ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА С НАСТРОЙКОЙ НА МНОЖЕСТВЕННЫЕ ЛИНИИ И СПОСОБ РАБОТЫ ЛАЗЕРНОЙ СИСТЕМЫ
LASER SYSTEM WITH ADJUSTMENT ON MULTIPLE LINES AND METHOD OF OPERATING LASER SYSTEM

Предпосылки изобретения
Наблюдение за топографией земной поверхности общеизвестно в технике. При наземном наблюдении крайне желательно обнаруживать, не произошло ли разрушения материала в искусственном объекте, например дороге, трубопроводе, электрической сети или иной искусственной структуре, представляющей практический интерес. При обнаружении разрушения структуры соответствующие службы определяют, необходимы ли ремонтные работы. Часто наземная команда проводит визуальную инспекцию топографии земной поверхности для определения, имеется ли разрушение материала, при пересечении области обследования на транспорте или пешком. Часто бывает так, что самолет или спутник включает в себя устройство захвата изображения, например устройство на приборах с зарядовой связью (ПЗС), устройство на комплементарных МОП-транзисторах (КМОП) или детектор излучения, например инфракрасный детектор. Общеизвестно, что авиационные фотографические системы часто используются для захвата изображений соседних участков земной поверхности.
При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом может происходить ряд явлений, включая рассеяние, поглощение, пропускание и отражение электромагнитного излучения. Спектральный или спектроскопический анализ включает в себя тщательное исследование, анализ и представление взаимодействий электромагнитного излучения с веществом, упорядоченным образом, как функцию длины волны, частоты или времени. В ходе спектроскопического анализа разные материалы демонстрируют разные характеристики рассеяния, поглощения, отражения и пропускания. Эти различные характеристики определяются химической и физической структурами материалов. Когда набор этих различных характеристик определен с данным уровнем определенности, с использованием известных предметов тестирования, эти результаты спектроскопии можно именовать опорными спектральными сигнатурами или опорными спектрами.
Природный газ обычно содержит смесь метана, этана и других газов в небольшом количестве. Газ, выделяющийся при разложении органического вещества, далее именуемый болотным газом, содержит только метан. Весьма желательно, чтобы любой метод обнаружения природного газа позволял отличать газы, выделяющиеся в результате аварии на трубопроводе или разрушения контейнера для газа от болотных газов, во избежание ложного срабатывания тревожной сигнализации.
Нефтепроводы содержат значительные концентрации летучих растворенных газообразных соединений, включая метан, этан и пропан. Нефтепроводы работают под давлением; утечки и сопутствующее падение давления приводят к выбросу летучих компонентов и, таким образом, предусматривают средство обнаружения утечки. Электромагнитное излучение можно направлять на участок, содержащий газо- и нефтепроводы разными средствами. Обычно используются лазеры, но можно использовать и другие средства, например антенны для излучения электромагнитной энергии в радио- и микроволновом диапазоне. Впоследствии, при направлении электромагнитного излучения на тестируемый участок, используют термин осветитель.
При обнаружении дефектов газо- или нефтепроводов возникает определенная проблема, связанная с тем, что газо- или нефтепровод обычно закопан под землей. В таких случаях трудно проводить прямую визуальную оценку дефектов в трубопроводе. Когда дефекты действительно имеют место, они могут проявляться в виде утечки содержимого трубопровода, причем утечка материала создает характерную примесь или сигнал. Обычно, дефекты в трубопроводах в настоящее время обнаруживает персонал, обходящий трубопровод, на периодической и дорогостоящей основе, с помощью какого-либо средства обнаружения примеси, исходящей от трубопровода.
Газы могут выходить из трубопровода и распространяться через подземные слои к поверхности земли и затем в атмосферу. Поэтому можно проводить мониторинг атмосферы на предмет газов, выходящих из трубопровода. Связь газов, обнаруженных в атмосфере, с утечкой из трубопровода может быть прямой или косвенной. Примером прямой связи является выделение конкретных газообразных углеводородов в атмосферу из подземных нефте- и газопроводов. Природный газ состоит из двух основных компонентов - метана и этана. Соотношение метана и этана в смеси может варьироваться.
Измерение обоих компонентов и прямое подтверждение соответствующего соотношения концентраций позволяет установить наличие утечки из трубопровода. В этом случае связь является прямой, поскольку сами компоненты газа выделяются в атмосферу, хотя, возможно, с измененным составом.
Метан выделяется при термическом или биологическом разложении угля. Регистрируемый газ (метан) - не то же самое, что природный ресурс (уголь), поэтому для описания этой связи используется термин "косвенный". Термин "косвенная связь" не подразумевает, что эта связь обладает незначительной научной ценностью. Процесс преобразования угля в метан подробно описан в научной литературе.
Патент США 6,822,742, выданный 23 ноября 2004 г. Калайеху (Kalayeh) и др., под названием SYSTEM AND METHOD FOR REMOTE QUANTITATIVE DETECTION OF FLUID LEAKS FROM A NATURAL GAS OR OIL PIPELINE, обеспечивает систему для дистанционного количественного обнаружения утечек флюида из газо- или нефтепровода с использованием авиационной платформы. Содержание вышеупомянутой заявки включено сюда посредством ссылки в полном объеме.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предусматривает лазерную систему с настройкой на множественные линии для идентификации многомерных спектральных характеристик одной или нескольких мишеней. Система включает в себя совокупность лазерных источников, каждый из которых допускает настройку на излучение пучка света, имеющего разную длину волны электромагнитного излучения, и, по меньшей мере, один контроллер настройки для настройки и привязки каждого пучка света к соответствующей предварительно определенной длине волны узкой линии. Система также включает в себя передатчик для передачи каждого пучка света на мишени и приемник для приема света, возвращающегося от мишеней, и преобразования возвращенного света в электрические сигналы для идентификации мишеней. Каждый из совокупности лазерных источников допускает настройку на излучение пучка света в разных участках электромагнитного спектра, например среднеинфракрасного электромагнитного спектра. Например, система может иметь конфигурацию датчика типа DIAL с множественными линиями, имеющего N лазеров включенной линии и выключенной линии, в которой каждый из M лазеров включенной линии настроен на длину волны, которая частично или пропорционально поглощается мишенями, и каждый из L лазеров выключенной линии настроен на длину волны, которая не поглощается мишенями (N=M+L). Кроме того, лазерный датчик с настройкой на множественные линии можно приспособить для различных применений. Например, лазеры включенной линии или лазеры выключенной линии могут иметь одинаковые или разные длины волны из узкого участка электромагнитного спектра или из разных участков электромагнитного спектра.
