本发明专利技术涉及一种单光子甲烷浓度分布探测雷达。该探测雷达包括：激光模块、望远镜模块、探测器以及控制器。激光模块包括第一激光器和第二激光器。第一激光器用于产生波长位于甲烷吸收线上的第一激光束。第二激光器用于产生波长位于甲烷吸收线外的第二激光束。望远镜模块用于将第一激光束和第二激光束根据一个预设的控制时序形成的一对差分信号发射到大气的一个目标区域中，并接收相应的回波信号。探测器用于根据接收到的回波信号生成探测结果。控制器用于根据探测结果，测量目标区域中的甲烷浓度。探测器为单光子探测器。该探测雷达具有灵敏度高的优点，提升了对大浓度区域的探测能力。力。力。
【技术实现步骤摘要】
一种单光子甲烷浓度分布探测雷达
[0001]本专利技术涉及甲烷监测
，特别是涉及一种单光子甲烷浓度分布探测雷达。
技术介绍
[0002]在环保方面，甲烷作为第二大温室气体，其每分子的温室效应是二氧化碳的72倍，因此亟需对甲烷的排放进行监控，目前多采用甲烷雷达对甲烷的排放进行监控。另外，在生活生产方面，甲烷雷达不仅具备探测范围大的优点，还可以获取探测范围内任一区域的浓度信息，对于危险预防和寻找泄露源头起到了难以取代的作用。
[0003]现有的甲烷雷达测量技术主要有两大类。
[0004]其一为路径积分式甲烷雷达，利用激光对远距离出的硬目标进行照射，根据硬目标的反射信号，使用差分吸收的方法，对整个路径上甲烷的整体光学密度进行测量，虽然该方法可以实现较远的测量距离，且测量精度更高，但不具备距离分辨能力，无法对区间内的泄露源头进行溯源，其应用受到很大限制。
[0005]其二为距离分辨式相干甲烷雷达，激光对大气发射，单模接收大气中气溶胶的后向反射信号，与移频后的本振光进行干涉，通过测量不同延时下的干涉信号频谱功率，获得不同距离门内的甲烷吸收率，从而实现距离分辨式的甲烷探测。相比较于路径积分式的甲烷雷达，虽然该方式的测量距离更短，精度相对较低，但可以实现距离分辨，对泄露源头实现几十米精度的定位，从而在大范围安全预警、寻找泄露源头方面更加实用。
[0006]然而以上两类方式都存在光灵敏度低和动态范围小的问题。灵敏度方面，传统的光电探测器需要nw级的光信号才会有响应，但在距离分辨的甲烷雷达中，所接收的大气颗粒的后向散射概率很低，需要使用功率很强的激光器，和很大口径的望远镜，使得系统的成本高，体积大且探测距离受限。动态范围方面，距离分辨式甲烷雷达的测量阈值约为5000ppm
·
m，但当甲烷路径浓度大幅度超过这个测量阈值时，例如达到50000ppm
·
m时，由于吸收过强，信号光子计数大大降低，远低于噪声光子计数，此时雷达无法鉴别甲烷浓度的真实量级。特别的是，甲烷在空气中的爆点为5％到16％，原有的甲烷雷达无法鉴别空气中的甲烷浓度是否达到爆点。此外，在寻找泄露源头方面，当大区域内甲烷浓度都超出动态范围时，甲烷雷达的定位能力也将大大降低。
技术实现思路
[0007]基于此，有必要针对现有技术中甲烷激光雷达的灵敏度较低，从而限制了甲烷雷达对大浓度区域的探测能力的技术问题，本专利技术提供一种单光子甲烷浓度分布探测雷达。
[0008]本专利技术公开一种单光子甲烷浓度分布探测雷达，其包括：激光模块、望远镜模块、探测器以及控制器。
[0009]激光模块包括第一激光器和第二激光器。第一激光器用于产生波长位于甲烷吸收线上的第一激光束。第二激光器用于产生波长位于甲烷吸收线外的第二激光束。
[0010]望远镜模块用于将第一激光束和第二激光束根据一个预设的控制时序形成的一
对差分信号发射到大气的一个目标区域中，并接收相应的回波信号。
[0011]探测器用于根据接收到的回波信号生成探测结果。
[0012]控制器用于根据探测结果，测量目标区域中的甲烷浓度。
[0013]探测器为单光子探测器。
[0014]作为上述方案的进一步改进，控制器还用于判断甲烷浓度是否大于一个预设的甲烷浓度上限，当甲烷浓度大于甲烷浓度上限时，控制器还用于提高甲烷浓度的测量量程，并在提高后的测量量程下，重新测量目标区域中的甲烷浓度。
[0015]作为上述方案的进一步改进，控制器通过调谐第一激光束的波长以此提高甲烷浓度的测量量程。
[0016]作为上述方案的进一步改进，控制器通过控制第一激光器的种子光电流值以此调谐第一激光束的波长。
[0017]作为上述方案的进一步改进，第一激光器的种子光电流值的控制方法为：
[0018](1)获取第一激光器的最远距离门内的秒计数n0。
[0019](2)获取当前时间段内第一激光器的目标距离门内的第一激光束的波长平均秒计数a0。
[0020](3)采集目标距离门内的实时秒计数a
t
。
[0021](4)当a
t
<2n0时，控制第一激光器的种子光电流值逐渐降低，直到a
