一种移动式遥测天然气泄漏检测仪
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＊通讯联 系人 ｅｍａｌ ｗｑｉ＠ａ ｆ ａ． ｎ － ｉ ： ｌ ｕ ｉ ｍ． ｃｃ ｏ
ｅ ｉ ｚａ ｇ ｈ ａ ｉ ｒ ａ ｃ － ｌ ｈｎｓｕｉ ｏ ａ ｃ ｎ ｍａ ： ＠ａ ｆ ． ．
第２ 期
吸收截面为
（ ）一 №
丁 ， ｃ
光谱学与光谱分析
５１ ７
实现 波 长定 标 ；第 二 束 激光 不 经 过 吸收直 接 由高灵 敏 Ｉ－ ｎ
第３卷 ， ２ ２ 第 期 ２０ １２年 ２月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｓ ｅ ｔ ｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔ ａ ａｙ ｉ
Ｖｏ． ２ Ｎ ． ， ｐ ７ —７ １３ ， ｏ ２ ｐ ５ ０５ ４ Ｆ ｂｕ ｒ ｅ ｒ ａ ｙ，２ １ ０２
一
种 移 动式遥 测 天 然气 泄漏 检 测仪
张 帅 ， 文清卜 ， 刘 张玉钧 ，阚瑞峰 阮 俊 王立 明 ， ， ， 余殿强 ， 董金婷 韩小磊。 崔益本 刘建 国 ， ， ，
ｌ ＿中国科 学院环境光学与技术重点实验 室， 中国科学 院安徽光学精密机械研 究所， 安徽 合肥 ， ３０ １ ２０ ３
获得光学路径上甲烷气 体的积分浓度 ， 实现移动遥测 开放空
引 言
随着管道的增 多 ， 管道运行时 间的增长 ，管壁受 到冲刷
间是否存在天然气泄漏 ， 从而定位泄漏源。
１ 系 统 测 量 原 理
差分吸收和谐 波检 测方 法都是 最常 用 的弱吸 收检测 方
法。 两种方法都可 以通过半导体激光器 实现 ，因为一个 半导
ｐｐ ’ｍ 。 ｍ
漏事故时有发 生［３。如果 能及 时发 现泄 漏 。准确定 位泄 漏 １＿ ＿
源， 就能有效减轻泄漏事故造成的损失和危 害 。
目前管道泄漏 检测 技术 主要 包括 电缆 光纤泄漏 检测 法 、 声波检漏 法、基于管道模 型泄漏检测 法 、 力梯度 法 、质量 压 流量平衡法 、 负压波方法 、 天然气 管道 的内部 漏磁检 测等方 法＿ 。 ３ 管道泄漏检测技术是多学科知识 的综合 ，各种方 法有 ］
光吸收光谱在线 遥测 天然气 管道泄 漏与定 位 ］ ４ ，该方 法具 有快捷 、 准确 、 智能及安 全等特点 。本文 在无合作 目标 背景 下使用 １ ６ ｍ分布反馈式 （ Ｆ ） ． ５肚 Ｄ Ｂ 激光器对 甲烷气体进行远
其 中， 为分子数密度 ， ｖ 为气体分 子 的吸收截 面。常压 Ｎ （）
的最小 遥测灵 敏度为 ８ ｐ ・ｍ，系统采用 波长扫描差分吸收光谱技术成功实现天 然气 泄漏的定量遥测与 ０ｐ ｍ 准确定位 ， 具有快速 、 准确 、智能及安全等特 点。
关键词 无合作 目 ； 标 波长扫描差分 吸收光谱 ； 定量遥测 ； 小波去噪
中图分类号 ： ４ ３ １ ０ ４ ． 文献标识码 ： Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６／．ｓｎ １０ —５ ３ ２ １ ｝２０７ —５ Ｏ ：１． ９ ４ｊｉ ． ０ ００ ９ （０ ２ ０—５ ００ ｓ
腐蚀及人 为破 坏等原 因 ， 管道泄漏事故 频频发 生，给人 民的 生命 财产安全造成 了巨大 的威 胁 。 尤其 管道泄漏 后 ，不仅 造
成经济上的损 失 ，而且会 污染环 境 ，甚 至引起 火灾 和爆 炸 。
我国 目前 已建成管道 ４ ０ ０ 多条 ， 中很 多管线 已经接 近或者 其
下气体分子的吸收线 形可 以用 Ｌ ｒｎ 线形 描述 ， 子 吸收 ｏｅ ｚ 分 截面可以表示为
程遥测 ， 这种单模半导体 激光器受 到 １ Ｈ 的高频率锯 齿 ０ｋ ｚ 波来 回扫描单 根甲烷 的吸收线 ， 利用一个反相未 吸收的参考 信号进行噪声对消 ， 定量获得差分 吸收光谱 ， 经过浓 度反演
