基于光路自动准直的甲烷遥测技术 
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1 引言
伴随着清洁能源政策的推行,天然气在我国得到广泛应用。然而天然气泄漏引起的事故也频频发生,严重地危害着人们的生命安全[1-2],而且甲烷的温室效应比二氧化碳更强[3]。甲烷遥测技术在降低天然气泄漏事故的发生频率方面具有重要意义[4-5]。由于燃气管网纵横交错,甲烷泄漏遥测装置需要具有一定的移动性以实现动态检测[6-7]。泄漏早期甲烷浓度(体积分数)低,提高信号幅度是增加信噪比和实现灵敏检测的关键。现场的测试环境、空气湍流、目标距离、辅助目标反射面的光学特性等都会影响光电探测器的信号幅度,从而降低其对气体浓度的测量精度[8]。
优化光学系统设计可以提高光信号的收集效率、增加甲烷遥测装置的灵活性及准确性。丁武文等[9]在系统测量光路中插入了一个充满已知浓度甲烷气体的参考气室,提高了系统在低甲烷浓度条件下的信噪比;张卓和张丽英[10]通过圆锥体集光器提高了回波光接收效率;宫卫华[11]通过云台设备实现了望远镜探头随云台同步旋转,进而实现了望远镜探头与角锥反射镜的自适应瞄准;姜治深等[12]设计了遥测望远镜收发系统,该系统便于户外携带,能够在40 m距离处探测甲烷气体的浓度。目前可以根据不同测试环境进行调节的设计,如云台式设计,实际上是通过调试控制设备实现瞄准,其光学结构仍然是固定的,且体积较大。如果从光学结构本身进行改进,如采用自动变焦器件设计自动准直的光学系统,可以提高遥测装置的动态适应特性。
电控变焦透镜正是符合这种需求的新型光学器件,它通过驱动电流调节屈光度,并具有温度补偿功能,它响应快、功耗低,无机械运动部件,在变焦眼镜、手机相机、内窥镜和显微镜等诸多领域中已得到广泛应用并且效果良好[13-14],其在空间探测方面也有广泛的应用前景[15]。因此本文提出在移动式遥测装置的激光出射准直光路中引入电控变焦透镜,实现自动准直,通过改变发射光束的准直性能来扩大遥测的动态范围,提高回收效率[16]。
2 实验装置
2.1 遥测装置
遥测装置采用波长调制的可调谐半导体激光技术(WMS-TDLAS)[17-18],实验装置如
甲烷在1653.7 nm的吸收最强,吸收峰相对孤立,且不受空气中二氧化碳和水汽的吸收谱线的干扰,该特性便于准确测量甲烷浓度。光源采用蝶形封装的分布式反馈(DFB)激光器(SN∶E21394, 徐州旭海光电公司,中国),其中心波长为1653.7 nm,输出功率为5 mW。激光器的驱动信号为扫描锯齿波(10 Hz)与高频调制正弦波(7.8 kHz)相叠加的信号。通过比例、积分、微分(PID)温度控制器WTC3243锁定激光器的温度,调节激光输出的中心波长至1653.7 nm。对进入锁相放大模块的InGaAs探测器的光电流信号进行前置放大和滤波,得到反映透射光功率的直流(DC)信号;采用二倍频的正弦波(15.6 kHz)作为参考信号进行解调,得到反映吸收强度的二次谐波信号2f作为浓度反演的输入,如
图 2. 检测装置光功率(DC)信号和光谱(2f)信号
Fig. 2. Optical power (DC) signal and spectrum (2f) signal of detection device
采用倒装望远镜结构实现遥测装置的激光准直输出,将电控可变焦透镜(EL-10-30-Ci-VIS,Optotune公司,瑞士)引入准直系统。变焦透镜使用透明的弹性薄膜将光学液体(折射率为1.3)限制在工作腔中,通过液体的压力控制薄膜面型的变化。当光学液体流入工作腔时产生一个正压力,弹性薄膜因受到压力差的作用向外凸起,形成凸透镜;反之,当光学液体从工作腔抽出时,产生负压力,形成凹透镜,从而实现焦距调节。激光器发出的光经过单模光纤进入光纤准直器中,在准直器后加入电控可变焦透镜。若存在甲烷泄漏,则出射光经泄漏气团的吸收后到达辅助反射目标,其表面产生漫反射。InGaAs探测器位于菲涅耳透镜(焦距为100 mm)的焦点,用于接收漫反射的回波。
2.2 浓度反演
在室外环境中检测低浓度的甲烷泄漏时,各种噪声较大,光谱信号极易淹没于噪声之中。因此对2f进行多次平均和Savitzky-Golay (S-G)[19-20]滤波,以提高遥测系统的抗噪能力。微控制单元(MCU)芯片接收模拟数字转换器(ADC)采集的DC和2f信号,每条光谱含1000个采样点。首先对DC和2f信号进行10次平均,接着采用12阶多项式、窗口数为25的S-G滤波处理2f信号。扫描过程中激光输出的光功率随驱动电流的变化而变化,解调出来的2f信号受光功率的影响,导致2f信号具有非对称性,对2f和DC信号进行归一化处理可消除光功率波动对2f信号的影响。
最小二乘(CLS)曲线拟合方法是依据光谱反演气体浓度普遍采用的算法[21],其模型表达式为
式中:Y为实时光谱;R1和R2为参考光谱,在本装置中,R1为固定浓度的甲烷气体的光谱,R2为氮气背景下的光谱,即光谱基线;k1为回归系数,是待测气体浓度相对参考谱甲烷浓度的比值;k0为光谱上移或下移量;k2为光谱基线的幅度变化比例。
3 准直特性测量与仿真分析
本文通过实验测试了在倒装望远镜结构中引入电控变焦透镜后的改进效果,即出射光束的动态调节性能和回波光收集效率的提高。
