CN115598659A - 一种单光子甲烷浓度分布探测雷达 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单光子甲烷浓度分布探测雷达。该探测雷达包括：激光模块、望远镜模块、探测器以及控制器。激光模块包括第一激光器和第二激光器。第一激光器用于产生波长位于甲烷吸收线上的第一激光束。第二激光器用于产生波长位于甲烷吸收线外的第二激光束。望远镜模块用于将第一激光束和第二激光束根据一个预设的控制时序形成的一对差分信号发射到大气的一个目标区域中，并接收相应的回波信号。探测器用于根据接收到的回波信号生成探测结果。控制器用于根据探测结果，测量目标区域中的甲烷浓度。探测器为单光子探测器。该探测雷达具有灵敏度高的优点，提升了对大浓度区域的探测能力。
Description
技术领域
本发明涉及甲烷监测技术领域，特别是涉及一种单光子甲烷浓度分布探测雷达。
背景技术
在环保方面，甲烷作为第二大温室气体，其每分子的温室效应是二氧化碳的72倍，因此亟需对甲烷的排放进行监控，目前多采用甲烷雷达对甲烷的排放进行监控。另外，在生活生产方面，甲烷雷达不仅具备探测范围大的优点，还可以获取探测范围内任一区域的浓度信息，对于危险预防和寻找泄露源头起到了难以取代的作用。
现有的甲烷雷达测量技术主要有两大类。
其一为路径积分式甲烷雷达，利用激光对远距离出的硬目标进行照射，根据硬目标的反射信号，使用差分吸收的方法，对整个路径上甲烷的整体光学密度进行测量，虽然该方法可以实现较远的测量距离，且测量精度更高，但不具备距离分辨能力，无法对区间内的泄露源头进行溯源，其应用受到很大限制。
其二为距离分辨式相干甲烷雷达，激光对大气发射，单模接收大气中气溶胶的后向反射信号，与移频后的本振光进行干涉，通过测量不同延时下的干涉信号频谱功率，获得不同距离门内的甲烷吸收率，从而实现距离分辨式的甲烷探测。相比较于路径积分式的甲烷雷达，虽然该方式的测量距离更短，精度相对较低，但可以实现距离分辨，对泄露源头实现几十米精度的定位，从而在大范围安全预警、寻找泄露源头方面更加实用。
然而以上两类方式都存在光灵敏度低和动态范围小的问题。灵敏度方面，传统的光电探测器需要nw级的光信号才会有响应，但在距离分辨的甲烷雷达中，所接收的大气颗粒的后向散射概率很低，需要使用功率很强的激光器，和很大口径的望远镜，使得***的成本高，体积大且探测距离受限。动态范围方面，距离分辨式甲烷雷达的测量阈值约为5000ppm·m，但当甲烷路径浓度大幅度超过这个测量阈值时，例如达到50000ppm·m时，由于吸收过强，信号光子计数大大降低，远低于噪声光子计数，此时雷达无法鉴别甲烷浓度的真实量级。特别的是，甲烷在空气中的爆点为5％到16％，原有的甲烷雷达无法鉴别空气中的甲烷浓度是否达到爆点。此外，在寻找泄露源头方面，当大区域内甲烷浓度都超出动态范围时，甲烷雷达的定位能力也将大大降低。
发明内容
基于此，有必要针对现有技术中甲烷激光雷达的灵敏度较低，从而限制了甲烷雷达对大浓度区域的探测能力的技术问题，本发明提供一种单光子甲烷浓度分布探测雷达。
本发明公开一种单光子甲烷浓度分布探测雷达，其包括：激光模块、望远镜模块、探测器以及控制器。
激光模块包括第一激光器和第二激光器。第一激光器用于产生波长位于甲烷吸收线上的第一激光束。第二激光器用于产生波长位于甲烷吸收线外的第二激光束。
望远镜模块用于将第一激光束和第二激光束根据一个预设的控制时序形成的一对差分信号发射到大气的一个目标区域中，并接收相应的回波信号。
探测器用于根据接收到的回波信号生成探测结果。
控制器用于根据探测结果，测量目标区域中的甲烷浓度。
探测器为单光子探测器。
作为上述方案的进一步改进，控制器还用于判断甲烷浓度是否大于一个预设的甲烷浓度上限，当甲烷浓度大于甲烷浓度上限时，控制器还用于提高甲烷浓度的测量量程，并在提高后的测量量程下，重新测量目标区域中的甲烷浓度。
作为上述方案的进一步改进，控制器通过调谐第一激光束的波长以此提高甲烷浓度的测量量程。
