Forskare har utvecklat ett sätt att skapa en 3D-bild av ett läckt gasmoln som ger detaljerad information om läckan som plats, volym och koncentration. Den nya automatiserade upptäcktsmetoden kan användas för att ge tidiga varningar, bedöma risker eller bestämma det bästa sättet att åtgärda läckan.

"Med den snabba utvecklingen av samhället finns det nu stora anläggningar runt om i världen där giftiga, skadliga, brandfarliga och explosiva kemikalier lagras", säger forskargruppsledaren Liang Xu från Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy av vetenskaper. "Om det finns en läcka vid en av dessa anläggningar är det viktigt att snabbt förstå dess sammansättning, koncentration, plats och distribution."

Forskarna beskriver sin nya metod i Optics Express . Den kombinerar information från två avlägsna Fourier-transform infraröd spektroskopi (FTIR) avbildningssystem med exakt positioneringsinformation från GPS och gyroskopsensorer för att skapa en 3D-bild av gasmolnet ovanpå en Google Earth digital karta.

"Tidigare, när läckor inträffade, kunde den specifika platsen och riktningen som gasen rörde sig inte fastställas", säger Yunyou Hu, första författare till tidningen. "Vår metod för att skapa en 3D-rekonstruktion av ett gasmoln kan användas för att exakt hitta latitud och longitud för den läckta gasen. Denna information är viktig för att avgöra vem som kan exponeras och för att snabbt stoppa läckan så att mindre gas släpps ut i atmosfären."

Lägga till en tredje dimension

FTIR-spektroskopi används i stor utsträckning vid kvantitativ fjärrdetektering av gasformiga föroreningar på grund av dess höga känslighet, höga upplösning och förmåga att utföra realtidsmätningar med en detekteringsräckvidd på cirka 5 kilometer. Ett enda FTIR-fjärravkännande bildsystem ger dock bara 2D-information om en gasläcka.

För att få en 3D-bild använde forskarna två system för att få 2D-mätningar av ett gasmoln från olika perspektiv. Denna information registrerades sedan rumsligt med platsinformation erhållen med GPS och gyroskopsensorer. Att lägga in data i en datoriserad tomografi-bildalgoritm som kallas simultan algebraisk rekonstruktionsteknik (SART) producerar en 3D-rekonstruktion av gasmolnet.

"Varje voxel, eller 3D-pixel, i det 3D-rekonstruerade gasmolnet innehåller 3D-information om gasens longitud, latitud, koncentration och höjd i förhållande till marken", sa Hu. "Den exakta positioneringen av det övervakade utrymmet med GPS och gyroskopsensorer var nyckeln för att göra kvantitativ 3D-rekonstruktion av gasmoln möjlig."

Fånga en gasläcka

Forskarna testade sin metod i ett fältexperiment utomhus där de använde två skanande FTIR-fjärravkänningssystem för att utföra fjärrövervakning av små mängder svavelhexafluorid och metan som frigörs under två minuter i ett utrymme på cirka 315 kubikmeter. De kunde framgångsrikt generera 3D-rekreationer av gasmolnen med longitud, latitud, höjd och koncentrationsfördelning för båda gaserna.

"För att tillämpa vår teknik i ett verkligt scenario skulle två eller flera skanande FTIR-bildsystem behöva installeras runt det övervakade området för att bilda ett korsskanningsnätverk", säger Hu. "Vår föreslagna metod kan sedan användas för att skapa en 3D-rekonstruktion av ett läckande gasmoln som i sin tur kan användas för att hitta läckagekällan och ge tidig varningsinformation."

Forskarna arbetar nu med att optimera rekonstruktionsmetoden och planerar att testa systemet i riktiga industriella miljöer. + Utforska vidare

Utökad infraröd mikrospektroskopi med Lucy-Richardson-Rosen beräkningsrekonstruktionsmetod