3.1 激光光束的动态调节
使用光束质量分析仪(BA7-IR3E,Duma Optronics公司,以色列)在不同传播距离上测量光斑的直径变化,计算光束的发散角。电控变焦透镜的变焦范围为-1.5D~3.5D (D为屈光度),当驱动电流为79.94 mA时,屈光度约为0。对比1670 mm处变焦透镜对光斑尺寸(1/e2峰值光强处)的影响,发现变焦透镜引起光斑在W和V方向(x、y坐标轴旋转45°后)的变化小于10%。这说明电控可变焦透镜在屈光度为0时对激光光束的近场光斑的影响不大。在85~95 mA范围内改变透镜驱动电流,步进为1 mA。在距离透镜440 mm和1670 mm处分别测量光斑直径,计算光束发散角与驱动电流的关系(
图 3. 不同驱动电流下的光束发散角。(a) W方向;(b) V方向
Fig. 3. Laser beam divergence angle under different driving currents. (a) In W direction; (b) in V direction
由
3.2 接收光功率和信噪比的提高
为了验证电控变焦透镜在甲烷遥测装置中对接收光功率的优化作用,首先固定测试条件,调节驱动电流以获得最佳收集效率。选择厚度为5 cm、浓度为0.5%(氮气背景)的甲烷气袋和4.5 m的遥测距离,以DC信号的最大值作为接收光功率的指标。无可变焦透镜时,接收功率的变化趋势如
将无可变焦透镜且甲烷浓度为0时的光谱信号作为此时的本底噪声, 其幅值为0.041,计算得到0.5%浓度的甲烷的光谱信号的信噪比约为29.47;加入变焦透镜并调整驱动电流为25 mA(回波光功率最大),仍以甲烷浓度为0时的光谱信号作为本地噪声,其幅值为0.035,计算得到0.5%浓度的甲烷的光谱信号的信噪比约为36.58,信噪比提高了约1.24倍。
测试不同距离(4.5 m和50 m)和不同甲烷浓度(0.1%,0.5%和1.0%)时的优化效果。根据每种情况下的接收光功率与透镜驱动电流的曲线,获得最佳驱动电流,以及最佳驱动电流条件下光功率的提高倍数和光谱信号信噪比的提高倍数,如
表 1. 电控变焦透镜对接收光功率的提高效果
Table 1. Improvement effect of electronically controlled zoom lens on receiving optical power
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3.3 光束的重力偏转效应
在发散实验中发现,变焦透镜除了可压缩光束发散角和提高接收光功率,还可使光束发生偏转,使光斑中心下移。不同驱动电流下光斑的中心位置的移动距离不同,
图 5. 光斑中心位置的变化图。(a) 44 cm处;(b) 167 cm处
Fig. 5. Variation of spot center position. (a) At 44 cm; (b) at 167 cm
这种光束偏转效应是由充液型透镜的重力影响所致。在重力的影响下,当透镜竖直放置时,光轴在水平方向,透镜外膜在重力作用下下垂,发生形变。电流越偏离无焦电流(79.94 mA),则屈光度越大,焦距越短,透镜的弹性膜越凸出,曲率半径越小,受到重力的影响越大,光束偏转和光斑中心下移越明显。根据
3.4 重力效应的建模与仿真分析
然而,在成像系统中,光束偏转和光斑中心的下移会影响成像质量,因此有必要对重力对光束发散的影响进行理论分析和建模仿真。变焦透镜的仿真结构如
图 6. ZEMAX仿真中的变焦透镜。(a)变焦透镜结构;(b)变焦透镜表面受重力影响的形变模型
Fig. 6. Zoom lens in ZEMAX simulation. (a) Structure of zoom lens; (b) deformation model of zoom lens surface affected by gravity
根据实际DFB激光器设定光源发散角 (与W方向的夹角为20°,与V方向的夹角为22.5°),在非序列模式下按照光源、准直透镜、变焦透镜、探测器的传播路径进行模拟。准直透镜采用普通透镜(74UV-FC,西安磊鑫激光科技,中国),焦距为5 mm,准直镜与激光器的距离为5.03 mm。
具体建模过程如下:1)以曲率半径r=5 mm的球面为例,其焦距为167 mm;重力影响系数k采用初始值0.0001,将其代入形变曲面公式,利用MATLAB获得曲面各点的三维坐标;2)将三维坐标导入SolidWorks,利用网格化曲面功能建立曲面模型;3)将曲面模型导入ZEMAX软件进行光线追迹,用操作数函数NSDD获得光斑尺寸和位置。考虑变焦透镜的通光孔径为10 mm,在仿真过程中只计算曲面中(x,y)在半径为5 mm的圆内的点。固定驱动电流为95 mA(焦距f=1876 mm),计算不同的k值与光斑中心坐标的关系,发现光斑中心在x方向(水平)没有发生明显移动,在z方向(竖直)发生下移,这与实验现象吻合。偏移量Δz与k之间近似呈线性关系。实验观测到的光斑中心下移量为665.2 μm,对应的k约为0.00013。在距离可变焦透镜1670mm处,对三个驱动电流下的焦距进行仿真。
陈帅[22]发现偶次非球面模型比简单的球面模型更符合实际的膜表面形状,则有
