ДИСТАНЦИОННЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР МЕТАНА

Устройство относится к измерительной лазерной технике и предназначено для измерения удельной концентрации примесных газов в окружающем воздухе дистанционным методом, в частности газа метана.
Известен газоанализатор, содержащий параболическое зеркало, фотоприемник, диодный лазер, оптический объектив, расщепитель луча, реперный канал [1]. Устройство работает следующим образом. Диодный лазер излучает в импульсном режиме с длительностью импульсов 1 мсек на длине волны 1,65 мкм. При этом длина волны излучения диодного лазера сканируется в течение импульса в окрестности одной из сильных узких линий поглощения метана. Лазерный пучок, сформированный прибором, отражается топографическим объектом (земля, трава, лес, и т.д.), попадает на приемное параболическое зеркало и фокусируется на фотоприемник. После фотоприемника по величине провала в линейно нарастающем сигнале вычисляется интегральная концентрация метана на трассе распространения. Также детектор метана включает в себя реперный канал, в котором часть лазерного пучка проходит через кювету с метаном и фокусируется на другом фотоприемнике.
Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения удельной концентрации метана на пути лазерного луча, поскольку расстояние до отражающей поверхности не измеряется, а считается постоянным. Недостаточна оперативность измерений из-за низкой скорости обзора пространства газоанализатором. Ограничена дальность действия.
Известен газоанализатор, содержащий блок лазерного излучателя, блок приема аналитического сигнала, блок управления приема и обработки данных, дальномер [2]. Недостатком данного устройства является низкое быстродействие (1 миллисекунда на одно измерение), малая дальность действия из-за малой мощности лазерного излучателя. К тому же дальномер входит в схему как совершенно отдельное устройство, из-за чего его оптическая ось не совпадает с оптической осью газоанализатора и поэтому снижается точность определения расстояния до диффузно отражающего объекта.
Известен лазерный газоанализатор метана, содержащий лазер, стабилизированный на линии метана, фотоприемник, предающий телескоп, приемный объектив, модулятор-контроллер, опорный генератор, два усилителя, два синхронных детектора, регистратор интегральной концентрации [3].
Устройство работает следующим образом. При модуляции лазера сигналом частоты f из-за нелинейности принимаемого сигнала при наличии метана на трассе измерения, возникает вторая гармоника 2f в спектре принимаемого сигнала. Частоты f и 2f после фотоприемника синхронно детектируются и по соотношению продетектированных сигналов на частотах f и 2f в регистраторе интегральной концентрации измеряется интегральная концентрация газа на трассе измерения.
Недостатком данного устройства является большая погрешность измерения удельной концентрации метана на пути лазерного луча, поскольку расстояние до отражающей поверхности не измеряется, а считается постоянным. Устройство имеет малую дальность действия. Недостаточна оперативность измерений из-за низкой скорости обзора пространства.
В качестве прототипа заявляемого устройства выбрано устройство [4]. Устройство состоит из лазера, стабилизированного на линии метана, передающего телескопа, приемного объектива, фотоприемника, модулятора-контроллера, опорного генератора, усилителей, синхронных детекторов, регистратора интегральной концентрации, аналогового переключателя, регистратора дальности, регистратора удельной концентрации, делителя частоты, отклоняющей системы с блоком управления, оптического усилителя.
Устройство работает следующим образом. При модуляции лазера сигналом частоты f из-за нелинейности принимаемого сигнала в случае наличия метана на трассе измерения, возникает вторая гармоника 2f в спектре принимаемого излучения. Частоты f и 2f после фотоприемника синхронно детектируются и по соотношению продетектированных сигналов f и 2f в регистраторе интегральной концентрации определяется интегральная концентрация на трассе измерения. Аналоговый переключатель, работая синхронно с модулятором-контроллером попеременно переключают прибор в режим измерения интегральной концентрации метана и в режим измерения дальности до отражающей поверхности. Эти величины поступают на регистратор удельной концентрации, где определяется удельная концентрация на трассе распространения и тем самым повышается точность и достоверность измерения удельной концентрации метана (реальная, а не приближенная плотность газового облака). Расстояние до отражающей поверхности определяется по запаздыванию фазы отраженного и неискаженного поглощением метана сигнала.
Недостатком данного устройства является снижение точности измерения концентраций газа из-за переключения лазера на разные частоты излучения, что снижает точность стабилизации его на линии поглощения метана. К тому же, поскольку расстояние и концентрация измеряются в разные моменты времени, происходит снижение достоверности результатов в случае применения газоанализатора на быстроперемещающихся летательных аппаратах в режиме сканирования, особенно в гористой местности.
Технический результат полезной модели заключается в повышении, точности и достоверности измерения концентрации метана.
