可用於檢測天然氣泄漏的低成本實時成像係統

研究人員已經開發出一種新型紅外成像係統，有望可以提供低成本、實時性的管道或者石油和天然氣設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的，同時也會導致溫室氣體的氣候變化。

“盡管甲烷氣是肉眼看不到的，但我們已經開發了一種利用彩色編碼這種氣體信息的方法，並放置到一個傳統相機圖像中，” 蘇格蘭格拉斯哥大學的Graham M. Gibson博士說，他領導了這項技術工作。“這允許用戶操作相機可環顧四周，從而識別到目標，看到一個重疊氣體的存在。”

Gibson和其他的研究小組的研究人員合作開發了這種實時紅外成像係統。已經發表在光學學會的《光學快報》雜誌上，研究人員表明，該係統可以獲取甲烷泄漏時的視頻信息，起訴率每分鍾約0.2升。該技術也可以擴展到其他波長或波長範圍，從而檢測多種氣體和化學品。

Graeme Malcolm博士，他是M2公司的首席執行官和聯合創始人，他說：“從商業角度來看，其挑戰之一是將紅外技術應用到更大的市場中，其價格點是非常敏感的。這種新技術可以使紅外成像和傳感變得更容易獲得，並有助於改善環境，減少石油和天然氣行業的氣體損失。

技術聯合

雖然商業係統使用成像檢測甲烷氣體是可用的，但它們是非常昂貴的，並不能很好地應用在所有的環境條件下。新的成像係統可以提供一個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由M2公司開發出來，而格拉斯哥研究小組開發了單像素相機。

該係統執行高光譜成像，通過使用一個激光波長處被吸收的甲烷投射到場景中，形成一係列的紅外光模式。這些圖案是用激光與成千上萬的移動反射鏡的微型設備創建的，稱為數字微鏡裝置。圖像顯示了甲烷吸收光線情況，通過檢測光散射現場計算比較原始的投影模式進行重構。

這一新的甲烷氣體成像係統采用主動照明，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照明係統相比，具有幾個優點，包括利用溫差進行係統的氣體檢測。

Nils Hempler博士，作為M2公司的創新領導，他說：“使用被動照明係統，夜晚或陰雨情況會造成信號到達成像係統發生變化或不存在。有源照明的光源是獨立於環境變化的，包括溫度或光的變化，並提供增強的對比度和更高的靈敏度。

研究人員使用一個單像素相機測量場景中的光線，而具有千萬像素的傳統相機由於散射且昂貴不可用於紅外波長。單像素相機是建立一個商業的甲烷氣體成像係統的關鍵，其成本可能隻有幾千元，明顯低於今天的商用氣體檢測成像儀。由於該係統不使用任何掃描儀或其他移動部件，它可以很容易地變成一個便攜式儀器。

在該論文中，研究人員表明，他們的係統可以實現距離管道約一米處約25幀每秒的甲烷氣體泄露監測速率。他們還表明，這種方法對於甲烷是十分敏感的，即使在相機和甲烷之間有其他氣體之間存在。

“我們發現其中的一件事是，我們並不一定需要高清晰度圖像時，檢測氣體泄漏，” Gibson說。一個相對快速的幀速率在相機中提供了更多的信息，這對於氣體泄漏的地方比具有非常高清晰度的圖像更有用。

研究人員的下一個步驟是在受控的實驗室環境下演示其成像設置，以了解它在現實世界中的情況。他們還想嚐試更強大的激光，這可能會實現更大距離上的檢測成像和並能提高氣體檢測的靈敏度。

“本文中，用可調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、危險的化學試劑和炸藥等材料的監測上，還可用於醫療診斷和其他重要的生物物質的監測應用上，” Hempler說。

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