管輸兩元氣體組分激光檢測雜光抑制分析

馬鵬博 李天奎 濮御 王迪 李棟

摘??????要：管道輸送的在線檢測對于管道安全運行有著重要的影響。以天然氣為例，設計了管輸天然氣含水量激光在線檢測光路，為降低外部雜散光對測量系統成像性能造成影響，結合擋光環及消光螺紋對測量系統進行雜散輻射抑制結構設計，利用蒙特卡洛光線追跡法驗證了抑制結構的有效性。結果表明，設計的雜散輻射抑制結構能有效抑制系統在測量過程中所出現的外部雜散光，其中30°螺紋抑制結構效果最好，其PST數值降低至10^-12，能有效提高檢測系統對目標信號的識別能力，滿足系統工作需求。

關??鍵??詞：管輸氣體;激光檢測;雜散輻射抑制;消光螺紋

中圖分類號：O 433.1?????????文獻標識碼： A ??????文章編號：1671-0460（2020）01-0041-04

Analysis of Stray Light Suppression in Laser Detection of

Binary Gas Components in Pipeline

MA?Peng-bo¹， LI?Tian-kui²， PU?Yu²， 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： On-line detection of pipeline transportation has an important impact on the safe operation of pipeline. Taking natural gas as an example， an on-line laser detection optical path for water content of pipelined natural gas was designed. In order to reduce the influence of external stray light on the imaging performance of the measurement system， stray radiation suppression structure was designed by combining the shielding ring and extinction thread. The effectiveness of the suppression structure was verified by Monte Carlo ray tracing method. The results showed?that the designed stray radiation suppression structure effectively suppressed?the external stray light in the measurement process. Among them， the 30 degree threaded structure had?the best effect， and its PST value was?reduced to 10^-12， which effectively improved?the recognition ability of the detection system to target signals to?meet the working requirements of the system.

Key words：?Pipeline gas;?Laser detection;?Stray radiation suppression;?Extinction thread

管道運輸作為天然氣、石油等化工產品的主要輸送方式之一，具有自動化程度高、密閉性好等特點。實時在線監測管道輸送過程，能夠及時了解管道運行狀況，以便后續工作人員進行檢修和維護。以管輸天然氣為例，準確監測管內水組分含量一直是一個關鍵問題。含水天然氣在一定的壓力和溫度下，可形成水合物堵塞閥門和管線，同時也會影響天然氣的熱值和品質^[1-3]。因此，實時監測管輸天然氣水組分含量，對保證天然氣輸送管道安全經濟運行具有十分重要的現實意義與經濟意義。

可調諧激光吸收光譜（TDLAS）技術以非接觸檢測、檢測靈敏度高、響應速度快、無需對樣品進行預處理等優勢，近年來已被廣泛應用于環境監測、痕量氣體監測以及多組分氣體濃度的監測^[4]。在檢測過程中，由于氣體環境溫度、壓力的變化，極易形成雜散輻射對測量結果造成影響。雜散輻射不僅會降低接收信號的信噪比，同時影響測量系統的探測精度^[5，6]。目前，國內外學者對紅外光學系統雜散輻射的分析及抑制進行了一系列的研究。陳學等^[7]人設計了具有蜂窩內壁結構的遮光罩，并運用蒙特卡洛法進行模擬，結果表明遮光罩內壁蜂窩結構具有很好的雜散光抑制作用。任國棟^[8]等人運用TracePro光學軟件對短波紅外鏡頭雜散輻射進行了分析，通過增加遮光罩、修改結構件和添加雜光涂層等方式對雜散輻射進行抑制。尹爽^[9]等人應用ASAP軟件進行光學系統建模，并對不同擋光環個數以及不同形狀開口擋光環的冷屏結構進行了分析。

本文基于TDLAS原理，設計了天然氣含水量激光在線檢測光路，分析了光路檢測過程中可能存在的雜散輻射，據此提出雜散輻射抑制方案，并通過TracePro光學軟件進行了驗證。

1 ?測量原理及吸收譜線選取

1.1 ?測量原理

Beer-Lambert定律^[10，11]總結了光強透射比與氣體分子體積分數、壓強、氣體吸收系數及單色光傳播光程之間的關系，當初始光強為I₀的單色光通過待測氣體區域后，其透射光強I變化可表示為：

??（1）

式中： ?S?（T）?—待測氣體在該波段的吸收譜線強度，是氣體分子的

固有屬性且與溫度有關，cm^-2·atm^-1;

P?—待測氣體所處壓強，atm;

L?—單色光傳播總光程，cm;

C?—待測氣體體積分數，%;

φ?（v）?—待測氣體分子吸收譜線的線型函數，以表征氣體分子

吸收譜線形狀及線寬，是環境溫度、 壓力的耦合函

數，cm^-1。

對式（1）兩邊取對數并進行積分，可得光譜吸光度A：

?????（2）

已知氣體環境壓力P、吸收譜線強度S（T）、激光傳輸距離L及光譜吸光度A，即可得到待測氣體體積分數。

1.2 ?吸收譜線選取

圖1為利用HITRAN數據庫模擬壓力為1?atm、溫度296?K工況下7?170～7?200 nm波段范圍H₂O和CH₄分子Lorenz線型吸收譜線分布。如圖1所示，H₂O在1?392 nm處存在較強吸收峰，且甲烷吸收強度較小，可忽略。因此選擇1?392 nm作為H₂O近紅外檢測吸收峰。