作为上述方案的进一步改进，控制器通过控制第一激光器的种子光电流值以此调谐第一激光束的波长。
作为上述方案的进一步改进，第一激光器的种子光电流值的控制方法为：
(1)获取第一激光器的最远距离门内的秒计数n0。
(2)获取当前时间段内第一激光器的目标距离门内的第一激光束的波长平均秒计数a0。
(3)采集目标距离门内的实时秒计数at。
(4)当at<2n0时，控制第一激光器的种子光电流值逐渐降低，直到at达到0.5a0时停止调谐。
作为上述方案的进一步改进，在步骤(4)中，还记录调谐停止时的调谐电流值。
作为上述方案的进一步改进，单光子探测器采用铟镓砷单光子探测器。
作为上述方案的进一步改进，单光子甲烷浓度分布探测雷达还包括：光纤链路。
光纤链路用于将激光模块产生的激光传输到望远镜模块中，还用于将望远镜模块接收到的回波信号传输到探测器中。
作为上述方案的进一步改进，单光子甲烷浓度分布探测雷达还包括：时序控制模块。
时序控制模块用于统一控制激光模块、望远镜模块、探测器以及控制器的开关。
作为上述方案的进一步改进，单光子甲烷浓度分布探测雷达还包括：光开关模块。
光开关模块用于根据预设的控制时序在第一激光器和第二激光器之间切换，进而实现其中一个激光器与望远镜模块之间的连通。
与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有如下有益效果：
1、该探测雷达使用红外单光子探测器，由于现有使用相干探测的距离分辨式甲烷雷达往往需要回波信号总功率至少在nw量级，对应于近每秒1E10个光子，而单光子方案只需要探测到几百个信号光子即可获得目标空间的甲烷浓度信息，每秒所需总光子数不到1E6，综合考虑探测效率和光学效率，同等条件下的单光子甲烷浓度分布探测雷达相比传统甲烷雷达的探测距离至少提升了3倍。因此采用单光子探测器的距离分辨式甲烷雷达不仅大大提高了探测距离，提升雷达***的灵敏度，还降低了对激光功率、望远镜口径的要求，降低了成本，减小了激光雷达的体积。此外，传统基于相干探测的甲烷雷达为了保证本地外差干涉的对比度，需要对回波信号进行单模保偏接收，此类光学***对于温度波动等环境影响的耐受力较差。而单光子甲烷浓度分布探测雷达可以采用多模接收的方式，更不易受到环境影响，这大大提高了雷达的推广应用价值。
2、该探测雷达可以在识别到高浓度区域时，利用算法优化，并将硬件调谐到最佳的探测波长，使得雷达在甲烷浓度超出量程时可以智能增大量程，提高测量的动态范围，一方面可以使得雷达进行更精确的***预警，另一方面可以在大区域浓度超标情况下，提高对源头的定位精确度，进而使得该雷达在生产生活安全以及管道泄露检测方面具有更加优越的性能。
附图说明
图1为本发明实施例1中单光子甲烷浓度分布探测雷达的***模块图；
图2为本发明实施例1中甲烷分子吸收截面与波数的关系图；
图3为本发明实施例1中第一激光器的种子光电流值的控制方法的流程图；
图4为本发明实施例2中大气甲烷探测方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供一种单光子甲烷浓度分布探测雷达，该雷达包括：激光模块、望远镜模块单光子探测器以及控制器，还可以包括光纤链路、时序控制模块、光开关模块以及滤波器。
激光模块包括第一激光器和第二激光器。第一激光器用于产生波长位于甲烷吸收线上的第一激光束。第二激光器用于产生波长位于甲烷吸收线外的第二激光束。本实施例中，第一激光器和第二激光器可以命名为on和off两种波长的的激光器。***的出光在on和off两个波长之间切换。
望远镜模块用于将第一激光束和第二激光束根据一个预设的控制时序形成的一对差分信号发射到大气的一个目标区域中，并接收相应的回波信号，回波信号可以经滤波器的滤波处理后传输到探测器中。
探测器可用于根据接收到的回波信号生成探测结果。探测器可采用铟镓砷单光子探测器，从而使得雷达获得更高的探测灵敏度，相较于传统的光电倍增管以及相干探测器，所要求的回波光子数更少，因此可以探测更远的距离，或是降低对激光器功率和望远镜口径的要求。
