Моделирование газоанализаторной системы лазерного детектирования утечек метана с использованием мини беспилотных летательных аппаратов

Савотченко Сергей Евгеньевич; Акапьев Виктор Львович

doi:10.5281/zenodo.15585947

Авторы

Савотченко Сергей Евгеньевич ФГБОУ ВО «Российский государственный геологоразведочный университет имени Серго Орджоникидзе» Автор savotchenkose@mgri.ru
Акапьев Виктор Львович ФГКОУ ВО «Белгородский юридический институт Министерства Российской Федерации имени И.Д. Путилина» Автор akapevvl@yandex.ru

DOI:

https://doi.org/10.5281/zenodo.15585947

Ключевые слова:

лазерный детекторный комплекс, детектирование веществ, утечка метана, газоанализатор, БПЛА

Лицензия

Метаданные этой статьи распространяются под лицензией CC BY 4.0

Аннотация

Исследование возможности создания модели газоанализаторной системы лазерного детектирования утечек метана с использованием мини беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) на современной элементной базе, позволяющих осуществлять детектирование утечек на объектах газотранспортной инфраструктуры в реальном масштабе времени и безопасных условиях. Методика исследования заключается в моделировании спектральных характеристик воздушно-метановой газовой смеси с целью разработки прототипа лазерного газоанализатора, работающего в оптимальном спектральном диапазоне для определения концентраций ее компонентов. Обоснован выбор элементной базы для разработки прототипа лазерного детектора метана с учетом планируемого размещения на беспилотных летательных аппаратах класса мини. Проведено моделирование спектров поглощения детектируемых веществ, на основе которого определены оптимальные диапазоны длин волн лазера. Практическая значимость заключается в том, что предложена модель построения прибора, произведен расчет его технических характеристик и выполнен подбор компонентов системы. Разработана функциональная схема лазерного детектора и подобраны ее оптические компоненты. Предложены модели использования разработанной системы лазерного детектирования метана на мини БПЛА с привязкой к его средней скорости, высоты полета и конструкционными особенностями.

Скачивания

Данные по скачиваниям пока не доступны.

Библиографические ссылки

1. Буковецкий, Н. А. Методы обнаружения утечек углеводородов / Н. А. Буковецкий // Теория и практика современной науки. – 2023. – № 6(96). – С. 47-60. – EDN GYUSPQ.

2. Aerial-based gas tomography – from single beams to complex gas distributions / P. Neuman [et al.] // European Journal of Remote Sensing. – 2019. – V. 52. – P. 1-15. – DOI 10.1080/22797254.2019.1640078.

3. Последние достижения в области обнаружения утечек в газопроводах / Р. В. Дудин, В. С. Дербичев, К. С. Роман [и др.] // Вестник евразийской науки. – 2020. – Т. 12, № 1. – С. 9. – EDN LWBMMX.

4. Lidar: Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere / Editor Claus Weitkamp. – Berlin: Springer Science& Business, 2006. – 456 p.

5. Tassielli, G. Detection of Methane Leaks via a Drone-Based System for Sustainable Landfills and Oil and Gas Facilities: Effect of Different Variables on the Background-Noise Measurement / G. Tassielli, L. Canana, M. Spalatro // Sustainability. – 2024. – V. 16. – P. 7748. – URL: https://doi.org/10.3390/su16177748.

6. Fosco, D. Progress in monitoring methane emissions from landfills using drones: an overview of the last ten years / D. Fosco, M. De Molfetta, P. Renzulli, B. Notarnicola // Science of The Total Environment. – 2024. – V. 945. –Р. 173981. – URL: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173981.

7. Дистанционный лазерный детектор Laser Methane mini [Электронный ресурс]. – URL: https://www.pergam.ru/catalog/gas_leaks/gas/laser-methane-mini.htm (дата обращения 24.10.2024).

8. Газоанализатор Sniffer4D V2.0 для интеграции на БПЛА [Электронный ресурс]. – URL: https://aeromotus.ru/product/gazoanalizator-sniffer4d-dlya-krepleniya-na-bpla/?ysclid=m2n2fin06i361966712 (дата обращения 24.10.2024).

9. Детекторы утечек газа для БПЛА [Электронный ресурс]. – URL: https://www.pergam.ru/catalog/gas_leaks/dls-bpla/ (дата обращения 25.07.2024).

10. Исследование возможности применения лазерной системы на основе параметрического генератора света для лидарного зондирования состава атмосферы / Г. Г. Матвиенко, О. А. Романовский, С. А. Садовников [и др.] // Оптический журнал. – 2017. – Т. 84, № 6. – С. 58-65. – EDN YQHQZV.