式中:ω为薄膜的挠度;r为薄膜表面相对中心处的径向距离;c为薄膜中心处曲率;n为锥面系数;a2i为系数,通过对透镜的曲面进行数值拟合获得;r2i为对偶次非球面模型的标号为2i的偶数项;N为多项式的截止阶数。不同的n值对应不同的曲面类型(扁球面、椭球面、球面等)。(3)式中等号右侧第一项为一般的二次非球面方程,其余项为二次抛物面方程。将(3)式代入(2)式中,重新计算不同焦距时重力效应引起的偏转角。仿真中,n值在0~0.1之间变化,n值取0.03时,仿真结果与实验数据最接近,对比发现非球面模型的偏转角误差降低了一个数量级,如
表 2. 不同模型、不同焦距的偏转角实测值与仿真值
Table 2. Measured and simulated values of deflection angle for different focal lengths of different models
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4 遥测分析
4.1 浓度标定
首先使用甲烷气袋进行浓度标定,以便准确测量泄漏浓度。在光路末端放置角反射镜,角反射镜与菲涅耳透镜相距0.5 m。将浓度为1%、0.5%、0.1%的甲烷气袋分别悬于角反射镜前。激光器的扫描电流为20~80 mA,对应的波长扫描范围可以完全覆盖甲烷在1653.7 nm处的吸收峰,得到三个浓度下的2f光谱,如
图 7. 浓度标定。(a)不同浓度甲烷的2f光谱图;(b) 2f信号峰峰值与积分浓度的关系
Fig. 7. Concentration calibration. (a) 2f spectra of methane at different concentrations; (b) relationship between peak-peak value of 2f signal and integral concentration
4.2 稳定性分析
采用甲烷浓度为5×10-3的密封气袋,先采集35组光谱,计算得到峰峰值均方根为0.0419。峰值位置稳定在第624个点附近,均方根为1.304,这证明遥测仪的横向与纵向漂移都很小。连续测量约0.5 h,采集2126组数据,结果如
4.3 遥测实验
实验楼中有几个用于油气研究的实验室,为检测楼道中的空气中是否存在实验过程扩散的甲烷,将遥测装置置于楼道的一端,辅助目标和气袋置于另一端,如
图 8. 稳定性测试。(a) CH4浓度读数;(b) Allan方差曲线
Fig. 8. Stability test. (a) CH4 concentration reading; (b) Allan variance curve
图 9. 遥测装置和结果。(a)测试楼道中的甲烷泄漏;(b)遥测装置的光学器件;(c) 4.95×10-6浓度甲烷测试光谱图
Fig. 9. Telemetry device and results. (a) Test for methane leaking in corridor; (b) optical devices of telemetry device; (c) test spectrum for methane concentration of 4.95×10-6
表 3. 现场测试结果
Table 3. Field test results
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5 结论
研究了基于光信号自动优化的甲烷遥测装置,在光学准直系统中引入电控可变焦透镜,通过动态改变可变焦透镜的焦距压缩激光器的发散角,提高遥测装置的光接收效率。实验结果显示,不同的驱动电流(透镜焦距)对光束的发散作用不同。针对不同的检测情形,利用透镜对电流的快速响应迅速调整激光的发散特性,该方法具有很好的动态响应效果;同时发现存在最优的发散特性可使遥测装置的回波光功率的接收率提高至少1.7倍,并提高了检测系统的信噪比。对实验过程中存在的光束重力偏转效应进行了测量分析,提出了形变模型并进行了ZEMAX仿真,发现仿真结果与测试结果较好地吻合。在稳定性测试中,当积分时间为18 s时,装置读数达到极限标准差(1σ),即1.51×10-6。在楼道内检测到空气中4.95×10-6浓度的甲烷气体,测试距离达到52.2 m,这证明了该装置适用于甲烷泄漏遥测。
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季文海, 宋迪, 焦月, 马龙岩, 李国林. 基于光路自动准直的甲烷遥测技术[J]. 光学学报, 2020, 40(18): 1812001. Wenhai Ji, Di Song, Yue Jiao, Longyan Ma, Guolin Li. Methane Telemetry Based on Optical Path Automatic Collimation[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(18): 1812001.
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