Un método para mejorar la relación de la señal al ruido en un sistema LIDAR (DIAL) de absorcióndiferencial,

comprendiendo el método las etapas de:

a) escanear (200) un haz DIAL de tal manera que el haz DIAL se transmita a través de una multitud depuntos de medición, incluyendo el haz DIAL un haz láser en línea (100) que tiene una longitud de ondamáxima que está dentro de la banda de absorción óptica de una molécula diana y un haz láser fuerade línea (102) que tiene una longitud de onda máxima seleccionada para estar fuera de la banda deabsorción óptica de la molécula diana, siendo transmitidos el haz láser en línea y el haz láser fuera delínea básicamente colineales;

b) medir (202) una multitud de energías de pulsación transmitidas del haz láser en línea y una multitud deenergías de pulsación transmitidas del haz láser fuera de línea correspondientes a la multitud depuntos de medición;

c) medir (204) una multitud de energías de pulsación recibidas del haz láser en línea y una multitud deenergías de pulsación recibidas del haz láser fuera de línea correspondientes a la multitud de puntosde medición;

d) seleccionar (206) un punto de medición;

e) seleccionar (208) un subconjunto de puntos de medición de región de interés (ROI) dentro de una ROIalrededor del punto de medición seleccionado;

f) calcular (212, para el punto de medición seleccionado:

una energía promedio de la pulsación en línea transmitida a partir de las energías de pulsacióntransmitidas del haz láser en línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos demedición;

una energía promedio de la pulsación fuera de línea transmitida a partir de las energías depulsación transmitidas del haz láser fuera de línea del subconjunto de la ROI seleccionado de lospuntos de medición;

una energía promedio de la pulsación en línea recibida a partir de las energías de pulsaciónrecibidas del haz láser en línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición;

y

una energía promedio de la pulsación fuera de línea recibida a partir de las energías de pulsaciónrecibidas del haz láser fuera de línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos demedición; y

g) calcular (214) un longitud del trayecto de concentración (CPL) del haz DIAL para el punto de mediciónseleccionado utilizando la energía promedio de pulsación en línea transmitida, la energía promedio depulsación fuera de línea transmitida, la energía promedio de pulsación en línea recibida, y la energíapromedio de pulsación fuera de línea recibida.

Un método para mejorar la exactitud del rendimiento en absorción diferencial LIDAR para detección y cuantificación

en fugas de tuberías de gas y aceite.

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un método para mejorar la exactitud de la identificación de estelas que contienen una molécula diana utilizando un sistema de absorción diferencial LIDAR (DIAL) . En particular, este método puede permitir la mejora de la relación de señal a ruido para la detección de estelas.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

En un sistema DIAL, la señal retrodispersada recibida es una función de: la energía de la pulsación láser transmitida; la velocidad de la luz; la anchura de la pulsación láser; el área del telescopio (campo de visión) ; el rango (ley del cuadrado inverso) ; el haz fuera de línea y el haz en línea superpuesto y el campo de visión (es decir, el factor de forma geométrico) ; la respuesta espectral de las ópticas del receptor; la transmisión de la estela; la transmisión atmosférica total; y el tipo de cubierta del terreno.

Uno de los usos de un sistema DIAL de dos líneas es estimar la longitud del trayecto de concentración (CPL,

Concentration Path Length) de una estela relativa a un fluido. Por lo tanto, se selecciona preferiblemente la longitud de onda en línea, de tal manera que sólo se absorbe por la molécula diana del fluido y por ninguna otra en el trayecto óptico. La longitud de onda fuera de línea se selecciona preferiblemente de tal manera que no se absorbe por la molécula diana o por cualesquiera otras moléculas previstas que permite el trayecto óptico. Más preferiblemente, las longitudes de onda en línea y fuera de línea se seleccionan de tal manera que la relación del factor de forma geométrico, la respuesta espectral de las ópticas del receptor y la reflectividad superficial correspondiente a las longitudes de onda en línea y fuera de línea son aproximadamente las mismas. Como puede verse en la Ecuación 1, cuando se cumple esta condición, estos parámetros se pueden anular, simplificando el cálculo de la CPL.

donde AOn/Off es la longitud de onda máxima en línea (On) (o fuera de línea (Off) ) , O (AOn/Off) es la sección transversal en línea (o fuera de línea) , E1 (AOn/Off) es la energía de la pulsación láser transmitida en línea (o fuera de línea) , R es el rango/altitud/distancia del sensor a la diana, E (AOn/Off, R) es la energía de la pulsación láser recibida en línea (o fuera de línea) , º (ROn/Off) es el factor de forma geométrico para la longitud de onda máxima en línea (o fuera de línea) , º (AOn/Off) es la respuesta espectral de las ópticas del receptor para la longitud de onda máxima en línea (o fuera de línea) , P (AOn/Off) es la reflexión superficial de fondo para la longitud de onda máxima en línea (o fuera de línea) , k (AOn/Off, r) es el coeficiente de atenuación atmosférica para la longitud de onda máxima en línea (o fuera de línea) y Ct-bag es la concentración de la molécula diana en la atmósfera.

