一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统

1.一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，其特征在于：所述的基于无人机的天然气管道泄漏检测系统包括无人机系统和天然气激光探测系统；所述的无人机系统包括机载控制系统、地面控制系统；机载控制系统由微处理器1、GPS模块、飞行控制模块、无线通讯模块1组成；地面控制系统在地面控制室中，由无线通讯模块2、服务器和监控计算机组成；
所述的天然气激光探测系统包括天然气探测系统、激光控制系统；天然气探测系统由DFB激光器、光纤耦合器、发射天线1、发射天线2、接收天线1、接收天线2、探测器1、探测器2组成；
激光控制系统由微处理器2、激光控制器和无线通讯模块3组成；
所述的机载控制系统中，微处理器1与GPS模块、飞行控制模块还有无线通讯模块1相连接；微处理器1内置无人机航迹存储器，事先存储预定的天然气管道地图，通过微处理器1读取地图数据，并控制飞行控制模块，使无人机始终按照地图中天然气管道的方向飞行；GPS模块能实时反馈无人机的地理位置信息，微处理器1与无线通讯模块1相连接，通过控制无线通讯模块1，发送指令给服务器，用于定位无人机的航线。
2.根据权利要求1所述的一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，其特征在于：所述的地面控制系统中，无线通讯模块2与服务器相接，服务器与监控计算机连接；地面人员通过监控计算机，以无线通信方式，无线通讯模块2与无线通讯模块1进行双向通信，再通过微处理器1完成对无人机飞行的控制，用以修正无人机飞行航线，以防航线偏离；当天然气管道泄漏，天然气浓度达到天然气激光探测系统的最小探测极限；监控计算机通过无线通讯模块2，控制微处理器2和激光器控制器，能获取天然气管道泄漏范围的实际地理位置周边的天然气浓度，以及相应位置的土壤表面温度信息，以实时监控天然气浓度和土壤表面温度的异常。
3.根据权利要求1所述的一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，其特征在于：所述的天然气探测系统中，通过激光吸收光谱遥测技术对天然气的泄漏进行探测；DFB激光器与光纤耦合器相连，其耦合比是50:50；发射天线1和发射天线2与光纤耦合器的输出端相连，接收天线1和接收天线2，分别与探测器1和探测器2相连；激光光束通过光纤耦合器分出两束光，一路经发射天线1垂直入射到土壤表面，通过接收天线1接收反射光，经探测器1接收光谱信号；另一路经过发射天线2入射到泄漏的天然气云团，被反射后通过接收天线2接收，探测器2接收吸收光谱信号。
4.根据权利要求1所述的一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，其特征在于：所述的激光控制系统中，激光控制器与微处理器2连接，探测器1、探测器2以及无线通讯模块3与微处理器2连接；监控计算机通过微处理器2控制激光控制器，来调节激光器的电流和温度，微处理器2将激光器的工作状态和探测到的泄漏的天然气浓度和相应位置的土壤表面温度，通过无线通讯的方式，实时传输至地面的服务器。
5.根据权利要求1所述的一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，其特征在于：所述的DFB激光器为DFB近红外激光器，中心波长为1.65μm，覆盖甲烷气体吸收特征谱线。
6.根据权利要求1所述的一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，其特征在于：所述的发射天线1、发射天线2、接收天线1和接收天线2对1.65μm近红外波段激光的透过率大于90％。
7.根据权利要求1所述的一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，其特征在于：所述的无人机通过电源管理电路由锂电池或太阳能板驱动，阳光充足时太阳能板能给锂电池充电。

一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统\n技术领域\n[0001] 本发明涉及一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，属于无人机遥感技术领域。\n背景技术\n[0002] 天然气长距离管道的巡检工作大部分是在环境比较恶劣的地方。比如荒漠、沼泽等。传统的方法一般是地理信息系统加手持终端的人工巡检。但是这些区域的管道分布范围广，巡查量大，导致全年巡检数据零散。加上管道在大部分情况下又处于良好状态，工作人员巡检容易出现漏检的情况，工作效率不高。还有环境恶劣，容易出现意外事故。为了提高工作效率，降低风险，利用无人机来进行管道的巡检可以起到事倍功半的效果。