超过 ２ ， Ｏ年 有的甚 至处 于超 龄服役 阶段 ，因此管道天然气泄
体激光器频 率可以很 容易通过改变注入 电流来控制 。差分吸 收能实现 １ ０ 的最 小可检 测的 吸收 ，而且易 于实现 ，对 ×１ 于 Ｃ 分子在 １ ６ ． Ｈ ． ５／ ｔ 的吸收线强为 ８ ７ ０ ｍ处 ． ×１ ，线宽为 ０ ０ ｍ－ ，理 论 计 算 差 分 吸 收 情 况 下 检 测 下 限 为 ７ ． ５ｃ
２ ．胜利工程设计 咨询天然气 管道泄漏检测对人员安全 、环境保 护以及 国家财产安全等具有重要的意义 ， 但是 ，由于管线 跨越地域广阔 ， 操作工况以及环境情 况复杂 ， 致使管线的泄漏检测存在 困难 。 文章介 绍了一种基 于波长 扫描
差 分吸收光谱技术 的移动式遥测天然气泄漏检测 仪。 针对 遥测 回波吸收光谱 特性 ， 出了基于小波 变换 的 提 改进型软阈值小 波去 噪方法 ， 实验分析能够提 高系统信 噪比 ３ 多 ， 倍 同时在遥测光强 为 ５０ Ａ时 ， ３ ｎ 可达到
收稿 日期 ： ０ １ ３ ７ 修订 日期 ： ０ １ ６０ ２ １— — ， ０ ２ ２ １— —８ ０
）熹 一
（ ２ ）
其 中 Ｓ为吸收线强 ， 为吸收线形半高半宽。吸收线 中心 的 比
基金项 目： 国家 （６ 计划） 目（０ ８ Ａ ６ ２８ 和国家 （７ 计划） 目（０ ０ Ｂ ３ ６ ７ 资助 ８３ 项 ２０Ａ ０Ｚ ０） ９３ 项 ２ １Ｃ ２ ４ ０ ） 作者简介 ： 张 帅 ， ９１ １ ８ 年生 ， 中国科学 院安徽光学精密机械研究所博士研究生
（） ３
Ｇ Ａｓ ａ 探测器反相接收 ， 入噪声对消 电路 ， 为参考信 号 ； 进 作 第三束激光 ，由铠装单模光纤传输 到遥测收发 望远镜 ，遥测
自己的特 点、优点和缺点 。目前 国际上 已经采 用一种利 用激
气体吸收遵循 比尔定律 ，当强度 为 ，频率为 ｖ 的单色
激光 ， 通过长度为 Ｌ的吸收介质后 ， 接收端测得 的强度为 在
Ｊ ［９ （） ］ 一 Ｉ （ ）一 １（ ） ｘ （ ｄ ＮＬ） ０ ｖ ｅ ｐ 一 （） （） １
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第２ 期
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实现 波 长定 标 ；第 二 束 激光 不 经 过 吸收直 接 由高灵 敏 Ｉ－ ｎ
第３卷 ， ２ ２ 第 期 ２０ １２年 ２月
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分
析
Ｓ ｅ ｔ ｏ ｃ ｐ ｎ ｐ ｃ ｒ ｌＡｎ ｌ ｓｓ ｐ ｃ ｒ ｓ ｏ ｙ ａ ｄ Ｓ ｅ ｔ ａ ａｙ ｉ
Ｖｏ． ２ Ｎ ． ， ｐ ７ —７ １３ ， ｏ ２ ｐ ５ ０５ ４ Ｆ ｂｕ ｒ ｅ ｒ ａ ｙ，２ １ ０２
一
种 移 动式遥 测 天 然气 泄漏 检 测仪
张 帅 ， 文清卜 ， 刘 张玉钧 ，阚瑞峰 阮 俊 王立 明 ， ， ， 余殿强 ， 董金婷 韩小磊。 崔益本 刘建 国 ， ， ，
ｌ ＿中国科 学院环境光学与技术重点实验 室， 中国科学 院安徽光学精密机械研 究所， 安徽 合肥 ， ３０ １ ２０ ３
获得光学路径上甲烷气 体的积分浓度 ， 实现移动遥测 开放空
引 言
随着管道的增 多 ， 管道运行时 间的增长 ，管壁受 到冲刷
间是否存在天然气泄漏 ， 从而定位泄漏源。
１ 系 统 测 量 原 理
差分吸收和谐 波检 测方 法都是 最常 用 的弱吸 收检测 方
法。 两种方法都可 以通过半导体激光器 实现 ，因为一个 半导
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漏事故时有发 生［３。如果 能及 时发 现泄 漏 。准确定 位泄 漏 １＿ ＿
源， 就能有效减轻泄漏事故造成的损失和危 害 。
