車載激光甲烷遙測系統(tǒng)的設計

郭東歌，陳海永，賈林濤，鄭國鋒，馮山虎，武傳偉

(漢威科技集團股份有限公司，鄭州 450001)

0 引言

隨著國家“西氣東輸”等戰(zhàn)略方案的實施，我國天然氣管道傳輸行業(yè)規(guī)模不斷擴大，輸配氣站不斷增加，為避免發(fā)生嚴重的安全事故，天然氣管道泄漏隱患排查工作至關重要。如何及時發(fā)現(xiàn)泄漏，并采取措施，將損失降低到最小，把事故防患于未然，是燃氣輸配管網(wǎng)管理上的首要問題。對管線分布范圍廣、路線長的燃氣管網(wǎng)巡檢，關鍵在于快速、高效的發(fā)現(xiàn)潛在的泄漏點，所以研制高性能、快速巡檢設備對燃氣輸配安全有著重要意義。

近年來，可調(diào)諧激光吸收光譜技術(tunable diode laser absorption spectroscopy, TDLAS)飛速發(fā)展，其采用可調(diào)諧二極管激光器為檢測光源，利用激光的窄帶寬和波長隨注入電流改變的特性，掃描待測氣體的特征吸收線，提取二次諧波分量來實現(xiàn)對氣體濃度的測量[1-4]。該技術與傳統(tǒng)的半導體[5]、電化學[6]、紅外[7]等技術相比，具有響應速度快、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量、防爆及抗電磁干擾強等優(yōu)點，非常適合車載巡檢設備快速、高效的需要[8-10]。

目前市面上的開放式車載激光巡檢儀[11]和泵吸式車載激光巡檢儀[8]，均為基于TDLAS技術的車載激光快速巡檢系統(tǒng)，其采用多次反射腔體，光程長，靈敏度高，但由于其需要將氣體抽取到多次反射腔體內(nèi)進行檢測，檢測距離受氣體擴散和泵流量大小的限制，檢測距離近，無法檢測道路兩旁綠化帶及其他車輛或人員無法靠近區(qū)域的甲烷氣體泄漏。本文研制了一套車載激光甲烷遙測系統(tǒng)，彌補了上述兩種車載激光巡檢儀的缺點，可以實現(xiàn)遠程遙測，檢測距離達150米，能夠迅速準確地獲取燃氣管道漏點位置及泄漏的甲烷氣體含量。

1 基本原理

TDLAS技術基于比爾-朗伯定律，出射光強I與入射光強I0和氣體的體積分數(shù)之間的關系為[2,12]：

I=I0exp[-α(v)CL]

(1)

其中:α(ν)為氣體吸收系數(shù)，氣體在一定頻率ν處的吸收線型；L為光通過待測氣體的有效光程；C為氣體的濃度。通過檢測出射光強和入射光強，就可以得到氣體的濃度。

激光遙測光學系統(tǒng)是利用地物的空間反射特性。其接收到的光功率大小不僅取決于光源的性質(zhì)、地表的反射特性，重要的是遙測光學系統(tǒng)的設計。激光遙測光學系統(tǒng)為激光出射與接收系統(tǒng)同軸，根據(jù)文獻[13]推導出的非朗伯體后向散射透鏡接收到的光功率為：

(2)

式(2)中，Pi為激光器出射光功率，θ為入射光與背景散射物的夾角，ρtot為背景散射物的反射率，r為收集透鏡的半徑，l為收集透鏡距離背景散射物的距離。由式(2)可以看到，探測器接收到的光功率Pr正比于激光器輸出功率Pi，收集透鏡的尺寸r2和背景散射物的反射率為ρtot，反比于收集透鏡距離背景反射物的距離l2。

圖1 非朗伯體后向散射光功率分布示意圖

當激光器的波長調(diào)制在氣體吸收峰上時，激光遙測光學系統(tǒng)接收到的光功率變化可以用下式來表述：

P=K×S×exp[-α(v)2CL]≈

K×S×[1-α(v)2CL]

(3)