控制器用于根据探测结果对目标区域中的甲烷泄露进行初步溯源，并根据第一激光器形成的回波信号实时判断目标区域对第一激光束的吸收量是否达到一个测量阈值，以此来判断目标区域内的甲烷浓度是否大于一个预设的甲烷浓度上限，当甲烷浓度大于上限时，控制器还用于提高甲烷浓度的测量量程。本实施例中，探测雷达的测量精度为5000ppm·m；触发动态范围调整的测量阈值为50000ppm·m。
请参阅图2，在扫描模式下，on激光器波长被锁定于甲烷R6吸收峰的峰顶上，此时甲烷吸收截面约为1.6E-20cm^2/分子，设距离分辨率为30m，当甲烷浓度达到150ppm·m时，30m长度的甲烷光学密度为0.18，回波信号在此区间内会衰减约30％，考虑2km测量距离的数据，预估有效计数为110个/s，白天背景噪声约为20个/s，经过1s累积，可以获得10的SNR，此时30％的吸收达到测量阈值，可以被雷达鉴别，雷达对该区域进行初步预警。
当区域内甲烷浓度远远超出测量阈值时，例如达到10倍测量阈值时，信号光子会被吸收到只剩3个/s，远低于背景噪声，在原有***下无法获得真实甲烷浓度，也就是说无法区分甲烷浓度是1500ppm·m还是15000ppm·m或是更高。
请参阅图3，当吸收量达到测量阈值时，识别目标区域为高浓度区域，并控制第一激光器调谐，进而提高甲烷浓度的测量量程。前述的软件***将会按以下方式工作：
(1)获取第一激光器的最远距离门内的秒计数n0并作为背景噪声判定值。
(2)获取当前时间段内一个目标距离门内的第一激光束的波长平均秒计数a0，作为总计数判定值。
(3)采集目标距离门内的实时秒计数at。
(4)分析实时秒计数与背景噪声判定值以及总计数判定值的关系。其中，当at<2n0时，触发量程切换判定，控制第一激光器的种子光电流值逐渐降低，直到at达到0.5a0时停止调谐，并记录此时的调谐电流值。
光纤链路用于将激光模块产生的激光传输到望远镜模块中，还用于将望远镜模块接收到的回波信号传输到探测器中。
时序控制模块用于统一控制激光模块、望远镜模块、探测器以及控制器的开关，从而可保证各部件有序工作。
光开关模块用于根据控制器发送的指令在第一激光器和第二激光器之间切换，进而实现其中一个激光器与望远镜模块之间的连通。
本实施例中，on激光器的波长位于甲烷吸收线上，off激光器的波长在甲烷吸收线外，***的出光在on和off两个波长间持续切换，通过光纤链路将激光传输到望远镜中，出射到大气中；望远镜接收到回波信号再通过光纤链轮传输到探测器中，探测器的探测结果可以输入到软件处理***中，对甲烷泄露进行初步溯源；识别到高浓度区域后，控制器将激光器调谐到甲烷吸收率较低的位置，提高甲烷浓度的测量量程，对高浓度区域进行进一步测量。因此，该探测雷达可以获得更大的甲烷探测动态范围，on波长位于甲烷吸收峰时，进行大范围扫描，检测到高浓度区域后，可利用算法选择合适的量程，将第一激光器调谐到吸收谱线中相应的位置，对高浓度区域进行进一步检测。
这里在吸收线标定方面的实施方法可以以下方式。
预先将第一激光器的波长在一个预设波长范围1645.55nm-1645.37nm之间扫描，并预先标定每个调谐电流下的功率、波长和甲烷吸收截面。在***进入工作模式时，分别利用雷达内置的功率监控模块和甲烷吸收池，实时测量当前调谐电流下的发射功率和甲烷吸收截面，并根据预先标定的数据对差分吸收信号进行归一化处理，计算出目标区域内的甲烷浓度。当然，在其他实施例中，预设波长范围可以设置在其他范围，只要满足位于1600nm到1700nm之间，且宽度为0.1nm-1nm即可。
因此，该雷达可以在不同波长下测量，以往的甲烷雷达使用固定的波长，而本发明中通过内置的标定吸收池和算法，可以改变激光器波长，在不同波长下对甲烷浓度进行测量。
实施例2
请参阅图4，本实施例提供一种大气甲烷探测方法，该探测方法可应用于实施例1中的单光子甲烷浓度分布探测雷达进行探测。该探测方法包括以下步骤：
S1.对甲烷吸收线进行标定。
