阚玲玲 叶 蕾 王喜良 陈建玲 宋福政

（1.东北石油大学电气信息工程学院；2.上汽通用东岳汽车有限公司冲压车间；3.中海石油（中国）有限公司天津分公司；4.大庆油田有限责任公司第五采油厂第五油矿高一队）

天然气的主要成分是易燃易爆的甲烷（CH4）气体。 由于甲烷能够吸收特定波长的红外辐射，近年来，基于红外检测技术的天然气管道泄漏检测方法得到广泛关注［1，2］。 现阶段，利用可调谐二极管激光吸收光谱技术（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）测量气体浓度已广泛应用［3］。为了降低TDLAS系统的检测限，针对系统中无法避免的干扰和噪声，越来越多的后续处理算法被研究和应用［4］。2014年，吉林大学郑传涛课题组在TDLAS系统中引入小波去噪 （WD），最小检测限（MDL）从4ppm（1ppm=0.001‰）降到了1ppm，在4～50ppm浓度范围内，最大检测误差从6.2%降至3.8%［5］。 2015年安徽大学课题组提出了一种基于离散小波变换（DWT）的方法，选择最佳小波可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS）进行自适应处理，用于分子光谱和痕量气体检测等定量分析［6］。 2018年，Song F等采用带间级联激光器作为光源，通过在光源驱动中加入噪声，实现自适应抑制噪声的甲烷检测系统［7］。2018年，山东大学杨仁弟将经验模态分解用于降低TDLAS系统的本底信号［8］。2020年，王志芳等采用集合经验模态分解算法（EEMD）结合小波方法对气体光谱数据进行了预处理，从噪声中提取微弱信号进行气体浓度测定［9］。

笔者首先搭建了一套基于TDLAS技术的甲烷气体浓度识别系统， 检测浓度分别为10、30、987ppm的标准甲烷气体，用Matlab软件拟合成一条标准浓度的甲烷直线，然后用浓度为987ppm的标 准 气 体 配 比 了 浓 度 为299.1、448.6、548.3、658.0、822.5、897.3ppm的甲烷气体， 用以验证配比精度。

1 基于TDLAS的甲烷气体浓度检测系统设计

TDLAS技术由Hinkley E D在20世纪70年代提出［10］，主要用于痕量气体的检测。 该技术通过对窄线宽激光器的温度和电流进行调节，使之输出包含待测气体特征吸收谱线的激光，依据Beer-Lambert定律分析投射光强得到气体浓度。

1.1 检测原理

1.1.1 直接吸收光谱法

改变驱动电流的大小，使激光器输出能扫过目标气体吸收峰的光源，通过重复扫描取平均值提高检测精度。 将三角波信号驱动产生的特定波长激光信号通过长光程气体池，采集光电检测器光强信号， 利用Beer-Lambert定律拟合标准浓度基线，进而计算出待测气体的浓度信息［1］。标准大气压下的输出光强I（v）可以表示为［11］：

其中，C为待测气体浓度；I0为入射光强；L为光程；v为瞬时频率；吸收系数α（v）的表达式如下：

其中，N为气体分子密度；S（T）为待测气体吸收谱线强度；T为温度，K；G （·） 为洛伦兹线型函数。

直接吸收光谱法测量简单，通过基线拟合减去背景之后再进行线性拟合，可以得到线型参数的绝对值，可用于测量浓度、温度及压强等。 但是当系统的信噪比较小时，即吸光度小于0.01时，会影响到直接吸收光谱法的可靠性。 为克服这一问题，波长调制技术开始被广泛应用［1］。

1.1.2 波长调制技术和谐波检测方法采用高频正弦信号对注入电流进行调制，然后提取接收光强信号的谐波分量，可以有效抑制带外低频噪声。 该技术下激光器的瞬时频率计算公式为：

其中，x0=（vc-v0）/γ；v0为甲烷分子谱线的中心频率；m为波长调制系数，m=Δv/γ。

从而，经过气体吸收后的透射光强可以转换成如下形式：

根据Andt’s理论模型［10］，I（x）的一次、二次谐波分别为：

由式（6）、（7）发现：对于频率调制的洛伦兹线型来说， 奇次谐波信号也呈现出了奇对称性，奇次谐波信号在吸收线中心频率处幅值为零；偶次谐波信号是偶对称的，并且在吸收线的中心频率处获得极值，该极值包含了待测气体的浓度信息，可用于测量气体的浓度；谐波信号的最大幅值与调制指数m相关， 它随谐波次数的增大而减小，所以谐波信号次数太高反而不利于气体浓度分析［12］。 因此选用二次谐波幅值作为气体浓度检测的依据，可以提高系统的信噪比。

