Лазерный локатор утечек газа

Полезная модель направлена на снижение вдвое стоимости изготовления локатора, в улучшение его настройки, юстировки и существенном повышение надежности всей конструкции локатора. Локатор для обнаружения утечек газа из объектов на земле содержит два непрерывных лазера с близкими рабочими длинами волн излучения, модулятор на выходе одного из лазеров, генерирующего ИК-линию, сильно поглощаемую природным газом, зеркала, направляющие два инфракрасных и один красный лучи на объект, телескоп, оптически сопряженный с объектом, приемник излучения, размещенный в фокусе телескопа, и электронный блок, отличается тем, что второй непрерывный лазер, называемый модифицированным, одновременно генерирует на красной и инфракрасной линиях, причем инфракрасная линия слабо поглощается природным газом, управление этими излучениями осуществляется посредством внутрирезонаторного модулятора в противофазе.

Полезная модель относится к дистанционным устройствам для обнаружения утечек газа из объектов на земле, например, из магистральных газопроводов (МГ).

Известен локатор утечек газа «ЛУГ», содержащий два непрерывных инфракрасных лазера (ИК-лазера) с близкими длинами волн излучения со своими модуляторами, коллиматорами, а также сопряженные с ними два лазера красного луча, общую передающую оптическую систему, нацеленный на обследуемый объект телескоп с установленным в его фокусе приемником излучения и электронный блок [1]. В данном устройстве один ИК-лазер излучает длину волны, совпадающую с линией поглощения газа, а другой ИК-лазер излучает длину волны близкую, но не совпадающую с линией поглощения газа.

Таким образом, каждый ИК-лазер содержит собственный внешний модулятор, лазер красного луча, зеркало красного луча и лазерное зеркало. Лазер красного луча позволяет сделать видимым след луча ЛУГ на земле, что дает возможность пилоту вертолета корректировать трассу полета над газопроводом так, чтобы не вывести луч ЛУГ за пределы изучаемого объекта, а для оператора это позволяет зафиксировать исследуемый участок при появлении сигнала на электронном приборе, а значит установить место утечки газа из газопровода, обеспечив привязку его к местности (например, с помощью устройства спутниковой ориентации).

Для снижения стоимости локатора, описанного в [1], нами предлагается использовать в нем вместо четырех лазеров - два. Это возможно, если в Не-Ne лазере создать режим одновременной генерации «рабочей» линии с длиной волны 3,39 мкм и «вспомогательной» линии с длиной волны 0,63 мкм (красная линия).

Эта возможность действительно существует для He-Ne активной среды [2, 3].

Как известно, лазерное излучение получено на большом числе активных веществ, при этом на одном и том же активном веществе может быть получена генерация на многих длинах волн. В ряде случаев при генерации на нескольких длинах волн в одном и том же веществе используются одни и те же уровни энергии, то есть возможны варианты, когда при излучении двух линий используется один и тот же верхний уровень энергии, при разных нижних и наоборот. Возможны также процессы, когда излучение на какой-либо одной длине волны может произойти при наличии излучения на другой длине волны. Все указанные переходы называются связанными [2]. Наиболее сильно они выражены в He-Ne активной среде, в которой обнаружено более ста линий генерации.

В предлагаемой полезной модели локатора для создания лазера на рабочую (инфракрасная) и вспомогательную (красная) длины волн используются два перехода в He-Ne среде, имеющих общий верхний уровень, что приводит к сильной конкуренции генерируемых линий между собой. Упрощенная энергетическая схема He-Ne лазера для уровней неона, участвующих в формировании излучения с длинами волн 0,63 и 3.39 мкм, показана на фиг.1. На фиг.1 номера уровней обозначены как 0, 1, 2, 3 и 4. P_ij-вероятности переходов между уровнями i и j (i,j=0, 1, 2, 3, 4). Селективная неоптическая накачка в переходе 04 (вероятность P₀₄), например, за счет неупругих соударений метастабильных атомов гелия с атомами неона, создает инверсию заселенностей для переходов 42 и 43 (соответственно вероятности этих переходов Р₄₂ и Р₄₃). Разрушение уровней 2 и 3 происходит в результате спонтанных переходов на уровень 1, который в свою очередь теряет населенность за счет диффузии к стенкам трубки и соударений.

