基于TDLAS的管道泄漏檢測(cè)載機(jī)飛行路徑規(guī)劃

劉海芳,王 瑞,鐘詩(shī)勝

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)船舶工程學(xué)院,山東威海 264209)

基于TDLAS的管道泄漏檢測(cè)載機(jī)飛行路徑規(guī)劃

劉海芳1,2,王 瑞2,鐘詩(shī)勝1

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)船舶工程學(xué)院,山東威海 264209)

從檢測(cè)儀的檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)激光對(duì)管道自主定位時(shí)保證檢測(cè)管道不漏檢兩方面對(duì)載機(jī)的飛行路徑進(jìn)行規(guī)劃。確定在兩管段接頭處載機(jī)的具體飛行方位?；跈z測(cè)儀的檢測(cè)靈敏度得到載機(jī)的可飛行高度與偏離管道距離的關(guān)系。結(jié)果表明:考慮實(shí)際檢測(cè)時(shí)各因素的影響,建議載機(jī)飛行時(shí)偏離管線的距離應(yīng)在45 m之內(nèi),飛行高度應(yīng)低于110 m,且在保證飛行安全的前提下盡量降低飛行高度。

檢測(cè)靈敏度；飛行范圍；掃描方式；飛行方位

基于TDLAS的機(jī)載激光對(duì)埋地長(zhǎng)輸天然氣管道進(jìn)行泄漏檢測(cè),國(guó)外已進(jìn)行理論研究并進(jìn)行了飛行試驗(yàn),取得良好效果[1]；國(guó)內(nèi)也已開展基于可調(diào)諧激光吸收光譜的大氣甲烷監(jiān)測(cè)儀的研究[2-3]。潘明忠等[4]從探測(cè)靈敏度、動(dòng)態(tài)探測(cè)能力、激光穩(wěn)頻、系統(tǒng)定標(biāo)、復(fù)雜地表反射等方面對(duì)機(jī)載平臺(tái)的實(shí)用性進(jìn)行了論證。李克等[5]證明直升機(jī)攜帶激光甲烷檢測(cè)儀進(jìn)行長(zhǎng)輸管線巡檢的方法可適用于平原、沙漠、戈壁等地區(qū),而對(duì)地形起伏較大的丘陵、山地等地區(qū)效果不佳。采用機(jī)載激光對(duì)管道泄漏進(jìn)行檢測(cè),不漏檢是前提,同時(shí)要保證檢測(cè)儀到管道的距離在儀器的檢測(cè)范圍內(nèi),在機(jī)載泄露檢測(cè)中載機(jī)的位置對(duì)泄漏檢測(cè)的準(zhǔn)確性至關(guān)重要。筆者從檢測(cè)儀的探測(cè)靈敏度和保證檢測(cè)激光對(duì)管道不漏檢兩方面對(duì)載機(jī)的飛行路徑規(guī)劃問(wèn)題進(jìn)行研究。

1 載機(jī)飛行范圍

天然氣管道若發(fā)生泄漏,在泄漏點(diǎn)周圍就會(huì)形成一個(gè)泄漏氣團(tuán),李又綠[6]、王大慶[7]等研究了天然氣管道泄漏氣體擴(kuò)散模型,并對(duì)危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行了估計(jì)。李克等[5]論述了基于TDLAS的泄漏檢測(cè)儀技術(shù)原理,利用鎖相放大技術(shù)得到接收信號(hào)中的一次諧波分量P1f和二次諧波分量P2f。由于采用了頻率調(diào)制技術(shù)及二次諧波探測(cè)技術(shù),在較小的光學(xué)吸收下,二次諧波信號(hào)P2f較一次諧波信號(hào)P1f小很多[8]。因此,最小可探測(cè)的氣體含量與最小可探測(cè)的P2f是對(duì)應(yīng)的,而最小可探測(cè)的P2f是和激光的散射噪聲和系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換噪聲相關(guān)的,因此光電轉(zhuǎn)換器的噪聲和激光器的強(qiáng)度調(diào)制噪聲將成為影響本系統(tǒng)最小可探測(cè)濃度的主要因素。文獻(xiàn)[8]中給出了基于理論計(jì)算來(lái)決定最小可探測(cè)的甲烷濃度,其中引入一些假定性的技術(shù)參數(shù),使分析結(jié)果可靠性降低,其后的實(shí)驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)。