11. Оптимизация параметров газогенераторной и лидарной систем для измерения потоков воздуха при неразрушающем контроле качества охлаждающих микроканалов на малых расстояниях / А. А. Ким, К. В. Елисеев, В. В. Акапьев [и др.] // Письма в Журнал технической физики. – 2020. – Т. 46, № 9. – С. 20-24. – DOI 10.21883/PJTF.2020.09.49367.17977. – EDN YEGGXZ.

12. Еремин, В. В. Основы физической химии: учеб. пособие. В 2 ч. Ч. 1. Теория / В. В. Еремин, С. И. Каргов, И. А Успенская. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2013. – 320 с.

13. Применение параметрического генератора света для дистанционного мониторинга атмосферы в диапазоне спектра 3-4 мкм / О. А. Романовский, С. А. Садовников, А. Я. Суханов [и др.] // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2016. – Т. 327, № 6. – С. 105-114. – EDN WGFBLJ.

14. Михайленко, С. Н. Информационно-вычислительная система "Спектроскопия атмосферных газов". Структура и основные функции / С. Н. Михайленко, Ю. Л. Бабиков, В. Ф. Головко // Оптика атмосферы и океана. – 2005. – Т. 18, № 9. – С. 765-776. – EDN HRPJUV.

15. Лидарное зондирование малых газовых составляющих атмосферы методом дифференциального поглощения: результаты моделирования и экспериментов / Д. А. Бочковский, О. А. Романовский, О. В. Харченко, С. В. Яковлев // Известия Томского политехнического университета. – 2014. – Т. 325, № 2. – С. 127-136. – EDN SMXPGZ.

16. The HITRAN 2020 Molecular Spectroscopic Database / ByEliMlaver [Электронный ресурс]. – URL: https://www.aer.com/news-events/blog/the-hitran2020-molecular-spectroscopic-database/ (дата обращения 25.07.2024).

17. Лазерные измерительные системы / А. С. Батраков, М. М. Бутусов, Г. П. Гречка [и др.]. – М.: Радио и связь, 1981. – 456 с.

18. Климков, Ю. М. Лазерная техника: Учебное пособие / Ю. М. Климков, М. В. Хорошев. – М.: МИИГАиК, 2014. – 143 с.

19. Методика расчета волоконно-оптических систем передачи с распределенным доступом / А. О. Костромитин, О. И. Котов, Л. Б. Лиокумович, А. В. Соколов. – СПб.: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2019. – 84 с.

20. PM2.5 Explained. Indoor Air Hygiene Institute [Электронный ресурс]. – URL: https://www.indoorairhygiene.org/pm2-5-explained/ (дата обращения: 25.07.2024).

21. Физические основы полупроводниковой фотоэлектроники: учебное пособие / А. В. Войцеховский, И. И. Ижнин, В. П. Савчин, Н. М. Вакив. – Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2013. – 560 с.

REFERENCES LIST

1. Bukovetskii, N. A. Metody obnaruzheniia utechek uglevodorodov / N. A. Bukovetskii // Teoriia i praktika sovremennoi nauki. – 2023. – № 6(96). – S. 47-60. – EDN GYUSPQ.

2. Aerial-based gas tomography – from single beams to complex gas distributions / P. Neuman [et al.] // European Journal of Remote Sensing. – 2019. – V. 52. – P. 1-15. – DOI 10.1080/22797254.2019.1640078.

3. Poslednie dostizheniia v oblasti obnaruzheniia utechek v gazoprovodakh / R. V. Dudin, V. S. Derbichev, K. S. Roman [i dr.] // Vestnik evraziiskoi nauki. – 2020. – T. 12, № 1. – S. 9. – EDN LWBMMX.

4. Lidar: Range-Resolved Optical Remote Sensing of the Atmosphere / Editor Claus Weitkamp. – Berlin: Springer Science& Business, 2006. – 456 p.

5. Tassielli, G. Detection of Methane Leaks via a Drone-Based System for Sustainable Landfills and Oil and Gas Facilities: Effect of Different Variables on the Background-Noise Measurement / G. Tassielli, L. Canana, M. Spalatro // Sustainability. – 2024. – V. 16. – P. 7748. – URL: https://doi.org/10.3390/su16177748.

6. Fosco, D. Progress in monitoring methane emissions from landfills using drones: an overview of the last ten years / D. Fosco, M. De Molfetta, P. Renzulli, B. Notarnicola // Science of The Total Environment. – 2024. – V. 945. –R. 173981. – URL: https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2024.173981.

