Система и способ дистанционного количественного обнаружения утечек флюида в трубопроводе природного газа или нефти

Система и способ дистанционного количественного обнаружения утечек флюида в трубопроводе природного газа или нефти

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Изобретение относится в целом к области спектроскопического анализа. Более конкретно изобретение относится к спектроскопическому анализу утечек флюидов из трубопроводов природного газа и нефти с использованием лазерного дифференциального поглощения.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Ведение наблюдения за топографией участка хорошо известно в технике. При наблюдении за участком весьма желательно обнаруживать, не произошло ли существенное повреждение на объекте искусственного происхождения, таком как дорога, трубопровод, электросеть, или другом искусственном сооружении практической важности. При обнаружении повреждения конструкции надлежащие полномочные органы принимают решение о необходимости восстановительных мероприятий. Для этого используется наземная бригада, многократно проводящая визуальную проверку топографии участка, передвигаясь по району на транспортном средстве или пешком, чтобы обнаружить, есть ли существенное повреждение. Также с этой целью самолеты или спутники используют устройство съемки изображений, например, на устройстве с зарядовой связью (ПЗС), комплементарном металл-оксидном полупроводниковом (КМОП) устройстве, или детектор излучения, такой, как чувствительный инфракрасный приемник. Хорошо известно, что бортовые системы фотосъемки также могут использоваться для съемки изображений смежных с участком областей.

При взаимодействии электромагнитного излучения с веществом могут происходить некоторые явления, такие как 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 функции длины волны, частоты или времени. В ходе спектроскопического анализа различные материалы проявляют различные свойства рассеяния, поглощения, отражения и пропускания. Эти характерные свойства определяются химической и физической структурой веществ. Если совокупность этих характерных свойств определяется с заданным уровнем достоверности так, как при использовании известных тестовых объектов, то эти спектроскопические результаты могут определяться как эталонные спектральные сигнатуры или эталонные спектры.

Природный газ, типично, содержит смесь метана, этана и малые количества других газов. Газ, образуемый при разложении органического вещества, называемый далее болотным газом, содержит только метан. Весьма желательно, чтобы любой способ обнаружения природного газа позволял проводить различие между газами, выделяющимися в результате повреждения трубопровода или емкости для хранения, и выделяющимися болотными газами и, тем самым, избегать ложных тревог.

В нефтепроводах содержатся значительные концентрации летучих растворенных газовых соединений, включающих в себя метан, этан и пропан. Нефтепроводы работают под давлением; в результате утечек и сопутствующего падения давления летучие компоненты улетучиваются, что позволяет обнаруживать утечки. Электромагнитное излучение может направляться на объект исследования любым из множества средств. Обычно используются лазеры, но могут использоваться и другие средства такие, как антенны для излучения электромагнитной энергии радио и микроволнового диапазона. В дальнейшем, при описании электромагнитного излучения, направляемого на объект исследования, оно упоминается как облучатель.

При обнаружении повреждений в трубопроводах газа и нефти существует конкретная проблема, связанная с тем, что газопровод или нефтепровод обычно заглублен ниже уровня грунта. В таких случаях трудно осуществить прямую визуальную оценку каких-либо повреждений трубопровода. Когда повреждения происходят, они обнаруживаются посредством утечки содержимого трубопровода, причем просачивающееся вещество формирует характерный след или сигнал. Обычно повреждения в трубопроводах в настоящее время определяются путем периодического, связанного с высокими затратами осмотра трубопровода обслуживающим персоналом с применением некоторых средств обнаружения следовых количеств вещества, выделяющегося из трубопровода. Газы могут улетучиваться из трубопровода и мигрировать через почвенный покров на поверхность, и далее в атмосферу. Следовательно, атмосфера может контролироваться на присутствие газов, улетучившихся из трубопровода. Связь газов, обнаруженных в атмосфере, с утечкой в трубопроводе может быть прямой или косвенной. Примером прямой связи является выделение конкретных углеводородных газов в атмосферу из подповерхностных нефте- и газопроводов. Природный газ состоит из двух основных компонентов, метана и этана, с довольно постоянным количественным соотношением в смеси. Измерение обоих компонентов и подтверждение соответствующего отношения концентраций прямо устанавливает наличие утечки в трубопроводе. В этом случае связь - прямая, потому что газовые компоненты сами, хотя и в потенциально измененном составе, выделяются в атмосферу. Подобным образом могут обнаруживаться другие летучие компоненты содержимого газоносных трубопроводов, указывая на наличие утечки. Метан образуется при тепловом или биологическом разложении угля. Обнаруживаемый газ (метан) не идентичен природному ресурсу (углю), поэтому для описания такой связи используется термин «косвенный». Термин «косвенная связь» не означает, что научное обоснование этой связи не достаточно. Процесс преобразования угля в метан хорошо описан в научной литературе.

