天然氣井甲烷逸散激光遙測光學(xué)收發(fā)傳輸特性研究

賈亞君 王明吉 呂妍 王迪 李玉爽 惠麗麗 周圍

基金項(xiàng)目：東北石油大學(xué)科技成果產(chǎn)業(yè)化培育基金（批準(zhǔn)號：15011210801）資助的課題。

作者簡介：賈亞君（1996-），碩士研究生，從事油氣泄漏光學(xué)檢測的研究。

通訊作者：李玉爽（1979-），副教授，從事激光檢測及信號處理的研究，wangdinepu@163.com。

引用本文：王明吉，賈亞君，呂妍，等.天然氣井甲烷逸散激光遙測光學(xué)收發(fā)傳輸特性研究[J].化工自動化及儀表，2023，

50（6）：000-000.

DOI：10.20030/j.cnki.1000-3932.202306000

摘? 要? 為提升天然氣井非合作目標(biāo)條件下逸散甲烷激光遙測系統(tǒng)回波信號的接收效率，通過蒙特卡洛光線追跡分析非合作目標(biāo)下甲烷遙測系統(tǒng)光學(xué)收發(fā)模塊的光路傳輸特性，開展光學(xué)收發(fā)模塊不同F(xiàn)數(shù)菲涅爾透鏡聚光性能分析、激光收發(fā)光機(jī)結(jié)構(gòu)（共軸、離軸）回波信號接收性能分析以及非合作目標(biāo)下不同孔徑菲涅爾透鏡回波信號接收性能分析。研制基于波長調(diào)制濃度反演算法的甲烷逸散激光遙測測試裝置，由濃度反演標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得到2f/1f信號幅值與CH4濃度間的線性關(guān)系（R2=0.99244）。測試結(jié)果表明：甲烷激光遙測系統(tǒng)最小檢測限（MDL）為3.81 ppm·m、平均時間456.2 s，證實(shí)系統(tǒng)具有較優(yōu)性能與便捷性。

關(guān)鍵詞? 波長調(diào)制濃度反演算法? 甲烷遙測? 天然氣逸散? 可調(diào)諧半導(dǎo)體吸收光譜? 光路傳輸? 激光? 離軸結(jié)構(gòu)

中圖分類號? TP751.2；TH83? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼? A? ? ? 文章編號? 1000-3932（2023）06-0000-00

天然氣在開采過程中容易從生產(chǎn)井系統(tǒng)的舉升管柱、壓縮機(jī)、氣動閥、地面集氣管線等泄漏逸散到空氣中。天然氣的主要成分是CH4，CH4作為溫室氣體，其溫室效應(yīng)比CO2更為明顯；同時，CH4是一種無色無味的易燃易爆氣體，與空氣混合形成易爆炸混合危險(xiǎn)氣體[1～4]，如果生產(chǎn)井發(fā)生天然氣泄漏，不僅污染大氣環(huán)境，還可能危及人的生命財(cái)產(chǎn)安全[5，6]。因此，對天然氣泄漏逸散進(jìn)行實(shí)時有效監(jiān)測具有重要意義。

