MX2007014864A - Sistema de rayo laser que se puede sincronizar de lineas multiples. - Google Patents

Abstract

Un sistema de rayo laser que se puede sincronizar de lineas multiples, el cual utiliza rayos laser como fuentes de luz para iluminar, identificar y/o cuantificar uno o mas objetos con base en las caracteristicas de espectro de dimensiones de cada objetivo; el sistema incluye una pluralidad de fuentes de rayo laser, las cuales se pueden sincronizar para emitir una onda electromagnetica, y por lo menos un controlador de ajuste y que bloquea cada rayo de luz a una longitud de onda del ancho de linea espectral requerido; el sistema tambien incluye un transmisor para transmitir cada rayo de luz para iluminar uno o mas objetivos, y un receptor para recibir la luz que regresa de los objetivos y convertir la luz devuelta en senales electricas para identificar y/o cuantificar los objetivos; el sistema incluye adicionalmente N rayos laser que se pueden sincronizar, en donde M de los N rayos laser son sincronizados cada uno a una longitud de onda que es absorbida parcialmente por los objetivos, y L de los N (uno o mas) rayos laser son sincronizados cada uno a una longitud de onda que es libre de absorcion de los objetivos.

Description

SISTEMA DE RAYO LÁSER QUE SE PUEDE SINCRONIZAR DE LINEAS MÚLTIPLES ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN La vigilancia de topografía del suelo es bien conocida en la materia. En la vigilancia terrestre, es altamente deseable detectar si existes una falla de material en un objeto elaborado por el hombre tal como un camino, una tubería, una rejilla eléctrica, u otra estructura elaborada por el hombre de interés práctico. Cuando se detecta una falla estructural, las autoridades adecuadas realizan una determinación de si es necesario remediar la acción. Con frecuencia una flotilla terrestre conduce una inspección visual de la topografía terrestre para determinar si existe una falla material cruzando un área en vehículo o a pie. Con frecuencia ocurre el caso en que una aeronave o un satélite, incluye un dispositivo de captura de imágenes tal como un dispositivo acoplado de carga (CCD), dispositivo semiconductor de óxido metálico complementario (CMOS) o un detector de radiación, tal como un detector sensible infrarrojo. Es bien conocido que los sistemas fotográficos transmitidos por el aire también pueden ser utilizados para capturar imágenes de áreas adyacentes del suelo. Cuando la radiación electromagnética interactúa con materiales diversos, puede ocurrir un fenómeno que incluye dispersión, absorción, transmisión y reflexión de la radiación electromagnética. El análisis espectral o espectroscópico incluye examinar, analizar y representar cuidadosamente las interacciones que involucran a la radiación y materiales electromagnéticos, en una forma ordenada, como una función de longitud de onda, frecuencia o tiempo. Durante el análisis espectroscópico, los materiales diferentes exhiben características de dispersión, absorción, reflexión y transmisión diferentes. Estas características distintivas son determinadas por la estructura química y física de los materiales. Cuando un grupo de estas características distintivas son determinadas hasta un nivel de certeza determinado, como con el uso de los sujetos de prueba conocidos, estos resultados espectroscópicos pueden ser denominados como las firmas espectrales de referencia o el espectro de referencia. El gas natural, característicamente, contiene una mezcla de metano, etano y cantidades pequeñas de otros gases. El gas generado por la descomposición de materiales orgánicos, en lo sucesivo denominado como un gas de pantano, únicamente contiene metano. Es altamente deseable para cualquier método de detección de gas natural tener la capacidad de distinguir entre los gases liberados como un resultado de una falla en una tubería o un contenedor de almacenamiento contra los gases de pantano emanados, evitando de esta manera, las falsas alarmas. Las tuberías de petróleo contienen concentraciones significativas de compuestos de gas disuelto volátiles, que incluyen metano, etano y propano. Las tuberías petroleras operan bajo presión; las fugas y una caída de presión simultánea tienen como resultado el escape de los componentes Í--1Í-L-..--I volátiles, y de esta manera proveen medios para la detección de fugas. La radiación electromagnética puede ser dirigida sobre un área que contiene gas y tuberías petroleras mediante una variedad de medios. Comúnmente se utilizan los rayos láser, aunque se pueden utilizar otros medios, tales como antenas para radio y energía de microondas electromagnéticas. En lo sucesivo, cuando la radiación electromagnética es dirigida sobre un área sujeto de prueba se denomina como un iluminador. En la detección de fallas de tuberías de gas y petróleo, existe un problema particular, ya que las tuberías de gas o petróleo normalmente son enterradas debajo del nivel del suelo. En dichos casos, es difícil realizar una valoración visual directa de cualesquiera fallas en la tubería. Cuando ocurren las fallas, estas se manifiestan por la fuga de los contenidos de la tubería, el material que se fuga produce un rastro o señal característicos. Normalmente, las fallas en las tuberías son determinadas actualmente con personal que camina por la ruta de la tubería, con una base periódica y costosa, con algunos medios para detectar los rastros que emanan de la tubería. Los gases pueden escapar de una tubería y desplazarse a través de la tierra subterránea a la superficie de la tierra y posteriormente a la atmósfera. En consecuencia, la atmósfera puede ser monitoreada en busca de gases que han escapado de la tubería. Una asociación de gases detectados en la atmósfera con una tubería con fuga puede ser directa o indirecta. Un ejemplo de una asociación directa es la liberación de gases de hidrocarburos específicos a la atmósfera desde la sub-superficie de tuberías de petróleo y gas. El gas natural consiste en 2 componentes primarios, metano y etano. La proporción de mezcla de metano y etano puede variar. La medición de ambos componentes y la confirmación de la proporción de concentración adecuada establecen en forma directa la presencia de una fuga en una tubería. En este caso, la asociación es directa en el sentido de que los componentes de gas por sí mismos son emitidos al interior de la atmósfera, aunque con una composición potencialmente modificada. El metano es producido a partir de la separación térmica y biológica de carbón. El gas detectado (metano) no es el mismo que el recurso natural (carbón), así que el término "indirecto" es utilizado para describir esta asociación. El término "asociación directa" no implica que la base científica para la asociación sea débil. El procedimiento para convertir el carbón a metano está bien descrito en la literatura científica. La Patente de E.U.A. No. 6,822,742, emitida el 23 de noviembre del 2004 a Kalayeh et al., titulada SYSTEM AND METHOD FOR REMOTE QUANTITATIVE DETECTION OF FLUID LEAKS FROM A NATURAL GAS OR OlL PIPELINE, provee un sistema para la detección cuantitativa remota de fugas de fluido de una tubería de gas natural o petróleo mediante el uso de una plataforma aérea. El contenido de la solicitud referida anteriormente está incorporado en la presente descripción como referencia en su totalidad.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LA INVENCIÓN La presente invención provee un sistema de rayo láser que se puede sincronizar de líneas múltiples para identificar características espectrales de dimensiones múltiples de uno o más objetivos. El sistema incluye una pluralidad de fuentes de rayo láser, cada una se puede sincronizar para emitir un rayo de luz que tiene una longitud de onda electromagnética diferente, y por lo menos un controlador de sincronización para sincronizar y bloquear cada rayo de luz a una longitud de onda previamente determinada respectiva en un ancho de línea estrecho. El sistema incluye también un transmisor para transmitir cada rayo de luz hacia los objetivos, y un receptor para recibir la luz que regresa de los objetivos y convertir la luz devuelta a señales eléctricas para identificar los objetivos. Cada uno de la pluralidad de fuentes de rayo láser se puede sincronizar para emitir un rayo de luz en una región diferente del espectro electromagnético, por ejemplo, espectro electromagnético infrarrojo medio. Por ejemplo, el sistema puede ser configurado como un sensor DIAL de líneas múltiples que tiene N rayos láser en línea y fuera de línea, en donde M de los rayos láser en línea son sincronizados cada uno a una longitud de onda que es parcialmente o proporcionalmente absorbida por los objetivos, y L de los rayos láser fuera de línea se puede sincronizar cada uno a una longitud de onda que no es absorbida por los objetivos (N = M + L). Adicionalmente, el sensor de rayo láser que se puede sincronizar de líneas múltiples puede ser configurado para lilii-.,--- diferentes usos. Por ejemplo, los rayos láser en línea o los rayos láser fuera de línea pueden tener cada uno la misma longitud de onda o una longitud de onda diferente, desde una región espectral electromagnética de banda estrecha o desde regiones espectrales electromagnéticas diferentes. El sistema de rayo láser que se puede sincronizar de líneas múltiples de la presente invención incluye N-rayos láser, los cuales son sincronizados a M longitudes de onda diferentes para detectar uno o más objetivos, en donde cada objetivo está caracterizado por M líneas de absorción espectral, y L (uno o más) rayos láser, los cuales son sincronizados para ser absorbidos al mínimo por los objetivos y reflejados al máximo por el entorno, en donde cada entorno está caracterizado por sus L características de reflexión/dispersión recibidas dimensionales. La pluralidad de fuentes de rayo láser incluye interruptores Q para generar en forma repetida pulsos de energía, en los cuales, los pulsos de energía están dispuestos en forma secuencial para formar una ráfaga de pulsos, caracterizado porque (a) cada pulso tiene un ancho de pulso previamente determinada, por ejemplo, entre 10 nseg y 100 nseg, aproximadamente, (b), cada pulso es separado del otro pulso por un intervalo de pulso a pulso previamente determinado, por ejemplo, entre 100 nseg y 150 nseg, aproximadamente, y (c) cada ráfaga de pulsos siendo repetida en un intervalo previamente determinado, por ejemplo, entre 500 useg y 1000 useg, aproximadamente. .1-1- „ ,l Otra modalidad de la presente invención incluye una detección de luz de absorción diferencial de líneas múltiples y un sistema de variación (DIAL). El sistema incluye sensores de rayo láser DIAL de líneas múltiples que genera una pluralidad de señales de salida rayos láser que se pueden sincronizar en forma continua, un controlador para sincronizar cada uno de los sensores de rayo láser DIAL de líneas múltiples para generar una señal de salida de rayo láser a una longitud de onda previamente determinada, un transmisor para transmitir las señales de salida de longitud de onda previamente determinada hacia un objetivo, un receptor para recibir la luz de difusión desde el objetivo o desde el entorno objetivo (por ejemplo, tipos de cubiertas de superficie terrestre) y una pluralidad de detectores para detectar la luz difusa en cada una de las longitudes de onda recibidas correspondientes. Los sensores de rayo láser DIAL de líneas múltiples de la presente invención generan (a) N señales de salida de rayo láser en línea y fuera de línea, las N señales de salida de rayo láser en línea seleccionadas para identificar M características en línea del objetivo, y (b) L (una o más) características fuera de línea del entorno objetivo, en donde cada una de las señales de salida de rayo láser fuera de línea son seleccionadas para ser libres de absorción del objetivo. El controlador de la presente invención incluye un cuadro de búsqueda (LUT) para seleccionar un espectro de dimensiones múltiples característico de los diversos objetivos (uno o más objetivos). Las señales de salida de rayo láser en línea y fuera de línea son sincronizadas para las longitudes de onda previamente determinadas identificadas en el LUT. Cada sensor de rayo láser DIAL de líneas múltiples el sistema puede tener pulsos para generar una salida de pulsos de energía a una longitud de onda previamente determinada respectiva, y el controlador puede ser configurado para combinar en forma secuencial cada pulso de salida de energía desde cada uno de los sensores de rayo láser DIAL de líneas múltiples y generar una ráfaga de pulsos para su transmisión a los objetivos. La ráfaga de pulsos puede incluir N pulsos para N sensores de rayo láser DIAL de líneas múltiples, en los cuales N es el total de señales de salida de rayo láser en línea y fuera de línea seleccionadas para identificar N características de los objetivos y el entorno. Otro aspecto de la presente invención incluye un método para identificar y o cuantificar uno o más objetivos con base en sus características de espectro de dimensiones múltiples del uno o más objetivos. El método incluye los pasos de: (a) emitir rayos separados de luz a partir de una pluralidad de fuentes de rayo láser; (b) sincronizar y bloquear cada rayo de luz emitido desde la pluralidad de fuentes de rayo láser a un espectro electromagnético previamente determinado de un ancho de línea estrecho; (c) transmitir cada rayo de luz para ¡luminar los objetivos; (d) recibir la luz que regresa desde los objetivos; y (e) convertir la luz devuelta a señales eléctricas para identificar y/o cuantificar los objetivos.