В случае трубопроводов нефти и нефтепродуктов, выделение некоторых летучих компонентов может указывать на наличие утечки флюида и, следовательно, являться косвенным доказательством повреждения трубопровода. Лазерная абсорбционная спектроскопия (ЛАС) является высокоточным средством для количественного определения молекулярных концентраций в разнообразных ситуациях, не поддающихся измерениям другими средствами, особенно средствами дистанционного зондирования. Основным преимуществом ЛАС является то, что эксперимент проводится «in situ» (на месте); это обеспечивает возможность быстрого выполнения измерений с хорошим пространственным разрешением в различных условиях окружающей среды. В экспериментах по поглощению отношение интенсивности прошедшего луча I(v,x) к интенсивности исходного луча I₀(v,x=0) связано с концентрацией поглотителя по закону Байера

I(v,x)/I₀(v,x=0)=exp^-nxσ(v)

где σ(v) - молекулярное поперечное сечение на частоте v; x - длина пути, проходимого лазером. Для любого данного отношения сигнал/шум при измерении I(v,x)/I₀(v,x=0) чувствительность измерения может быть увеличена путем увеличения длины пути. Существует ряд патентов предшествующего уровня техники, в которых раскрыто применение лазерных средств для обнаружения примесей газов в атмосфере. Некоторые из этих лазерных систем действуют в микроволновом или ультрафиолетовом диапазоне длин волн. Эти лазерные системы отличаются от заявленного изобретения, которое предусматривает работу в среднем инфракрасном диапазоне длин волн. В описанных ниже патентах лазерные системы также работают в среднем инфракрасном диапазоне длин волн при обнаружении углеводородных газов.

