中圖分類號(hào)： ； TP392 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2025）05-0119-04

Abstract：In order to further ensure the safety of natural gas transportation in gas pipelines，a gas pipeline detection and positioning system based on cavity output spectroscopy technology was proposed to accurately detect gas leakage in the environment.Among them，the leakage gas detection method based on cavity output spectroscopy technology is used to construct a detection system.The experimental results show that the designed gas pipeline detection systembased on spectral technologycan respond quickly to thechange of leakage concentration in diferent environments，and realize theaccurate detection of leakage.It can be applied to theactual scene and has high reliability. Key words ： pipeline leakage ；spectroscopy ；system testing

在當(dāng)前的社會(huì)日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，天然氣已經(jīng)成為了重要的常用能源之一，各類場(chǎng)景的天然氣需求量也急速增長(zhǎng)。天然氣的主要運(yùn)輸方式為管道運(yùn)輸，管理不善極易造成天然氣泄漏的情況，進(jìn)而造成嚴(yán)重的事故，及時(shí)進(jìn)行天然氣管道的泄漏檢測(cè)，能夠在發(fā)生泄漏時(shí)進(jìn)行及時(shí)的檢修，避免事故的發(fā)生[14]。陳修偉等針對(duì)低信噪比條件下天然氣管道運(yùn)輸存在的定位誤差問(wèn)題，提出了一種基于功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)計(jì)算信號(hào)傳輸延時(shí)同時(shí)結(jié)合聲音傳播速度和管道長(zhǎng)度信息，對(duì)管道泄漏位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位；趙錦鵬等針對(duì)天然氣管道泄漏檢測(cè)問(wèn)題，提出了一種基于貝葉斯推理的馬爾科夫鏈蒙特卡洛法的天然氣管道泄漏檢測(cè)方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)管道泄漏位置和泄漏速度的準(zhǔn)確檢測(cè)，根據(jù)實(shí)際的泄漏情況進(jìn)行事故處理的判定[]；陳易然等針對(duì)農(nóng)村天然氣使用的安全問(wèn)題，基于LoRa遠(yuǎn)距離通信技術(shù)設(shè)計(jì)了一種天然氣泄漏檢測(cè)方法，該方法通過(guò)對(duì)天然氣管道進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠?qū)艿佬孤┣闆r進(jìn)行及時(shí)檢測(cè)，進(jìn)而對(duì)泄漏情況進(jìn)行及時(shí)處理[7]。由于當(dāng)前的天然氣需求量不斷增加，泄漏往往會(huì)造成難以估量的事故，因此，當(dāng)前的天然氣泄漏檢測(cè)需要精度較高、性能良好的檢測(cè)方法保證檢測(cè)的及時(shí)和準(zhǔn)確。故提出一種基于離軸積分腔輸出光譜技術(shù)的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同程度的天然氣泄漏情況進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。

1腔輸出光譜技術(shù)

腔輸出光譜技術(shù)是基于腔增強(qiáng)光譜吸收技術(shù)CEAS發(fā)展起來(lái)的，是主要的紅外線光譜吸收技術(shù)之一，該技術(shù)在保留腔的吸收放大特性的同時(shí)，還可消除腔內(nèi)的諧振問(wèn)題[8]

腔輸出光譜技術(shù)相比于其他基于腔的吸收方法，復(fù)雜度更低，尤其在進(jìn)行光線的人射角度的設(shè)置時(shí)，該技術(shù)不需要對(duì)入射角度進(jìn)行嚴(yán)格保證，進(jìn)而大大降低了測(cè)試難度[9]

腔輸出光譜技術(shù)以朗伯-比爾定律作為理論依據(jù)，技術(shù)的核心為諧振腔的設(shè)計(jì)，而對(duì)諧振腔設(shè)計(jì)質(zhì)量影響最主要的原因是反射中的光能損耗。近年來(lái)由于鍍膜工藝技術(shù)的不斷發(fā)展成熟，光能損耗問(wèn)題得以解決，諧振腔不再受反射過(guò)程中的光斑交疊影響，使得氣室有效光程得以大大提升[10-11]

在腔輸出光譜技術(shù)的腔設(shè)計(jì)時(shí)，需首先考慮腔的穩(wěn)定性問(wèn)題，2個(gè)高反鏡規(guī)格通常相同，若設(shè)定其曲率半徑為 r ，腔長(zhǎng)為 L ，則可得腔穩(wěn)定的條件為：

