РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ	(19) RU (11) 2 736 178 (13) C1
	(51) МПК G01N 21/61 (2006.01) (52) СПК G01N 21/61 (2020.08)

Статус:	действует (последнее изменение статуса: 02.11.2022)
Пошлина:	учтена за 4 год с 10.06.2023 по 09.06.2024. Установленный срок для уплаты пошлины за 5 год: с 10.06.2023 по 09.06.2024. При уплате пошлины за 5 год в дополнительный 6-месячный срок с 10.06.2024 по 09.12.2024 размер пошлины увеличивается на 50%.

(21)(22) Заявка: 2020120030, 09.06.2020 (24) Дата начала отсчета срока действия патента: 09.06.2020 Дата регистрации: 12.11.2020 Приоритет(ы): (22) Дата подачи заявки: 09.06.2020 (45) Опубликовано: 12.11.2020 Бюл. № 32 (56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: WO 2016111441 A1, 14.07.2016. US 5173749 A1, 22.12.1992. JP 2009192245 A, 27.08.2009. RU 143782 U1, 27.07.2014. Адрес для переписки: 141700, Московская обл., г. Долгопрудный, Институтский пер., 9, МФТИ, отдел по интеллектуальной собственности

(72) Автор(ы): Спиридонов Максим Владимирович (RU), Мещеринов Вячеслав Вячеславович (RU), Казаков Виктор Алексеевич (RU), Газизов Искандер Шамилевич (RU) (73) Патентообладатель(и): федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" (RU)

(54) Способ и устройство для автономного дистанционного определения концентрации атмосферных газовых составляющих

Изобретение относится к области газоанализа и аналитического приборостроения, а именно к оптическим приборам, которые устанавливаются, на летательных аппаратах, в том числе беспилотных, служащих для экологического мониторинга окружающей среды, и касается способа автономного дистанционного определения концентрации атмосферных газовых составляющих путем удаленного обнаружения избыточной на фоне природного уровня концентрации загрязняющих или опасных веществ в атмосфере, дистанционного измерения их концентрации, в частности, определения местонахождения и интенсивности утечек из газопроводов высокого и низкого давления и других природных и промышленных источников.

Задача дистанционного измерения концентрации метана становится одной из основных задач атмосферного газоанализа, поскольку метан является важным индикатором парникового эффекта, химических реакций с участием органических соединений и активно используемым энергетическим ресурсом. Хорошую возможность поиска и наблюдения утечек природного газа или, например, свалочного газа, более чем наполовину состоящего из метана, дает современное развитие беспилотной летательной техники. Таким образом, именно эта газовая составляющая атмосферного воздуха была выбрана в качестве целевого газа при апробации предлагаемой методики, лежащей в основе лидара для мониторинга индустриальных загрязнений, подходящего для установки на беспилотный летательный аппарат (БПЛА).

Проблема мониторинга утечек природного газа из магистральных трубопроводов в настоящий момент оказывается все более актуальной, поскольку существующая система внутритрубной дефектоскопии не может обеспечить нужную производительность. Более того, около 40% всей протяженности газопроводов, принадлежащих ПАО «Газпром», вовсе не приспособлены к такой диагностике. Возможным решением этой проблемы является применение дистанционного лазерного обнаружения утечек.

Последние годы во всем мире не прекращаются попытки создания приборов для обнаружения утечек газа с борта летательного аппарата. Ряд из них останавливается на стадии проекта. У остальных приборов сохраняются проблемы с совокупностью необходимых для реального применения параметров: точностью определения мест утечек и динамическим диапазоном по их интенсивности, максимальной дальностью обнаружения, минимизацией ложных результатов, быстродействием, надежностью и удобством в эксплуатации, малыми габаритами и весом, невысокой ценой приобретения и обслуживания для пользователя. В результате на рынке транспортировки природного газа по-прежнему отсутствуют удачные решения для дистанционного контроля утечек.