7. Distantsionnyi lazernyi detektor Laser Methane mini [Elektronnyi resurs]. – URL: https://www.pergam.ru/catalog/gas_leaks/gas/laser-methane-mini.htm (data obrashcheniia 24.10.2024).

8. Gazoanalizator Sniffer4D V2.0 dlia integratsii na BPLA [Elektronnyi resurs]. – URL: https://aeromotus.ru/product/gazoanalizator-sniffer4d-dlya-krepleniya-na-bpla/?ysclid=m2n2fin06i361966712 (data obrashcheniia 24.10.2024).

9. Detektory utechek gaza dlia BPLA [Elektronnyi resurs]. – URL: https://www.pergam.ru/catalog/gas_leaks/dls-bpla/ (data obrashcheniia 25.07.2024).

10. Issledovanie vozmozhnosti primeneniia lazernoi sistemy na osnove parametricheskogo generatora sveta dlia lidarnogo zondirovaniia sostava atmosfery / G. G. Matvienko, O. A. Romanovskii, S. A. Sadovnikov [i dr.] // Opticheskii zhurnal. – 2017. – T. 84, № 6. – S. 58-65. – EDN YQHQZV.

11. Optimizatsiia parametrov gazogeneratornoi i lidarnoi sistem dlia izmereniia potokov vozdukha pri nerazrushaiushchem kontrole kachestva okhlazhdaiushchikh mikrokanalov na malykh rasstoianiiakh / A. A. Kim, K. V. Eliseev, V. V. Akapev [i dr.] // Pisma v Zhurnal tekhnicheskoi fiziki. – 2020. – T. 46, № 9. – S. 20-24. – DOI 10.21883/PJTF.2020.09.49367.17977. – EDN YEGGXZ.

12. Eremin, V. V. Osnovy fizicheskoi khimii: ucheb. posobie. V 2 ch. Ch. 1. Teoriia / V. V. Eremin, S. I. Kargov, I. A Uspenskaia. – M.: BINOM. Laboratoriia znanii, 2013. – 320 s.

13. Primenenie parametricheskogo generatora sveta dlia distantsionnogo monitoringa atmosfery v diapazone spektra 3-4 mkm / O. A. Romanovskii, S. A. Sadovnikov, A. Ia. Sukhanov [i dr.] // Izvestiia Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. Inzhiniring georesursov. – 2016. – T. 327, № 6. – S. 105-114. – EDN WGFBLJ.

14. Mikhailenko, S. N. Informatsionno-vychislitelnaia sistema Spektroskopiia atmosfernykh gazov. Struktura i osnovnye funktsii / S. N. Mikhailenko, Iu. L. Babikov, V. F. Golovko // Optika atmosfery i okeana. – 2005. – T. 18, № 9. – S. 765-776. – EDN HRPJUV.

15. Lidarnoe zondirovanie malykh gazovykh sostavliaiushchikh atmosfery metodom differentsialnogo pogloshcheniia: rezultaty modelirovaniia i eksperimentov / D. A. Bochkovskii, O. A. Romanovskii, O. V. Kharchenko, S. V. Iakovlev // Izvestiia Tomskogo politekhnicheskogo universiteta. – 2014. – T. 325, № 2. – S. 127-136. – EDN SMXPGZ.

16. The HITRAN 2020 Molecular Spectroscopic Database / ByEliMlaver [Elektronnyi resurs]. – URL: https://www.aer.com/news-events/blog/the-hitran2020-molecular-spectroscopic-database/ (data obrashcheniia 25.07.2024).

17. Lazernye izmeritelnye sistemy / A. S. Batrakov, M. M. Butusov, G. P. Grechka [i dr.]. – M.: Radio i sviaz, 1981. – 456 s.

18. Klimkov, Iu. M. Lazernaia tekhnika: Uchebnoe posobie / Iu. M. Klimkov, M. V. Khoroshev. – M.: MIIGAiK, 2014. – 143 s.

19. Metodika rascheta volokonno-opticheskikh sistem peredachi s raspredelennym dostupom / A. O. Kostromitin, O. I. Kotov, L. B. Liokumovich, A. V. Sokolov. – SPb.: POLITEKh-PRESS, 2019. – 84 s.

20. PM2.5 Explained. Indoor Air Hygiene Institute [Elektronnyi resurs]. – URL: https://www.indoorairhygiene.org/pm2-5-explained/ (data obrashcheniia: 25.07.2024).

21. Fizicheskie osnovy poluprovodnikovoi fotoelektroniki: uchebnoe posobie / A. V. Voitsekhovskii, I. I. Izhnin, V. P. Savchin, N. M. Vakiv. – Tomsk: Izdatelskii Dom Tomskogo gosudarstvennogo universiteta, 2013. – 560 s.