目前管道泄漏 检测 技术 主要 包括 电缆 光纤泄漏 检测 法 、 声波检漏 法、基于管道模 型泄漏检测 法 、 力梯度 法 、质量 压 流量平衡法 、 负压波方法 、 天然气 管道 的内部 漏磁检 测等方 法＿ 。 ３ 管道泄漏检测技术是多学科知识 的综合 ，各种方 法有 ］
光吸收光谱在线 遥测 天然气 管道泄 漏与定 位 ］ ４ ，该方 法具 有快捷 、 准确 、 智能及安 全等特点 。本文 在无合作 目标 背景 下使用 １ ６ ｍ分布反馈式 （ Ｆ ） ． ５肚 Ｄ Ｂ 激光器对 甲烷气体进行远
其 中， 为分子数密度 ， ｖ 为气体分 子 的吸收截 面。常压 Ｎ （）
的最小 遥测灵 敏度为 ８ ｐ ・ｍ，系统采用 波长扫描差分吸收光谱技术成功实现天 然气 泄漏的定量遥测与 ０ｐ ｍ 准确定位 ， 具有快速 、 准确 、智能及安全等特 点。
关键词 无合作 目 ； 标 波长扫描差分 吸收光谱 ； 定量遥测 ； 小波去噪
中图分类号 ： ４ ３ １ ０ ４ ． 文献标识码 ： Ａ Ｄ Ｉ ０ ３ ６／．ｓｎ １０ —５ ３ ２ １ ｝２０７ —５ Ｏ ：１． ９ ４ｊｉ ． ０ ００ ９ （０ ２ ０—５ ００ ｓ
腐蚀及人 为破 坏等原 因 ， 管道泄漏事故 频频发 生，给人 民的 生命 财产安全造成 了巨大 的威 胁 。 尤其 管道泄漏 后 ，不仅 造
成经济上的损 失 ，而且会 污染环 境 ，甚 至引起 火灾 和爆 炸 。
我国 目前 已建成管道 ４ ０ ０ 多条 ， 中很 多管线 已经接 近或者 其
下气体分子的吸收线 形可 以用 Ｌ ｒｎ 线形 描述 ， 子 吸收 ｏｅ ｚ 分 截面可以表示为
程遥测 ， 这种单模半导体 激光器受 到 １ Ｈ 的高频率锯 齿 ０ｋ ｚ 波来 回扫描单 根甲烷 的吸收线 ， 利用一个反相未 吸收的参考 信号进行噪声对消 ， 定量获得差分 吸收光谱 ， 经过浓 度反演
超过 ２ ， Ｏ年 有的甚 至处 于超 龄服役 阶段 ，因此管道天然气泄
体激光器频 率可以很 容易通过改变注入 电流来控制 。差分吸 收能实现 １ ０ 的最 小可检 测的 吸收 ，而且易 于实现 ，对 ×１ 于 Ｃ 分子在 １ ６ ． Ｈ ． ５／ ｔ 的吸收线强为 ８ ７ ０ ｍ处 ． ×１ ，线宽为 ０ ０ ｍ－ ，理 论 计 算 差 分 吸 收 情 况 下 检 测 下 限 为 ７ ． ５ｃ
２ ．胜利工程设计 咨询天然气 管道泄漏检测对人员安全 、环境保 护以及 国家财产安全等具有重要的意义 ， 但是 ，由于管线 跨越地域广阔 ， 操作工况以及环境情 况复杂 ， 致使管线的泄漏检测存在 困难 。 文章介 绍了一种基 于波长 扫描
差 分吸收光谱技术 的移动式遥测天然气泄漏检测 仪。 针对 遥测 回波吸收光谱 特性 ， 出了基于小波 变换 的 提 改进型软阈值小 波去 噪方法 ， 实验分析能够提 高系统信 噪比 ３ 多 ， 倍 同时在遥测光强 为 ５０ Ａ时 ， ３ ｎ 可达到
收稿 日期 ： ０ １ ３ ７ 修订 日期 ： ０ １ ６０ ２ １— — ， ０ ２ ２ １— —８ ０
）熹 一
（ ２ ）
其 中 Ｓ为吸收线强 ， 为吸收线形半高半宽。吸收线 中心 的 比
基金项 目： 国家 （６ 计划） 目（０ ８ Ａ ６ ２８ 和国家 （７ 计划） 目（０ ０ Ｂ ３ ６ ７ 资助 ８３ 项 ２０Ａ ０Ｚ ０） ９３ 项 ２ １Ｃ ２ ４ ０ ） 作者简介 ： 张 帅 ， ９１ １ ８ 年生 ， 中国科学 院安徽光学精密机械研究所博士研究生
（） ３
Ｇ Ａｓ ａ 探测器反相接收 ， 入噪声对消 电路 ， 为参考信 号 ； 进 作 第三束激光 ，由铠装单模光纤传输 到遥测收发 望远镜 ，遥测
自己的特 点、优点和缺点 。目前 国际上 已经采 用一种利 用激
气体吸收遵循 比尔定律 ，当强度 为 ，频率为 ｖ 的单色
激光 ， 通过长度为 Ｌ的吸收介质后 ， 接收端测得 的强度为 在
Ｊ ［９ （） ］ 一 Ｉ （ ）一 １（ ） ｘ （ ｄ ＮＬ） ０ ｖ ｅ ｐ 一 （） （） １