Из уровня техники известны лазерные системы для дистанционного обнаружения утечек метана, построенные на двух лазерах [US 4489239 A, 1982]. Передатчик системы включает первый и второй лазеры, настроенные соответственно на длину волны, совпадающую с сильной линией поглощения метана, и референтную длину волны, на которой метан слабо поглощает излучение. Лазеры нацелены на топографическую цель вдоль системной оси, проходящую сквозь вращающееся колесо прерывателя. Приемник системы включает в себя сферическое зеркало для сбора отраженного лазерного излучения и фокусировки собранного излучения через узкополосный оптический фильтр на оптический детектор. Фильтр настроен на длины волн двух лазеров и подавляет фоновый шум для улучшения отношения сигнал/шум детектора. Выходной сигнал оптического детектора обрабатывается синхронным детектором, который измеряет разницу между сигналом на первой длине волны и сигналом на опорной длине волны.

Чувствительность и точность подобных измерений ограничивается прежде всего тем, что излучение лазеров разнесено по времени, а коэффициент отражения света различными типами подстилающей поверхности варьируется в пределах 15%. Поэтому для получения достаточной чувствительности и точности измерений необходимо уменьшать промежуток времени между излучениями двух лазеров до 1 мсек и ниже, что усложняет оптическую систему вывода излучения. Расфокусировка выходного лазерного пучка для усреднения коэффициента отражения по большей площади приводит к снижению точности определения места утечки. Наиболее существенным недостатком таких приборов является крайне низкий динамический диапазон детектируемых концентраций, а именно невозможность измерения концентрации исследуемого вещества в широком диапазоне концентраций, без дополнительного изменения длины волны генерируемого излучения.

Из уровня техники известны газоанализаторы, предполагающие проведение измерений внутри оптической кюветы [US 5130544 A, 1992]. В такой схеме измерений могут применяться закрытые кюветы, через которые прокачивается исследуемая газовая смесь, или открытые, используемые для локальных измерений концентрации исследуемого газа в воздухе. Подобные приборы устанавливались на пилотируемые летательные аппараты для измерения концентрации метана в воздухе. При использовании многопроходных кювет благодаря большой длине оптического пути чувствительность измерений оказывалась весьма высокой. Такие газоанализаторы оказываются эффективны при построении вертикальных профилей распределения концентрации различных газовых составляющих [Applied Optics 38, 7342-7354 (1999)]. В случае применения подобных устройств приборов для детектирования утечек природного газа из трубопроводов их принципиальным недостатком являются низкая точность локализации утечки и высокая вероятность ложного детектирования, обусловленные тем, что небольшие превышения естественной концентрации метана в воздухе могут не быть связанными с утечкой из газопроводов.

Известны газоанализаторы, работающие на основе явления комбинационного рассеяния. Они включают в себя лазер, систему вывода лазерного излучения, приемный оптический тракт, фотоприемник, систему обработки и записи данных [RU 2022251 C1, 1991], [RU 2036372 C1, 1992]. Принцип действия таких устройств основан на взаимодействии лазерного излучения с молекулой, последующем возбуждении ее электронной подсистемы, которая в процессе релаксации излучает со сдвигом на собственные колебательные частоты. Это излучение регистрируется приемной системой прибора. По интенсивности зарегистрированного излучения осуществляется прямое измерение количества молекул на оптическом пути, пройденном излучением. Преимуществом данного метода является независимость получаемых результатов от внешних условий. Но для реализации подобных устройств необходимо использование лазеров с длиной волны менее 1 мкм и мощностью до 3 кВт/см², что приводит к использованию громоздкой аппаратуры с высоким энергопотреблением. К тому же излучение таких лазеров крайне опасно для зрения. Наконец, сечение комбинационного рассеяния для метана в рабочем диапазоне длин волн таких приборов составляет ~10^-29 см² на молекулу (в ближнем ИК-диапазоне ~10^-20 см²), из-за чего чувствительность подобных устройств оказывается относительно невелика.

