氣云成像——“有譜”的氣體檢測技術(shù)

【Popularization Of Science】

氣云成像技術(shù)由于其檢測結(jié)果的可視化及監(jiān)測范圍的大幅擴(kuò)展而受到安全、應(yīng)急及環(huán)保行業(yè)用戶的青睞。隨著原來越多的技術(shù)組織，初創(chuàng)公司，投資結(jié)構(gòu)直至大企業(yè)的紛紛介入，“氣云成像”檢測技術(shù)似乎愈來愈有成為有毒有害氣體檢測技術(shù)新寵的趨勢，“氣云成像”技術(shù)真的能完全或部分解決傳統(tǒng)氣體檢測技術(shù)不能解決的“痛點(diǎn)”問題嗎？

與多數(shù)傳統(tǒng)的有毒有害氣體檢測技術(shù)(gas detection)不同，氣云成像技術(shù)主要是基于紅外吸收光譜技術(shù)（infra-red absorbed spectrum）產(chǎn)生的，因而可以俗稱其為“有譜”的技術(shù)以區(qū)分以催化燃燒，電化學(xué)，紫外電離等為**的廣為使用的接觸式快速氣體檢測技術(shù)。

目前市面上主要的氣云成像技術(shù)可統(tǒng)稱為被動紅外（氣體）遙測技術(shù)。顧名思義，被動表明這類產(chǎn)品依賴背景與被測氣體的溫差實(shí)現(xiàn)檢測，換句話說如果沒有合適的溫差將沒有檢出；遙測意味著可以實(shí)現(xiàn)從幾十米到數(shù)公里的檢測。

遙測，成像，說起來夠強(qiáng)悍的，那在實(shí)際使用時(shí)能達(dá)到理論上的效果嗎？本文試圖從一些主要涉及到產(chǎn)品性能的技術(shù)指標(biāo)的定義上淺釋一下目前行業(yè)內(nèi)讓許多用戶混淆的說法。

誤區(qū)一 ：氣云成像定義

氣云成像這個(gè)名詞的由來應(yīng)該始于英文“gas cloud imaging“一詞，即GCI技術(shù)，**早是由美國Rebellion公司提出音譯而來。但按國內(nèi)目前行業(yè)內(nèi)及用戶流行的對應(yīng)氣云成像產(chǎn)品的說法，更多的指向是OGI技術(shù)英文optical gas imaging。Gas cloud若是咬文嚼字，更準(zhǔn)確的漢譯應(yīng)該是星云而不是氣云。令人忍俊的是，云本身就是可見的，緣何再用技術(shù)來成像讓人可見？再者，漢字云是由雲(yún)簡化而來，顧名思義含有水，是大氣中的水蒸氣遇冷液化成的小水滴或凝華成的小冰晶所混合組成的漂浮在空中的可見聚合物(見百度百科解釋)。大家都知道無論何種“氣云成像”技術(shù)背后的科學(xué)都來自與紅外光譜吸收技術(shù)，而大氣中水的大量存在對紅外的強(qiáng)吸收造成的“水窗”會讓其它氣體被完全屏蔽根本不能被測出。因而，筆者認(rèn)為氣云成像這個(gè)名詞的準(zhǔn)確性有待考究，用氣體（有毒有害）成像更加合適。

本文討論的氣云成像設(shè)備*指基于紅外熱成像技術(shù)的產(chǎn)品，其按目前市場上的產(chǎn)品種類可大略分為3-5um制冷和7-14um非制冷兩種類型。

誤區(qū)二 定量定性

“定量定性”能力是自氣體檢測技術(shù)誕生近100年來不斷演變提升的**技術(shù)指標(biāo)，也是驗(yàn)證任何氣體檢測技術(shù)是否有效的金標(biāo)準(zhǔn)。所謂脫離劑量不能談毒性的說法用于解釋氣體檢測定量定性的重要性恰當(dāng)不過了。

所有氣云成像技術(shù)皆遵守光學(xué)吸收的基本定律比爾定律，A=lg (1/T)=Kbc，A為吸光度,T為透射比,是投射光強(qiáng)度比上入射光強(qiáng)度，c為吸光物質(zhì)的濃度， b為吸收層厚度。簡單說就是要能測得氣體濃度必須測得到氣體云團(tuán)厚度。而眾所周知，氣云成像設(shè)備可以把它理解成一個(gè)相機(jī)，不具備測厚功能，因而根本不可能測出氣體濃度。除非在準(zhǔn)確獲知被測氣體與相機(jī)之間的距離，同時(shí)知道環(huán)境溫濕度風(fēng)速等影響測量準(zhǔn)確性的參數(shù)的情況下可以通過后臺軟件計(jì)算出來。對于宣稱測量范圍在數(shù)公里之外的廠家，在其屏幕上顯示的氣體濃度柱圖，充其量就是個(gè)估算出來的有數(shù)量級差異的數(shù)而已。

