研究人員已經開發(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(fā)了一種利用彩色編碼這種氣體信息的方法，并放置到一個傳統(tǒng)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(huán)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(fā)了這種實時紅外成像系統(tǒng)。已經發(fā)表在光學學會的《光學快報》雜志上，研究人員表明，該系統(tǒng)可以獲取甲烷泄漏時的視頻信息，起訴率每分鐘約0.2升。該技術也可以擴展到其他波長或波長范圍，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(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，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，并不能很好地應用在所有的環(huán)境條件下。新的成像系統(tǒng)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(fā)出來，而格拉斯哥研究小組開發(fā)了單像素相機。
該系統(tǒng)執(zhí)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，形成一系列的紅外光模式。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(chuàng)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(xiàn)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系統(tǒng)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系統(tǒng)相比，具有幾個優(yōu)點，包括利用溫差進行系統(tǒng)的氣體檢測。
Nils Hempler博士，作為M2公司的創(chuàng)新領導，他說：“使用被動照明系統(tǒng)，夜晚或陰雨情況會造成信號到達成像系統(tǒng)發(fā)生變化或不存在。有源照明的光源是獨立于環(huán)境變化的，包括溫度或光的變化，并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(tǒng)相機由于散射且昂貴不可用于紅外波長。單像素相機是建立一個商業(yè)的甲烷氣體成像系統(tǒng)的關鍵，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，他們的系統(tǒng)可以實現(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，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。
研究人員的下一個步驟是在受控的實驗室環(huán)境下演示其成像設置，以了解它在現(xiàn)實世界中的情況。他們還想嘗試更強大的激光，這可能會實現(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(jiān)測上，還可用于醫(yī)療診斷和其他重要的生物物質的監(jiān)測應用上，” Hempler說。
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