Se debe comprender que la descripción general anterior y la siguiente descripción detallada son de ejemplo, aunque no son restrictivas de la presente invención.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS La presente invención se comprende mejor a partir de la siguiente descripción detallada cuando es leída en conjunto con los dibujos que la acompañan. En los dibujos están incluidas las siguientes figuras: La Figura 1 , es un diagrama esquemático de ejemplo de un sistema de detección de fugas en tuberías de fluido de rayo láser DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples a bordo de una plataforma aérea, de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Las Figuras 2A y 2B, son diagramas de bloque de los sistemas de rayo láser DIAL que se pueden sincronizar de líneas múltiples, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 3, es un diagrama de bloque de una modalidad de ejemplo del sistema de detección de fugas en tuberías de fluido de rayo láser DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; Las Figuras 4A a 4C, son diagramas de cronometraje de un grupo triple de pulsos de ejemplo transmitido y recibido por el sistema de la Figura 3, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 5, es un diagrama esquemático de una distribución de ejemplo de un rayo láser desde una rayo láser plantado a tres módulos transmisores separados, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 6, es un diagrama de bloque que ilustra el uso de los tres rayos láser diferentes para formar un rayo láser final, denotado como la fuente #1 , de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 7, es un diagrama esquemático que ilustra un combinador de rayo, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 8A, es una vista frontal de una cubierta utilizada en el combinador de rayo de la Figura 7 para combinar los 3 rayos, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; La Figura 8B, es una vista frontal de otra cubierta para combinar 4 rayos, de acuerdo con una modalidad de la presente invención; y La Figura 8C, es una vista frontal de todavía otra cubierta para combinar 5 rayos, de acuerdo con una modalidad de la presente invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA DE LA INVENCIÓN La presente invención descrita en la presente se dirige a la medición de fluidos objetivo, por ejemplo, rastros de gases asociados con fugas de petróleo y gas de tuberías. La presente invención se refiere a un sistema de detección de fugas en tuberías de petróleo y gas y al método para detectar gases en la atmósfera y más particularmente, aunque no a modo de limitación, detectar fugas de tuberías con base en técnicas de detección y medición lumínica (DIAL) de absorción diferencial que operan en un intervalo espectral infrarrojo medio. En general, muchos fluidos pueden ser detectados o explorados, i tales como gas, petróleo volátil, petróleo crudo ligero, petróleo crudo pesado, gases peligrosos, líquidos peligroso o agentes químicos y biológicos. Las concentraciones de gas, por ejemplo, pueden ser mapeados sobre un área y los mapas pueden ser analizados en busca de anomalías de concentración. Estas anomalías de gas pueden ser interpretadas para determinar las fugas en tuberías subterráneas. Como se utiliza en la presente, el término "fluidos objetivo" indica los fluidos que son, ya sea líquidos o gases, por ejemplo, fluidos objetivo asociados ya sea directamente o indirectamente con las fugas en tuberías. Las concentraciones atmosféricas medidas de estos fluidos objetivo forman la base de la presente invención. Cada fluido objetivo tiene algunas características únicas en su asociación con la fuga de tubería. Por ejemplo, el metano es producido en un número de formas. El metano puede ocurrir en la atmósfera como un resultado de emisión desde un depósito de hidrocarburo, emisión de un depósito de carbón, emisión de zonas húmedas con poblaciones activas de bacterias productoras de metano, emisión desde una tubería de gas natural con fuga, etc.