潘明忠等[4]從工程可行性角度,基于國(guó)外已經(jīng)產(chǎn)品化的手持式探測(cè)儀器的技術(shù)參數(shù)和性能指標(biāo)來(lái)論證機(jī)載平臺(tái)的適用性；但在論證時(shí)沒有考慮到機(jī)載檢測(cè)的實(shí)際情況與手持式檢測(cè)儀的不同,即采用手持式檢測(cè)儀進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí),接收透鏡正對(duì)著反射體,因此接收面積就是透鏡的面積,接收透鏡與檢測(cè)區(qū)域的距離就是可檢測(cè)距離；實(shí)際載機(jī)攜帶激光檢測(cè)儀進(jìn)行泄漏檢測(cè)時(shí),載機(jī)不可能總是在管道正上方飛行,機(jī)載檢測(cè)時(shí)接收透鏡的有效面積和檢測(cè)激光的實(shí)際路徑與接收透鏡的實(shí)際大小、載機(jī)高度之間是有差別的,因此文獻(xiàn)[4]的論證結(jié)果存在一定誤差。本文采用文獻(xiàn)[4]的方案,以目前國(guó)內(nèi)已研發(fā)成功的手持式泄漏檢測(cè)儀為基準(zhǔn),計(jì)算在研的機(jī)載泄漏檢測(cè)儀的可檢測(cè)范圍,從而確定載機(jī)的可飛行范圍。

國(guó)內(nèi)的手提式泄漏檢測(cè)儀采用的DFB激光器波長(zhǎng)為1.653 μm,輸出功率為10 mW,探測(cè)器為In-GaAs PIN photodiode,接收望遠(yuǎn)鏡口徑為100 mm,可探測(cè)距離34 m；目前在研的機(jī)載探測(cè)系統(tǒng)相對(duì)于手持式產(chǎn)品只是激光器輸出功率和接收望遠(yuǎn)鏡的口徑做了適當(dāng)調(diào)整(其他參數(shù)相同),接收望遠(yuǎn)鏡口徑為300 mm,輸出功率為15 mW。設(shè)計(jì)的機(jī)載泄漏檢測(cè)儀要達(dá)到和手持式泄漏檢測(cè)儀相同的探測(cè)靈敏度,即

式中,S1、R1、P1和S2、R2、P2分別為手持式泄漏檢測(cè)儀和在研機(jī)載泄漏檢測(cè)儀的接收透鏡的有效接收面積、檢測(cè)儀和目標(biāo)的距離以及泄漏檢測(cè)儀的激光功率。

圖1為機(jī)載檢測(cè)時(shí)載機(jī)與檢測(cè)管道位置示意圖。

設(shè)實(shí)際飛行時(shí)載機(jī)離地面的高度為H,載機(jī)偏離管道的距離為d,則式(1)將修正為

由式(2)推算出要達(dá)到與手持式檢測(cè)儀相同的檢測(cè)靈敏度,載機(jī)飛行高度和偏離管線位置的關(guān)系如圖2所示。由圖2可見:在所攜帶的泄漏檢測(cè)儀可探測(cè)范圍內(nèi),載機(jī)偏離管線距離越小,載機(jī)的可飛行高度越高。因此,若實(shí)際檢測(cè)時(shí)因地勢(shì)或其他地面障礙物等的影響載機(jī)飛行高度要提高時(shí),必須控制載機(jī)飛行偏離管道的距離,使得載機(jī)盡量在管線正上方飛行。在現(xiàn)研檢測(cè)儀的檢測(cè)精度下,載機(jī)的最大飛行高度不能超過(guò)125 m,載機(jī)偏離管道的距離應(yīng)控制在75 m之內(nèi)。

圖1 機(jī)載檢測(cè)示意圖Fig.1 Schematic diagram of helicopter-borne detection

圖2 載機(jī)飛行高度和偏離管線位置的關(guān)系Fig.2 Relationship between flying height and flying deviation from pipeline

考慮實(shí)際檢測(cè)時(shí)各因素的影響,保證檢測(cè)靈敏度,建議載機(jī)飛行時(shí)偏離管線的距離控制在45 m之內(nèi),飛行高度應(yīng)低于110 m,在保證飛行安全的前提下盡量降低飛行高度,縮小載機(jī)偏離管線的距離,保證激光束到管線的距離在檢測(cè)儀的可檢測(cè)范圍內(nèi)。