Найдем условия генерации, при которых имеет место конкуренция указанных основных переходов (0,63 и 3,39 мкм). Для простоты расчетов допустим, что вероятности неоптических переходов 01, 02, 03, 12, 13, 24, 34 равны нулю и уровни 4, 3, 2, 1 оптически не связаны с основным уровнем 0, а также населенность нижнего уровня не изменяется при включении накачки [3].

В рамках вероятностного метода коэффициент усиления определяется выражением:

где B_ij - коэффициент Эйнштейна, h - постоянная Планка, v_ij -частота перехода, с-скорость света, N_i и N_j - заселенности i-го и j-го уровней энергии.

Величины K_ij в предположении об однородном уширении линий зависят от интенсивностей излучения I_ij на частотах переходов (ij)v_ij следующим образом:

где - величина ненасыщенного коэффициента усиления при I _ij=0, _ij - параметр насыщения активной среды. Генерация возникает при условии:

Коэффициент - определяется суммарными потерями энергии на единицу длины активной среды, как за счет выходного излучения за пределы резонатора, так и за счет рассеивания, поглощения и т.п. В режиме стационарной генерации справедливо равенство:

.

Рассмотрим сначала случай, когда генерация может иметь место только в одном канале, например, в канале 42, т.е. когда соблюдаются условия

; . Для этого установим связь между величинами усиления и потерями в каждом канале, определяющую граничные условия для генерации только в канале 42:

Аналогично получаются условия для генерации только в канале 43:

- где , , A_ij вероятности спонтанных переходов.

Уравнения (3) и (4) в координатах и изображены графически на фиг.2. Это прямые линии, отсекающие на осях отрезки - и , пересекающиеся в точке .

Итак, в области I имеет место генерация только в канале 42, а в области II - генерация только в канале 43, значения же координат, лежащих в III области, соответствуют случаю одновременной генерации в каналах 42 и 43. Горизонтальная прямая на фиг.2 соответствует случаю, когда при различных значениях . В точке «в» выполняется граничное условие генерации только в канале 42. Левее этой точки возникает генерация в канале 43 с уменьшением генерации в канале 42 до полного ее исчезновения в точке «с». Изменяя параметры канала 43 (величину x в пределах от x₁, до x₂ ) по какому - либо закону, мы изменяем мощность, генерируемую в этом канале. Изменение мощности в канале 43 влияет на генерацию в канале 42, и эта мощность тоже будет промодулирована (только в противофазе) по тому же закону, что и в канале 43.

Таким образом, для реализации данной заявки нами предлагается в локаторе вместо четырех лазеров, как в [1], использовать лишь два He-Ne лазера с сохранением всех функциональных возможностей, которыми обладает устройство, защищенное патентом [1].

Для этого необходимо сконструировать He-Ne лазер так, чтобы он работал в III области (фиг.2), где имеет место совместная генерация на линиях 0,63 и 3,39 мкм. Для этого в качестве основы берется He-Ne лазер, разработанный нами [4] (фиг.3.). Как видно, в данной конструкции лазера, который будем называть модифицированным, вместо внешнего модулятора используется внутрирезонаторный модулятор для излучения с длиной волны 3,39 мкм, как и в [4] фарадеевского типа. Однако для реализации данной заявки комбинированные зеркала лазера (фиг.3) изготовлены с учетом улучшения технологии нанесения интерференционных слоев и просветляющих покрытий с целью повышения мощности на рабочих линиях генерации лазера. Например, коэффициент отражения покрытия 3 не меньше 0,98. Коэффициент отражения покрытия 2 не превышает 0,25, чтобы не происходило подавления линии с =0,63 мкм, и мощность линии с =3,39 мкм была не менее 8 мВт.

