烃泄漏成像和定量传感器制造技术

本发明专利技术由传感器和算法构成，所述传感器和算法在自然日光或人造照明下，使用具有多个光谱滤波器的短波红外辐射检测器阵列并结合湍流气体喷流和漂浮羽流的流体动力学来对烃气(例如来自泄漏)存在进行成像、检测和定量。叙述了多个实施例，并且其解决了甲烷气体泄漏的检测和定量。定量包含来自加压器皿、管道、组件和一般气体基础设施的孔和裂缝以及来自在浮力和风的作用下出现的表面斑片(例如因为地下管道的气体泄漏)的气体的气体柱密度、气体浓度估计、总质量、孔大小估计和估计排放通量(泄漏速率)的定量。这些和类似实施例可以更一般化地适用于天然气和其它烃气、液体、乳化液、固体和微粒，且适用于温室气体甲烷和二氧化碳的排放监控。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】烃泄漏成像和定量传感器相关申请的交叉引用本申请案主张2016年5月18日递交的US62/338,255号，和2017年3月16日递交的US62/472,463号临时专利申请的优先权，此两者都由本专利技术人递交。
本专利技术通常地指代来自加压器皿、管道、组件和一般气体基础设施的孔和裂缝，以及归因于地下气体基础设施的气体泄漏，从表面发出的排放，或天然产生的表面排放的天然气和其它烃气泄漏的光学检测和定量。其也可以适用于评定来自家畜的甲烷排放。背景-现有技术美国专利:3,662,1711972年5月布里格曼等人4,490,6131984年12月布莱姆4,864,1271989年9月布莱姆5,306,9131994年4月诺克等人5,656,8131997年8月穆尔等人6,680,778B22004年6月海因里希等人7,649,174B22010年1月马门等人7,977,639B22011年7月马亚尔等人8,193,496B22012年6月富利8,426,813B22013年4月富利美国专利申请公开案：2014/0008526A12014年1月甄等人非专利文献文档(按时间顺序)：L.D.朗道本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种检测烃化合物的成像装置，其包括：a.光检测器的一或多个一维阵列，其对波长范围大约为1.0到2.6微米的光有明显的响应，每个所述一维阵列具有关联的电子读出电路，b.与光检测器的所述一维阵列相关的至少两个光谱滤波器，使得所述光谱滤波器中的至少一个明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光，且使得所述光谱滤波器中的至少另一个明显地透射具有不被所关注的所述烃化合物的所述光谱特征复合物跨越的波长的光，c.机械装置，其选自由以下组成的组：固定框架、滑动框架、旋转框架、摆动叶片和旋转轮，使得所述滤波器可安置于第一位置和第二位置中，在所述第一位置处，光在照射光检测器的所述一维阵...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.05.18 US 62/338,255;2017.03.16 US 62/472,4631.一种检测烃化合物的成像装置，其包括：a.光检测器的一或多个一维阵列，其对波长范围大约为1.0到2.6微米的光有明显的响应，每个所述一维阵列具有关联的电子读出电路，b.与光检测器的所述一维阵列相关的至少两个光谱滤波器，使得所述光谱滤波器中的至少一个明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光，且使得所述光谱滤波器中的至少另一个明显地透射具有不被所关注的所述烃化合物的所述光谱特征复合物跨越的波长的光，c.机械装置，其选自由以下组成的组：固定框架、滑动框架、旋转框架、摆动叶片和旋转轮，使得所述滤波器可安置于第一位置和第二位置中，在所述第一位置处，光在照射光检测器的所述一维阵列中的任一个之前穿过所述第一滤波器，在所述第二位置处，光在照射光检测器的所述一维阵列中的任一个之前穿过所述第二滤波器，并且所述机械装置能够在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述滤波器，d.光学元件，其选自由以下组成的组：透镜、曲面镜、衍射表面，以及所述元件的组合，以便聚集和聚焦入射照明，使得至少处于大约1.0到2.6微米的波长范围中的光指向光检测器的所述一维阵列，以便首先穿过位于所述一维光检测器阵列前面的所述光谱滤波器，e.