可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術(shù)常與波長調(diào)制技術(shù)相結(jié)合來探測氣體濃度[7～9]，該技術(shù)目前已應(yīng)用于氣體遙測方面，優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)可提高非合作目標(biāo)條件下回波信號的接收效率及逸散甲烷激光遙測性能。文獻(xiàn)[10]研制了基于TDLAS技術(shù)的望遠(yuǎn)鏡收發(fā)系統(tǒng)，在單程40 m的遙測距離下具有良好的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及時間響應(yīng)性，其二次諧波信號和濃度具有良好的線性關(guān)系，仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性；文獻(xiàn)[11]采用焦距可調(diào)透鏡作為遙測裝置的準(zhǔn)直系統(tǒng)，解決了遙測裝置在不同探測環(huán)境下無法動態(tài)調(diào)整的問題，遙測系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確檢測甲烷濃度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了遙測系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用能力；文獻(xiàn)[12]研究了基于光信號自動優(yōu)化的甲烷遙測裝置，在光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)中引入電控可變焦透鏡，通過動態(tài)改變可變焦透鏡的焦距壓縮激光器的發(fā)散角，提高了遙測裝置的光接收效率；文獻(xiàn)[13]提出并論證了一種基于TDLAS技術(shù)的甲烷遙測系統(tǒng)，為了接收更多的信號光并提高信噪比，采用透鏡及其焦距、反射面光斑尺寸和濾光片對光路進(jìn)行了優(yōu)化；文獻(xiàn)[14]開發(fā)了一種基于TDLAS技術(shù)的傳感器，采用基于Herriott氣體吸收池的光路多程布置，實(shí)現(xiàn)在直徑76.2 mm的管道上提供4 297.4 mm的吸收路徑長度，對氧氣的極弱吸收作了補(bǔ)償；文獻(xiàn)[15]基于TDLAS技術(shù)研制檢測裝置，用于研究二極管泵浦堿激光（DPAL）發(fā)射波長附近的長路徑大氣傳輸，通過在單穩(wěn)態(tài)配置中使用單孔徑和回復(fù)反射器，大氣和平臺抖動相關(guān)的噪聲降低了約30倍。

由于甲烷激光遙測在非合作目標(biāo)靶面條件下回波信號弱，光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)作為回波信號的采集單元，其光路傳輸特性直接影響回波信號的接收能力，光學(xué)收發(fā)模塊的菲涅爾透鏡聚光性能及其回波信號接收性能對光路傳輸特性至關(guān)重要。因此，光學(xué)收發(fā)模塊的菲涅爾透鏡聚光性能及其回波信號接收性能是光學(xué)收發(fā)模塊回波信號接收強(qiáng)弱的重要影響因素。為此，筆者通過分別對光學(xué)收發(fā)模塊不同F(xiàn)數(shù)菲涅爾透鏡的聚光性能、激光收發(fā)光路模式（共軸、離軸）回波信號接收性能、不同孔徑菲涅爾透鏡聚光性能進(jìn)行模擬分析，研究甲烷逸散激光遙測系統(tǒng)的光路傳輸特性，在提升光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)回波信號接收效率的基礎(chǔ)上對比共軸和離軸兩種光學(xué)收發(fā)光機(jī)結(jié)構(gòu)，從而優(yōu)化光路。對甲烷遙測系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性測試和艾倫偏差分析，以分析所選尺寸與光路模式的性能。

1? 甲烷激光遙測濃度反演及光路傳輸分析方法

1.1? WMS-2f/1f甲烷激光遙測濃度反演方法

當(dāng)特定波長的激光入射到CH4氣體當(dāng)中，CH4氣體會對激光進(jìn)行選擇性吸收，激光光強(qiáng)隨之減弱，光強(qiáng)的衰減量和CH4氣體濃度呈正相關(guān)。

激光光強(qiáng)衰減遵循Beer-Lambert定律[16，17]：

（1）

其中，I為吸收后的激光光強(qiáng)；I0為激光光源發(fā)出的光強(qiáng)；C為待測氣體濃度；L為光路長度；α（v）為氣體吸收系數(shù)；S（T）為吸收譜線的線性強(qiáng)度；為吸收譜線的線性函數(shù)；N為氣體分子密度。

通過調(diào)制激光器的驅(qū)動電流改變激光器的輸出頻率和輸出光強(qiáng)。調(diào)制后的輸出頻率v和輸出光強(qiáng)I0分別為：

（2）

（3）

其中，`v為激光中心頻率；α為調(diào)制幅度；ω為正弦調(diào)制頻率；t為時間；`I0為激光在中心頻率處的平均強(qiáng)度；i1為線性強(qiáng)度調(diào)制度；ψ1為線性強(qiáng)度調(diào)制相移。

