林兆祥，黎 偉，吳 祺，佘明軍，李勝利

(1 中南民族大學 電子信息工程學院，武漢 430074；2 中原石油勘探局地質(zhì)錄井處，濮陽 457001)

在當今世界諸能源中，石油是最重要的戰(zhàn)略資源之一[1].石油工業(yè)的發(fā)展，已直接關(guān)系到國家的經(jīng)濟發(fā)展、政治穩(wěn)定和國家安全.在石油開采技術(shù)日益成熟的今天，及時地檢測鉆探地層的油氣信息、確定油層成為石油行業(yè)的重要環(huán)節(jié).傳統(tǒng)的氣相色譜技術(shù)檢測油氣輔助設(shè)備多、分析周期長，已無法實時、快速反應(yīng)油氣信息.

實驗室以DOAS[2,3]理論為基礎(chǔ)，開發(fā)出一套紅外烷烴光譜錄井儀，能夠在線、實時并快速反演出各種烷烴氣體的濃度.以MFC框架為基礎(chǔ)，設(shè)計實現(xiàn)了基于紅外烷烴光譜錄井分析儀的軟件平臺.該軟件采用多線程編程技術(shù)[4]，實現(xiàn)對海洋光學光譜儀軟件界面的二次開發(fā)，集成了儀器控制，數(shù)據(jù)保存、算法處理、串口傳輸?shù)裙δ?

1 測量原理及算法研究

1.1 DOAS技術(shù)原理

DOAS技術(shù)是通過氣體分子的窄帶吸收特性來鑒別氣體成分，并根據(jù)窄帶吸收強度來推演出微量氣體的濃度[2]，其光譜吸收強度遵循Lambert-Beer吸收定律.

該模型可以用如下的表達式來表示：

I(λ)=I0(λ)exp(-σ(λ)cL).

(1)

式中I0(λ)和I(λ)分別表示入射光強和透射光強，σ表示氣體分子的吸收截面，L表示光程長，c表示待測氣體的濃度.

1.2 算法研究

由于氣體分子中存在米散射和瑞利散射，同時受到粉塵等顆粒物、干擾氣體等影響.為了測得分子的真實吸收截面，將(1)式中的σ(λ)分為兩部分[2]：隨波長快速變化的窄帶吸收σ′(λ)截面和干擾因素引起的隨波長慢變化的寬帶吸收截面σs(λ).即：

σ(λ)=σ′(λ)+σs(λ).

(2)

由(2)式將通過吸收光譜獲得的吸光度表示為：

(σ′(λ)+σs(λ))cL.

(3)

通過對OD(λ)進行n階多項式擬合，求得隨波長慢變化引起的吸收度ODs(λ),再由(3)式反推出差分吸光度OD′(λ)[6]，氣體分子窄帶吸收截面可表示為：

(4)

結(jié)合(3)、(4)式，實驗室通過測量已知濃度氣體的吸光度OD(λ)，開展了氣體差分吸收截面σ′(λ)的測量[5].

結(jié)合(1)式得出多種混合氣體情況下的線性方程為：

(5)

2 實驗系統(tǒng)

2.1 硬件系統(tǒng)

整個實驗系統(tǒng)主要包括紅外光源、長光程氣體池、石英光纖、高性能近紅外光譜儀(NIRQuest256-2.1)和微型計算機(PC104)，儀器的光路和電路如圖1所示.

圖1 DOAS氣體檢測裝置示意圖

紅外光源發(fā)出的光經(jīng)過聚焦系統(tǒng)以后，通過光纖進入到長光程氣體池.經(jīng)過待測氣體吸收以后的出射光經(jīng)再次聚焦后由光纖進入到近紅外光譜儀，紅外烷烴光譜錄井分析軟件將光譜儀采集到的信號保存到PC104并進行數(shù)據(jù)處理、顯示與傳輸.其中，紅外光源為鹵鎢燈絲，可提供1000～2000nm波段的連續(xù)光譜.紅外光譜儀采集1600～1900nm范圍內(nèi)的紅外光譜.長光程氣體池是自行設(shè)計的長度為14m的長光程管.

2.2 軟件系統(tǒng)

紅外光譜錄井分析儀軟件部分主要對NIRQuest256-2.1型光譜儀進行二次開發(fā).通過調(diào)用OmniDiver32.dll中的函數(shù)，創(chuàng)建對象、設(shè)置采集參數(shù)、獲取光譜信息，最后對光譜數(shù)據(jù)使用最小二乘法反演出濃度信息并實時傳輸.軟件系統(tǒng)分為5個功能模塊：數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及參數(shù)校訂模塊.工作過程中，各模塊通過友好的控制界面實現(xiàn)人機交互，從而實現(xiàn)紅外光譜錄井分儀的系統(tǒng)功能.各功能模塊如圖2所示.