В патенте США №4450356 на имя Murray et al., лазерное излучение смешанных частот (CO₂)-лазера используется для дистанционного обнаружения газов в атмосфере. Система лазерного излучения использует удвоение частоты и суммирование частот в кристаллах для генерации длин волн около трех микрометров. Раскрыто средство для селекции нескольких длин волн, но для среднего инфракрасного диапазона описана доставка только двух длин волн к топографической цели. CO₂-лазеры не обеспечивают возможности непрерывной перестройки, и не содержат интенсивных спектральных линий, соответствующих длинам волн, совпадающим с приемлемыми спектральными линиями для метана и этана. В патенте США №4489239 на имя Grant et al. описан переносной дистанционный лазерный датчик ближнего действия для дальности 25 м, предназначенный для обнаружения утечек метана на газопроводах. Система требует использования двух гелий-неоновых (He-Ne) лазеров. Два лазера работают на двух различных длинах волн характеристики «включение-выключение» для метана, каждая из которых фиксирована. He-Ne лазеры обычно являются не перестраиваемыми и не так эффективны и надежны, как твердотельные лазеры. Аналогично, в опубликованной патентной заявке США 2003/0030001 A1 на имя Cooper et al. раскрыто использование перестраиваемого диодного лазера для обнаружения газов в атмосфере. Эта система не позволяет компенсировать в реальном масштабе времени изменения в отражательной способности фоновой области цели и не может осуществлять измерения по множеству видов газов по существу одновременно, что является принципиальным требованием для систем сканирования и дистанционного зондирования, предназначенных для обнаружения утечек в трубопроводах. В патенте США №4871916 на имя Scott описана лазерная система, которая использует неодимовый лазер для дистанционного обнаружения метана в атмосфере для определения условий приближающейся опасности или взрывоопасных горизонтов в шахтах. В этой системе используется диапазон длин волн около 1,318 мкм. Эта система только обеспечивает обнаружение метана и не позволяет компенсировать в реальном масштабе времени изменения в отражательной способности фоновой области цели. В патенте США №5157257, преуступленном Geiger, описывается система DIAL инфракрасного диапазона. Указанная система использует шесть различных когерентных лучей, образованных шестью различными импульсными лазерами на длинах волн от 2,2 до 2,4 или от 3,1 до 3,5 мкм, для обнаружения легких углеводородов. Шесть когерентных лучей полностью мультиплексированы по времени и объединены в один луч посредством селективной поляризации. Для настройки поляризации используются кварцевые кристаллы, которые легко повреждаются импульсами лазера с высокой энергией излучения. К тому же сложность этой системы препятствует ее использованию в полевых условиях, особенно в бортовых системах дистанционного зондирования. Кроме того, ширина лазерного спектра слишком велика для разрешения полос поглощения многих основных газов. В патенте США №6509566, преуступленном Wamsley et al., также описана система DIAL среднего инфракрасного диапазона, предназначенная для разведки месторождений нефти и газа. Эта система содержит Cr:LiSAF лазер с водородной ячейкой Рамана для генерации длин волн в диапазоне, пригодном для обнаружения углеводородов. Лазер использует водяное охлаждение и является непрерывно перестраиваемым на одной длине волны. Эта система не позволяет удобным образом компенсировать в реальном масштабе времени изменения в отражательной способности фоновой области цели и одновременно обнаруживать другие газы. Более того, единственная частота излучения лазера привязывается к внешнему измерителю частоты и, следовательно, подвержена дрейфу, что отрицательно влияет на электронные компоненты системы.

ПРОБЛЕМЫ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

Принимается во внимание, что трубопроводы обычно переносят нефтепродукты, нефть, природный газ, очищенные продукты переработки нефти и газа, растворы, химические вещества, рудные шламы минералов и другие флюиды или текучие вещества или смеси. Упомянутые выше лазерные системы не обеспечивают обнаружение, по существу, одновременно множества видов газов таких, как метан и этан, которые присутствуют в нефтепроводах природного газа. Они также не компенсируют изменения в отражательной способности фоновой области цели. Кроме того, лазеры, которые не являются непрерывно перестраиваемыми, не могут точно рассчитываться для обнаружения различных газовых веществ. Ложные тревоги остаются проблемой для вышеупомянутых систем, известных из предшествующего уровня техники, и их чувствительность к обнаружению множества видов газов сомнительна. Другие газовые примеси, которые появляются в атмосфере, могут также создавать помехи обнаружению природного газа с использованием этих лазерных систем, известных из предшествующего уровня техники.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение направлено на преодоление одной или более проблем, изложенных выше, посредством создания системы для дистанционного количественного обнаружения утечек флюида из трубопроводов природного газа или нефти с использованием бортовой платформы, которая содержит, по меньшей мере, один лазерный источник света для, по существу, одновременного освещения, по существу, той же самой области цели из двух и более целевых флюидов и подстилающей поверхности, при этом два и более целевых флюида характеризуются двумя или более длинами волн поглощения, причем подстилающая поверхность обнаруживается на другой длине волны, чем для любого из двух или более целевых флюидов.

Кроме того, настоящее изобретение дополнительно включает в себя средство для наведения источника освещения на основе системы позиционирования; средство для сканирования двух или более целевых флюидов в геометрической области вдоль траектории движения с использованием источника освещения; средство для обнаружения сигнала, обеспечивающее выполнение количественной обработки обнаружения двух и более целевых флюидов; и средство для управления работой системы. Средство обработки сигнала для дистанционного количественного обнаружения двух и более утечек целевых флюидов; и средство для разработки траектории движения и определения траектории движения для позиционирования бортовой платформы; а так же средство для оповещения о наличии обнаруженной утечки в трубопроводе природного газа или нефти являются важными составляющими частями настоящего изобретения.

ПРЕИМУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение имеет следующие преимущества:

- используется высокого технического уровня одномикронный полупроводниковый, оптический параметрический осциллятор и оптический параметрический усилитель с диодной накачкой;

- обеспечивается достаточная эффективность преобразования длины волны;

- обеспечивается измерение длины траектории изменения концентрации для множества целей, когда тип подстилающей поверхности (фон) изменяется;

- обеспечивается возможность непрерывной перестройки.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Как показано на чертежах, компоненты Фиг.1 обозначены ссылочными позициями большими, чем 100 и меньшими, чем 200, компоненты Фиг.2 обозначены ссылочными позициями большими, чем 200 и меньшими, чем 300, и т.д.

Фиг.1 - схематичное представление системы обнаружения утечки флюида в трубопроводе, использующей перестраиваемый DIAL-лазер с тремя линиями излучения, на борту быстро движущейся бортовой платформы в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - структурная схема известной из предшествующего уровня техники DIAL-системы обнаружения газа.

Фиг.3 - структурная схема системы обнаружения утечки флюида в трубопроводе с перестраиваемым DIAL-лазером с тремя линиями излучения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.4 - приведенная для примера высокоуровневая структурная схема системы с перестраиваемым DIAL-лазером с тремя линиями излучения для обнаружения утечки флюида в трубопроводе в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.5 - среднеуровневая структурная схема системы обнаружения утечки флюида в трубопроводе с перестраиваемым DIAL-лазером с тремя линиями излучения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.6 - среднеуровневая структурная схема системы обнаружения утечки флюида в трубопроводе с перестраиваемым DIAL-лазером с тремя линиями излучения в соответствии с настоящим изобретением, со списком компонентов каждой основной подсистемы.

Фиг.7 - структурная схема 1-микронного оптического параметрического генератора и усилителя для генерации выбранной длины волны.

Фиг.8 - структурная схема 1-микронного оптического параметрического генератора и усилителя для генерации одной из выбранных длин волн трех линий излучения.

Фиг.9 - структурная схема системы определения траектории полета в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.10 - структурная схема лазерной системы наведения в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.11 - структурная схема системы обнаружения утечки флюида в трубопроводе с перестраиваемым DIAL-лазером с тремя линиями излучения.

Для простоты понимания там, где возможно, используются одинаковые ссылочные позиции для обозначения одинаковых элементов, показанных на разных чертежах.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение предназначено для измерения газов, связанных с утечками нефти и газа из трубопроводов. Это изобретение относится к системе обнаружения утечки нефти и газа в трубопроводе и к способу обнаружения газов в атмосфере и в большей степени, но не как ограничение, обнаружения утечек в трубопроводе на основе методов зондирования с использованием лидара дифференциального поглощения (DIAL), работающего в среднем инфракрасном спектральном диапазоне от 2 до 5 мкм. В принципе могут обеспечиваться обнаружение или разведка следующих флюидов: газ, эфирное масло, парафиновая нефть, неочищенная тяжелая нефть, и опасные вещества. Концентрации газа наносятся на карту области, и карты анализируются на предмет аномалий концентрации. Газовые аномалии интерпретируются для оценки утечки в подземном трубопроводе.

При описании настоящего изобретения термин «целевые флюиды» используется для обозначения флюидов, которые связаны либо прямо, либо косвенно с утечкой в трубопроводе. Под целевыми флюидами подразумеваются либо жидкости, либо газы. Измеренные атмосферные концентрации целевых флюидов образуют основу нового инфраструктурного инструмента оценки, как описано ниже. Чтобы увязать целевые флюиды с утечкой в трубопроводе, они должны обладать некоторыми уникальными свойствами. Например, метан образуется в ряде случаев. Он может попадать в атмосферу в результате выделения из месторождений углеводородов, выделения из угольных месторождений, выделения из заболоченных территорий с активными метанпродуцирующими бактериями, выделения из газопровода с утечками и т.д. Источники метана, отличные от утечек в трубопроводе, рассматриваются как помехи окружающей среды. Помехи окружающей среды затрудняют увязывание целевых флюидов с утечкой; и будут меняться по величине и типу в зависимости от стандартных геологических факторов таких, как тип почвы, гидрология, подповерхностная структура и состав, а также в зависимости от атмосферных условий, погоды и землепользования. Уникальные газовые смеси, такие как метан/этан, являются полезными целевыми флюидами для трубопроводов природного газа. Отдельные газы или сочетания газов, имеющие уникальную связь с утечкой в трубопроводе, обеспечивают наиболее ценные сигналы, указывающие на наличие утечки.