對式（1）中的氣體吸收系數(shù)α（v）進(jìn)行傅里葉級數(shù)展開，可得：

（4）

其中，An（`v，α）為吸收系數(shù)的第n階傅里葉展開系數(shù)。

式（4）中的n次諧波分量可表示為：

（5）

（6）

其中，P為氣體壓強(qiáng)。

由式（6）可知，吸收系數(shù)的各階傅里葉系數(shù)幅值皆正比于氣體濃度和光程的乘積。

第n次諧波的振幅可以由鎖定放大器提取和放大，經(jīng)運(yùn)算化簡，1f信號和2f信號的幅值R1f、R2f分別為：

（7）

（8）

其中，G為光電探測器的響應(yīng)系數(shù)。

一次諧波信號歸一化二次諧波信號S2f/1f為：

（9）

由式（9）可以看出，2f/1f峰值之比和濃度存在線性關(guān)系。

1.2? 甲烷激光遙測光學(xué)收發(fā)單元光路傳輸分析方法

通過蒙特卡洛光線追跡對甲烷遙測系統(tǒng)光學(xué)收發(fā)模塊進(jìn)行光路傳輸特性分析。光學(xué)收發(fā)模塊由激光器、激光準(zhǔn)直器、菲涅爾透鏡和激光檢測器構(gòu)成。

為探究不同F(xiàn)數(shù)、激光收發(fā)光機(jī)結(jié)構(gòu)（共軸、離軸）以及不同孔徑對菲涅爾透鏡聚光性能的影響，在TracePro軟件中分別建立模型，菲涅爾透鏡的通光口徑50 mm、厚度2 mm、棱鏡環(huán)距1 mm；激光光源為格點(diǎn)光源，波長1 653 nm；在菲涅爾透鏡的焦點(diǎn)處設(shè)置直徑6 mm、厚2 mm的圓板作為光電探測器，激光接收面為全吸收表面特性；非合作目標(biāo)為直徑100 mm、厚2 mm的圓板，目標(biāo)靶面設(shè)置為白漆平板的表面特性。

分別對以下3組模型進(jìn)行光路傳輸特性仿真。

第1組? 不同F(xiàn)數(shù)菲涅爾透鏡聚光性能分析。距菲涅爾透鏡200 mm入射側(cè)設(shè)置光源，光源直徑50 mm，總光通量10 mW。通過改變菲涅爾透鏡的焦距改變透鏡的F數(shù)。不同F(xiàn)數(shù)菲涅爾透鏡聚光光路模型如圖1所示。經(jīng)光路傳輸仿真，記錄其光學(xué)效率與檢測器接收面最大輻照度。

第2組? 激光收發(fā)光機(jī)結(jié)構(gòu)（共軸、離軸）回波信號接收性能分析。菲涅爾F數(shù)為1.6、光源直徑2 mm，總光通量6.5 mW，光束設(shè)置為高斯密度分布，發(fā)散角0.38 mrad；檢測距離0.5～6 m，步長0.5 m。菲涅爾透鏡入射側(cè)設(shè)置非合作目標(biāo)。光學(xué)收發(fā)模塊的菲涅爾透鏡和激光準(zhǔn)直器的裝配結(jié)構(gòu)通常分為共軸和離軸兩種方式，離軸、共軸菲涅爾透鏡收發(fā)光學(xué)模塊如圖2所示。經(jīng)光路傳輸仿真，記錄并對比兩種裝配方式不同檢測距離下的回波入射功率和回波接收功率。

第3組? 不同孔徑菲涅爾透鏡聚光性能分析。菲涅爾透鏡通光口徑分別25、50、75、100、150 mm，厚度2 mm，菲涅爾透鏡F數(shù)為1.6，光源直徑2 mm，總光通量10 mW，光束設(shè)置為高斯密度分布，發(fā)散角0.38 mrad；激光器與菲涅爾透鏡的裝配形式為離軸結(jié)構(gòu)；菲涅爾透鏡入射側(cè)設(shè)置非合作目標(biāo)；檢測距離1～50 m，步長2 m。非合作目標(biāo)下不同孔徑菲涅爾透鏡聚光分析仿真模型如圖3所示。經(jīng)光路傳輸仿真，記錄檢測器接收面回波接收功率。

