基于LabVIEW的三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)設計

程 躍，周 振，劉 東，姜 靜，徐 俊，李云飛

(1.安徽建筑大學電子與信息工程學院，安徽合肥 230601；2.安徽澤眾安全科技有限公司，安徽合肥 230601； 3.清華大學合肥公共安全研究院，安徽合肥 230601；4.安徽建筑大學機械與電氣工程學院，安徽合肥 230601)

0 引言

甲烷(CH4)是潔凈能源天然氣的主要成分，與空氣混合后遇火能引起爆炸，其爆炸極限為4.9%～16%。傳統(tǒng)的氣體檢測方法采用主動吸氣式或被動擴散式進行工作[1-3]，需要到泄漏氣體危險區(qū)域近距離直接接觸檢測，使檢測人員置于危險環(huán)境中。因此，將紅外吸收光譜氣體檢測技術(shù)與激光遙測技術(shù)相結(jié)合，研制和開發(fā)出新型的非接觸、遠距離三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)，并使其滿足安全性、可靠性和實時性的安全生產(chǎn)需求十分必要，符合行業(yè)發(fā)展要求。大連艾科科技開發(fā)有限公司開發(fā)了LROA01型三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)最遠遙測距離100 m，上海禾賽科技有限公司的HS-6000三維激光掃描甲烷檢測系統(tǒng)最遠遙測距離為90 m。目前，市場上用于天然氣突發(fā)泄漏的三維掃描激光氣體遙測系統(tǒng)遙測距離均較短(<100 m)，探測精度低(±10%)，且系統(tǒng)軟件功能簡單，集成度低，通用性差[4]，難以滿足實際應用需求。

LabVIEW軟件是一種獨立的圖形化設計和開發(fā)軟件，具有開發(fā)周期短，通用性強和擴展性好等優(yōu)點，被廣泛應用于各種監(jiān)測系統(tǒng)設計和開發(fā)[5-8]。本文基于LabVIEW設計和開發(fā)了一套功能齊全、集成度高和通用性強的三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了天然氣突發(fā)泄漏的實時在線、非接觸、高精度(小于±5%)和遠距離(150 m)三維掃描監(jiān)測預警。

1 系統(tǒng)組成

三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)主要由三維掃描激光氣體遙測儀、計算機和基于LabVIEW設計開發(fā)的虛擬儀器軟件系統(tǒng)組成，其系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

虛擬儀器軟件系統(tǒng)通過計算機實現(xiàn)與三維掃描激光氣體遙測儀的通訊和控制，有線以太網(wǎng)實現(xiàn)遙測儀三維掃描雙艙防爆云臺的方位、自動巡航和視頻等通訊和控制，RS485用于激光氣體遙測的通訊和參數(shù)控制等。三維掃描激光氣體遙測儀如圖2所示，該遙測儀主要包括三維掃描雙艙防爆云臺、高清紅外夜視攝像和激光甲烷氣體遙測，其探測目標為甲烷氣體，最遠遙測距離可達150 m，三維掃描范圍為水平0～360°，垂直0～180°，遙測儀外形尺寸為468 mm×330 mm×418 mm，整體質(zhì)量小于35 kg，可立柱、壁裝等固定安裝，也可搭載于巡檢機器人或巡檢車等。

圖2 三維掃描激光氣體遙測儀

2 三維掃描激光氣體遙測儀工作原理

三維掃描激光氣體遙測儀基于非合作目標采用紅外吸收光譜氣體檢測技術(shù)與激光遙測技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)氣體突發(fā)泄漏探測[9-11]，圖3為基于非合作目標激光氣體遙測框圖及其工作示意圖，系統(tǒng)主要包括光學部分和嵌入式采集控制分析模塊。光學部分為收發(fā)一體光學遙測組件，該光學遙測組件由DFB激光器(發(fā)射波長為1 653.7 nm)，準直器，信號光接收透鏡，光電探測器和紅色指示激光器等構(gòu)成，嵌入式采集控制分析模塊采用FPGA+ARM嵌入式架構(gòu)。該激光氣體遙測儀的工作過程為：DFB激光器發(fā)出的光耦合進入準直器，經(jīng)過準直器后向外發(fā)出近似平行光的近紅外探測激光，該探測激光在空間光路傳輸，經(jīng)過氣體泄漏氣團，再經(jīng)過非合作目標如墻體、地面、管道等反射物通過漫反射后形成回波信號光，該回波信號光再次經(jīng)過泄漏氣團，被遙測儀信號光接收透鏡收集并聚焦到光電探測器上進行探測。紅色指示激光器發(fā)出紅色激光，與近紅外探測激光平行，用于指示近紅外探測激光光束的發(fā)射方向。嵌入式采集控制分析模塊利用FPGA對DFB激光器輸出進行鋸齒波掃描和正弦波調(diào)制，并通過PID算法對DFB激光器進行高精度溫控，控溫精度為±0.01 ℃，同時對光電探測器信號進行采集、放大和濾波等處理，根據(jù)嵌入式鎖相放大解調(diào)算法實現(xiàn)一次諧波歸一化二次諧波信號(S2f/S1f)解調(diào)，并反演出泄漏氣體濃度，利用ARM對獲得的氣體濃度數(shù)據(jù)通過RS485實時上傳。