Las fuentes de metano diferentes a una fuga de tubería son aquellas de interferencias ambientales. Las interferencias ambientales, las cuales complican la asociación entre un fluido objetivo y la fuga de tubería, varían en magnitud y tipo de acuerdo con los factores tales como tipo de suelo, hidrología, estructura y composición de la sub-superficie, así como también las condiciones atmosféricas, clima y uso de suelo. La presente invención puede ser configurada para ser utilizada como una técnica de detección y medición lumínica (DIAL) de absorción diferencial que muestrea una trayectoria a través de la atmósfera. Un intervalo amplio de instrumentos ha sido desarrollado, el cual detecta muchos gases traza en la atmósfera. Existen muchos tipos de fuentes de gas, los cuales, debido a sus dinámicas espaciales y temporales no pueden ser caracterizados de forma precisa por estas técnicas. El monitoreo de emisiones de dichas fuentes, requiere un sistema que puede medir en forma remota las concentraciones por minuto en forma rápida y sobre trayectorias largas. Las técnicas de de detección y medición lumínica (DIALs) de absorción diferencial de trayectoria larga cumplen con estos requerimientos. De acuerdo con un aspecto de la presente invención, se utiliza un sistema óptico de rayo láser de detección y medición (DIAL) de absorción diferencial que se puede sincronizar de líneas múltiples basado en una plataforma aérea para la detección cuantitativa remota de fugas de una tubería de gas natural o petróleo.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, uno o más objetivos, por ejemplo, los gases traza pueden ser utilizados para caracterizar las fugas de tuberías de fluidos con base en un cuadro de búsqueda que contiene un listado de diversos gases y sus características espectrales de dimensiones múltiples. El sistema DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples, el cual incluye N rayos láser (N = M + L), puede ser sincronizado para transmitir M longitudes de onda previamente determinadas en línea y L fuera de línea. Las N longitudes de onda pueden ser seleccionadas para detectar uno o más objetivos, por ejemplo, uno o más gases, con base en las características espectrales de dimensiones múltiples DIAL que se relacionan en el cuadro de búsqueda. De esta forma, como está contemplado por el inventor, el sistema DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples de la presente invención puede utilizarse en una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, cuando una aeronave está volando para detectar un tipo de mezcla de gas, que tiene características espectrales de dimensiones múltiples puede ser sincronizado a N longitudes de onda diferentes, en donde N representa el número de líneas espectrales que caracteriza la mezcla de gas respectiva (M longitudes de onda en línea y L longitudes de onda fuera de línea). De manera similar, cuando una aeronave está volando para detectar otro tipo de mezcla de gas, que tiene otra característica espectral de dimensiones múltiples respectiva, los N rayos láser del sistema pueden ser sincronizados a otro grupo de N longitudes de onda áy?-4--. mí- (M en línea y L fuera de línea) los cuales caracterizan esa mezcla de gas particular. También se apreciará que cada uno de los rayos láser en línea y fuera de línea puede ser un rayo láser que se puede sincronizar. Como un rayo láser que se puede sincronizar, una longitud de onda en línea puede ser seleccionada sincronizando el rayo láser respectivo a una longitud de onda específica. El rayo láser que se puede sincronizar puede ser sincronizado en tiempo real, por un operador dispuesto en un vehículo terrestre o una aeronave. Dependiendo de la misión, el operador puede sincronizar cada rayo láser a una longitud de onda previamente determinada para identificar y cuantificar una característica específica de un objetivo. El operador, por ejemplo, cuando es notificado de que se desea identificar y cuantificar un objetivo específico, puede utilizar un cuadro de búsqueda (LUT) que incluye las características de los objetivos diferentes y correspondencia entre estas caractepsticas y las longitudes de onda de rayo láser en línea o fuera de línea. El operador puede entonces sincronizar cada rayo láser, en tiempo real, para estas longitudes de onda previamente determinadas. Además, debido a la capacidad en tiempo real del sistema DIAL para ser sincronizado para longitudes de onda específicas, el operador puede sincronizar nuevamente y bloquear nuevamente cada rayo láser para otro grupo de longitudes de onda, en tiempo real. La operación puede continuar entonces, buscando un objetivo diferente que tiene características diferentes.

De acuerdo con otro aspecto de la presente invención, la transición molecular de las características de absorción ópticas de los gases traza múltiples seleccionados pueden ser seleccionadas en forma óptima de un cuadro de búsqueda. Con el objeto de simplificar el planteamiento, únicamente se seleccionan dos gases traza del cuadro de búsqueda para ejemplificar el sistema de rayo láser DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples de acuerdo con una modalidad de la presente invención. En este ejemplo, se seleccionó la transición molecular de las características de absorción óptica del metano y etano dentro de la región infrarroja media del espectro electromagnético. Por consiguiente, se puede utilizar un sistema de rayo láser DIAL que se puede sincronizar de 3 líneas para analizar y detectar los dos gases traza seleccionados. Las características de absorción de I metano y etano pueden ser analizadas con dos longitudes de onda en línea I (también denominadas como en línea) y una longitud de onda fuera de línea (también denominada como fuera de línea) para el metano, etano y el tipo de superficie terrestre (entorno), respectivamente. Las longitudes de onda en línea pueden ser seleccionadas cerca del pico de la absorción óptica de gas objetivo con interferencia mínima de otros gases. La longitud de onda fuera de línea puede ser seleccionada cercana al flanco de la absorción óptica de gas objetivo, con interferencia mínima de otros gases y capacidad de reflexión alta de superficie del suelo. Las longitudes de onda en línea y fuera de línea pueden ser seleccionadas Uli?i! para ser de 3369.8, 3389 y 3429 nanómetros para etano, metano y el entorno, respectivamente. Como se describió anteriormente, se pueden utilizar los rayos láser que se pueden sincronizar. Los rayos láser estables, que se pueden sincronizar en forma continua pueden ser diseñados para cubrir todos los gases traza y entorno en un cuadro de búsqueda. Como se describió anteriormente, únicamente dos gases traza son seleccionados para ejemplificar el sistema de rayo láser DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples de acuerdo con la presente invención. El inventor ha determinado que se pueden utilizar los rayos láser que se pueden sincronizar en forma continua ND:YLF. Por ejemplo, tres rayos láser que se pueden sincronizar en forma continua ND?LF pueden ser implementados para gases traza de metano y etano y el entorno, respectivamente. La presente invención también puede ser utilizada para medir la concentración de trayectoria-longitud de los gases objetivo. Por consiguiente, el sistema de rayo láser DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples, de acuerdo con la presente invención, se puede utilizar para medir la concentración de trayectoria-longitud de para los gases objetivo seleccionados para cada unto explorado. Un sistema de rayo láser DIAL que se puede I sincronizar de 3 líneas, utilizado para ejemplificar la presente invención, mide I la concentración de trayectoria-longitud para los dos gases objetivo seleccionados para cada punto explorado mostrado en la Figura 1. La presente invención también puede emplear un análisis algorítmico o no algorítmico de las mediciones de concentración múltiple de trayectoria-longitud para los dos gases objetivo a lo largo de la trayectoria de vuelo. Finalmente, la presente invención puede desplegar, almacenar y comunicar la posición, tamaño y forma de las nubes de gas asociadas con las fugas de tubería. La presente invención, como se muestra en forma esquemática en la Figura 1 , incluye una aeronave 110 (también puede ser terrestre, aeronave o espacial, tal como un satélite, un helicóptero o un vehículo de base terrestre) un sistema de detección de fugas de tubería de fluido de rayo láser DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples a bordo 120, un rayo láser transmitido 130, gases traza 150, tubería enterrada 160, área de fuga 170 y tipo de superficie de suelo 180. También se muestra una sección tridimensional del suelo, que incluye la tubería, el área de fuga y los gases traza, designados generalmente como el 190, una altitud de vuelo de aeronave 140 y una pista terrestre de aeronave 105. Con base en una trayectoria de vuelvo previamente determinada, la aeronave 110 vuela a lo largo de la pista terrestre 105. Durante el vuelo, un GPS a bordo y una unidad de medición de inercia (IMU) (no mostrada) guían al piloto a lo largo de una ubicación objetivo que emana los gases traza 150. Cuando la aeronave alcanza la ubicación objetivo, los rayos láser 130 son señaladas en forma automática al objetivo, a medida que el sistema explorador explora la región objetivo circundante. La luz devuelta es analizada para desarrollar los mapas de gas o imágenes de las nubes de gas traza en unidades de concentración de trayectoria-longitud. En el ejemplo de la Figura 1 , la luz devuelta es analizada para desarrollar dos mapas de gas bidimensionales o imágenes tanto de nubes de metano y etano en unidades de concentración de trayectoria-longitud. En un sistema de medición DIAL de dos rayos láser, de acuerdo con la presente invención, dos longitudes de onda únicas, se transmiten los pulsos de rayos láser. Se elige un pulso de rayo láser de una longitud de onda específica, el cual es absorbido por el gas de interés. El otro rayo láser pulsa a una longitud de onda diferentes que no es absorbido. La energía reflejada de regreso al sensor para ambas longitudes de onda es medido y combinado para generar un estimado de la concentración de trayectoria-longitud de gas objetivo. Esta sección describe este procedimiento con mayor detalle. La energía que es reflejada de regreso al sensor, está descrita mediante la siguiente relación: E(? R)= E' (?" p{ on )eXp ~ 2(CPL + Cba* * R^(?°" }J (1 ) R f R (2) En donde Et{?on) y E,{?off) es la energía de pulso de rayo láser transmitida en línea y fuera de línea, E{?on,R) y E{?off,R) es la energía de pulso de rayo láser recibida en línea y fuera de línea, p(?on) y p{?off) es la capacidad de reflexión de la superficie en la longitud de onda en línea y fuera de línea, respectivamente, CPL es la trayectoria-longitud concentración de la nube, Cbag es la concentración del entorno del gas objetivo, R es el intervalo o altitud y s(2on) y s(20ff) es la sección transversal de absorción del gas objetivo como una función de la longitud de onda en línea y fuera de línea, respectivamente. En el párrafo anterior, se puede asumir que E,{?on) = Et{?on), p{?off ) = p{?off) y las secciones transversales s{?on) y s{?off ) del gas objetivo en las longitudes de onda en línea y fuera de línea no cambian de manera significativa debido a los cambios de presión y temperatura a lo largo de la trayectoria. De lo contrario, puede ser necesario medir nuevamente s(?on) y Dividendo la energía de pulso en línea medidas recibidas por la energía de pulso láser fuera de línea, como se muestra en la Ecuación 1 y 2, se puede derivar la siguiente Ecuación DIAL: Efa. )p{?on )expL- 2{CPL + Cbag *R]s(?on)j E{?m,R) _ E{?ff,R) E,(?m)p(?o (3) Ooff n)Q ?4 CPL + C * RH ff) R2 Con base en las suposiciones anteriores, la Ecuación (3) puede ser reducida a E(?on,R) > _ e p r 2(CPL + Cbag *R)s(? (4) E{?off,R) exp 72[CPL + Cbag *R)s(?off)_ En donde E(?on,R) denota la medición de energía láser en la longitud de onda en línea, y E{?off,R.) denota la medición de energía láser en una longitud de onda fuera de línea. Tomando el logaritmo natural de la Ecuación (4), se produce la siguiente Ecuación (4A) La sección transversal puede ser medida fuera de línea o en línea (utilizando una o más celdas de gas), como se describe más adelante con respecto a las Figuras 6 y 7. En cualquier caso, la sección transversal en cada longitud de onda se vuelve un valor conocido. Por consiguiente, la Ecuación 4A puede ser escrita nuevamente de la siguiente manera: La Ecuación 5 es el procedimiento de medición utilizando en una modalidad de la presente invención que tiene dos rayos láser de longitud de onda única. Sin embargo, las posibilidades de procedimiento, debido a que R también puede ser medido por el sistema y Cbag puede ser estimado o medido. Es entonces posible producir un estimado de CPL: r CPL = -r—, — ^ i — 7 tt /I;n ( ) ^R (6) 2(s{? -s(?0 {E{?on,R) \ -'bag En la Ecuación (6), el efecto de las diferencias en el coeficiente de absorción atmosférica ACa = 2¡ [ ka(?on,r)-ka(?off,rµr ) no se ha considerado. Aunque la Ecuación (7) incluye este efecto, en donde ?C0 puede ser estimado o medido.