Как показали исследования, нам удалось создать модифицированный He-Ne лазер на основе стандартного генератора типа ЛГН-111, в котором одновременно генерируют две линии красная (0,63 мкм) и инфракрасная (3,39 мкм), слабо поглощаемая природным газом, с соответствующими мощностями 5 мВт и 8 мВт. Этих мощностей вполне достаточно для обнаружения утечек с высоты 80-100 м, что легко реализуется при размещении локатора на вертолете. Учитывая сказанное, также отпадает необходимость во втором лазере на красную линию, так как соответствующей мощности 5 мВт модифицированного лазера достаточно для визуального наблюдения «пятна» красного луча на подстилающей поверхности трубопровода.

Полезная модель поясняется прилагаемым чертежом, на котором представлена схема ЛЛУГ (Фиг.4).

Устройство содержит ИК-лазер 1, работающий на линии, сильно поглощаемой природным газом, внешний магнитооптический модулятор 2, модифицированный лазер с внутрирезонаторным модулятором с разными длинами волн излучения 3, плоские зеркала 4, 5 и 6, позволяющие выводить излучения трех длин волн на ось телескопа 9 и направлять их по одному и тому же оптическому пути на подстилающую поверхность трубопровода 7, телескоп 9, приемник 10, электронный блок 11 и ЭВМ 12.

Устройство работает следующим образом. ИК-лазер 1 непрерывно излучает колебания на длине волны, достаточно сильно поглощаемой газом, которые управляются внешним магнитооптическим модулятором 2. Модифицированный лазер 3 излучает одновременно колебания на длине волны, близкой к длине волны лазера 1, но не поглощаемой газом, и на длине волны красного излучения, которые благодаря внутрирезонаторному модулятору изменяются по закону колебаний модулирующего генератора в противофазе (генератор на схеме не показан). После модуляции все три луча, проходя через зеркала 4, 5 и 6, попадают в газовое облако 8, образуемого при истечении газа из объектов на земле (трубопровода 7). Отраженные от земли ИК-сигналы лазеров 1 и 3 попадают в зеркало телескопа 9 и фокусируются на приемнике 10, который преобразует оптические сигналы от лазеров 1 и 3 в электрические, поступающие соответственно в электронный прибор 11, производящий обработку сигнала и выдачу результата на монитор ЭВМ 12. Кроме того, электронный блок 11 также управляет работой лазеров 1 и 3, внешним модулятором 2 и внутрирезонаторным модулятором, находящимся в резонаторе модифицированного лазера 3. «Пятно» красного цвета на земле от модифицированного лазера 3 дает возможность пилоту вертолета или самолета правильно следовать по трассе газопровода. Но, главное - это «пятно» позволяет точно идентифицировать место утечки газа, так как при поступлении сигнала от электронного блока 11 о наличии течи из газопровода 7 это место отмечается на карте трассы газопровода и осуществляется его "привязка" к характерным признакам местности или на технологической схеме МГ, что позволяет наземным ремонтным службам точно определить место утечки.

Благодаря предлагаемому техническому решению удается вдвое снизить стоимость изготовления локатора, его настройку, юстировку и существенно повысить надежность всей конструкции локатора.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Патент 51745 РФ, Локатор утечек газа «ЛУГ». Опубл. 27.02.2006, Бюл. 6.

2. Беннет В.Р. Газовые оптические квантовые генераторы / Беннет В.Р. // Успехи физических наук. - 1963. - Т. 81, вып.1, с.120-182.

3. Методы расчета оптических квантовых генераторов / Под ред. Б.И.Степанова. - Минск: Наука и техника, 1966. - 484 с.

4. Авторское свидетельство 1215565, Гелий-неоновый лазер с внутрирезонаторной модуляцией излучения на =0,63 мкм. / Табарин В.А.; заявл. 09.07.1984 г.

Лазерный локатор утечек газа, содержащий два непрерывных лазера с близкими рабочими длинами волн излучения, модулятор на выходе одного из лазеров, генерирующего ИК-линию, сильно поглощаемую природным газом, зеркала, направляющие два инфракрасных и один красный лучи на объект, телескоп, оптически сопряженный с объектом, приемник излучения, размещенный в фокусе телескопа, и электронный блок, отличающийся тем, что второй непрерывный лазер, называемый нами модифицированным, одновременно генерирует на красной и инфракрасной линиях, причем инфракрасная линия слабо поглощается природным газом, управление этими излучениями осуществляется посредством внутрирезонаторного модулятора в противофазе.