Лазерная система с настройкой на множественные линии, отвечающая настоящему изобретению, включает в себя N лазеров, настроенных на M разных длин волны для обнаружения одной или нескольких мишеней, где каждая мишень характеризуется M спектральными линиями поглощения, и L (один или несколько) лазеров, настроенных на минимальное поглощение мишенями и максимальное отражение фоном, где каждый фон характеризуется своими L-мерными характеристиками принятого отражения/обратного рассеяния.
Совокупность лазерных источников включает в себя лазерные затворы для повторной генерации импульсов энергии, в которой импульсы энергии организованы последовательно в виде пакета импульсов, отличающегося тем, что (a) каждый импульс имеет предварительно определенную ширину импульса, например, приблизительно от 10 нс до 100 нс, (b) импульсы отделены друг от друга предварительно определенным интервалом между импульсами, например, приблизительно от 100 нс до 150 нс, и (c) каждый пакет импульсов повторяется с предварительно определенным интервалом, например, приблизительно от 500 мкс до 1000 мкс.
Другой вариант осуществления изобретения включает в себя систему обнаружения и определения дальности на основе дифференциального поглощения света (DIAL) с множественными линиями. Система включает в себя лазерные датчики типа DIAL с множественными линиями, генерирующие совокупность выходных сигналов непрерывно перестраиваемого лазера, контроллер для настройки каждого лазерного датчика типа DIAL с множественными линиями на генерацию выходного сигнала лазера с предварительно определенной длиной волны, передатчик для передачи выходных сигналов предварительно определенной длины волны на мишень, приемник для приема света обратного рассеяния от мишени или от фоновой мишени (например, типов покрытия поверхности земли) и совокупность детекторов для обнаружения света обратного рассеяния на каждой из соответствующих принятых длин волны.
Лазерные датчики типа DIAL с множественными линиями, отвечающие настоящему изобретению, генерируют (a) N выходных сигналов лазеров включенной линии и выключенной линии, причем N выходных сигналов лазера включенной линии выбирается для идентификации M характеристик включенной линии мишени, и (b) L (одной или нескольких) характеристик выключенной линии фоновой мишени, где каждый выходной сигнал лазера выключенной линии выбирается так, чтобы он не испытывал поглощения мишенью.
Контроллер согласно настоящему изобретению включает в себя поисковую таблицу (LUT) для выбора предварительно определенных многомерных спектральных характеристик разных мишеней (одной или нескольких мишеней). Выходные сигналы лазеров включенной линии и выключенной линии настраиваются на заранее определенные длины волны, указанные в LUT.
Каждый лазерный датчик типа DIAL с множественными линиями системы может быть импульсным для генерации выходного импульса энергии на соответствующей предварительно определенной длине волны, и контроллер может быть способен последовательно объединять каждый выходной импульс энергии из каждого лазерного датчика типа DIAL с множественными линиями и генерировать пакет импульсов для передачи на мишени. Пакет импульсов может включать в себя N импульсов для N лазерных датчиков типа DIAL с множественными линиями, в котором N - это полное количество выходных сигналов лазеров включенной линии и выключенной линии, выбранное для идентификации N характеристик мишеней и фона.
Другой аспект изобретения включает в себя способ идентификации и/или количественной оценки одной или нескольких мишеней на основании многомерных спектральных характеристик одной или нескольких мишеней. Способ включает в себя этапы, на которых: (a) излучают отдельные пучки света из совокупности лазерных источников; (b) настраивают и привязывают каждый пучок света, излучаемый из совокупности лазерных источников, к предварительно определенному электромагнитному спектру узкой линии; (c) передают каждый пучок света для освещения мишеней; (d) принимают свет, возвращающийся от мишеней; и (e) преобразуют возвращенный свет в электрические сигналы для идентификации и/или количественной оценки мишеней.
Следует понимать, что вышеприведенное общее описание и нижеследующее подробное описание призваны иллюстрировать, но не ограничивать изобретение.
Краткое описание чертежей
Изобретение проще всего понять, обратившись к нижеследующему подробному описанию, приведенному совместно с прилагаемыми чертежами. Чертежи представлены следующими фигурами:
фиг.1 - иллюстративная схема лазерной системы обнаружения утечки флюида из трубопровода на основе DIAL с настройкой на множественные линии, установленной на авиационной платформе, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.2A и 2B - блок-схемы лазерных систем типа DIAL с настройкой на множественные линии согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.3 - блок-схема иллюстративного варианта осуществления лазерной системы обнаружения утечки флюида из трубопровода на основе DIAL с настройкой на множественные линии согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.4A-4C - временные диаграммы иллюстративного триплетного набора импульсов, передаваемого и принимаемого системой, показанной на фиг.3, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.5 - схема иллюстративного распределения лазерного пучка от затравочного лазера на три отдельных передающих модуля согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.6 - блок-схема, демонстрирующая использование трех разных лазеров для формирования окончательного лазерного пучка, обозначаемого как источник #1, согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.7 - схема объединителя пучков согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.8A - вид спереди маски, используемой в объединителе пучков, показанном на фиг.7, для объединения 3 пучков согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
фиг.8B - вид спереди другой маски для объединения 4 пучков согласно варианту осуществления настоящего изобретения; и
фиг.8C - вид спереди еще одной маски для объединения 5 пучков согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение, описанное здесь, относится к измерению флюидов-мишеней, например, газовых примесей, связанных с утечками нефти и газа из трубопроводов. Это изобретение относится к системе обнаружения утечки нефти и газа из трубопровода и к способу обнаружения газов в атмосфере и, в частности, но не в порядке ограничения, обнаружения утечки из трубопроводов на основе датчиков типа лидара дифференциального поглощения (DIAL), действующего в среднеинфракрасном спектральном диапазоне.
