摘要：介紹了氣體泄漏紅外成像檢測技術(shù)的工作原理和分類，綜述了國內(nèi)外相關(guān)單位的研究進展，重點分析了國外公司對被動式紅外成像檢測技術(shù)的研究情況，并對技術(shù)的發(fā)展方向進行了展望。
關(guān)鍵詞：石油化工；環(huán)保；氣體泄漏；泄漏檢測；紅外成像
石化企業(yè)的氣體泄漏，不僅影響企業(yè)的正常生產(chǎn)，還會污染環(huán)境，甚至引發(fā)火災(zāi)、爆炸等事故，嚴重威脅社會和人民的生命財產(chǎn)安全。相比于傳統(tǒng)的點式檢測方式，氣體泄漏紅外成像檢測技術(shù)由于其大范圍、遠距離、快速定位泄漏源、動態(tài)直觀等優(yōu)勢逐漸成為泄漏檢測的有效手段之一[1]。
1、紅外成像檢測技術(shù)的原理及分類
紅外成像檢測技術(shù)的原理是基于氣體的紅外吸收。氣體分子吸收特定波段的紅外輻射而發(fā)生能級躍遷，因此氣體泄漏前后，環(huán)境中的紅外輻射能量會產(chǎn)生差異，這一特性被用來檢測氣體泄漏。常見的氣體分子吸收波段主要集中在近紅外波段(3～5 mm)和遠紅外波段(8～12 mm)。
紅外成像檢測技術(shù)分為主動式檢測和被動式檢測[2]。主動式檢測技術(shù)以激光作為激勵源，信噪比高、靈敏度高，氣體與背景之間不需要溫度差異，但是系統(tǒng)較為復(fù)雜。常見的幾種技術(shù)有差分吸收激光雷達(DIAL)技術(shù)、可調(diào)諧激光二極管吸收光譜(TDLAS)技術(shù)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術(shù)、差分吸收光譜(DOAS)技術(shù)。
被動式檢測技術(shù)是基于氣體分子對背景的輻射吸收，不需要光源，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，但是需要氣體與背景之間存在溫度差異，信噪比低，圖像處理過程較為復(fù)雜。被動式檢測技術(shù)分為紅外熱成像技術(shù)和紅外光譜成像技術(shù)。紅外熱成像技術(shù)關(guān)注的重點在于氣體泄漏的探測和泄漏源的定位，而紅外光譜成像技術(shù)能夠定量檢測氣體泄漏的濃度并確定氣體種類[3]。
紅外成像檢測技術(shù)根據(jù)探測器的種類可以分為制冷型和非制冷型。制冷型探測器為光子型探測器，工作原理是在紅外輻射的作用下，材料的載流子濃度發(fā)生變化，在內(nèi)部電場偏壓下產(chǎn)生電學(xué)信號的輸出。該種材料在室溫下會增加噪聲水平，從而降低器件的信噪比，因此器件需工作在低溫環(huán)境下。非制冷型探測器是一種光熱型紅外探測器，工作原理是利用紅外輻射特有的熱效應(yīng)，將紅外輻射先轉(zhuǎn)換為材料的溫度變化，導(dǎo)致材料的結(jié)構(gòu)或者物理量發(fā)生變化，通過探測變化的物理量轉(zhuǎn)換成電學(xué)信號的輸出[4]。兩種探測器的特點如表1所示。制冷型紅外探測器價格居高不下，且系統(tǒng)的復(fù)雜性高，發(fā)展受到制約。非制冷型紅外探測器由于其顯著優(yōu)勢，近年來得到了各行業(yè)的關(guān)注，發(fā)展迅速，成為了紅外焦平面探測器在民用領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。
表1 制冷型和非制冷型探測器的特點
2、被動式紅外成像檢測技術(shù)及現(xiàn)狀
2.1 紅外熱成像技術(shù)
紅外熱成像技術(shù)檢測氣體泄漏的工作原理是氣體的紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)匯聚后，被紅外探測器探測到，這部分輻射能量經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換、信號處理等過程，以視頻圖像的形式顯示出來。
美國FLIR公司是發(fā)展較早的紅外熱像儀生產(chǎn)廠家，目前該公司已生產(chǎn)出能檢測甲烷、乙烯、六氟化硫等不同氣體眾多型號的氣體熱像儀，技術(shù)較為成熟。近年來，該公司又研制出了本質(zhì)安全型光學(xué)氣體熱像儀FLIR GFx320[5]。該設(shè)備使用銻化銦(InSb)探測器，紅外分辨率320×240，探測器像素間距30 mm，NETD
