远距离定量探测天然气或油管流体泄漏的系统和方法技术方案

利用机载平台远距离定量探测从天然气或油管的流体泄漏的一种系统；包括至少一个激光光源，用于几乎同时地照射两种或多种目标流体和背景，其中两种或多种目标流体的特征在于两个或多个吸收波长，其中的背景具有不同于所述两种或多种流体中任意一种的波长。利用照射源在沿着路径的几何区域内扫描两种或多种目标流体的时候，这个照射源基于定位系统被定向。信号检波器利用定量信号处理来探测所述两种或多种目标流体。还包括控制器、路径规划和路径寻找工具用于机载平台的定位，以及通信器，用于传送检测到泄漏存在的情况。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
总的来说，本专利技术涉及光谱分析领域。具体而言，本专利技术涉及利用激光微分吸收对天然气和油管散发的示踪流体的光谱分析。
技术介绍
在本领域中地面地形的监视是众所周知的。在地面监视中，特别需要探测像道路、管线、电网这种人造物体或者实用目的的其它人造结构中是否存在材料破坏。探测到结构破坏的时候，相应的管理机构做出决定是否需要采取补救措施。常常是陆上工作人员通过视觉检查地面地形，通过乘坐车辆或者步行穿过一个区域，来确定是否有材料破坏问题。飞机或者卫星常常有图像捕获设备，比如电荷耦合器件(CCD)、互补金属氧化物半导体器件(CMOS)，或者辐射探测器，比如红外敏感探测器。众所周知也可以将机载摄影系统用于捕获地面相邻区域的图像。当电磁辐射与物质相互作用的时候，会出现几种现象，包括电磁辐射的散射、吸收、透射和反射。频谱或光谱分析包括作为波长、频率或时间的函数，按顺序仔细地检查、分析和表示涉及电磁辐射和物质的相互作用。在光谱分析期间，不同的材料呈现不同的散射、吸收、反射和透射特性。这些独特的特性是由材料的化学和物理结构决定的。利用已知的测试对象，测定一组这些独特特性达到给定的肯定性程度的时候，就可以将这些光谱结果叫做基准光谱特征或者基准光谱。从特性上讲，天然气包含甲烷、乙烷和少量其它气体的混合物。有机物质分解产生的气体，以后叫做沼气，只包含甲烷。特别需要能够区分作为管线或者容器中的破坏的结果释放的气体与散发的沼气，从而避免虚警的任何天然气探测方法。油管包含具有足够浓度的挥发性溶解气体化合物，包括甲烷、乙烷和丙烷。油管在压力下工作，泄漏和伴随的压力下降导致挥发性的化合物逸出，从而提供了一种泄漏探测手段。可以用各种手段将电磁辐射导向测试对象。通常采用激光，但是也可以采用其它手段，例如无线电和微波电磁能量天线的使用。下文中，将电磁辐射导向测试对象的时候，其就叫做照明体。探测气管和油管破坏的时候有一个特殊难题，因为气管或油管典型的是埋在地下的。在这种情况下，很难对管线中的任何破坏进行直接视觉评估。当管线内容物的泄漏证明破坏确实发生的时候，泄漏的材料产生特征痕迹或者信号。典型情况下，目前管线破坏是通过人员定期、高成本地沿着管线步行，利用某些手段来探测从管线散发的痕迹来确定的。气体会逸出管线，穿过地下土壤到达地表，然后散发到大气中。因此，可以监视大气来发现逸出管线的气体。大气中探测到的气体与管线泄漏之间的联系可以是直接或间接的。直接联系的一个实例是从地表油管或气管到大气中的特殊碳氢化合物气体的释放。天然气包括两种主要成分，甲烷和乙烷，按相当固定的比例混合。对这两种成分的测量以及正确浓度比的确认直接表明管线泄漏的存在。在这种情况下，联系是直接的，因为气体成分本身泄漏到大气中，虽然有可能成分发生了变化。类似地，输送气体的管线的内容物的其它挥发性成分也是能够探测的，并且将表明存在泄漏。甲烷从煤的热或者生物分解产生。探测到的气体(甲烷)与自然资源(煤)的不同，“间接”这个术语就是用来描述这种联系的。“间接联系”这个术语并没有该联系的科学基础非常微弱的意思。在科学文献中很好地描述了将煤转换成甲烷的过程。对于油管或者石油管线，特定挥发性成分的释放表明液体泄漏的存在，因此构成管线破坏的间接证据。激光吸收光谱法(LAS)是一种在其它技术无能为力的多种情形下量化分子浓度的灵敏手段，特别是在遥感应用中。LAS的主要优点是测量是在“现场”完成的，这样就能够在多种环境下以良好的空间分辨率快速测量。对于吸收实验，透射光强I(v，x)与初始光强I0(v，x＝0)之比按照Beer定律与吸收浓度n相关I(v，x)/I0(v，x＝0)＝e-nxσ(v)将频率v处的分子截面表示为σ(v)，将激光传播的路程长度表示为x。对于I(v，x)/I0(v，x＝0)测量的任何给定的信噪比(SNR)，可以通过增加路径长度来提高测量灵敏度。