Sin embargo, cuando las suposiciones anteriores no se mantienen ciertas, es probable que el estimado anterior del CPL pueda no caracterizar de manera precisa la nube, y se pueda requerir análisis adicional de la Ecuación DIAL (3). El sistema DIAL de líneas múltiples se basa en la transmisión, recepción y medición de energías de rayo láser a longitudes de onda múltiples a través de substancialmente la misma trayectoria óptica. Por ejemplo, una longitud de onda de rayo láser, o la longitud de onda fuera de línea, se selecciona de tal manera que la energía de rayo láser fuera de línea no es absorbida por la presencia de constituyente de interés alguno. Un segundo rayo láser, o la longitud de onda en línea es seleccionada de tal manera que la energía de rayo láser es absorbida, como una función de un nivel de interés objetivo constituyente que está presente en la trayectoria del rayo láser. Midiendo los niveles de energía transmitidos y recibidos para un sistema de línea de dos rayos láser, se puede utilizar la siguiente Ecuación de DETECCIÓN Y MEDICIÓN LUMÍNICA (Ecuación 8 ó 9) para derivar una ecuación DIAL más general (Ecuación 10) para determinar una medición de trayectoria-longitud de concentración de cualquier constituyente objetivo de interés, cuando los parámetros del sistema (por ejemplo, alineación, traslapes de rayo, traslapes de campo de visión de rayo y receptor, factores de forma geométrica en línea y fuera de línea, respuesta espectral de la óptica del receptor y capacidad de reflexión de tipo de cubierta de superficie) no son los mismos. La ecuación de DETECCIÓN Y MEDICIÓN LUMÍNICA puede ser, más generalmente, escrita en términos de la energía o potencia de rayo láser transmitida y recibida en línea y fuera de línea, de la siguiente manera: E(?,R)= Et (?)Ta (?, R)Tp (?, R)?{R)p{?)^ Ta (?, R)Tp (?, R)?{?) (8) ó P(?,R) = P ? a(?,R)Tp(?,R)?(R)P(?)^ ,R) ^M (9) En donde E,{?) ó Pt(?) es la energía o potencia de rayo láser transmitida, respectivamente, Ta{?,R) = Qx - l Ka(?,r)dr ) denota la transmisión atmosférica, Tp(?,R) = expí - Kp(?,r)dr J denota la transmisión de nube, Ka{?,r) es el coeficiente de absorción atmosférica, Kp(?,r) es el coeficiente de absorción de nube, ?{R) es el factor de forma geométrica, p(?) es la capacidad de reflexión de superficie terrestre, es el ángulo sólido de la óptica del receptor, 4R2 R es el intervalo/altitud del sensor, D es la abertura del telescopio, ?(?) es la respuesta espectral del receptor, y E(?,R) Ó P(?,R) es la energía o potencia recibida de rayo láser difuso, respectivamente. La ecuación DIAL, generalmente puede ser escrita, en términos de potencia o energía, de la siguiente manera: CPL -- In l(?ka{?m,r)-ka{?off,rfjdr-R*C,. 2W¿ -* V P(?op,R)P,(?off)?(Rojr)?(? p(?ojr)) bag (10) (11) En donde CPL es la trayectoria-longitud de concentración, s(?on) es la sección transversal efectiva en la longitud de onda . s{?off ) es la sección transversal efectiva en la longitud de onda A •off Pt(?on) es la potencia de pulso de rayo láser transmitida, P,{?off ) es la energía de pulso de rayo láser transmitida fuera de línea, E(?oa,R) es la energía de pulso de rayo láser recibida en línea, E(?off,R) es la energía de pulso de rayo láser recibida fuera de línea, ?{Ron) es el factor de forma geométrica para la longitud de onda en línea, ?{Poff ) es el factor de forma geométrica para la longitud de onda fuera de línea, ?{K ) es 'a respuesta espectral para la longitud de onda en línea, ?[?off) es la respuesta espectral para la longitud de onda fuera de línea, i p(?on) es la capacidad de reflexión de superficie de entorno para la longitud de onda en línea, p{?off) es la capacidad de reflexión de superficie de entorno para la longitud de onda fuera de línea, ka(?m,r) es el coeficiente de atenuación atmosférico para la longitud de onda en línea, ka(?off,r) es el coeficiente de atenuación atmosférico para la longitud de onda fuera de línea, R es el intervalo/altitud/distancia del sensor al objetivo, y c?-bag es 'a concentración de gas/fluido objetivo en la atmósfera. En las ecuaciones anteriores, únicamente un gas traza es seleccionado para ejemplificar la presente invención. Para dos gases traza, se puede utilizar un sistema de detección de fuga de tubería de gas de rayo láser DIAL de 3 líneas. Para tres gases traza, por ejemplo, se puede utilizar un sistema de detección de fuga de tubería de gas de rayo láser DIAL de 4 líneas o más líneas, etc. Un propósito para derivar la ecuación DIAL más general (Ecuación 11 ) es señalar que la selección de longitud de onda no precisa, la desalineación, rayo-punto-tamaño diferentes, rayos que se traslapan parcialmente y capacidad de variación de reflexión de superficie que conduce a mayor complejidad en la detección cuantitativa de objetivos. Por consiguiente, la precisión, estabilidad y capacidad de repetición de los parámetros del sistema tales como longitudes de onda, alineación, rayo-punto-tamaños, traslape de rayo y precisión en las características de dimensión múltiple de uno o más objetivos provistos por la presente invención mejora la simplicidad del sistema, utilidad, robustez, sensibilidad y capacidad de desempeño. En general, una ecuación de característica DIAL de dimensiones múltiples puede ser expresada como: Caso 1 : las secciones transversales de otros objetivos en las longitudes de onda en línea y fuera de línea previamente determinadas para un objetivo seleccionado son ceros: Caso 2: las secciones transversales de otros objetivos en las longitudes de onda en línea y fuera de línea para un objetivo seleccionado no son ceros en donde i permanece para la longitud de onda ith, I para los I materiales y CPU para la trayectoria-longitud de concentración para el material I, respectivamente. Entonces, en un espacio dimensional M Co var iancia(X) = —T\xt - x x, - xj Las señales observadas incluyen ruido multiplicativo y aditivo, de la siguiente manera: Y=(Ruido_mult¡pl¡cativo)*X+Ruido_aditivo Un estimado de probabilidad máxima óptima de CPL en el espacio de dimensiones múltiples es determinado por la ecuación (12), de la siguiente manera: Haciendo referencia a continuación a la Figura 2A, se muestra un sistema de rayo láser DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples, designadas de manera general como 200. Como se muestra, el sistema de rayo láser DIAL que se puede sincronizar de líneas múltiples 200 incluye N rayos láser, de los cuales M son rayos láser en línea y L son rayos láser fuera de línea (N = M + L). Por ejemplo, el primer rayo láser de línea 220 puede ser un rayo láser en línea utilizado para un primer gas traza objetivo, el segundo rayo láser de línea 295 puede ser un segundo rayo láser en línea utilizado para un segundo gas traza objetivo, etc. En una modalidad, los N rayos láser de línea 212 pueden ser un rayo láser fuera de línea utilizados para identificar un objetivo-entorno. Otras combinaciones de los rayos láser en línea y los rayos láser fuera de línea se pueden utilizar en los N rayos láser de línea mostrados en la Figura 2. Los rayos N láser en línea pueden ser, respectivamente, bloqueados sobre N longitudes de onda por amplificadores de bloqueo de línea 210, 265, etc., y 211. Se puede utilizar más de un rayo láser fuera de línea para remover la capacidad de variación diferente de los parámetros del sistema. Por ejemplo, la capacidad de variación de reflexión de tipo de superficie cubierta (entorno) se puede remover para obtener una ecuación DIAL de líneas múltiples más simple y confiable. Dentro del alcance de la presente invención se contempla que, además de los rayos láser, se pueden utilizar otros tipos de fuentes ópticas. Adicionalmente, las longitudes de onda en línea pueden ser seleccionadas para ser cercanas al pico de las características de absorción óptica de gas objetivo y las longitudes de onda fuera de línea pueden ser seleccionadas para estar cerca de un costado de una longitud de onda de absorción óptica de gas objetivo. Los rayos láser en línea y fuera de línea múltiples son, respectivamente, combinados mediante el combinador 240 para formar un rayo láser combinado 230. El rayo láser combinado es reflejado por el espejo 250 en la óptica 202 para formar el rayo láser de salida 204.

