一种地面溢油污染物机载激光检测装置及方法

专利名称：一种地面溢油污染物机载激光检测装置及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202110656526.5

专利申请（专利权）人：中国石油天然气集团有限公司,中国石油天然气集团公司管材研究所,东北石油大学
权利人地址：北京市东城区东直门北大街9号中国石油大厦

专利发明（设计）人：刘文红,李栋,施宜君,王迪,吕妍,李玉爽,邓冀童,于杨

专利摘要：本发明公开了一种地面溢油污染物机载激光检测装置及方法，地面溢油污染物机载激光检测装置，包括激光发射模块、激光接收模块以及信号处理模块；激光发射模块包括中红外激光光源、中转镜、负透镜、正透镜组以及平行设置的第一激光准直发射器和第二激光准直发射器；激光接收模块包括抛物面聚光镜、双曲面聚光镜、聚光透镜、反射镜和光电探测器。本发明实施例提供的地面溢油污染物机载激光检测装置，其中激光发射器采用双波段光束反射‑折射扩束共光轴结构，减小了光线发散，光束变大，使激光所能检测到的范围变大。激光接收模块采用卡塞格林光学接收系统，光完全为反射，无折射，使光的散失降到最低，实现溢油区域的精确探测。

主权利要求：
1.一种地面溢油污染物机载激光检测装置，其特征在于，包括激光发射模块（6）、激光接收模块以及信号处理模块；
所述激光发射模块（6）包括中红外激光光源（16）、中转镜（17‑3）、负透镜（7）、正透镜组（8）以及平行设置的第一激光准直发射器（18‑1）和第二激光准直发射器（18‑2）；中红外激光光源（16）分别连接第一激光准直发射器（18‑1）和第二激光准直发射器（18‑2）；第一激光准直发射器（18‑1）和第二激光准直发射器（18‑2）的激光发射方向前方分别设置有第二直角棱镜（17‑2）和第一直角棱镜（17‑1），第一直角棱镜（17‑1）和第二直角棱镜（17‑2）分别与中转镜（17‑3）的两个反射面平行；负透镜（7）和正透镜组（8）依次设置在中转镜（17‑3）的反射光线前进的方向；
所述激光接收模块包括抛物面聚光镜（3）、双曲面聚光镜（5）、聚光透镜（19）、反射镜（2）和光电探测器（1）；所述双曲面聚光镜（5）设置于抛物面聚光镜（3）抛物面一侧，所述抛物面聚光镜（3）的中心位置设置有两端开口的圆筒；圆筒第一端正对双曲面聚光镜（5），反射镜（2）安装在圆筒第二端，光电探测器（1）位于反射镜（2）的反射光线前进方向，聚光透镜（19）安装在圆筒内；所述光电探测器（1）连接所述信号处理模块；
所述聚光透镜（19）和反射镜（2）之间设置有球形滤光腔（20）；
所述球形滤光腔（20）的两端开口用于聚光透镜（19）光线的射入以及光线射出至反射镜（2），内部腔体表面涂有用于吸收杂散光的涂层；
所述信号处理模块包括前置放大电路（9）、锁相放大模块（10）、数据采集卡（11）、终端处理系统（12）、温度控制模块（13）、信号发生模块（14）和电流驱动模块（15）；
前置放大电路（9）的信号输入端连接光电探测器（1），前置放大电路（9）的信号输出端连接锁相放大模块（10）的信号输入端，锁相放大模块（10）的信号输出端连接数据采集卡（11）的信号输入端，数据采集卡（11）的信号输出端连接终端处理系统（12）的信号输入端；
信号发生模块（14）的信号输出端分别连接锁相放大模块（10）的信号输入端以及电流驱动模块（15）的信号输入端，电流驱动模块（15）的信号输出端以及温度控制模块（13）的信号输出端共同连接中红外激光光源（16）。
2.根据权利要求1所述的地面溢油污染物机载激光检测装置，其特征在于，所述双曲面聚光镜（5）安装有遮光罩（4）。
3.根据权利要求1所述的地面溢油污染物机载激光检测装置，其特征在于，所述反射镜（2）受光一侧为光滑反射面镜，基底为镀金涂层。
4.根据权利要求1所述的地面溢油污染物机载激光检测装置，其特征在于，所述中红外激光光源（16）包括两种波段的中红外激光。
5.根据权利要求4所述的地面溢油污染物机载激光检测装置，其特征在于，所述中红外激光光源（16）中双波段激光采用的波数为3.378μm和3.413μm。
6.根据权利要求2所述的地面溢油污染物机载激光检测装置，其特征在于，所述遮光罩（4）采用ABS材料。
7.一种地面溢油污染物机载激光检测方法，基于权利要求1 6任一项所述的地面溢油~