Лазерные газоанализаторы, использующие абсорбционные свойства газов, обладают большей чувствительностью и быстродействием. Известен дистанционный оптический абсорбционный лазерный газоанализатор [RU 2285251 C2, 2006], предназначенный для дистанционного измерения концентрации газообразных веществ и содержащий блок лазерного излучателя с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, блок приема аналитического сигнала, оптически связанный с блоком лазерного излучателя через диффузно отражающий объект, а также блок управления, приема и обработки данных.

Из уровня техники известны устройства для дистанционного обнаружения утечек метана на уровне, превышающем естественный уровень фона, с использованием абсорбционной лазерной спектроскопии на основе перестраиваемого по длине волны диодного лазера [US 7075653 B1, 2006], [RU 137373 U1, 2014]. Эти приборы состоят из лазера, излучающего на длине волны, соответствующей полосе поглощения метана; оптического детектора, принимающего отраженное от удаленной мишени лазерное излучение; соединенного с детектором модуля обработки сигнала; статистического процессорного модуля обнаружения, функционально соединенного с детектором, способным давать оценку уровня природного содержания метана и оценку уровня шумов измерений, различать какой из указанных уровней превышает допустимые пределы; пользовательского интерфейса, функционально соединенного с указанным процессорным модулем. Недостатком таких устройств является низкая точность локализации места утечки и необходимость в осмотре газопровода инспектором. Подобные устройства не могут повсеместно использоваться вне городской черты.

Класс приборов, ориентированных на дистанционное обнаружение утечек с расстояния в десятки-сотни метров, монтируемых на летательные и вездеходные аппараты, дают возможность локализации утечки в труднодоступных местах с гораздо большей точностью.

Близким аналогом заявленного технического решения является газоанализатор, содержащий оптический блок и средства обработки данных [WO 2019112459 A1, 2019]. Оптический блок включает в себя лазерный модуль с диодным лазером, излучающим в окрестности длины волны 1,65 мкм, аналитический и реперный каналы. При проведении измерений изменяя и стабилизируя температуру диодного лазера, частота излучения перестраивается в диапазоне до 100 см^-1. Может меняться величина тока накачки диодного лазера и осуществляться сканирование частоты излучения в пределах до 5 см^-1. Усиленные сигналы аналитического и реперного каналов обрабатываются в режиме реального времени. При этом определяются кросскорреляционная функция F(z) и автокорреляционная функция сигнала реперного канала G(z), осуществляется фильтрации шума сигнала в аналитическом канале, по значениям данных функций определяется коэффициент кросскорреляции в зависимости от значений F(z) и G(z) и определяется концентрация газа в аналитическом канале в зависимости от коэффициента кросскорреляции, концентрации газа в реперной кювете и длины оптического пути в аналитическом и реперном каналах. Устройство организовано в виде двух независимых частей: оптического блока, устанавливаемого на вертолете, и электроники с мобильным компьютером, собранной в отдельном кейсе.

Недостатком данного устройства является возможность установки только на пилотируемые летательные аппараты ввиду больших габаритов и массы (оптический блок - 400×400×600 мм³, 25 кг; кейс электроники - 500×400×200 мм³, 10 кг), высокого суммарного энергопотребления - 100 Вт, а также необходимости в присутствии на борту оператора устройства. Учитывая значительную протяженность магистральных трасс и высокую стоимость полетов пилотируемой авиационной техники, использование таких устройств зачастую является экономически нецелесообразным.

Основные недостатки вышеперечисленных газоанализаторов:

1. в большинстве случаев устройства являются сложными в изготовлении и эксплуатации;

2. максимальная чувствительность существующих приборов, основанных на абсорбционных методах, сопровождается массивностью, большим энергопотреблением, высокой стоимостью приобретения и обслуживания, необходимостью в присутствии оператора.

