双光路补偿检测光学系统及基于5G的气体泄漏检测系统

双光路补偿检测光学系统及基于5g的气体泄漏检测系统
技术领域
1.本发明属于人工智能技术领域，涉及一种双光路补偿检测光学系统及基于5g的气体泄漏检测系统。


背景技术：

2.随着天然气的推广，工业生产几乎用的都是天然气作为能源或供暖、或冶炼、或烘焙等等。天然气的使用多以管道形式进行输送，通过燃气阀门来控制天然气输送量。天然气管道衔接的地方、燃气阀门等区域很容易发生天然气泄漏，所以做好天然气管道检漏工作是保证工业安全生产的关键。作为未来城市的“神经网络”，企业及社会对燃气管道安全及环保的日益重视，燃气管道的安全巡检，尤其是泄漏检测越来越显得重要。
3.天然气泄漏激光遥感探测仪可将激光探测仪指向待测区域，如管道后的反射物、地表等，在移动扫查过程中，探测仪接收到通过泄漏气团反射回的激光束来测量反射路径上的泄漏信号后，将它们转换成人耳可以听到的音频信号，并在彩色液晶大屏幕上同时显示出来。连续声音分贝的有效值和最大值，在液晶屏幕底的横条光柱以不同颜色和数值显示出来。
4.传统气泄露检测方法主要依赖于气体传感器进行人工巡检，检测范围小，难以做到对关键部位区域全天候实时巡检，从而导致运维成本大，造成了大量的人力物力浪费。
5.此外在实际检测中，常遇到管道或设施难以到达，甚至不能到达(例如高速公路、大门紧锁的院落、悬在桥梁下的管道、花圃中、河流上方、高楼外立管、房间里面、或其它很难接近的地点等等)的情况，给燃气管道安全带来隐患。


技术实现要素：

6.为解决背景技术中指出的问题，本发明采用的技术方案如下。
7.本发明首先提供一种双光路补偿检测光学系统，包括：第一红外光源、第二红外光源、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一取样光栅、第二取样光栅、气体检测腔、光谱信号分析器；
8.用于气体泄漏智能检测中，令被测气体的两个特征光谱吸收中心波长分别为λ1、λ2；
9.第一红外光源与第二红外光源交替工作；
10.第一红外光源发出的光中心波长为λ1，其传播路径为第一光路；
11.第一光路上设置第一半透半反镜，第一半透半反镜的光强透射与反射比为k1，第一光路经过第一半透半反镜后被分为第一反射光及第一透射光；
12.第一反射光入射至光谱信号分析器，得到第一本底光光谱强度分布ib(λ1)；
13.第一透射光经过第一取样光栅后产生的第一级次衍射光入射至第一光电探测器，第一光电探测器将光强i
p1
传输至光谱信号分析器，第一取样光栅的衍射效率η1；
14.第一透射光经过第一取样光栅透射光穿过所述气体检测腔后的光为第一吸收光，
第一吸收光入射至光谱信号分析器得到第一吸收光谱强度分布is(λ1)；
15.光谱信号分析器中对采集的第一光路的ib(λ1)、i
p1
、is(λ1)进行差分计算，得到第一光路差分信号：d(λ1)＝ib(λ1)-k1*is(λ1)/(1-η1)；
16.对应的，第二红外光源发出的光中心波长为λ2，其传播路径为第二光路；
17.第二光路上设置第二半透半反镜，第二半透半反镜的光强透射与反射比为k2，第二光路经过第二半透半反镜后被分为第二反射光及第二透射光；
18.第二反射光入射至光谱信号分析器，得到第二本底光光谱强度分布ib(λ2)；
19.第二透射光经过第二取样光栅后产生的第一级次衍射光入射至第二光电探测器，第二光电探测器将光强i
p2
传输至光谱信号分析器，第二取样光栅的衍射效率η2；
20.第二透射光经过第二取样光栅的透射光穿过所述气体检测腔后的光为第二吸收光，第二吸收光入射至光谱信号分析器，得到第二吸收光谱强度分布is(λ2)；
21.光谱信号分析器中对采集的第二光路的ib(λ2)、i
p2
、is(λ2)进行差分计算，得到第二光路差分信号：d(λ2)＝ib(λ2)-k2*is(λ2)/(1-η2)。
22.本技术方案第一红外光源与第二红外光源交替工作，可通过对红外光源的电平调制实现。当第一红外光源的电平调制为低电平时，则第二红外光源的电平调制高电平，调制持续预定时间后，第一红外光源的电平调制为高电平，同时第二红外光源的电平调制为低平，如此交替进行实现第一红外光源与第二红外光源工作按照设定的频率交替发光。采用两个红外光源交替，可以同时对两个波段的吸收光谱的检测，提高检测的精度，降低误报警率；