Tips：目前的氣云成像產(chǎn)品不具備定量定性能力，所謂的半定量的說法就是自欺欺人。  

誤區(qū)三 有效探測距離

國內(nèi)諸多廠家在宣傳氣云成像產(chǎn)品時(shí)多在“測的遠(yuǎn)，測得多”上下功夫以吸引用戶眼球。比如某公司在其宣傳材料上宣稱可以測得2km外氣體泄漏。國外此行業(yè)**的幾家此類公司包括OPGAL,SENTNEL及Providence Photoics等在其所有公開資料上都沒涉及公里級的概念，主要的數(shù)據(jù)也就200米左右。

也許通過技術(shù)手段如加大紅外鏡頭焦距等，在泄漏氣團(tuán)的面積和厚度足夠大及在定點(diǎn)測試條件下可以檢測到數(shù)據(jù)，但在真實(shí)的使用時(shí)候，由于鏡頭的視場角變窄，超長距離探測路徑上各種干擾因素增加，能撲捉到泄漏的機(jī)會基本渺茫。換句話說，大概率不可能在其它原位測量設(shè)備，如傳統(tǒng)氣體檢測儀器甚至壓力溫度測量儀器沒有檢出前測出早期泄漏。

誤區(qū)四 高光譜（Hyperspectral image） vs多光譜(Multispectral image)

高光譜與多光譜的在被動氣體遙測領(lǐng)域可以簡單的解讀為光譜分辨率的高低，分辨率越高區(qū)分氣體種類的能力越強(qiáng)。按目前業(yè)內(nèi)的定義，高光譜可以區(qū)別檢測出單一氣體種類，多光譜只能測出氣體大致是那一類，比如烷烴，烯烴等。

氣云成像產(chǎn)品都屬于多光譜的范疇，因而不能實(shí)現(xiàn)對氣體種類的準(zhǔn)確區(qū)分。

誤區(qū)五 探測下限(LOD)

研究表明，影響氣體成像的**主要因素是探測對象與背景溫差及探測距離。溫差與距離的不***變化可能對特定氣體的測量下限帶來幾個(gè)數(shù)量級的變化。

對于一個(gè)氣云成像設(shè)備，檢出下限用ppm-m表達(dá)的簡單計(jì)算公式如下：LODm?m = α( ??)?對于指定的氣體，α與?基本是個(gè)常數(shù)。

Tips：如果泄漏發(fā)生了一段時(shí)間且不在泄漏原點(diǎn)監(jiān)測，如在空中，氣體擴(kuò)散速度極快，氣云成像設(shè)備很難看到氣體泄漏。而如果將氣云成像設(shè)備指向泄漏原點(diǎn)，如法蘭，閥門等設(shè)備密封點(diǎn)，應(yīng)用場景就會收到很大限制，而且會和傳統(tǒng)氣體檢測設(shè)備的監(jiān)測區(qū)域重疊。

誤區(qū)六  行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與報(bào)告

目前，在紅外氣體成像領(lǐng)域，尚未形成普遍適用的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測試方法。由于紅外氣體成像技術(shù)的多樣性和應(yīng)用***性，不同廠家和研究機(jī)構(gòu)在設(shè)備設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理和性能評估等方面存在較大差異。

缺乏行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)測試報(bào)告對于紅外氣體成像技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用帶來了一些挑戰(zhàn)。首先，缺乏統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)測試方法和指標(biāo)，使得不同設(shè)備的性能比較和評估變得困難。其次，缺乏標(biāo)準(zhǔn)測試報(bào)告使得用戶在選購和使用設(shè)備時(shí)難以獲得客觀、可靠的信息。個(gè)別廠家利用這一漏洞，通過套用普通安防領(lǐng)域紅外熱成像標(biāo)準(zhǔn)來完成3C認(rèn)證。同時(shí)，還出現(xiàn)了通過限定探測器和制冷機(jī)類型來設(shè)立招投標(biāo)門檻的行為。這種行為屬于本末倒置，并且違反了公平競爭和市場規(guī)范的原則。

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