2 載機(jī)飛行路徑規(guī)劃

根據(jù)機(jī)載檢測(cè)儀的檢測(cè)靈敏度分析確定了載機(jī)的飛行范圍,在此范圍內(nèi)還要同時(shí)保證載機(jī)飛行時(shí)檢測(cè)激光束可以對(duì)管線進(jìn)行全路徑掃描,不應(yīng)出現(xiàn)掃描盲點(diǎn),否則也可能造成漏檢。因此管道上檢測(cè)點(diǎn)的定位方法及規(guī)劃飛行路徑對(duì)于實(shí)施準(zhǔn)確可靠泄漏檢測(cè)至關(guān)重要。

2.1 檢測(cè)管線之間位置關(guān)系

根據(jù)GB50251-2003輸氣管道工程設(shè)計(jì)規(guī)范,用于改變管頭走向的彎頭、彎管的曲率半徑較大,為此根據(jù)管線鋪設(shè)的方向和位置,將局部管線簡(jiǎn)化成一段段具有一定寬度的直線段。設(shè)S為管線起點(diǎn)位置,E為管線終點(diǎn)位置。下角Lat為緯度,Long為經(jīng)度,Height為海拔高度。

則管線之間的位置關(guān)系見圖3(a)。圖中,OG、OH分別是兩相鄰管段的中垂線,其交點(diǎn)為O。規(guī)定兩管段中垂線交點(diǎn)的一側(cè)稱為管道內(nèi)圈,另一側(cè)稱為外圈。

圖3 管道之間的位置關(guān)系和檢測(cè)點(diǎn)的確定方式Fig.3 Positions among pipelines and determination of orientation point

2.2 載機(jī)所在管網(wǎng)區(qū)域判別方法

設(shè)P為攜帶激光檢測(cè)裝置的載機(jī)位置。

當(dāng)管線大體為東西鋪設(shè),若滿足

PLong∈[min(SLong,ELong),max(SLong,ELong)]時(shí),表明載機(jī)已進(jìn)入當(dāng)前管線區(qū)域,對(duì)當(dāng)前管線進(jìn)行檢測(cè)；

當(dāng)管線大體為南北鋪設(shè),若滿足

PLat∈[min(SLat,ELat),max(SLat,ELat)]時(shí),表明載機(jī)已進(jìn)入當(dāng)前管線區(qū)域,對(duì)當(dāng)前管線進(jìn)行檢測(cè)。

2.3 管線檢測(cè)點(diǎn)的確定

由激光對(duì)管道檢測(cè)原理可知,反射波光功率與2倍探測(cè)距離的平方呈反比關(guān)系[5],機(jī)載激光對(duì)埋地管道的自主定位方法[10]采用檢測(cè)儀到管線的最短距離確定管道上檢測(cè)點(diǎn)位置,可大大提高檢測(cè)靈敏度,但是采用這種定位方法對(duì)多條管道連續(xù)檢測(cè)時(shí)會(huì)造成部分管線漏檢。如圖3(b)所示,點(diǎn)P、P′分別為載機(jī)沿相鄰接的兩條管線外圈飛行及內(nèi)圈飛行時(shí)載機(jī)位于兩管線臨界位置；T點(diǎn)為激光束在管道上的定位點(diǎn)。若載機(jī)沿外圈飛行,采用文獻(xiàn)[10]的定位方法,管線AB段中BT段管線漏檢；當(dāng)載機(jī)沿內(nèi)圈飛行時(shí),管線BC段中也有一段管線BT漏檢,即載機(jī)只要偏離管道,不管怎樣飛行總有一段管線漏檢,漏檢距離為

式中,d為載機(jī)偏離管道的距離。

圖4 管道上檢測(cè)點(diǎn)緯度和經(jīng)度方向定位圖Fig.4 Schematic diagram of detection point orientated by longitude scanning and latitude scanning

而兩管段連接處又是泄漏檢測(cè)的重點(diǎn),顯然文獻(xiàn)[10]的定位方法在兩管段接頭處存在漏檢隱患。因此必須改變激光束對(duì)管道的定位方式。

