管输两元气体组分激光检测杂光抑制分析

马鹏博 李天奎 濮御 王迪 李栋

摘      要：管道输送的在线检测对于管道安全运行有着重要的影响。以天然气为例，设计了管输天然气含水量激光在线检测光路，为降低外部杂散光对测量系统成像性能造成影响，结合挡光环及消光螺纹对测量系统进行杂散辐射抑制结构设计，利用蒙特卡洛光线追迹法验证了抑制结构的有效性。结果表明，设计的杂散辐射抑制结构能有效抑制系统在测量过程中所出现的外部杂散光，其中30°螺纹抑制结构效果最好，其PST数值降低至10^-12，能有效提高检测系统对目标信号的识别能力，满足系统工作需求。

关  键  词：管输气体;激光检测;杂散辐射抑制;消光螺纹

中图分类号：O 433.1         文献标识码： A       文章编号：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

管道運输作为天然气、石油等化工产品的主要输送方式之一，具有自动化程度高、密闭性好等特点。实时在线监测管道输送过程，能够及时了解管道运行状况，以便后续工作人员进行检修和维护。以管输天然气为例，准确监测管内水组分含量一直是一个关键问题。含水天然气在一定的压力和温度下，可形成水合物堵塞阀门和管线，同时也会影响天然气的热值和品质^[1-3]。因此，实时监测管输天然气水组分含量，对保证天然气输送管道安全经济运行具有十分重要的现实意义与经济意义。

可调谐激光吸收光谱（TDLAS）技术以非接触检测、检测灵敏度高、响应速度快、无需对样品进行预处理等优势，近年来已被广泛应用于环境监测、痕量气体监测以及多组分气体浓度的监测^[4]。在检测过程中，由于气体环境温度、压力的变化，极易形成杂散辐射对测量结果造成影响。杂散辐射不仅会降低接收信号的信噪比，同时影响测量系统的探测精度^[5，6]。目前，国内外学者对红外光学系统杂散辐射的分析及抑制进行了一系列的研究。陈学等^[7]人设计了具有蜂窝内壁结构的遮光罩，并运用蒙特卡洛法进行模拟，结果表明遮光罩内壁蜂窝结构具有很好的杂散光抑制作用。任国栋^[8]等人运用TracePro光学软件对短波红外镜头杂散辐射进行了分析，通过增加遮光罩、修改结构件和添加杂光涂层等方式对杂散辐射进行抑制。尹爽^[9]等人应用ASAP软件进行光学系统建模，并对不同挡光环个数以及不同形状开口挡光环的冷屏结构进行了分析。

本文基于TDLAS原理，设计了天然气含水量激光在线检测光路，分析了光路检测过程中可能存在的杂散辐射，据此提出杂散辐射抑制方案，并通过TracePro光学软件进行了验证。

1  测量原理及吸收谱线选取

1.1  测量原理

Beer-Lambert定律^[10，11]总结了光强透射比与气体分子体积分数、压强、气体吸收系数及单色光传播光程之间的关系，当初始光强为I₀的单色光通过待测气体区域后，其透射光强I变化可表示为：

  （1）

式中：  S （T） —待测气体在该波段的吸收谱线强度，是气体分子的

固有属性且与温度有关，cm^-2·atm^-1;

P —待测气体所处压强，atm;

L —单色光传播总光程，cm;

C —待測气体体积分数，%;

φ （v） —待测气体分子吸收谱线的线型函数，以表征气体分子

吸收谱线形状及线宽，是环境温度、 压力的耦合函

数，cm^-1。

对式（1）两边取对数并进行积分，可得光谱吸光度A：

     （2）

已知气体环境压力P、吸收谱线强度S（T）、激光传输距离L及光谱吸光度A，即可得到待测气体体积分数。

1.2  吸收谱线选取

图1为利用HITRAN数据库模拟压力为1 atm、温度296 K工况下7 170～7 200 nm波段范围H₂O和CH₄分子Lorenz线型吸收谱线分布。如图1所示，H₂O在1 392 nm处存在较强吸收峰，且甲烷吸收强度较小，可忽略。因此选择1 392 nm作为H₂O近红外检测吸收峰。