Поскольку в последние годы во всем мире очень активно развивается такая легкая авиационная техника как беспилотные летательные аппараты (БПЛА), в том числе имеющие двигатели внутреннего сгорания, рассчитанные на длительные полеты на скоростях в десятки метров в секунду и высотах от десятков до сотен метров, выглядит обоснованным техническое решение, представляющее собой газоанализатор, обладающий достаточной чувствительностью для обнаружения утечек из магистральных газопроводов и определения их интенсивности и иного контроля индустриальных загрязнений, установленный на БПЛА. В большинстве случаев БПЛА имеют небольшие относительно пилотируемых аппаратов габариты и энерговооруженность, что приводит к ограничениям по полезной нагрузке, масса которой не должна превышать 5 кг, а энергопотребление - 30 Вт, при этом для реальных применений газоаналитического устройства необходима климатическая и вибрационная стойкость. Важным аспектом в таком случае является быстродействие устройства. Эксплуатация подобных приборов в свою очередь должна быть максимально простой, не требовать участия оператора в работе устройства во время полета БПЛА и допускать длительные перерывы между техническим обслуживанием. Также для экономической целесообразности применения таких приборов стоимость их приобретения и дальнейшего обслуживания должна быть предельно низкой. Таким требованиям отвечает предлагаемое техническое решение, основанное на методе модуляционной лазерной спектроскопии.

Из уровня техники известны устройства и системы, использующие для оптического контроля газовых сред метод модуляционной спектроскопии [JP 2004361129 A, 2004], [CN 102706832 B, 2014]. Изобретение [CN 102706832 B] представляет собой лазерный инфракрасный газоанализатор на основе перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии для обнаружения хлористого водорода, метана, оксида углерода, водяного пара и других газов. Устройство содержит лазер, схему управления лазером, схему управления температурой, оптическую систему с оптическим резонатором, основной детектор, опорный детектор, схему модуляции и подавления интенсивности, схему фазовой синхронизации и усиления и схему сбора и отображения данных. Схема управления лазером и схема управления температурой лазера используются для управления генерируемым излучением, оба конца оптической системы соответственно соединены с лазером и детектором, схема фазовой синхронизации и усиления используется для извлечения гармонических сигналов, а схема сбора и отображения данных используется для отображения концентрации газа, подлежащего обнаружению.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является изобретение [KR 20160085548 A, 2016], представляющее собой способ измерения концентрации газов, основанный на принципе модуляционной лазерной абсорбционной спектроскопии. Техническое решение реализации этого способа включает в себя: блок лазерного источника излучения, обеспечивающий зондирующий луч до объекта измерения, модулирующий амплитуду сигнала на частоте f, лежащей в предварительно определенной полосе частот; блок детектирования зондирующего излучения, прошедшего сквозь исследуемый газ, преобразующий оптический сигнал в электрический; и блок обработки, извлекающий сигнал на первой гармонической составляющей частоты модуляции f и на вторичной составляющей 2f путем обработки электрического сигнала с блока детектирования света и вычисляющий степень поглощения зондирующего луча измеряемым газом по отношению первой гармонической составляющей ко второй.

Недостатком данного устройства можно считать отсутствие стабилизации длины волны генерируемого диодным лазером излучения по линии поглощения исследуемого газа, что ухудшает отношение полезного сигнала к шумам системы из-за недостаточной стабильности лазерного излучения, а также ввиду стационарного исполнения указанного технического решения отсутствие обратной связи глубины модуляции с уровнем поглощения измеряемого газа и вычисления дистанции до рассеивающей поверхности.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является решение проблемы, заключающейся в отсутствии компактных газоанализаторов, подходящих для установки на БПЛА, для проведения экологического мониторинга среды, в частности для поиска утечек из магистральных газопроводов, находящихся в труднодоступных местах. Предлагаемое техническое решение, реализованное в виде дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора, позволит одновременно осуществлять измерение концентрации нескольких газовых составляющих атмосферного воздуха при проведении измерений на фиксированной трассе или в режиме пространственного сканирования.

