机载天然气管道泄漏监测红外激光雷达技术研究
随着天然气的广泛应用,天然气管道泄漏问题日益严重,各国纷纷开始研究高效、实用的天然气管道泄漏监测技术,因此本文提出了国内首台基于机载平台的、用于监测天然气管道泄漏的红外激光雷达系统,与手持式和车载型仪器相比本系统具有作用距离远、应用范围广和安全性高等优点,因此具有广阔的应用前景.
本文主要研究内容:在总结分析气体检测常用方法基础上,确定本文用于监测天然气泄漏的方法是融合了"差分吸收技术"和"可调谐吸收光谱技术"两种技术优势的综合方法;阐述了技术路线、设计指标和总体设计方案,然后从光学、机械结构和电子学三个方面详细分析了系统设计原理和设计方法.电子学是本文研究的重点内容,包括硬件和软件设计,激光控制器中温度控制和电流驱动设计是硬件设计的难点,软件设计中讨论了用于USB总线传输的多线程、分层架构思想;本系统关键技术包括:相关检测技术、波长调制技术、实时定标技术和激光稳频技术;在系统性能测试完成后进行了地面100m天然气探测实验,估算出系统噪声等效浓度为535ppm.m,在地面实验基础上进行了国内首次机载100m高度天然气探测实验,机载实验证明本系统具有一定的工程适用性.
本文创新点主要体现在以下几方面:
(1)应用创新:研制了国内首台用于监测天然气管道泄漏的机载红外激光雷达原理样机,并完成了首次试飞实验,获得初步实验数据;
(2)原理创新:(a)结合"差分吸收技术"和"可调谐吸收光谱技术"两种技术的优点,提出了"单光源双光路谐波检测法";(b)用软件相关检测算法取代硬件锁相放大器,不仅降低了成本而且提高了系统抗干扰性;(c)激光波长调制方式由锯齿波加正弦波调制改为正弦波调制,使电子学接收系统设计复杂度大大降低,而且增强了系统可靠性;(d)利用参考气体池对激光频率进行"细调",使激光中心频率始终对准甲烷气体吸收线的中心位置,保证气体吸收效果最佳;
(3)功能创新:为了便于系统定标设计了机上实时定标系统,使系统具有实时定标功能.
- 作者：
- 李正文
- 学位授予单位：
- 中国科学院研究生院
- 专业名称：
- 电路与系统
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2011年
- 导师姓名：
- 薛永祺
- 关键词：
- 天然气管道泄漏监测；红外激光雷达；设计方案；硬件设计；软件编程；系统性能测试
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