(1)當(dāng)鋪設(shè)的管道在空間上大致呈南北走向,激光只沿緯度方向掃描,如圖4(a)所示。

此時(shí)管道上掃描點(diǎn)T的坐標(biāo)為

(2)當(dāng)鋪設(shè)的管道在空間上大致呈東西走向,激光只沿經(jīng)度方向掃描,如圖4(b)所示。

此時(shí)管道上掃描點(diǎn)的坐標(biāo)為

載機(jī)所在管網(wǎng)區(qū)域識(shí)別算法及掃描方式判別流程見圖5。

按上述載機(jī)所在管網(wǎng)區(qū)域識(shí)別算法和定位方式對(duì)檢測(cè)管段進(jìn)行掃描,當(dāng)載機(jī)由一段管線進(jìn)入下一段管線時(shí),若掃描方式不發(fā)生改變,無(wú)論載機(jī)在兩管線的內(nèi)側(cè)、外側(cè)飛行都不會(huì)發(fā)生漏檢；而當(dāng)掃描方式發(fā)生切換時(shí)(管線由南北鋪設(shè)方式變?yōu)闁|西鋪設(shè)方式或管線由東西鋪設(shè)轉(zhuǎn)換為南北鋪設(shè)時(shí)),載機(jī)必須沿兩連接管線的外圈飛行才能保證不漏檢。

圖5 管網(wǎng)區(qū)域識(shí)別算法流程圖Fig.5 Flow diagram of discerning pipeline?s location

3 管道定位點(diǎn)及載機(jī)飛行方位仿真

圖6 掃描點(diǎn)位置仿真和局部放大圖Fig.6 Simulation of scanning points and partial enlarged drawing

將兩種不同方向的模擬管道輸入上位機(jī)軟件,載機(jī)沿著檢測(cè)管道偏離一定距離飛行,對(duì)管道進(jìn)行定位,如圖6所示。圖中虛線為載機(jī)飛行路徑,虛線上的點(diǎn)為某一時(shí)刻載機(jī)位置。由圖6可見:若掃描方式不發(fā)生改變,載機(jī)在管線任一側(cè)飛行都不會(huì)發(fā)生漏檢；若掃描方式發(fā)生改變,圖中載機(jī)位于點(diǎn)1時(shí)結(jié)束對(duì)管段沿緯度掃描,載機(jī)位于點(diǎn)2開始對(duì)下一管段沿經(jīng)度方向掃描,此時(shí)載機(jī)位于兩管線接頭外側(cè),管道不存在漏檢區(qū)域,載機(jī)位于點(diǎn)1和點(diǎn)2之間時(shí)只是對(duì)原南北分布管線的延長(zhǎng)線進(jìn)行掃描。仿真結(jié)果說(shuō)明按所述載機(jī)飛行位置及定位方式不會(huì)造成管道漏檢,驗(yàn)證了提出的管道上掃描點(diǎn)定位方式及載機(jī)飛行方位的正確性。

4 結(jié) 論

(1)機(jī)載激光檢測(cè)管道泄漏,載機(jī)的飛行屬于精確飛行,考慮實(shí)際檢測(cè)時(shí)各因素的影響,保證檢測(cè)靈敏度,建議在保證飛行安全的前提下盡量降低飛行高度,縮小載機(jī)偏離管線的距離。

(2)根據(jù)管線的鋪設(shè)方向在兩管段接頭處采用沿管線經(jīng)度掃描或緯度掃描確定管道上檢測(cè)點(diǎn)位置,否則不管載機(jī)怎樣飛行都存在漏檢的缺陷。

(3)若兩管段采用同一種掃描方式,載機(jī)在管道兩側(cè)飛行均可實(shí)現(xiàn)不漏檢；但當(dāng)鄰接的兩管段發(fā)生掃描方式改變時(shí),載機(jī)必須沿兩管道的外圈飛行才能保證不漏檢。

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(編輯 沈玉英)

Path planning of helicopter flight with borne detector based on TDLAS for pipeline leaks detection

LIU Hai-fang1,2,WANG Rui2,ZHONG Shi-sheng1
(1.School of Mechatronics Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China；
2.School of Naval Architecture,Harbin Institute of Technology,Weihai 264209,China)

From the detection sensitivity of the detector and the detection laser autonomous positioning the pipeline to ensure the detection pipeline not missed,the path planning of the helicopter was given.The flight range at the joint of two pipe sections of carrier aircraft was determined.Concerning the detection sensitivity,the relationship between the flying height and the distance due to the flying deviation from the pipeline was given.The results show that the flying height is less than 110 m and the flying deviation distance from the pipeline is less than 45 m respecting the detection factors.The flying helight is reduced as far as possible under the premise of flight safety.

detection sensitivity；flying scope；scanning mode；flying direction

TP 394. 1；TH 691.9

A

1673-5005(2013)02-0102-05

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.02.017

2012-11-10

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目(2008AA06Z208)

劉海芳(1971-),女,副教授,博士研究生,研究方向?yàn)楫a(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造、故障診斷等。E-mail:moyuzhairen@163.com。