天然气的主要成分为甲烷，而甲烷作为易燃易爆气体，在天然气的生产、存储和运输等环节中存在安全隐患[1-4]，因此，须进行甲烷的动态监测与预警。
目前，对甲烷气体的监测主要采用的是热催化式、红外式和调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术传感器。其中，热催化式传感器检测范围小、精度低且误差较大[5]；红外式传感器易受到其他可燃气体和水汽的影响；TDLAS技术传感器选择性强、适应性较好、响应快、稳定性强、检测范围广且使用寿命长[6-8]。目前，采用TDLAS技术的红外激光甲烷气体检测仪已经在环境监测、天然气泄漏、燃烧过程分析和医学诊断等领域得到了大范围推广和应用。国外对TDLAS气体检测技术的研究较早，技术也相对成熟。2014年，Sur等[9]采用光纤耦合的4个DFB激光器成功对气化炉中的气体成分进行了检测分析。2015年，Cao 等[10]采用中心波长为7.71 µm的量子级联激光器，结合小体积多反射气室，同时测量大气中的N2O、CH4和水蒸气，验证了单个QCL的多气体检测系统可以应用在环境监测和呼吸分析领域。2016年，Dong等[11]采用3.3 µm室温连续的带间级联激光器和多反射气室，设计了相应的折叠光路，使采用TDLAS技术的甲烷传感器的体积和能耗得到了改善。2019年，Razavipour等[12]采用DFB可调谐Ga-Sb激光器，并采用波长调制光谱技术增大调制深度，进一步提高了传感器的检测灵敏度。
国内对TDLAS气体检测技术的研究近年来取得了一系列成果。2013年，Pan等[13]采用中心波长为1.626 µm的DFB激光器，结合长光程怀特型反应池实现对甲烷和乙烯的同步检测，实验结果表明系统的检测精度可以达到5%。2018年，Jiang等[14]利用TDLAS技术并基于波长调制技术，采用1 653.72 nm的DFB激光器，并结合赫里奥特型反应池实现了对甲烷气体吸收产生的二次谐波信号的检测。2019年，Shao等[15]采用TDLAS技术和自主设计的赫里奥特型反应池，对大气中的CO和CH4进行48 h的现场测量，验证了TDLAS技术传感器的可靠性。2018年，宋芳等[16]对采用TDLAS技术的中红外甲烷传感器进行了研究，提出了一种通过增加参考光路通道来抑制系统慢变漂移的方法，该方法可以滤除各种统计特性未知的慢变噪声，并提高系统的抗干扰性能。
研究人员对TDLAS气体检测技术进行了大量理论和应用研究[17-22]。甲烷检测系统平台也主要依赖甲烷检测技术的发展，并结合软件程序实现更高效的甲烷检测技术。2018年，陈红岩等[23]设计了一种基于Wi-Fi技术的红外甲烷检测系统，采用不分光红外法的甲烷传感器，并利用Wi-Fi串口模块结合手机应用实现远程实时检测甲烷气体含量。2020年，王彪等[24]采用VCSEL激光光源研制了TDLAS甲烷检测系统，该系统具有功耗低的优点。2023年，高杰等[25]使用无人机搭载激光甲烷遥测仪和可见光吊舱的双挂载平台执行巡检任务，该系统结构简单、设计合理且智能化程度较高，能有效地解决现有管线巡检中存在的人工操作繁琐、复杂环境下的管线泄漏监测、巡检数据碎片化、监控片面化、第三方占压或破坏导致泄漏等问题。本研究基于TDLAS技术设计了一种新型云定位激光甲烷测量平台，首先对激光甲烷检测定位原理进行研究，然后进行新型云定位激光甲烷测量平台软硬件设计，最后搭建实验场地进行现场测试分析并得出相关结论。
TDLAS技术的原理为可调谐半导体激光器在驱动电流的调制下发射出特定波长的激光，随后注入周期性电流，激光波长产生周期性变化并调节到待测气体的吸收谱线以发生选择性吸收，再利用经过气体吸收后的光谱强度信号反演出待测气体的含量[26]。因此，当一束特定波长的光穿透泄漏的甲烷气团时会被其吸收，且甲烷气团对光的吸收量与气团的厚度和含量成正比，故可以根据光束变弱的程度测量气团中甲烷的含量，其原理如图1所示。
比尔−朗伯定律（Beer-Lambert law）是通过光吸收程度的量化进而计算出各种气体含量的方法基础[27]。当频率为$ v $的激光通过气体时，输出光强与输入光强的关系如式（1）所示。
式中：$ {I}_{{\mathrm{in}},v} $为输入光强；$ {I}_{{\mathrm{out}},v} $为输出光强；$ \alpha_v $为气体分子的吸收系数；C为待检测气体的浓度，mol/L；L为气室光程长，m；$ \sigma _v $为气体分子的吸收截面，m2；N为气体分子密度，1/m3。
其中，待测气体的$ \alpha_v $与气体压强、气体的吸收光谱有关，其关系如式（2）所示。