圖1 紅外熱像儀檢測氣體泄漏
注：紅色標記部分為氣體泄漏云團
法國Bertin公司的Second Sight系列氣體成像儀是較早的非制冷紅外成像儀[6]，采用長波紅外(8～14 mm)非制冷型探測器。Second Sight系列分為軍用型Second Sight?MS和民用型Second Sight?TC。系統(tǒng)能連續(xù)工作，實現(xiàn)對揮發(fā)性有機物(VOCs)的監(jiān)測，且監(jiān)測到氣體泄漏時自動發(fā)出警報。系統(tǒng)可在火焰、蒸氣、煙霧等環(huán)境下識別出泄漏氣體[7]。
2.2 紅外光譜成像技術(shù)
紅外光譜成像技術(shù)是紅外熱成像技術(shù)與光譜技術(shù)的有機結(jié)合，該技術(shù)能同時實現(xiàn)基于場景的紅外成像和氣體種類的識別。根據(jù)光譜分辨率的高低，又可分為多光譜技術(shù)和高光譜技術(shù)。
加拿大的Telops公司是具有代表性的高光譜成像儀的生產(chǎn)廠家，公司研發(fā)生產(chǎn)了一系列基于傅里葉變換的紅外高光譜成像儀，主要有FIRST、Hyper-Cam系列，能提供豐富的二維空間信息及第三維的光譜數(shù)據(jù)。通過比較測量光譜與已知氣體、固體的光譜特征可以快捷地獲得目標成分、組成及特性[8-10]。Hyper-Cam成像光譜儀空間分辨率和成像質(zhì)量高，光譜分辨率可通過軟件選擇從0.25 cm-1到150 cm-1，實現(xiàn)石化企業(yè)的氣體泄漏監(jiān)測。朱亮等人[11]利用Hyper-Cam傅里葉紅外光譜儀進行了實驗研究，并在某公司乙烯裝置開展了現(xiàn)場泄漏檢測與識別應(yīng)用，根據(jù)結(jié)果提出了一種有助于石化生產(chǎn)安全隱患排查與事故應(yīng)急處置的方法。但是，高光譜成像技術(shù)成本較高，由于要完成光譜掃描，系統(tǒng)運行速度較慢。
美國Rebellion光電公司研發(fā)的非制冷氣云成像(GCI)系統(tǒng)利用高光譜成像技術(shù)和精確的探測算法能準確定位泄漏源、測量泄漏氣體的體積和濃度[12]。GCI相機可以檢測泄漏到3 200 m外的氣體，檢測高度達30 m，儀器可擴展進行全方位360度旋轉(zhuǎn)。Rebellion公司利用該設(shè)備實現(xiàn)了對烷烴、烯烴的探測[13]。川東北某氣田利用氣云成像攝像機對廠區(qū)的罐區(qū)和管線區(qū)域進行現(xiàn)場測試，在氣體泄漏位置識別、泄漏識別準確度、泄漏響應(yīng)方面均取得較好的應(yīng)用效果[14]。但是該設(shè)備通訊負荷高，成本較高，不適合作為常規(guī)的氣體泄漏監(jiān)測手段。
3、國內(nèi)研究進展
和國外技術(shù)相比，國內(nèi)紅外成像技術(shù)起步較晚，但近些年來發(fā)展迅速，不少單位都進行了相關(guān)研究。
鄭為建等人[15]2016年設(shè)計了長波紅外時空調(diào)制高光譜成像實驗裝置，研究了二維空間平面化學(xué)氣體VOCs高光譜成像檢測方法。2019年，采用定制的擴展長波光電導(dǎo)碲鎘汞探測器組件[16]，擴展了紅外探測器的響應(yīng)帶寬(7～15 mm)，覆蓋整個長波紅外大氣窗口，滿足民用和工業(yè)有毒有害氣體特征監(jiān)測的技術(shù)需求。
金偉其團隊對氣體泄漏紅外成像技術(shù)進行了較為全面的研究，包括紅外圖像增強算法[17]、氣體紅外成像探測概率[18]、氣體泄漏擴散模型[19]等。2014年，牽頭組織煙臺艾睿公司和北方廣微公司分別研制了氧化釩非制冷寬波段紅外焦平面探測器組件(3～14 mm)，制成寬波段氣體泄漏紅外熱成像檢測原理樣機[20]。2018年，該團隊在艾睿公司生產(chǎn)的探測器基礎(chǔ)上，研制了甲烷氣體紅外成像檢測工程樣機，實現(xiàn)了天然氣等烷類氣體泄漏的有效檢測[21,22]。
熊仕富[23]進行了紅外熱成像甲烷氣體探測與識別系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)研究。在非制冷紅外焦平面探測器成像的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計光學(xué)成像系統(tǒng)和紅外窄帶濾光片光學(xué)薄膜，探討了提高系統(tǒng)檢測靈敏度的方法，實現(xiàn)了甲烷的有效探測與識別。