2  测量光路

设计如图2所示的TDLAS在线检测光路系统，取天然气集输管道直径95 mm，高240 mm，材质设定为碳钢。激光光源采用DFB激光二极管，输出波长为1 392 nm，设定为均匀分布，束腰半径为2 mm，总光通量10 W。激光光束经光纤准直器进入到开放性检测光路系统，在通过集输管道后经折转镜改变吸收光束传播方向，吸收光谱信号由Thorlabs公司生产的PDA10CS探测器所接收，通过示波器将所吸收信号进行输出和反演，由此确定集输管道内天然气含水量。

在天然气集输过程中，管道公称直径依据天然气输气量的不同，其大小介于500～1 200 mm之间，因此该开放性测量系统光程在50～120 cm之间。利用开放性光路系统进行在线检测，无需对气体进行采样，且不受复杂环境条件的限制，可以进行大范围内的实时在线监测。

3  杂散辐射传输原理及抑制

在激光在线测量光路系统中，非目标信号以及通过非正常路径传输的目标信号，在探测器入瞳处会形成一个附加照度，这种非目标光线所携带的辐射能量就是测量系统的杂散辐射。杂散辐射会降低像面的对比度及调制传递函数，使整个像面的清晰度降低，严重时目标信号会完全被杂散辐射噪声所湮没^[12，13]。目前，一般采取表面黑漆处理、增设挡光环、对遮光罩优化设计等方式对杂散辐射进行抑制。

3.1  杂散辐射表面能量传输原理及评价指标

图3为杂散光在任意两个表面间的传输机理^[14，15]，其中dA_S为光源发射面元，dA_C为光源接收面元，两面元间距为R_SC，θ_S、θ_C別为两面元间距连线与各面元法线夹角。当dA_S面辐照亮度为L_S时，接收面元dA_C所接收到的光通量为：

      （3）

系统表面选用双向反射分布函数BRDF的ABg模型，则dA_S面辐照亮度为：

           （4）

式中，E_S为光源发射面元出射辐照度，将式（2）代入式（1）可得：

    （5）

最终接收面元所接收到的光通量形式可变为：

      （6）

式中，dΦ_S为发射面辐射光通量，为E_s·dA_S;GCF为系统几何构成因子，为;dΩ_CS为接收面元相对于光源所张立体角，为。

由式（6）可知，为对测量系统杂散辐射进行抑制，可通过减小系统结构表面BRDF_S、发射面辐射光通量dΦ_s以及系统几何构成因子GCF。而本文主要通过设计遮光罩、挡光环及消光螺纹等对光路传输中的关键表面进行遮挡以减小系统结构GCF，从而对光路传输产生的杂散辐射进行抑制。

常用点源透过率PST评价光学系统对杂散辐射的抑制能力^[16]。点源透过率PST定义为视场外离轴角为θ处某一杂散光源经测量系统在探测器入瞳处辐照度E_d（θ）与该光源在测量系统入口处辐照度E₀（θ）的比值，表示为：

           （7）

PST只评价系统自身对杂散辐射的抑制能力，与外界背景环境杂光强度无关，其值越小，表示系统对杂光的抑制能力越强。

3.2  杂散辐射抑制结构及分析

设计如图4所示的杂散辐射抑制结构。不同尺寸的挡光环对入射杂光进行初步抑制，经折转镜改变传输方向，进入消光螺纹进行二次抑制。其中，遮光罩内壁采用Black Paint黑漆涂层，光学窗口材料选用透过率较高的蓝宝石单晶（α-Al₂O₃）。将模型导入TracePro光学软件进行仿真模拟，对光源及光机表面进行属性设置，模拟实际测量环境。采用光源离轴角0°～90°进行光线追迹，设15°为一个步长逐次增加离轴角。

定义光源中心波长为1.392 μm，测量系统环境温度350 K。光学窗口材料为α-Al₂O₃，设置其对光线的透过率为93%。遮光罩、挡光环及消光螺纹材质为铝合金，对其表面进行Black Paint涂黑处理。探测器表面设置为完全吸收。为提高仿真模拟准确度，设置光线追迹阈值为1×10^-8，光线追迹数量为70 000条，通过追迹大量的光线数保证消光比值的可靠性。

