[发明专利]机载天然气管道泄漏检测激光雷达的实时浓度标定方法

说明书

技术领域

本发明涉及光电仪器技术，具体指一种机载天然气管道泄漏检测激光雷达的实时浓度标定方法。

背景技术

据“2007中国石油天然气管道发展高峰论坛”发出的消息，近年来我们国家的能源消耗品中，天然气的消耗量逐年升高，已经超过煤炭成为仅次于石油的主要能源消耗品。中国已建和在建的天然气输送管道总长度已经有2.4万公里，据预计截至2010年底，我国天然气管道总长度将达到3.6万公里。专家指出，天然气管道泄漏现象严重，泄漏的天然气量一般大约要占输气总量的10％。天然气管道的泄漏不但给国家带来巨大的经济损失，同时对大气环境也将造成巨大破坏，这是因为天然气主要成分甲烷(分子式CH₄，约占天然气总量的92-98％)的“温室效应”是相同浓度二氧化碳(分子式CO₂)的22倍；另外天然气具有易燃性；随着管道使用年龄的增加，天然气管道泄漏带来的损失和安全威胁将日益加重。因此，必须发展高效、低成本的天然气管道泄漏监测技术来应对这一日益突出的现实问题。

传统的天然气管道泄漏监测方法是依靠手持探测器徒步探测，其特点是劳动强度大，效率低，成本高；基于直升机机载平台，在100-150米飞行高度上利用主动红外激光吸收光谱技术，结合GPS导航系统，进行高效、低成本探测的技术研究已经在国外有所报道。2000年以来，基于机载平台的监测技术在美国、德国和瑞士等国家已经得到重视和发展；研究表明，与传统方法相比，机载监测技术可以使得运行成本减少40％；美国能源部、德国鲁尔油气公司分别联合相关机构研制出了各自的机载监测仪器，并进行了试飞；瑞士PergamSuisse公司已经研制出可商业运作的机载监测仪器。目前该技术在国内尚属空白，考虑到我国天然气管道的发展现状和趋势，极有必要尽快发展该项技术的研究，以应对当前和未来的应用需求。

气体检测技术中非常重要的一个环节就是气体浓度的标定，目前大部分气体检测仪器，如日本手持式甲烷探测器LASERMETHANE等，一般都是“先标定，再测量”，即先在实验室用多个含有不同浓度标准气体的气体池作为探测目标，测得对应的实验结果，利用这些测量结果拟合出一条曲线，然后在实际测量应用中，根据接收光信号强度在曲线中找对应的气体浓度值。这种方法的弊端在于实验室标定的环境和实际测量的工作环境不同，会引入额外的测量误差，实时性也不强。中国科学院安徽光学精密机械研究所针对这种标定方法的不足，提出过一种适合实验室环境使用的参考气体浓度的标定待测气体浓度的方法，推导的公式是：

C_d＝K·(I_0rL_r/I_0dL_d)·C_r                    (1)

其中C_d是怀特池气体浓度，C_r是参考气体浓度，I_0r和I_0d是怀特池和参考池测量得到的反应光强的信号幅度，L_r和L_d是参考池和怀特池的光程，K是怀特池的二次谐波信号与参考池二次谐波信号进行回归分析得到的系数。这个方法的有几点不足的地方：(a)需要通过实验的方法得到参考池和待测气体池光程比的精确值，如果该值存在误差将直接影响测量结果；(b)K值需要在实验室经大量实验拟合得到。本发明对以上方法做了改进，提出了一种新的气体浓度实时标定方法，即用二次谐波与一次谐波的比值表征气体浓度值，再用参考气体浓度标定待测气体浓度。

发明内容

本发明的目的是在现有气体检测定标方法的基础上提出一种新的气体浓度实时标定方法，即在每次测量的同时由已知浓度的参考气体池实时标定出远距离待测气体的浓度。区别于传统气体检测的“先标定，后测量”的方法，这种标定和测量同时进行的实时浓度标定方法在工作效率，抗干扰性，实时性等方面具有明显的优势。

主动式探测技术的核心理论基础是基于气体的光谱吸收特性，即气体分子在不同的条件下，吸收或发射光谱的波长、强度、偏振态等情况和气体的结构特征有着固有的关系。气体的分子结构不同，对应不同的吸收光谱；同一种气体浓度不同时，在同一吸收位置的吸收度不同，因此通过检测气体对特定光的吸收程度，就可以确定气体的成分及浓度。根据发射光的初始能量和被气体吸收后探测到的能量就可以反演出气体含量，反演依据是Lambert-beer定律：