式(3)中，P為接收到的光功率，K為收集效率，S為激光器發(fā)射光功率，系數(shù)2代表激光往返兩次通過測量氣體，實際吸收光程增加了一倍[13]。

接收到的回波信號經(jīng)過鎖相濾波后，解調(diào)出的一次諧波和二次諧波的幅值可分別表示為：

P1f=K×SdcmAM

(4)

P2f=K×Sdchα(v)×2CL

(5)

式(4)～(5)中，Sdc與mAM分別為DFB激光器的初始輸出的直流分量與振幅調(diào)制率，h為基于調(diào)制深度的調(diào)制系數(shù)。P2f與P1f的比值可消除收集效率對積分濃度的影響[14]。

(6)

從式(6)可以看出，通過計算反射回來的激光束的二次諧波與一次諧波的比值，就可以換算出泄漏甲烷氣體的積分濃度(甲烷氣體濃度和光學深度的乘積)[2]。

2 系統(tǒng)硬件設計

該車載激光甲烷遙測系統(tǒng)主要包括：激光甲烷遙測儀(以下簡稱遙測儀)、云臺攝像機、供電系統(tǒng)、平板電腦及遠程監(jiān)控中心，遙測儀和云臺攝像機集成在一起，如圖2所示。其中遙測儀為整個系統(tǒng)的核心，用于檢測甲烷氣體泄漏；云臺攝像機包括車載云臺、200萬高清光學變焦攝像機及WIFI模塊。供電系統(tǒng)為整個系統(tǒng)供電，為汽車電瓶或者蓄電池。

圖2 車載激光甲烷遙測系統(tǒng)組成圖

其工作過程為：遙測儀搭載云臺攝像機，安裝于巡檢車頂部，遙測儀的檢測數(shù)據(jù)和云臺攝像機拍攝的檢測視頻分別通過藍牙和WIFI模塊傳送給平板電腦。平板電腦再通過4G模塊傳送給遠程監(jiān)控中心，便于燃氣巡檢人員遠程監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和分析。平板電腦通過WIFI控制云臺轉動，控制遙測儀檢測方位。

2.1 激光甲烷遙測儀

激光甲烷遙測儀是整個系統(tǒng)的核心，由激光收發(fā)光學系統(tǒng)、信號處理單元、激光器控制單元和光電探測單元組成，原理如圖3所示。

圖3 激光甲烷遙測儀原理圖

2.1.1 激光收發(fā)光學系統(tǒng)

激光收發(fā)光學系統(tǒng)包括檢測激光準直系統(tǒng)、光纖分路器、接收透鏡及接收光學系統(tǒng)。激光器經(jīng)過1%:99%的光纖分路器，99%的激光通過光纖準直器從透鏡中心出射，作為檢測光。1%的激光輸入?yún)⒖继綔y模塊，通過密封有甲烷氣體的氣瓶后由參考InGaAs探測器接收。透鏡的頂端固定有瞄準激光，該瞄準激光束與檢測激光束平行，用來指示檢測激光的位置。接收光學系統(tǒng)為一組平凸透鏡、濾光片、光電探測器等組成的，放置在接收透鏡的焦點附近，用于接收盡量多的散射回光，并轉換成用于計算的電壓信號。

2.1.2 信號處理單元

圖4 LTC1923恒溫控制電路圖

信號處理單元主要由DSP信號處理、微處理器、AD和DA轉換模塊組成，如圖3所示。激光器調(diào)制信號由DSP產(chǎn)生，經(jīng)DA轉換為模擬信號后輸入激光器驅(qū)動電路。主探測單元和參考探測單元將接收的光信號轉換為電壓信號后，經(jīng)過模擬開關、AD轉換后，由DSP進行鎖相濾波計算，提取二次諧波，最后得到氣體濃度信息。參考探測模塊用于將DFB激光器的波長實時鎖定在甲烷氣體的吸收峰上，保證整個系統(tǒng)的測量靈敏度。本系統(tǒng)激光器的驅(qū)動信號斜波疊加正弦波信號。

2.1.3 激光器控制單元

激光器控制單元包括DFB半導體激光器及其驅(qū)動電路、恒溫控制電路、瞄準激光光源。本系統(tǒng)的DFB激光器選用進口的日本NTT Electronics公司的激光器；溫度控制芯片選用LTC1923；瞄準激光光源選用波長為532 nm的綠色激光光源。