Настоящее изобретение предусматривает использование лидара дифференциального поглощения (DIAL), который выполняет замеры на траектории движения в атмосфере. Разработан широкий набор средств обнаружения большинства примесей газов в атмосфере. Эти средства могут быть подразделены на средства, которые выполняют замеры воздуха в конкретной точке пространства, и системы дистанционного зондирования такие, как многочисленные спутниковые системы или системы надземного базирования, которые предусматривают крупномасштабные измерения концентраций газа. Существует много видов источников газа, для которых, вследствие их уникальных пространственных и временных свойств, не могут быть получены точные характеристики с использованием этих средств. Контроль выбросов из таких источников требует использование системы, которая может дистанционно измерять мельчайшие концентрации быстро и на большом расстоянии. Лидары дифференциального поглощения (DIAL) дальнего действия обычно удовлетворяют этим требованиям.

Одной особенностью настоящего изобретения является использование бортового оптического датчика перестраиваемого лидара дифференциального поглощения (DIAL) с тремя линиями излучения для дистанционного количественного обнаружения утечек в трубопроводе природного газа или нефти. Другой особенностью настоящего изобретения является выбор примесей газов, которые оптимально характеризуют утечки флюида в трубопроводе. В настоящем изобретении определяются газы, выбрасываемые в атмосферу вследствие утечек в трубопроводах, как газа, так и нефти, при этом для уверенного обнаружения утечек обоих типов выбираются метан и этан. Другая особенность настоящего изобретения заключается в оптимальном выборе молекулярного перехода характеристик оптического поглощения метана и этана в пределах средней инфракрасной области электромагнитного спектра. Характеристики поглощения метана и этана анализируются, и две разрешенных длины волны (также называемые включенными линиями) и одна неразрешенная длина волны (также называемая отключенной линией) для метана, этана и образца земной поверхности (подстилающей поверхности), соответственно, выбираются для обнаружения утечки. Длины волн включенных линий выбираются близко к пику оптического поглощения целевого газа при минимальном мешающем действии других газов. Длина волны отключенной линии выбирается около крыла функции оптического поглощения целевого газа, при минимальном мешающем действии других газов и высокой отражательной способности земной поверхности. В настоящем изобретении длины волн включенных и отключенной линии выбраны равными 3369,8, 3389 и 3429 нм для этана, метана и фона соответственно. Заметим, что эти конкретные длины волн не использовались в предшествующем уровне техники, и, как было упомянуто ранее, критерием выбора длин волн включенных линий является то, что в поглощении, как ожидается, исключительно доминируют метан и этан, а критерием выбора длины волны отключенной линии - то, что в поглощении, как ожидается, не доминируют ни метан, ни этан, ни частицы атмосферы.

Другая особенность настоящего изобретения предусматривает использование непрерывно перестраиваемого лазера. Поэтому три непрерывно перестраиваемых ND:YLF лазера были разработаны и реализованы для обнаружения примесей метана и этана и подстилающей поверхности соответственно. Настоящее изобретение также измеряет длины путей изменения концентрации целевых газов. Поэтому система с перестраиваемым DIAL-лазером с тремя линиями излучения в соответствие с настоящим изобретением измеряет длины путей концентрации двух выбранных целевых газов для каждого сканируемого пятна. Настоящее изобретение использует статистический анализ множества результатов измерений длины пути концентрации для двух целевых газов вдоль траектории полета. В заключение настоящее изобретение предусматривает вывод на экран, сохранение и передачу данных о положении, размерах и форме газовых выбросов, связанных с утечками в трубопроводе.

