非合作目标表面后向反射特性对气体污染物激光检测的影响研究

濮御 李品烨 李天奎 马鹏博 王迪 李栋

摘      要：管道老化、焊接不良等因素引起管道氣体泄漏，对无合作目标监测系统的研究可以极大地弥补开放光路激光检测系统对突发性泄漏事故的检测需求，而不同的目标表面及检测距离均会对激光回波信号的强弱造成影响。利用TracePro软件模拟了探测目标表面传输过程中的能量分布与方向特性，并开展了非合作目标条件下氨气激光检测实验。结果表明：采用发射与接收共光轴的光机结构并垂直于目标表面照射时可获得更高的回波信号强度;二次谐波信号幅值随检测距离先增大后减小。

关  键  词：非合作目标;开放光路;激光检测;气体

中图分类号：O433.1       文献标识码： A       文章编号： 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

管道运输具有输送量大、能耗低、经济性好等优势^[1-4]，然而，自然腐蝕、焊接不良等因素导致管道发生泄漏甚至断裂，泄漏气体会对环境造成极大的破坏。因此，管道气体的实时在线监测，对事故发生后的应急处理有着重要意义^[5]。可调谐半导体激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技术由于其分辨率高、选择性良好、响应时间快、可实现远距离测量等优点^[6，7]，成为当今气体监测研究领域的研究热点。

对TDLAS开放式监测系统的研究可满足大空间内管道泄漏进行遥测的需求，许多学者对此已展开研究。Zhu等^[8]基于TDLAS技术与拉格朗日色散模型，开发了一种测量区域源甲烷排放率的新方法;Xin等^[9]基于可调谐半导体激光吸收开展了开放光路二氧化碳测量实验，激光束以4 mrad的发散角发射到开放路径大气中，通过角反射器反射后进行信号接收;丁武文等^[10]提出了一种“基线偏置”的TDLAS遥测系统，提高了该系统对甲烷积分浓度的探测极限;王书涛等^[11]使用了全反射棱镜配合凹面镜的方法增加了光程，提高了检测精度。

以上所述的开放式监测系统，通常需要结合角反射镜阵列为合作目标，导致该系统不能灵活地检测突发性泄漏事故^[12]。而对于无合作目标的监测系统，接收激光的目标表面有很大的不确定性，回波信号强度常受到目标表面粗糙度、种类等因素的影响而下降 ^[13，14]。针对该问题，本文对非合作目标的后向反射特性进行了仿真模拟，并通过开放光路气体激光检测实验研究了不同目标表面下检测距离对接收信号的影响规律。

1  非合作目标表面后向反射特性

图1为双向分布函数的空间几何模型，BRDF定义为出射方向的辐亮度与入射方向的辐照度之比^[15]。BRDF既能确定入射光线经过某个表面后在各个出射方向上的分布特征，又能确定出射光线的辐亮度。

其数学表达式为

   （1）

式中： dE_i —入射激光沿入射方向在微元表面的辐照度;

dL_r —微元表面经照射后在出射方向上的反射辐亮度;

θ_i和φ_i —分别为入射光的天顶角和方位角;

θ_r和φ_r —分别为出射光的天顶角和方位角。

入射辐照度E_i为照射到单位微元面积上的辐射通量，其数学表达式为

（2）

出射辐亮度L_r为微元表面沿某一反射方向上单位投影面积和单位立体角上的辐射通量，其数学表达式为

（3）

对于均匀扩展表面，采用单位面积上的入射功率P_i与反射功率P_r表述BRDF为

（4）

基于Monte Carlo与Non-Sequential方法的TracePro光学辐照分析软件同时考虑光线传输过程中的能量特性与方向特性，在光线与模型的每个接触点均遵从光学基本定律，并且该软件内置常见物体的吸收率、镜反射率、透过率及BRDF等表面特性参数。在TracePro中常采用ABg模型表述物体表面BRDF特性，其表达式为

（5）

式中： β—镜反射方向的单位矢量在物体表面的投影;

β₀ —散射方向的单位矢量在物体表面的投影;

A、B、g —一般通过经验获取或实验方法获取。

本文运用TracePro光学软件对氨气泄漏激光检测系统光束照射目标表面进行仿真，建立如图2所示的无合作目标表面后向反射特性仿真模型，开展不同种类表面下的回波信号强度分布规律的研究。

