管輸兩元?dú)怏w組分激光檢測(cè)雜光抑制分析

馬鵬博 李天奎 濮御 王迪 李棟

摘??????要：管道輸送的在線檢測(cè)對(duì)于管道安全運(yùn)行有著重要的影響。以天然氣為例，設(shè)計(jì)了管輸天然氣含水量激光在線檢測(cè)光路，為降低外部雜散光對(duì)測(cè)量系統(tǒng)成像性能造成影響，結(jié)合擋光環(huán)及消光螺紋對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用蒙特卡洛光線追跡法驗(yàn)證了抑制結(jié)構(gòu)的有效性。結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)能有效抑制系統(tǒng)在測(cè)量過(guò)程中所出現(xiàn)的外部雜散光，其中30°螺紋抑制結(jié)構(gòu)效果最好，其PST數(shù)值降低至10^-12，能有效提高檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別能力，滿足系統(tǒng)工作需求。

關(guān)??鍵??詞：管輸氣體;激光檢測(cè);雜散輻射抑制;消光螺紋

中圖分類號(hào)：O 433.1?????????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ??????文章編號(hào)：1671-0460（2020）01-0041-04

Analysis of Stray Light Suppression in Laser Detection of

Binary Gas Components in Pipeline

MA?Peng-bo¹， LI?Tian-kui²， PU?Yu²， WANG?Di¹， LI?Dong¹

（1. School of Civil Engineering and Architecture， Northeast Petroleum University， Heilongjiang Daqing 163318， China;

2. Qingdao Special Equipment Inspection and Testing Institute， Shandong Qingdao 266100， China）

Abstract： On-line detection of pipeline transportation has an important impact on the safe operation of pipeline. Taking natural gas as an example， an on-line laser detection optical path for water content of pipelined natural gas was designed. In order to reduce the influence of external stray light on the imaging performance of the measurement system， stray radiation suppression structure was designed by combining the shielding ring and extinction thread. The effectiveness of the suppression structure was verified by Monte Carlo ray tracing method. The results showed?that the designed stray radiation suppression structure effectively suppressed?the external stray light in the measurement process. Among them， the 30 degree threaded structure had?the best effect， and its PST value was?reduced to 10^-12， which effectively improved?the recognition ability of the detection system to target signals to?meet the working requirements of the system.

Key words：?Pipeline gas;?Laser detection;?Stray radiation suppression;?Extinction thread

管道運(yùn)輸作為天然氣、石油等化工產(chǎn)品的主要輸送方式之一，具有自動(dòng)化程度高、密閉性好等特點(diǎn)。實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)管道輸送過(guò)程，能夠及時(shí)了解管道運(yùn)行狀況，以便后續(xù)工作人員進(jìn)行檢修和維護(hù)。以管輸天然氣為例，準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)管內(nèi)水組分含量一直是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。含水天然氣在一定的壓力和溫度下，可形成水合物堵塞閥門和管線，同時(shí)也會(huì)影響天然氣的熱值和品質(zhì)^[1-3]。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管輸天然氣水組分含量，對(duì)保證天然氣輸送管道安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)意義。

可調(diào)諧激光吸收光譜（TDLAS）技術(shù)以非接觸檢測(cè)、檢測(cè)靈敏度高、響應(yīng)速度快、無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)已被廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、痕量氣體監(jiān)測(cè)以及多組分氣體濃度的監(jiān)測(cè)^[4]。在檢測(cè)過(guò)程中，由于氣體環(huán)境溫度、壓力的變化，極易形成雜散輻射對(duì)測(cè)量結(jié)果造成影響。雜散輻射不僅會(huì)降低接收信號(hào)的信噪比，同時(shí)影響測(cè)量系統(tǒng)的探測(cè)精度^[5，6]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)雜散輻射的分析及抑制進(jìn)行了一系列的研究。陳學(xué)等^[7]人設(shè)計(jì)了具有蜂窩內(nèi)壁結(jié)構(gòu)的遮光罩，并運(yùn)用蒙特卡洛法進(jìn)行模擬，結(jié)果表明遮光罩內(nèi)壁蜂窩結(jié)構(gòu)具有很好的雜散光抑制作用。任國(guó)棟^[8]等人運(yùn)用TracePro光學(xué)軟件對(duì)短波紅外鏡頭雜散輻射進(jìn)行了分析，通過(guò)增加遮光罩、修改結(jié)構(gòu)件和添加雜光涂層等方式對(duì)雜散輻射進(jìn)行抑制。尹爽^[9]等人應(yīng)用ASAP軟件進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)建模，并對(duì)不同擋光環(huán)個(gè)數(shù)以及不同形狀開(kāi)口擋光環(huán)的冷屏結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析。

本文基于TDLAS原理，設(shè)計(jì)了天然氣含水量激光在線檢測(cè)光路，分析了光路檢測(cè)過(guò)程中可能存在的雜散輻射，據(jù)此提出雜散輻射抑制方案，并通過(guò)TracePro光學(xué)軟件進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 ?測(cè)量原理及吸收譜線選取