圖3 激光氣體遙測框圖及其工作示意圖

根據(jù)朗伯-比爾(Lambert-Beer)吸收定律和激光波長調(diào)制光譜技術(shù)可知[10]，一次諧波歸一化二次諧波信號S2f/S1f為：

(1)

由式(1)可知，S2f/S1f只與CH4泄漏氣體的積分濃度xCH4L成線性關系，因此，基于非合作目標的激光氣體遙測采用S2f/S1f信號來解調(diào)氣體濃度可消除激光光強、光電探測器的響應和不同非合作目標反射等的變化對測量結(jié)果的影響。

3 系統(tǒng)監(jiān)測軟件設計

3.1 軟件系統(tǒng)總體框架

如圖4所示，是軟件系統(tǒng)總體框架圖，軟件主要包括3個模塊，分別為視頻模塊、云臺控制模塊和激光氣體遙測模塊。視頻模塊和云臺控制模塊通過以太網(wǎng)與三維掃描激光氣體遙測儀主機通訊，激光氣體遙測模塊通過RS485與三維掃描激光氣體遙測儀主機通訊。

圖4 軟件系統(tǒng)總體框架

視頻模塊包括視頻圖像獲取和顯示、視頻參數(shù)(亮度、對比度、色度和飽和度等參數(shù)，以及視頻攝像機的調(diào)焦、聚焦、光圈、燈光和雨刷等)控制、視頻錄像控制和視頻圖像抓拍等。

云臺控制模塊包括云臺方位(左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上仰和下俯)手動控制、云臺速度控制、云臺預置點設置和云臺自動巡航設置(設置的預置點加入巡航線形成相應的巡航路徑)等。

激光氣體遙測模塊包括氣體濃度曲線顯示、超限報警設置、超限報警日志和歷史數(shù)據(jù)查詢等。氣體濃度超限報警數(shù)據(jù)以報警時間為指針存儲到Access數(shù)據(jù)庫中，歷史數(shù)據(jù)查詢子程序可對Access數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)以報警時間方式進行數(shù)據(jù)的查詢和相應時間段數(shù)據(jù)的保存等。

3.2 軟件系統(tǒng)程序設計

三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)軟件采用LabVIEW 2015版本進行設計，利用?？低旽CNetSDK.dll的各庫函數(shù)(如SDK NET_DVR_Init，NET_DVR_Login_V40，NET_DVR_RealPlay_V40，NET_DVR_CaptureJPEGPicture，NET_DVR_StartDVRRecord，NET_DVR_PTZControlWithSpeed，NET_DVR_PTZPreset，NET_DVR_PTZPCruise等)[12]進行軟件各功能模塊開發(fā)。

3.2.1 視頻模塊和云臺控制模塊設計

如圖5所示，是視頻模塊和云臺控制模塊軟件界面，視頻模塊包括實時視頻預覽和視頻控制按鈕，實時視頻預覽顯示云臺實時視頻畫面，畫面下面按鍵可進行視頻畫面的亮度、對比度、飽和度和色度調(diào)節(jié)。視頻控制按鈕可進行實時調(diào)焦、聚焦及光圈調(diào)節(jié)，視頻圖像抓拍和視頻錄像存儲等。

圖5 視頻模塊和云臺控制模塊軟件界面

云臺控制模塊包括云臺登錄、云臺控制和云臺巡航。輸入云臺主機的IP地址和端口ID后，輸入正確的用戶名和密碼可登錄到云臺主機。云臺控制用于對云臺進行手動方位控制，可進行云臺左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上仰和下俯控制，云臺運轉(zhuǎn)速度從1到7個檔位可選，此外，可對云臺的燈光和雨刷進行開、關控制。云臺巡航用于云臺自動巡航控制，首先通過預置點設置不同的云臺停留位置，然后通過“加入巡航”按鈕可把對應的預置點加入到相應的巡航路徑中，每個預置點均可設置對應的停留時間和巡航速度。點擊“開始巡航”按鈕，云臺會按照各個設置預置點形成的巡航路徑進行往復自動巡航掃描。圖6為視頻模塊和云臺控制模塊程序框圖。