2? 結(jié)果與討論

2.1? 甲烷激光遙測系統(tǒng)光學(xué)模塊光路傳輸分析結(jié)果

2.1.1? 不同F(xiàn)數(shù)菲涅爾透鏡聚光性能分析

菲涅爾透鏡不同F(xiàn)數(shù)的最大輻照度與光學(xué)效率仿真結(jié)果如圖4所示，菲涅爾透鏡的光學(xué)效率隨F數(shù)的增大而逐漸升高。當(dāng)F數(shù)較小時，相同孔徑菲涅爾透鏡隨F數(shù)減小而縮短焦距，當(dāng)部分入射光線透過短焦距菲涅爾透鏡時，其內(nèi)部會發(fā)生反射、超前折射及滯后折射等，造成光能量損失，產(chǎn)生無規(guī)則傳輸光路，導(dǎo)致菲涅爾透鏡的光學(xué)效率下降。當(dāng)F數(shù)大于1時，光學(xué)效率逐漸趨于穩(wěn)定；當(dāng)F數(shù)大于1.6時，菲涅爾透鏡直徑變化對光學(xué)效率影響不大，穩(wěn)定在91.5%附近，表明其光學(xué)效率達(dá)到最大值。此外，分析檢測器接收面入射光最大輻照度，當(dāng)F數(shù)大于1.6時，其最大輻照度值為65 mW/mm2左右。

在實(shí)際檢測過程中，輻照度過高會使光電探測器的接收面迅速升溫，長時間工作在高溫環(huán)境下將造成探測器的信噪比大幅降低甚至被永久性破壞。同時，通光口徑確定的情況下，F(xiàn)數(shù)過大，菲涅爾透鏡焦距延長，光學(xué)接收模塊的整體尺寸也將增大。

綜合考慮上述因素，采用F數(shù)為1.6的菲涅爾透鏡作為光學(xué)接收模塊的核心元件較為合適。

2.1.2? 激光收發(fā)光機(jī)結(jié)構(gòu)（共軸、離軸）回波信號接收性能分析

不同檢測距離下，激光收發(fā)光機(jī)結(jié)構(gòu)（共軸、離軸）回波信號接收性能分析結(jié)果如圖5所示，其縱軸取對數(shù)。分析圖5a可知，隨著檢測距離的增大，兩種激光收發(fā)光機(jī)結(jié)構(gòu)的激光回波入射功率迅速降低。由于非合作目標(biāo)表面的后向反射主要是漫反射形式，在半球空間方位角差別不大的情況下光線輻照強(qiáng)度基本一致，入射在兩種光學(xué)收發(fā)模塊的菲涅爾透鏡的激光回波功率大小接近，當(dāng)檢測距離大于3.5 m，離軸結(jié)構(gòu)的激光回波入射功率大于共軸結(jié)構(gòu)。分析圖5b可知，隨著檢測距離增大，光學(xué)收發(fā)結(jié)構(gòu)兩種不同裝配模塊的激光回波入射功率逐漸降低，當(dāng)檢測距離小于3.5 m時，共軸結(jié)構(gòu)的激光回波接收功率大于離軸結(jié)構(gòu)，當(dāng)檢測距離大于3.5 m時，離軸結(jié)構(gòu)的激光回波接收功率大于共軸結(jié)構(gòu)。

在實(shí)際的甲烷濃度遙測過程中，CH4氣體泄漏的安全遙測距離通常會大于4 m，并且與共軸結(jié)構(gòu)相比，離軸結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)過程中激光準(zhǔn)直器的裝配更為簡便。因此，在后續(xù)檢測實(shí)驗(yàn)中選擇離軸結(jié)構(gòu)更為合適。

2.1.3? 不同孔徑菲涅爾透鏡聚光性能分析

不同孔徑的菲涅爾透鏡回波接收功率的仿真結(jié)果如圖6所示，其縱軸取對數(shù)。可以看出，隨著檢測距離的增大，孔徑分別為25、50、75 mm的菲涅爾透鏡接收的激光回波功率迅速降低；孔徑為100、150 mm的菲涅爾透鏡接收的激光回波功率先增大后減小。