En muchos casos, el factor dominante en el rendimiento del sistema DIAL es la baja señal relativa al ruido, o baja Relación Señal/Ruido (SNR, Signal to Noise Ratio) y no el ruido eléctrico en el sistema. Este problema puede ser 35 especialmente grave cuando la SNR varia. En tales situaciones la ecuación DIAL debe corregirse para tener en cuenta variaciones no uniformes y error (sesgo) . La principal fuente de estos errores o variaciones no uniformes de las señales resintonizadas en línea y fuera de línea son variaciones de reflectividad espectral del tipo de cubierta superficial y/o la desalineación de los haces en línea y fuera de línea (haces parcialmente solapados) . Los haces parcialmente solapados pueden llevar también a variaciones de la reflectividad espectral superficial en las señales resintonizadas en línea y fuera de línea. Las longitudes de onda en línea y fuera de línea preferiblemente no varían durante el funcionamiento del sistema DIAL. Por lo tanto, las longitudes de onda son típicamente bloqueadas electrónicamente a longitudes de onda preseleccionadas. Sin embargo, en la práctica, estas longitudes de onda pueden variar ligeramente y estas variaciones pueden llevar a picos en la sección transversal y a otros efectos de absorción de interferencias no deseados. Además, puede no ser práctica la estimación de la función de densidad de

45 probabilidad de los puntos de estela asociados con una fuga de gas.

Las aplicaciones de baja reflectividad del tipo de cubierta superficial resultan en señales en línea y fuera de línea de retorno bajas y las aplicaciones de alta reflectividad del tipo de cubierta superficial resultan en señales en línea y fuera de línea de retorno altas. Cuando la señal retornada es baja relativa al ruido entonces domina el ruido eléctrico y esto lleva a una baja Relación Señal/Ruido (SNR) y a una alta Varianza de la Longitud del Trayecto de Concentración (CPL) , pero lo contrario también es cierto. Cuando las señales retornadas son altas relativas al ruido, entonces la señal domina y esto lleva a una alta SNR y a una baja Varianza de la CPL. Por lo tanto, ya que la reflectividad superficial varia de un punto a otro y de una región a otra, también lo hacen las señales resintonizadas y la SNR.

Sin embargo, en la práctica los sistemas DIAL pueden calibrarse en consecuencia. Desafortunadamente, corregir las variaciones de la reflectividad debidas al tipo de cubierta superficial del terreno puede ser difícil en muchas situaciones. Si estas variaciones de la reflectividad del tipo de cubierta de la superficie del terreno no se corrigen adecuadamente, pueden resultar errores significativos en las CPL estimadas de la molécula diana, llevando a la identificación errónea de estelas (o a la falta de estelas) .

El documento WO/02/27297 describe un sistema LIDAR de absorción diferencial que escanea una diana utilizando un haz láser en línea y un haz láser fuera de línea. Se mide un haz de retorno mediante el sistema para proporcionar una relación de concentración del gas en la trayectoria del haz de retorno.

La presente invención supone un método para mejorar la exactitud del rendimiento en el DIAL al utilizar información espacial y espectral. Los métodos mejorados de la presente invención pueden aumentar la certeza (probabilidad) de detección de las estelas que contiene la molécula diana. Por ejemplo, estos métodos mejorados pueden utilizarse en la identificación de las estelas generadas por fugas en tuberías o tanques de almacenamiento, estelas causadas por derrames y otra contaminación y las estelas que ocurren naturalmente tales como los gases emitidos por los volcanes.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