圖6 視頻模塊和云臺控制模塊程序框圖

3.2.2 激光氣體遙測模塊設計

圖7為激光氣體遙測模塊軟件界面，用于激光氣體遙測的數(shù)據(jù)通訊和參數(shù)控制，采用RS485協(xié)議進行數(shù)據(jù)的通訊，包括RS485端口參數(shù)設置，遙測氣體濃度數(shù)值實時顯示和濃度隨時間變化顯示，氣體濃度超限報警，超限報警日志，氣體濃度數(shù)據(jù)庫存儲及歷史數(shù)據(jù)查詢等。歷史數(shù)據(jù)查詢可查詢數(shù)據(jù)庫中任意一個時間段內(nèi)的氣體濃度數(shù)據(jù)，此外可進行該段查詢數(shù)據(jù)的導出保存，如圖8所示。

圖7 激光氣體遙測模塊軟件界面

圖8 歷史數(shù)據(jù)查詢軟件界面

4 系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

在甲烷氣體泄漏實際環(huán)境條件下，對三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)進行了甲烷氣體泄漏模擬實驗測試，測試地點在清華大學合肥公共安全研究院地下管網(wǎng)安全實驗平臺。采用不同的甲烷標準氣氣袋靠在黃色燃氣管道上來模擬甲烷氣體泄漏氣團，三維掃描激光氣體遙測儀發(fā)出的紅色指示激光用于遙測目標對準，測量時，紅色指示激光和近紅外探測激光穿過氣袋打到黃色燃氣管道上，以黃色燃氣管道作為背景反射物。圖9為1 900 ppm·m的甲烷標準氣氣袋測試結(jié)果，三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)測量結(jié)果的平均值為1 850.76 ppm·m，測量的相對誤差為-2.59%。

圖9 1 900 ppm·m甲烷標準氣氣袋測試結(jié)果

采用不同的甲烷標準氣濃度(分別為400 ppm·m，500 ppm·m，800 ppm·m，1 300 ppm·m，1 650 ppm·m和1 900 ppm·m)氣袋對系統(tǒng)進行了實際環(huán)境條件下的模擬實驗測試，測量結(jié)果如表1所示，6次測量的相對誤差分別為2.45%，-4.68%，-0.15%，-0.80%，-0.69%和-2.59%，相對誤差范圍在-4.68%～2.45%。如圖10(a)所示，對系統(tǒng)測量結(jié)果與標準濃度數(shù)據(jù)進行了最小二乘擬合和相關性分析，線性相關度R2=0.999，線性度較好，系統(tǒng)測量相對誤差曲線如圖10(b)所示。

表1 實際環(huán)境甲烷氣體泄漏模擬實驗測試結(jié)果

(a)系統(tǒng)測量濃度與標準濃度數(shù)據(jù)最小二乘擬合和相關性分析

(b)系統(tǒng)測量相對誤差曲線圖10 模擬實驗測試結(jié)果分析

通過模擬實驗測試，結(jié)果表明系統(tǒng)測量相對誤差在±5%范圍之內(nèi)，具有誤差允許范圍內(nèi)的一致性，驗證了整個系統(tǒng)測量的準確性和可靠性，與現(xiàn)有的三維掃描激光甲烷遙測儀±10%的測量誤差相比，有顯著的提升，提高了系統(tǒng)的檢測精度。

5 結(jié)論

本文介紹了三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)，通過LabVIEW平臺搭建了監(jiān)測系統(tǒng)軟件，利用平臺的圖形化編程環(huán)境和?？低旽CNetSDK.dll的大量庫函數(shù)提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，采用并行編程技術(shù)將視頻、云臺控制和激光氣體遙測等功能模塊化和集成化，易于用戶操作，同時保證了程序的可重用性和可擴展性。通過實際環(huán)境模擬甲烷泄漏氣團測試，系統(tǒng)實現(xiàn)了對三維掃描激光氣體遙測儀的遠程控制和視頻、氣體濃度等數(shù)據(jù)的實時采集，顯示、分析、存儲和歷史數(shù)據(jù)查詢等，測試結(jié)果表明系統(tǒng)測量相對誤差在±5 %范圍之內(nèi)，具有誤差允許范圍內(nèi)的一致性，完全可應用于實際燃氣管道和燃氣場站等場所天然氣突發(fā)泄漏的實時在線、非接觸、遠距離和高精度三維掃描遙測。