В общем случае можно обнаруживать или разведывать многие флюиды, например газ, летучие масла, легкую сырую нефть, тяжелую сырую нефть, опасные газы, опасные жидкости или химически- и биологически-активные вещества. Концентрации газа на определенной площади можно, например, изображать на карте, и карты можно анализировать для выявления аномальных концентраций. Эти газовые аномалии можно интерпретировать для определения утечки из подземного трубопровода.
Используемый здесь термин "флюиды-мишени" означает флюиды, которые представляют собой жидкости или газы, например флюиды-мишени, прямо или косвенно связанные с утечками из трубопровода. В основе настоящего изобретения лежит измерение атмосферных концентраций этих флюидов-мишеней. Каждый флюид-мишень имеет ряд уникальных характеристик, позволяющих связывать его с утечкой из трубопровода. Например, метан может возникать по-разному. Метан может возникать в атмосфере в результате выделения из залежи углеводорода, выделения из залежи угля, выделения из заболоченных мест с активными популяциями бактерий, вырабатывающих метан, выделения из протекающего газопровода и т.д.
Источники метана, не связанные с утечкой из трубопровода, будем называть природными помехами. Природные помехи, которые усложняют установление связи между флюидом-мишенью и утечкой из трубопровода, меняются по силе и типу в соответствии с такими факторами, как тип почвы, гидрология, геологическое строение и состав, а также атмосферные условия, погода и землепользование.
Настоящее изобретение можно использовать в порядке применения лидара дифференциального поглощения (DIAL), который отбирает траекторию в атмосфере. Было разработано множество инструментов, регистрирующих большое количество газовых примесей в атмосфере. Существует много типов источников газа, которые, в силу своей пространственной и временной динамики, невозможно точно охарактеризовать этими средствами. Для мониторинга эмиссий от таких источников необходима система, способная дистанционно измерять минимальные концентрации, причем быстро и на длинных траекториях. Этим требованиям отвечают лидары дифференциального поглощения (DIAL) с длинными траекториями.
Согласно одному аспекту настоящего изобретения оптическая лазерная система на основе лидара дифференциального поглощения (DIAL) с настройкой на множественные линии, установленная на авиационной платформе, используется для дистанционного количественного обнаружения утечек из газо- или нефтепровода.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения одна или несколько мишеней, например газовые примеси, можно использовать для определения утечки флюида из трубопровода на основании поисковой таблицы, содержащей перечень различных газов и их соответствующих многомерных спектральных характеристик. Систему DIAL с настройкой на множественные линии, которая включает в себя N лазеров (N=M+L), можно настраивать на передачу энергии на предварительно определенных M длинах волны включенной линии и L длинах волны выключенной линии. N длин волны можно выбирать для обнаружения одной или нескольких мишеней, например одного или нескольких газов, на основании многомерных спектральных характеристик DIAL, перечисленных в поисковой таблице. Таким образом, по мнению автора изобретения, систему DIAL с настройкой на множественные линии, отвечающей изобретению, можно использовать в различных сферах.
Например, когда самолет летит для обнаружения одного типа газовой смеси, имеющей соответствующие многомерные спектральные характеристики, N лазеров системы DIAL с настройкой на множественные линии можно настраивать на N разных длин волны, где N выражает количество спектральных линий, характеризующих соответствующую газовую смесь (M длин волны включенной линии и L длин волны выключенной линии). Аналогично, когда самолет летит для обнаружения другого типа газовой смеси, имеющей другую соответствующую многомерную спектральную характеристику, N лазеров системы можно настраивать на другой набор N длин волны (M включенных линий и L выключенных линий), который характеризует эту конкретную газовую смесь.
Очевидно, что каждый лазер включенной линии и выключенной линии может быть перестраиваемым лазером. Для перестраиваемого лазера длину волны включенной линии можно выбирать, настраивая соответствующий лазер на конкретную длину волны. Перестраиваемый лазер можно настраивать в реальном времени посредством оператора, находящегося на наземном транспортном средстве или летящем самолете. В зависимости от задачи, оператор может настраивать каждый лазер на предварительно определенную длину волны для идентификации и количественной оценки конкретной характеристики мишени. Оператор, например, будучи извещен о том, что конкретная мишень подлежит идентификации и количественной оценке, может использовать поисковую таблицу (LUT), которая включает в себя характеристики разных мишеней и соответствие между этими характеристиками и длинами волны лазера включенной линии или выключенной линии. Затем оператор может настраивать каждый лазер, в реальном времени, на эти предварительно определенные длины волны. Кроме того, благодаря способности системы DIAL в реальном времени настраиваться на конкретные длины волны, оператор может перенастраивать и повторно привязывать каждый лазер к другому набору длин волны, в реальном времени. Затем работу можно продолжать путем поиска другой мишени, имеющей другие характеристики.
Согласно другому аспекту настоящего изобретения молекулярный переход характеристик оптического поглощения множественных выбранных газовых примесей можно оптимально выбирать из поисковой таблицы. Для упрощения рассмотрения, только две газовые примеси выбраны из поисковой таблицы для представления лазерной системы типа DIAL с настройкой на множественные линии согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В этом примере выбран молекулярный переход характеристик оптического поглощения метана и этана в среднеинфракрасной области электромагнитного спектра. Поэтому лазерную систему типа DIAL с настройкой на три линии можно использовать для анализа и обнаружения двух выбранных газовых примесей. Характеристики поглощения метана и этана можно анализировать с помощью двух длин волны включенной линии (также именуемых включенной линией) и одной длины волны выключенной линии (также именуемой выключенной линией) для метана, этана и типа земной поверхности (фона) соответственно.
Длину волны включенной линии можно выбирать вблизи пика оптического поглощения газа-мишени с минимальной помехой со стороны других газов. Длину волны выключенной линии можно выбирать вблизи крыла оптического поглощения газа-мишени при минимальной помехе со стороны других газов и высокой отражающей способности поверхности земли. Длины волны включенной линии и выключенной линии можно выбирать равными 3369,8, 3389 и 3429 нанометров для этана, метана и фона соответственно.
Как описано выше, можно использовать перестраиваемые лазеры. Устойчивые, непрерывно перестраиваемые лазеры можно приспособить для охвата всех газовых примесей и фона в поисковой таблице. Как описано выше, только две газовые примеси выбраны для представления лазерной системы типа DIAL с настройкой на множественные линии согласно настоящему изобретению. Автор изобретения установил, что можно использовать непрерывно перестраиваемые лазеры ND:YLF. Например, можно реализовать три непрерывно перестраиваемых лазера ND:YLF для газовых примесей метана и этана, и фона соответственно.
