非合作目標表面后向反射特性對氣體污染物激光檢測的影響研究

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，對無合作目標監測系統的研究可以極大地彌補開放光路激光檢測系統對突發性泄漏事故的檢測需求，而不同的目標表面及檢測距離均會對激光回波信號的強弱造成影響。利用TracePro軟件模擬了探測目標表面傳輸過程中的能量分布與方向特性，并開展了非合作目標條件下氨氣激光檢測實驗。結果表明：采用發射與接收共光軸的光機結構并垂直于目標表面照射時可獲得更高的回波信號強度;二次諧波信號幅值隨檢測距離先增大后減小。

關 ?鍵 ?詞：非合作目標;開放光路;激光檢測;氣體

中圖分類號：O433.1???????文獻標識碼：?A ??????文章編號： 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

管道運輸具有輸送量大、能耗低、經濟性好等優勢^[1-4]，然而，自然腐蝕、焊接不良等因素導致管道發生泄漏甚至斷裂，泄漏氣體會對環境造成極大的破壞。因此，管道氣體的實時在線監測，對事故發生后的應急處理有著重要意義^[5]。可調諧半導體激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術由于其分辨率高、選擇性良好、響應時間快、可實現遠距離測量等優點^[6，7]，成為當今氣體監測研究領域的研究熱點。

對TDLAS開放式監測系統的研究可滿足大空間內管道泄漏進行遙測的需求，許多學者對此已展開研究。Zhu等^[8]基于TDLAS技術與拉格朗日色散模型，開發了一種測量區域源甲烷排放率的新方法;Xin等^[9]基于可調諧半導體激光吸收開展了開放光路二氧化碳測量實驗，激光束以4 mrad的發散角發射到開放路徑大氣中，通過角反射器反射后進行信號接收;丁武文等^[10]提出了一種“基線偏置”的TDLAS遙測系統，提高了該系統對甲烷積分濃度的探測極限;王書濤等^[11]使用了全反射棱鏡配合凹面鏡的方法增加了光程，提高了檢測精度。

以上所述的開放式監測系統，通常需要結合角反射鏡陣列為合作目標，導致該系統不能靈活地檢測突發性泄漏事故^[12]。而對于無合作目標的監測系統，接收激光的目標表面有很大的不確定性，回波信號強度常受到目標表面粗糙度、種類等因素的影響而下降^?[13，14]。針對該問題，本文對非合作目標的后向反射特性進行了仿真模擬，并通過開放光路氣體激光檢測實驗研究了不同目標表面下檢測距離對接收信號的影響規律。

1 ?非合作目標表面后向反射特性

圖1為雙向分布函數的空間幾何模型，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既能確定入射光線經過某個表面后在各個出射方向上的分布特征，又能確定出射光線的輻亮度。

其數學表達式為

???（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，其數學表達式為

（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，其數學表達式為

（3）

對于均勻擴展表面，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光學輻照分析軟件同時考慮光線傳輸過程中的能量特性與方向特性，在光線與模型的每個接觸點均遵從光學基本定律，并且該軟件內置常見物體的吸收率、鏡反射率、透過率及BRDF等表面特性參數。在TracePro中常采用ABg模型表述物體表面BRDF特性，其表達式為

（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?—一般通過經驗獲取或實驗方法獲取。

本文運用TracePro光學軟件對氨氣泄漏激光檢測系統光束照射目標表面進行仿真，建立如圖2所示的無合作目標表面后向反射特性仿真模型，開展不同種類表面下的回波信號強度分布規律的研究。

采用10?000 mm半徑的空心半球內壁作為探測表面對反射光接收，其表面特性設定為完全吸收入射光線;入射激光光源波長為1512.2 nm，光束半徑1.5 mm，總的光通量10 mW，發散角1 mrad，無偏振。根據Monte Carlo光線追跡法原理，光線數目越多，越接近實際效果，但考慮到計算機運算效率，設定光線數目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表面，各材料表面特性參數如表1所示。

2 ?開放光路氣體激光檢測實驗

本文以氨氣作為檢測對象，圖3和4分別為開放光路無合作目標條件下TDLAS氨氣激光檢測實驗的原理圖和實物圖。由信號發生器產生的低頻鋸齒波信號和高頻正弦波信號同時疊加到電流驅動控制系統，實現對DFB激光器的波長調諧。激光光束經準直器準直擴束后穿透氨氣氣袋后由非合作目標表面反射回波信號，選用白墻乳膠漆表面和機械油漆表面作為非合作目標表面，經氨氣吸收后的回波信號通過菲涅爾透鏡聚焦進入探測器，由示波器采集數據并可視化。

3 ?結果與分析

通過改變激光光源在-30°～30°范圍內的入射方向對目標表面照射，得到圖5所示的回波光通量空間分布。

分析仿真結果可知，拋光不銹鋼表面的回波功率分布呈現標準的高斯分布，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似，但是其能級比后者降低1個數量級，主要原因是由于表面材料對入射光強存在較高的吸收效應，當檢測激光光束的探測角度增大時，其回波功率分布表現出非對稱性，峰值兩側能量并不像拋光不銹鋼表面一樣接近于0，而是逐漸向遠離峰值中心減小;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律，由于白墻乳膠漆表面微小孔隙間的隨機散射造成明顯的均勻漫反射特性，檢測激光光束的探測角度對其回波功率分布幾乎無影響，回波光強主要集中于表面激光照射點的法線方向;而機械油漆表面的反射特性則介于鏡反射特點與均勻漫反射特點之間，并且偏離垂直表面照射時，探測角度越大，其回波功率曲線峰值越小。因此，在無合作目標條件下，氣體泄漏激光檢測系統采用發射與接收共光軸的光機結構并垂直于目標表面照射時可獲得更高的回波信號強度。

