對一種無人機甲烷泄漏巡檢平臺適用性的研究

王佳楠，王曉霖，魏惠梅

(1. 中國石化大連石油化工研究院，遼寧大連 116045 2. 大連科技學院，遼寧大連 116052)

1 無人機甲烷遙測技術概述

無人機甲烷泄漏巡檢平臺(以下簡稱“巡檢平臺”)是由無人機、云臺、甲烷遙測儀、地面站組成的綜合監(jiān)控系統，旨在應用于油氣管道沿線的甲烷泄漏監(jiān)測。諸多學者對此進行深入的研究。邊正東[1-2]以互聯網、物聯網、智能機械為載體，考慮將無人機監(jiān)測技術運用到燃氣管網巡檢中，實現管網泄漏預報、預判。袁喆[3]詳細描述無人機線路視覺跟蹤技術、遙感圖像處理技術和激光遙測技術在燃氣管道巡線的應用。李亞軍[4]闡述無人機技術發(fā)展現狀及系統組成，并對無人機技術在應用領域、技術性能、服務市場需求等方面應用前景進行分析。許振裔[5]對燃氣管網日常巡檢作業(yè)中使用的無人機類型進行介紹，并對巡檢作業(yè)中無人機及其系統的主要構成和具體應用進行深入分析。王國棟[6]使用無人機載激光燃氣巡檢系統對燃氣管道穿越建筑物泄漏點巡檢，具有靈敏度高、快速查找泄漏點、操作方便、使用靈活等優(yōu)點。

2 巡檢平臺性能測試實驗設計

本次實驗的主要目的是對巡檢平臺總體性能進行測試，主要包括無人機平臺穩(wěn)定性及指向性、甲烷遙測儀性能測試等幾個方面。根據實驗結果，可以對巡檢平臺進行較全面的評估，為進一步優(yōu)化系統的整體性能提供指導。

2.1 實驗設備及條件

實驗設備包括：巡檢平臺1臺；標準濃度甲烷氣體4瓶，體積濃度分別為0.08‰，0.04%，0.1%，2.02%；激光測距儀1臺；手持式激光甲烷遙測儀1臺。同時，設計加工透明空間氣室1個，直徑0.6 m，高度0.25 m。激光氣體濃度檢測儀示數為在單位長度激光檢測線上累積的氣體濃度，其指示單位通常用ppm·m表示，即10-6·m。故在高度為0.25 m氣室內充入0.08‰，0.04%，0.1%，2.02%的甲烷氣體，其在激光甲烷遙測儀上的示數分別為20.25×10-6·m，100.25×10-6·m，251.25×10-6·m，5 050×10-6·m。

測試現場溫度范圍1～6℃，氣壓101.325 kPa，相對濕度變化范圍36%～61%，風速2～8 m/s。將測試目標地點與無人機的連線與水平面夾角稱為控制云臺俯角。

2.2 實驗內容及方法

2.2.1 巡檢平臺穩(wěn)定性和指向性測試

令無人機懸停高度分別為100，50，20，10 m，控制云臺俯角為90°，測試巡檢平臺發(fā)出的指示光斑在1 min內的最大漂移距離。每個懸停高度測試3次。

令無人機懸停高度50 m，控制云臺俯角分別為90°，70°，50°，30°，測試相鄰兩個控制云臺俯角之間指示光斑的水平距離，同時測試不同控制云臺俯角下指示光斑在1 min內的最大漂移距離。每個控制云臺俯角測試3次。測試示意圖如圖1所示。

圖1 巡檢平臺穩(wěn)定性與指向性測試示意

2.2.2 甲烷遙測儀性能測試

在直徑0.6 m，高度0.25 m的氣室中分別充入濃度為0.08‰,0.04%,0.1%,2.02%的甲烷標準氣體，令無人機懸停高度分別為100,80,60,40,20 m，控制云臺俯角為90°，測試不同濃度標準氣體下甲烷遙測儀響應的最遠探測距離。每個懸停高度、每個甲烷標準氣體濃度連續(xù)測試1 min。測試過程中為消除無人機穩(wěn)定性對測試結果的影響，通過移動氣室，盡可能保證指示光斑始終位于氣室區(qū)域內。

以一定流速連續(xù)向自由空間中噴灑濃度為30%和70%的甲烷標準氣體，控制無人機以一定的飛行速度和飛行高度飛過泄漏區(qū)域，獲得不同濃度下的測試數據。

3 巡檢平臺性能測試實驗結果與分析

3.1 穩(wěn)定性和指向性測試結果

3.1.1 穩(wěn)定性測試結果及分析

無人機系統穩(wěn)定性測試結果如表1所示。光斑漂移距離測試結果受測試環(huán)境影響較大，當測試過程中存在較大陣風時，無人機本身為維持平衡會產生較大幅度的姿態(tài)調整，從而使入射到地面的指示光斑產生較大的漂移。在懸停高度小于等于100 m時，指示光斑的漂移距離受無人機懸停高度的影響不大。在測試期間，環(huán)境風速變化范圍約為0～3.3 m/s，在該環(huán)境條件下3次測試得到的指示光斑在1 min內最大漂移距離的平均值隨無人機懸停高度變化如圖2所示，最大漂移距離為1.08 m。