光学机械扫描装置，其选自由以下组成的组：谐振振荡镜、检流计驱动镜、旋转多面镜，以及电动微镜阵列，以相对于所述一维光检测器阵列一次扫描视野的一个部分，f.至少一个电子电路，其用于控制所述光检测器阵列的积分时间，并且将所述光检测器阵列产生的信号转换成放大和数字化的信号，g.至少一个电子电路，其用于将所述光学机械扫描装置、用于将所述滤波器安置在相对于所述光检测器阵列的所述位置的所述机械装置以及用于读出和转换所述光检测器阵列产生的所述信号的所述电子电路同步以便产生二维数字化多光谱图像，h.处理器，其经耦合以接收所述多光谱图像和代表到反射校准目标的距离的值，以便相对于与所关注的所述烃化合物的所述光谱特征复合物相关的所述光谱波段的图像，校准每个所述光谱波段的所述图像，其中，这种处理确定校准参数，所述校准参数由所述光谱波段之间的所关注的图像像素的暗水平偏移和相对增益，以及在周围环境条件下表征当地大气压的每个所述光谱波段的相对吸收系数组成，i.处理器，其耦合到所述多光谱图像，结合所述校准参数产生横贯光谱波段的适于场景内反射器的自适应相对增益，以及差分光学深度吸收图像，以便采用横贯所述多个光谱波段的比尔-朗伯吸收定律，确定在所述视野中可能存在所关注的所述烃化合物，j.电子电路系统，其用于控制以下各项的操作：所述光检测器阵列、用于将所述滤波器安置在相对于所述光检测器阵列的所述位置的所述机械装置、所述光学机械扫描装置、用于校准所述多光谱图像的所述处理器，以及用于产生所述吸收图像的所述处理器。2.根据权利要求1所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，考虑到所述核心波段和包含所述核心波段的宽带环绕滤波器的相对透射特性并通过从所述环绕滤波器测量值中减去所述核心波段滤波器测量值来从所述环绕滤波器产生所述翼波段滤波器。3.根据权利要求1所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，所述翼波段滤波器是从具有跨越所述核心波段滤波器的波长的低透射陷波的宽带滤波器产生。4.根据权利要求1所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，所述翼波段滤波器是由明显地透射波长比所述核心波段滤波器所明显透射的波长更短和更长的光的一或多个滤波器产生。5.根据权利要求1所述的成像装置，其结合处理器，所述处理器经耦合以接收所述吸收图像，以及产生所检测的被成像烃化合物的物体的内压力值，以便估计选自由以下组成的组的至少一个量：所述所关注的烃的所述多光谱图像中的总吸收、所述所关注的烃的所述吸收图像中可见的总质量、泄漏所述所关注的烃的大致圆形孔的直径，以及所述所关注的烃的质量流率，所述估计通过选自由以下组成的组的至少一个方法进行：沿通过所述成像的烃气喷流的直径加权的所述平均差分光学吸收的所述烃气喷流的所述吸收图像的所述轴线的求和、通过所述烃气分子的质量加权的所述差分光谱吸收截面的所述烃气喷流的总差分光学吸收的定标、沿所述烃气喷流外推回到所述烃气喷流的顶点的所述平均差分光学深度与和所述泄漏孔的直径或面积相关的所述内压力之间的关系，以及离开具有已知面积的所述泄漏孔的所述烃气的所述质量流量与所述内压力的关系。6.根据权利要求1所述的成像装置，其结合处理器，所述处理器经耦合以从地面斑片接收所述吸收图像，以及近地平面风速和方向的值，以便通过选自由以下组成的组的至少一个方法估计所述所关注的烃的表面排放质量通量：所述质量通量与横贯所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片成像的所述平均差分光学深度之间的关系；所述质量通量与沿通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片的顺风边缘成像的所述差分光学深度之间的关系；以及所述质量通量与结合跨越通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片成像的所述平均差分光学深度推断的所述吸收图像的通过所述表面斑片的面积加权的所述平均差分光学深度的变化率之间的关系。7.根据权利要求1所述的成像装置，其结合可见光相机，使得所述成像装置具有大致平行的视线，且共用主要重叠视野，借此所述所关注的烃的所述吸收图像被叠加在所述可见光图像上，从而提供检测到可能存在的烃泄漏的场景的空间情形。8.