Un ejemplo de realización de la presente invención es un método para mejorar la relación de la señal al ruido en un sistema LIDAR (DIAL) de absorción diferencial. Se escanea un haz DIAL de tal manera que se transmite el haz DIAL a través de una multitud de puntos de medición. El haz DIAL incluye un haz láser en línea y un haz láser fuera de línea que se transmiten básicamente de forma colineal. Se miden una multitud de energías de pulsación transmitidas de los haces láser en línea y una multitud de energías de pulsación transmitidas de los haces láser fuera de línea que corresponden a la multitud de puntos de medición, igual que son una multitud las energías de pulsación recibidas de los haces láser en línea y una multitud las energías de pulsación recibidas de los haces láser fuera de línea que corresponden a la multitud de puntos de medición. Se selecciona un punto de medición. Se selecciona a su vez un subconjunto de puntos de medición de una región de interés (ROI) dentro de una ROI alrededor de un punto de medición seleccionado. Para el punto de medición seleccionado se calculan una serie de promedios, que incluyen: un promedio de la energía de pulsación en línea transmitida a partir de las energías de pulsación transmitidas de los haces láser en línea del subconjunto ROI seleccionado de los puntos de medición; un promedio de la energía de pulsación fuera de línea transmitida a partir de las energías de pulsación transmitidas de los haces láser fuera de línea del subconjunto ROI seleccionado de los puntos de medición; un promedio de la energía de pulsación en línea recibida a partir de las energías de pulsación recibidas de los haces láser en línea del subconjunto ROI seleccionado de los puntos... [Seguir leyendo]

1. Un método para mejorar la relación de la señal al ruido en un sistema LIDAR (DIAL) de absorción diferencial, comprendiendo el método las etapas de:

a) escanear (200) un haz DIAL de tal manera que el haz DIAL se transmita a través de una multitud de puntos de medición, incluyendo el haz DIAL un haz láser en línea (100) que tiene una longitud de onda máxima que está dentro de la banda de absorción óptica de una molécula diana y un haz láser fuera de línea (102) que tiene una longitud de onda máxima seleccionada para estar fuera de la banda de absorción óptica de la molécula diana, siendo transmitidos el haz láser en línea y el haz láser fuera de línea básicamente colineales;

b) medir (202) una multitud de energías de pulsación transmitidas del haz láser en línea y una multitud de energías de pulsación transmitidas del haz láser fuera de línea correspondientes a la multitud de puntos de medición;

c) medir (204) una multitud de energías de pulsación recibidas del haz láser en línea y una multitud de energías de pulsación recibidas del haz láser fuera de línea correspondientes a la multitud de puntos de medición;

d) seleccionar (206) un punto de medición;

e) seleccionar (208) un subconjunto de puntos de medición de región de interés (ROI) dentro de una ROI alrededor del punto de medición seleccionado;

f) calcular (212, para el punto de medición seleccionado:

una energía promedio de la pulsación en línea transmitida a partir de las energías de pulsación transmitidas del haz láser en línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición;

una energía promedio de la pulsación fuera de línea transmitida a partir de las energías de pulsación transmitidas del haz láser fuera de línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición;

una energía promedio de la pulsación en línea recibida a partir de las energías de pulsación recibidas del haz láser en línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición; y

una energía promedio de la pulsación fuera de línea recibida a partir de las energías de pulsación recibidas del haz láser fuera de línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición; y

g) calcular (214) un longitud del trayecto de concentración (CPL) del haz DIAL para el punto de medición seleccionado utilizando la energía promedio de pulsación en línea transmitida, la energía promedio de pulsación fuera de línea transmitida, la energía promedio de pulsación en línea recibida, y la energía promedio de pulsación fuera de línea recibida.

2. El método según la reivindicación 1, en el que la etapa a) incluye escanear el haz DIAL de tal manera que la multitud de puntos de medición a través del que se transmite el haz DIAL están uniformemente distribuidos.

3. El método según la reivindicación 2, en el que la ROI alrededor de un punto de medición seleccionado es un círculo centrado en el punto de medición seleccionado y tiene un radio predeterminado.

4. El método según la reivindicación 3, en el que:

la multitud de puntos de medición son básicamente osculadores; y

el radio predeterminado de la ROI es aproximadamente cinco veces un radio del haz del haz DIAL.

5. El método según la reivindicación 1, en el que la etapa a) incluye escanear el haz DIAL de tal manera que varía una densidad de la multitud de puntos de medición a través de los cuales se transmite el haz DIAL.

6. El método según la reivindicación 5, en el que:

la ROI alrededor de un punto de medición seleccionado es un círculo centrado en el punto de medición seleccionado; y

se selecciona un radio del círculo de tal manera que la ROI incluye un número predeterminado de puntos de medición.

7. El método según la reivindicación 6, en el que el número predeterminado de puntos de medición es aproximadamente de 25.

8. El método según la reivindicación 1, en el que la etapa (f) incluye las etapas de:

f1) calcular la energía promedio de la pulsación en línea transmitida para ser un promedio no 5 ponderado de las energías de pulsación transmitidas del haz láser en línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición;

f2) calcular la energía promedio de la pulsación fuera de línea transmitida para ser un promedio no ponderado de las energías de pulsación transmitidas del haz láser fuera de línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición;

f3) calcular la energía promedio de la pulsación en línea recibida para ser un promedio no ponderado de las energías de pulsación recibidas del haz láser en línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición; y

f4) calcular la energía promedio de la pulsación fuera de línea recibida para ser un promedio no ponderado de las energías de pulsación recibidas del haz láser fuera de línea del subconjunto de 15 la ROI seleccionado de los puntos de medición.