23.采用半透半反镜将光路分为透射光和反射光，反射光作为本底光谱信号进入光谱信号分析器，可以实时监测测试环境及红外光源光功率的波动；
24.采用取样光栅对透射光取样，可以实时监控红外光源的工作状态，并且反馈此时进入气体检测腔的光强；
25.采用双光路补偿，本底光谱和吸收光谱做差分计算，计算实时的差分信号d(λ1)和d(λ2)，被测气体被吸入气体检测腔，由于被测气体在λ1和λ2处存在两个吸收峰，使得从气体检测腔射出的光吸收光谱强度分布is减小，差分信号增大，当差分光谱信号值大于预设值说明发生气体泄漏，从而可判定该处天然气管道有泄漏；由于差分信号中滤除了环境本底信号因此可以实时消除环境及红外光源光功率波动的影响，从而提高检测的精度。
26.优选方案为：还包括第一带陷滤波器、第二带陷滤波器；第一带陷滤波器设置于第一红外光源的出光口处，第二带陷滤波器设置于第二红外光源的出光口处。从而采用普通的红外光源和带陷滤波器实现特定中心波长的波段光源，成本比红外激光器明显降低。
27.优选的第一红外光源与第二红外光源交替工作频率设定为100hz～200hz。此频率下，完成一个周期仅用时间0.005～0.01s，可以满足实时检测需求。
28.在一种可能的实现方式中，第一取样光栅、第二取样光栅为同一片取样光栅。例如使用反射镜将第一透射光及第二透射光均转折至同一片取样光栅上，由于第一光路与第二光路的波长不同，其通过同一片取样光栅的衍射角不同，因此可以分别对其衍射光取样探测。
29.在一种可能的实现方式中，气体检测腔设置有气泵，将被测气体由气体入口泵入气体检测腔由气体出口排出。
30.在一种可能的实现方式中，气体检测腔外设置有保温层，可以保证气体检测腔内的温度不受环境温度影响，温度漂移会引起红外吸收光谱的漂移。
31.本发明基于上述双光路补偿检测光学系统进一步提出基于5g的气体泄漏检测系统，包括远程终端服务器、智能移动巡检系统、以及配置于智能移动巡检系统上的双光路补偿检测光学系统、5g专网传输单元；远程终端服务器下发位置坐标给智能移动巡检系统，智能移动巡检系统经5g专网传输单元接收位置坐标，通过双光路补偿检测光学系统进行检测并将检测结果通过5g专网传输单元实时发送给远程终端服务器。远程终端服务器用于发送接收智能移动巡检系统位置坐标、接收存储光谱信号分析器中的本底光谱信号、吸收光谱信号和衍射光信号。
32.在5g覆盖区域内可满足智能移动巡检系统、双光路补偿检测系统数据高速率、高可靠、低时延传输。实时采集大量数据通过5g专网将数据传到远程终端服务器可实现对被测气体实时监控，对气体泄漏进行实时判别。
33.所述的智能移动巡检系统包括运动部件，激光雷达定位部件，智能移动巡检系统以设定速度在预定区域来回移动巡检，激光雷达实时定位智能移动巡检系统的位置。智能移动巡检系统按照既定的速度巡检，激光雷达实时定位智能移动巡检系统的位置，一旦光谱信号分析器采集数据异常情况即可实时判断出异常的位置信息。
34.智能移动巡检系统的巡检速度为0.1m/s～0.2m/s。智能移动巡检系统在此速度范围内可保证在红外光源的电平调制一个周期内的位移相对于整个管线来说是个小量，防止点位漏检。
附图说明
35.图1为实施例一双光路补偿检测系统光路示意图；
36.其中：1a为第一光路，1b为第一反射光，1c为第一透射光，1d为第一吸收光，2a为第二光路，2b为第二反射光，2c为第二透射光，2d为第二吸收光。
37.图2为第一红外光源与第二红外光源的ttl调制电平脉冲示意图；
38.其中(a)为第一红外光源ttl调制电平脉冲；(b)为第二红外光源ttl调制电平脉冲。
39.图3为实施例二双光路补偿检测系统示意图；
40.其中：1为第一红外光源，2为第二红外光源，3为第一带陷滤波片，4为第二带陷滤波片，5为第一半透半反镜，6为第二半透半反镜，7为第一光束转折器,8为第二光束转折器，9为第三光束转折器，10为取样光栅，11为第四光束转折器，12为气体出口，13为第一光电探测器，14为第二光电探测器，15为保温层，16为气体检测腔，17为第五光束转折器,18为第六光束转折器,19为气体入口，20为光谱信号分析器。
