用于经由使用定制的反射器设施对光学吸收的测量进行泄漏监测的系统及方法技术方案

本文中呈现涉及基于多光谱吸收的成像方法的系统及方法，所述基于多光谱吸收的成像方法提供气体排放的改进检测、定位及量化。本文中所描述的成像技术组合安装在场地周围的专用反射器设施来利用光学传感器及宽带照明。所述光学传感器检测来自沿着所述反射器设施的位置的(例如，经反射的)光。从所述光学传感器到沿着所述反射器设施的位置的视线扫出部分地封闭及/或形成各种待监测资产附近的边界的“光学帘幕”。可使用来自越过所述光学帘幕的泄漏气体的光学吸收图征以检测、定位及获得表征泄漏的定量量度。来自反射器设施的测量可在混合方法中与经由环境光从背景材料的反射获得的测量组合，所述混合方法扩大监测能力且提供检测改进。检测改进。检测改进。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于经由使用定制的反射器设施对光学吸收的测量进行泄漏监测的系统及方法
[0001]相关申请案的交叉参考
[0002]本申请案主张标题为“用于经由使用定制的反射器设施对光学吸收的测量进行泄漏监测的系统及方法(Systems and Methods for Leak Monitoring via Measurement of Optical Absorption Using Tailored Reflector Installments)”且在2019年5月15日申请的第16/413,272号美国专利申请案，及标题为“用于经由使用定制的反射器设施对光学吸收的测量进行泄漏监测的系统及方法(Systems and Methods for Leak Monitoring via Measurement of Optical Absorption Using Tailored Reflector Installments)”且在2019年1月25日申请的第62/797,065号美国临时专利申请案的优先权及权益，所述申请案中的每一者的内容的全文特此以引用的方式并入本文中。


[0003]本专利技术大体上涉及用于经由光学吸收的测量及定制的反射器设施检测例如甲烷、其它烃类、二氧化碳或氨的气体的排放的方法、系统及设备。特定来说，在某些实施例中，本专利技术涉及用于经由与光学传感器共置的与定制的反射器设施组合的扫描照明器检测、定位及量化来自待监测场地内的多种气体的排放的方法、系统及设备。

技术介绍

[0004]天然气泄漏产生安全危害及环境危害两者，且沿着从井到街道的整个气体供应链(所谓的上游、中游及下游扇区)发生。天然气的主要成分甲烷，在空气中可燃，且也是强效的温室气体。在天然气中发现的其它烃类以及从与天然气及石油分离的液体排出的蒸气，包含乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、辛烷、乙烯及重烃类，其形成生成烟雾的挥发性有机化合物，这是一种健康危害。因此，令人信服的原因是检测包括例如甲烷及其它烃类的气体的泄漏，使得可修复此类泄漏。另外，甲烷及二氧化碳由于其对气候变化的强迫效应而有重大意义。因此，检测及量化这些排放有环境重要性。用于气体的常规点及线检测器具有用于检测的有限空间覆盖率，因为其依赖于风或空气移动以朝向点或线检测器输送气体。此类气流可容易地远离点检测器且在线检测器的开放传感路径四周输送气体。针对气体安全应用，期望高度的资产覆盖率，以便最大化在所有情况下检测到来自所关注资产的气体泄漏的确定性程度。因此，非常期望增加给定区域中的资产的检测覆盖率的程度的解决方案。
[0005]除仅仅检测泄漏气体的存在之外，将泄漏定位到特定资产(或特定组件)且量化泄漏速率(例如，泄漏气体的排放通量)对于允许迅速地且以优先方式执行泄漏的修复是重要的。泄漏速率的量化还允许评估泄漏气体的影响(例如，环境影响)。气体泄漏的检测、定位及量化是具挑战性的，因为泄漏监测及/或检验通常需要在广域内且从安全及实际的相隔距离执行。
[0006]因此，需要用于检测、定位及量化气体泄漏的改进系统及方法。特定来说，需要允许在复杂环境中的广域内且甚至在存在例如举例来说水蒸气或蒸汽的干扰背景信号的情
况下执行有效的气体泄漏监测及/或检验的系统及方法。划算的解决方案是特别重要的，因为其可被广泛采纳及利用。

技术实现思路