9. El método según la reivindicación 1, en el que la etapa (f) incluye las etapas de:

f1) calcular la energía promedio de la pulsación en línea transmitida para ser un promedio ponderado de las energías de pulsación transmitidas del haz láser en línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición;

f2) calcular la energía promedio de la pulsación fuera de línea transmitida para ser un promedio ponderado de las energías de pulsación transmitidas del haz láser fuera de línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición;

f3) calcular la energía promedio de la pulsación en línea recibida para ser un promedio ponderado de las energías de pulsación recibidas del haz láser en línea del subconjunto de la ROI seleccionado 25 de los puntos de medición; y

f4) calcular la energía promedio de la pulsación fuera de línea recibida para ser un promedio ponderado de las energías de pulsación recibidas del haz láser fuera de línea del subconjunto de la ROI seleccionado de los puntos de medición.

10. El método según la reivindicación 9, en el que los promedios ponderados de las etapas (f1) , (f2) , (f3) y (f4) 30 se calculan según una función de ponderación de núcleo Gaussiano circular.

11. El método según la reivindicación 1, que comprende además la etapa de:

h) repetir las etapas (d) , (e) , (f) , (g) y (h) hasta que se han seleccionado todos los puntos de medición en la etapa (d) .

12. El método según la reivindicación 11, que comprende además la etapa de:

13. El método según la reivindicación 12, en el que la etapa (i) incluye, para cada punto de medición, las etapas de:

i) para cada punto de medición, determinar si el punto de medición representa un punto de estela o un punto de no estela utilizando la correspondiente CPL calculada en la etapa (g) .

i1) proporcionar un promedio de la CPL de no estela, CPL ;

i2) calcular una desviación estándar, CPLsd , de cada punto de medición sobre la base de la propagación del error de primer orden;

i3) calcular el valor de la verosimilitud de la CPL para cada punto de medición,

donde cpl es la correspondiente CPL del punto de medición calculado en la etapa (g) ; y

i4) determinar que el punto de medición representa un punto de no estela si el valor de la verosimilitud de la CPL es menor que un nivel umbral (threshold) de la CPL,

donde T es un nivel umbral de la desviación estándar.

14. El método según la reivindicación 12, en el que la etapa (i) incluye, para cada punto de medición, las etapas de:

i1) proporcionar un promedio de la CPL de no estela, CPL ;

i2) calcular una desviación estándar, CPLsd , de cada punto de medición sobre la base de la propagación del error de primer orden; y

i3) determinar que el punto de medición representa un punto de no estela cuando se encuentra un criterio de decisión de Hooshmand (HDR) , siendo el HDR:

donde cpl es la correspondiente CPL del punto de medición calculado en la etapa (g) y T es un nivel umbral de la desviación estándar.

15. El método según la reivindicación 12, que comprende además la etapa de:

j) para cada punto de estela determinado en la etapa (i) , determinar si el punto de estela es un punto de estela erróneo utilizando las CPL’s calculadas en la etapa (g) .

16. El método según la reivindicación 15, en el que la etapa (j) , para un punto de estela i-ésimo de los puntos de estela determinados en la etapa (i) , incluye las etapas de:

j1) seleccionar un punto de medición j-ésimo del conjunto de vecinos más cercanos de los puntos de medición del i-ésimo punto de estela, incluyendo el subconjunto de vecinos más cercanos de los puntos de medición el punto de estela y un número predeterminado, K-1, de puntos de medición de los vecinos más cercanos;

j2) calcular un promedio de la CPL, CPLij , de las CPL’s de un subconjunto local de los puntos de medición alrededor del j-ésimo punto de medición;

j3) calcular una desviación estándar, (CPLsd) j, de cada punto de medición en el subconjunto local sobre la base de la propagación del error de primer orden;

j4) repetir las etapas (j1) , (j2) y (j3) desde j= 1 hasta K;

j5) calcular el valor de la verosimilitud de la CPL del i-ésimo punto de estela,

donde cplij es la correspondiente CPL del j-ésimo punto de medición calculado en la etapa (g) ; y

j6) determinar que el i-ésimo punto de estela representa un punto de estela falso si el valor de la verosimilitud de la CPL del i-ésimo punto de estela es menor que un nivel umbral (Threshold) de la CPL del i-ésimo punto de estela,

donde T es un nivel umbral de la desviación estándar.