具体实施方式
41.为了使本技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将合附图对本技术做进一步地详细描述。以下术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
42.实施例一
43.一种双光路补偿检测光学系统，用于气体泄漏智能检测，包括：第一红外光源、第二红外光源、第一半透半反镜、第二半透半反镜、第一取样光栅、第二取样光栅、气体检测腔、光谱信号分析器；
44.被测气体的两个特征光谱吸收中心波长分别为λ1、λ2；表1给出出了部分气体光谱分析的吸收光谱波长列表，表中λ1、λ2为被测气体的两个特征吸收光谱波长；
45.第一红外光源与第二红外光源交替工作；
46.如图1所示，第一红外光源发出的光中心波长为λ1，其传播路径为第一光路1a；
47.第一光路上设置第一半透半反镜，第一半透半反镜的光强透射与反射比为k1，第一光路经过第一半透半反镜后被分为第一反射光1b及第一透射光1c；
48.第一反射光入射至光谱信号分析器，得到第一本底光光谱强度分布ib(λ1)；
49.第一透射光经过第一取样光栅后产生的第一级次衍射光入射至第一光电探测器，第一光电探测器将光强i
p1
传输至光谱信号分析器，第一取样光栅的衍射效率η1；
50.第一透射光经过第一取样光栅透射光穿过所述气体检测腔后的光为第一吸收光1d，第一吸收光入射至光谱信号分析器得到第一吸收光谱强度分布is(λ1)；
51.光谱信号分析器中对采集的第一光路的ib(λ1)、i
p1
、is(λ1)进行差分计算，得到第一光路差分信号：d(λ1)＝ib(λ1)-k1*is(λ1)/(1-η1)；
52.对应的，第二红外光源发出的光中心波长为λ2，其传播路径为第二光路2a；
53.第二光路上设置第二半透半反镜，第二半透半反镜的光强透射与反射比为k2，第二光路经过第二半透半反镜后被分为第二反射光2b及第二透射光2c；
54.第二反射光入射至光谱信号分析器，得到第二本底光光谱强度分布ib(λ2)；
55.第二透射光经过第二取样光栅后产生的第一级次衍射光入射至第二光电探测器，第二光电探测器将光强i
p2
传输至光谱信号分析器，第二取样光栅的衍射效率η2；
56.第二透射光经过第二取样光栅的透射光穿过所述气体检测腔后的光为第二吸收光2d，第二吸收光入射至光谱信号分析器，得到第二吸收光谱强度分布is(λ2)；
57.光谱信号分析器中对采集的第二光路的ib(λ2)、i
p2
、is(λ2)进行差分计算，得到第二光路差分信号：d(λ2)＝ib(λ2)-k2*is(λ2)/(1-η2)。
58.双光路补偿检测光学系统的使用方法包括以下步骤；
59.(1).系统初始化，
60.标定第一半透半反镜的光强透射与反射比k1，让第一红外光源工作，用第一光电探测器分别测量出透射光的光强i
11
和反射光的光强i
12
，透射与反射的比例系数为k1＝i
11
/i
12
；
61.标定第二半透半反镜的光强透射与反射比k2，让第二红外光源工作，用第二光电探测器分别测量出透射光的光强i
21
和反射光的光强i
22
，透射与反射的比例系数为k2＝i
21
/i
22
；
62.(2)取样光栅衍射效率的标定，
63.让第一红外光源工作，第一光路上光经过第一取样光栅后用第一光电探测器分别测量出第一透射光的光强i
t1
和衍射光的光强i
d1
，则第一取样光栅在λ1处的衍射效率η1＝i
d1
/(i
d1
+i
t1
)；
64.让第二红外光源工作，第二光路上光经过第二取样光栅后用第二光电探测器分别测量出透射光的光强i
t2
和衍射光的光强i
d2
，则第二取样光栅在λ2处的衍射效率η2＝i
d2
/(i
d2
+i
t2
)；第一光电探测器和第二光电探测器获得衍射光强，通过取样光栅的衍射效率，可以反馈出入射至取样光栅上的光强信息，实时监控光源的工作状态。