[0007]本文中呈现涉及提供来自待监测场地内的气体排放的迅速且准确的检测、定位及量化的基于多光谱吸收的成像方法的系统及方法。本文中所描述的成像技术利用与安装在场地周围的专用反射器设施组合的光学传感器及宽带照明。光学传感器检测来自沿着反射器设施的多个采样位置的光，例如通过一次使多个采样位置成像及/或扫描光学传感器的瞬时视场(ifov)。从光学传感器到沿着反射器设施的采样位置的视线扫出部分地封闭及/或形成各种待监测资产(例如，井场、压缩机站及压缩机冷却器、收集站、压裂钻机、LNG电机、平台、油罐、垃圾填埋场、包含地下管道的修复的临时工作场地等)附近的边界的“光学帘幕”。如果存在泄漏，那么经排放气体越过光学帘幕从而导致光学吸收，所述光学吸收可用于检测泄漏，定位泄漏，甚至获得表征泄漏的定量量度，例如排出的质量通量。
[0008]基于反射器设施及其提供的光学帘幕的检测可以混合方式与利用环境光(例如，阳光)从反射器设施外的(例如，被天然阳光)充分反射及/或良好照明的位置的反射的测量组合。此类混合成像方法不仅可提供跨场地的多种资产的有效低成本及低功率监测，而且还允许改进图像处理及气体检测技术。特定来说，如本文中进一步详细地描述，从基于环境光的测量获得的数据可与使用从反射器设施反射的光进行的测量组合使用，以改进检测及减少假阳性，完成经检测气体羽流的空间表示，且提供额外/更完整输入以实现用于定位泄漏源及量化泄漏速率的模型化技术。
[0009]因此，通过策略性地定位定制的反射器设施，可对资产监测从通风口、舱口、管道及其它泄漏组件排出的例如烃类(例如，甲烷)的气体的排放。所述技术可应用于监测在石油及天然气工业、石化工业及到船舶及车辆LNG转移操作中，在户外、室内、陆上及近海的环境中的资产。因此，本文中所描述的方法在环境及安全监测应用两者中具有影响。
[0010]特定来说，在某些实施例中，本文中所描述的系统及方法在被选择为与各种待检测化合物的光谱特征重叠的一或多个特定光谱带内检测光。随着光行进到传感器，其可被介入气体(例如，通过泄漏产生)吸收。气体对光的吸收产生指示且特定于气体中存在的各种化合物(例如，烃类)的光谱图征。因此，通过以光谱敏感方式检测光吸收(例如，使用放置在一或多个检测器前面的各种光谱滤波器)，可检测及识别不同气体及存在于其中的化合物。随着沿着反射器设施扫描光学传感器，可产生多光谱吸收图且使用其以检测及量化气体泄漏。
[0011]在某些实施例中，特别关注短波红外线(SWIR)区(例如，从约1.0微米到2.6微米)内的光谱带。这个波长范围包含与数种重要烃类化合物相关联的光谱特征，例如甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、辛烷、乙烯及其它烃类，以及二氧化碳及氨，且还提供例如降低的大气水蒸气吸收及进行敏感检测而不需要使用专用(例如，液氮冷却)检测器的可能性的优点。
[0012]特定来说，适合于气体泄漏监测及泄漏定位(单光谱带或多光谱)的热IR气体摄像机是可用的，但非常昂贵(100,000美元或更多)。此类摄像机对甲烷及其它烃类进行检测及成像，但依赖于场景中的气体与背景物体之间的温差。具体来说，所述摄像机利用中波及长
波红外线区(约3微米到12微米)中的气体及物体的经反射IR辐射(也被称为热发射或热辐射)作为其气体检测方法的部分且旨在产生气体的视觉图像。
[0013]此类基于热发射的方法的显著缺点是其需要在背景物体的热辐射与在所述物体前面传递的气体之间的足够温度对比。通常情况是气体排放缺乏足够的热对比(特别是在天气寒冷的户外)来可靠地检测气体。例如，由于热对比的缺乏，热IR气体摄像机在由于渗透地表材料的地下泄漏而在检测气体排放方面本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种生成用于检测包括一或多种所关注化合物的气体的排放的光谱吸收图的方法，所述方法包括：(a)朝向安装在待监测场地周围的反射器设施定位光学传感器的瞬时视场(ifov)；(b)使用所述光学传感器的一或多个检测器来在一或多个所关注光谱带内检测光，所述经检测光已从所述反射器设施上的多个采样位置反射且捕获在所述光学传感器的所述ifov内，其中所述一或多个所关注光谱带的至少一部分与相关联于所述一或多种所关注化合物的一或多个光谱特征重叠；(c)通过计算装置的处理器，接收及/或存取对应于从所述多个采样位置反射的所述经检测光的数据；及(d)通过所述处理器，针对所述多个采样位置的至少一部分中的每一者，使用所述经检测光来确定与所述一或多个光谱特征中的至少一者相关联的吸收水平，由此生成包括多个吸收水平的光谱吸收图，每一吸收水平与特定采样位置及光谱特征相关联。