采用10 000 mm半径的空心半球内壁作为探测表面对反射光接收，其表面特性设定为完全吸收入射光线;入射激光光源波长为1512.2 nm，光束半径1.5 mm，总的光通量10 mW，发散角1 mrad，无偏振。根据Monte Carlo光线追迹法原理，光线数目越多，越接近实际效果，但考虑到计算机运算效率，设定光线数目2 997 001条。分别选用抛光不锈钢、PVC管材、喷塑涂层及白墙乳胶漆作为目标表面，各材料表面特性参数如表1所示。

2  开放光路气体激光检测实验

本文以氨气作为检测对象，图3和4分别为开放光路无合作目标条件下TDLAS氨气激光检测实验的原理图和实物图。由信号发生器产生的低频锯齿波信号和高频正弦波信号同时叠加到电流驱动控制系统，实现对DFB激光器的波长调谐。激光光束经准直器准直扩束后穿透氨气气袋后由非合作目标表面反射回波信号，选用白墙乳胶漆表面和机械油漆表面作为非合作目标表面，经氨气吸收后的回波信号通过菲涅尔透镜聚焦进入探测器，由示波器采集数据并可视化。

3  结果与分析

通过改变激光光源在-30°～30°范围内的入射方向对目标表面照射，得到图5所示的回波光通量空间分布。

分析仿真结果可知，抛光不锈钢表面的回波功率分布呈现标准的高斯分布，其反射特性为镜反射，回波反射方向与激光入射方向遵循反射定律，反射光强不随激光入射角度的变化而变化;PVC管材表面的后向反射特性与抛光不锈钢表面的镜反射类似，但是其能级比后者降低1个数量级，主要原因是由于表面材料对入射光强存在较高的吸收效应，当检测激光光束的探测角度增大时，其回波功率分布表现出非对称性，峰值两侧能量并不像抛光不锈钢表面一样接近于0，而是逐渐向远离峰值中心减小;白墙乳胶漆表面的后向反射回波功率接近朗伯余弦反射规律，由于白墙乳胶漆表面微小孔隙间的随机散射造成明显的均匀漫反射特性，检测激光光束的探测角度对其回波功率分布几乎无影响，回波光强主要集中于表面激光照射点的法线方向;而机械油漆表面的反射特性则介于镜反射特点与均匀漫反射特点之间，并且偏离垂直表面照射时，探测角度越大，其回波功率曲线峰值越小。因此，在无合作目标条件下，气体泄漏激光检测系统采用发射与接收共光轴的光机结构并垂直于目标表面照射时可获得更高的回波信号强度。

文献[16]开展了0.6～1 m范围内甲烷激光遥测的实验，选用红色砖块作为无合作目标进行了激光漫反射测量，将其得到的甲烷吸收2f信号幅值与本文氨气吸收2f信号幅值进行对比分析，如图6所示。

分析结果可知，虽然本文与文献所检测的气体种类、检测距离范围及无合作目标表面尽不相同，但是二次谐波信号幅值随检测距离的变化规律是一致的，均呈现先增大后减小的变化趋势，即非合作目标表面条件下激光检测气体的二次谐波信号并非随检测距离增加而一直减小，其存在最佳检测距离。

对于产生这种现象的原因可以从以下进行解释：当接收光学系统与目标表面之间的距离较小时，漫反射回波光线与接收光学系统入瞳处菲涅尔透镜离轴角较大，菲涅尔透镜的汇聚点发生偏移，由于探测器感光面有限，导致部分携带吸收信号的回波光线无法被聚焦到探测器信号接收面，随着检测距离增加，回波光线入射离轴角逐渐减小，进入探测器感光面的回波信号越来越多。因此，当检测距离较小时，二次谐波信号幅值随检测距离的增大而增大;随着检测距离的繼续增加，回波光线离轴角小于菲涅尔透镜视场角，所有携带吸收信号的回波光线均可以被探测器接收，但是经目标表面反射的回波功率随检测距离增加而迅速下降，造成二次谐波信号幅值不断减小。因此，二次谐波信号幅值随着检测距离的增大呈现先增大后减小的变化关系。虽然本文并未对开放光路气体激光检测进行定量分析，但是通过二次谐波信号幅值来表征气体是否泄漏仍具有一定可行性。

4  结论

（1）基于TracePro光学软件对四种非合作目标表面传输过程中的能量特性与方向特性进行了仿真模拟，结果表明，采用发射与接收共光轴的光机结构并垂直于目标表面照射时可获得更高的回波信号强度。

（2）以白墙乳胶漆表面和机械油漆面板作为非合作目标表面，开展了非合作目标条件下TDLAS氨气激光检测实验，得出的气体二次谐波信号幅值随着检测距离的增大呈现先增大后减小的变化关系。

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