表1 巡檢平臺穩(wěn)定性測試結果 m

圖2 指示光斑漂移距離平均值隨無人機懸停高度變化情況

3.1.2 指向性測試結果及分析

巡檢平臺指向性測試結果如表2～表4所示。表2為控制云臺俯角變化時相鄰兩個控制云臺俯角之間指示光斑的水平距離測量值。無人機懸停高度為50 m，可計算得到控制云臺俯角分別設置為90°，70°，50°，30°時，不同控制云臺俯角之間指示光斑的水平距離變化理論值分別為18.2，23.75，44.65 m，由此可以計算得到測量值與理論計算之間的相對誤差均小于5%，表明無人機平臺具有較好的指向準確性。

表2 巡檢平臺指向性測試結果1

表3 巡檢平臺指向性測試結果2

表4 巡檢平臺指向性測試結果3

表3、表4分別為不同控制云臺俯角下指示光斑在1 min的最大漂移距離測試及統計分析結果。理論上，其穩(wěn)定性與指向角度存在一定關系，指向角度越小，指向穩(wěn)定越差，但并不絕對呈正相關關系。與穩(wěn)定性測試相似，指向性測試結果同樣受環(huán)境因素影響較大，隨機的較強陣風會極大地影響測試結果。由表4中3次測試結果的平均值及標準差可以看到，不同次測量結果之間標準差較大，與本文分析相符。

3.2 甲烷遙測儀性能測試結果

3.2.1 不同濃度甲烷氣體靜態(tài)測試

使用甲烷遙測儀對氣室中不同濃度的甲烷標準氣體進行測試，不同標準氣體濃度、不同懸停高度下連續(xù)1 min內的測試結果如圖3～圖6所示。

圖3 氣室中標準氣體濃度為0.08‰(20.25×10-6·m)時不同懸停高度下甲烷濃度測試結果

圖4 氣室中標準氣體濃度為0.04%(100.25×10-6·m)時不同懸停高度下甲烷濃度測試結果

圖5 氣室中標準氣體濃度為0.1%(251.25×10-6·m)時不同懸停高度下甲烷濃度測試結果

圖6 氣室中標準氣體濃度為2.02%(5 050×10-6·m)時不同懸停高度下甲烷濃度測試結果

由于氣室的有效測試區(qū)域直徑僅0.6 m，受無人機穩(wěn)定性的影響，在測試過程中甲烷遙測儀探測光束入射到地面上的位置會隨時間變動。為盡可能保證甲烷遙測儀探測光束的入射位置落在氣室有效檢測區(qū)域，在測試過程通過人工移動氣室，確保檢測結果的可靠性。

然而受環(huán)境、人工操作隨機性和實際探測激光偏離指示激光等因素的影響，在測試過程中無法完全避免遙測儀檢測激光偏離氣室有效檢測區(qū)域的情況，因此在利用甲烷遙測儀連續(xù)1 min內的檢測數據對巡檢平臺的性能進行評估時，主要遵循以下原則：當測試結果中0的占比小于40%時，甲烷遙測儀在該條件下的檢測數據具有一定的參考性，去除結果為0的無效數據后，計算平均值和標準差；當檢測結果中0的占比大于40%小于70%時，甲烷遙測儀在該條件下有響應但檢測結果不具有參考性，當檢測結果中0的占比達到70%時，該條件下系統達到響應極限；當檢測結果中0的占比大于70%時，則認為甲烷遙測儀無響應。

由探測結果可知，當氣室中甲烷濃度為0.08‰和0.04%時，甲烷遙測儀的響應檢測距離在40～60 m；當氣室中甲烷氣體濃度為0.14%時，甲烷遙測儀的響應檢測距離在60～80 m；當氣室中甲烷氣體濃度為2.02%時，甲烷遙測儀的響應檢測距離大于100 m。對所有測試條件下0占比小于40%的檢測結果進行計算，結果如表5所示。從表5中可以看到，測量結果與實際結果存在較大偏差，同一濃度不同高度下的測試結果也存在較大差異，同一高度同一濃度下的持續(xù)測試結果之間也有較大偏差，但不同濃度下的測試值與實際濃度值的變化趨勢是正相關的，表明甲烷遙測儀的測試結果雖然準確性較差，但在一定程度可以反映檢測區(qū)域甲烷濃度的高低。通過對測試過程進行分析，影響檢測結果準確性的原因如下。

