油氣泄漏紅外光譜氣云成像監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)

文/中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院? 孫秉才

近年來，危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)領(lǐng)域因泄漏造成的火災(zāi)爆炸事故多發(fā)頻發(fā)，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。據(jù)統(tǒng)計(jì)，危險(xiǎn)化學(xué)品生產(chǎn)領(lǐng)域因泄漏造成的事故占到事故總量的40%以上。

在提高設(shè)備設(shè)施本質(zhì)安全的同時(shí)，加強(qiáng)危化品泄漏的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警，提前處置是預(yù)防事故的重要手段。但因點(diǎn)線式可燃?xì)怏w報(bào)警器受安裝位置及環(huán)境的影響，存在監(jiān)測(cè)范圍小、容易發(fā)生漏報(bào)的問題，難以滿足大范圍動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)預(yù)警的需要。對(duì)此，中國(guó)石油集團(tuán)安全環(huán)保技術(shù)研究院有限公司基于氣體的紅外“指紋”特性，研發(fā)了油氣泄漏紅外光譜氣云成像監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。

油氣泄漏紅外光譜氣云成像監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)主要由紅外光譜監(jiān)測(cè)儀、智能識(shí)別算法以及可視化預(yù)警軟件等組成，是一款濾波片式制冷型紅外光譜監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)360°旋轉(zhuǎn)掃描監(jiān)測(cè)半徑500米范圍內(nèi)的氣體泄漏，監(jiān)測(cè)波長(zhǎng)范圍3微米至5微米，可探測(cè)甲烷、乙烷等50種以上的氣體泄漏。

該系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下：

一是增強(qiáng)了系統(tǒng)的信噪比。在光學(xué)鏡頭方面，綜合采用電源紋波抑制、采樣抗混疊設(shè)計(jì)和PCB（Printed Circuit Board，印制電路板）信號(hào)完整性系統(tǒng)布局等技術(shù)，對(duì)復(fù)雜電路系統(tǒng)下的微弱光譜信號(hào)進(jìn)行高保真采樣，從而實(shí)現(xiàn)中紅外特征波段下的微弱氣體信號(hào)的高信噪比光譜探測(cè)。

二是提升了監(jiān)測(cè)成像質(zhì)量。該系統(tǒng)創(chuàng)新提出了多尺度空間寬動(dòng)態(tài)范圍光譜信號(hào)映射方法，與傳統(tǒng)算法相比，峰值信噪比提升約3分貝至7分貝，解決了紅外探測(cè)器圖像高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景適應(yīng)性差的問題。

三是提高了氣體識(shí)別準(zhǔn)確率。針對(duì)VOC（揮發(fā)性有機(jī)物）氣體特征微弱、視覺顯著性差、形態(tài)多變等難題，提出了一種時(shí)-空-譜協(xié)同表征的氣體泄漏識(shí)別算法。通過時(shí)-空-頻聯(lián)合去噪、多模態(tài)視差匹配清晰展現(xiàn)氣體目標(biāo)，在此基礎(chǔ)上挖掘時(shí)-空-譜高維數(shù)據(jù)的本征信息來實(shí)現(xiàn)氣體的高精度識(shí)別，并利用多模塊級(jí)聯(lián)配合優(yōu)化將傳統(tǒng)方法的可解釋性與深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)大表征能力進(jìn)行了有機(jī)結(jié)合。

目前，該系統(tǒng)已在多家石油石化企業(yè)試驗(yàn)應(yīng)用，取得了良好的應(yīng)用效果，能夠有效彌補(bǔ)現(xiàn)場(chǎng)泄漏監(jiān)測(cè)能力的不足，為提升危險(xiǎn)化學(xué)品領(lǐng)域安全生產(chǎn)能力提供了技術(shù)支撐。

（本文將刊登于《中國(guó)應(yīng)急管理》雜志2023年第7期“中國(guó)應(yīng)急展”欄目）