1.1 ?測(cè)量原理

Beer-Lambert定律^{[10，11]}總結(jié)了光強(qiáng)透射比與氣體分子體積分?jǐn)?shù)、壓強(qiáng)、氣體吸收系數(shù)及單色光傳播光程之間的關(guān)系，當(dāng)初始光強(qiáng)為I₀的單色光通過(guò)待測(cè)氣體區(qū)域后，其透射光強(qiáng)I變化可表示為：

??（1）

式中： ?S?（T）?—待測(cè)氣體在該波段的吸收譜線強(qiáng)度，是氣體分子的

固有屬性且與溫度有關(guān)，cm^-2·atm^-1;

P?—待測(cè)氣體所處壓強(qiáng)，atm;

L?—單色光傳播總光程，cm;

C?—待測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)，%;

φ?（v）?—待測(cè)氣體分子吸收譜線的線型函數(shù)，以表征氣體分子

吸收譜線形狀及線寬，是環(huán)境溫度、 壓力的耦合函

數(shù)，cm^-1。

對(duì)式（1）兩邊取對(duì)數(shù)并進(jìn)行積分，可得光譜吸光度A：

?????（2）

已知?dú)怏w環(huán)境壓力P、吸收譜線強(qiáng)度S（T）、激光傳輸距離L及光譜吸光度A，即可得到待測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)。

1.2 ?吸收譜線選取

圖1為利用HITRAN數(shù)據(jù)庫(kù)模擬壓力為1?atm、溫度296?K工況下7?170～7?200 nm波段范圍H₂O和CH₄分子Lorenz線型吸收譜線分布。如圖1所示，H₂O在1?392 nm處存在較強(qiáng)吸收峰，且甲烷吸收強(qiáng)度較小，可忽略。因此選擇1?392 nm作為H₂O近紅外檢測(cè)吸收峰。

2 ?測(cè)量光路

設(shè)計(jì)如圖2所示的TDLAS在線檢測(cè)光路系統(tǒng)，取天然氣集輸管道直徑95 mm，高240 mm，材質(zhì)設(shè)定為碳鋼。激光光源采用DFB激光二極管，輸出波長(zhǎng)為1?392 nm，設(shè)定為均勻分布，束腰半徑為2?mm，總光通量10 W。激光光束經(jīng)光纖準(zhǔn)直器進(jìn)入到開(kāi)放性檢測(cè)光路系統(tǒng)，在通過(guò)集輸管道后經(jīng)折轉(zhuǎn)鏡改變吸收光束傳播方向，吸收光譜信號(hào)由Thorlabs公司生產(chǎn)的PDA10CS探測(cè)器所接收，通過(guò)示波器將所吸收信號(hào)進(jìn)行輸出和反演，由此確定集輸管道內(nèi)天然氣含水量。

在天然氣集輸過(guò)程中，管道公稱直徑依據(jù)天然氣輸氣量的不同，其大小介于500～1?200 mm之間，因此該開(kāi)放性測(cè)量系統(tǒng)光程在50～120 cm之間。利用開(kāi)放性光路系統(tǒng)進(jìn)行在線檢測(cè)，無(wú)需對(duì)氣體進(jìn)行采樣，且不受復(fù)雜環(huán)境條件的限制，可以進(jìn)行大范圍內(nèi)的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

3 ?雜散輻射傳輸原理及抑制

在激光在線測(cè)量光路系統(tǒng)中，非目標(biāo)信號(hào)以及通過(guò)非正常路徑傳輸?shù)哪繕?biāo)信號(hào)，在探測(cè)器入瞳處會(huì)形成一個(gè)附加照度，這種非目標(biāo)光線所攜帶的輻射能量就是測(cè)量系統(tǒng)的雜散輻射。雜散輻射會(huì)降低像面的對(duì)比度及調(diào)制傳遞函數(shù)，使整個(gè)像面的清晰度降低，嚴(yán)重時(shí)目標(biāo)信號(hào)會(huì)完全被雜散輻射噪聲所湮沒(méi)^[12，13]。目前，一般采取表面黑漆處理、增設(shè)擋光環(huán)、對(duì)遮光罩優(yōu)化設(shè)計(jì)等方式對(duì)雜散輻射進(jìn)行抑制。

3.1 ?雜散輻射表面能量傳輸原理及評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖3為雜散光在任意兩個(gè)表面間的傳輸機(jī)理^{[14，15]}，其中dA_S為光源發(fā)射面元，dA_C為光源接收面元，兩面元間距為R_SC，θ_S、θ_C別為兩面元間距連線與各面元法線夾角。當(dāng)dA_S面輻照亮度為L_S時(shí)，接收面元dA_C所接收到的光通量為：

??????（3）

系統(tǒng)表面選用雙向反射分布函數(shù)BRDF的ABg模型，則dA_S面輻照亮度為：

???????????（4）

式中，E_S為光源發(fā)射面元出射輻照度，將式（2）代入式（1）可得：

????（5）

最終接收面元所接收到的光通量形式可變?yōu)椋?/p>

??????（6）

式中，dΦ_S為發(fā)射面輻射光通量，為E_s·dA_S;GCF為系統(tǒng)幾何構(gòu)成因子，為;dΩ_CS為接收面元相對(duì)于光源所張立體角，為。

