程 躍，周 振，劉 東，姜 靜，徐 俊，李云飛

(1.安徽建筑大學(xué)電子與信息工程學(xué)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(xué)合肥公共安全研究院，安徽合肥 230601；4.安徽建筑大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)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(dòng)吸氣式或被動(dòng)擴(kuò)散式進(jìn)行工作[1-3]，需要到泄漏氣體危險(xiǎn)區(qū)域近距離直接接觸檢測，使檢測人員置于危險(xiǎn)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(yuǎn)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(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)最遠(yuǎn)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(yuǎn)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(shí)際應(yīng)用需求。

LabVIEW軟件是一種獨(dú)立的圖形化設(shè)計(jì)和開發(fā)軟件，具有開發(fā)周期短，通用性強(qiáng)和擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各種監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)和開發(fā)[5-8]。本文基于LabVIEW設(shè)計(jì)和開發(fā)了一套功能齊全、集成度高和通用性強(qiáng)的三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了天然氣突發(fā)泄漏的實(shí)時(shí)在線、非接觸、高精度(小于±5%)和遠(yuǎn)距離(150 m)三維掃描監(jiān)測預(yù)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(jì)算機(jī)和基于LabVIEW設(shè)計(jì)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(jì)算機(jī)實(shí)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(shí)現(xiàn)遙測儀三維掃描雙艙防爆云臺(tái)的方位、自動(dòng)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(tái)、高清紅外夜視攝像和激光甲烷氣體遙測，其探測目標(biāo)為甲烷氣體，最遠(yuǎn)遙測距離可達(dá)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(jī)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(biāo)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(shí)現(xiàn)氣體突發(fā)泄漏探測[9-11]，圖3為基于非合作目標(biāo)激光氣體遙測框圖及其工作示意圖，系統(tǒng)主要包括光學(xué)部分和嵌入式采集控制分析模塊。光學(xué)部分為收發(fā)一體光學(xué)遙測組件，該光學(xué)遙測組件由DFB激光器(發(fā)射波長為1 653.7 nm)，準(zhǔn)直器，信號(hào)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(jìn)入準(zhǔn)直器，經(jīng)過準(zhǔn)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(tuán)，再經(jīng)過非合作目標(biāo)如墻體、地面、管道等反射物通過漫反射后形成回波信號(hào)光，該回波信號(hào)光再次經(jīng)過泄漏氣團(tuán)，被遙測儀信號(hào)光接收透鏡收集并聚焦到光電探測器上進(jìn)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(duì)DFB激光器輸出進(jìn)行鋸齒波掃描和正弦波調(diào)制，并通過PID算法對(duì)DFB激光器進(jìn)行高精度溫控，控溫精度為±0.01 ℃，同時(shí)對(duì)光電探測器信號(hào)進(jìn)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(shí)現(xiàn)一次諧波歸一化二次諧波信號(hào)(S2f/S1f)解調(diào)，并反演出泄漏氣體濃度，利用ARM對(duì)獲得的氣體濃度數(shù)據(jù)通過RS485實(shí)時(shí)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(hào)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(guān)系，因此，基于非合作目標(biāo)的激光氣體遙測采用S2f/S1f信號(hào)來解調(diào)氣體濃度可消除激光光強(qiáng)、光電探測器的響應(yīng)和不同非合作目標(biāo)反射等的變化對(duì)測量結(jié)果的影響。

3 系統(tǒng)監(jiān)測軟件設(shè)計(jì)

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(gè)模塊，分別為視頻模塊、云臺(tái)控制模塊和激光氣體遙測模塊。視頻模塊和云臺(tái)控制模塊通過以太網(wǎng)與三維掃描激光氣體遙測儀主機(jī)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(jī)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(duì)比度、色度和飽和度等參數(shù)，以及視頻攝像機(jī)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(tái)控制模塊包括云臺(tái)方位(左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上仰和下俯)手動(dòng)控制、云臺(tái)速度控制、云臺(tái)預(yù)置點(diǎn)設(shè)置和云臺(tái)自動(dòng)巡航設(shè)置(設(shè)置的預(yù)置點(diǎn)加入巡航線形成相應(yīng)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(bào)警設(shè)置、超限報(bào)警日志和歷史數(shù)據(jù)查詢等。氣體濃度超限報(bào)警數(shù)據(jù)以報(bào)警時(shí)間為指針存儲(chǔ)到Access數(shù)據(jù)庫中，歷史數(shù)據(jù)查詢子程序可對(duì)Access數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)以報(bào)警時(shí)間方式進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢和相應(yīng)時(shí)間段數(shù)據(jù)的保存等。

3.2 軟件系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

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(jìn)行設(shè)計(jì)，利用海康威視HCNetSDK.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(jìn)行軟件各功能模塊開發(fā)。

3.2.1 視頻模塊和云臺(tái)控制模塊設(shè)計(jì)

如圖5所示，是視頻模塊和云臺(tái)控制模塊軟件界面，視頻模塊包括實(shí)時(shí)視頻預(yù)覽和視頻控制按鈕，實(shí)時(shí)視頻預(yù)覽顯示云臺(tái)實(shí)時(shí)視頻畫面，畫面下面按鍵可進(jìn)行視頻畫面的亮度、對(duì)比度、飽和度和色度調(diào)節(jié)。視頻控制按鈕可進(jìn)行實(shí)時(shí)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(chǔ)等。