Заявленный технический результат достигается тем, что для устранения указанных недостатков прототипа в случае реализации методики модуляционной лазерной абсорбционной спектроскопии в условиях автономного лидарного мониторинга индустриальных загрязнений, в том числе поиска утечек из магистральных газопроводов, посредством компактного энергоэффективного газоанализатора, подходящего для установки на беспилотный летательный аппарат, что способствует удешевлению процедуры мониторинга, в предложенном компактном газоанализаторе предлагается для повышения отношения полезного сигнала к шумам системы реализация стабилизации длины волны генерируемого диодным лазером излучения по линии поглощения исследуемого газа, для чего оптический блок, содержащий указанный полупроводниковый диодный лазерный источник излучения ИК-диапазона 1 с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы благодаря модуляции тока инжекции, реализуемой при помощи многофункциональной цифровой платы 13 и цифро-аналогового преобразователя 12, соединен при помощи оптического волокна 2 и оптоволоконного светоделителя 3 с передающей оптической системой 4 аналитического и реперного каналов, причем реперный канал содержит однопроходную кювету 9 со смесью измеряемого газа и азота при атмосферном давлении, сквозь которую проходит малая часть лазерного излучения, фокусируемая на фотодиоде 8 реперного канала, при этом непрерывная обработка усиленного сигнала реперного канала позволяет вычислить гармоническую составляющую сигнала на утроенной частоте модуляции 3f и выполнить алгоритм температурной стабилизации диодного лазера 1, эквивалентный стабилизации температуры лазера по положению пика линии поглощения измеряемого газа, по составляющей на частоте 3f с точностью до 10^-4 см^-1, недостижимой при использовании для управления элементом Пельтье, установленного в корпус диодного лазера, только PID-регулятора, к тому же сигнал, поступивший с приемной системы 7 аналитического канала, принимающей лазерное излучение, рассеянное от поверхности топографического объекта 6 и прошедшее через облако детектируемого газа 5, включающей приемный телескоп, оптический фильтр и фотодиод, попадает в аналоговый предусилитель 10, осуществляющий усиление и частотную фильтрацию сигнала, после чего при помощи аналого-цифрового преобразователя 11 и многофункциональной цифровой платы 13 блока управления, приема и обработки данных обрабатывается согласно методике квадратурного детектирования, что позволяет избавиться от негативного эффекта, связанного с флуктуациями фазы последовательности импульсов принимаемого рассеянного лазерного излучения, способного приводить к ошибке определения концентрации на порядок величины и более, в ходе обработки по первой гармонической составляющей аналитического сигнала на частоте f проводится оценка интенсивности принимаемого сигнала, а также по сдвигу фаз вычисляется расстояние до рассеивающей излучение лазера поверхности, причем в процессе выполнения алгоритмов работы глубина модуляции, связанная с уровнем поглощения измеряемого газа, может меняться в реальном времени в зависимости от концентрации измеряемой газовой составляющей, которая вычисляется в реальном времени по отношению гармонических составляющих аналитического сигнала на удвоенной частоте 2f и на частоте модуляции f.

В частном случае реализации заявленного технического решения добавлен по крайней мере один дополнительный аналогичный модуль лазерного излучателя, настроенный на работу в другом спектральном диапазоне.

В частном случае реализации заявленного технического решения модули лазерных излучателей выполнены съемными и сменными.

В частном случае реализации заявленного технического решения дополнительно определяется пространственное распределение измеряемой газовой составляющей при помощи определения текущих координат по данным систем глобальной спутниковой навигации GPS и/или ГЛОНАСС.

