吴小路1 杨炳雄2
（1.大连大学信息工程学院，辽宁 大连 116622；2.大连艾科科技有限公司，辽宁 大连 116600）
【摘 要】天然气的主要成分是甲烷，天然气开采、处理和输送作为一项高技术、高风险的生产活动，各种形式的天然气泄漏成为影响环境与安全的隐患。可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）技术具有高选择性、高灵敏度、快速响应等特点，已经广泛应用于痕量气体浓度检测中。本文提出一种基于TDLAS的开放式激光检测甲烷浓度系统，该系统主要采用了波长调制光谱技术和二次谐波检测技术。在开放光程下，研究甲烷气体的特征吸收谱线，测量了六种浓度甲烷气体。将该系统应用于甲烷气体检测中，有利于安全生产，具有广泛的实际应用价值。
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关键词 激光；TDLAS；甲烷；开放
Study of Open System of Methane Detection Using Laser
WU Xiao-lu1 YANG Bing-xiong2
（1.Information Engineering College, Dalian University, Dalian Liaoning 116622, China;
2.Dalian Actech Co., Ltd., Dalian Liaoning 116600, China)
【Abstract】The methane is main component of natural gas，in natural gas exploiting, processing and transporting, natural gas leak is dangerous for environment and security. Tunable diode laser absorption spectroscopy(TDLAS) technology has been widely used in atmospheric trace gases detection, because it has a lot of advantageous characteristics, such as high sensitivity , good selectivity, and rapid time response. This paper presents a remote measurement system by using tunable diode laser absorption spectroscopy, this System employed the second-harmonic detection of wavelength modulation spectroscopy. This paper characteristics of methane gas absorption lines, measuring six kinds of concentrations of methane gas in the open path. The system is applied to the detection of methane gas, it is conducive to safe production and a wide range of practical applications
【Key words】Laser；Tunable diode Laser absorption spectroscopy；Methane；Open path
作者简介：吴小路（1988—），安徽合肥人，硕士研究生，主要研究方向为气体检测。
0 引言
在天然气的开采、传输过程中各种形式的气体泄漏将会严重影响大气环境和人民生命财产安全。当空气中的甲烷浓度达到5%，氧气浓度不低于12%时，遇到明火，就会发生爆炸。因此研制一套甲烷检测系统，能够对天然气开采运输过程中的甲烷泄露高灵敏度检测，具有十分重要的现实意义。
相比较传统的化学测量方法，可调谐半导体激光吸收光谱技术具有无可比拟的优势，由于它测量灵敏度非常高、测量的下限非常低，可以满足气体浓度检测的要求，因而非常广泛地运用在常规技术手段无法实现的痕量气体浓度测量中[1]。
本文使用DFB激光器应用TDLAS技术，在开放光程下，对甲烷浓度进行检测系统。这种测量系统具有高灵敏度、便携，并可以遥测等技术特点。该方案采用波长调制，二次谐波检测等技术,检测二次谐波信号并利用最小二乘法就可实现甲烷气体浓度的测量。本文对该系统方案进行了理论分析和实验研究。
1 检测原理
TDLAS技术是经调制过得激光频率扫描一条独立的气体吸收线，获得目标气体的特征吸收谱线的吸收光谱，推算浓度信息[2]。
1.1 Lambert-Beer定律
（1）
式中，I1是接收光强，I0为入射光强，α（v）是频率为v的气体吸收系数，C是气体密度，L是气室长度。那么在本系统，接收端的接收光功率为：
（2）
其中，K是接收效率，D是气体浓度关于开放光程的积分。
1.2 甲烷特征吸收谱线
从HITRAN2012数据库[3]中查到，甲烷气体分子一共有四个基频振动段，对应的波长值处在近红、中外波光段，分别是3430nm、6520nm、3310nm、7660nm，由于能够提供该波段光源多是采用了铅盐窄带半导体激光器，系统复杂，价格昂贵。日本东北大学在1984年测得，在近红外波光段1653.7nm处，甲烷的吸收线线强远大于水分子和二氧化碳分子的吸收线线强。
