濮御 李品燁 李天奎 馬鵬博 王迪 李棟

摘 ?????要：管道老化、焊接不良等因素引起管道氣體泄漏，對(duì)無(wú)合作目標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究可以極大地彌補(bǔ)開(kāi)放光路激光檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)突發(fā)性泄漏事故的檢測(cè)需求，而不同的目標(biāo)表面及檢測(cè)距離均會(huì)對(duì)激光回波信號(hào)的強(qiáng)弱造成影響。利用TracePro軟件模擬了探測(cè)目標(biāo)表面?zhèn)鬏斶^(guò)程中的能量分布與方向特性，并開(kāi)展了非合作目標(biāo)條件下氨氣激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明：采用發(fā)射與接收共光軸的光機(jī)結(jié)構(gòu)并垂直于目標(biāo)表面照射時(shí)可獲得更高的回波信號(hào)強(qiáng)度;二次諧波信號(hào)幅值隨檢測(cè)距離先增大后減小。

關(guān) ?鍵 ?詞：非合作目標(biāo);開(kāi)放光路;激光檢測(cè);氣體

中圖分類(lèi)號(hào)：O433.1???????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：?A ??????文章編號(hào)： 1671-0460（2020）01-0037-04

Study on the Influence of Surface Retroreflection Characteristics of Non-cooperative Targets on Laser Detection of Gas Pollutants

PU?Yu¹， LI?Pin-ye²， LI?Tian-kui²， MA?Peng-bo¹， 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： Aging?of?pipeline， poor welding and other factors always cause pipeline?leaking. The research on the non-cooperative target monitoring system can greatly make up?the TDLAS open optical path monitoring system for the detection of sudden leakage accidents. However，?the different target surface and detection distance will affect the strength of the laser echo signal. In this paper， the energy distribution and directional characteristics of the target surface during the transmission process?was simulated?by TracePro， and NH₃?laser detection experiment based on TDLAS?under non-cooperative target conditions was carried out. The results showed?that higher?optimal echo signal intensity was obtained by using the optomechanical structure that emits laser beam and receives its reflection along the common optical axis which is?perpendicular to the target surface. The amplitude of the second harmonic signal increased?first and then decreased?with the increase of the detection distance.

Key words：?Non-cooperative target;?Open?optical path;?Laser detection;?Gas

管道運(yùn)輸具有輸送量大、能耗低、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)勢(shì)^[1-4]，然而，自然腐蝕、焊接不良等因素導(dǎo)致管道發(fā)生泄漏甚至斷裂，泄漏氣體會(huì)對(duì)環(huán)境造成極大的破壞。因此，管道氣體的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，對(duì)事故發(fā)生后的應(yīng)急處理有著重要意義^[5]?？烧{(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術(shù)由于其分辨率高、選擇性良好、響應(yīng)時(shí)間快、可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)^[6，7]，成為當(dāng)今氣體監(jiān)測(cè)研究領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

對(duì)TDLAS開(kāi)放式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究可滿(mǎn)足大空間內(nèi)管道泄漏進(jìn)行遙測(cè)的需求，許多學(xué)者對(duì)此已展開(kāi)研究。Zhu等^[8]基于TDLAS技術(shù)與拉格朗日色散模型，開(kāi)發(fā)了一種測(cè)量區(qū)域源甲烷排放率的新方法;Xin等^[9]基于可調(diào)諧半導(dǎo)體激光吸收開(kāi)展了開(kāi)放光路二氧化碳測(cè)量實(shí)驗(yàn)，激光束以4 mrad的發(fā)散角發(fā)射到開(kāi)放路徑大氣中，通過(guò)角反射器反射后進(jìn)行信號(hào)接收;丁武文等^[10]提出了一種“基線(xiàn)偏置”的TDLAS遙測(cè)系統(tǒng)，提高了該系統(tǒng)對(duì)甲烷積分濃度的探測(cè)極限;王書(shū)濤等^[11]使用了全反射棱鏡配合凹面鏡的方法增加了光程，提高了檢測(cè)精度。

以上所述的開(kāi)放式監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通常需要結(jié)合角反射鏡陣列為合作目標(biāo)，導(dǎo)致該系統(tǒng)不能靈活地檢測(cè)突發(fā)性泄漏事故^[12]。而對(duì)于無(wú)合作目標(biāo)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，接收激光的目標(biāo)表面有很大的不確定性，回波信號(hào)強(qiáng)度常受到目標(biāo)表面粗糙度、種類(lèi)等因素的影響而下降^?[13，14]。針對(duì)該問(wèn)題，本文對(duì)非合作目標(biāo)的后向反射特性進(jìn)行了仿真模擬，并通過(guò)開(kāi)放光路氣體激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)研究了不同目標(biāo)表面下檢測(cè)距離對(duì)接收信號(hào)的影響規(guī)律。