' I Para la región de interés, los gases traza en la atmósfera, cerca de la tierra, pueden ser explorados en forma secuencial por la óptica 202. El rayo láser de salida 204 es esparcido, trasmitido a través de, y/o reflejado de regreso para formar una luz de regreso 270. La luz de regreso 270 pasa a través de un grupo de separadores de rayo 280 antes de encontrar un grupo de filtros 290. Este grupo de filtros son sincronizados, respectivamente, para pasar cada uno las longitudes de onda en línea y fuera de línea múltiples. Un grupo de detectores 205 convierte cada una de las luces filtradas en una señal electrónica respectiva. Las señales electrónicas son amplificadas mediante los amplificadores 215 y posteriormente convertidas en señales digitales mediante un grupo de convertidores análogo a digital (A/D) 225. Las señales digitalizadas son procesadas y analizadas mediante la computadora 235 para identificar y medir en forma cuantitativa uno o más objetivos. Estos objetivos son detectados con base en las características de absorción espectral seleccionadas por el operador y con base en las características de no absorción espectral seleccionada por el operador de los entornos objetivo. Haciendo referencia a continuación a la Figura 2B, se muestra un sistema de rayo láser que se puede sincronizar DIAL de líneas múltiples, designado de manera general como 2000. Como se muestra, el sistema provee las M salidas de rayo láser en línea y las L salidas de rayo láser fuera de línea. Los M rayos láser en línea incluyen primer rayo láser en línea 2002, segundo rayo láser en línea 2004, tercer rayo láser en línea 2006, etc., y Nav0 rayo láser en línea 2008. Los M rayos láser en línea son bloqueados sobre I--I-- -- -liU las M longitudes de onda diferentes mediante el primer bloqueo de línea de rayo láser en línea 2001 , segundo bloqueo de línea de rayo láser en línea 2003, tercer bloqueo de línea de rayo láser en línea 2005, etc., y Mav0 bloqueo de línea de rayo láser en línea 2007, respectivamente. El sistema 2000 también incluye L rayos láser fuera de línea.