有多个现有技术专利利用激光装置来探测大气中的示踪气体。这些基于激光的系统中的一些在微波或者紫外波长区域工作。这些基于激光的系统不象本学科专利技术一样在中红外波长范围工作。之所以讨论下面的一些专利是因为其中描述的基于激光的系统在探测碳氢化合物气体时也工作在中红外波长区域。在Murray等公开的4,450,356号美国专利中，将频率混合二氧化碳(CO2)激光光束用于大气中气体的远距离探测。这种激光光束系统采用晶体频率倍频和和频产生接近三微米的波长。公开了选择许多波长的装置，但是仅仅公开了将两种中红外波长输送到地形目标。CO2激光器是连续不可调的，并且在与可接受的甲烷和乙烷谱线一致的波长上缺少强谱线。在Grant等的4,489,239号美国专利里，描述了用于探测甲烷气体管线泄漏的一种25米近距离便携式激光遥感器。该系统需要使用两个独立的氦氖(He-Ne)激光器。这两个激光器在两个不同的开、关甲烷特征波长上工作，其中每一个波长都是固定的。氦氖激光器通常是不可调谐的，也没有固体激光器效率高和可靠。类似地，在美国专利出版物公开2003/0030001A1中，Cooper等公开了采用可调谐二极管激光器来探测大气中的气体。该系统不允许实时补偿背景目标反射率的变化，也不能几乎同时测量多种气体，而这是对探测管线泄漏的扫描和遥感系统至关重要的要求。在美国专利4,871,916中，Scott描述了一种激光系统，这种激光系统采用钕激光器来遥感大气中的甲烷，以探测矿井内接近危险或者爆炸程度的状况。在该系统中，波长区域接近1.318微米。该系统只公开了甲烷的探测，不允许实时补偿背景目标反射率的变化。在转让给Geiger的美国专利5,157,257和5,250,810中描述了一种中红外DIAL系统。这种特定系统采用由波长为2.2～2.4或者3.1～3.5微米的六个不同的脉冲激光器形成的六个不同的相干光束来探测轻质碳氢化合物。这六个相干光束是完全时间复用的，并且通过选择性偏振合并成单独一个光束。为偏振使用了石英晶体。石英晶体很容易被高能激光脉冲损坏，并且该系统的复杂性不适合于野外使用，特别是在机载遥感应用中。还有，激光谱线宽度太宽，不能分辨许多关键气体的吸收带。在转让给Wamsley等的6,509,566B1号美国专利中，也描述了用于油气勘探的一种中红外DIAL系统。公开的这种系统包括单一的Cr:LiSAF激光器，它具有一个氢拉曼单元，用来产生适合于碳氢化合物探测的范围内的波长。这种激光器是水冷的，在单一波长上连续可调。该系统不能方便地允许实时补偿背景目标反射率的变化，也不允许同时探测其它气体。此外，这个单一的激光频率要参照一个外部频率计，因此，会发生漂移，这种漂移会给系统中的电子组件带来不利影响。本专利技术要解决的问题通常用管线来输送石油或者油、天然气、精炼石油或者气体产品、化学品、矿砂浆和其它流体或流态化物质或混合物。上述基于激光的系统几乎不能同时地探测多种气体，例如在天然气管线中的甲烷和乙烷。它们也不补偿背景或目标反射率的变化。另外，不能将不能连续调谐的激光器特别定制成探测各种气体。虚警一直困扰着上述现有技术的系统，并且它们探测多种气体的灵敏度是有疑问的。大气中出现的其它示踪气体也会干扰利用这些现有技术的基于激光的系统来探测天然气。
技术实现思路
本专利技术的目的是通过提供一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用机载平台远距离探测天然气或油管流体泄漏的系统，该系统包括：ａ）至少两个激光光源，用于充分照射一种或多种目标流体的目标区域和背景，其中所述一种或多种目标流体包括一个或多个吸收波长，并且所述背景包括与所述一种或多种目标流体中任意一个都不相同的波长；ｂ）用于为所述光源中的每一个产生和改变对应于所述一种或多种目标流体的每一种以及所述背景的选定波长的装置；ｃ）基于定位系统将所述激光光源定向的装置；ｄ）沿着路径，在几何区域内扫描所述激光光源的装置；ｅ）探测所述一种或多种目标流体的装置；ｆ）为所述机载平台的定位进行路径规划和路径寻找的装置；和ｇ）将检测到所述天然气或油管存在泄漏的情况传送出去的装置。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡什曼德M卡拉耶，古斯塔沃R帕斯皮耶尔特，约翰P斯普豪尔，
申请(专利权)人：ITT制造企业公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]