\n[0003] 在无人机遥感技术领域中，最常用的就是无人机遥感技术。该技术是设计和规划航道路线，通过航空拍摄，实时接收遥感影像。其中关键的是影像的处理部分，这关系到影像的精度和分析的准确性。这也是其不足的地方，需要高精度的传感器来保证航拍影像的质量，而且影像数据处理软件的处理时间也长。该发明与无人机遥感技术相比，不需要高精度的传感器，因此无人机不需要承受那么大的载荷。同时该发明不需要复杂的影像数据处理，可以达到实时显示天然气管道附近泄露的天然气浓度和相应位置的土壤表面温度。\n[0004] 传统的天然气遥测探测激光雷达，一般都是车载。本发明与其相比较，最大的优点就是通过无人机巡检管道，克服了遥测大面积、长距离管道的难题。还有采用中红外波段激光器的天然气泄漏激光遥测雷达。虽然其功率大，探测距离远，但是中红外激光器的成本高。本发明与其相比较性价比就很高，通讯波段的近红外激光器，价格很便宜。适合批量的生产，也易于维修。\n发明内容\n[0005] 本发明的目的是在于提出了一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，能够解决天然气管道人工巡查难度大，效果不明显的问题，还能克服无人机遥感技术中复杂的影像数据处理，达到实时检测天然气管道泄漏的目的。同时解决了车载天然气遥测探测激光雷达的遥测大面积、长距离管道的难题，以及中红外波段激光器的天然气泄漏激光遥测雷达中成本高的缺点。\n[0006] 为了解决上述问题，本发明提出了一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，包括无人机系统和天然气激光探测系统；所述的无人机系统包括机载控制系统、地面控制系统；机载控制系统由微处理器1、GPS模块、飞行控制模块、无线通讯模块1组成；地面控制系统在地面控制室中，由无线通讯模块2、服务器和监控计算机组成；所述的天然气激光探测系统包括天然气探测系统、激光控制系统；天然气探测系统由DFB激光器、光纤耦合器、发射天线1、发射天线2、接收天线1、接收天线2、探测器1、探测器2组成；激光控制系统由微处理器2、激光控制器和无线通讯模块3组成。\n[0007] 所述的机载控制系统中，微处理器1与GPS模块、飞行控制模块还有无线通讯模块1相连接。微处理器1内置无人机航迹存储器，事先存储预定的天然气管道地图，通过微处理器1读取地图数据，并控制飞行控制模块，使无人机始终按照地图中天然气管道的方向飞行；GPS模块能实时反馈无人机的地理位置信息，微处理器1与无线通讯模块1相连接，通过控制无线通讯模块1，发送指令给服务器，用于定位无人机的航线。\n[0008] 所述的地面控制系统中，无线通讯模块2与服务器相接，服务器与监控计算机连接。地面人员通过监控计算机，以无线通信方式，无线通讯模块2与无线通讯模块1进行双向通信，再通过微处理器1完成对无人机飞行的控制，用以修正无人机飞行航线，以防航线偏离；当天然气管道泄漏，天然气浓度达到天然气激光探测系统的最小探测极限。监控计算机通过无线通讯模块2，控制微处理器2和激光器控制器，可以获取天然气管道泄漏范围的实际地理位置周边的天然气浓度，以及相应位置的土壤表面温度信息，以实时监控天然气浓度和土壤表面温度的异常。\n[0009] 所述的天然气探测系统中，通过激光吸收光谱遥测技术对天然气的泄漏进行探测。DFB激光器与光纤耦合器相连，其耦合比是50:50。发射天线1和发射天线2与光纤耦合器的输出端相连，接收天线1和接收天线2，分别与探测器1和探测器2相连。激光光束通过光纤耦合器分出两束光，一路经发射天线1垂直入射到土壤表面，通过接收天线1接收反射光，经探测器1接收光谱信号；另一路经过发射天线2入射到泄漏的天然气云团，被反射后通过接收天线2接收，探测器2接收吸收光谱信号。\n[0010] 所述的激光控制系统中，激光控制器与微处理器2连接，探测器1、探测器2以及无线通讯模块3与微处理器2连接。监控计算机通过微处理器2控制激光控制器，来调节激光器的电流和温度，微处理器2将激光器的工作状态和探测到的泄漏的天然气浓度和相应位置的土壤表面温度，通过无线通讯的方式，实时传输至地面的服务器。\n[0011] 所述的DFB激光器为DFB近红外激光器，中心波长为1.65µm，覆盖甲烷气体吸收特征谱线。\n[0012] 所述的发射天线1、发射天线2、接收天线1和接收天线2对1.65µm近红外波段激光的透过率大于90%。\n[0013] 所述的无人机通过电源管理电路由锂电池或太阳能板驱动，阳光充足时太阳能板能给锂电池充电。\n[0014] 本发明的优点：\n[0015] 提出了一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，在待测的天然气管道路径上进行巡检，能及时发现管道的泄漏点和扩散的范围。同时，接收的是探测区域的反射波，反射信号更强，系统的灵敏度更高。