CC BY
59Дистанционный лазерный газоанализатор нового поколения, размещаемый на беспилотном летательном аппарате
В.А. Табарин, профессор Тюменского государственного университета, д.ф.-м.н, А.В. Шестаков, начальник отдела НИИ ПОЛЮС им. Стельмаха, к.ф.-м.н., Ю.В. Чжан, главный конструктор ООО «Оптоэлектронные системы», А.А. Ермаков, менеджер ООО «Оптоэлектронные системы», А.И. Палант, директор ООО «Оптоэлектронные системы»
Статья посвящена газоанализатору (ГА), который отличается рядом новых подходов, в том числе возможностью установки на беспилотный летательный аппарат (БПЛА). Описано перспективное устройство импульсного лазерного сканирования, которое, не уступая характеристикам существующих газоанализаторов для пилотируемых вертолетов, предназначено для подвеса на БПЛА.
__Ключевые слова:
газоанализатор, беспилотный летательный аппарат, магистральные газопроводы,
оптический переключатель, тепловизор.
настоящее время для доставки природного газа потребителям построены сотни тысяч километров магистральных газопроводов (МГ) только в России. Предлагаемый газоанализатор несложно настроить на любой БПЛА, существующий сегодня на рынке. Значительно меньшие по сравнению с вертолетными вариантами габариты и масса предлагаемого прибора, использование дифференциального метода обнаружения мест утечек газа из МГ, разделение алгоритма обработки сигналов в бортовом процессоре и отдельно в наземном вычислительном комплексе, применение для мониторинга вместо зигзагообразной траектории полета специального метода сканирования
лучами лазера в прямолинейном движении летательного аппарата - все это многократно удешевляет контроль газовых трасс без потери его скорости и надежности.
Газоанализатор определяет место утечки газа в ррт (одна молекула газа на миллион молекул атмосферы воздуха). Применяемый в приборе дифференциальный метод основан на измерении энергии двух последовательных сигналов с различными длинами оптических волн. При этом первый сигнал поглощается метаном, второй не поглощается. Существенное различие энергий этих сигналов, отраженных от сканируемой местности, определяет место утечки газа. Длина второй оптической волны может
яшшшшш
быть выбрана из расчета ее непоглощаемости этиленом, который генерируется в атмосфере при пожарах.
К настоящему времени накоплен достаточно большой опыт использования лазерных газоанализаторов и тепловизоров (ТПВ) для обнаружения утечек из трубопроводов. Однако разработанные лазерные ГА эксплуатируются на пилотируемых вертолетах, поэтому требуют значительных затрат и не полностью удовлетворяют всем требованиям при обследовании трассы.
Блок-схема предлагаемого газоанализатора
Один из методов прямого контроля утечки углеводородов из МГ - это дифференциальный способ сравнения лазерных сигналов, прошедших через атмосферу исследуемого газа.
В устройстве предусмотрены четыре канала: два для излучения сигналов двух разных длин волн и два для контроля, необходимого при отслеживании изменения длины волны лазера. В целях минимизации массы и габаритов прибора используется оптический переключатель (ОП), совмещающий приемно-передающую систему в одном блоке.
Для засветки исследуемого объекта импульсным лазером применяется специальный сканер, который позволяет сканировать трассу перпендикулярно вектору скорости полета БПЛА. Получаемая на борту информация оптимизируется по объему и сохраняется в устройстве долговременной памяти, а затем после переноса в наземный измерительный комплекс используется для определения параметров и координат мест утечки газа. Конечный продукт представляется в виде наглядного отчета заинтересованным пользователям.
Блок-схема описываемого ГА приведена на рис. 1.
Рис. 1. Принципиальная схема лазерного газоанализатора (все блоки, за исключением БРП, размещаются на летательном аппарате):
БРП - блок наземной обработки данных, в котором в соответствии с заданной программной осуществляются математические операции обработки полученных данных; БЭ - блок электронный (управляет работой всего устройства и хранит собранную информацию);
БПЛ - блок параметрических или полупроводниковых лазеров; БОП - блок оптического переключателя; БВК - блок встроенного контроля; БТС - блок телескопа и сканера; БТВ - блок телевизионного тракта (возможна замена на тепловизионный тракт)
Блок оптического переключателя
Для реализации дифференциального метода необходимо управлять двумя лазерами на двух разных длинах волн (поглощаемых и не поглощаемых исследуемым газом), переключать излучение на две эталонные кюветы с контролем
ШШ
"""воци»«^
Переключение со скорость 500 Гц
Переключение со скорость 500 Гц
Рис. 2. Принципиальная схема коммутации в традиционном представлении
изменения длины волны, коммутировать входной и выходной зрачок, а также приемники на каждую длину волны, отслеживать прохождение сигналов по линии задержки [1] (рис. 2).