Согласно настоящему изобретению, как схематично показано на Фиг.1, используются летательный аппарат 110 и бортовая система 120 обнаружения утечек флюида в трубопроводе с перестраиваемым лидаром дифференциального поглощения (DIAL) с тремя линиями излучения. Также показаны посланный лазерный луч 130, газовые примеси 150, подземный трубопровод 160, область 170 утечки, пример 180 земной поверхности, трехмерный срез участка 190 с трубопроводом, областью 170 утечки и газовыми примесями, высота 140 полета летательного аппарата (~500 м), а также свободная область 105 доступа к трубопроводу. Летательный аппарат 110 летит согласно предварительно определенной оптимальной траектории полета в направлении подземного трубопровода 160, с целью обнаружения области 170 утечки, содержащей утечки в газо- или нефтепроводе. Во время полета бортовая система позиционирования, включающая в себя систему GPS (Глобальная система определения местоположения) и IMU (блок инерциальных измерений) (не показаны) обеспечивает наведение летательного аппарата к местоположению цели, где имеет место выделение газовых примесей 150. Когда летательный аппарат достигает местоположения цели, лазерное излучение 130 автоматически направляется на цель, а система сканирования сканирует пространство вокруг центра цели. Затем отраженный свет анализируется, чтобы построить двумерные отображения обнаруженных газов или изображения выбросов метана и этана в единицах длины пути и концентрации.

В системе измерений на основе лидара DIAL излучаются два лазерных импульса, по существу на одной длине волны. Один лазерный импульс выбирается с заданной длиной волны, которая поглощается газом, представляющим интерес, а другой лазерный импульс, имеющий отличающуюся длину волны, не поглощается. Энергия, отраженная назад в направлении сенсора для обеих длин волн, измеряется и объединяется, чтобы получить оценку протяженности концентрации целевого газа. Этот процесс описан ниже более подробно.

Энергия, которая отражается в направлении сенсора, описывается следующим отношением:

где E_T - передаваемая энергия, ρ_π - отражательная способность поверхности, CL_p - произведение концентрации протяженности выброса, C_bg- фоновая концентрация газа, R - расстояние до поверхности, σ(λ) - поперечное сечение поглощения газа как функция длины волны. Здесь предполагается, что энергия E_T постоянна от импульса к импульсу (поскольку любые изменения могут быть измерены и учтены), ρ_π равно 0,005 и не зависит от длины волны в малом диапазоне рассматриваемых длин волн, R обычно составляет 500 м, и поперечное сечение σ(λ) не изменяется значительно вследствие изменений температуры и давления вдоль траектории. Последнее предположение было бы не справедливо для траекторий, которые измеряются на несколько километров по высоте, но оно приемлемо для полета летательного аппарата на высоте 500 м. Также следует отметить, что может оказаться необходимым повторно измерить σ(λ), если система работает в регионе, где уровень земли намного выше уровня моря.

Элементом, который зависит от длины волны, в уравнении (1) является поперечное сечение σ(λ). Многие из элементов, которые не изменяются, могут быть сокращены путем измерений на двух длинах волн и делением результатов. Пусть E₁ обозначает измеренное значение энергии на одной длине волны, а E₂ обозначает измеренное значение энергии на другой длине волны. Тогда

Натуральный логарифм от (2) равен:

Поперечное сечение может измеряться автономно или в режиме реального времени (используя газонаполненный фотоэлемент на борту летательного аппарата). В любом случае, поперечное сечение на каждой длине волны является известной величиной, поэтому:

Уравнение (4) описывает способ измерения, моделируемый согласно настоящему изобретению. Однако существуют дополнительные возможности обработки, так как R также может измеряться системой, и C_bg можно оценивать или измерять. Затем можно было бы получить оценку CL_p. В завершенной системе, вероятно, одна только оценка CL_p будет важной частью полученного соотношения, но анализ уравнения (4) достаточен, чтобы охарактеризовать эффективность обнаружения выброса.

