LabVIEW 机载 DIAL：每秒万次甲烷测量

一套装在单引擎固定翼飞机上的差分吸收激光雷达DIAL系统在 500 m 到 1 km 的对地高度上每秒要完成 1,000 到 10,000 次甲烷测量。工程上的难点在于让激光、采集、定位和相机落在同一个时基上。机载激光雷达甲烷测量光路与机柜界面给出甲烷浓度剖面01 要做什么把 DIAL 装上单引擎固定翼飞机甲烷是天然气的主要成分。自 2009 年以来公开统计中有 250 多起严重管道事故同期事故数量减少了 39%但监管与行业法规仍在推动对甲烷逃逸排放的快速发现、分类和处理需要覆盖的管道输送系统规模达 2.6 百万英里。基于 50 余年的遥感经验这套机载甲烷监测系统从单引擎固定翼飞机上识别地面的甲烷排放。相比既有的航空泄漏巡查方式它的特点是成本低于直升机挂载传感器把整条甲烷羽流成像作为更精确的监测手段发现大排放源可立即通知运营方飞行结束后数小时内给出完整报告。从激光雷达lidar的基本原理看激光源发出光脉冲脉冲与地面或结构相互作用后部分后向散射光子被收集并按时间记录飞行时间直接对应散射发生的距离。DIAL 在两个激光波长上工作一个位于目标分子吸收线上on-resonance一个在吸收线外off-resonance。共振波长被吸收得更强两个信号的差值就对应激光路径上该分子的量因此 DIAL 能测出目标分子的距离和数量测距本身就是 DIAL 测量的固有组成部分。02 难在哪500 倍信噪比与不确定的脉冲间隔系统针对甲烷分子CH4。DIAL 看的是光谱上尖锐的吸收线设计上要能把甲烷的共振特征与其他可能混淆测量的分子区分开。有一个指标很能说明问题这类测量所需的信噪比约为仅仅测距所需的 500 倍。环境带来的挑战是回波信号受地面反射率变化影响激光器也不完美两个脉冲的能量和波长在逐次发射之间独立变化。因此系统对每次测量都要做背景反射率标定把接收能量归一化到发射能量还会在每次目标测量前测一个已标定的甲烷样品用它反算吸收常数修正激光波长逐发的不稳定。背景、参考、接收三类测量在激光每次发射时都要做一遍。时序上on-resonance 与 off-resonance 两个脉冲相隔几百纳秒且间隔是非确定性的。对地距离取决于调查目标和飞机姿态一般在 500 m 到 1 km AGL 之间。回波脉冲可能是完整的nominal也可能畸变例如高大植被甚至缺失例如浓度极大只有存在完整回波时才会把测距与 DIAL 测量结合成路径积分的甲烷测量。视调查目标不同每秒要做 1,000 到 10,000 次测量。03 方案用 PXI Express 做同步中枢目标的定位与跟踪、姿态修正、甲烷测量的地理定位都要求系统内每个组件保持同步。最终选择 PXI Express 机箱作为关键组件的平台。同步中枢是 PXI-6683H 模块它提供与 GPS 对齐的系统参考时钟送给激光器和 PXI 嵌入式系统并对所有 PXI Express 外设可用。往下分成几路。PXIe-6341 X Series DAQ 用参考时钟来同步模拟指令和遥测。NI-5761 FlexRIO 适配器模块的 A/D 转换器通过 socketed CLIP 中的 IoModSyncClk 以及 sample clock select/commit 信号对齐到系统参考时钟。FlexRIO FPGA 模块运行定制的数字化仪和 DIAL 算法其框图开箱即与参考时钟同步。PXI-6683H 还经 PXI 触发线为 FPGA 产生异步计数器复位信号计数值与每次测量打包用来对照来自位置姿态系统POS和转向镜控制器的数据做校验、地理定位和插值。POS 通过一块经 PXIe-6341 连接的 SCB-68A 设备接收事件触发。