研究人員已經(jīng)開發(fā)出一種新型紅外成像系統(tǒng)，有望可以提供低成本、實(shí)時(shí)性的管道或者石油和天然氣設(shè)施中的甲烷氣體泄漏情況。甲烷是天然氣的主要組成部分，其泄露可能是昂貴和危險(xiǎn)的，同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致溫室氣體的氣候變化。
“盡管甲烷氣是肉眼看不到的，但我們已經(jīng)開發(fā)了一種利用彩色編碼這種氣體信息的方法，并放置到一個(gè)傳統(tǒng)相機(jī)圖像中，” 蘇格蘭格拉斯哥大學(xué)的Graham M. Gibson博士說，他領(lǐng)導(dǎo)了這項(xiàng)技術(shù)工作。“這允許用戶操作相機(jī)可環(huán)顧四周，從而識(shí)別到目標(biāo)，看到一個(gè)重疊氣體的存在。”
Gibson和其他的研究小組的研究人員合作開發(fā)了這種實(shí)時(shí)紅外成像系統(tǒng)。已經(jīng)發(fā)表在光學(xué)學(xué)會(huì)的《光學(xué)快報(bào)》雜志上，研究人員表明，該系統(tǒng)可以獲取甲烷泄漏時(shí)的視頻信息，起訴率每分鐘約0.2升。該技術(shù)也可以擴(kuò)展到其他波長或波長范圍，從而檢測多種氣體和化學(xué)品。
Graeme Malcolm博士，他是M2公司的首席執(zhí)行官和聯(lián)合創(chuàng)始人，他說：“從商業(yè)角度來看，其挑戰(zhàn)之一是將紅外技術(shù)應(yīng)用到更大的市場中，其價(jià)格點(diǎn)是非常敏感的。這種新技術(shù)可以使紅外成像和傳感變得更容易獲得，并有助于改善環(huán)境，減少石油和天然氣行業(yè)的氣體損失。
技術(shù)聯(lián)合
雖然商業(yè)系統(tǒng)使用成像檢測甲烷氣體是可用的，但它們是非常昂貴的，并不能很好地應(yīng)用在所有的環(huán)境條件下。新的成像系統(tǒng)可以提供一個(gè)便宜且更加敏感的方式在各種條件下來檢測甲烷氣體。它采用的積極的高光譜成像技術(shù)由M2公司開發(fā)出來，而格拉斯哥研究小組開發(fā)了單像素相機(jī)。
該系統(tǒng)執(zhí)行高光譜成像，通過使用一個(gè)激光波長處被吸收的甲烷投射到場景中，形成一系列的紅外光模式。這些圖案是用激光與成千上萬的移動(dòng)反射鏡的微型設(shè)備創(chuàng)建的，稱為數(shù)字微鏡裝置。圖像顯示了甲烷吸收光線情況，通過檢測光散射現(xiàn)場計(jì)算比較原始的投影模式進(jìn)行重構(gòu)。
這一新的甲烷氣體成像系統(tǒng)采用主動(dòng)照明，意味著它可以自己提供光源，與目前可用的氣體探測器被動(dòng)照明系統(tǒng)相比，具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)，包括利用溫差進(jìn)行系統(tǒng)的氣體檢測。
Nils Hempler博士，作為M2公司的創(chuàng)新領(lǐng)導(dǎo)，他說：“使用被動(dòng)照明系統(tǒng)，夜晚或陰雨情況會(huì)造成信號(hào)到達(dá)成像系統(tǒng)發(fā)生變化或不存在。有源照明的光源是獨(dú)立于環(huán)境變化的，包括溫度或光的變化，并提供增強(qiáng)的對比度和更高的靈敏度。
研究人員使用一個(gè)單像素相機(jī)測量場景中的光線，而具有千萬像素的傳統(tǒng)相機(jī)由于散射且昂貴不可用于紅外波長。單像素相機(jī)是建立一個(gè)商業(yè)的甲烷氣體成像系統(tǒng)的關(guān)鍵，其成本可能只有幾千元，明顯低于今天的商用氣體檢測成像儀。由于該系統(tǒng)不使用任何掃描儀或其他移動(dòng)部件，它可以很容易地變成一個(gè)便攜式儀器。
在該論文中，研究人員表明，他們的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)距離管道約一米處約25幀每秒的甲烷氣體泄露監(jiān)測速率。他們還表明，這種方法對于甲烷是十分敏感的，即使在相機(jī)和甲烷之間有其他氣體之間存在。
“我們發(fā)現(xiàn)其中的一件事是，我們并不一定需要高清晰度圖像時(shí)，檢測氣體泄漏，” Gibson說。一個(gè)相對快速的幀速率在相機(jī)中提供了更多的信息，這對于氣體泄漏的地方比具有非常高清晰度的圖像更有用。
研究人員的下一個(gè)步驟是在受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下演示其成像設(shè)置，以了解它在現(xiàn)實(shí)世界中的情況。他們還想嘗試更強(qiáng)大的激光，這可能會(huì)實(shí)現(xiàn)更大距離上的檢測成像和并能提高氣體檢測的靈敏度。
“本文中，用可調(diào)諧的激光源而不是固定波長光源可以將此方法推廣到其他烴類氣體、危險(xiǎn)的化學(xué)試劑和炸藥等材料的監(jiān)測上，還可用于醫(yī)療診斷和其他重要的生物物質(zhì)的監(jiān)測應(yīng)用上，” Hempler說。
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