式中：p为气体压强，Pa；$ S_T $为特定温度下时吸收光谱的线强；$ \phi_v $为吸收谱线的线型函数，满足$ {\displaystyle\int }_{-\infty }^{+\infty }\phi _v{\mathrm{d}}v=1 $。
通过式（1）和式（2）换算，可得式（3）。
由式（3）可知，由于$ L $和$ p $是根据现场环境确定的，而$ S_T $和$ \phi _v$固定不变，所以，只要测量输入光强$ {I}_{{\mathrm{in},v}} $和输出光强$ {I}_{{\mathrm{out},v}} $，就可以推导出甲烷气体的含量。
吸收谱线会直接影响到吸收测量的效果，所以，选择合适的吸收谱线是测量平台设计的关键。通过对比HITRAN数据库甲烷气体吸收光谱（见图2）[28-29]，选择中心波长为1 330 ~1 660 nm的吸收光谱曲线进行分析。
考虑到光纤损耗问题，1 653 nm处的光器件更容易获得，可相对降低系统成本；水蒸气在1 330 nm处也存在吸收，会给甲烷气体的检测带来较大的干扰，而在1 653 nm处，除甲烷气体外，其他气体无明显吸收；根据HITRAN数据库可知，甲烷气体在1 653 nm处的吸收强度高出1 330 nm处一个数量级。综上所述，本激光甲烷测量选择了位于1 653 nm处的特征吸收谱线，不仅测量甲烷气体含量的灵敏度可以达到10−6数量级，而且还可以排除其他气体吸收谱线的干扰。
在测量的同时，要根据GPS模块输出来实现甲烷泄漏位置的定位。将高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。假设t时刻在地面待测点上安置GPS接收机，可以测定GPS信号到达接收机的时间$ \Delta t $，再加上接收机所接收到的卫星星历等其他数据，则可以确定式（4）~式（7）[7, 30]。
式中：待测点坐标$ (x,y,{\textit{z}}) $和$ t $均为未知参数；$ {d}_{1}、{d}_{2}、{d}_{3}、{d}_{4} $分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4到接收机之间的距离；$ \Delta {t}_{1}、\Delta {t}_{2}、\Delta {t}_{3}、\Delta {t}_{4} $分别为卫星1、卫星2、卫星3和卫星4的信号到达接收机所经历的时间；$ c $为GPS信号的传播速度（即光速）。
由以上4个公式即可计算出待测甲烷柱密度值（甲烷柱密度值=甲烷体积分数×气团厚度，单位：10−6·m）测量点的坐标和GPS信号到达接收机的时间。
图3所示为激光甲烷测量GPS定位原理图。
新型云定位激光甲烷测量平台硬件电路部分主要由MSP430微处理器、激光发射模块、GPS定位模块、通信模块、显示模块、电源模块和控制按键等组成，系统总体设计框图如图4所示，外观如图5所示。电源模块提供电能；MSP430微处理器通过通信模块实现远程通信的功能、通过控制按键将相关设置传输给微处理器并通过光源驱动以保证激光发射器的正常工作；显示模块将数据处理结果进行输出显示。
1） MSP430微处理器：由微控制单元（MCU）、时钟、电源、调试接口和BOOT启动电路等部分组成。
2） 激光发射模块设计：为了提高激光发射器的稳定性，采用负反馈控制，稳流电路由基准电压电路、电压−电流转换电路、恒流输出电路和反馈电路组成。
3） 通信模块设计：分为NB远程传输与RS485串口通信两部分，只需要进行简单的配置则可实现应用，即无需编程而快速实现远程监控。
4） 显示模块设计：采用AML200H2201型2寸TFT液晶显示屏，显示数据存储在内部存储器中，显示数据RAM的读写操作不需要外部时钟驱动，能尽可能地减少功耗。
5） 控制按键设计：采用独立键盘，与微处理器的输入、输出端口直接相连；按下菜单键打开菜单栏进行设备校准、报警设定和检测模式等功能选择；快速连按测量键，打开或关闭绿色辅助指示激光；单次按下测量键发射测量激光，可以对目标气体进行测量。
为便于后续对甲烷含量及测量定位数据的查询、分析、处理和存储，采用LabVIEW软件开发上位机测量系统平台。
软件部分主要分为服务器配置模块、数据字符接收模块、信号处理模块、数据显示模块和数据存储与历史数据查询模块等。程序通过服务器配置模块配置远程通信协议，选定对应的映射串口与数据传输波特率。在完成相应的配置工作之后，上位机以无线传输的方式远程接收数据，以便进行后续数据的操作与处理。数据接收完成后通过程序对上传接收到的包含数据信息的字符串进行转换与提取，对提取出的有用信号进行实时数值显示。使用数据库相关操作控件，设计搭建完成数据库的数据存储功能，以便进行历史数据的随时查询。设计历史数据库查询程序，实现历史数据的实时查询，其具体框架设计如图6所示。