PXI-6683H 同时触发 GigE 上下文相机该相机平时由 NI-IMAQdx 控制它还产生一个未来时间事件让系统在起飞后不久启动。NI-Sync、NI-DAQmx、NI-IMAQdx 与 FPGA 的能力使系统在真实工况下保证距离与甲烷测量同步并完成地理定位。04 LabVIEW 里的程序FPGA 下沉处理主机做呈现FlexRIO FPGA 模块根据调查目标运行若干定制 bit 文件之一负责捕获 DIAL 信号、测距并计算甲烷浓度。数据序列化与修正。系统用三到四个换能器配合 NI 5761 FlexRIO 数字化仪适配器模块吞吐率在 11.2 Gibit/s 到 15.2 Gibit/s 之间这个量级决定了 FPGA 的处理方式。在标定好换能器链路每个 A/D 计数值之后FPGA 做可变偏置修正并利用激光两次发射之间的时间把数据串行化。定制触发。对串行化后的每一路信号用电平触发的循环缓冲区在 A/D 计数值峰值附近精确捕获。串行化、定制触发和定制采集三者共同降低了数据吞吐每个峰值都被赋予时间戳用于测距。DIAL 分析。FPGA 对数据做质量检查例如校验是否收到地面脉冲并根据脉冲参数设置标志位还会对每个脉冲做整形修正确定性的电学效应。激光每发射一次FPGA 就执行一次甲烷浓度算法并把遥测流式传送给运行在 PXIe-8135 控制器上的 LabVIEW 应用程序。LabVIEW 应用为操作员提供捕获脉冲、测量结果、性能与系统健康的即时视图并把最终数据产品交给可视化软件将距离和浓度叠加到上下文相机图像上。所有数据记录到一块 NI 8260 1.2 TB PXI SSD后处理用 DIAdem 软件服务于质量保证和持续改进。05 结果系统已累计飞行超过 100 小时甲烷检测阈值被确定为风速的函数。已探测到低至 50 SCFH标准立方英尺/小时的甲烷流量。感测带宽度可配置到 200 m。空间分辨率和地理定位精度均优于 2 m。测量结果经彩色编码叠加在共瞄的上下文图像上为操作员提供排放的实时视图飞行后经后处理还可生成地理图层。后续计划采用 PXIe-5172 可编程数字化仪可在约 3,000 ft AGL 工作高度是现在的两倍勘测带宽扩大五倍空间分辨率提升两倍化学灵敏度相当。PXI 电子设备已支撑多轮 DIAL 迭代和多种调查目标其中包括一项探测液态丙烷的任务。06 这个案例说明什么第一瓶颈往往不在采而在对和算。11.2 Gibit/s 到 15.2 Gibit/s 的数据若原样送主机几乎没有实时处理的余地把串行化、峰值触发和浓度计算下沉到 FPGA主机才有余力做呈现和后处理。第二非确定性间隔是物理事实不是软件缺陷。系统没有试图去修复它而是让每次测量自带计数器值和时戳再配合 POS 与转向镜数据做地理定位和插值。与其强行对齐不如让每份数据自证其时刻。第三标定要写进单次测量的循环里。逐发变化的脉冲能量和波长、变化的地面反射率都要求每次发射都完成背景、参考、接收三类测量周期性标定不够用。第四平台化收益体现在迭代速度上。小规模开发也能快速设计、实现、测试并演进系统同一套 PXI 电子设备支撑了多轮 DIAL 迭代甚至换到探测液态丙烷。500 倍信噪比DIAL 测甲烷所需的信噪比约为单纯测距所需的 500 倍这是整个系统设计的起点。同步先于算法GPS 对齐的参考时钟分发给每块板卡与相机测距和浓度才能落到同一时基上。07 写在最后我们专注 LabVIEW 软件开发与测试测量系统集成从硬件选型、方案设计到现场交付调试提供一站式服务。像这类多板卡同步、FPGA 实时处理加主机端实时呈现的外场测量系统正是我们日常处理的问题。欢迎在评论区留言身边朋友有类似项目也欢迎帮忙引荐。