1 ?非合作目標(biāo)表面后向反射特性

圖1為雙向分布函數(shù)的空間幾何模型，BRDF定義為出射方向的輻亮度與入射方向的輻照度之比^[15]。BRDF既能確定入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)某個(gè)表面后在各個(gè)出射方向上的分布特征，又能確定出射光線(xiàn)的輻亮度。

其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

???（1）

式中： dE_i?—入射激光沿入射方向在微元表面的輻照度;

dL_r?—微元表面經(jīng)照射后在出射方向上的反射輻亮度;

θ_i和φ_i?—分別為入射光的天頂角和方位角;

θ_r和φ_r?—分別為出射光的天頂角和方位角。

入射輻照度E_i為照射到單位微元面積上的輻射通量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（2）

出射輻亮度L_r為微元表面沿某一反射方向上單位投影面積和單位立體角上的輻射通量，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

（3）

對(duì)于均勻擴(kuò)展表面，采用單位面積上的入射功率P_i與反射功率P_r表述BRDF為

（4）

基于Monte Carlo與Non-Sequential方法的TracePro光學(xué)輻照分析軟件同時(shí)考慮光線(xiàn)傳輸過(guò)程中的能量特性與方向特性，在光線(xiàn)與模型的每個(gè)接觸點(diǎn)均遵從光學(xué)基本定律，并且該軟件內(nèi)置常見(jiàn)物體的吸收率、鏡反射率、透過(guò)率及BRDF等表面特性參數(shù)。在TracePro中常采用ABg模型表述物體表面BRDF特性，其表達(dá)式為

（5）

式中： β—鏡反射方向的單位矢量在物體表面的投影;

β₀?—散射方向的單位矢量在物體表面的投影;

A、B、g?—一般通過(guò)經(jīng)驗(yàn)獲取或?qū)嶒?yàn)方法獲取。

本文運(yùn)用TracePro光學(xué)軟件對(duì)氨氣泄漏激光檢測(cè)系統(tǒng)光束照射目標(biāo)表面進(jìn)行仿真，建立如圖2所示的無(wú)合作目標(biāo)表面后向反射特性仿真模型，開(kāi)展不同種類(lèi)表面下的回波信號(hào)強(qiáng)度分布規(guī)律的研究。

采用10?000 mm半徑的空心半球內(nèi)壁作為探測(cè)表面對(duì)反射光接收，其表面特性設(shè)定為完全吸收入射光線(xiàn);入射激光光源波長(zhǎng)為1512.2 nm，光束半徑1.5 mm，總的光通量10 mW，發(fā)散角1 mrad，無(wú)偏振。根據(jù)Monte Carlo光線(xiàn)追跡法原理，光線(xiàn)數(shù)目越多，越接近實(shí)際效果，但考慮到計(jì)算機(jī)運(yùn)算效率，設(shè)定光線(xiàn)數(shù)目2?997?001條。分別選用拋光不銹鋼、PVC管材、噴塑涂層及白墻乳膠漆作為目標(biāo)表面，各材料表面特性參數(shù)如表1所示。

2 ?開(kāi)放光路氣體激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)

本文以氨氣作為檢測(cè)對(duì)象，圖3和4分別為開(kāi)放光路無(wú)合作目標(biāo)條件下TDLAS氨氣激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)的原理圖和實(shí)物圖。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的低頻鋸齒波信號(hào)和高頻正弦波信號(hào)同時(shí)疊加到電流驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)DFB激光器的波長(zhǎng)調(diào)諧。激光光束經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直擴(kuò)束后穿透氨氣氣袋后由非合作目標(biāo)表面反射回波信號(hào)，選用白墻乳膠漆表面和機(jī)械油漆表面作為非合作目標(biāo)表面，經(jīng)氨氣吸收后的回波信號(hào)通過(guò)菲涅爾透鏡聚焦進(jìn)入探測(cè)器，由示波器采集數(shù)據(jù)并可視化。