即滿足條件：

腔中的耦合方式包括離軸人射和共軸入射2種，離軸入射時(shí)，首先進(jìn)行準(zhǔn)直器的角度調(diào)整，保證激光在入射到離腔鏡時(shí)偏離軸線方向，同時(shí)激發(fā)腔內(nèi)的高階模；在共軸入射時(shí)，則與離軸入射恰好相反，需沿腔鏡的軸線方向入射至腔內(nèi)，同時(shí)形成諧振[12]。光線從高反鏡 $M_{＼mathfrak{r}}$ 的軸心處進(jìn)人腔內(nèi)，并在 和 之間網(wǎng)絡(luò)往返，在經(jīng)過(guò)多次反射后再通過(guò) 出射。

通過(guò)對(duì)射人光線的人射位置進(jìn)行調(diào)節(jié)可對(duì)腔內(nèi)的光線反射情況進(jìn)行改變。光線在通過(guò)反射從 出射時(shí)，會(huì)向外發(fā)散，并通過(guò)平凸鏡改變光線的傳播角度，最終達(dá)到探測(cè)器的光敏面上。

2基于腔輸出光譜技術(shù)的燃?xì)夤艿罊z測(cè)定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天然氣的主要成分為甲烷（ ）和乙烷（ ），因此在進(jìn)行燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)時(shí)，主要的檢測(cè)對(duì)象為甲烷和乙烷，并以此進(jìn)行基于腔輸出光譜技術(shù)的燃?xì)庑孤z測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2.1 光學(xué)系統(tǒng)

光學(xué)系統(tǒng)是泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中 傳感器部分的核心模塊。在光學(xué)系統(tǒng)中，初始為兩束激光，分別由2個(gè)DFB激光器生成得到，再通過(guò)光纖波分復(fù)用器將兩束激光進(jìn)行合并再發(fā)射。通過(guò)調(diào)整激光的入射角度和位置，達(dá)到腔體共軸和離軸調(diào)試的目的，腔體另一側(cè)固定平凸鏡以聚焦光強(qiáng)，可進(jìn)一步提升探測(cè)器的可探測(cè)光功率。

2.1.1 光路調(diào)試

光路調(diào)試分為離軸和主軸，前者通過(guò)紅光進(jìn)行光路對(duì)直，常用的實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景為昏暗場(chǎng)景，便于觀察[13]。光路對(duì)直中，以下幾個(gè)條件為硬性要求：（1）紅光的入射方向需沿兩高反鏡軸線方向；（2）2個(gè)高反鏡的安裝必須滿足絕對(duì)平行且軸心重合的情況；（3）發(fā)射中心與高反鏡軸線三點(diǎn)一線。

當(dāng)紅光與高反鏡產(chǎn)生的牛頓環(huán)的軸心重合時(shí)，即表示紅光對(duì)直，此時(shí)將紅光轉(zhuǎn)換為近紅外激光會(huì)使得光線的路徑發(fā)生細(xì)小變化，為此，通過(guò)激光進(jìn)行光路的再次調(diào)試，而由于紅外光的不可見(jiàn)的特性，使其無(wú)法直接進(jìn)行光路軌跡的顯示，針對(duì)此種情況，設(shè)計(jì)選擇將光電探測(cè)器所得信號(hào)反饋至示波器上進(jìn)行調(diào)試，得到狀態(tài)最佳的基模[14] O

在后續(xù)的離軸調(diào)試中，通過(guò)加大信號(hào)發(fā)生器三角波的掃描范圍，會(huì)使得得到的基模變得越來(lái)越密集，進(jìn)而得到較為穩(wěn)定的三角波。

2.1.2 探測(cè)器

腔中的高反鏡存在反射率過(guò)高的問(wèn)題，使得功率較小的激光打入腔體內(nèi)后，投射出來(lái)的激光的功率會(huì)降到更小的級(jí)別，而在此種情況下若使用常用的商用探測(cè)器會(huì)使得腔內(nèi)的微弱信號(hào)無(wú)法檢測(cè)。針對(duì)上述問(wèn)題，設(shè)計(jì)一個(gè)基于跨阻放大的高增益低噪聲探測(cè)器光電轉(zhuǎn)換電路，同時(shí)選擇光明面更大的光電二極管，減小設(shè)備的機(jī)械誤差。