Настоящее изобретение также можно использовать для измерения длин траекторий точки максимальной концентрации газов-мишеней. Поэтому лазерную систему типа DIAL с настройкой на множественные линии согласно настоящему изобретению можно использовать для измерения длин траекторий точки максимальной концентрации для выбранных газов-мишеней для каждого пятна сканирования. Лазерная система типа DIAL с настройкой на три линии, используемая для представления настоящего изобретения, измеряет длины траекторий точки максимальной концентрации для двух выбранных газов-мишеней для каждого пятна сканирования, показанного на фиг.1. Настоящее изобретение также предусматривает применение алгоритмического и неалгоритмического анализов множественных длин траекторий точки максимальной концентрации измерения для двух газов-мишеней вдоль траектории полета. Наконец, настоящее изобретение позволяет отображать, сохранять и передавать позицию, размер и форму газовых султанов, связанных с утечками из трубопровода.
Настоящее изобретение согласно фиг.1 включает в себя самолет 110 (или наземное, воздушное или космическое транспортное средство, например спутник, вертолет или автомобиль), бортовую лазерную систему 120 обнаружения утечки флюида из трубопровода на основе DIAL, с настройкой на множественные линии, передаваемый лазерный пучок 130, газовые примеси 150, подземный трубопровод 160, область утечки 170 и тип 180 поверхности земли. Также показаны 3-мерный разрез земли, включающий в себя трубопровод, область утечки и газовые примеси, обозначенный как целое 190, высота 140 полета самолета и наземный след 105 траектории самолета. На основании предварительно определенной траектории полета самолет 110 летит вдоль наземного следа 105 траектории. В ходе полета бортовые GPS и блок инерциальной навигации (IMU) (не показаны) направляют пилота вдоль местоположения мишени, испускающей газовые примеси 150. Когда самолет достигает местоположения мишени, лазерные пучки 130 автоматически нацеливаются на мишень, в то время как сканирующая система осуществляет сканирование зоны, окружающей мишень. Возвращенный свет анализируется для формирования газовых карт или изображений султанов газовой примеси в единицах длины траектории точки максимальной концентрации. В примере, показанном на фиг.1, возвращенный свет анализируется для формирования двухмерных газовых карт или изображений султанов метана и этана в единицах длины траектории точки максимальной концентрации.
В системе измерения DIAL с двумя лазерами согласно изобретению передаются лазерные импульсы на двух отдельных длинах волны. Один лазерный импульс конкретной длины волны выбирают так, чтобы он поглощался газом, представляющим интерес. Другой лазерный импульс, с другой длиной волны, не поглощается. Энергия, отраженная обратно к датчику на обеих длинах волны, измеряется и объединяется для генерации оценки длины траектории точки максимальной концентрации газа-мишени. Перейдем к более подробному описанию этого процесса.
Энергия, отражаемая обратно к датчику, описывается следующим соотношением:
t
on
t
off
on
off
on
off
bag
on
off
где E(λ) и E(λ) - переданная энергия лазерного импульса включенной линии и выключенной линии, E(λ,R) и E(λ,R) - принятая энергия лазерного импульса включенной линии и выключенной линии, ρ(λ) и ρ(λ) - отражающая способность поверхности на длине волны включенной линии и выключенной линии соответственно, CPL - длина траектории точки максимальной концентрации султана, C - фоновая концентрация газа-мишени, R - дальность или высота, и σ(λ) и σ(λ) - эффективное сечение поглощения газа-мишени как функция длины волны включенной линии и выключенной линии соответственно.
t
on
t
off
on
off
on
off
on
off
Исходя из вышесказанного, можно предположить, что E(λ)=E(λ), ρ(λ)=ρ(λ) и эффективные сечения σ(λ) и σ(λ) газа-мишени на длинах волны включенной линии и выключенной линии не претерпевают значительных изменений вследствие изменений давления и температуры вдоль траектории. В противном случае может потребоваться повторное измерение σ(λ) и σ(λ).
Разделив измеренную принятую энергию импульса лазера включенной линии на энергию импульса лазера выключенной линии, представленные в уравнениях 1 и 2, получаем следующее уравнение DIAL:
На основании вышеприведенных предположений уравнение (3) можно упростить до вида
on
off
где E(λ,R) обозначает измеренную лазерную энергию на длине волны включенной линии и E(λ,R) обозначает измеренную лазерную энергию на длине волны выключенной линии.
Взяв натуральный логарифм от уравнения (4), получаем
Эффективное сечение на длине волны включенной линии и выключенной линии можно измерять (используя одну или несколько газовых ячеек), что описано ниже со ссылкой на фиг.6 и 7. В любом случае, эффективное сечение на каждой длине волны становится известным значением. Поэтому уравнение 4A можно переписать следующим образом:
bag
Уравнение 5 отражает процесс измерения, используемый в варианте осуществления изобретения, предусматривающем две отдельные длины волны лазера. Однако могут быть дополнительные возможности обработки, поскольку R также может измеряться системой и C можно оценить или измерить. Это позволяет выработать оценку CPL:
a
В уравнении (6) влияние различий в коэффициенте поглощения в атмосфере  не учитывается. Однако уравнение (7) включает в себя это влияние, где ΔC можно оценить или измерить.
Однако, если вышеприведенные предположения несправедливы, весьма вероятно, что вышеприведенная оценка CPL может неточно характеризовать султан и может потребоваться дополнительный анализ уравнения DIAL (3).
Система DIAL с множественными линиями базируется на передаче, приеме и измерении энергий лазера на множественных длинах волны вдоль, по существу, одинакового оптического пути. Например, одна длина волны лазера или длина волны выключенной линии выбирается так, чтобы энергия лазера выключенной линии не поглощалась в присутствии любого компонента, представляющего интерес. Второй лазер или длина волны включенной линии выбирается так, чтобы лазерная энергия поглощалась как функция уровня компонента-мишени, представляющего интерес, который присутствует на пути лазерного пучка. Измеряя уровни передаваемой и принимаемой энергии для лазерной системы с двумя линиями, следующее уравнение лидара (уравнение 8 или 9) можно использовать для вывода более общего уравнения DIAL (уравнения 10) для определения длины траектории точки максимальной концентрации измерения любого компонента-мишени, представляющего интерес, когда параметры системы (например, юстировка, перекрытие пучков, перекрытие пучка и поля зрения приемника, геометрические форм-факторы включенной линии и выключенной линии, спектральная характеристика оптики приемника и отражающая способность типа покрытия поверхности) неодинаковы.