t
达到0.5a0时停止调谐。
[0022]作为上述方案的进一步改进，在步骤(4)中，还记录调谐停止时的调谐电流值。
[0023]作为上述方案的进一步改进，单光子探测器采用铟镓砷单光子探测器。
[0024]作为上述方案的进一步改进，单光子甲烷浓度分布探测雷达还包括：光纤链路。
[0025]光纤链路用于将激光模块产生的激光传输到望远镜模块中，还用于将望远镜模块接收到的回波信号传输到探测器中。
[0026]作为上述方案的进一步改进，单光子甲烷浓度分布探测雷达还包括：时序控制模块。
[0027]时序控制模块用于统一控制激光模块、望远镜模块、探测器以及控制器的开关。
[0028]作为上述方案的进一步改进，单光子甲烷浓度分布探测雷达还包括：光开关模块。
[0029]光开关模块用于根据预设的控制时序在第一激光器和第二激光器之间切换，进而实现其中一个激光器与望远镜模块之间的连通。
[0030]与现有技术相比，本专利技术公开的技术方案具有如下有益效果：
[0031]1、该探测雷达使用红外单光子探测器，由于现有使用相干探测的距离分辨式甲烷雷达往往需要回波信号总功率至少在nw量级，对应于近每秒1E10个光子，而单光子方案只需要探测到几百个信号光子即可获得目标空间的甲烷浓度信息，每秒所需总光子数不到1E6，综合考虑探测效率和光学效率，同等条件下的单光子甲烷浓度分布探测雷达相比传统甲烷雷达的探测距离至少提升了3倍。因此采用单光子探测器的距离分辨式甲烷雷达不仅大大提高了探测距离，提升雷达系统的灵敏度，还降低了对激光功率、望远镜口径的要求，降低了成本，减小了激光雷达的体积。此外，传统基于相干探测的甲烷雷达为了保证本地外差干涉的对比度，需要对回波信号进行单模保偏接收，此类光学系统对于温度波动等环境影响的耐受力较差。而单光子甲烷浓度分布探测雷达可以采用多模接收的方式，更不易受
到环境影响，这大大提高了雷达的推广应用价值。
[0032]2、该探测雷达可以在识别到高浓度区域时，利用算法优化，并将硬件调谐到最佳的探测波长，使得雷达在甲烷浓度超出量程时可以智能增大量程，提高测量的动态范围，一方面可以使得雷达进行更精确的爆炸预警，另一方面可以在大区域浓度超标情况下，提高对源头的定位精确度，进而使得该雷达在生产生活安全以及管道泄露检测方面具有更加优越的性能。
附图说明
[0033]图1为本专利技术实施例1中单光子甲烷浓度分布探测雷达的系统模块图；
[0034]图2为本专利技术实施例1中甲烷分子吸收截面与波数的关系图；
[0035]图3为本专利技术实施例1中第一激光器的种子光电流值的控制方法的流程图；
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种单光子甲烷浓度分布探测雷达，其包括：激光模块，其包括第一激光器和第二激光器；所述第一激光器用于产生波长位于甲烷吸收线上的第一激光束；第二激光器用于产生波长位于甲烷吸收线外的第二激光束；望远镜模块，其用于将所述第一激光束和所述第二激光束根据一个预设的控制时序形成的一对差分信号发射到大气的一个目标区域中，并接收相应的回波信号；探测器，其用于根据接收到的回波信号生成探测结果；以及控制器，其用于根据所述探测结果，测量所述目标区域中的甲烷浓度；其特征在于，所述探测器为单光子探测器。2.根据权利要求1所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述控制器还用于判断所述甲烷浓度是否大于一个预设的甲烷浓度上限，当所述甲烷浓度大于所述甲烷浓度上限时，所述控制器还用于提高甲烷浓度的测量量程，并在提高后的所述测量量程下，重新测量所述目标区域中的甲烷浓度。3.根据权利要求2所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述控制器通过调谐所述第一激光束的波长以此提高甲烷浓度的测量量程。4.根据权利要求3所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述控制器通过控制所述第一激光器的种子光电流值以此调谐所述第一激光束的波长。5.根据权利要求4所述的单光子甲烷浓度分布探测雷达，其特征在于，所述第一激光器的种子光电流值的控制方法为：(1)获取所述第一激光器的最远距离门内的秒计...
【专利技术属性】
技术研发人员：曲泺源，申屠国樑，尚祥，
申请(专利权)人：山东国耀量子雷达科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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