Como se muestra, el sistema 2000 incluye primer rayo láser fuera de línea 2010, segundo rayo láser fuera de línea 2012, etc., y L rayo láser fuera de línea 2014. Cada uno de los L rayos láser fuera de línea están boqueados a L diferentes longitudes de onda mediante el primer bloqueo de línea de rayo láser fuera de línea 2009, el segundo bloqueo de línea de rayo láser fuera de línea 2011 , etc., y el L bloqueo de línea de rayo láser fuera de línea 2013, respectivamente. Como se describió con respecto a la Figura 2A, la combinación de M rayos láser en línea y L rayos láser fuera de línea agrega un total de N rayos láser en línea incorporados en el sistema 2000. Los M rayos láser en línea y los L rayos láser fuera de línea proveen rayos de salida que son combinados mediante el combinador 2015 para producir una salida de rayo combinada. La salida de rayo combinada es provista por medio de un separador 2017 para transmitir/recibir ópticas 2016, las cuales a su vez, proveen el rayo transmitido de salida a los objetivos. En una forma similar, un rayo recibido es recibido transmitiendo/recibiendo la óptica 2016, y es provisto al receptor 2017 por medio del separador 2017. En la Figura 3, se muestra un diagrama de bloque de un sistema de detección de fuga de tubería de gas de rayo láser DIAL de 3 líneas para ejemplificar un sistema de rayo láser de líneas múltiples. Como se muestra, las tres fuentes láser para las longitudes de onda fuera de y dos longitudes de onda en línea, designadas como 310, 320 y 330, respectivamente, son separadas por tres separadores de rayo 340 hacia los medidores de potencia 370, el enrejado holográfico 355 y el subsistema de celdas de gas 360. Los rayos colineares 312, formados por el enrejado holográfico 355, ingresan en el ajustador espacial y extensor de rayo 314 para proveer un rayo expandido colimado como una fuente finita fija. Cualesquiera desviaciones que pueden ocurrir en la alineación de rayo láser se muestran fácilmente como discrepancias de energía de pulso transmitidas, no afectan las mediciones de longitud de concentración de gas. El rayo fuente de longitudes de onda múltiples es entonces dirigido nuevamente mediante espejos de trayectoria óptica 316 y un espejo de exploración rápida impulsado por galvanómetro 318. El rayo finalmente es transmitido para iluminar el suelo por medio de un espejo de exploración lenta, abertura grande 322, que también se utiliza para compensar la pieza de exploración para los errores de movimiento y descenso. A medida que el espejo rápido de exploración impulsado por galvanómetro 318 oscila a través de un ángulo completo de 25 grados, por ejemplo, el rayo fuente oscila a través de un arco de 50 grados al ingresar al telescopio 308. El telescopio 308 produce una exploración de ángulo completo de 5 grados del rayo transmitido, y rastrea una ringlera de tierra con un ancho de 35 m, designada como 326, con base en la huella de rayo láser 332 (el ancho del ángulo adicional está incluido para compensar para el ángulo de movimiento diagonal de la aeronave). La luz esparcida desde la huella del receptor 328, regresa e ingresa a la abertura de telescopio completa por medio del espejo de corrección de rastreo lento. El espejo impulsado por el galvanómetro de exploración rápida 318, también refleja la luz recibida en la pupila de salida. De este modo, el espejo rápido de exploración impulsado por galvanómetro 318 cambia el campo de visibilidad (FOV) del receptor (equivalente al cambio de huella del receptor 328 en el suelo) en forma sincronizada con la línea central óptica del rayo transmitido. La luz recibida pasa a través de un separador de rayo 311 y a través de un filtro de interferencia de banda estrecha 306. La luz filtrada 304 es entonces detectada por el detector 302 y amplificada por el amplificador 390. La señal amplificada 380 es digitalizada por el convertidor A/D 346. Con el objeto de monitorear la estabilidad de las tres longitudes de onda bloqueadas, una porción de la energía de rayo de las fuentes de rayo láser en línea 320 y 330 es desviada al sub-sistema de celdas de gas 360 como el rayo 350. La celda de gas 365 pasa únicamente las líneas de rayo láser seleccionadas, y los dos detectores 385 convierten la luz láser en señales análogas antes de pasar estas señales a través de dos integradores (medidores de energía) 375 para tener la capacidad de comparar la energía transmitida a través de la celda de gas conocida 365 con la energía desviada de la celda de gas conocida 365. Las energías de rayo láser integradas, como dos señales análogas, son digitalizadas por los convertidores A/D de íilá-i ?-li-L índice bajo 395 y sale al sistema de adquisición y análisis de control de cómputo 348. Para completar la descripción de la Figura 3, el controlador de explorador 344 controla el primer espejo de exploración rápida 318 y el espejo de exploración lenta 322. La base de datos de posición de la tubería 342 y el subsistema de descubrimiento de trayectoria de ruta y señalamiento láser 352 provee los datos de posición de la tubería y los datos de trayectoria de vuelo al sistema de control, adquisición y análisis de cómputo 348. La señal recibid, después de la detección y amplificación, es enviada a un convertidor A/D 1146, por medio de la línea de señal 1180. Después de ser digitalizada, la señal recibida es enviada al sistema de control, adquisición y análisis de cómputo 1148. Como se muestra también, el sistema 1148 puede seleccionar, sincronizar y ajustar las longitudes de onda de cada uno de los rayos láser 1110, 1120 y 1130. Debido a que el sistema de la presente invención puede residir en una plataforma aérea en movimiento, los pulsos de rayo láser múltiples idealmente deberían ser transmitidos al mismo tiempo, de tal manera que todos los pulsos impacte el mismo punto óptico. El inventor ha determinado, sin embargo, que los pulsos de rayos láser múltiples, por ejemplo, los tres pulsos de rayo láser utilizados para ejemplificar el sistema de rayo láser de tres líneas en la Figura 3, puede ser de anchos de pulso de aproximadamente 20 nanosegundos cada uno y con una separación de tiempo entre pulsos de aproximadamente 100 nanosegundos. Estos tres pulsos pueden ser 1-J.Ü -> ,.-!-.! combinados, como se describe más adelante, en un tren óptico único como un grupo triple de pulsos. Las Figuras 4A, 4B y 4C, muestran un diagrama de cronometraje de un sistema de rayo láser de 3 líneas de ejemplo que transmite el grupo triple de pulsos de acuerdo con la presente invención. Como se muestra en la Figura 4A, un grupo triple de pulsos únicos, incluyen un pulso en línea de metano, un pulso en línea de etano y un pulso fuera de línea, los cuales son transmitidos a la tierra. Cada pulso tiene un ancho de aproximadamente 20 nseg y una separación de tiempo entre pulsos de aproximadamente 100 nseg. Como se muestra en la Figura 4B, para un intervalo de transmisión y recepción de aproximadamente 500 metros, transcurren aproximadamente 3.5 microsegundos entre el tiempo en que el grupo triple de pulsos es transmitido y el tiempo en que el grupo triple de pulsos es recibido. Las amplitudes más pequeñas de los pulsos de metano y etano recibidos ilustran la energía que está siendo absorbida por la característica de absorción de los dos gases traza. Como se muestra en la Figura 4C, un intervalo de repetición de pulso de ejemplo puede ser de 1.0 mseg, y la frecuencia de repetición de pulso (PRF) puede ser de 1000 Hz. La Figura 5, es un diagrama de una distribución de ejemplo de un rayo láser formado por un rayo láser de sembrado meteoro. El rayo láser de sembrado meteórico 702 es separado a la mitad por el separador de rayo 704, lo que produce los rayos láser 706 y 708. El rayo láser 708 es separado a la mitad por el separador de rayo 710, lo que produce los rayos láser 712 y 714. El rayo láser 712 es enviado al diagnóstico 716 y el rayo láser 714 es enviado a un primero de N módulos transmisores. El rayo láser 706 es separado por el separador de rayo 718, lo que produce el rayo láser 720 y el rayo láser 722. El rayo láser 720 es enviado a un segundo de N módulos transmisores. El rayo láser 722 es enviado a uno tercero de N módulos transmisores. La interacción entre el rayo láser de sembrado meteórico y los otros dos rayos láser para formar una fuente única para transmisión(por ejemplo, una transmisión fuera de las N transmisiones) se describe haciendo referencia a la Figura 6. La Figura 6, es un diagrama de bloque de una modalidad de ejemplo que ilustra el uso de tres rayos láser para producir un rayo láser final (fuente #1 ) de acuerdo con una modalidad de la presente invención. La Figura 6, muestra N módulos transmisores, cada uno designado como 800. Para facilitar la explicación, un módulo transmisor 800 se muestra con detalle. Como se muestra, el controlador meteórico 845 controla el rayo láser de sembrado meteórico 805 para inyectar un rayo láser sembrado de 1047 nm en una cavidad láser. La longitud de la cavidad láser es bloqueada por un oscilador de voltaje controlado (no mostrado) para mantener el control sobre la longitud de onda de rayo láser de sembrado meteórico. Este rayo láser de onda continua (CW) es entonces bloqueado en forma óptica (bloqueo óptico #1 ) mediante un PZT (transductor piezoeléctrico) sobre el cual está montado un acoplador de salida. El bloqueo óptico #1 es mantenido utilizando una Í--Í--L--. 