Уравнение лидара можно, в порядке обобщения, выразить через передаваемую и принимаемую энергию или мощность лазера включенной линии и выключенной линии следующим образом:
или
где
t
t
E(λ) или P(λ) передаваемая лазерная энергия или мощность соответственно,
обозначает атмосферное пропускание,
обозначает пропускание султана,
a
k(λ,r) - коэффициент поглощения атмосферы,
p
k(λ,r) - коэффициент поглощения султана,
ξ(R) - геометрический форм-фактор,
ρ(λ) - отражающая способность поверхности земли,
- телесный угол оптики приемника,
R - дальность/высота датчика,
D - апертура телескопа,
ξ(λ) - спектральная характеристика приемника, и
E(λ,R) или P(λ,R) - принятая рассеянная энергия или мощность лазера соответственно.
Уравнение DIAL можно, в общем виде, выразить через мощность или энергию следующим образом:
или
где
CPL - длина траектории точки максимальной концентрации,
on
on
σ(λ) - эффективное сечение на длине волны λ,
off
off
σ(λ) - эффективное сечение на длине волны λ,
t
on
P(λ) - переданная мощность лазерного импульса,
t
off
P(λ) - переданная энергия лазерного импульса выключенной линии,
on
E(λ, R) - принятая энергия лазерного импульса включенной линии,
off
E(λ,R) - принятая энергия лазерного импульса выключенной линии,
on
ξ(R) - геометрический форм-фактор для длины волны включенной линии,
off
ξ(R) - геометрический форм-фактор для длины волны выключенной линии,
on
ξ(λ) - спектральная характеристика для длины волны включенной линии,
off
ξ(λ) - спектральная характеристика для длины волны выключенной линии,
on
ρ(λ) - отражающая способность фоновой поверхности для длины волны включенной линии,
off
ρ(λ) - отражающая способность фоновой поверхности для длины волны выключенной линии,
a
on
k(λ,r) - коэффициент ослабления в атмосфере для длины волны включенной линии,
a
off
k(λ,r) - коэффициент ослабления в атмосфере для длины волны выключенной линии,
R - дальность/высота/расстояние от датчика до мишени, и
t-bag
C - концентрация газа/флюида-мишени в атмосфере.
В вышеприведенных уравнениях для представления настоящего изобретения выбрана только одна газовая примесь. Для двух газовых примесей можно использовать лазерную систему типа DIAL с тремя линиями обнаружения утечки газа из трубопровода. Для трех газовых примесей можно использовать, например, лазерную систему типа DIAL с 4 или более линиями обнаружения утечки газа из трубопровода и т.д.
Целью вывода более общего уравнения DIAL (Уравнения 11) является указание того, что неточный выбор длины волны, разъюстировка, различие в размерах пятна пучка, частичное перекрывание пучков и изменчивость отражающей способности поверхности приводит к усложнению количественного обнаружения мишеней. Поэтому точность, устойчивость и повторяемость параметров системы, например длин волны, юстровки, размеров пятна пучка, перекрывания пучков и точности многомерных характеристик одной или нескольких мишеней, предусмотренных настоящим изобретением, повышают простоту, пригодность, устойчивость, чувствительность и производительность системы.
В общем случае, уравнение многомерной характеристики DIAL можно выразить в виде:
Вариант 1: эффективные сечения других мишеней на предварительно определенных длинах волны включенной линии и выключенной линии для выбранной мишени равны нулю:
Вариант 2: эффективные сечения других мишеней на предварительно определенных длинах волны включенной линии и выключенной линии для выбранной мишени не равны нулю:
l
где i обозначает i-ю длину волны, l - l-й материал, и CPL - длину траектории точки максимальной концентрации для материала l соответственно. Тогда в M-мерном пространстве
Наблюдаемые сигналы включают в себя мультипликативный и аддитивный шум в виде:
Y = (Multiplicative_Noise)*X+Additive_Noise
Оптимальная оценка максимального правдоподобия для CPL в многомерном пространстве задана следующим уравнением (12):
На фиг.2A показана лазерная система типа DIAL с настройкой на множественные линии, обозначенная как целое 200. Показано, что лазерная система 200 типа DIAL с настройкой на множественные линии включает в себя N лазеров, из которых M являются лазерами включенной линии и L являются лазерами выключенной линии (N=M+L).
Например, лазер 220 первой линии может представлять собой лазер включенной линии, используемый для первой газовой примеси-мишени, лазер 295 второй линии может представлять собой второй лазер включенной линии, используемый для второй газовой примеси-мишени, и т.д. В одном варианте осуществления изобретения, лазер 212 N-й линии может представлять собой лазер выключенной линии, используемый для идентификации фоновой мишени. Для N лазеров линии, показанных на фиг.2, можно использовать и другие комбинации лазеров включенной линии и лазеров выключенной линии. N лазеров линии можно, соответственно, привязывать к N разным длинам волны посредством усилителей 210, 265 привязки к линии и т.д. и 211.
Для удаления другой изменчивости параметров системы можно использовать более одного лазера выключенной линии. Например, изменчивость отражающей способности типа покрытия поверхности (фона) можно удалить для получения более простого и надежного уравнения DIAL с множественными линиями.
Согласно объему настоящего изобретения предполагается, что, помимо лазеров, можно использовать и другие типы оптических источников. Кроме того, длину волны включенной линии можно выбирать вблизи пика характеристики оптического поглощения газа-мишени и длину волны выключенной линии можно выбирать вблизи длины волны крыла оптического поглощения газа-мишени.
Множественные лазерные пучки включенной линии и выключенной линии соответственно объединяются объединителем 240 для формирования объединенного лазерного пучка 230. Объединенный лазерный пучок отражается зеркалом 250 в оптику 202 для формирования выходного лазерного пучка 204.