图5为有无杂散辐射抑制结构工况下，光线到达探测器焦平面辐照度对比。其中，入射光源离轴角为30°。通过对比可知，在有杂散辐射抑制结构工况下，到达探测器焦平面通光量明显小于无杂散辐射抑制结构，且光斑居于中心分布。说明该杂散辐射抑制结构能有效消除视场角外部分杂散光，由此改善系统的成像质量。

图6为三种不同形状消光螺纹杂散辐射抑制结构在不同离轴角度下系统PST曲线。在中心视场附近，PST较大。当视场角偏离15°时，系统PST开始衰减。与初始系统结构相比，60°螺纹、等边螺纹及30°螺纹抑制结构PST分别减小至10^-7、10^-9及10^-12，符合系统杂光抑制需求。其中30°螺纹抑制结构对系统杂光抑制能力明显强于其他两种抑制结构，因此最终杂散辐射抑制结构选用30°消光螺纹。

4  结论

本文设计了管输天然气含水量激光在线检测光路，并对检测过程中可能出现的杂散辐射进行了结构抑制设计。利用蒙特卡洛光线追迹法对60°螺纹、等边螺纹及30°螺纹的杂散辐射抑制结构进行了仿真模拟，并计算在不同光源离轴角下的PST数值，验证不同消光螺纹的抑制效果。结果表明：设计的杂散辐射抑制结构能有效抑制激光在线检测光路系统杂散光，改變消光螺纹形状采用30°螺纹结构能更高效的抑制杂散辐射，其PST数值降低至10^-12，能有效提高检测系统对目标信号的识别能力。

参考文献：

[1]任星明，万小进，张耀中，等. DF13高温高压气藏天然气含水率实验测试研究[J]. 广州化工，2017，45（13）：102-104.

[2]阮超宇，史博会，丁麟，吕晓方，黄启玉，宫敬，张静楠. 天然气水合物生长及堵管规律研究进展[J]. 油气储运，2016，35（10）：1027-1037.

[3]叶飞. 浅谈天然气管道运输中的水分对分输的影响[J]. 中国石油和化工标准与质量，2012，33（10）：258.

[4]贾巍，何莹. 结合环境参数修正的高温气体光谱检测系统设计[J]. 应用光学，2018，39（06）：809-814.

[5]LV Y，WANG D，WANG Z G，et al. Investigation on optical path of laser detection of multiple thermal fluids and suppression of high-temperature stray radiation interference[J]. Optik，2018，174（12）：567-579.

[6]韩星，吴含笑，王泷仪. 复合光学系统杂散辐射分析及抑制[J]. 应用光学，2019，40（01）：1-6.

[7]陈学，孙创，夏新林. 具有蜂窝内壁的遮光罩杂散光抑制特性分析[J]. 光学学报，2012，32（05）：230-234.

[8]任国栋，张良，兰卫华，等. 短波红外成像系统的杂散辐射分析与抑制研究[J]. 激光与光电子学进展，2015，52（12）：249-255.

[9]尹爽，朱颖峰，黄一彬，等. 红外焦平面杜瓦冷屏挡光环杂散辐射的抑制[J]. 红外技术，2015，37（11）：916-920.

[10]刘盼，雷佳捷，方波，等. 1.653μm处甲烷分子谐波探测技术研究[J]. 应用光学，2017，38（02）：264-269.

[11]J.Y. Chen，C.R. Li，M. Zhou，et al. Measurement of CO₂ concentration at high-temperature based on tunable diode laser absorption spectroscopy[J]. Infrared Physice& Technology，2017（80）：131–137.

[12]TIAN Q J，CHANG S T，LI Z，et al. A method to measure internal stray radiation of cryogenic infrared imaging systems under various ambient temperatures [J]. Infrared Physics & Technology，2017，81（3）：1-6.

[13]王伟丽，吕勇，李晓英，等. 一种双波段成像系统的红外通道杂散光分析[J]. 应用光学，2018，39（02）：262-267.

[14]朱杨，张新，伍雁雄，等. 离轴反射式空间天文望远系统设计及其杂散光抑制研究[J]. 光学学报，2014，34（08）：234-240.

[15]吴琪，徐熙平，徐亮，等. 基于PST的杂散光测试系统研究[J]. 长春理工大学学报（自然科学版），2018，41（03）：16-21.

[16]朱德燕，彭志涛. 屏蔽罩的优化设计与杂散光分析[J]. 中国激光，2018，45（01）：62-67.