污染物机载激光检测装置，其特征在于，包括如下步骤：
双波段激光由第一激光准直发射器（18‑1）和第二激光准直发射器（18‑2）平行射出，分别射至第二直角棱镜（17‑2）和第一直角棱镜（17‑1），经过中转镜（17‑3）形成共光轴光路，然后通过负透镜（7）和正透镜组（8）的准直扩束作用后发出；
原油表面反射回来的激光，经过抛物面聚光镜（3）反射至双曲面聚光镜（5），然后经双曲面聚光镜（5）反射至聚光透镜（19），经过聚光透镜（19）射至反射镜（2），反射镜（2）将激光反射至光电探测器（1），光电探测器（1）将接收到的光信号转变为电流信号发送至信号处理模块。 说明书 : 一种地面溢油污染物机载激光检测装置及方法技术领域[0001] 本发明属于油气污染检测技术领域，具体涉及一种地面溢油污染物机载激光检测装置及方法。背景技术[0002] 地面溢油污染物机载激光检测装置是能够在无人巡检前提下进行远距离、大范围区域油气污染物检测的装置。近年来，埋地输油管道在长期服役过程中年久失修，原油泄漏事故频发，致使大片地区受到污染，一次很小的漏油事件若不能及时、快速得到监测和识别足以引发严重的能源浪费和环境破坏。[0003] 当前泄漏原油污染物检测主要依靠人工巡检，且每次检测由于待检范围大而导致耗时长、人工成本高，且效率低下，漏检区域不可避免。随着能源产业的发展，油气管道的安全维护和日常巡检工作压力日益增大。发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种地面溢油污染物机载激光检测装置及方法，在大范围区域能高效率、快速、短时间完成地面泄漏原油污染物的检测，解决现有的人员工作浪费时间且效率极低的问题。[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：[0006] 一种地面溢油污染物机载激光检测装置，包括激光发射模块、激光接收模块以及信号处理模块；[0007] 所述激光发射模块包括中红外激光光源、中转镜、负透镜、正透镜组以及平行设置的第一激光准直发射器和第二激光准直发射器；中红外激光光源分别连接第一激光准直发射器和第二激光准直发射器；第一激光准直发射器和第二激光准直发射器的激光发射方向前方分别设置有第二直角棱镜和第一直角棱镜，第一直角棱镜和第二直角棱镜分别与中转镜的两个反射面平行；负透镜和正透镜组依次设置在中转镜的反射光线前进的方向；[0008] 所述激光接收模块包括抛物面聚光镜、双曲面聚光镜、聚光透镜、反射镜和光电探测器；所述双曲面聚光镜设置于抛物面聚光镜抛物面一侧，所述抛物面聚光镜的中心位置设置有两端开口的圆筒；圆筒第一端正对双曲面聚光镜，反射镜安装在圆筒第二端，光电探测器位于反射镜的反射光线前进方向，聚光透镜安装在圆筒内；所述光电探测器连接所述信号处理模块。[0009] 进一步的，所述聚光透镜和反射镜之间设置有球形滤光腔。[0010] 进一步的，所述球形滤光腔的两端开口用于聚光透镜光线的射入以及光线射出至反射镜，内部腔体表面涂有用于吸收杂散光的涂层。[0011] 进一步的，所述信号处理模块包括前置放大电路、锁相放大模块、数据采集卡、终端处理系统、温度控制模块、信号发生模块和电流驱动模块；[0012] 前置放大电路的信号输入端连接光电探测器，前置放大电路的信号输出端连接锁相放大模块的信号输入端，锁相放大模块的信号输出端连接数据采集卡的信号输入端，数据采集卡的信号输出端连接终端处理系统的信号输入端；[0013] 信号发生模块的信号输出端分别连接锁相放大模块的信号输入端以及电流驱动模块的信号输入端，电流驱动模块的信号输出端以及温度控制模块的信号输出端共同连接中红外激光光源。[0014] 进一步的，所述双曲面聚光镜安装有遮光罩。[0015] 进一步的，所述反射镜受光一侧为光滑反射面镜，基底为镀金涂层。[0016] 进一步的，所述中红外激光光源包括两种波段的中红外激光。[0017] 进一步的，所述中红外激光光源中双波段激光采用的波数为3.378μm和3.413μm。[0018] 进一步的，所述遮光罩采用ABS材料。