Уравнение (4) не учитывает влияние различий в длине (C_k) атмосферной концентрации. Но уравнение (5) учитывает влияние различий в длине атмосферной концентрации, когда C_k можно оценить или измерить.

Для пояснения настоящего изобретения, на фиг.2 показана структурная схема известной системы DIAL. Лазер 220 с одной включенной линией и лазер 240 с одной отключенной линией настраиваются сигналами 275 электронного управления на две различные длины волны усилителями 210 и 230 захвата линии, длина волны включенной линии выбирается вблизи пика оптического поглощения целевого газа, а длина волны отключенной линии выбирается вблизи крыла длины волны оптического поглощения целевого газа. Лучи лазеров 220 и 240 с длинами волн включенной и отключенной линий, соответственно, объединяются на голографической решетке 250, передаются зеркалом 260 быстрой развертки через телескоп 270 и направляются и наводятся зеркалом 280 медленной развертки. Наконец, в исследуемом районе газовые примеси в атмосфере вблизи земной поверхности последовательно сканируются лазерными лучами 290. Лазерный луч 290 рассеивается и проходит через газовые примеси 295, отражается от подстилающей поверхности 282 и вновь рассеивается и проходит через газовые примеси 295. Затем отраженный свет 285 отражается зеркалом 280 медленной развертки в телескоп 270 и отклоняется расщепителем 232 луча, направляющим прошедший лазерный луч 205 на другой набор расщепителей 215 лучей для прохождения через набор фильтров 225, пропускающих только длины волн включенной и отключенной линий, после чего набор детекторов 235 оптимальным образом преобразует отраженный свет в электрический сигнал. Затем сигнал усиливается усилителем 245 и преобразуется в цифровой сигнал набором аналого-цифровых преобразователей 255. Цифровой сигнал обрабатывается и анализируется компьютером 265 для вычисления отношения отраженных сигналов включенной и отключенной линий, которое прямо пропорционально длине пути концентрации целевого газа.

В предшествующем уровне техники выбиралась и измерялась только одна сигнатурная характеристика целевых газов примесей. В противоположность этому, в настоящем изобретении для повышения надежности, чувствительности и эффективности системы обнаружения утечек в газо- и нефтепроводах используется более одной сигнатурной характеристики целевых газовых примесей. Упрощенная структурная схема соответствующей настоящему изобретению оптической сенсорной системы на перестраиваемом DIAL-лазере с тремя линиями излучения показана на Фиг.3. Лазер 320 с одной включенной линией для метана, лазер 395 с одной включенной линией для этана и лазер 385 с одной отключенной линией настраиваются сигналами 355 электронного управления на три различные длины волн усилителями 310, 365 и 375 захвата линии, соответственно; длины волн включенных линий выбираются вблизи пика характеристик оптического поглощения целевых газов, а длина волны отключенной линии выбирается вблизи крыла длины волны оптического поглощения целевого газа. Лучи лазеров 320, 395 и 385 с длинами волн двух включенных и одной отключенной линий, соответственно, объединяются на голографической решетке 340 для формирования объединенного лазерного луча 330. Объединенный лазерный луч 330 передается зеркалом 350 быстрой развертки через телескоп 302 и направляется и наводится зеркалом 304 медленной развертки для формирования лазерного луча 330. В исследуемом районе газовые примеси в атмосфере вблизи земной поверхности последовательно сканируются лазерным лучом 360. Лазерный луч 360 рассеивается и проходит через газовые примеси 308, отражается от подстилающей поверхности 309, вновь рассеивается и передается газовыми примесями 308, формируя отраженный свет 306. Отраженный свет 306, полученный из прошедшего лазерного луча 360, отражается зеркалом 304 медленной развертки в телескоп 302 и отклоняется расщепителем 331 луча, формируя отраженный свет 370. Отраженный свет 370 проходит сквозь набор расщепителей 380 лучей перед поступлением на набор фильтров 390. Фильтры 390 пропускают только две длины волны включенной линии и одну длину волны отключенной линии, прежде чем набор детекторов 305 оптимальным образом преобразует отраженный свет в электрический сигнал. Электрический сигнал усиливается усилителем 315, преобразуется в цифровой сигнал набором аналого-цифровых преобразователей 325. Цифровой сигнал обрабатывается и анализируется компьютером 335 для вычисления отношения отраженных сигналов двух включенных и отключенных линий, которое прямо пропорционально длинам пути концентрации целевых газов.