圖2 軟件功能框圖

2.2.1 數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)存儲

NIRQuest256-2.1型光譜儀中使用CCD模塊，每次能采集256個像素點.待參數(shù)設(shè)置完畢后，點擊單次采集/循環(huán)采集調(diào)用Wrapper_getSpectrum(WRAPPER_T c_wraper，int spec _trometerIndex，DOUBLEARRAY_T retval)函數(shù)獲取存儲光譜信息的DoubleArray類對象，并通過DoubleArray類中的getDoubleValue()函數(shù)獲取浮點型數(shù)據(jù).對應(yīng)的波長信息通過調(diào)用Wrapper_getWaveLength(WRAPPER_T c_wraper，int spectrometer_Index，int wavelength _index)獲得.軟件中使用NTGraph控件進行實時光譜數(shù)據(jù)的顯示，數(shù)據(jù)存儲模塊通過CStdioFile類創(chuàng)建文本文件，將獲取的光譜信息字符串化，并調(diào)用CStdioFile中的WriteString(CString str)函數(shù)存儲.

2.2.2數(shù)據(jù)處理與數(shù)據(jù)傳輸

數(shù)據(jù)處理模塊首先獲取實驗室測得的吸收截面，然后利用實際測量出的光譜信息計算出吸光度OD′(λ)，最后根據(jù)(5)式，利用最小二乘法反演出氣體的濃度信息并顯示在軟件界面中，同時軟件默認保存濃度信息在安裝目錄以供查看，數(shù)據(jù)處理流程如圖3.

圖3 數(shù)據(jù)處理流程

濃度信息傳送以串口傳輸實現(xiàn).數(shù)據(jù)傳輸速率為9600bps，發(fā)送或接收控制字符和數(shù)據(jù)的每個字節(jié)[7]包括9位: 8 個數(shù)據(jù)位,1 個停止位.傳輸過程以BB為開始標記和以FF為結(jié)束標記，各濃度信息以“123.123”的格式依次排列，非該格式以0補齊的方式實現(xiàn).

2.2.3 參數(shù)校訂模塊

儀器在長期使用或環(huán)境條件惡劣的情況下，光譜儀暗噪聲會存在些變化，同時光源的光強也會隨著時間的變化而改變，會給氣體的濃度測量造成一定的誤差，軟件中設(shè)置校正模塊，通過對標準氣體測量進行定標實驗，在儀器磨損情況下及時修正系統(tǒng)參數(shù)，以保證濃度反演的正確性和可靠性.

3 軟件測試及分析

在實驗室條件下通過注射器按4∶1∶1∶1∶1配比甲烷、乙烷、丙烷、正丁烷、異丁烷5種烷烴氣體，其余氣體以空氣填充.在常壓和1mL/min流速下對該混合氣體進行了多次測量，測試結(jié)果如表1所示.實驗表明在選取波段1680～1780nm內(nèi)有明顯的吸收效果，SLA-1型光譜錄井分析軟件的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)保存、數(shù)據(jù)傳輸、參數(shù)校訂等功能均能正常運行，能實時顯示出當前的光譜信息，并及時反演出各種氣體的組份信息.除丙烷濃度誤差偏大，其余濃度誤差均在5.5%以內(nèi)，對各種烷烴氣體能做到很好的區(qū)分效果，用戶界面如圖4所示.

表1 混合氣體注樣檢測誤差分析

圖4 軟件運行界面

4 結(jié)語

本文以差分吸收光譜技術(shù)為理論依據(jù)，研制了紅外烷烴光譜錄井分析儀，并以此為硬件平臺對差分吸收算法進行了研究和控制界面的開發(fā).實驗結(jié)果表明該軟件能滿足實時在線監(jiān)測烷烴氣體的要求.

[1] 朱未萍. 世界石油態(tài)勢及中國能源戰(zhàn)略[J]. 國際經(jīng)濟合作,2001,11:31-36.

[2] Platt U,Perner D.Simultaneous measurements of atmospheric CH2O,O3and NO3by differential optical absoption[J]. Geophys Res,1979,84:6329-6335.

[3] Platt U,Perner D.Direct measurements of atmospheric CH2O,HNO2,O3and SO2by differential absorption in the near UV[J]. Geophys Res,1980,85:7453-7458.

[4] 楊 永,高 嵩,陳超波,等. 多線程編程技術(shù)在數(shù)控測井軟件中的應(yīng)用[J]. 電子設(shè)計工程,2011,19(1):4-7.

[5] Meyers Robert A.Encyclopedia of Environment Analysis and Remendiation[M]. New York:John Wiley & Sons Inc,1998.

[6] 王新和,程世洲. 曲線擬合的最小二乘法[J]. 新疆職業(yè)大學學報,2004,2:84-86.

[7] 李云勝. 基于VC的液體點滴實時監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]. 計算機應(yīng)用,2003(S2):457-460.