激光器恒溫控制電路，采用負反饋。恒溫控制時，首先掃描一個寬的溫度范圍，確定激光器波長正處于氣體的吸收峰時的溫度值，再由微處理器記錄這個溫度對應電壓的數(shù)字量，該電壓值為設定電壓值，其與激光器內(nèi)部熱敏電阻反饋的電壓值，輸入運算放大器比較后，傳給溫度控制芯片，從而控制內(nèi)部TEC上的電流大小及方向，對DFB激光器加熱和制冷，使DFB激光器管芯穩(wěn)定在設定的溫度[15]，電路如圖4所示。本文根據(jù)HITRAN數(shù)據(jù)庫查詢的數(shù)據(jù)，選擇了CH4的2v3帶1653.7 nm的吸收峰。

2.1.4 光電探測單元

光電探測單元包括InGaAs光電探測器、前置放大和濾波電路。將InGaAs光電探測器接收到的帶有氣體濃度信息的光信號，轉換為電壓信號，電路如圖5所示。InGaAs光電探測器的響應度為0.95 A/W，U1為前置運算放大器，R1為反饋電阻，U2為二級運算放大器，對前置放大得到的信號進行二次放大濾波后，傳送給AD轉換單元。

圖5 探測器信號放大電路圖

2.2 平板電腦及遠程監(jiān)控中心

平板電腦安裝車載激光巡檢APP，APP不僅可以實時顯示甲烷氣體的濃度曲線圖和云臺攝像機拍攝的實時監(jiān)測圖像，將濃度信息與巡檢車的行駛軌跡、行駛速度在地圖中聯(lián)合顯示。APP還可控制云臺轉動和攝像機變焦，并在遙測儀報警時發(fā)出聲音報警的同時，自動觸發(fā)攝像機拍照、錄像。巡檢結束后，APP可以對本次巡檢軌跡、報警濃度信息進行記錄、保存、回放。巡檢人員對數(shù)據(jù)進行篩選后，將檢測數(shù)據(jù)、圖像及小視頻通過4G模塊上傳至遠程監(jiān)控中心。

遠程監(jiān)控中心的功能主要包括：實時監(jiān)控巡檢車的位置、速度；查閱歷史數(shù)據(jù)，包括巡線軌跡、泄漏點位置等信息；通過對巡線軌跡進行回放，了解巡線過程；巡線軌跡與管網(wǎng)GIS進行融合；便于燃氣巡檢人員進行遠程監(jiān)控，并對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計、分析和挖掘，根據(jù)漏點位置、泄漏頻率及泄漏類型，生成巡檢報告，從而對巡檢人員后期工作進行指導。

3 系統(tǒng)軟件設計

該系統(tǒng)的DSP信號處理部分的主要功能是產(chǎn)生激光器驅(qū)動波形傳給激光器控制模塊，同時計算甲烷氣體的濃度信息并將數(shù)據(jù)傳送給微處理器，其工作流程圖如圖6所示。

圖6 DSP工作流程圖

微處理器部分的功能主要是將接收到的甲烷氣體的濃度信息按照特定的通訊協(xié)議，通過藍牙發(fā)送給平板電腦，平板電腦APP對數(shù)據(jù)進行解析顯示。微處理器的工作流程圖如圖7所示。

圖7 微處理器工作流程圖

4 實驗結果及分析

為了驗證整體系統(tǒng)的性能及實用性，對該系統(tǒng)進行了模擬測試，包括最低檢測限測試、室內(nèi)靜態(tài)測試、室外靜態(tài)測試及室外動態(tài)測試，同時在某燃氣公司進行了實際巡檢工作。

4.1 最低檢測限測試

為了檢測系統(tǒng)的最低檢測限，對空氣中的痕量甲烷含量進行測試。遙測儀距離反射物20米放置，仿真器中觀察到的二次諧波波形如圖8所示，從圖中可看到明顯的甲烷氣體吸收產(chǎn)生的二次諧波。經(jīng)計算，其信噪比約為15，依據(jù)美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)日前公布的最新數(shù)據(jù)顯示，目前實際大氣中的甲烷含量大約為1.858 μmol/mol，可以計算出系統(tǒng)的最小檢測限約為5 μmol/mol·m。