还能收集和管理天然气管道泄漏范围附近的天然气浓度以及相应位置的土壤表面温度，并支持数据在网络平台上共享，从而可以实现天然气管道的实时检测以及提高工作效率。\n[0016] 与无人机遥感技术相比，不需要高精度的传感器，因此无人机不需要承受那么大的载荷。同时不需要复杂的影像数据处理，可以达到实时显示天然气管道泄漏范围的实际地理位置周边的天然气浓度和相应位置的土壤表面温度。\n[0017] 本发明与车载天然气遥测探测激光雷达相比较，最大的优点就是通过无人机巡检管道，克服了遥测大面积、长距离管道的难题。\n[0018] 现有的中红外波段激光的天然气泄漏激光遥测雷达，虽然功率大，探测距离远，但是中红外激光器的成本高。本发明与其相比较性价比就很高，通讯波段的近红外激光器，价格很便宜。适合批量的生产，也易于维修。\n附图说明\n[0019] 图 1 ：本发明无人机的天然气管道泄漏检测系统工作流程示意图。\n[0020] 图 2 ：本发明无人机系统工作流程示意图。\n[0021] 图 3 ：本发明天然气激光探测系统工作流程示意图。\n具体实施方式\n[0022] 实施例1\n[0023] 如图1所示，本发明提出了一种基于无人机的天然气管道泄漏检测系统，包括无人机系统和天然气激光探测系统。无人机系统包括机载控制系统、地面控制系统。机载控制系统由微处理器1、GPS模块、飞行控制模块、无线通讯模块1组成。地面控制系统在地面控制室中，由无线通讯模块2、服务器和监控计算机组成。天然气激光探测系统包括天然气探测系统、激光控制系统。天然气探测系统由DFB激光器、光纤耦合器、发射天线1、发射天线2、接收天线1、接收天线2、探测器1、探测器2组成。激光控制系统由微处理器2、激光控制器和无线通讯模块3组成。\n[0024] 所述的微处理器1、飞行控制模块、GPS模块、无线通讯模块1安装在无人机上。DFB激光器、激光控制器、微处理器2、探测器1和2、无线通讯模块3、发射天线1、发射天线2、接收天线1、接收天线2、光纤耦合器安装在无人机下面的货舱上。服务器、监控计算机、无线通讯模块2安装在地面监控室内。\n[0025] 无人机系统包含机载控制系统、地面控制系统两个子系统。机载控制系统是控制无人机飞行，并与地面控制室进行通信，来调整飞行航迹。地面控制系统主要与微处理器1进行通信，在地面监控室中实时控制无人机飞行。GPS模块是通过微处理器1，以无线通信的方式与地面监控计算机进行通信，能够实时获取无人机的地理位置信息。\n[0026] 无人机起飞之前，首先通过地面监控计算机，控制微处理器1内置的航迹存储器，读取待测的天然气管道地图。准备就绪后，无人机起飞，自动按照天然气管道的路径进行飞行。接着，在地面的监控计算机上，通过控制微处理器2打开激光控制器，调节激光器的温度和电流，同时微处理器2产生扫描信号，用于激光器的调谐，使其波长处于天然气的吸收带。\n在监控计算机的操作界面上上可以看到无人机的飞行路径和位置信息，还有激光器的工作状态，包括温度和电流，以及泄漏的天然气浓度的数值和相应位置的土壤表面温度的数值。\n[0027] 当无人机的飞行路径与地图路线出现较大偏差时，地面的监控计算机会发出指令，通过微处理器1来控制飞行控制模块，进一步来改正飞行航线。当管道路径附近天然气浓度以及土壤表面温度发生较大变化后，监控计算机的操作界面上就可以看到泄漏的天然气浓度和相应位置的土壤表面温度的数值，判断是否出现天然气的泄漏。通过对比一段区域内的天然气浓度和土壤表面温度，来判断出泄漏点以及扩散的范围。在监控计算机上可以方便的看到无人机的地理位置信息，便于快速的定位泄漏点以及扩散的范围。\n[0028] 如图2所示，本发明无人机系统的控制方法包括以下步骤：\n[0029] 步骤1：无人机按照天然气管道路线，在飞行控制模块的驱动下飞行，并通过GPS模块实时获取无人机的位置信息。\n[0030] 步骤2：无人机通过微处理器1将位置信息，以无线通讯的方式，发送给服务器。\n[0031] 步骤3：监控计算机实时获取无人机的位置信息，并与天然气管道的路线图进行对比。如出现较大的偏差，监控计算机通过无线通讯方式发出飞行指令，来控制微处理器1，进而调整飞行路线。\n[0032] 如图3所示，天然气激光探测系统的方法包括以下步骤：\n[0033] 步骤1：通过地面监控计算机，以无线通讯的方式，来控制微处理器2，进而控制激光控制器来调节激光器的电流和温度。同时还控制微处理器2来产生锯齿波，用于激光控制器来调谐激光波长。\n[0034] 步骤2：微处理器2将激光器的工作状态，探测器1和2探测到的土壤表面温度和泄漏的天然气浓度，发给服务器。\n[0035] 步骤3：监控计算机通过服务器，获取激光器的工作状态，还有实时地获取天然气管道路线上泄漏的天然气浓度和相应位置的土壤表面温度。\n[0036] 以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。