根据权利要求1所述的成像装置，其结合以下辅助传感器中的任一个：用于确定所述装置在地球上的位置坐标的全球定位传感器；用于确定所述装置的线性或旋转加速度分量的惯性测量单元；用于确定所述装置相对于地球磁场的定向的磁力计；用于确定所述装置到场景中的反射表面的距离的测距仪；用于确定接近所述装置的当地环境状况的以及气象测量单元。9.根据权利要求1所述的成像装置，其结合能够以选自由以下组成的组的方式作用于数据的电子电路：存储、保存和发射所述多光谱图像、所述吸收图像；以及与选自由以下组成的组的所述图像数据相关联：在权利要求5和权利要求6中叙述的所述估计量、在权利要求7中叙述的所述可见光相机，以及在权利要求8中叙述的所述传感器。10.一种检测烃化合物的成像装置，其包括：a.光检测器的二维阵列，其对波长范围大约为1.0到2.6微米的光有明显的响应，具有关联的电子读出电路系统，b.光谱滤波器阵列，其组织为形成二维表面的一组条纹，其大致覆盖所述光检测器阵列的延伸区域，其中每个条带使得其长尺寸定向为横贯所述光检测器阵列的一个尺寸，且每个条带的所述短尺寸跨越所述光检测器阵列的一或多个检测器，使得所述光谱滤波器条纹中的至少一个明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光，且使得所述光谱滤波器条纹中的至少另一个明显地透射具有不被所述所关注的烃化合物的所述光谱特征复合物跨越的波长的光，c.机械框架，其用于将所述光谱滤波器阵列固定在所述光检测器阵列前面，使得光在照射所述光检测器阵列之前穿过所述光谱滤波器阵列，d.光学元件，其选自由以下组成的组：透镜、曲面镜、衍射表面，以及所述元件的组合，以便聚集和聚焦入射照明，使得至少处于大约1.0到2.6微米的波长范围中的光指向所述光检测器阵列，以便首先穿过位于所述一维光检测器阵列前面的所述光谱滤波器，e.光学机械扫描装置，其选自由以下组成的组：谐振振荡镜、检流计驱动镜、旋转多面镜，以及电动微镜阵列，以朝着垂直于所述滤波器阵列条纹的所述定向的方向进行扫描，从而建立待由所述光检测器阵列成像的二维视野，f.至少一个电子电路，其用于控制所述光检测器阵列的积分时间，并且将所述光检测器阵列产生的信号转换成放大和数字化的信号，g.至少一个电子电路，其用于将所述光学机械扫描装置以及用于读出和转换所述光检测器阵列产生的所述信号的所述电子电路同步以便产生二维数字化多光谱图像，h.处理器，其经耦合以接收所述多光谱图像和代表到反射校准目标的距离的值，以便相对于与所关注的所述烃化合物的所述光谱特征复合物相关的所述光谱波段的图像，校准每个光谱波段的所述图像，其中，这种处理确定校准参数，所述校准参数由所述光谱波段之间的所关注的图像像素的暗水平偏移和相对增益，以及在周围环境条件下表征当地大气压的每个光谱波段的相对吸收系数组成，i.处理器，其耦合到所述多光谱图像，结合所述校准参数以产生横贯光谱波段的适于场景内反射器的自适应相对增益，以及差分光学深度吸收图像，以便采用横贯所述多个光谱波段的比尔-朗伯吸收定律，确定在所述视野中可能存在所关注的所述烃化合物，j.电子电路系统，其用于控制以下各项的操作：所述光检测器阵列、所述光学机械扫描装置、用于校准所述多光谱图像的所述处理器，以及用于产生所述吸收图像的所述处理器。11.根据权利要求10所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光，以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，考虑到所述核心波段和包含所述核心波段的宽带环绕滤波器的相对透射特性并通过从所述环绕滤波器测量值中减去所述核心波段滤波器测量值来从所述环绕滤波器产生所述翼波段滤波器。12.根据权利要求10所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，所述翼波段滤波器是由具有跨越所述核心波段滤波器的波长的低透射陷波的宽带滤波器产生。13.根据权利要求10所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，所述翼波段滤波器是由明显地透射波...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·M·韦克斯曼，J·M·比勒斯玛，A·瓦伊采斯，
申请(专利权)人：多传感器科学公司，
类型：发明
国别省市：美国,US