圖8 20米距離測量空氣中痕量甲烷氣體二次諧波圖

4.2 靜態(tài)測試

靜態(tài)測試主要測試系統(tǒng)的檢測距離和靈敏度，分為室內(nèi)、室外兩種環(huán)境進行。首先取三個50 cm×70 cm的透明氣包，分別編號1#、2#、3#氣包，對應充滿體積分數(shù)為0.1%、0.5%、1%的甲烷標準氣體，氣包充滿后，氣包的厚度約20 cm。經(jīng)理論計算，1#、2#和3#氣包的積分濃度值分別為：400 μmol/mol·m、2000 μmol/mol·m、4000 μmol/mol·m。

將氣包放置于白板前，車載激光甲烷遙測系統(tǒng)距離白板150米放置，檢測激光照射氣包進行測試，分別記錄每種氣包在不同測量距離下的測量結果，記錄10次，數(shù)據(jù)如表1～2所示。

表1 150米室內(nèi)靜態(tài)測試數(shù)據(jù)表

測試結果表明：本系統(tǒng)可檢測到距離150米，體積分數(shù)為0.1%的甲烷氣體泄漏。由于探測器本身噪聲及環(huán)境光的干擾，測量距離越遠，探測器接收到的有用信號越弱，二次諧波與一次諧波的比值沒有將收集效率完全消除，導致測量距離越遠，數(shù)值越偏小。本系統(tǒng)進行了軟件算法補償及氣體濃度標定，測量誤差最大為6.25%。

表2 150米室外靜態(tài)測試數(shù)據(jù)表

4.3 動態(tài)測試

動態(tài)測試為模擬檢測道路兩旁的燃氣泄漏點。首先在道路旁的草坪上放置一個充滿天然氣的連接小型抽氣泵和流量計的氣袋，作為模擬泄漏點，通過流量計控制氣流量為500 ml/min。然后將車載激光甲烷遙測系統(tǒng)安裝于巡檢車上，巡檢車分別以30 km/h、40 km/h、50 km/h車速行駛，檢測激光從氣袋表面掃過，車載激光甲烷遙測系統(tǒng)與氣袋距離約20米，測試該系統(tǒng)是否能夠探測到甲烷氣體泄漏。每個車速分別進行五次測試，記錄測量數(shù)據(jù)，如表3所示。

表3 動態(tài)測試數(shù)據(jù)表

測試結果表明，巡檢車以三種車速行駛，遙測儀均可探測到甲烷氣體泄漏，滿足快速道路燃氣巡檢的要求。該系統(tǒng)有效采樣頻率為500 Hz，車速為50 km/h時，每兩次采樣點的間距為0.0276 m，而20米處激光檢測光斑約為0.05 m，所以可實現(xiàn)全覆蓋。

上述車載激光甲烷遙測系統(tǒng)在某燃氣公司也進行了實際的巡檢工作，在鋪設燃氣管道的道路上以30 km/h的速度行駛，遙測儀報警，甲烷氣體濃度為355 μmol/mol·m。隨后經(jīng)燃氣公司人員對該處進行鉆孔取樣，并使用乙烷辨識儀ECG100進行分析，此處泄漏氣體含有甲烷和乙烷，確認為燃氣管線斷裂。燃氣公司立刻安排施工隊進行搶修，避免了嚴重事故發(fā)生。與傳統(tǒng)巡檢設備相比，該系統(tǒng)可大幅度提高燃氣巡檢效率，節(jié)約人工檢測成本，縮短巡檢周期。

5 結束語

基于可調(diào)諧激光吸收光譜技術和地物的后向散射特性，設計了一套車載激光甲烷遙測系統(tǒng)，可實時對道路兩側燃氣管道進行監(jiān)測。經(jīng)過模擬測試及燃氣公司實際應用表明，該系統(tǒng)檢測距離遠、響應速度快、靈敏度高、抗干擾能力強、使用方便，特別適合長輸管線的巡檢，對提高燃氣巡檢效率、節(jié)約人工檢測成本、縮短巡檢周期、減少安全事故的發(fā)生有著重要意義。