焦洋、徐亮等人[24-26]設(shè)計了氣體掃描成像傅里葉變換紅外遙測系統(tǒng)，已實現(xiàn)對城市空氣中NH3、C2H4等氣體的檢測。系統(tǒng)探測靈敏度高，并以可視化和定量的方式顯示污染的空間分布情況，但空間掃描分辨率較低，如果要提高系統(tǒng)的掃描精度，會限制探測速度。
王敏[27]，Ding,K[28]等主要對易燃易爆氣體紅外成像系統(tǒng)的檢測算法進行了相關(guān)研究 。
氣體泄漏紅外成像檢測技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品主要掌握在發(fā)達國家手中，且部分技術(shù)對中國實施禁運。隨著我國石油化工領(lǐng)域的迅猛發(fā)展，氣體泄漏紅外成像檢測的需求日益增大，國內(nèi)的許多研究單位也具備了生產(chǎn)、研發(fā)相關(guān)產(chǎn)品的能力。
在紅外探測器及機芯模組方面，國內(nèi)相關(guān)公司已具備自主研發(fā)、產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的能力。包括以非晶硅[29]、氧化釩[30]材料為主的非制冷紅外焦平面探測器，以碲鎘汞、二類超晶格材料為主的制冷型紅外探測器[31]。紅外機芯提供數(shù)據(jù)接口，具備完善的SDK開發(fā)庫，便于二次開發(fā)，實現(xiàn)持續(xù)迭代優(yōu)化。用戶可根據(jù)實際需要，配備不同焦距的鏡頭。除此之外，也有不少單位利用國內(nèi)外先進技術(shù)研發(fā)便攜式紅外成像設(shè)備[32-34]。主要分為檢測VOCs氣體的中波型紅外成像設(shè)備和檢測六氟化硫、氨氣、乙烯等氣體的長波型紅外成像設(shè)備。
4、結(jié)語
雖然國內(nèi)氣體泄漏紅外成像技術(shù)起步相對偏晚，但是目前也已具備多種規(guī)模的設(shè)計、生產(chǎn)和系統(tǒng)應(yīng)用的能力。氣體泄漏紅外成像檢測技術(shù)的發(fā)展主要有以下幾個趨勢。
4.1 國產(chǎn)化、低成本
目前在石化企業(yè)使用的氣體泄漏紅外成像設(shè)備大都是國外進口設(shè)備，成本較高，不適于推廣普及。國內(nèi)雖已具有自主研發(fā)生產(chǎn)的氣體泄漏紅外成像檢測儀，但是探測器大都依賴進口，沒有實現(xiàn)純國產(chǎn)化。隨著國內(nèi)相關(guān)單位探測器自主研發(fā)、生產(chǎn)能力的提升，純國產(chǎn)化、低成本的設(shè)備應(yīng)用到石化企業(yè)中指日可待。
4.2 探測器大陣列、小像元、小型化
探測器的大陣列、小像元有助于使圖像更清晰、探測距離更遠、降低生產(chǎn)成本、提高響應(yīng)速度[35]。減小探測器的體積有助于減小整個儀器的尺寸。
4.3 波段融合與拓展
氣體泄漏紅外成像檢測系統(tǒng)使用的探測器響應(yīng)波段較窄，只能實現(xiàn)單一氣體的檢測。若能把中紅外波段和遠紅外波段結(jié)合起來，同時實現(xiàn)對多種氣體的探測，將大大拓展儀器的性能，這也對新材料、新結(jié)構(gòu)的探測器提出了需求。
4.4 高系統(tǒng)靈敏度
紅外成像對比度差，系統(tǒng)靈敏度較低。一方面要優(yōu)化探測器，另一方面要探索有效的圖像處理算法，在圖像處理層面提高系統(tǒng)靈敏度。
4.5 在線檢測設(shè)備
結(jié)合石化企業(yè)泄漏檢測的實際需求，紅外成像檢測設(shè)備要從離線化走向在線式。檢測設(shè)備與報警聯(lián)動，一旦發(fā)現(xiàn)氣體泄漏，實時直觀地顯示氣體泄漏位置并及時報警，推進區(qū)域聯(lián)防聯(lián)控。
4.6 系統(tǒng)綜合性能的提升
氣體泄漏紅外熱成像技術(shù)主要實現(xiàn)定性檢測，紅外光譜成像技術(shù)可以實現(xiàn)定量檢測，但是運行速度較慢。如何解決探測氣體種類的數(shù)量、辨別氣體種類的能力與系統(tǒng)響應(yīng)時間之間的矛盾，提高系統(tǒng)的綜合性能仍是一個需要解決的問題。
本文作者：遲曉銘 肖安山 朱 亮 賈潤中等 (中國石化青島安全工程研究院化學(xué)品安全控制國家重點實驗室)