將設(shè)計(jì)的探測(cè)器應(yīng)用于腔中時(shí)，可進(jìn)一步提升其信號(hào)探測(cè)水平，具有更好的靈敏度，進(jìn)而對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)。

2.1.3 光程標(biāo)定

在進(jìn)行有效光路長(zhǎng)度的標(biāo)定時(shí)，通過(guò)鋸齒掃描信號(hào)進(jìn)行中心波長(zhǎng)位置的分布式反饋激光器電流的掃描，目的在于讓激光波長(zhǎng)掃描吸收峰，同時(shí)將一定濃度水平的甲烷樣本注人至腔中[15]。通過(guò)觀察腔內(nèi)信號(hào)變化情況，將獲取到的信息與吸光度公式相結(jié)合可計(jì)算得到吸光度值，再根據(jù)分子吸收數(shù)據(jù)庫(kù)可進(jìn)行實(shí)際總光程的確定。

2.2 電學(xué)與氣路系統(tǒng)

檢測(cè)系統(tǒng)的電路部分除了進(jìn)行光點(diǎn)信號(hào)的處理，同時(shí)還負(fù)責(zé)保持腔內(nèi)的溫度和壓強(qiáng)恒定不變[16]

溫度壓強(qiáng)控制電路在進(jìn)行腔內(nèi)的溫度控制時(shí)，溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)和數(shù)據(jù)采集，再根據(jù)反饋情況進(jìn)行電路工作電流的調(diào)整，使得溫度動(dòng)態(tài)恒定，整個(gè)控制過(guò)程通過(guò)PID算法實(shí)現(xiàn)；壓控電路通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行腔內(nèi)的壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)，在進(jìn)行腔內(nèi)壓強(qiáng)的控制時(shí)，主要通過(guò)控制腔的進(jìn)氣口和出氣口的比例閥開(kāi)口大小實(shí)現(xiàn)，能夠維持腔體內(nèi)壓強(qiáng)的動(dòng)態(tài)平衡[17]。

氣路系統(tǒng)的主要功能包括向腔體內(nèi)配置待測(cè)氣體以及控制腔體內(nèi)氣體流速。當(dāng)傳感器進(jìn)行氣體標(biāo)定時(shí)，需要使用到氣瓶和氣體采樣模塊，并對(duì)采集到的待測(cè)氣體進(jìn)行稀釋處理，而在系統(tǒng)進(jìn)行較大環(huán)境的氣體泄漏檢測(cè)時(shí)，為了使得檢測(cè)范圍足夠大，在腔體的進(jìn)氣口增添大功率氣泵，將外界氣體泵入腔內(nèi)。

2.3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)的基于腔輸出光譜技術(shù)的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)系統(tǒng)的各部分模塊進(jìn)行設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

如圖1所示，檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用于燃?xì)夤艿赖臍怏w泄漏的檢測(cè)，相比于傳統(tǒng)的檢測(cè)方法能夠?qū)崿F(xiàn)更好的檢測(cè)效果。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證

3.1 環(huán)境搭建

為驗(yàn)證燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)系統(tǒng)性能，搭建了實(shí)驗(yàn)環(huán)境。首先進(jìn)行實(shí)驗(yàn)元件的選擇：除使用必要的傳感器以外，所需的元件還包括風(fēng)速儀（型號(hào)YOUNG81000）GPS（GPS500）、上位機(jī)系統(tǒng)（Lab-VIEW）[19]。同時(shí)，為了減小在移動(dòng)巡視檢測(cè)過(guò)程中外界震動(dòng)給光學(xué)系統(tǒng)帶來(lái)的影響，設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的減震模塊，主要包括光學(xué)系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、龍門架設(shè)計(jì)以及橡膠墊緩沖設(shè)計(jì)。在減震模塊中，龍門架能夠保證系統(tǒng)的相對(duì)水平以及較少的外界接觸，橡膠軟墊的添加則可使得系統(tǒng)不出現(xiàn)較大的位置變化，同時(shí)使用CYT9200振動(dòng)傳感器進(jìn)行儀器的震動(dòng)系數(shù)的測(cè)試，整體上減小外界震動(dòng)帶來(lái)的影響。