Очевидно, что при наличии двух лазеров и одного оптического приемного устройства за счет оптимальной коммутации сигналов можно значительно уменьшить массу и габариты прибора. Используя явление полного внутреннего отражения [2], можно создать конструкцию, которая будет вращать призму с заданной скоро-
стью и контролировать угол поворота, чтобы синхронизировать излучение лазеров. Поскольку сигналы поступают последовательно, то можно использовать один сенсор (диапазон от 1 до 1,7 мкм), соединив оптическим волокном все выходы принимаемого излучения от ОП.
На рис. 3 представлены четыре различных последовательности излучаемых сигналов в зависимости от угла поворота ОП. Время задержки между соседними импульсами разных лазеров 500 мкс.
А. Ä2 b Ai Ki а fo
С 360' 720° 1080°
Рис. 3. Последовательность переключения ОП лазерных линий
Схема работы ОП за один оборот приведена в патенте [3]. Параметры
Скорость вращения, оборот/с ..................................................................< 500
Минимальный интервал между излучениями волн разных длин, мс ..................> 0,5
Спектральная прозрачность переключателя, мкм .........................................1-1,7
Длительность импульса лазера, нс .....................................................От 1 до 10
Диаметр, мм
входных зрачков ................................................................................16
зрачка телескопа ..............................................................................100
Частота следования импульсов излучения лазеров, кГц ......................................2
Допустимые мощности излучения в ОП, Дж/см2 ..............................................2
яшшшшш
Рис. 4. Примеры действующих ОП
Авторами разработан и изготовлен ОП с оптимальной коммутацией используемых каналов. Кроме того, создана и запатентована 3D-модель трехканального ОП (рис. 4) [3].
Блок лазеров
В ходе исследования спектра метана (рис. 5) было выявлено несколько линий поглощения, но по соображениям наибольшей доступности была выбрана линия на 1653 нм, а также контрольная на 1625 нм, для которых имеются источники и приемники, не требующие криоохлаждения.
Для длин волн Х1=1625 нм и А2=1653 нм может быть выбран полупроводниковый или параметрический генератор света.
Рис. 5. Спектр метана и этилена и их линии поглощения (мол - молярный коэффициент поглощения газа)
Выбор конкретного лазера зависит от технических требований к ГА.
Полупроводниковый лазер относительно недорог, его параметры - мощность излучения на линиях 1653 и 1625 нм около 40 мВт, масса не более 0,8 кг - для данного ГА приемлемы, однако ограниченная мощность излучения предъявляет повышенные требования к чувствительности приемного тракта. Для обеспечения работы на двух различных длинах оптических волн необходимы, очевидно, два таких лазера.
Предлагаемый фирмой «ПОЛЮС» твердотельный лазер массой до 2 кг значительно дороже, однако обладает достаточно большой мощностью. В его конструкции совмещены два требуемых лазера, что позволяет обеспечить больший диапазон высот контроля МГ.
Блок телескопа, сканера и телевизионного тракта
Используемый метод отличается от применяемого в других системах последовательными проходами сканирования по одинаковым направлениям, перпендикулярным вектору скорости полета летательного аппарата (ЛА). Этот метод реализуется специальным алгоритмом сложения векторов скорости полета ЛА и движения точек сканирования по отклоненной на определенный угол линии сканирования.
56
Приводимая ниже формула содержит в качестве параметров данные трассы, которая понимается как плоская полоса, в которой располагаются и движутся линии, точки и овалы сканирования, соответствующие движению ЛА и операциям находящегося на ЛА сканера. Расчетная формула имеет вид
ш+Ъ=У (£+т), где т - размер зоны, не просвечиваемой овалами сканирования, м; Ъ - продольный (параллельный V) диаметр овала сканирования, м; V - скорость движения ЛА, м/с; £ - время одного прохода сканирования перпендикулярно вектору V, с; т - время настройки сканера на следующий проход после завершения текущего прохода, с.
Величины £ и Ъ определяются с использованием тригонометрии по высоте полета, ширине трассы и частоте сканирования, а также по углу диаграммы направленности луча сканера и углу наклона луча сканера к плоскости трассы (рис. 6).