2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括：(e)使用所述经生成光谱吸收图来检测来自所述待监测场地内的所述气体的所述排放。3.根据权利要求2所述的方法，其中步骤(e)包括通过由所述处理器自动地分析所述光谱吸收图的所述吸收水平来检测所述气体的所述排放。4.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其包括使用所述光谱吸收图的所述吸收水平以通过所述处理器针对所述多个采样位置的至少一部分中的每一者，确定所述所关注化合物中的一或多者的柱密度。5.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其包括：从照明源且朝向所述反射器设施引导照明光束；及使所述照明光束跨所述反射器设施的至少一部分扫描，由此照明所述多个采样位置。6.根据权利要求5所述的方法，其包括使所述照明光束以连续方式跨包括所述反射器设施的目标区的一部分扫描，由此照明沿着所述反射器设施的所述多个采样位置以及在所述目标区内但不一定在所述反射器设施上的其它位置。7.根据权利要求5或6所述的方法，其中所述照明源是宽带源，使得所述照明光束具有跨越所述一或多种所关注化合物的多个光谱特征的光谱带宽。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述照明源是宽带短波红外线(SWIR)源。9.根据权利要求5到8中任一权利要求所述的方法，其包括使所述光学传感器的所述ifov以与所述照明光束同步的方式跨所述反射器设施的所述部分扫描及随着使所述ifov扫描，使用所述一或多个检测器来在所述一或多个所关注光谱带内检测从沿着所述反射器设施的所述采样位置中的每一者反射的所述光。10.根据权利要求5到9中任一权利要求所述的方法，其中所述照明源与所述光学传感器共置，且其中所述方法包括使所述照明光束及所述ifov串联扫描。11.根据权利要求10所述的方法，其中使用机械耦合镜来使所述ifov及所述照明光束扫描。12.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其包括使所述光学传感器的所述ifov跨所述反射器设施的所述部分扫描及随着使所述ifov扫描，使用所述一或多个检测器
来在所述一或多个所关注光谱带内检测从沿着所述反射器设施的所述采样位置中的每一者反射的光。13.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括检测来自目标区内的多个图像位置的光，其中所述目标区包括所述反射器设施且所述图像位置包括在所述反射器设施上的所述多个采样位置以及在所述目标区内但不一定在所述反射器设施上的其它位置。14.根据权利要求13所述的方法，其中：步骤(c)包括接收及/或存取对应于来自所述目标区内的所述多个图像位置的所述经检测光的数据；且步骤(d)包括针对所述多个图像位置中的每一者，使用所述经检测光来确定与所述一或多个光谱特征中的至少一者相关联的吸收水平，使得所述经生成光谱吸收图包括多个吸收水平，每一吸收水平与特定图像位置及光谱特征相关联。15.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括足够大小的一或多个连续反射区段以跨越多个所述采样位置。16.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括一或多个连续反射区段，每一连续反射区段包括多个个别逆向反射元件。17.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述一或多个检测器包括阵列检测器，所述阵列检测器包括多个像素且经对准以使包括所述采样位置中的两者或更多者的空间区成像。18.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述一或多个检测器经对准以一次使单个空间位置成像。19.