3.2氣體數(shù)據(jù)采集與預(yù)處理

系統(tǒng)采集到的氣體數(shù)據(jù)無(wú)法直接用于系統(tǒng)測(cè)試，這是由于測(cè)試環(huán)境復(fù)雜，會(huì)使得采集到的氣體中包含雜質(zhì)，因此需對(duì)采集到的待測(cè)氣體進(jìn)行預(yù)處理。預(yù)處理方式主要是在系統(tǒng)的進(jìn)氣口和出氣口位置設(shè)置過(guò)濾系統(tǒng)，進(jìn)氣口處的過(guò)濾系統(tǒng)包括第一級(jí)孔隙較大的濾網(wǎng)模塊，第二級(jí)粗過(guò)濾模塊，第三級(jí)和第四級(jí)高精細(xì)過(guò)濾模塊，出氣口處的過(guò)濾模塊為一級(jí)粗過(guò)濾，規(guī)格與進(jìn)氣口第二級(jí)粗過(guò)濾一致[20]

3.3檢測(cè)系統(tǒng)性能測(cè)試

為了保證設(shè)計(jì)的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)系統(tǒng)的性能優(yōu)秀以及穩(wěn)定性良好，分別對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行泄漏氣體檢測(cè)過(guò)程的各方面性能進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試對(duì)象選擇 O

3.3.1 擬合情況

在不同的 濃度下，用較大的采樣頻率進(jìn)行氣體的采樣，采集時(shí)間間隔為1s，每次采集時(shí)間為 20s 共采集到20個(gè)采樣點(diǎn)，將該20個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，得到 濃度和系統(tǒng)振幅之間的線性擬合度較好，未出現(xiàn)較明顯的震蕩情況。

3.3.2 響應(yīng)時(shí)間

將 濃度從 逐漸提升至 ，測(cè)試不同濃度下系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間始終穩(wěn)定在1s左右。

3.4車載燃?xì)夤艿佬孤?shí)驗(yàn)

3.4.1簡(jiǎn)易移動(dòng)泄漏檢測(cè)

將設(shè)計(jì)的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)系統(tǒng)以及其他實(shí)驗(yàn)元件在推車上進(jìn)行簡(jiǎn)易集成，同時(shí)在路邊放置2個(gè)分別裝有 和 的鋼瓶，推動(dòng)推車觀測(cè)氣體數(shù)據(jù)變化情況。推車總共經(jīng)過(guò)鋼瓶3次，第1次經(jīng)過(guò)時(shí)為僅有 泄漏的情況，第2次為2種氣體均有泄漏的情況，第3次為2種氣體均泄漏的情況。

檢測(cè)結(jié)果為：第1次經(jīng)過(guò)時(shí)系統(tǒng)明顯檢測(cè)到了 的泄漏情況；第2次經(jīng)過(guò)時(shí)出現(xiàn)了輕微的波動(dòng)，原因在于泄漏的 還未完全消散；第3次經(jīng)過(guò)時(shí)系統(tǒng)檢測(cè)到的2個(gè)氣體的濃度變化較大。以上結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)系統(tǒng)在該場(chǎng)景下對(duì)天然氣泄漏十分靈敏。

3.4.2 車載移動(dòng)式泄漏檢測(cè)

為了進(jìn)一步掌握燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際性能，將實(shí)驗(yàn)儀器安裝在車內(nèi)進(jìn)行泄露測(cè)試。在測(cè)試路段中設(shè)置2個(gè)不同泄漏量的泄漏點(diǎn)，得到如圖2所示的檢測(cè)結(jié)果。

由圖2可知，系統(tǒng)在2個(gè)泄漏點(diǎn)均檢測(cè)到了2個(gè)氣體濃度的明顯波動(dòng)，這表明系統(tǒng)對(duì)于環(huán)境中的泄漏氣體濃度變化十分敏感，能夠準(zhǔn)確捕捉到泄漏位置，而其他位置濃度波動(dòng)的原因可能在于環(huán)境中其他位置的其他泄漏情況。

4結(jié)語(yǔ)

【參考文獻(xiàn)】

[1]田忠，常敏，金海勇，等.電力系統(tǒng)智能化運(yùn)維中GIS設(shè)備 氣體泄漏檢測(cè)方法研究［J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2022，30（10）：27-32.

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，設(shè)計(jì)的燃?xì)夤艿佬孤z測(cè)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境中 和 的濃度變化十分靈敏，當(dāng)環(huán)境中出現(xiàn)泄漏情況時(shí)，系統(tǒng)能夠迅速檢測(cè)到氣體濃度的波動(dòng)，能夠幫助管理人員和維修人員進(jìn)行泄漏情況的準(zhǔn)確掌握和泄漏位置的準(zhǔn)確定位，便于進(jìn)行及時(shí)的維修，進(jìn)而避免重大事故的發(fā)生。

[2]田野，潘誠(chéng)，陳海艷.天然氣站場(chǎng)露天區(qū)域可燃?xì)怏w泄漏檢測(cè)技術(shù)研究［J].油氣田地面工程，2022，41（3）：73-77.