在檢測距離較近的情況下，孔徑100、150 mm的菲涅爾透鏡回波入射光線與光軸間的離軸角較大，透鏡焦點(diǎn)偏移量較大，焦斑面積增大，檢測器接收激光回波功率較小。隨著檢測距離逐漸增大，導(dǎo)致菲涅爾透鏡入射光線與主光軸間的離軸角逐漸減小，檢測器接收激光回波功率增大。當(dāng)透鏡入射光線與主光軸接近平行時，檢測器接收到的激光回波功率達(dá)到最大值。同時，由于距離不斷增大，檢測器接收的激光回波功率開始隨檢測距離的增大而逐漸減小。25、50、75 mm孔徑的菲涅爾透鏡的孔徑較小，焦距較小，入射光線與主光軸間的離軸角偏小，焦點(diǎn)偏移量較小，檢測器接收的激光回波功率較大。隨著距離增加，透鏡接收回波入射光線減少，接收激光回波功率減少。檢測距離增加至10 m后，檢測器接收的激光回波功率隨著菲涅爾透鏡孔徑的增大而增大，但孔徑為75、100、150 mm的菲涅爾透鏡回波信號接收功率數(shù)值相近。CH4氣體泄漏的安全遙測距離通常會大于4 m，考慮整個系統(tǒng)的尺寸與性能，選擇75 mm孔徑的菲涅爾透鏡較為合適。

經(jīng)上述3組模擬結(jié)果對比分析，對非合作目標(biāo)下甲烷激光遙測系統(tǒng)光學(xué)收發(fā)模塊進(jìn)行激光光路傳輸優(yōu)化。從光學(xué)效率、探測器接收面輻照度最大值和系統(tǒng)性能3個維度分析，選擇光學(xué)收發(fā)模塊的菲涅爾透鏡F數(shù)為1.6；從激光回波入射功率與激光回波接收功率和整個系統(tǒng)便攜性3個維度分析，菲涅爾透鏡與激光準(zhǔn)直器選擇非共光軸裝配方式；從系統(tǒng)整體尺寸與激光回波接收功率方面分析，菲涅爾透鏡孔徑選取75 mm。

2.2? 甲烷遙測系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置

基于TDLAS技術(shù)的甲烷激光遙測系統(tǒng)分為光學(xué)模塊與電氣模塊，甲烷激光遙測的開路TDLAS系統(tǒng)如圖7所示。

光學(xué)模塊主要由激光器、光纖準(zhǔn)直器、菲涅爾透鏡和檢測器組成。采用14針蝶形封裝的1 653.7 nm單模分布式反饋（DFB）激光二極管（EP-1653-DM，Eblana Photonics）作為光源，設(shè)定其工作溫度25 ℃，中心波長1 653.72 nm。采用光纖耦合準(zhǔn)直器（F220FC-1550，Thorlabs Inc.）準(zhǔn)直激光光束，光纖耦合準(zhǔn)直器與DFB激光二極管通過單模光纖連接。光電探測器選用InGaAs PIN光電二極管（LSIPD-L2，北京光感科技有限公司）。DFB激光器發(fā)射的激光由單模光纖傳輸至激光準(zhǔn)直器，經(jīng)激光準(zhǔn)直器準(zhǔn)直，激光光束穿過CH4氣體被非合作目標(biāo)反射，回波信號經(jīng)菲涅爾透鏡匯聚在光電探測器接收面。

電子模塊部分主要由STM32F407微控制器單元（MCU）控制。硬件支持浮點(diǎn)運(yùn)算和數(shù)字信號處理（DSP）指令，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力。

硬件設(shè)計(jì)支持蓄電池供電。

系統(tǒng)采用負(fù)壓恒流電路適應(yīng)蝶形激光二極管的輸出特性，設(shè)計(jì)了負(fù)壓恒流電路，激光二極管的溫度控制電路采用新型開關(guān)電源方式的半導(dǎo)體制冷器（TEC）電流控制方式，降低了溫度控制功耗，使長期溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.1 ℃。