由式（6）可知，為對(duì)測(cè)量系統(tǒng)雜散輻射進(jìn)行抑制，可通過(guò)減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)表面BRDF_S、發(fā)射面輻射光通量dΦ_s以及系統(tǒng)幾何構(gòu)成因子GCF。而本文主要通過(guò)設(shè)計(jì)遮光罩、擋光環(huán)及消光螺紋等對(duì)光路傳輸中的關(guān)鍵表面進(jìn)行遮擋以減小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)GCF，從而對(duì)光路傳輸產(chǎn)生的雜散輻射進(jìn)行抑制。

常用點(diǎn)源透過(guò)率PST評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)雜散輻射的抑制能力^[16]。點(diǎn)源透過(guò)率PST定義為視場(chǎng)外離軸角為θ處某一雜散光源經(jīng)測(cè)量系統(tǒng)在探測(cè)器入瞳處輻照度E_d（θ）與該光源在測(cè)量系統(tǒng)入口處輻照度E₀（θ）的比值，表示為：

???????????（7）

PST只評(píng)價(jià)系統(tǒng)自身對(duì)雜散輻射的抑制能力，與外界背景環(huán)境雜光強(qiáng)度無(wú)關(guān)，其值越小，表示系統(tǒng)對(duì)雜光的抑制能力越強(qiáng)。

3.2 ?雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)及分析

設(shè)計(jì)如圖4所示的雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)。不同尺寸的擋光環(huán)對(duì)入射雜光進(jìn)行初步抑制，經(jīng)折轉(zhuǎn)鏡改變傳輸方向，進(jìn)入消光螺紋進(jìn)行二次抑制。其中，遮光罩內(nèi)壁采用Black Paint黑漆涂層，光學(xué)窗口材料選用透過(guò)率較高的藍(lán)寶石單晶（α-Al₂O₃）。將模型導(dǎo)入TracePro光學(xué)軟件進(jìn)行仿真模擬，對(duì)光源及光機(jī)表面進(jìn)行屬性設(shè)置，模擬實(shí)際測(cè)量環(huán)境。采用光源離軸角0°～90°進(jìn)行光線追跡，設(shè)15°為一個(gè)步長(zhǎng)逐次增加離軸角。

定義光源中心波長(zhǎng)為1.392 μm，測(cè)量系統(tǒng)環(huán)境溫度350 K。光學(xué)窗口材料為α-Al₂O₃，設(shè)置其對(duì)光線的透過(guò)率為93%。遮光罩、擋光環(huán)及消光螺紋材質(zhì)為鋁合金，對(duì)其表面進(jìn)行Black Paint涂黑處理。探測(cè)器表面設(shè)置為完全吸收。為提高仿真模擬準(zhǔn)確度，設(shè)置光線追跡閾值為1×10^-8，光線追跡數(shù)量為70?000條，通過(guò)追跡大量的光線數(shù)保證消光比值的可靠性。

圖5為有無(wú)雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)工況下，光線到達(dá)探測(cè)器焦平面輻照度對(duì)比。其中，入射光源離軸角為30°。通過(guò)對(duì)比可知，在有雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)工況下，到達(dá)探測(cè)器焦平面通光量明顯小于無(wú)雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)，且光斑居于中心分布。說(shuō)明該雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)能有效消除視場(chǎng)角外部分雜散光，由此改善系統(tǒng)的成像質(zhì)量。

圖6為三種不同形狀消光螺紋雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)在不同離軸角度下系統(tǒng)PST曲線。在中心視場(chǎng)附近，PST較大。當(dāng)視場(chǎng)角偏離15°時(shí)，系統(tǒng)PST開(kāi)始衰減。與初始系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比，60°螺紋、等邊螺紋及30°螺紋抑制結(jié)構(gòu)PST分別減小至10^-7、10^-9及10^-12，符合系統(tǒng)雜光抑制需求。其中30°螺紋抑制結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)雜光抑制能力明顯強(qiáng)于其他兩種抑制結(jié)構(gòu)，因此最終雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)選用30°消光螺紋。

4 ?結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了管輸天然氣含水量激光在線檢測(cè)光路，并對(duì)檢測(cè)過(guò)程中可能出現(xiàn)的雜散輻射進(jìn)行了結(jié)構(gòu)抑制設(shè)計(jì)。利用蒙特卡洛光線追跡法對(duì)60°螺紋、等邊螺紋及30°螺紋的雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真模擬，并計(jì)算在不同光源離軸角下的PST數(shù)值，驗(yàn)證不同消光螺紋的抑制效果。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的雜散輻射抑制結(jié)構(gòu)能有效抑制激光在線檢測(cè)光路系統(tǒng)雜散光，改變消光螺紋形狀采用30°螺紋結(jié)構(gòu)能更高效的抑制雜散輻射，其PST數(shù)值降低至10^-12，能有效提高檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)信號(hào)的識(shí)別能力。

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