Изобретение поясняется чертежами, на которых представлены:

Фиг. 1 - спектр поглощения метана в окрестности длины волны 1,65 мкм;

Фиг. 2 - коэффициент поглощения метана в окрестности линии R4 (1,65095 мкм) при фоновой концентрация метана в атмосфере и длине оптического пути 100 м;

Фиг. 3 - форма выходной оптической мощности излучения диодного лазера (ДЛ);

Фиг. 4 - форма гармонических составляющих принимаемого сигнала на частоте модуляции f, удвоенной частоте 2f и утроенной 3f;

Фиг. 5 - блок-схема дистанционного оптического абсорбционного лазерного газоанализатора;

Фиг. 6 - блок-схема электроники газоанализатора.

Заявленный способ дистанционного измерения концентрации, превышающей естественное значение, атмосферных газовых составляющих на примере метана возможен посредством непрерывного измерения глубины линии поглощения этого газа. Для этого хорошо подходят сильные линии поглощения метана, например, линия поглощения Q4 колебательной полосы ν₃=3,312 мкм и первого обертона R4 полосы 2ν₃=1,651 мкм. Ширина линии поглощения R4, измеренная на полувысоте контура, при атмосферном давлении составляет Δν=0,13 см^-1. Эта линия поглощения может наблюдаться в условиях средней и высокой влажности. Таким образом для реализации предложенного способа оптимальным вариантом источника лазерного излучения является полупроводниковый диодный лазер с длиной волны излучения в области 1,65 мкм. Такой лазер может быстро перестраиваться по длине волны в окрестности пика выбранной линии поглощения путем модуляции тока накачки, при этом возможно реализовать стабилизацию температуры кристалла на уровне 10^-4 К, что в выбранном диапазоне соответствует ~10^-4 см^-1.

Стоит отметить, что для создания абсорбционного лазерного газоанализатора лидарного типа для обнаруженния превышений естественного уровня содержания метана в атмосфере выбор ближнего ИК-диапазона предпочтительнее средней ИК-области спектра. Несмотря на то, что линии поглощения метана, лежащие в диапазоне 3,1-3,6 мкм, примерно на два порядка превосходят по интенсивности линии вблизи 1,65 мкм, это компенсируется возможностью применения в ближнем ИК-диапазоне недорогих и компактных полупроводниковых фотодиодов на основе InGaAs, чувствительность которых превосходит чувствительность фотоприемников среднего ИК-диапазона также на два порядка.

Примером реализации предложенного способа и устройства является прибор, состоящий из оптического блока и блока управления, приема и обработки полученных данных. Оптический блок содержит полупроводниковый диодный лазерный источник излучения ИК-диапазона с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, а именно в диапазоне длин волн 1645-1655 нм, который соединен при помощи оптоволоконного светоделителя с соотношением ~90/10 с передающей оптической системой аналитического и реперного каналов. Рассеянное от поверхности топографического объекта и прошедшее через облако измеряемого газа лазерное излучение, попадает в приемную систему аналитического канала, включающую приемную линзу, оптический фильтр, уменьшающий интенсивность солнечной засветки в 200 раз и пропускающий 60% полезного сигнала, и фотодиод с диаметром фоточувствительной области 2 мм. Реперный канал, содержащий однопроходную кювету со смесью СН₄ и N₂ при атмосферном давлении, сквозь которую проходит малая часть генерируемого диодным лазером излучения, фокусируемая на фотодиоде с диаметром фоточувствительной области 1 мм, необходим для прецизионной температурной стабилизации лазерного кристалла.

Блок управления, приема и обработки данных выполнен в виде аналогового модуля управления током инжекции и температурой диодного лазера и усиления принимаемого аналогового сигнала и многофункциональной цифровой платы, содержащей аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и два цифро-аналоговых преобразователя (ЦАП), программируемый микроконтроллер (МК) и программируемую логическую интегральную схему (ПЛИС). Быстродействующий 16-битный ЦАП выдает ток накачки лазера, а также задает напряжение на элементе Пельтье, встроенном в корпус лазера. 16-битный АЦП принимает предварительно усиленные и прошедшие фильтрацию сигналы с фотодиодов аналитического и реперного каналов, а также сигнал с мониторного фотодиода диодного лазера, на 12-битный АЦП подается напряжение с термистора, по которому рассчитывается текущая температура лазерного кристалла.