Рис. 6. Схема сканирования телевизионным трактом, который обеспечивает видеофиксацию трассы днем и ночью за счет контраста в диапазоне Х=0,4.. .0,9 мкм, или сканирования ТПВ-трактом, который обеспечивает обнаружение места утечки газа при температурном контрасте в случае дросселирования газа:
ВС - ширина трассы; 0Е - высота полета; ЛВСБ - участок трассы; а - угол наклона луча сканера к трассе
Блок встроенного контроля
Для программного контроля используется линия задержки, в которую поступает отраженный от заданной среды лазерный импульс. Циклически проходя по линии задержки он ослабляется до минимума, обнаруживаемого фотоприемным устройством с определенной пороговой чувствительностью, и по числу циклов можно оценить работоспособность прибора. Полнота программного контроля основана на использовании двух последовательных импульсов на различных длинах оптических волн. Первый импульс на длине волны проходит через первую кювету с газом, поглощающим эту длину волны, а второй на длине волны Х2 направляется через вторую кювету с газом, поглощающим излучение на этой длине волны. В расчетах используется известная формула
т -1 = 1п (•
Н?к2 Г0(2ЬкЬ - 1п((1 - к1)г) ^пор * (1 - Ю
где т-1 - число циклов прохода излучения через оптическое волокно; - коэффициент пропускания зеркала перед объективом; Н3 - коэффициент пропускания наклонной плоскопараллельной пластины; Р0 - мощность импульса, зависящая от длины волны и соответствующего коэффициента поглощения в кювете; Ъ - удельная величина ослабления оптического излучения в оптическом волокне; Ь0,1-1п10=0,2302585092994045684; Ь - длина оптического волокна; г - коэффициент отражения зеркального покрытия торца оптического волокна; Рпор -пороговая чувствительность фотоприемного устройства; 5 - заданное отношение сигнал/шум.
По найденному значению т-1 определяется максимальное время задержки
Г„„ =
2пЬ(т -1)
где п - показатель преломления оптического волокна; с - скорость света (0,3 км/мкс).
с
mmmmmmw»
В общем случае величины b, F0, r и коэффициенты пропускания зависят от стабильности длины волны лазера и окружающей температуры, которая влияет на коэффициент преломления оптических материалов. Методы учета этих факторов могут быть применены в конкретных алгоритмах, но в данной статье не рассматриваются ввиду их сложности и эмпирического характера соответствующих формул.
Блок бортового вычислителя
Ввиду значительной загрузки процессора текущими операциями обработки результатов сканирования трассы целесообразно возложить наиболее трудоемкую часть работы на наземный комплекс, а на борту выполнять только минимум действий, необходимых и достаточных для успешной последующей обработки данных на земле. Далее используются сведения и обозначения из описания метода сканирования.
Прежде всего, ввиду малости t и т (доли секунды) можно считать практически постоянными на проходе параметры GPS, взятые за время т от бортового процессора ЛА, и запоминать их только один раз в начале прохода. Точно так же можно запомнить расстояние между смежными точками сканирования и другие неизменные или медленно меняющиеся параметры. Таким образом, при наземной обработке для определения реальных координат точки сканирования трассы на проходе достаточно знать только порядковый номер точки. При использовании дифференциального метода в каждой точке сканирования определяется разность мощностей, принятых фотоприемным устройством на двух
Рис. 7. Общая компоновка всех блоков в единое устройство ГА
разных длинах волн. Очевидно, что на проходе сканирования достаточно запоминать величины 5 и порядковые номера точек, в которых величина 5 превышает некоторое пороговое значение. В результате можно существенно сократить подлежащий запоминанию объем информации.
Предлагаемое устройство для мониторинга утечек газов согласно предложенной принципиальной схеме показано на рис. 7.
Таким образом, предложена функциональная и принципиальная схемы дифференциального лазерного ГА для установки его на беспилотный летательный аппарат. Применение оригинальных конструкций основных блоков ГА позволило существенно снизить стоимость, массу и габариты лазерного локатора без ущерба для его функциональных возможностей.
Литература
1. Чжан Ю.В. Патент БИ 2453866 «Оптический локатор кругового обзора 2» от 27.05.2009 г.
2. Харрик Н. Спектроскопия полного внутреннего отражения. - М.: Мир, 1970.
3. Чжан Ю.В. Патент БИ 2029239 «Устройство для ориентирования светового луча» от 08.04.1992 г.
