способ дистанционного обнаружения экологически опасных газов

Формула изобретения

Способ дистанционного обнаружения экологически опасных газов, включающий последовательное облучение места предполагаемого появления опасных газов лазерным излучением с длиной волны, попадающей в полосу поглощения опасных газов, регистрацию отраженного излучения и формирование видеосигналов, отличающийся тем, что облучение и регистрацию отраженного излучения производят в мгновенном угловом поле зрения после чего формируют первый видеосигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n-1) и n-м шагах обзора к их сумме, затем формируют второй видеосигнал, пропорциональный отношению разности интенсивности отраженного излучения в (n+1)- и n-м шагах обзора к их сумме, и при наличии сформированных видеосигналов определяют присутствие или отсутствие опасных газов, а по амплитуде видеосигналов определяют концентрацию опасных газов, где d - предполагаемый диаметр облака опасных газов, L - расстояние от источника облучения до облака опасных газов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к лазерным дистанционным методам диагностики, экологическому мониторингу и может быть использовано для обнаружения и измерения концентрации опасных газов в местах аварийного или несанкционированного их появления: при авариях, разгерметизации магистральных газопроводов, технологического оборудования для добычи, хранения и использования природного газа, при возникновении утечки газа в жилых районах, производственных и жилых помещениях, шахтах, карьерах и т.д.

Известен способ обнаружения утечек метана [1], заключающийся в подсветке участка трубопровода лазерным излучением на двух длинах волн, одна из которых ₁ = 3,3922 мкм попадает в центр полосы поглощения метана, а другая ₂ = 3,3912 мкм лежит на крыле полосы поглощения, регистрации рассеянного поверхностью излучения на обеих длинах волн, формировании видеосигнала, пропорционального отношению интенсивностей излучения, зарегистрированного на каждой длине волны и сравнении видеосигнала с априорно заданным порогом.

При малом пороге обнаружения такой метод дает значительное количество ложных срабатываний, определяемых флуктуациями фоновой концентрации атмосферного метана и водяных паров. При большом пороге обнаружения число ложных срабатываний уменьшается, но одновременно увеличивается вероятность пропуска утечки, т.е. уменьшается вероятность обнаружения.

Наиболее близким по технической сущности - прототипом - является способ обнаружения утечки природного газа из трубопроводов [2], включающий облучение места предполагаемого появления опасных газов дифференциальной парой импульсов лазерного излучения, регистрацию отраженного излучения и формирование разностного видеосигнала. Этот способ позволяет с большой точностью определять место утечки метана и оценивать степень взрывоопасности облака газа, однако, обладает теми же недостатками, что и способ [1].

С помощью предлагаемого изобретения достигается технический результат, заключающийся в увеличении вероятности обнаружения опасных газов при одновременном уменьшении вероятности ложных срабатываний (тревог).

В соответствии с предлагаемым изобретением технический результат достигается тем, что в способе дистанционного обнаружения экологически опасных газов, включающем последовательное облучение места предполагаемого появления опасных газов лазерным излучением с длиной волны, попадающей в полосу поглощения опасных газов, регистрацию отраженного излучения и формирование видеосигналов, облучение и регистрацию отраженного излучения производят в мгновенном угловом поле зрения после чего формируют первый видеосигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n - 1)- и n-м шагах обзора к их сумме, затем формируют второй сигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n+1)- и n-м шагах обзора к их сумме и при наличии сформированных видеосигналов определяют присутствие или отсутствие опасных газов, а по амплитуде видеосигналов определяют концентрацию опасных газов, где d - предполагаемый (априорный) диаметр облака опасных газов, L - расстояние от источника облучения до облака опасных газов.

Рассмотрим обнаружение опасных газов с помощью предлагаемого способа. Устройство для осуществления способа показано на чертеже где обозначено: 1 - отражающая поверхность, 2 - фоновое распределение опасных газов, 3 - облако опасных газов, 4-6 - зоны облучения на (n-1)-м, n-м, (n+1)-м шагах обзора, 7 - лазер, работающий на длине волны, попадающей в полосу поглощения опасных газов, 8 - приемо-передающий телескоп, 9 - фотоприемное устройство, 10 - устройство обработки и хранения информации, 11, 12 - видеосигналы обнаружения опасных газов и определения их концентрации.

Способ осуществляется следующим образом:

Зондирующее излучение лазера 7 на длине волны обнаруживаемого опасного газа сканирует предполагаемые места нахождения утечек с шагом, равным углу поля зрения ~d/L, где d - предполагаемый размер облака опасного газа, a L - расстояние от источника зондирующего излучения до облака. Отраженное от подстилающей поверхности излучение регистрируется с помощью приемо-передающего телескопа 8 в том же угле поля зрения фотоприемником 9, при этом интенсивность принимаемого излучения определяется формулами:







где I - интенсивность принимаемого отраженного излучения;

P - излучаемая мощность;

_атм - коэффициент пропускания излучения атмосферой;

_ф - коэффициент пропусканий фона опасных газов;

_ог - коэффициент пропускания облака опасных газов;

К_отр - коэффициент отражения от отражающей поверхности;

S_тел - апертура приемного телескопа,

индекс "(n -1)" относится к параметрам на "(n -1)"-м шаге обзора, "n" - на "n"-м шаге обзора;

(n+1)- на (n +1)-м шаге обзора;

L - расстояние до подстилающей поверхности.

После этого формируют первый видеосигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n-1)-м и n-м шагах обзора к их сумме.

Величина 1-го видеосигнала равна



После этого формируют второй сигнал, пропорциональный отношению разности интенсивностей отраженного излучения в (n+1)-м и n-м шагах обзора к их сумме.

Величина 2-го видеосигнала равна



где _ог - величина затухания излучения в облаке опасных газов, пропорциональная концентрации опасных газов. Таким образом в предлагаемом способе уровень видеосигналов U₁, U₂ зависит только от наличия опасных газов и не зависит от уровня фона, т.е. в предложенном способе исключается (или уменьшается) влияние фонового уровня опасных газов, что увеличивает вероятность обнаружения облака утечки опасных газов при одновременном уменьшении вероятности ложных тревог.

Любое ненулевое значение сформированных видеосигналов определяет присутствие опасных газов, а значение уровня видеосигналов определяет концентрацию газов.

Дополнительно следует отметить, что предлагаемый способ существенно (~ в 2 раза) проще существующих, т.к. он работает на одной длине волны ₁, попадающей в полосу поглощения опасных газов, в нем нет необходимости применять опорный канал ₂, который по сложности эквивалентен основному каналу.

Источники информации, принятые во внимание:

1. В. Е. Косицын и др. Вертолетный лазерный локатор утечек метана "Поиск-2". Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", 1990 г., стр.380.

2. Патент России N 2017138, 30.07.94 г., МПК G 01 N 21/61.