Для области, представляющей интерес, газовые примеси в атмосфере, вблизи земли, можно последовательно сканировать оптикой 202. Выходной лазерный пучок 204 рассеивается, пропускается и/или отражается для формирования возвратного света 270. Возвратный свет 270 проходит через набор делителей пучка 280, а затем поступает на набор фильтров 290. Этот набор фильтров настроен, соответственно, на пропускание каждой из множественных длин волны включенной линии и выключенной линии. Набор детекторов 205 преобразует каждый из фильтрованных световых пучков в соответствующий электрический сигнал. Электрические сигналы усиливаются усилителем 215 и преобразуются в цифровые сигналы набором аналого-цифровых (А/Ц) преобразователей 225. Оцифрованные сигналы обрабатываются и анализируются компьютером 235 для идентификации и количественного измерения одной или нескольких мишеней. Эти мишени регистрируются на основании выбранных оператором спектральных характеристик поглощения и на основании выбранных оператором спектральных характеристик отсутствия поглощения фоновых мишеней.
На фиг.2B показана лазерная система DIAL с настройкой на множественные линии, обозначенная в целом 2000. Показано, что система обеспечивает M выходов лазера включенной линии и L выходов лазера выключенной линии. M лазеров включенной линии включают в себя лазер 2002 первой включенной линии, лазер 2004 второй включенной линии, лазер 2006 третьей включенной линии, и т.д., и лазер 2008 N-й включенной линии. M лазеров включенной линии привязаны к M разным длинам волны первым блоком 2001 привязки лазера к включенной линии, вторым блоком 2003 привязки лазера к включенной линии, третьим блоком 2005 привязки лазера к включенной линии и т.д., и M-м блоком 2007 привязки лазера к включенной линии соответственно.
Система 2000 также включает в себя L лазеров выключенной линии. Показано, что система 2000 включает в себя лазер 2010 первой выключенной линии, лазер 2012 второй выключенной линии и т.д., и лазер 2014 L-й выключенной линии. L лазеров выключенной линии привязаны к L разным длинам волны первым блоком 2009 привязки лазера к выключенной линии, вторым блоком 2011 привязки лазера к выключенной линии и т.д., и L-м блоком 2013 привязки лазера к выключенной линии соответственно. Как описано со ссылкой на фиг.2A, комбинация M лазеров включенной линии и L лазеров выключенной линии составляет в целом N лазеров линии, включенных в систему 2000.
M лазеров включенной линии и L лазеров выключенной линии обеспечивают выходные пучки, объединяемые объединителем 2015 для создания объединенного выходного пучка. Объединенный выходной пучок поступает через делитель 2017 на передающую/приемную оптику 2016, которая в свою очередь выдает выходной передаваемый пучок на мишени. Аналогичным образом, принимаемый пучок принимается передающей/приемной оптикой 2016 и поступает на приемник 2017 через делитель 2017.
На фиг.3, в порядке примера лазерной системы с множественными линиями, показана блок-схема лазерной системы типа DIAL обнаружения утечки газа из трубопровода с тремя линиями. Показано, что три лазерных источника для длины волны выключенной линии и двух длин волны включенной линии, обозначенные 310, 320 и 330, соответственно делятся тремя делителями пучка 340 между измерителями 370 мощности, голографической решеткой 355 и подсистемой 360 газовой ячейки.
Коллинеарные пучки 312, сформированные голографической решеткой 355, поступают на пространственный фильтр и расширитель 314 пучка для создания коллимированного расширенного пучка в качестве фиксированного конечного источника. Любые дрейфы, которые могут происходить в юстировке лазеров, легко выявляются в виде различий передаваемой энергии импульса и не влияют на измерения длины траектории точки максимальной концентрации газа. Затем пучок источника с множественными длинами волны перенаправляется зеркалами 316 оптического пути и быстрым зеркалом 318 сканирования с гальванометрическим приводом. Наконец пучок передается для освещения земли через большую апертуру, медленное зеркало 322 сканирования, которое также используется для компенсации полосы сканирования в связи с ошибками тангажа и крена самолета.
Поскольку быстрое зеркало 318 сканирования с гальванометрическим приводом отклоняется на полный угол 25 градусов, например, пучок от источника отклоняется на 50 градусов на входе телескопа 308. Телескоп 308 обеспечивает полный угол отклонения передаваемого пучка в 5 градусов и трассирует полосу на земле шириной 35 м, обозначенную позицией 326, на основании пятна 332 лазерного пучка (дополнительная угловая ширина включена для компенсации угла сноса самолета). Рассеянный свет из зоны 328 покрытия приемника возвращается и входит в полную апертуру телескопа через медленное зеркало коррекции следа. Быстрое зеркало 318 сканирования с гальванометрическим приводом также отражает принятый свет в выходной зрачок. Таким образом, быстрое зеркало 318 сканирования с гальванометрическим приводом сдвигает поле зрения (FOV) приемника (эквивалентно сдвигу зоны 328 покрытия приемника на земле) синхронно с оптической осью передаваемого пучка.
Принятый свет проходит через делитель 311 пучка и через узкополосный интерференционный фильтр 306. Затем фильтрованный свет 304 регистрируется детектором 302 и усиливается усилителем 390. Усиленный сигнал 380 цифруется А/Ц преобразователем 346.
Для мониторинга стабильности трех привязанных длин волны часть энергии пучка от лазерных источников 320 и 330 включенной линии отводится в подсистему 360 газовой ячейки в качестве пучка 350. Газовая ячейка 365 пропускает только выбранные линии лазера, и два детектора 385 преобразуют лазер свет в аналоговые сигналы, которые потом поступают на интеграторы (измерители энергии) 375 для сравнения энергии, прошедшей через известную газовую ячейку 365, с энергией, обошедшей известную газовую ячейку 365. Интегрированные лазерные энергии, в качестве двух аналоговых сигналов, цифруются низкочастотными А/Ц преобразователями 395 и выводятся на систему 348 компьютерного управления, сбора и анализа.