65.(3)第一红外光源与第二红外光源交替工作，如图2所示，当第一红外光源的电平调制为低电平时，则第二红外光源的电平调制高电平，调制持续预定时间后，第一红外光源的电平调制为高电平，同时第二红外光源的电平调制为低平，如此交替进行实现第一红外光源与第二红外光源工作按照设定的频率交替发光；
66.双光路补偿检测系统开始不间断的采集目标区域气体，第一红外光源与第二红外光源交替工作，吸收光谱分析器采集到的本底光谱信号、吸收光谱信号和第一光电探测器和第二光电探测器的光强信号缓存到信号发送器；
67.计算实时的d(λ1)和d(λ2)，如果在λ1和λ2处的差分光谱信号值同时大于阈值，说明被测气体在λ1和λ2处有两个吸收峰，正好符合被测气体的红外吸收光谱特征，则判定该处被测气体管道有泄漏。
68.表1.不同气体光谱分析的吸收光谱波长列表
69.被测气体吸收光谱波长(λ1、λ2)氨气1.51μm、10.3μm一氧化碳1.57μm、2.34μm氧化二氮2.25μm、4.47μm硫化氢1.58μm、2.54μm氯化氢1.74μm、3.40μm氟化氢1.27μm、2.45μm溴化氢1.34μm、4.10μm甲烷1.33μm、1.66μm乙烷1.67μm、3.36μm乙烯1.62μm、3.15μm丙烷1.68μm、3.37μm乙炔1.52μm、3.03μm甲醛3.56μm、5.66μm氰化氢1.54μm、2.99μm
70.实施例二
71.实施例一基础上的一种双光路补偿检测光学系统，如图3所示包括：第一红外光源1，第二红外光源2、第一带陷滤波片3、第二带陷滤波片4、第一半透半反镜5、第二半透半反镜6、第一光束转折器7、第二光束转折器8、第三光束转折器9、取样光栅10、第四光束转折器11、气体出口12、第一光电探测器13、第二光电探测器14、保温层15、气体检测腔16、第五光束转折器17、第六光束转折器18、气体入口19、光谱信号分析器20；
72.被测气体为甲烷，两个特征光谱吸收中心波长λ1、λ2分别为：1.33μm和1.66μm；
73.第一红外光源与第二红外光源交替工作；
74.第一红外光源发出的光波长为1.1μm-1.8μm，第一带陷滤波片1.33um
±
0.1um，第
一红外光源发出1.1μm-1.8μm的光经过1.33μm
±
0.1μm第一带陷滤波器后，光的波长范围被限制为1.23μm-1.43μm，其第一光路的光中心波长变为1.33μm；
75.第二红外光源发出的光波长为1.1μm-1.8μm，第二带陷滤波片1.66μm
±
0.1μm，第二红外光源发出1.1μm-1.8μm的光经过1.66μm
±
0.1μm第二带陷滤波器后，光的波长范围被限制为1.56μm-1.76μm，其第二光路的光中心波长变为1.66μm；
76.使用第一光束转折器7将第一透射光及第二透射光均转折至同一片取样光栅10上，由于第一光路与第二光路的波长不同，其通过同一片取样光栅的衍射角不同，因此可以分别对其衍射光取样探测；
77.第二光束转折器8用于将第一反射光转折至光谱信号分析器、第三光束转折器9用于将第二反射光转折至光谱信号分析器；
78.第四光束转折器11用于将第一吸收光、第二吸收光转折至光谱信号分析器；
79.气体检测腔16内设置的第五光束转折器17、第六光束转折器18用于增加红外光在气体检测腔内的光程，时其在吸收光谱波长充分被吸收。
80.实施例三
81.一种基于5g的气体泄漏检测系统，用于管廊中天然气管道泄漏检测，包括远程终端服务器、设置于管廊内的智能移动巡检系统、
82.配置于智能移动巡检系统上的双光路补偿检测光学系统、5g专网传输单元；
83.射频单元(rru)、
84.管廊本地数据中心、泄露电缆、基带处理单元(bbu)、传输ptn、边缘计算设备(mec)、所述射频单元以设置于管廊内，基带处理单元及边缘计算设备设置于管廊本地数据中心；
85.管廊内的射频单元与边缘计算设备通过泄露电缆连接；
86.边缘计算设备由刀片服务器、交换机和防火墙组成；
87.刀片服务器通过基带处理单元将数据发送至远程终端服务器。
88.5g专网传输单元、基带处理单元、边缘计算设备实现5gtob专网功能。仅信令数据通过公网，用户数据不出管廊，保证数据安全。
89.边缘计算设备实现5gtob专网功能。仅信令数据通过公网，用户数据不出管廊，保证数据安全。