1.2 系统设计

笔者搭建了基于TDLAS技术的甲烷气体浓度识别系统（图1），该系统包括3部分，分别为：标准气体、高精度流量计和标准光程气体吸收池组成的气体浓度配比部分；扫描信号、调制信号、驱动电路、激光光源和光电检测器组成的光电检测部分；高速采集卡和上位机软件组成的信号采集部分。

气体浓度配比部分。样气为一瓶浓度987ppm的标准CH4和一瓶作为稀释气体的高纯度N2。 流量计选用MC质量流量控制器， 由美国ALICAT公司生产。 用标准光程为14.5m的赫里奥特池作为气体吸收池， 激光在气体吸收池内反射52次，完成光谱的充分吸收。

光电检测部分。 系统中激光光源使用中心波长为1 653.7nm 的分布式反馈（Distributed Feedback，DFB）激光器，激光波长随电流的变化率为0.01nm/mA，由温度和恒流源控制。 PCI-1DA控制器产生的80mA扫描电流加到激光器的电流驱动板上，使激光器输出的激光波长在1 653.7～1 654.1nm之间连续变化。 激光波长由2Hz锯齿波信号扫描，激光调制模块使用31.2kHz、初相位为π/2的余弦波信号。 采用高性能可切换增益检测器PDA20CSInGaAs，其波长范围为800～1 700nm，圆形传感区域直径为2mm。

信号采集部分。 FC为准直器，PD为光电检测器， 采用NI PXle-6366作为采集卡， 上位机采用PCI-1DA 1.5.1进行数据处理。

1.2.1 激光器的选择

光源采用DFB激光器， 通过内置布拉格光栅实现波长的选择。 DFB激光器最大的特点是具有非常好的单色性， 它的线宽非常窄， 通常小于15MHz，有的甚至小于1MHz，还具有非常高的边模抑制比（SMSR），可达到40～50dB。 DFB激光器可以通过温度和电流来进行调谐，当前的电流调谐范围比较窄，通常小于1nm，但调谐速度快，可精确控制。

在近红外波段选择气体吸收谱线时，主要考虑谱线强度和其他气体谱线干扰两方面，本系统采用中心波长为1 653.7nm的单模蝶形封装DFB激光器，其工作温度为-25～50℃，最大驱动电流不超过120mA，驱动电流典型值为70mA，输出功率为5mW。

1.2.2 气体吸收池的选择

激光由光纤经过准直器进入长光程气体吸收池内，经过多次反射后，携带气体光强吸收信息被光电检测器接收， 然后依据Beer-Lambert定律测量气体的浓度。

本系统采用的是Herriott长光程气体吸收池，有效吸收光程为14.5m， 适用于各种常见气体样品的光谱分析检测。 此气体吸收池采用独特的镜面设计， 使激光束在气体吸收池中形成多次反射，有效光程在很小空间内达到数十米，可对小体积气体样品实现有效的光吸收。

1.2.3 光电检测器的选择

系统采用Thorlabs的PDA20CS作为光电检测器，它是一种具有放大功能、可调增益的InGaAs检测器， 可用于检测800～1 700nm波长范围内的光信号，缓冲输出可驱动50Ω负载阻抗，最高可达5V， 可以用于检测微弱的信号， 最大响应度为1.04A/W。 在检测器的侧面有8个增益挡位，范围从0～70dB，步长为10dB，可根据检测信号的强度调节增益位置， 确保探测信号达到最佳幅值输出。 同时，该检测器噪声水平低，最大的噪声幅值只有600μV，确保了有效信号的质量。

1.3 TDLAS甲烷气体浓度检测流程

TDLAS甲烷气体浓度检测流程如下：

a. 利用PCI-1DA 控制器调节中心波长为1 653.7nm的DFB工作在28℃，调节激光器的激光波长以0.01nm/mA的变化率在1 653.7～1 654.1nm之间变化。 输出波长由2Hz锯齿波扫描，用工作频率为31.2kHz、初始相位为π/2的余弦波进行调制。

b. 将气体吸收池内的温度控制在16.9℃，分别使用10、30、987ppm的标准甲烷气体冲干净气体 吸 收 池， 保 证 池 内 压 强 为1atm （1atm =101 325Pa）。 PCI-1DA控制器产生的80mA扫描电流加到激光器的电流驱动板上，使激光器输出激光的波长在1 653.7～1 654.1nm连续变化，吸收光程为14.5m。

c. 由光电检测器测量激光的光强变化情况，将其转换为电信号由数据采集卡再转换为数字信号输入到软件中， 通过计算机进行光谱分析。根据光电检测器检测的透射光强信号解调出一次谐波和二次谐波信号，由甲烷气体浓度与其二次谐波幅值的对应关系拟合出甲烷气体浓度的标定直线。

d. 用氮气作为平衡气体，将987ppm的标准甲烷气体浓度根据前述配气原理用流量计将标准气分别配比为6种不同浓度的气体， 将解调计算最后的结果用于甲烷气体浓度标定直线验证，验证系统的准确性。