Завершая описание фиг.3, заметим, что контроллер 344 сканера управляет быстрым зеркалом 318 сканирования и медленным зеркалом 322 сканирования. База данных 342 позиций трубопровода и подсистема 352 определения траектории полета и наведения лазера выдают позиционные данные трубопровода и данные траектории полета в систему 348 компьютерного управления, сбора и анализа. Принятый сигнал, после регистрации и усиления, направляется на А/Ц преобразователь 1146 через сигнальную линию 1180. После оцифровки принятый сигнал направляется в систему 1148 компьютерного управления, сбора и анализа. Показано также, что система 1148 может выбирать, настраивать и регулировать длины волны каждого из лазеров 1110, 1120 и 1130.
Поскольку система, отвечающая изобретению, может располагаться на движущейся авиационной платформе, множественные лазерные импульсы, в идеальном случае, должны передаваться одновременно, поэтому все импульсы должны попадать в одно и то же оптическое пятно. Однако автор изобретения установил, что множественные лазерные импульсы, например три лазерных импульса, используемые для представления лазерной системы с тремя линиями, показанной на фиг.3, могут иметь ширину импульса около 20 наносекунд каждый и промежуток времени между импульсами около 100 наносекунд. Эти три импульса можно объединять, как описано ниже, в одну оптическую цепочку в виде триплетного набора импульсов.
На фиг.4A, 4B и 4C показана временная диаграмма иллюстративной лазерной системы с тремя линиями, которая передает триплетный набор импульсов согласно настоящему изобретению. Согласно фиг.4A один триплетный набор импульсов включает в себя импульс включенной линии метана, импульс включенной линии этана и импульс выключенной линии, которые передаются к земле. Каждый импульс имеет ширину около 20 нс и промежуток времени между импульсами около 100 нс. Согласно фиг.4B для дальности передачи и приема около 500 метров проходит около 3,5 микросекунд между моментом передачи триплетного набора импульсов и моментом приема триплетного набора импульсов. Уменьшение амплитуды принятых импульсов метана и этана свидетельствует о поглощении энергии согласно характеристикам поглощения двух газовых примесей. Как показано на фиг.4C, иллюстративный интервал повторения импульса может составлять 1,0 мс, и частота повторения импульса (PRF) может составлять 1000 Гц.
На фиг.5 показана схема иллюстративного распределения лазерного пучка, сформированного затравочным лазером «метеор». Пучок 702 затравочного лазера «метеор» расщепляется пополам делителем 704 пучка с образованием лазерных пучков 706 и 708. Лазерный пучок 708 расщепляется пополам делителем 710 пучка с образованием лазерных пучков 712 и 714. Лазерный пучок 712 направляется на блок 716 диагностики, и лазерный пучок 714 направляется на первый из N передающих модулей. Лазерный пучок 706 расщепляется делителем пучка 718 с образованием лазерного пучка 720 и лазерного пучка 722. Лазерный пучок 720 направляется на второй из N передающих модулей. Лазерный пучок 722 направляется на третий из N передающих модулей. Взаимодействие между затравочным лазером «метеор» и двумя другими лазерами для формирования единого источника для передачи (например, одной передачи из N передач) описано со ссылкой на фиг.6.
На фиг.6 показана блок-схема иллюстративного варианта осуществления изобретения, демонстрирующая использование трех лазеров для создания окончательного лазерного пучка (источника #1) согласно варианту осуществления настоящего изобретения. На фиг.6 показаны N передающих модулей, каждый из которых обозначенный 800. Для простоты объяснения, один передающий модуль 800 показан подробно. Показано, что контроллер 845 «метеора» управляет затравочным лазером 805 «метеор» для ввода затравочного лазерного пучка длиной волны 1047 нм в лазерный резонатор. Длина лазерного резонатора привязывается генератором, управляемым напряжением (не показан), для поддержания регулировки затравочного лазера «метеор» на длине волны 1047 нм. Этот лазер непрерывной волны (CW) затем оптически привязывается (оптическая привязка #1) PZT (пьезоэлектрическим преобразователем), на котором смонтирован выходной объединитель. Оптическая привязка #1 поддерживается с использованием метода вибрации и привязки, согласно которому сообщают PZT вибрацию частотой >10 кГц и используют сигнал резонансного детектора для получения коррекционного сигнала PZT.
Контроллер 890 тока диода и контроллер 810 температуры диода регулируют выход лазера 850 с диодной накачкой на длине волны 805 нм. Выход лазера (850) с диодной накачкой 805 нм коллимируется и фокусируется на стержень Nd:YLF 860 для обеспечения лазерного усиления. Контроллер 820 ЭО переключателя добротности и температурный стабилизатор 830 переключают добротность стержня Nd:YLF с помощью ячейки Поккельса на основе KDP (дигидрофосфата калия) для создания импульсного лазерного выхода на длине волны 1047 нм. Стержень Nd:YLF накачивается в течение приблизительно 300-400 микросекунд до выключения накачки 805 нм и затем поджигается переключателем добротности. Четвертьволновая пластина (не показана) регулируется для обеспечения достаточных потерь для сбоя когерентности лазера, т.е. предотвращения лазерной генерации, пока переключатель добротности включен. Полная длина резонатора (расстояние от HR до OC) равна приблизительно 20-25 см.
Импульсный пучок лазера Nd:YLF с длиной волны 1047 нм из стержня 860 оптически передается в оптический параметрический генератор/оптический параметрический усилитель (OPO-OPA 870). OPO-OPA это 4-зеркальный кольцевой резонатор, содержащий два кристалла PPLN (периодически поляризованного ниобата лития). Первый кристалл (OPO) выбран для создания света с длинами волны приблизительно 3400 нм и приблизительно 1510 нм из накачки 1047 нм, а второй кристалл (OPA) выбран для создания света с длинами волны приблизительно 3400 нм и приблизительно 2700 нм с накачкой приблизительно 1510 нм. Полость резонирует на длине волны приблизительно 1510 нм, и затравка вводится на этой длине волны через выходной объединитель. Длина резонатора привязывается (оптическая привязка #2) к затравочной частоте с использованием техники Паунда-Ревера-Холла (PDH) с модуляцией РЧ (радиочастотой) затравочного диодного лазера с длиной волны приблизительно 1510 нм. Одно из четырех зеркал резонатора смонтировано на PZT для обеспечения тонкой настройки длины резонатора. Полная длина резонатора равна приблизительно 8 см.
