的一边中点上方hy处，坐标为(0,b,hy)；

19、激光器1先后发出两种波长的激光，控制一个信号采集子系统对应的云台在x轴水平方向上从0°转动至180°，控制另一个信号采集子系统对应的云台在y轴水平方向上从0°转动至180°；利用信号采集子系统采集雷达回波信号，利用信号处理子系统8对雷达回波信号进行处理，计算获取待测气体的浓度，若浓度达到预设阈值，则判定该处存在甲烷泄露，分别对应记录x轴角度和y轴角度，从而获取多个甲烷泄露点坐标。

20、进一步地，所述获取多个甲烷泄露点坐标包括：

21、设置云台的俯仰角为45°，且一个信号采集子系统对应的云台所发射激光在xoy平面上的投影为线段l1，l1与x轴正方向的夹角为α，另一个信号采集子系统对应的云台所发射激光在xoy平面上的投影为线段l2，l2与y轴正方向的夹角为β，线段l1与线段l2的交点即为泄露点，坐标如下：

22、

23、式中，ai表示第i个泄露点与激光在xoy平面上的投影线段与x轴正方向的夹角；βi表示第i个泄露点与激光在xoy平面上的投影线段与y轴正方向的夹角。

24、进一步地，在基于两轴云台获得多组初始位置坐标和终止位置坐标，或者基于两个单轴云台获取多个甲烷泄露点坐标之后，采用最小二乘法对多组数据点进行拟合，获取泄露区域。

25、进一步地，所述激光器1发出激光的两种波长分别为1654nm与1660nm，两种波长的激光先后发出的时间间隔大于激光脉冲宽度且小于大气冻结时间。

26、本发明的技术效果是：

27、本发明提出一种用于监测天然气泄露位置和浓度的差分吸收激光雷达系统，包括信号采集子系统和信号处理子系统；其中信号采集子系统用于采集雷达回波信号，包括激光器、光电探测器、云台、扩束器、望远镜单元；激光器用于发射激光，光电探测器用于将光辐射信号转换为回波电压信号，云台将实时监测的角度信息传输至信号处理子系统；扩束器用于扩大光斑，压缩发散角；望远镜单元用于收集会聚反射回的光辐射信号；信号处理子系统用于将光电探测器传输的微弱电信号放大，并将模拟信号转换为数字信号，对各个角度信息对应的数字信号进行处理，以获取甲烷气体浓度和泄露区位置。本发明系统能够精确测量泄露位置及浓度，运用地面做配合目标配合云台，得到很强的反射，降低了对雷达及望远镜单元的要求，且作用监测的距离更远，抗干扰性更强。