在驅(qū)動信號產(chǎn)生部分，采用直接頻率合成（DDS）技術(shù)產(chǎn)生幅度穩(wěn)定、頻率可調(diào)的正弦波。

設(shè)計(jì)的具有數(shù)控基線和斜率的鋸齒波產(chǎn)生電路，其鋸齒波波形具有良好的線性度和平滑度。采用鋸齒波和正弦波作為激光器驅(qū)動信號的信號源。

光電轉(zhuǎn)換電路采用高速超低噪聲運(yùn)算放大器。攜帶CH4信息的電信號經(jīng)過多級帶通濾波電路和可編程增益放大電路進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

單片機(jī)實(shí)現(xiàn)動態(tài)增益調(diào)節(jié)，可有效處理微弱的激光回波信號。在信號處理中，通過嚴(yán)格的時序同步方法可以準(zhǔn)確鎖定調(diào)制頻率。1f和2f諧波分量通過快速傅里葉變換算法進(jìn)行分解。在MCU內(nèi)部對獲得的2f諧波信號進(jìn)行識別，進(jìn)一步完成2f/1f信號處理。并采用滑動平均法計(jì)算結(jié)果。最后將2f/1f信號的幅值內(nèi)插到濃度擬合公式中，得到實(shí)測CH4濃度。

為使系統(tǒng)便攜，采用Wifi方式與上位機(jī)通信，利用上位機(jī)軟件設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)，采集CH4濃度數(shù)據(jù)。

3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1? CH4濃度反演標(biāo)定

為評定仿真優(yōu)化后甲烷遙測系統(tǒng)的探測性能，對CH4進(jìn)行濃度反演標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。將5組不同標(biāo)準(zhǔn)濃度的CH4填充到透明氣體中，模擬天然氣泄漏云。透明氣球的材料是熱塑性聚氨酯，可以減少CH4分子在氣球表面的吸附。裝有CH4氣體的氣球尺寸都嚴(yán)格控制在20 cm。CH4的綜合濃度在300～2700 ppm·m變化，間隔600 ppm·m。以乳膠漆墻作為系統(tǒng)的非合作目標(biāo)與TDLAS遙測傳感器相距20 m。每次采樣時間100 s。記錄不同濃度的2f/1f信號幅度，每個采樣時間100 s。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8a所示，平均積分濃度繪制為2f/1f信號幅度的函數(shù)，2f/1f信號幅值與CH4積分濃度的關(guān)系如圖8b所示?？梢钥闯觯?f/1f信號的幅度與CH4濃度成正比。

推導(dǎo)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的線型擬合曲線為：

XCH4=723.4S（2f/1f）+106.9? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

其中，XCH4 為甲烷的積分濃度，即氣體濃度與光程的乘積；S（2f/1f）為2f/1f 信號幅值。

2f/1f信號幅值與CH4積分濃度的線性相關(guān)系數(shù)R2可達(dá)0.992 44，表示方程（10）對于目前甲烷激光遙測傳感的濃度反演是可行的。

3.2? 甲烷激光遙測性能表征

為了研究甲烷激光遙測系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在空曠走廊中對CH4氣囊進(jìn)行時間序列測量。使用蒙特卡洛光線追跡分析選定光學(xué)收發(fā)模塊尺寸與裝配方式的甲烷激光遙測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。甲烷激光遙測傳感器的采樣周期均為0.2 s。在1 200 s內(nèi)、20 m的檢測距離內(nèi)對綜合濃度為300 ppm·m的CH4氣囊進(jìn)行監(jiān)測。采用優(yōu)越的隔離策略，可以忽略氣流擾動對實(shí)驗(yàn)的影響。6 000個濃度數(shù)據(jù)依次記錄于圖9。在系統(tǒng)得到的測量周期內(nèi)均觀察到波動，這主要是由于傳感器系統(tǒng)內(nèi)部電子元件產(chǎn)生的背景噪聲所致。選定的尺寸系統(tǒng)獲得的測量數(shù)據(jù)波動范圍為0～43.01 ppm·m。