Для достижения указанного технического результата в устройство, содержащее лазер, передающий телескоп, приемный объектив, фотоприемник, модулятор-контроллер, опорный генератор, три усилителя, три синхронных детектора, регистратор интегральной концентрации, регистратор дальности, регистратор удельной концентрации, делитель частоты, отклоняющую систему с блоком управления, оптический усилитель, причем оптический выход оптического усилителя соединен с оптическим входом передающего телескопа, выход приемного объектива соединен с оптическим входом фотоприемника, выходы первого и второго усилителей соединены соответственно со входами первого и второго синхронных детекторов, выходы которых соединены со входами регистратора интегральной концентрации, первый выход опорного генератора соединен со входом модулятора-контроллера, первый выход которого соединен с управляющим входом первого синхронного детектора, второй выход - с управляющим входом второго синхронного детектора, а третий выход - со входом первого лазера, первый оптический вход отклоняющей системы с блоком управления соединен с оптическим выходом передающего телескопа, а первый оптический выход отклоняющей системы с блоком управления через среду распространения соединен со вторым оптическим входом отклоняющей системы с блоком управления, второй оптический выход которой соединен с оптическим входом приемного телескопа, а электрический вход соединен со вторым выходом делителя частоты, выход третьего усилителя соединен со входом третьего синхронного детектора, выход которого соединен со входом регистратора дальности, выход которого соединен со вторым входом регистратора удельной концентрации, первый вход которого соединен с выходом регистратора интегральной концентрации, а третий вход соединен с выходом опорного генератора, третий выход которого соединен со входом делителя частоты, управляющий вход третьего синхронного детектора соединен с четвертым выходом модулятора-контроллера, введены второй лазер и блок совмещения лучей, причем пятый выход модулятора контроллера соединен со входом второго лазера, оптический выход которого соединен со вторым входом блока совмещения лучей, выход которого соединен со входом оптического усилителя, оптический выход первого лазера соединен с первым входом блока совмещения лучей, выход фотоприемника соединен со входами первого, второго и третьего усилителя.
На фиг.1 изображен процесс, когда при переключении длины волны лазера (в нулевой момент времени) возникает погрешность измерения концентрации метана.
На фиг.2 изображена блок-схема заявляемого устройства, где 1-лазер 1, 2 - передающий телескоп, 3 - приемный объектив, 4 - фотоприемник, 5 - модулятор-контроллер, 6 - опорный генератор, 7 - первый усилитель, 8 - второй усилитель, 9 - первый синхронный детектор, 10 - второй синхронный детектор, 11 - регистратор интегральной концентрации, 12 - лазер 2, 13 - третий усилитель, 14 - третий синхронный детектор, 15 - регистратор дальности, 16 - регистратор удельной концентрации, 17 - делитель частоты, 18 - отклоняющая система с блоком управления, 19 - оптический усилитель, 20-блок совмещения лучей.
На фиг.3 изображен участок гористой местности, где проводились измерения удельной концентрации.
На фиг.4 изображены данные по концентрации метана, получаемые в гористой местности с прототипом (1 - интегральная концентрация, 2 - удельная концентрация) и с заявленным устройством (3 - интегральная концентрация, 4 - удельная концентрация)
Устройство работает следующим образом, фиг.2. При модуляции лазера 1 сигналом частоты f из-за нелинейности принимаемого сигнала в случае наличия метана на трассе измерения, возникает вторая гармоника 2f в спектре принимаемого излучения. Частоты f и 2f после фотоприемника усиливаются в первом и втором усилителях 7, 8, синхронно детектируются в первом и втором синхронных детекторах 9, 10 и по соотношению продетектированных сигналов f и 2f в регистраторе 11 интегральной концентрации определяется интегральная концентрация на трассе. Лазер 2 12, отстроенный от линии поглощения метана модулируется частотой 3f/2 с помощью модулятора-контроллера 5, совмещается с лучом лазера 1 1 в блоке 20 совмещения лучей и также после оптического усилителя 20, передающего телескопа 2 и отклоняющей системы 18 направляется на отражающую поверхность. Измеренные величины поступают на регистратор 11 удельной концентрации, где определяется удельная концентрация на трассе распространения (реальная, а не приближенная плотность газового облака). Расстояние до отражающей поверхности определяется по запаздыванию фазы отраженного и неискаженного поглощением метана сигнала, получаемого с помощью лазера 2. При этом концентрация газа измеряется точнее, чем в прототипе из-за отсутствия дрейфа длины волны излучения лазера 1.
Изображенный на фиг.1 процесс установки измеряемой концентрации газа (из-за установления длины волны лазера в прототипе при переключениях) показывает, как переключение напряжения на лазере (в нулевой момент времени) приводит к установке длины волны за время ~ 1-2 милисекунды из-за перераспределения температурного режима в лазерном излучателе и смещении его рабочей точки. За такое время перемещение луча, обусловленное перемещением летательного аппарата и отклоняющей системой, может составить несколько десятков метров. Погрешность измерения концентрации газа ~ 25 условных единиц, как показано на графике, фиг.1 в условиях сильно изрезанной гористой местности, фиг.3 может сильно исказить измеренные значения интегральной и удельной концентрации газа. Измерение концентраций и дальностей в разные моменты времени также приводят к погрешностям. Такие погрешности могут свести на нет оценку измеряемой газовой обстановки. Например, в точке А, фиг.3 где есть утечка метана, прибор показал 25 усл, ед., а в точке Б - 40 усл. ед (за счет погрешности установки длины волны излучения и неодновременности измерения концентраций и дальностей). В этом случае ни по измерениям удельной концентрации, ни тем более по измерениям интегральной концентрации утечка не будет определена как видно на фиг.4. 3десь представлена диаграмма сравнения измерения удельной концентрации метана прототипом и заявляемым устройством на участке местности, изображенном на фиг.3. Видно, что достоверность утечки газа во втором случае (кривые 3, 4) отчетливо видна, в то время как для прототипа участок утечки может остаться не замеченным (кривые 1, 2).
Проведенные исследования газоанализатора показали, что его точность в 1.5-2 раза лучше, чем у прототипа, и достоверность получаемых данных об утечках газа выше. Особенно это улучшение заметно в гористой местности, где перепады высот до объекта отражения отличаются в несколько раз даже за очень небольшое время в процессе пролета и сканирования газовых облаков.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. http://pergam.kiev.ua/dls.htm
2. Патент №2285251 G01N 21/61, G01N 21/39
3. Applied Optics, vol.31, №6, 20 February 1992. p.809.
4. Лазерный газоанализатор метана. Патент №89705 G01N 21/61