Множество источников выбранного целевого газа, например метана, и изменчивость типа отражательной способности земной поверхности увеличивают вероятность ложных тревог. Соответствующая настоящему изобретению система DIAL

на перестраиваемом лазере с тремя линиями излучения минимизирует ложные тревоги, обусловленные обнаружением множества источников целевого газа и изменчивой отражательной способностью земной поверхности.

Приведенная в качестве примера структурная схема системы показана на Фиг.4. Полученные от пользователя данные о местоположении трубопровода сначала обрабатываются, фильтруются, стандартизуются и сохраняются в базе 410 данных местоположения трубопровода. Нормализация полученных от пользователя данных о местоположении трубопровода предусматривает применение одного стандартного формата файла для полученных от пользователя данных о местоположении трубопровода. Нормализованные данные о местоположении исследуемого района загружаются в компьютерную систему 450 управления, сбора данных и анализа данных. Система 430 определения траектории полета и лазерного наведения, связанная с компьютерной системой управления, сбора данных и анализа данных, направляет летательный аппарат по заданной траектории полета и наводит лазерные пучки в заданную точку. Бортовые средства для измерения положения и движения, являющиеся частью системы 430 определения траектории полета и лазерного наведения, выполняют корректирующее воздействие для направления летательного аппарата и наведения лазера на другие точки по траектории полета. Сенсорная система 440, также связанная с компьютерной системой 450 управления, сбора данных и анализа данных, направляет лазерные лучи на просачивающиеся флюиды 420 утечек и принимает отраженный от них свет. Компьютерная система 450 управления, сбора данных и анализа данных посылает управляющие сигналы на сенсорную систему 440 и принимает сигналы от сенсорной системы 440 для контроля, сохранения и анализа данных концентраций, обусловленных утечками.

Более подробная структурная схема, соответствующая изобретению, и его основная подсистема 500 показаны на Фиг.5. Основная подсистема 500 включает в себя систему 510 интерфейса вместе с программным обеспечением графического интерфейса пользователя (ГИП) для запуска, остановки, отладки, мониторинга и управления действиями основной подсистемы 500. Компьютерная система 520 имеет высокопроизводительный процессор (например, микропроцессор Intel Pentium™ или AMD Athlon™, или IBM PowerPC 750CX), и различные аппаратные компоненты такие, как процессор для обработки сигналов и аналого-цифровые преобразователи (АЦП), наряду с одним или более интерфейсами для связи с другими компонентами основной подсистемы 500. Например, имеются связи со сканером 550, с системой 530 управления, системой 505 сбора и анализа сигналов и система 525 определения траектории полета и лазерного наведения с системой GPS. В полной основной подсистеме имеются сменные аппаратные накопители и различные мониторы для отображения условий обработки.

Система 505 сбора и анализа сигналов содержит плату обработки сигналов для обработки сигналов и программное обеспечение для накопления и анализа данных, предназначенное для измерения, записи и отображения измеренных уровней концентрации этана и метана.

Основная подсистема 500 включает в себя систему 535 летательного аппарата. Системой 535 летательного аппарата может быть летательный аппарат Cessna™ 402B или любой другой летательный аппарат, имеющий возможность полета на высоте примерно 500 м со скоростью примерно 67 м/с, имеющий на борту систему обнаружения утечек флюида в трубопроводе на перестраиваемом DIAL-лазере с тремя линиями излучения и бортовую систему 525 определения траектории полета и лазерного наведения.

Более конкретно, система 525 определения траектории полета и лазерного наведения включает в себя портативную систему GPS и блок инерциальных измерений (IMU) и соединяется с компьютерной системой 520 для постоянного обновления данных положения летательного аппарата и наведения лазерных лучей, используя лазерную систему 540 посредством системы 530 управления,