[3］宋林，黃麒萱.基于STM32F103C8T6 的燃?xì)庑孤z測(cè)裝置設(shè)計(jì)[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2022，19（17）：79-81.

[4]閆格，張磊，于玲，等.面向天然氣泄漏檢測(cè)的中紅外甲烷—傳感系統(tǒng)與應(yīng)用［J].中國(guó)激光，2022，49（18） ：118-126.

[5]陳修偉，秦超.基于功率譜估計(jì)的長(zhǎng)輸天然氣管道泄漏檢測(cè)技術(shù)[J].化工技術(shù)與開(kāi)發(fā)，2022，51（10）：62-65.

[6]趙錦鵬，周文靜，白云龍，等.基于MCMC算法的天然氣管道泄漏檢測(cè)方法[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2024，43（1）：49-56.

[7]陳易然，楊大志，楊宗澤，等.基于LoRa 技術(shù)的村鎮(zhèn)天然氣泄漏檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子制作，2022，30（1）：5-7.

[8]楊娜娜，方波，王春暉，等.中紅外波長(zhǎng)調(diào)制離軸積分腔輸出光譜技術(shù)應(yīng)用于OH自由基高靈敏度探測(cè)研究[J].光子學(xué)報(bào)，2023，52（3）：286-294.

[9]田興，朱樂(lè)文，李龍，等.基于射頻噪聲源下的離軸積分腔輸出光譜技術(shù)中腔鏡反射率標(biāo)定研究[J].大氣與環(huán)境光學(xué)學(xué)報(bào)，2023，18（5）：494-502.

[10]陳穩(wěn)穩(wěn)，鄭凱元，曹延偉，等.基于腔增強(qiáng)激光光譜的水中溶解甲烷傳感系統(tǒng)[J].光子學(xué)報(bào)，2021，50（9）：176-184.

[11]李俊豪，鄭凱元，席振海，等.基于開(kāi)放光路離軸積分腔的甲烷傳感技術(shù)與實(shí)驗(yàn)［J].中國(guó)激光，2021，48（16） ：150-158.

[12]袁子豪，黃印博，鐘磬，等.V形結(jié)構(gòu)離軸積分腔吸收光譜測(cè)量裝置設(shè)計(jì)與研究［J].中國(guó)激光，2023，50（19）：207-215.

[13]丁伯坤，邵李剛，王坤陽(yáng)，等.基于離軸積分腔的海水溶解氣體實(shí)時(shí)檢測(cè)技術(shù)研究［J].量子電子學(xué)報(bào)，2022，39（4） ：502-510.

[14]孟凡昊，秦敏，方武，等.基于迭代算法的大氣HONO和 開(kāi)放光路寬帶腔增強(qiáng)吸收光譜測(cè)量［J].物理學(xué)報(bào)，2022，71（12）：8-15.

[15]曹軍，汪琦，徐政，等.我國(guó)環(huán)境空氣中溫室氣體監(jiān)測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J].環(huán)境監(jiān)控與預(yù)警，2022，14（1）：1-6.

[16]王彪，連厚泉，俞泳波，等.采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償?shù)募す鈿怏w檢測(cè)系統(tǒng)研制[J].激光雜志，2022，43（8）：19-23.

[17]崔建國(guó)，周碧嘉，蔣麗英，等.基于ICA與深度學(xué)習(xí)的發(fā)動(dòng)機(jī)氣路系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)［J].振動(dòng).測(cè)試與診斷，2020，40（6） ：1150-1155.

[18]王振，杜艷君，丁艷軍，等.波長(zhǎng)調(diào)制-直接吸收光譜（WM-DAS）在線監(jiān)測(cè)大氣CO濃度[J].物理學(xué)報(bào)，2022，71（4） ：115-123.

[19]田忠，常敏，金海勇，等.GIS設(shè)備內(nèi)SF6氣體泄漏檢測(cè)技術(shù)創(chuàng)新研究[J].粘接，2023，50（1）：192-196.

[20］王能.一種油色譜氣體泄露監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與技術(shù)分析[J].粘接，2022，49（10）：161-165.