引入均方根誤差（RMSE）和示值穩(wěn)定性（IS）定量評估選定尺寸的甲烷激光遙測系統(tǒng)的穩(wěn)定性：

（11）

（12）

其中，N是數(shù)據(jù)樣本的總數(shù)；Xi為測量濃度；X0為實(shí)際濃度；Xmax為最大測量濃度；Xmin為最小測量濃度；Xmean是平均測量濃度。

經(jīng)光學(xué)收發(fā)傳輸特性分析，研制的甲烷遙測系統(tǒng)的RMSE和IS分別為12.17 ppm·m和86.12%。說明根據(jù)光學(xué)收發(fā)傳輸特性分析結(jié)果研制的甲烷激光遙測系統(tǒng)具有良好的檢測穩(wěn)定性。

平均時間函數(shù)的艾倫偏差如圖10所示。艾倫偏差反映了測量結(jié)果隨平均時間延長的波動。當(dāng)平均時間為0.2 s時，分析選定尺寸遙測系統(tǒng)的精度達(dá)到237.93 ppm·m。隨著平均時間的增加，白噪聲（即隨機(jī)信號）在此時間段內(nèi)占主導(dǎo)地位。通過延長平均時間可以抑制白噪聲分量的影響。艾倫偏差的最小值代表系統(tǒng)的最小噪聲，即傳感器系統(tǒng)的最大信噪比狀態(tài)。對于分析選定尺寸的遙測系統(tǒng)，平均時間為456.2 s時，MDL為3.81 ppm·m。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，選定尺寸的遙測系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗噪能力和較低的MDL。

為了評估甲烷激光遙測系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)，進(jìn)行了CH4濃度變化的測試實(shí)驗(yàn)。設(shè)置積分濃度分別為690 ppm·m（1#）和1 850 ppm·m（2#）的CH4氣囊作為檢測對象，對這兩種濃度的CH4氣囊進(jìn)行10 m遙測測試。每隔5 s手動切換兩個CH4氣囊，共交替切換3次。TDLAS遙測傳感器的動態(tài)響應(yīng)性能通過分析切換期間測量值變化達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的時間評估，結(jié)果如圖11所示。總測量時間45 s。在兩個CH4安全氣囊切換過程中，TDLAS遙測傳感器達(dá)到穩(wěn)態(tài)所需的平均時間為0.57 s。安全氣囊切換瞬間，TDLAS遙測傳感器仍然能響應(yīng)CH4濃度的變化。證實(shí)筆者設(shè)計(jì)的TDLAS遙測傳感器滿足CH4濃度快速變化的需要。

4? 結(jié)束語

為提升甲烷遙測系統(tǒng)的便捷性，在保證甲烷遙測系統(tǒng)檢測性能達(dá)到最大的基礎(chǔ)上，減小甲烷遙測系統(tǒng)的整體尺寸，通過蒙特卡洛光線追跡對非合作目標(biāo)下甲烷遙測系統(tǒng)光學(xué)收發(fā)模塊的光學(xué)傳輸特性進(jìn)行分析研究，選定菲涅爾透鏡F數(shù)為1.6、菲涅爾透鏡與激光準(zhǔn)直器選擇離軸裝配方式、菲涅爾透鏡孔徑選定75 mm。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合2f/1f信號幅度與CH4濃度之間的線性關(guān)系，R2=0.992 44。由穩(wěn)定性測試和艾倫偏差分析的RMSE和IS分別為12.17 ppm·m和86.12%；MDL為3.81 ppm·m，平均時間456.2 s，證實(shí)甲烷激光遙測系統(tǒng)具有良好檢測穩(wěn)定性與較低的MDL。根據(jù)光學(xué)傳輸特性分析結(jié)果研制的甲烷逸散激光遙測系統(tǒng)具有較優(yōu)的性能與便攜性，在CH4泄漏檢測中具有實(shí)際應(yīng)用前景。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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（收稿日期：2023-02-16，修回日期：2023-10-10）