文獻[16]開展了0.6～1 m范圍內甲烷激光遙測的實驗，選用紅色磚塊作為無合作目標進行了激光漫反射測量，將其得到的甲烷吸收2f信號幅值與本文氨氣吸收2f信號幅值進行對比分析，如圖6所示。

分析結果可知，雖然本文與文獻所檢測的氣體種類、檢測距離范圍及無合作目標表面盡不相同，但是二次諧波信號幅值隨檢測距離的變化規律是一致的，均呈現先增大后減小的變化趨勢，即非合作目標表面條件下激光檢測氣體的二次諧波信號并非隨檢測距離增加而一直減小，其存在最佳檢測距離。

對于產生這種現象的原因可以從以下進行解釋：當接收光學系統與目標表面之間的距離較小時，漫反射回波光線與接收光學系統入瞳處菲涅爾透鏡離軸角較大，菲涅爾透鏡的匯聚點發生偏移，由于探測器感光面有限，導致部分攜帶吸收信號的回波光線無法被聚焦到探測器信號接收面，隨著檢測距離增加，回波光線入射離軸角逐漸減小，進入探測器感光面的回波信號越來越多。因此，當檢測距離較小時，二次諧波信號幅值隨檢測距離的增大而增大;隨著檢測距離的繼續增加，回波光線離軸角小于菲涅爾透鏡視場角，所有攜帶吸收信號的回波光線均可以被探測器接收，但是經目標表面反射的回波功率隨檢測距離增加而迅速下降，造成二次諧波信號幅值不斷減小。因此，二次諧波信號幅值隨著檢測距離的增大呈現先增大后減小的變化關系。雖然本文并未對開放光路氣體激光檢測進行定量分析，但是通過二次諧波信號幅值來表征氣體是否泄漏仍具有一定可行性。

4 ?結論

（1）基于TracePro光學軟件對四種非合作目標表面傳輸過程中的能量特性與方向特性進行了仿真模擬，結果表明，采用發射與接收共光軸的光機結構并垂直于目標表面照射時可獲得更高的回波信號強度。

（2）以白墻乳膠漆表面和機械油漆面板作為非合作目標表面，開展了非合作目標條件下TDLAS氨氣激光檢測實驗，得出的氣體二次諧波信號幅值隨著檢測距離的增大呈現先增大后減小的變化關系。

參考文獻：

[1]陳兵，郭煥煥，崔維剛，肖紅亮. 含雜質CO₂管道泄漏擴散模擬分析[J]. 石油與天然氣化工，2019，48（03）：104-109.

[2]李睿. 基于龍格-庫塔法的天然氣管道泄漏檢測與定位[J].油氣儲運，2019，38（07）：816-821.

[3]李玉爽，倪子顏，呂妍，王迪，王明吉，李棟. 基于激光吸收光譜的冷庫泄漏氨氣吸光度關聯分析[J]. 激光雜志，2019，40（08）：13-17.

[4]王丹，袁世嬌，吳小衛，謝飛，趙啟慧，楊帆，程貴鑫. 油氣管道CO₂/H₂S腐蝕及防護技術研究進展[J]. 表面技術，2016，45（03）：31-37.

[5]陳述，李素貞，黃冬冬. 埋地熱力管道泄漏土體溫度場光纖監測[J].儀器儀表學報，2019，40（03）：138-145.

[6]杜京義，殷聰，王偉峰，蔡馳，王立春. 基于TDLAS的痕量CO濃度檢測系統及溫壓補償[J]. 光學技術，2018，44（01）：19-24.

[7]何瑩，張玉鈞，王立明，尤坤. 氨氣激光在線檢測中濃度精確反演的研究[J]. 光學技術，2012，38（04）：421-426.

[8]Han Zhu， Marcus O. Letzel， Martin Reiser， Martin Kranert， Wolfgang B?chlin. A new approach to estimation of methane emission rates from landfills[J]. Waste Management，2013，33（12）：2713-2719.

[9]Xin F， Guo J， Sun J， et al. Research on atmospheric CO₂?remote sensing with open-path tunable diode laser absorption spectroscopy and comparison methods[J]. Optical Engineering，2017，56（6）：066113.

[10]丁武文，孫利群，衣路英. 基于可調諧半導體激光器吸收光譜的高靈敏度甲烷濃度遙測技術[J]. 物理學報，2017，66（10）：53-61.

[11]王書濤，車先閣，王志芳，王貴川，龔樂. 基于小波優化EEMD的甲烷濃度檢測信號研究[J]. 光學技術，2019，45（03）：269-247.

[12]張志榮，孫鵬帥，龐濤，李哲，夏滑，崔小娟，吳邊，徐啟銘，董鳳忠. 激光吸收光譜技術在工業生產過程及安全預警標識性氣體監測中的應用[J]. 光學精密工程，2018，26（08）：269-247.

[13]陶會榮，張福民，曲興華. 無合作目標測量中目標表面后向散射特性的實驗研究[J]. 紅外與激光工程，2014，43（S1）：95-100.

[14]張祥金，沈娜，胡鑫，宋健. 激光近程探測中目標表面的散射特性[J]. 紅外與激光工程，2017，46（07）：32-40.

[15]李敏，解鴻文，徐中外，邢宇航. 基于光線跟蹤和BRDF模型的紅外高光反射仿真[J]. 紅外與激光工程，2018，48（01）：68-72.

[16]李志濤. 基于可調諧半導體激光吸收譜技術的甲烷濃度檢測[D]. 成都：電子科技大學，2017.