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括安装在所述场地内的一或多个资产附近及/或安装在其上的一或多个反射区段。20.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括一或多个反射区段，每一反射区段包括反射表面。21.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括一或多个逆向反射表面。22.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述光学传感器经定位在所述反射器设施的最远部分的250米内。23.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中针对沿着所述反射器设施的所述采样位置中的一或多者中的每一者，从所述光学传感器到沿着所述反射器设施的所述采样位置的视线的入射及/或出射角大于1度。24.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括一或多个反射表面，每一反射表面具有足够大的最小尺寸以针对所述光学传感器的所述一或多个检测器中的每一者，跨越所述检测器的个别ifov到所述反射表面上的投射。25.根据权利要求20所述的方法，其包括沿着所述一或多个反射表面中的每一者的至少一个尺寸对所述传感器ifov进行过采样。26.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括一或多个大致平坦的反射表面。
27.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括框架，所述框架包括反射表面。28.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括一或多个反射表面，每一反射表面是沿着待监测罐的边缘的至少一部分安装。29.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施包括沿着待监测内部场地的墙壁安装的一或多个反射表面。30.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述反射器设施的至少一部分是可重定位的。31.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其包括使用两个或更多个光学传感器来执行步骤(a)到(d)。32.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述光学传感器是可旋转的。33.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述一或多个检测器包括一或多个光谱检测器，每一光谱检测器与所述一或多个所关注光谱带中的特定光谱带相关联且可操作以区分地在所述特定光谱带内检测光。34.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述一或多个所关注光谱带在所述短波红外线(SWIR)光谱内。35.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述一或多个检测器可操作以在所述短波红外线(SWIR)光谱内检测光。36.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中所述一或多个所关注光谱带的至少一部分中的每一者跨越扩展光谱特征，包括所述一或多种所关注化合物的多个吸收线。37.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其中步骤(b)包括使用所述光学传感器的所述一或多个检测器，检测已从多个额外采样位置反射且捕获在所述光学传感器的所述ifov内的经反射环境光，目标区内的所述多个额外采样位置包括所述反射器设施，但不在所述反射器设施上，且其中对应于在步骤(c)接收及/或存取的所述经检测光的所述数据包括对应于已从(i)所述反射器设施上的所述采样图像位置以及(ii)不在所述反射器设施上的所述额外采样位置反射的经检测光的数据。38.