[0019] 本发明实施例的另一方面，提供了一种地面溢油污染物机载激光检测方法，基于所述的地面溢油污染物机载激光检测装置，包括如下步骤：[0020] 双波段激光由第一激光准直发射器和第二激光准直发射器平行射出，分别射至第二直角棱镜和第一直角棱镜，经过中转镜形成共光轴光路，然后通过负透镜和正透镜组的准直扩束作用后发出；[0021] 原油表面反射回来的激光，经过抛物面聚光镜反射至双曲面聚光镜，然后经双曲面聚光镜反射至聚光透镜，经过聚光透镜射至反射镜，反射镜将激光反射至光电探测器，光电探测器将接收到的光信号转变为电流信号发送至信号处理模块。[0022] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：[0023] 1、本发明实施例提供的地面溢油污染物机载激光检测装置，其中激光发射器采用双波段光束反射‑折射扩束共光轴结构，减小了光线发散，光束变大，使激光所能检测到的范围变大。激光接收模块采用卡塞格林光学接收系统，光完全为反射，无折射，使光的散失降到最低，实现溢油区域的精确探测。[0024] 2、本发明实施例提供的地面溢油污染物机载激光检测装置，入射激光被溢油区域反射，聚焦凸透镜将平行光束进行聚焦，射入球形滤光腔，根据积分球原理，杂散光在球形滤光腔内经过多次漫反射，被涂层吸收而衰减，能够有效削弱光的杂散性，提高漫反射的次数，优化衰弱和抑制杂光能力，最后由接收系统光电探测器接收，分析反射光谱进而识别溢油污染物信息。[0025] 3、本发明利用机载激光装置实时检测溢油区域相关位置，可在无人巡检的条件下对一定区域内的溢油污染物进行快速识别和检测，且其设计结构紧凑稳定。附图说明[0026] 构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：[0027] 图1为本发明实施例提供的地面溢油污染物机载激光检测装置的结构示意图。[0028] 图2为本发明实施例中激光发射模块的结构示意详图。[0029] 图3为本发明实施例中球形滤光腔原理结构图。[0030] 其中：1光电探测器；2反射镜；3抛物面聚光镜；4遮光罩；5双曲面聚光镜；6激光发射模块；7负透镜；8正透镜组；9前置放大电路；10锁相放大模块；11数据采集卡；12终端处理系统；13温度控制模块；14信号发生模块；15电流驱动模块；16中红外激光光源；17‑1第一直角棱镜；17‑2第二直角棱镜；17‑3中转镜；18‑1第一激光准直发射器；18‑2第二激光准直发射器；19聚光透镜；20球形滤光腔。具体实施方式[0031] 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。[0032] 以下详细说明均是示例性的说明，旨在对本发明提供进一步的详细说明。除非另有指明，本发明所采用的所有技术术语与本申请所属领域的一般技术人员的通常理解的含义相同。本发明所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而并非意图限制根据本发明的示例性实施方式。[0033] 如图1和2所示，本发明实施例一方面提供了一种地面溢油污染物机载激光检测装置，包括激光发射模块6、激光接收模块以及信号处理模块。[0034] 具体的，激光发射模块6包括中红外激光光源16、中转镜17‑3、负透镜7、正透镜组8以及平行设置的第一激光准直发射器18‑1和第二激光准直发射器18‑2；中红外激光光源16分别连接第一激光准直发射器18‑1和第二激光准直发射器18‑2，中红外激光光源16包括两种波段的中红外激光。本实施例中，中红外激光光源16中双波段激光采用的波数为3.378μm和3.413μm。第一激光准直发射器18‑1和第二激光准直发射器18‑2的激光发射方向前方分别设置有第二直角棱镜17‑2和第一直角棱镜17‑1，第一直角棱镜17‑1和第二直角棱镜17‑2分别与中转镜17‑3的两个反射面平行；负透镜7和正透镜组8依次设置在中转镜17‑3的反射光线前进的方向。[0035] 具体的，激光接收模块包括抛物面聚光镜3、双曲面聚光镜5、聚光透镜19、反射镜2和光电探测器1；双曲面聚光镜5设置于抛物面聚光镜3抛物面一侧，抛物面聚光镜3的中心位置设置有两端开口的圆筒；圆筒第一端正对双曲面聚光镜5，反射镜2安装在圆筒第二端，光电探测器1位于反射镜2的反射光线前进方向，聚光透镜19安装在圆筒内；光电探测器1连接信号处理模块，双曲面聚光镜5安装有遮光罩4，以防止视场内可见光影响，本实施例中，遮光罩4采用ABS材料。