表5 巡檢平臺載甲烷遙測儀靜態(tài)測試結果

a) 大氣湍流影響：由于實驗測試環(huán)境為開放大氣自然環(huán)境，大氣層在氣壓差的影響下一直處于流動狀態(tài)，大氣中的微小顆粒會對激光光強產生動態(tài)的散射作用，從而導致探測器接收光強產生波動，影響濃度反演結果。

b) 低溫影響：甲烷遙測儀是基于甲烷分子的吸收光譜特征，利用特定波長范圍內的吸光度變化或吸光度變化導致的非線性二次諧波變化實現對濃度的檢測，由于氣體吸收光譜線強與溫度有關，因此溫度的變化也會導致濃度反演結果出現偏差。

c) 干涉影響：甲烷遙測儀探測過程中，激光光束依次通過激光器窗口片、遙測儀保護窗口片、氣室上表面、氣室下表面、背景地面，聚焦透鏡、探測器窗口片等界面，在任意界面處均會發(fā)生反射，當不同界面反射光在探測芯片處產生空間交疊時會產生干涉作用，從而導致探測信號產生周期性振蕩，嚴重影響濃度檢測結果的準確性。

d) 系統振動噪聲影響：無人機掛載甲烷遙測儀始終處于動態(tài)平衡，在系統振動噪聲的影響下，遙測儀上的光學結構和電路系統也會受到影響，從而影響檢測結果的準確性。

e) 大氣背景輻射及光束背景反射的影響：探測接收到的光強信號是各個方向光強信號的總和，包含環(huán)境背景光強信號和激光束經背景反射后的光強信號。此外，由于指示激光不能完全反映探測激光光束的狀態(tài)，在測量時聚焦透鏡收集到的光束中可能僅有部分光束穿過甲烷氣體。由此導致基底信號“虛假”偏大，致使計算得到的吸收光度變小，從而導致濃度檢測結果向比實際值小的方向偏離。

3.2.2 甲烷氣體泄漏動態(tài)測試

模擬甲烷泄漏檢測環(huán)境，向大氣中分別噴灑濃度為30%和70%的甲烷氣體，無人機掛載甲烷遙測儀從空中對地面上泄漏的甲烷氣體進行檢測。先以6 L/min的流速持續(xù)向大氣噴灑標準濃度的甲烷氣體5 min，然后控制無人機起飛進行測試，測試過程中無人機位于甲烷泄漏區(qū)正上方，懸停高度為15 m，甲烷遙測儀垂直向下進行測試，測試現場風速最高可達6 m/s，無人機懸停測試數據如圖7(a)所示。

雖然測試現場風速較大，造成大氣環(huán)境中甲烷濃度稀釋較為嚴重，但由于用于測試的甲烷標準氣體濃度較高且釋放流速較大，甲烷遙測儀在模擬泄漏的開放大氣環(huán)境中可以靈敏地檢測到泄漏的甲烷氣體。

設置無人機巡航速度為5 m/s，飛行高度為15 m，對泄漏區(qū)域進行巡航測試，連續(xù)往返3次不同甲烷濃度下的巡航測試數據如圖7(b)所示。

圖7 泄漏甲烷濃度為30%、70%時，巡檢平臺懸停和巡航測試結果

由于甲烷氣體從模擬泄漏點處不間斷地向大氣中噴灑，理論上而言，隨著測試時間的推移，環(huán)境中甲烷氣體的濃度應該以泄漏點從中心向四周呈遞減分布，且濃度應該越來越高，但是受測試現場環(huán)境和風力影響，泄漏出來的甲烷氣體擴散速度極快，因此甲烷遙測儀只能在泄漏點附近檢測到較高的甲烷濃度，與實驗測試結果一致。

4 結論

a) 無人機在懸停模式時具有較好的穩(wěn)定性，當環(huán)境風速變化范圍約為0～3.3 m/s時，測試得到的不同懸停高度下的最大漂移距離平均值小于1.08 m。

b) 無人機平臺具有較高的指向準確性，連續(xù)控制云臺俯角下測試結果的平均值與理論值的相對誤差小于5%，不同控制云臺俯角下1 min內最大漂移距離平均值小于2.02 m。

c) 利用氣室，對不同濃度的甲烷標準氣體進行檢測時，受大氣湍流、溫度、干涉、系統振動噪聲、大氣背景輻射及光束背景反射等多種因素的影響，無人機甲烷泄漏檢測平臺的檢測結果準確性較差，但依舊在一定程度上能反映檢測區(qū)域甲烷濃度的高低。

d) 該巡檢平臺對濃度為20×10-6·m的甲烷濃度有響應，同時系統的最遠探測距離大于100 m。

e) 利用濃度為30%，70%的甲烷標準氣體開展泄漏測試，無人機載甲烷遙測儀在懸停測試和巡航測試下都取得較好效果。因此，對于高濃度的甲烷泄漏應用場景，甲烷遙測儀可以有效地實現對泄漏區(qū)域的定位與監(jiān)測。