2 ?測量光路

設計如圖2所示的TDLAS在線檢測光路系統，取天然氣集輸管道直徑95 mm，高240 mm，材質設定為碳鋼。激光光源采用DFB激光二極管，輸出波長為1?392 nm，設定為均勻分布，束腰半徑為2?mm，總光通量10 W。激光光束經光纖準直器進入到開放性檢測光路系統，在通過集輸管道后經折轉鏡改變吸收光束傳播方向，吸收光譜信號由Thorlabs公司生產的PDA10CS探測器所接收，通過示波器將所吸收信號進行輸出和反演，由此確定集輸管道內天然氣含水量。

在天然氣集輸過程中，管道公稱直徑依據天然氣輸氣量的不同，其大小介于500～1?200 mm之間，因此該開放性測量系統光程在50～120 cm之間。利用開放性光路系統進行在線檢測，無需對氣體進行采樣，且不受復雜環境條件的限制，可以進行大范圍內的實時在線監測。

3 ?雜散輻射傳輸原理及抑制

在激光在線測量光路系統中，非目標信號以及通過非正常路徑傳輸的目標信號，在探測器入瞳處會形成一個附加照度，這種非目標光線所攜帶的輻射能量就是測量系統的雜散輻射。雜散輻射會降低像面的對比度及調制傳遞函數，使整個像面的清晰度降低，嚴重時目標信號會完全被雜散輻射噪聲所湮沒^[12，13]。目前，一般采取表面黑漆處理、增設擋光環、對遮光罩優化設計等方式對雜散輻射進行抑制。

3.1 ?雜散輻射表面能量傳輸原理及評價指標

圖3為雜散光在任意兩個表面間的傳輸機理^[14，15]，其中dA_S為光源發射面元，dA_C為光源接收面元，兩面元間距為R_SC，θ_S、θ_C別為兩面元間距連線與各面元法線夾角。當dA_S面輻照亮度為L_S時，接收面元dA_C所接收到的光通量為：

??????（3）

系統表面選用雙向反射分布函數BRDF的ABg模型，則dA_S面輻照亮度為：

???????????（4）

式中，E_S為光源發射面元出射輻照度，將式（2）代入式（1）可得：

????（5）

最終接收面元所接收到的光通量形式可變為：

??????（6）

式中，dΦ_S為發射面輻射光通量，為E_s·dA_S;GCF為系統幾何構成因子，為;dΩ_CS為接收面元相對于光源所張立體角，為。

由式（6）可知，為對測量系統雜散輻射進行抑制，可通過減小系統結構表面BRDF_S、發射面輻射光通量dΦ_s以及系統幾何構成因子GCF。而本文主要通過設計遮光罩、擋光環及消光螺紋等對光路傳輸中的關鍵表面進行遮擋以減小系統結構GCF，從而對光路傳輸產生的雜散輻射進行抑制。

常用點源透過率PST評價光學系統對雜散輻射的抑制能力^[16]。點源透過率PST定義為視場外離軸角為θ處某一雜散光源經測量系統在探測器入瞳處輻照度E_d（θ）與該光源在測量系統入口處輻照度E₀（θ）的比值，表示為：

???????????（7）

PST只評價系統自身對雜散輻射的抑制能力，與外界背景環境雜光強度無關，其值越小，表示系統對雜光的抑制能力越強。

3.2 ?雜散輻射抑制結構及分析

設計如圖4所示的雜散輻射抑制結構。不同尺寸的擋光環對入射雜光進行初步抑制，經折轉鏡改變傳輸方向，進入消光螺紋進行二次抑制。其中，遮光罩內壁采用Black Paint黑漆涂層，光學窗口材料選用透過率較高的藍寶石單晶（α-Al₂O₃）。將模型導入TracePro光學軟件進行仿真模擬，對光源及光機表面進行屬性設置，模擬實際測量環境。采用光源離軸角0°～90°進行光線追跡，設15°為一個步長逐次增加離軸角。

定義光源中心波長為1.392 μm，測量系統環境溫度350 K。光學窗口材料為α-Al₂O₃，設置其對光線的透過率為93%。遮光罩、擋光環及消光螺紋材質為鋁合金，對其表面進行Black Paint涂黑處理。探測器表面設置為完全吸收。為提高仿真模擬準確度，設置光線追跡閾值為1×10^-8，光線追跡數量為70?000條，通過追跡大量的光線數保證消光比值的可靠性。

圖5為有無雜散輻射抑制結構工況下，光線到達探測器焦平面輻照度對比。其中，入射光源離軸角為30°。通過對比可知，在有雜散輻射抑制結構工況下，到達探測器焦平面通光量明顯小于無雜散輻射抑制結構，且光斑居于中心分布。說明該雜散輻射抑制結構能有效消除視場角外部分雜散光，由此改善系統的成像質量。

圖6為三種不同形狀消光螺紋雜散輻射抑制結構在不同離軸角度下系統PST曲線。在中心視場附近，PST較大。當視場角偏離15°時，系統PST開始衰減。與初始系統結構相比，60°螺紋、等邊螺紋及30°螺紋抑制結構PST分別減小至10^-7、10^-9及10^-12，符合系統雜光抑制需求。其中30°螺紋抑制結構對系統雜光抑制能力明顯強于其他兩種抑制結構，因此最終雜散輻射抑制結構選用30°消光螺紋。

4 ?結論

本文設計了管輸天然氣含水量激光在線檢測光路，并對檢測過程中可能出現的雜散輻射進行了結構抑制設計。利用蒙特卡洛光線追跡法對60°螺紋、等邊螺紋及30°螺紋的雜散輻射抑制結構進行了仿真模擬，并計算在不同光源離軸角下的PST數值，驗證不同消光螺紋的抑制效果。結果表明：設計的雜散輻射抑制結構能有效抑制激光在線檢測光路系統雜散光，改變消光螺紋形狀采用30°螺紋結構能更高效的抑制雜散輻射，其PST數值降低至10^-12，能有效提高檢測系統對目標信號的識別能力。

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