所以系统选用的中心波长为1653.7nm的DFB半导体激光器，在该吸收谱线下，其他气体分子不吸收激光光强，减少了其他气体吸收的干扰，甲烷浓度检测的精确度更高。
1.3 波长调制技术与二次谐波技术
利用直接吸收测量技术检测气体浓度，容易受到背景噪声信号干扰会降低检测的灵敏度。为了提高性能，TDLAS技术多采用波长调制光谱技术（WMS）[4]，调制过程是半导体激光器发出的激光束在目标气体的吸收峰附近扫描，利用半导体激光器具有的电流和温度的可调谐特性，对激光波长进行某一频率的余弦波调制，半导体激光器发出的频率为v的激光束被信号产生器发出的频率为w余弦调制信号调制后，激光频率变为：
v=v0+vacoswt（3）
其中，va是调制幅度。将上式代入到Lambert-Beer定律中，当调制幅度v0足够小时，目标气体吸收后的光强I（v）傅里叶余弦展开：
通过以上傅里叶变换能够知道，每个谐波分量与分子在频率大小为v处的光学吸收截面成正比。从理论上说，特征吸收谱线的每个谐波分量都能够应用在TDLAS技术中，选用二次谐波信号检测理由如下：谐波幅值会因傅里叶变换次数增加而依次递减，吸收谱线的线宽增加，相邻谱线间带来的干扰就越来越难分辨出来，通过计算可知，偶数次谐波峰值都处在特征吸收谱线的中心上，激光器输出的激光频率大小可以和目标气体的特征吸收谱线保持一致；而奇数次的谐波中心处的值都是零，所以很难让激光器输出频率能够稳定在谱线中心位置。
本系统需要检测谐波信号，但是一般的滤波器对噪声的抑制作用还不足以满足提取微弱信号的要求，我们利用锁相放大器来完成这个工作[5,6]，其工作原理如图1所示。
当f1=f2时，公式前一部分为直流信号分量，后一部分为交流信号分量。低通滤波去除差频分量后，得到输出的信号为：
（9）
式中可以看出，输出信号U0大小和输入信号幅值正相关关系。通过调节移相电路，能够使参考信号和输入信号之间没有相位差，输出信号U0就和输入信号幅值成正比关系。
系统结构图如图2所示，激光器内的温控和电控电路来共同实现激光器中心波长调节。计算机的D/A卡产生一路叠加了5kHz正弦调制信号和20Hz的锯齿波的波长调谐信号，通过激光驱动器加载在半导体激光器上。激光器输出的激光束连续扫描甲烷分子的吸收线。另一路5kHz的正弦信号，送入锁相放大器作为解调参考信号。激光由单模光纤传输到自聚焦透镜准直输出。被气室中甲烷气体吸收的激光到达接收端的光电探测器，经探测器光电转换后的电信号传输到锁相放大器，以参考信号的二倍频(10kHz)进行解调，获得气室中甲烷的二次谐波信号，由数据采集卡对锁相放大器出来的二次谐波信号进行A/D转换，得到甲烷吸收谱线的二次谐波信号，最后计算机对采集到的信号进行处理。
2 实验过程
人实验在室温条件下，开放光程长度为100m，气室长度为0.9m，向气室内依次充入浓度为50ppm、110ppm、130ppm、250ppm、330ppm、530ppm的甲烷气体。当充入某一浓度的气体时，待吸收稳定后，在同一浓度下采集多种组数据，然后用高纯度（99.99%）的氮气对气室进行吹扫，再充入另一浓度的气体，如此反复测量。信号发生器产生的20Hz的锯齿波信号和锁相放大器产生的5KHz的正弦波信号叠加在一起，叠加信号通过激光电流控制器加载在激光器上，来共同实现波长的调谐。
对基于波长调制和二次谐波探测的TDLAS系统，散粒噪声限制下的主要噪声来源于标准具效应引入的干涉条纹，标准具效应是散射光与主光束之间发生干涉而产生的稳定的具有一定周期性的噪声信号，这会对信号测量带来一定的干扰。实验采用扣除背景的方法来消除干涉条纹。在测量前首先往气体吸收池中充入99.99%的高纯度氮气作为零浓度气体背景，系统测量并保存背景信号，利用数据采集卡完成与激光器的波长扫描同步的数据采集。
3 实验结果分析
计算机设置对采集的信号进行多次累加平均，通过采用扣除背景的方法可以使测得的甲烷气体的二次谐波信号平滑，这样就消除了干涉条纹的带来影响。
对以上6种不弄浓度的甲烷气体进行测量，得到已扣除背景噪声的甲烷二次谐波信号如图3所示。
从图中能够看出，在保持相同的调制频率下，不同浓度甲烷气体的二次谐波信号的形状大致相同，但是浓度越高，吸收峰越大，信号幅值越大。
对系统测得6组不同浓度甲烷气体的二次谐波信号，通过最小二乘法可以拟合出6个对应的浓度值，其线性拟合结果如图4所示，其中横坐标是气体的实际浓度，纵坐标是通过系统检测拟合标准谱线得到的浓度信息，线性度为99.7%。通过实验很好的验证了可以根据待测气体的二次谐波信号与相同条件下得到的已知浓度气体的二次谐波信号使用最小二乘拟合法得到待测气体浓度。
4 总结
本文讨论了基于TDLAS技术的开放式甲烷浓度检测系统实现和实验数据分析。选择合适的甲烷气体特定吸收谱线，排除其他气体分子干扰，通过应用波长调制以及二次谐波等技术有效的提高了测量系统的灵敏度。在100m的开放光程下，对6种不同浓度的甲烷气体进行了检测，结果显示和标准浓度之间存在良好的线性相关性。该方法可行，检测结果准确，可应用于天然气管道泄漏检测中，具有良好的工业应用前景。
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参考文献
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［责任编辑：刘展］