Учитывая скорость перемещения БПЛА, необходимо использовать методику, которая способствовала бы высокой скорости обработки сигнала. В качестве такой методики выбран алгоритм работы, основанный на абсорбционной модуляционной лазерной спектроскопии и синхронном детектировании сигнала. С учетом выбранных МК и ПЛИС данный алгоритм позволяет достичь скорости обработки данных в единицы МГц и использовать для работы 10²-10³ усреднений аналитического сигнала.

В процессе выполнения алгоритмов работы ток накачки диодного лазера модулируется гармонической функцией синуса с глубиной модуляции, связанной с уровнем поглощения измеряемого газа, и частотой f, которые могут меняться в зависимости от концентрации измеряемой газовой составляющей и скорости полета летательного аппарата путем обратной связи отправляемых в ЦАП данных с непрерывно обновляемыми результатами расчета концентрации измеряемого газа в атмосферном воздухе.

Благодаря нелинейным эффектам, связанным с поглощением лазерного излучения молекулами измеряемого газа, осуществляется преобразование амплитудной модуляции сигнала в частотное сканирование выбранной спектральной линии вблизи ее пика. Сигналы, принимаемые в аналитическом и реперном каналах, усиленные в аналоговом модуле, обрабатываются согласно методике синхронного детектирования, что позволяет значительно увеличить отношение сигнал/шум. В ходе обработки, реализованной на МК STM32 с ядром ARM Cortex-M7 и ПЛИС Cyclone IV, вычисляются гармонические составляющие принимаемого сигнала на частоте модуляции f, удвоенной 2f и утроенной 3f частотах. По первой гармонической составляющей аналитического сигнала проводится оценка интенсивности принимаемого сигнала, а также вычисляется расстояние до рассеивающей излучение лазера поверхности по сдвигу фаз. По отношению гармонических составляющих аналитического сигнала на удвоенной частоте 2f и на частоте модуляции f в реальном времени вычисляется концентрация измеряемого газа. Для дополнительного увеличения отношения сигнала к шумам системы выполняется частотная фильтрация сигнала аналитического канала с использованием П-образного фильтра с диапазоном, захватывающим частоты от f до 2f. По составляющей реперного сигнала, также прошедшего П-образный частотный фильтр, на частоте 3f непрерывно реализуется алгоритм температурной стабилизации диодного лазера с точностью до 10^-4 см^-1, недостижимой при использовании для управления элементом Пельтье, установленного в корпус диодного лазера, только PID-регулятора.

Фоновая концентрация метана в атмосферном воздухе составляет 1,6 ppm, что на дистанции 100 м приводит к поглощению 0,7% на длине волны 1,65095 мкм. Коэффициент рассеяния топографическими объектами (землей, песком, травой) составляет ~0,25. Отношение принимаемой мощности в аналитическом канале к выходной мощности лазерного излучения при расстоянии до поверхности 50 м для предложенной конфигурации составит ~3*10^-7. фоновая концентрация метана в атмосферном воздухе может быть измерена при усреднении за 20 мсек с отношением сигнала к шуму ~3.

Опытный образец прибора был создан и успешно прошел лабораторные испытания. Габариты устройства составляют 275×175×65 мм³, масса - 4 кг, пиковое энергопотребление - 35 Вт (при стандартном потреблении 20 Вт), рабочий температурный диапазон от -20°С до +60°С. При выходной оптической мощности диодного лазера 15 мВт и диаметре входной апертуры принимающей оптики 100 мм чувствительность прибора на расстоянии от рассеивающей поверхности 50 м составила 50 ppm*m для фоновой концентрации метана в атмосфере.