В результате, каждый из передающих модулей 800 создает лазерный импульс длительностью 20 наносекунд на длине волны приблизительно 3400 нм, который фильтруется пространственным фильтром 880. Благодаря регулировке хронирования, обеспечиваемой компьютером 235 (фиг.2A), и оптическому объединению, обеспечиваемому объединителем пучков, показанным на фиг.7, импульсы от каждого из передающих модулей 800 объединяются в N-импульсный набор (триплетный набор на фиг.4A). Импульсные наборы можно генерировать с частотой (PRF) в пределах от около 1000 Гц до около 2000 Гц.
Длина волны приблизительно 3400 нм трех выходных импульсов системы критически важна. Для поддержания длины волны часть передаваемой лазерной энергии отводится из главного лазерного пути через и в обход эталонной газовой ячейки (например, 835) на два детектора MWIR. Эти детекторы затем используются согласно методу вибрации и привязки (блок оптической привязки #3) для привязки импульсного выхода OPO-OPA к признаку поглощения в газе (посредством модулей 875, 865 и 815 на фиг.6).
Передающий модуль #1 может вырабатывать лазерный импульс с длиной волны 3429,0 нм, передающий модуль #2 может вырабатывать лазерный импульс с длиной волны 3389,0 нм и передатчик #3 может вырабатывать лазерный импульс с длиной волны 3336,8 нм для длин волны включенной линии (метан), выключенной линии и включенной линии (этан) соответственно.
После выработки трех лазерных импульсов согласно иллюстративному варианту осуществления изобретения с тремя линиями импульсы объединяются объединителем пучков. На фиг.7 показана схема иллюстративного варианта осуществления объединителя пучков согласно варианту осуществления настоящего изобретения. Три пучка 902, 904 и 906 (выбранные для метана, сигнала выключенной линии и этана) увеличиваются за счет естественного расширения пучка оптическим параметрическим усилителем (OPA), с коэффициентом усиления 3, и пропускаются через оптроны 920, 922 и 924. Затем пучки пропускаются через линзы 926, 928 и 930 соответственно и маску 908.
Автор изобретения установил, что можно использовать длину пути приблизительно 250 мм от каждого OPA к каждой соответствующей линзе. Автор изобретения также определил, что можно использовать диаметр приблизительно 7,0 мм для каждой линзы 926, 928 и 930. Предполагается, что можно использовать линзы, имеющие другой диаметр и другие длины пути. Автор изобретения также определил, что можно использовать длину приблизительно 7,5 мм между центрами линз.
Согласно фиг.7, метановый пучок 902 и этановый пучок 906 перенаправляются отражателями 914 и 916 соответственно к отражателю 918. Все три пучка перенаправляются отражателем 918 через линзы 926, 928 и 930 к маске 908.
Маска 908 включает в себя три апертуры 932, 934 и 936, каждая из которых имеет диаметр около 5,5 мм, через которые могут проходить пучки. Автор изобретения установил, что можно использовать длину приблизительно 7,5 мм между центрами апертур. Апертуры 932, 934 и 936 расположены в виде треугольника в круглой области (908) диаметром около 1,15 см, как показано на фиг.8A.
Продолжая описание фиг.7, заметим, что пучки 902, 904 и 906 фокусируются линзой 938 через фокальную апертуру 912 пространственного фильтра 910. Пространственный фильтр 910, имеющий диаметр приблизительно 325 микрон, влияет на юстировку трех пучков (902, 904 и 906) и генерирует четкую область перекрытия расширенных пучков. Автор изобретения установил, что фокус фильтра в пределах приблизительно 0,5 мм можно использовать для мишени на дальности около 500 м. Общая фокальная апертура 912 для трех пучков (902, 904 и 906) и маска 908 точно задают перекрытие пучков на дальности мишени.
Разъюстировка между входными пучками 902, 904 и 906 вследствие, например, блуждания лазера от импульса к импульсу, термических напряжений скамьи или погрешностей начальной юстировки может проявляться в потерях при передаче энергии для разъюстированных пучков, а не в изменении распределения освещения земли. Таким образом, потенциальные ошибки длины траектории точки максимальной концентрации эффективно преобразуются в плавные флуктуации энергии передаваемых импульсов. Флуктуации энергии не влияют на калибровку и могут измеряться мониторами энергии импульса.
Пучки 902, 904 и 906, прошедшие через апертуру 912, поступают на коллимационную линзу 940, где они выравниваются параллельно друг другу. Автор изобретения установил, что расстояние около 125 мм между фокусирующей линзой 938 и пространственным фильтром 912 и расстояние около 250 мм между пространственным фильтром 912 и линзой 940 позволяют правильно коллимировать три пучка. Часть каждого пучка 902, 904 и 906 отражается отборником 942 пучка на газовую ячейку и детектор 946. Оставшаяся энергия каждого пучка 902, 904 и 906 направляется к земле посредством телескопа и сканирующего устройства 944. С высоты около 500 м формируется пятно на земле диаметром приблизительно 0,65 м.
Как описано выше, лазерная система с тремя линиями используется в порядке примера лазерной системы с множественными линиями. Соответственно, маска 908, показанная на фиг.7, включает в себя три апертуры 932, 934 и 936, как показано на фиг.8A. В зависимости от нужного количества лазерных пучков можно использовать другие иллюстративные маски. На фиг.8B и 8C показаны иллюстративные варианты осуществления масок для объединения четырех и пяти пучков соответственно.
Маска, показанная на фиг.8A, объединяет три пучка согласно описанному выше. На фиг.8A показаны три апертуры 1002 в маске 1000. На фиг.8B показаны четыре апертуры 1006 в маске 1004, которую можно использовать в лазерной системе с четырьмя линиями. На фиг.8C показано пять апертур 1010 в маске 1008, которую можно использовать в лазерной системе с пятью линиями. Хотя маски, показанные на фиг.8A и 8B, выполнены в виде круга, предполагается, что маски могут иметь и другие конфигурации. Кроме того, предполагается, что расстояние между апертурами может быть разным. Например, апертуры могут располагаться по кругу 1012 с центром вблизи оси 1014, как показано на фиг.8A и 8B.
Хотя изобретение проиллюстрировано и описано здесь со ссылкой на конкретные варианты осуществления, изобретение не предусматривает ограничения показанными деталями. Напротив, можно предусмотреть различные модификации, касающиеся деталей, в пределах объема и круга эквивалентов формулы изобретения и без отхода от сущности изобретения.