3 ?結(jié)果與分析

通過(guò)改變激光光源在-30°～30°范圍內(nèi)的入射方向?qū)δ繕?biāo)表面照射，得到圖5所示的回波光通量空間分布。

分析仿真結(jié)果可知，拋光不銹鋼表面的回波功率分布呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布，其反射特性為鏡反射，回波反射方向與激光入射方向遵循反射定律，反射光強(qiáng)不隨激光入射角度的變化而變化;PVC管材表面的后向反射特性與拋光不銹鋼表面的鏡反射類(lèi)似，但是其能級(jí)比后者降低1個(gè)數(shù)量級(jí)，主要原因是由于表面材料對(duì)入射光強(qiáng)存在較高的吸收效應(yīng)，當(dāng)檢測(cè)激光光束的探測(cè)角度增大時(shí)，其回波功率分布表現(xiàn)出非對(duì)稱(chēng)性，峰值兩側(cè)能量并不像拋光不銹鋼表面一樣接近于0，而是逐漸向遠(yuǎn)離峰值中心減小;白墻乳膠漆表面的后向反射回波功率接近朗伯余弦反射規(guī)律，由于白墻乳膠漆表面微小孔隙間的隨機(jī)散射造成明顯的均勻漫反射特性，檢測(cè)激光光束的探測(cè)角度對(duì)其回波功率分布幾乎無(wú)影響，回波光強(qiáng)主要集中于表面激光照射點(diǎn)的法線(xiàn)方向;而機(jī)械油漆表面的反射特性則介于鏡反射特點(diǎn)與均勻漫反射特點(diǎn)之間，并且偏離垂直表面照射時(shí)，探測(cè)角度越大，其回波功率曲線(xiàn)峰值越小。因此，在無(wú)合作目標(biāo)條件下，氣體泄漏激光檢測(cè)系統(tǒng)采用發(fā)射與接收共光軸的光機(jī)結(jié)構(gòu)并垂直于目標(biāo)表面照射時(shí)可獲得更高的回波信號(hào)強(qiáng)度。

文獻(xiàn)[16]開(kāi)展了0.6～1 m范圍內(nèi)甲烷激光遙測(cè)的實(shí)驗(yàn)，選用紅色磚塊作為無(wú)合作目標(biāo)進(jìn)行了激光漫反射測(cè)量，將其得到的甲烷吸收2f信號(hào)幅值與本文氨氣吸收2f信號(hào)幅值進(jìn)行對(duì)比分析，如圖6所示。

分析結(jié)果可知，雖然本文與文獻(xiàn)所檢測(cè)的氣體種類(lèi)、檢測(cè)距離范圍及無(wú)合作目標(biāo)表面盡不相同，但是二次諧波信號(hào)幅值隨檢測(cè)距離的變化規(guī)律是一致的，均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，即非合作目標(biāo)表面條件下激光檢測(cè)氣體的二次諧波信號(hào)并非隨檢測(cè)距離增加而一直減小，其存在最佳檢測(cè)距離。

對(duì)于產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可以從以下進(jìn)行解釋?zhuān)寒?dāng)接收光學(xué)系統(tǒng)與目標(biāo)表面之間的距離較小時(shí)，漫反射回波光線(xiàn)與接收光學(xué)系統(tǒng)入瞳處菲涅爾透鏡離軸角較大，菲涅爾透鏡的匯聚點(diǎn)發(fā)生偏移，由于探測(cè)器感光面有限，導(dǎo)致部分?jǐn)y帶吸收信號(hào)的回波光線(xiàn)無(wú)法被聚焦到探測(cè)器信號(hào)接收面，隨著檢測(cè)距離增加，回波光線(xiàn)入射離軸角逐漸減小，進(jìn)入探測(cè)器感光面的回波信號(hào)越來(lái)越多。因此，當(dāng)檢測(cè)距離較小時(shí)，二次諧波信號(hào)幅值隨檢測(cè)距離的增大而增大;隨著檢測(cè)距離的繼續(xù)增加，回波光線(xiàn)離軸角小于菲涅爾透鏡視場(chǎng)角，所有攜帶吸收信號(hào)的回波光線(xiàn)均可以被探測(cè)器接收，但是經(jīng)目標(biāo)表面反射的回波功率隨檢測(cè)距離增加而迅速下降，造成二次諧波信號(hào)幅值不斷減小。因此，二次諧波信號(hào)幅值隨著檢測(cè)距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化關(guān)系。雖然本文并未對(duì)開(kāi)放光路氣體激光檢測(cè)進(jìn)行定量分析，但是通過(guò)二次諧波信號(hào)幅值來(lái)表征氣體是否泄漏仍具有一定可行性。

4 ?結(jié)論

（1）基于TracePro光學(xué)軟件對(duì)四種非合作目標(biāo)表面?zhèn)鬏斶^(guò)程中的能量特性與方向特性進(jìn)行了仿真模擬，結(jié)果表明，采用發(fā)射與接收共光軸的光機(jī)結(jié)構(gòu)并垂直于目標(biāo)表面照射時(shí)可獲得更高的回波信號(hào)強(qiáng)度。

（2）以白墻乳膠漆表面和機(jī)械油漆面板作為非合作目標(biāo)表面，開(kāi)展了非合作目標(biāo)條件下TDLAS氨氣激光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，得出的氣體二次諧波信號(hào)幅值隨著檢測(cè)距離的增大呈現(xiàn)先增大后減小的變化關(guān)系。

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