上位机软件经过无线网络传输接收到的数据为包含实际有用信息的字符串，在数据提取部分，首先将字符串转换为数组类型数据，提取数组中的有用数据，并按十进制还原数据。数据还原完成后，由数值显示控件对所得结果进行数值显示。同时，由于上位机存储数据容量有限，本设计利用第三方数据库进行采集数据的存储，弥补了存储空间不足的缺陷，在数据查询界面可以查询到测量的日期和时间、测量位置的经纬度和甲烷柱密度值。
本系统设计了较为完善的人机交互界面，实现了系统在线实时监测并对监测数据进行相应处理。同时，还设计了完善的数据库处理功能，可实时进行数据存储，并根据实际需要随时进行历史数据的查询。其软件界面见图7。
泄漏的甲烷气团无论在空间还是时间上都是不断变化而且分布不均匀的，从而导致测量设备与反射物之间的距离不确定，甲烷气团的厚度也不确定。
为了达到满意的测量精确度，目标气体与背景环境气体的平衡混合物是最好的标定气体。因此在实验中，选用甲烷质量浓度分别为8.04、20.10和50.40 mg/m3（柱密度值分别为64.32×10−6·m、160.80×10−6·m、403.20×10−6·m）的甲烷标气瓶，往标气管中充入甲烷气体，与空气进行充分混合后作为标定的标准气体来模拟甲烷在空气中的泄漏情况，并对激光甲烷测量设备进行标定。
实验步骤如下：
1） 首先，在空旷的环境下搭建标准气室，并检查标准气室的密封性以保证实验人员的安全。然后，将装有甲烷的气袋通过导管向气室内充入少量气体，气体充入完毕后，立即将导管拔出并封住充气口。最后，在标准气室后放置一块白板作为激光的反射面。
2） 将甲烷激光检测仪组装调试好后，手持甲烷激光检测仪与标准气室保持水平，进行测试。在检测过程中，发出的光束穿过泄漏的甲烷气团后，经由反射面反射，再次穿过气团后回到检测器，经过数据传输至上位机后完成检测。
在完成标定后，对不同柱密度值的标准气体进行重复实验，将测定值与标准气体柱密度值进行比较，实验数据见表1。测量平台对不同柱密度值的甲烷标准气体柱密度值测量的最大相对误差为3.6%，重复性相对标准偏差不超过1.88%，证明本测量平台具有较高的准确性和可重复性。
同时，为验证本新型云定位激光甲烷测量平台的定位准确性与精度，选取多个检测点进行现场测试，选择自动检测模式在检测点进行定位数据收发，每个检测点每隔2 min发送1次测量数据，每个检测点测量4次，同时将计算机上测量平台软件显示的定位坐标与手机定位坐标进行对比来进行验证。
通过对比，测量平台的定位坐标与手机定位坐标数据基本一致，纬度最大误差为2″，经度最大误差为1″，表明本测量平台具有较高的定位精度。
为了验证新型云定位激光甲烷测量平台的有效监测距离，在不同距离下使用标定好的带可见激光的甲烷检测仪对403.20×10−6·m的甲烷气体进行检测。首先确定好可见激光与甲烷激光检测仪大致的相对位置，然后不断移动可见激光，以便快速打准目标。不同距离下的甲烷气体柱密度值如表2所列。由表2可知，当距离达到150 m后，测试最大相对误差开始快速增大，测试数据不具备参考价值，后续通过小范围变化测试后，得到新型云定位激光甲烷测量平台的有效监测距离为150 m。
本研究提出了一种新型云定位激光甲烷测量平台设计方法，实现了泄漏甲烷的检测与定位。通过现场实验验证了所提平台设计方法的可行性，并得出了以下结论。
1） 理论分析表明，激光甲烷测量选择位于1 653 nm处的特征吸收谱线，不仅能将测量甲烷气体含量的灵敏度提高到10−6数量级，而且还能排除其他气体吸收谱线的干扰。
2） 基于MSP430处理器，搭建了集成化的硬件电路并完成了符合人体工学的设备外形外壳设计，通过处理器对GPS定位模块、激光模块、显示屏与电源等的实时控制，降低了设备能耗，改善了设备庞大、能耗大和续航短等问题。
3） 结合LabVIEW软件开发的上位机测量系统平台，实现了激光甲烷手持设备的云定位功能，最大可实现150 m遥测，设备搭载GPS定位模块可实时在线对测量数据与定位坐标进行监测与查询。
4） 搭建实验场地以进行现场实验，测量平台对不同柱密度值的甲烷标准气体柱密度值测量的最大相对误差为3.6%，重复性相对标准偏差不超过1.88%，证明本测量平台具有较高的准确性和可重复性；通过对比4个检测点的测量平台数据与手机定位坐标，测量平台的定位坐标与手机定位坐标数据基本一致，纬度最大误差为$2''$，经度最大误差为$1''$，表明本测量平台具有较高的定位精度。
本研究的实验数据与理论分析和现场测试结果表明，本新型云定位激光甲烷测量平台具有较高的实际应用价值，并且其云定位功能可以为城市燃气管网巡检工作带来便利，在石油天然气行业具有较大的应用空间。
2024, Vol. 53 Issue (6): 120-126 2024, Vol. 53 Issue (6): 120-126