1Ü--Í técnica de distorsión y bloqueo que distorsiona el PZT en >10 kHz y utiliza una señal del detector de resonancia para derivar una señal de corrección PZT. El controlador de diodo de corriente 890 y el controlador de temperatura de diodo 810 controlan la salida del rayo láser de bomba de Diodo 850 a 805 nm. La salida del diodo de rayo láser de bomba (850) es colimada y enfocada a una varilla Nd:YLF 860 para proveer una ganancia para el rayo láser. El controlador de interruptor Q EO 820 y el estabilizador de temperatura 830 opera para que el interruptor Q de la varilla Nd:YLF con una celda Pockls de KDP (fosfato de deuterio de potasio) produzca una salida de rayo láser de pulso de 1047 nm. La varilla Nd:YLF es bombeada durante aproximadamente 300 a 400 microsegundos antes de sincronizar el bombeo de vacío de 805 nm y posteriormente disparar el interruptor Q. Una placa de un cuarto de onda (no mostrada) es ajustada para proveer apenas la pérdida suficiente para esperar el rayo láser, es decir, evitar la emisión de rayo láser, hasta que es encendido el interruptor Q. La longitud de cavidad total (distancia HR a OC) es de aproximadamente 20 a 25 cm. El rayo láser de pulso Nd:YLF de 1047 nm de la varilla 860 es entonces transmitido en forma óptica al interior del Oscilador paramétrico óptico - Amplificador paramétrico óptico (OPO-OPA). El OPO-OPA es una cavidad de anillo de 4 espejos que contienen 2 cristales PPLN (niovato de litio polarizado periódicamente). El primer cristal (OPO) es elegido para producir aproximadamente 3400 nm y aproximadamente 1510 nm de luz desde la bomba de 1047 nm, mientras que el segundo cristal (OPA) es elegido para i?i?MáUtLHiá il-fc-i. producir aproximadamente 3400 nm y aproximadamente 2700 nm de luz con la bomba de aproximadamente 1510 nm. La cavidad resuena los aproximadamente 1510 nm y es sembrada por inyección en esta longitud de onda a través de un acoplador de salida. La longitud de cavidad es bloqueada (bloqueo óptico #2) a la frecuencia de sembrado utilizando una técnica Pound-Drever-Hall (PDH) con modulación de RF (radio frecuencia) aplicada al diodo láser de los aproximadamente 1510 nm sembrados. Uno de los cuatro I I espejos de cavidad está montado sobre un PZT para permitir el ajuste adecuado de longitud de cavidad. La longitud de cavidad total es de aproximadamente 8 cm. Como resultado, cada uno de los módulos transmisores 800 produce un pulso de rayo láser de 20 nanosegundos 3400 nm aproximadamente, el cual es filtrado por el filtro espacial 880. A través del control de cronometraje provisto por la computadora 235 (Figura 2A) y la combinación óptica mediante el combinador de rayo mostrado en la Figura 7, un pulso de cada uno de los módulos transmisores 800 es combinado en un grupo de N pulsos (un grupo triple en la Figura 4A). Los grupos de pulsos pueden ser generados a un índice PRF que varía desde aproximadamente 100 Hz hasta aproximadamente 2000 Hz. Las longitudes de onda de 3400 nm aproximadas de los tres pulsos de salida del sistema son importantes de manera crítica. Para mantener las longitudes de onda, una porción de la energía de rayo láser de transmisión es purgada de la trayectoria de rayo láser principal a través de y y? -É- alrededor de una celda de gas de referencia (835, por ejemplo) sobre dos detectores MWIR. Estos detectores son utilizados entonces por una técnica de distorsión y bloqueo (bloqueo óptico #3) para bloquear la salida OPO-OPA de pulsos para la característica de absorción de gas (por medio de los módulos 875, 865 y 815, en la Figura 6). El módulo transmisor #1 puede producir un pulso láser de 3429.0 nm, un módulo transmisor #2 puede producir un pulso de rayo láser de 3389.0 y un transmisor #3 puede producir un pulso de rayo láser de 3336.8 para las longitudes de onda en línea (metano), fuera de línea y en línea (etano), respectivamente. Después de que los tres pulsos de rayo láser son producidos por la modalidad de 3 líneas de ejemplo de la presente invención, los pulsos son combinados por un combinador de rayo. La Figura 7, es un diagrama de una modalidad de ejemplo de un combinador de rayo de acuerdo con una modalidad de la presente invención. Los tres rayos 902, 904 y 906 (seleccionados para metano, una señal fuera de línea y etano) cada uno es magnificado por la expansión del rayo de amplificador paramétrico óptico (OPA) natural, con una magnificación de 3, y transmitido a través de los acopladores ópticos 920, 922 y 924. Los rayos son entonces transmitidos a través de las lentes 926, 928 y 930, respectivamente, y la cubierta 908. El inventor ha determinado que se puede utilizar una trayectoria-longitud de aproximadamente 250 nm de cada OPA a cada una de las lentes respectivas. También, el inventor ha determinado que se puede utilizar un diámetro de aproximadamente 7.0 mm para cada una de las lentes 926, 928 y 930. Se contempló que las lentes que tiene un diámetro diferente y otras trayectorias-longitudes. El inventor también determinó que se puede utilizar una longitud de aproximadamente 7.5 mm entre los centros de cada lente. Como también se muestra en la Figura 7, el rayo de metano 902 y el rayo de etano 906 son dirigidos nuevamente por los reflectores 914 y 916, respectivamente, hacia el reflector 918. Los tres rayos son dirigidos nuevamente por el deflector 918 a través de las lentes 916, 928 y 930, y son enviados hacia la cubierta 908. La cubierta 908 incluye tres aberturas 932, 934 y 936, cada una teniendo un diámetro de aproximadamente 5.5 mm, a través de la cual pueden pasar los rayos. El inventor ha determinado que se puede utilizar una longitud de aproximadamente 7.5 mm entre los centros de cada abertura. Las aberturas 932, 934 y 936, las cuales son configuradas en un triángulo dentro de un área circular (908) que tiene un diámetro de aproximadamente 1.15 cm, como se ilustró en la Figura 8A. Continuando con la descripción de la Figura 7, los rayos 902, 004 y 906 son enfocados por las lentes 938 a través de la abertura focal 912 del filtro espacial 910. El filtro espacial 910, el cual tiene un diámetro de aproximadamente 325 mieras, afecta la alineación de los tres rayos (902, 904 y 906) y genera una región de traslape de rayos extendida bien definida. El inventor ha determinado que un filtro que enfoca dentro de aproximadamente 0.5 mm puede ser utilizado para un objetivo en el intervalo de aproximadamente 500 m. La abertura focal común 912 para los tres rayos (902, 904 y 906) y la cubierta de abertura 908 define de manera precisa el traslape de rayo en el intervalo objetivo. La desalineación entre los rayos de entrada 902, 904 y 906 debido a, por ejemplo, el movimiento errático de láser de pulso a pulso, los esfuerzos térmicos de banco, o los errores de alineación de configuración, puede manifestar una pérdida de energía de rendimiento total para los rayos desalineados, en lugar de un cambio en la distribución de la iluminación del suelo. Este convierte de manera efectiva los errores de longitud de concentración potenciales en fluctuaciones benignas de energía de pulso transmitidas. Las fluctuaciones de energía no afectan la calibración y pueden ser medidas por los monitores de energía de pulso. Los rayos 902, 904 y 906, después de pasar a través de la abertura 912, son transmitidos a las lentes colimadas 940, en donde son alineadas en paralelo con respecto entre sí. El inventor ha determinado que una distancia de aproximadamente 125 mm entre las lentes de enfoque 938 y el filtro espacial 912 y una distancia de aproximadamente 250 mm entre el filtro espacial 912 y las lentes 940, colima de manera adecuada los tres rayos. Una porción de cada rayo 902, 904 y 906 es reflejada por el muestreador de rayo 942 hacia la celda de gas y el detector 946. La energía restante de cada rayo 902, 904 y 906 es enviada a la tierra por medio del ensamble de telescopio y explorador 944. Desde una altitud de aproximadamente 500 m, UlájL-------] se forma un punto en la tierra que tiene un diámetro de aproximadamente 0.65 m. Como se describió anteriormente, un sistema de rayo láser de 3 líneas es utilizado para ejemplificar el sistema de rayo láser de líneas múltiples. Por consiguiente, la cubierta 908, mostrada en la Figura 7, incluye tres aberturas 932, 934 y 936, como se muestra en la Figura 8A. Se pueden utilizar otras cubiertas de ejemplo dependiendo del número de rayos láser deseados. Las Figuras 8B y 8C son modalidades de ejemplo que ilustran las cubiertas para combinar cuatro y cinco rayos, respectivamente. La cubierta mostrada en la Figura 8A, combina 3 rayos, como se describió anteriormente. La Figura 8A, muestra 3 aberturas 1002 en la cubierta 1000. La Figura 8B, muestra cuatro aberturas 1006 en la cubierta 1004 que pueden ser utilizadas con un sistema de rayo láser de 4 líneas. La Figura 8C, muestra 5 aberturas 1010 en la cubierta 1008 que puede ser utilizada con un sistema de rayo láser de 5 líneas. Aunque las cubiertas mostradas en las Figuras 8A y 8B, están dispuestas en un círculo, se contempló que las cubiertas pueden ser de otras configuraciones. Adicionalmente, se contempló que la distancia entre las aberturas puede ser diferente. Por ejemplo, las aberturas pueden ser configuradas en un círculo 1012 centrado alrededor del eje 1014, como se muestra en las Figuras 8A y 8B. Aunque la presente invención es ilustrada y descrita en la presente haciendo referencia a las modalidades específicas, la presente invención no pretende ser limitada a los detalles mostrados. En su lugar, se pueden realizar diversas modificaciones a los detalles dentro del alcance e intervalo de equivalentes de las Reivindicaciones y sin alejarse de la presente invención.