[0036] 具体的，信号处理模块包括前置放大电路9、锁相放大模块10、数据采集卡11、终端处理系统12、温度控制模块13、信号发生模块14和电流驱动模块15；采用内置航模电池，选用2.5寸SATA00000Revision3.0接口的固态硬盘。插在数据采集卡11的主板上，终端处理系统12选用嵌入式英特尔E3825为核心处理器的计算机平台。前置放大电路9的信号输入端连接光电探测器1，前置放大电路9的信号输出端连接锁相放大模块10的信号输入端，锁相放大模块10的信号输出端连接数据采集卡11的信号输入端，数据采集卡11的信号输出端连接终端处理系统12的信号输入端；信号发生模块14的信号输出端分别连接锁相放大模块10的信号输入端以及电流驱动模块15的信号输入端，电流驱动模块15的信号输出端以及温度控制模块13的信号输出端共同连接中红外激光光源16，通过电流驱动模块15和温度控制模块13调整中红外激光光源16的输出波长。[0037] 如图3所示，聚光透镜19和反射镜2之间设置有球形滤光腔20。本实施例中，球形滤光腔20的两端开口用于聚光透镜19光线的射入以及光线射出至反射镜2，反射镜2受光一侧为光滑反射面镜，基底为镀金涂层，球形滤光腔20内部腔体表面涂有用于吸收杂散光的涂层，背景杂散光经过在球型滤光腔20内壁表面涂层的多次反射和吸收达到二级抑制作用，以提高激光检测系统信噪比。[0038] 如图3所示，返回的平行光束通过聚光透镜19进行聚光，接着射入球形滤光腔20，球形滤光腔20内径取为6mm，输入孔径为4mm，输出孔径为2mm。根据积分球原理，光在球形滤光腔20内部进行多次漫反射，使杂散光在球腔中得到抑制，其具体安装参数由下式确定：[0039][0040] 其中，Dl—激光光束光斑直径；θ—检测光束的边缘光线与光轴的夹角；f—聚光透镜的焦距；为保证有效光路通过球型滤光腔20时不被阻挡，取Dl'为3mm，并取球型滤光腔20的输入孔与Dl'所在平面间距δ为1mm；则d为球型滤光腔中心到聚光透镜的距离，通过计算其值为3.13mm。[0041] 本发明实施例的另一个方面，还提供了一种地面溢油污染物机载激光检测方法，基于上述的地面溢油污染物机载激光检测装置，包括如下：[0042] 激光光源由中红外激光光源16发出，其中激光发射器大小采用不超过480mm×250mm×130mm的尺寸，由于本发明是为了对原油溢漏进行检测，而红外测油国标法中判定是否存在原油的依据是CH2、CH3的存在，因此，本发明中双波段激光采用的波数为3.378μm和3.413μm，双波段激光由第一激光准直发射器18‑1和第二激光准直发射器18‑2平行射出，分别射至第二直角棱镜17‑2和第一直角棱镜17‑1，经过中转镜17‑3形成共光轴光路，照在一个短焦距的负透镜7上，通过负透镜7和一个长焦距的正透镜组8的准直扩束作用，使激光光线宽度变大，扩束形成大光斑后发出，保证其扩束倍率及发散角，使得高质量准直大光斑光束照射于溢油表面；其中正透镜组8分为两部分，为一个凹凸透镜(正弯月形透镜)以及一个平凸透镜，使光呈平行方向射出，并保证光束变大光强不变。[0043] 原油表面反射回来的激光，经过抛物面聚光镜3(主镜)反射至双曲面聚光镜5(副镜)，然后经双曲面聚光镜5反射至聚光透镜19，经过聚光透镜19射至反射镜2，反射镜2将激光反射至光电探测器1，光电探测器1将接收到的光信号转变为微弱电流信号，前置放大电路9对微弱电流信号新型跨阻放大，作为待测信号输入至锁相放大模块10；信号发生模块14将参考信号发送至锁相放大模块10，锁相放大模块10将参考信号解调，并与待测信号进行归一化处理，经过数据采集卡11给到终端处理系统12，终端处理系统12根据归一化后的信号幅值表征石油挥发气体浓度，判断是否发生泄露。例如气体浓度超过设定阈值时，判定监测区域发生泄漏，并发出警报等。[0044] 由技术常识可知，本发明可以通过其它的不脱离其精神实质或必要特征的实施方案来实现。因此，上述公开的实施方案，就各方面而言，都只是举例说明，并不是仅有的。所有在本发明范围内或在等同于本发明的范围内的改变均被本发明包含。

专利地区：北京

专利申请日期：2021-06-11

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN115468927B