2 基于TDLAS的甲烷气体浓度识别

系统以987ppm的标准甲烷气体为实验样本配比不同浓度的甲烷气体，拟合浓度直线，然后用其他浓度的标准气体进行测试，以验证识别精确度。

2.1 气体浓度标定

系统用氮气作为平衡气体， 稀释浓度为987ppm的标准甲烷气体， 配比了浓度为299.1、448.6、548.3、658.0、822.5、897.3ppm的6种甲烷气体样本， 提取不同浓度甲烷气体的二次谐波信号，如图2所示。

图2 不同浓度甲烷气体二次谐波信号

利用6组浓度实验数据对系统进行标定，每种浓度下各取30组二次谐波信号的最大值，然后取平均，通过拟合得到接收光强信号二次谐波幅值最大值平均值max（Amp）与甲烷气体浓度C成线性关系（图3）。

图3 二次谐波幅值最大值平均值与甲烷气体浓度的对应关系（987ppm）

测量时，可以根据式（8）来确定甲烷气体浓度。

2.2 不同浓度甲烷气体识别

2.2.1 同一标准气体配比的气体浓度识别精度分析

用987ppm的标准甲烷气体配比299.1、448.6、548.3、658.0、822.5、897.3ppm的甲烷气体，所得浓度的相对误差见表1。 由表1可以看出，配比浓度与实测浓度之间的相对误差都在4%以内。 由图3可以看出二次谐波幅值最大值平均值与甲烷气体浓度呈现良好的线性关系。

表1 987ppm标准甲烷气体的配比浓度与实测浓度的相对误差

2.2.2 不同标准气体配比的气体浓度识别精度分析

用30ppm的标准甲烷气体配比5、10、20ppm的甲烷气体，所得浓度的相对误差见表2。 二次谐波幅值最大值平均值与甲烷气体浓度的对应关系如图4所示。

表2 30ppm标准甲烷气体的配比浓度与实测浓度的相对误差

图4 二次谐波幅值最大值平均值与甲烷气体浓度的对应关系（30ppm）

由表2可以看出，用30ppm标准甲烷气体配比的浓度与实际测得的浓度之间的相对误差都在8%以内； 由图4可以看出二次谐波幅值最大值与甲烷气体浓度呈现良好的线性关系。

用997.9ppm标准甲烷气体配比199.6、249.5、399.2、499.0、623.7ppm的甲烷气体， 所得浓度相对误差见表3。 二次谐波幅值最大值平均值与甲烷气体浓度的对应关系如图5所示。 由表3可以看出，用997.9ppm标准甲烷气体配比的浓度与实际测得的浓度之间的相对误差都在2%以内； 由图5可以看出二次谐波幅值最大值平均值与甲烷气体浓度呈现良好的线性关系。

表3 997.9ppm标准甲烷气体的配比浓度与实测浓度的相对误差

图5 二次谐波幅值最大值平均值与甲烷气体浓度的对应关系（997.9ppm）

2.2.3 标准气体浓度的识别精度分析

检测10、30、987ppm的标准甲烷气体浓度，所得相对误差见表4。 二次谐波幅值最大值平均值与标准甲烷气体浓度的对应关系如图6所示。

表4 实际所测甲烷浓度与10、30、987ppm标准甲烷气体浓度之间的相对误差

图6 二次谐波幅值最大值平均值与10、30、987ppm标准甲烷气体浓度的对应关系

由表4可以看出，10、30、987ppm标准甲烷气体浓度与实际测得的浓度之间的相对误差都在4%以内；由图6可以看出二次谐波幅值最大值平均值与标准甲烷气体浓度呈现良好的线性关系。

上述一系列实验均可证明笔者基于TDLAS技术搭建的甲烷气体浓度识别装置的气体标定准确，气体浓度识别精度高。

3 结束语

笔者以TDLAS技术识别甲烷气体浓度为研究背景， 采用波长调制技术抑制噪声， 提高检测精度，再使用流量计配比所需甲烷浓度。通过标准气体的实验， 拟合出二次谐波信号幅值与甲烷气体浓度之间的线性关系， 并通过其他标准浓度气体进行误差分析。 最后分析实验数据，计算误差。 实验结果表明， 二次谐波信号幅值均与各个标准甲烷气体配比出的浓度呈现良好的线性关系， 且高浓度标准甲烷气体配比出的浓度误差在4%以内，低浓度标准甲烷气体配比出的浓度误差在8%以内，表明该装置具有一定的工程应用价值。