[发明专利]基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统及方法，包括控制处理组件、激光源、电光调制器、激光准直器、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、扫描装置、窄带滤光片、汇聚透镜和单光子探测器。激光源发出的连续激光经电光调制器调制成脉冲信号，激光通过偏振分光棱镜和双楔扫描镜对气体分布进行扫描探测，回波信号经同轴偏振分光棱镜、滤光片、汇聚透镜和单光子探测器收集，可获取气体的浓度和空间分布信息。本发明针对目前工业监测中甲烷气体泄漏的距离信息以及浓度定量化难点，设计了一套小型化、定量化、连续化激光同轴扫描甲烷成像系统，可以较好地解决目前工业气体泄漏监测需求。

技术领域

本发明涉及主动激光气体监测技术领域，特别涉及一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统及方法，可用于天然气生产和传输、农场生产、沼气监测、废气排放、工厂生产等领域，实现对甲烷气体的远距离、定量化、多要素(气体浓度、气体分布以及泄露)的探测。

背景技术

甲烷(CH₄)是天然气的主要成分，是气候变化的第二大贡献者，其20年全球变暖潜力是二氧化碳(CO₂)的84倍。因此，减少CH₄排放已被确定为减少全球变暖的关键目标。石油和天然气生产中，CH₄排放和泄漏监测是控制甲烷排放和温室效应的关键部分。工业生产中，如何实现整个生产厂区内的甲烷泄露监测和制定检修方案是生产中亟待解决的问题。

目前，厂区甲烷监测设备主要分为点式和遥测设备。点式主要包括传统的电化学等化学机制实现甲烷泄露和浓度监测。一般寿命较短且操作较为复杂，寿命较短需要人定期更换，维护比较麻烦。被动光谱气体成像光谱技术利用背景辐射和目标本身的热辐射进行气体探测，设备靠低温制冷性探测器保证探测的灵敏度，设备较为复杂且造价较贵。被动光谱测量技术受限于背景辐射的干扰，对于气体的精准定量化探测精度较低，无法实现厂区内泄漏率低的气体探测。甲烷排放的量化评估较难，对能源控制和环境效应无法提供精准的信息。主动激光测量可以避免被动光谱测量中的背景干扰，依靠激光本身的能量变化，获取气体吸收光谱，实现对气体的精准定量化监测。气体遥测主要依靠差分激光雷达，此系统可以对一定距离的气体浓度进行获取，但是差分吸收激光雷达系统往往复杂度高，在工厂连续化部署上具备困难。且雷达体积大，实现气云扫描较为困难。因此，连续化、小型化、定量化、甲烷气云遥测设备是目前工业化生产和环境监测行业中亟须的。

针对上述现实需求和现有技术的限制，本发明提出一种基于单光子探测的主动激光甲烷气云成像系统及方法，在近红外波段实现一种新型的甲烷气云定量化遥测系统设计，具备气体云团浓度高定量化探测和气体泄漏位置精准识别两个优势，相对常规的主动差分吸收激光雷达，具有重量轻、功耗小、成本低的优势，能够在一定距离内对气体云团的位置和气体浓度进行精准探测。该设备通过对甲烷气体云团的浓度探测，可以对甲烷的泄漏率和泄漏量进行精准评估，对于实现能源评估和甲烷带来的温室效应提供有效的数据源。本系统可搭载于工厂高处塔台、无人机、车载等多平台，实现对待探测场景内甲烷气体的多要素探测。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明为一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统及方法，通过激光脉冲调制、双楔扫描镜和单光子探测器同轴设计方案实现对气体的分布和浓度进行远距离成像，可应用于工业生产、农业、养殖等多个领域的甲烷泄露监测和气云成像。

其技术方案为：

一种基于单光子探测的同轴激光扫描甲烷气云成像系统，包括控制处理组件、激光源、电光调制器、激光准直器、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、扫描装置、窄带滤光片、汇聚透镜和单光子探测器；

成像系统的光路设置为：激光源发射的连续激光依次进入电光调制器、激光准直器、二分之一波片、偏振分光棱镜、四分之一波片、扫描装置，扫描激光光束射入大气中，经过气体团吸收激光被背景目标散射回来，返收的激光信号再依次经过气体团、扫描装置、四分之一波片、偏振分光棱镜、滤光片，最后经汇聚透镜聚焦之后被单光子探测器接收；