Claims (9)

NOVEDAD DE LA INVENCIÓN REIVINDICACIONES

1.- Un sistema de detección y clasificación de luz (DIAL) de absorción diferencial que comprende: una pluralidad de fuentes láser, cada una se puede sincronizar para emitir un rayo de luz; por lo menos un controlador de sincronización para sincronización y bloqueo en tiempo real de cada rayo de luz a una longitud de onda previamente determinada que tiene un ancho de línea espectral, en donde cada rayo de luz se puede sincronizar durante la operación en tiempo real del sistema DIAL; un combinador para combinar cada rayo de luz para formar un rayo de luz combinado que tiene longitudes de onda múltiples; un transmisor para transmitir el rayo de luz combinado hacia el por lo menos un objetivo; un receptor para recibir la luz que regresa desde el por lo menos un objetivo y convertir la luz devuelta que tiene longitudes de onda múltiples a señales digitales; y un procesador para analizar las señales digitalizadas para identificar el por lo menos un objetivo con base en sus características de espectro de dimensiones múltiples.

2.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pluralidad de fuentes láser se puede sincronizar cada una para emitir un rayo de luz en un espectro infrarrojo medio.

3.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pluralidad de fuentes láser incluye N rayos láser, siendo N un entero igual a o mayor que 4, M de los rayos láser son sincronizados cada uno a una longitud de onda que es absorbida parcialmente por el objetivo, siendo M un entero igual o mayor que 2, L de los rayos láser son sincronizados a una longitud de onda que es libre de absorción del objetivo, siendo L un entero igual o mayor que 2, y N es igual a M + L.

4.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado además porque los N rayos láser son sincronizados a N longitudes de onda diferentes para detectar el por lo menos un objetivo caracterizado por las M líneas de espectro parcialmente absorbidas diferentes, y las L líneas libres de absorción de espectro diferentes.

5.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 4, caracterizado además porque por lo menos un rayo láser es sincronizado a una región infrarroja media del espectro y por lo menos uno de los otros rayos láser es sincronizado a una región fuera de la región infrarroja media.

6.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pluralidad de fuentes láser son integradas en un vehículo aéreo, y el por lo menos un controlador es configurado para la sincronización y bloqueo en tiempo real de cada rayo de luz por un operador dispuesto en el vehículo aéreo. 7 '.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 6, caracterizado además porque el por lo menos un controlador está configurado para sincronizar nuevamente y bloquear nuevamente en tiempo real cada rayo de luz mediante el operador dispuesto en el vehículo aéreo, después de una primera sincronización y bloqueo en tiempo real de cada rayo de luz. 8.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque la pluralidad de fuentes láser están integradas en un vehículo, y el por lo menos un controlador está configurado para la sincronización y bloqueo en tiempo real de cada rayo de luz mediante un operador dispuesto en el vehículo. 9.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 8, caracterizado además porque el por lo menos un controlador está configurado para sincronizar nuevamente y bloquear nuevamente en tiempo real cada rayo de luz mediante el operador dispuesto en el vehículo, después de una primera sincronización y bloqueo en tiempo real de cada rayo de luz. 10.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado además porque incluye adicionalmente un cuadro de búsqueda (LUT) para seleccionar las características espectrales de dimensiones múltiples previamente determinadas de los objetivos diferentes, y para sincronizar y sincronizar nuevamente cada rayo de luz a las longitudes de onda previamente determinadas que corresponden a las características espectrales de dimensiones múltiples seleccionadas. 11.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el procesador está configurado para cuantificar i-llli-- pll- por lo menos una característica del objetivo con base en las características espectrales de dimensiones múltiples del objetivo. 12.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque cada una de la pluralidad de fuentes láser incluye un rayo láser de estado sólido bombeado en forma óptica o de semiconductor, un dispositivo de interruptor Q, rayos láser sembrados y un oscilador paramétrico óptico (OPO) y un amplificador paramétrico óptico (OPA) para generar y sincronizar un rayo respectivo de luz en pulsos a una longitud de onda previamente determinada respectiva, y la luz en pulsos está dispuesta para formar una ráfaga de pulsos de un ancho de pulso previamente determinado, intervalo de pulso a pulso e intervalo de repetición de pulsos. 13.- El sistema DIAL de conformidad con la reivindicación 1 , caracterizado además porque el transmisor incluye una cubierta dispuesta entre la pluralidad de fuentes láser y óptica para transmitir un rayo de luz respectivo desde cada fuente láser, y la cubierta incluye una pluralidad de aberturas, cada abertura configurada para pasar el rayo respectivo de luz a una longitud de onda previamente determinada. 14.- Un método para identificar las características espectrales de dimensiones múltiples de por lo menos un objetivo, el método comprendiendo los pasos de: generar rayos de luz separados a partir de una pluralidad de fuentes láser integradas en un sistema DIAL; sincronizar y bloquear, en tiempo de operación real, cada rayo de luz emitido a partir de la pluralidad de fuentes láser a una longitud de onda previamente determinada que tiene un ancho de línea espectral; combinar cada rayo láser generado para formar un rayo de luz combinado que tiene longitudes de onda múltiples; transmitir el rayo de luz combinado que tiene longitudes de onda múltiples hacia el por lo menos un objetivo; recibir la luz que regresa de por lo menos un objetivo; y convertir la luz devuelta a señales digitalizadas para identificar el por lo menos un objetivo con base en sus características espectrales de dimensiones múltiples. 15.- El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque el paso de sincronización y bloqueo incluye sincronizar y bloquear N rayos láser, siendo N un entero igual a o mayor que 4, en el cual, M de los rayos láser son sincronizados cada uno a una longitud de onda que es absorbida parcialmente por el objetivo, siendo M un entero igual a o mayor que 2, L de los rayos láser son sincronizados a una longitud de onda que es libre de absorción del objetivo, siendo L un entero igual a o mayor que 2, y N es igual a M+L. 16.- El método de conformidad con la reivindicación 15, caracterizado además porque los N rayos láser son sincronizados a N longitudes de onda diferentes para detectar el por lo menos un objetivo caracterizado por M líneas espectrales parcialmente absorbidas diferentes y L líneas libres de absorción espectrales diferentes. 1

7.- El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque el paso de sincronización y bloqueo incluye l.„lá . ,.¡á sincronizar y bloquear por lo menos un rayo láser a una región infrarroja media del espectro y por lo menos uno de los otros rayos láser a una región fuera de la región infrarroja media. 1

8.- El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque incluye integrar la pluralidad de fuentes láser en un vehículo aéreo, y sincronizar y bloquear cada rayo de luz, en tiempo real, mediante un operador dispuesto en el vehículo aéreo. 1

9.- El método de conformidad con la reivindicación 18, caracterizado además porque incluye sincronizar nuevamente y bloquear nuevamente cada rayo de luz, en tiempo real, por el operador dispuesto en el vehículo aéreo, después de una primera sincronización y bloqueo de cada rayo de luz. 20.- El método de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado además porque incluye seleccionar desde un cuadro de búsqueda (LUT) las características espectrales de dimensiones múltiples previamente determinadas de los objetivos diferentes, y sincronizar y sincronizar nuevamente cada rayo de luz a longitudes de onda previamente determinadas que corresponden a las características espectrales de dimensiones múltiples seleccionadas.