S2.根据标定得到的甲烷吸收线向一个目标区域发射由第一激光束和第二激光束形成的差分信号，并接收相应的回波信号。
S3.根据回波信号生成探测结果。
S4.根据探测结果测量目标区域中的甲烷浓度，并实时判断甲烷浓度是否大于一个预设的甲烷浓度上限，当甲烷浓度大于甲烷浓度上限时，执行S5。
S5.提高甲烷浓度的测量量程，并在提高后的测量量程下，重新测量目标区域中的甲烷浓度。提高甲烷浓度的测量量程的方法可以采用实施例1中的方式，在此不再赘述。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种单光子甲烷浓度分布探测雷达，其包括：
激光模块，其包括第一激光器和第二激光器；所述第一激光器用于产生波长位于甲烷吸收线上的第一激光束；第二激光器用于产生波长位于甲烷吸收线外的第二激光束；
望远镜模块，其用于将所述第一激光束和所述第二激光束根据一个预设的控制时序形成的一对差分信号发射到大气的一个目标区域中，并接收相应的回波信号；
探测器，其用于根据接收到的回波信号生成探测结果；以及
控制器，其用于根据所述探测结果，测量所述目标区域中的甲烷浓度；
其特征在于，所述探测器为单光子探测器。
2.根据权利要求1所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述控制器还用于判断所述甲烷浓度是否大于一个预设的甲烷浓度上限，当所述甲烷浓度大于所述甲烷浓度上限时，所述控制器还用于提高甲烷浓度的测量量程，并在提高后的所述测量量程下，重新测量所述目标区域中的甲烷浓度。
3.根据权利要求2所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述控制器通过调谐所述第一激光束的波长以此提高甲烷浓度的测量量程。
4.根据权利要求3所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述控制器通过控制所述第一激光器的种子光电流值以此调谐所述第一激光束的波长。
5.根据权利要求4所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述第一激光器的种子光电流值的控制方法为：
(1)获取所述第一激光器的最远距离门内的秒计数n0；
(2)获取当前时间段内所述第一激光器的目标距离门内的第一激光束的波长平均秒计数a0；
(3)采集所述目标距离门内的实时秒计数at；
(4)当at<2n0时，控制所述第一激光器的种子光电流值逐渐降低，直到at达到0.5a0时停止调谐。
6.根据权利要求5所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，在步骤(4)中，还记录调谐停止时的调谐电流值。
7.根据权利要求1所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述单光子探测器采用铟镓砷单光子探测器。
8.根据权利要求1所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述探测雷达还包括：
光纤链路，其用于将所述激光模块产生的激光传输到所述望远镜模块中，还用于将所述望远镜模块接收到的回波信号传输到所述探测器中。
9.根据权利要求1所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述探测雷达还包括：
时序控制模块，其用于统一控制所述激光模块、所述望远镜模块、所述探测器以及所述控制器的开关。
10.根据权利要求1所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述探测雷达还包括：
光开关模块，其用于根据所述预设的控制时序在所述第一激光器和所述第二激光器之间切换，进而实现其中一个激光器与所述望远镜模块之间的连通。
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