圖5 視頻模塊和云臺(tái)控制模塊軟件界面

云臺(tái)控制模塊包括云臺(tái)登錄、云臺(tái)控制和云臺(tái)巡航。輸入云臺(tái)主機(jī)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(tái)主機(jī)。云臺(tái)控制用于對(duì)云臺(tái)進(jìn)行手動(dòng)方位控制，可進(jìn)行云臺(tái)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、上仰和下俯控制，云臺(tái)運(yùn)轉(zhuǎn)速度從1到7個(gè)檔位可選，此外，可對(duì)云臺(tái)的燈光和雨刷進(jìn)行開、關(guān)控制。云臺(tái)巡航用于云臺(tái)自動(dòng)巡航控制，首先通過預(yù)置點(diǎn)設(shè)置不同的云臺(tái)停留位置，然后通過“加入巡航”按鈕可把對(duì)應(yīng)的預(yù)置點(diǎn)加入到相應(yīng)的巡航路徑中，每個(gè)預(yù)置點(diǎn)均可設(shè)置對(duì)應(yīng)的停留時(shí)間和巡航速度。點(diǎn)擊“開始巡航”按鈕，云臺(tái)會(huì)按照各個(gè)設(shè)置預(yù)置點(diǎn)形成的巡航路徑進(jìn)行往復(fù)自動(dòng)巡航掃描。圖6為視頻模塊和云臺(tái)控制模塊程序框圖。

圖6 視頻模塊和云臺(tái)控制模塊程序框圖

3.2.2 激光氣體遙測模塊設(shè)計(jì)

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(jìn)行數(shù)據(jù)的通訊，包括RS485端口參數(shù)設(shè)置，遙測氣體濃度數(shù)值實(shí)時(shí)顯示和濃度隨時(shí)間變化顯示，氣體濃度超限報(bào)警，超限報(bào)警日志，氣體濃度數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)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(gè)時(shí)間段內(nèi)的氣體濃度數(shù)據(jù)，此外可進(jìn)行該段查詢數(shù)據(jù)的導(dǎo)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(shí)際環(huán)境條件下，對(duì)三維掃描激光氣體遙測監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了甲烷氣體泄漏模擬實(shí)驗(yàn)測試，測試地點(diǎn)在清華大學(xué)合肥公共安全研究院地下管網(wǎng)安全實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。采用不同的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣氣袋靠在黃色燃?xì)夤艿郎蟻砟M甲烷氣體泄漏氣團(tuán)，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(biāo)對(duì)準(zhǔn)，測量時(shí)，紅色指示激光和近紅外探測激光穿過氣袋打到黃色燃?xì)夤艿郎?，以黃色燃?xì)夤艿雷鳛楸尘胺瓷湮铩D9為1 900 ppm·m的甲烷標(biāo)準(zhǔn)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(duì)誤差為-2.59%。

圖9 1 900 ppm·m甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣氣袋測試結(jié)果

采用不同的甲烷標(biāo)準(zhǔn)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際環(huán)境條件下的模擬實(shí)驗(yàn)測試，測量結(jié)果如表1所示，6次測量的相對(duì)誤差分別為2.45%，-4.68%，-0.15%，-0.80%，-0.69%和-2.59%，相對(duì)誤差范圍在-4.68%～2.45%。如圖10(a)所示，對(duì)系統(tǒng)測量結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)濃度數(shù)據(jù)進(jìn)行了最小二乘擬合和相關(guān)性分析，線性相關(guān)度R2=0.999，線性度較好，系統(tǒng)測量相對(duì)誤差曲線如圖10(b)所示。

表1 實(shí)際環(huán)境甲烷氣體泄漏模擬實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果

(a)系統(tǒng)測量濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度數(shù)據(jù)最小二乘擬合和相關(guān)性分析

(b)系統(tǒng)測量相對(duì)誤差曲線圖10 模擬實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果分析

通過模擬實(shí)驗(yàn)測試，結(jié)果表明系統(tǒng)測量相對(duì)誤差在±5%范圍之內(nèi)，具有誤差允許范圍內(nèi)的一致性，驗(yàn)證了整個(gè)系統(tǒng)測量的準(zhǔn)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(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，通過LabVIEW平臺(tái)搭建了監(jiān)測系統(tǒng)軟件，利用平臺(tái)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(tái)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(shí)保證了程序的可重用性和可擴(kuò)展性。通過實(shí)際環(huán)境模擬甲烷泄漏氣團(tuán)測試，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)三維掃描激光氣體遙測儀的遠(yuǎn)程控制和視頻、氣體濃度等數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，顯示、分析、存儲(chǔ)和歷史數(shù)據(jù)查詢等，測試結(jié)果表明系統(tǒng)測量相對(duì)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(yīng)用于實(shí)際燃?xì)夤艿篮腿細(xì)鈭稣镜葓鏊烊粴馔话l(fā)泄漏的實(shí)時(shí)在線、非接觸、遠(yuǎn)距離和高精度三維掃描遙測。