根据前述权利要求中任一权利要求所述的方法，其进一步包括使用对应于所述经检测光的所述数据以量化来自所述场地内的所述气体的所述排放。39.根据权利要求38所述的方法，其包括使用对应于所述经检测光的所述数据以量化来自所述场地内的所述气体的所述排放的质量通量。40.根据权利要求38或39中任一权利要求所述的方法，其包括使用对应于所述经检测光的所述数据以量化在所述场地的第一扇区与第二相邻扇区之间传递的气体的质量通量。41.一种用于生成用来检测包括一或多种所关注化合物的气体的排放的光谱吸收图的系统，所述系统包括：(a)反射器设施，其经安装在待监测场地周围；(b)光学传感器，其经定位在所述反射器设施附近且包括一或多个检测器，其中：所述一或多个检测器经对准且可操作以在一或多个所关注光谱带内检测光，所述所关
注光谱带的至少一部分与相关联于所述一或多种所关注化合物的一或多个光谱特征重叠，且所述一或多个检测器经对准以检测从所述反射器设施上的多个采样位置反射且捕获在所述光学传感器的瞬时视场(ifov)内的光；(c)计算装置的处理器；及(d)存储器，其上存储有指令，其中所述指令在由一个处理器执行时引起所述处理器：接收及/或存取对应于来自所述多个采样位置中的每一者的所述经检测光的数据；及针对所述多个采样位置中的每一者，使用所述经检测光来确定与所述一或多个光谱特征中的至少一者相关联的吸收水平，由此生成包括多个吸收水平的光谱吸收图，每一吸收水平与特定采样位置及光谱特征相关联。42.根据权利要求41所述的系统，其中所述指令进一步引起所述处理器：使用所述经生成光谱吸收图来检测来自所述待监测场地内的所述气体的所述排放。43.根据权利要求42所述的系统，其中所述指令引起所述处理器通过自动地分析所述光谱吸收图的所述吸收水平来检测所述气体的所述排放。44.根据权利要求41到43中任一权利要求所述的系统，其中所述指令引起所述处理器使用所述光谱吸收图的所述吸收水平以针对所述多个采样位置的至少一部分中的每一者，确定所述所关注化合物中的一或多者的柱密度。45.根据权利要求41到44中任一权利要求所述的系统，其包括扫描照明器，所述扫描照明器经对准且可操作以朝向所述反射器设施发射及引导结构化照明光束且使所述结构化照明光束跨所述反射器设施的至少一部分扫描，由此照明所述多个采样位置。46.根据权利要求45所述的系统，其中所述扫描照明器可操作以使所述照明光束按连续方式跨包括所述反射器设施的目标区的一部分扫描，由此照明沿着所述反射器设施的所述多个采样位置以及在所述目标区内但不一定在所述反射器设施上的其它位置。47.根据权利要求45或46所述的系统，其中所述扫描照明器是宽带源，使得所述照明光束具有跨越所述一或多种所关注化合物的多个光谱特征的光谱带宽。48.根据权利要求47所述的系统，其中所述扫描照明器包括宽带短波红外线(SWIR)源。49.根据权利要求45到48中任一权利要求所述的系统，其包括光学传感器扫描仪，所述光学传感器扫描仪可操作以使所述光学传感器的所述ifov按与所述照明光束同步的方式跨所述反射器设施的所述部分扫描且以便随着使所述ifov扫描，使用所述一或多个检测器来在所述一或多个所关注光谱带内检测从沿着所述反射器设施的所述采样位置中的每一者反射的所述光。50.根据权利要求45到49所述的系统，其中所述扫描照明器与所述光学传感器共置，使得使所述照明光束及所述ifov两者串联扫描。51.根据权利要求50所述的系统，其中使用机械耦合镜来使所述ifov及所述照明光束扫描。52.根据权利要求41到51中任一权利要求所述的系统，其包括光学传感器扫描仪，所述光学传感器扫描仪可操作以使所述光学传感器的所述ifov跨所述反射器设施的至少一部分扫描，以便随着使所述ifov扫描，使用所述一或多个检测器来在所述一或多个所关注光谱带内检测从沿着所述反射器设施的所述采样位置中的每一者反射的光。
53.根据权利要求41到52中任一权利要求所述的系统，其中所述反射器设施包括足够大小的一或多个连续反射区段以跨越多个所述采样位置。54.根据权利要求41到53中任一权利要求所述的系统，其中所述反射器设施包括一或多个连续反射区段，每一连续反射区段包括多个个别逆向反射元件。55.根据权利要求41到...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：多传感器科学公司，
类型：发明
国别省市：