Формула изобретения

1. Способ дистанционного определения концентрации малых газовых составляющих атмосферного воздуха, основанный на методике абсорбционной модуляционной лазерной спектроскопии, заключающийся в том, что излучение лазерного источника света модулируют гармонической функцией с частотой f, прошедшее сквозь облако исследуемого газа и рассеянное от удаленной поверхности излучение синхронно детектируют, определяя гармонические составляющие регистрируемого сигнала на частоте модуляции f и удвоенной частоте 2f, благодаря чему вычисляют по отношению составляющих регистрируемого сигнала на частотах f и 2f концентрацию исследуемой газовой составляющей, отличающийся тем, что для повышения отношения полезного сигнала к шумам системы используют квадратурное детектирование регистрируемого сигнала, реализуют стабилизацию длины волны генерируемого лазерным источником излучения по линии поглощения исследуемого газа с точностью до 10^-4 см^-1, для чего определяют составляющую регистрируемого сигнала на частоте 3f, и по набегу фазы вычисляют расстояние до рассеивающей поверхности.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что дополнительно регистрируют пространственное распределение измеряемой газовой составляющей при помощи определения текущих координат по данным систем глобальной спутниковой навигации GPS и/или ГЛОНАСС.

3. Устройство для автономного дистанционного определения концентрации атмосферных газовых составляющих, включающее в себя: оптический блок, содержащий лазерный источник излучения, обеспечивающий зондирующий луч до объекта измерения, модулирующий амплитуду сигнала на частоте, лежащей в предварительно определенной полосе частот; блок управления, приема и обработки данных, осуществляющий детектирование зондирующего излучения, прошедшего сквозь исследуемый газ, преобразующий оптический сигнал в электрический, извлечение сигнала на первой высшей гармонической составляющей частоты модуляции f и на вторичной составляющей 2f путем обработки электрического сигнала с фотоприемника и вычисляющий степень поглощения зондирующего луча измеряемым газом по отношению первой гармонической составляющей ко второй, отличающийся тем, что оптический блок, содержащий полупроводниковый диодный лазерный источник излучения ИК-диапазона с длиной волны, изменяющейся в диапазоне поглощения детектируемой молекулы, соединен при помощи оптоволоконного светоделителя с передающей оптической системой аналитического и реперного каналов, причем реперный канал содержит однопроходную кювету со смесью измеряемого газа и азота при атмосферном давлении, сквозь которую проходит малая часть лазерного излучения, фокусируемая на фотодиоде реперного канала, при этом непрерывная обработка усиленного сигнала реперного канала позволяет вычислить гармоническую составляющую сигнала на утроенной частоте модуляции 3f и выполнить алгоритм температурной стабилизации диодного лазера, эквивалентный стабилизации температуры лазера по положению пика линии поглощения измеряемого газа, по составляющей на частоте 3f с точностью до 10^-4 см^-1, к тому же сигнал, поступивший с приемной системы аналитического канала, принимающей лазерное излучение, рассеянное от поверхности и прошедшее через облако измеряемого газа, включающей приемный телескоп, оптический фильтр и фотодиод, принимается в блоке управления, приема и обработки данных, где по первой гармонической составляющей аналитического сигнала на частоте f проводится оценка интенсивности принимаемого сигнала, а также по сдвигу фаз вычисляется расстояние до рассеивающей излучение лазера поверхности, причем в процессе выполнения алгоритмов работы глубина модуляции, связанная с уровнем поглощения измеряемого газа, может меняться в реальном времени в зависимости от концентрации измеряемой газовой составляющей, которая вычисляется в реальном времени по отношению гармонических составляющих аналитического сигнала на удвоенной частоте 2f и на частоте модуляции f.

4. Устройство по п. 3, отличающееся тем, что добавлен по крайней мере один дополнительный аналогичный модуль лазерного излучателя, настроенный на работу в другом спектральном диапазоне.

5. Устройство по п. 3 или 4, отличающееся тем, что модули лазерных излучателей выполнены съемными и сменными.