摘要：介紹了氣體泄漏紅外成像檢測技術的工作原理和分類，綜述了國內外相關單位的研究進展，重點分析了國外公司對被動式紅外成像檢測技術的研究情況，并對技術的發展方向進行了展望。
關鍵詞：石油化工；環保；氣體泄漏；泄漏檢測；紅外成像
石化企業的氣體泄漏，不僅影響企業的正常生產，還會污染環境，甚至引發火災、爆炸等事故，嚴重威脅社會和人民的生命財產安全。相比于傳統的點式檢測方式，氣體泄漏紅外成像檢測技術由于其大范圍、遠距離、快速定位泄漏源、動態直觀等優勢逐漸成為泄漏檢測的有效手段之一[1]。
1、紅外成像檢測技術的原理及分類
紅外成像檢測技術的原理是基于氣體的紅外吸收。氣體分子吸收特定波段的紅外輻射而發生能級躍遷，因此氣體泄漏前后，環境中的紅外輻射能量會產生差異，這一特性被用來檢測氣體泄漏。常見的氣體分子吸收波段主要集中在近紅外波段(3～5 mm)和遠紅外波段(8～12 mm)。
紅外成像檢測技術分為主動式檢測和被動式檢測[2]。主動式檢測技術以激光作為激勵源，信噪比高、靈敏度高，氣體與背景之間不需要溫度差異，但是系統較為復雜。常見的幾種技術有差分吸收激光雷達(DIAL)技術、可調諧激光二極管吸收光譜(TDLAS)技術、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)技術、差分吸收光譜(DOAS)技術。
被動式檢測技術是基于氣體分子對背景的輻射吸收，不需要光源，系統結構相對簡單，但是需要氣體與背景之間存在溫度差異，信噪比低，圖像處理過程較為復雜。被動式檢測技術分為紅外熱成像技術和紅外光譜成像技術。紅外熱成像技術關注的重點在于氣體泄漏的探測和泄漏源的定位，而紅外光譜成像技術能夠定量檢測氣體泄漏的濃度并確定氣體種類[3]。
紅外成像檢測技術根據探測器的種類可以分為制冷型和非制冷型。制冷型探測器為光子型探測器，工作原理是在紅外輻射的作用下，材料的載流子濃度發生變化，在內部電場偏壓下產生電學信號的輸出。該種材料在室溫下會增加噪聲水平，從而降低器件的信噪比，因此器件需工作在低溫環境下。非制冷型探測器是一種光熱型紅外探測器，工作原理是利用紅外輻射特有的熱效應，將紅外輻射先轉換為材料的溫度變化，導致材料的結構或者物理量發生變化，通過探測變化的物理量轉換成電學信號的輸出[4]。兩種探測器的特點如表1所示。制冷型紅外探測器價格居高不下，且系統的復雜性高，發展受到制約。非制冷型紅外探測器由于其顯著優勢，近年來得到了各行業的關注，發展迅速，成為了紅外焦平面探測器在民用領域的主流產品。
表1 制冷型和非制冷型探測器的特點
2、被動式紅外成像檢測技術及現狀
2.1 紅外熱成像技術
紅外熱成像技術檢測氣體泄漏的工作原理是氣體的紅外輻射經光學系統匯聚后，被紅外探測器探測到，這部分輻射能量經過光電轉換、信號處理等過程，以視頻圖像的形式顯示出來。
美國FLIR公司是發展較早的紅外熱像儀生產廠家，目前該公司已生產出能檢測甲烷、乙烯、六氟化硫等不同氣體眾多型號的氣體熱像儀，技術較為成熟。近年來，該公司又研制出了本質安全型光學氣體熱像儀FLIR GFx320[5]。該設備使用銻化銦(InSb)探測器，紅外分辨率320×240，探測器像素間距30 mm，NETD
圖1 紅外熱像儀檢測氣體泄漏
注：紅色標記部分為氣體泄漏云團
法國Bertin公司的Second Sight系列氣體成像儀是較早的非制冷紅外成像儀[6]，采用長波紅外(8～14 mm)非制冷型探測器。Second Sight系列分為軍用型Second Sight?MS和民用型Second Sight?TC。系統能連續工作，實現對揮發性有機物(VOCs)的監測，且監測到氣體泄漏時自動發出警報。系統可在火焰、蒸氣、煙霧等環境下識別出泄漏氣體[7]。
2.2 紅外光譜成像技術
紅外光譜成像技術是紅外熱成像技術與光譜技術的有機結合，該技術能同時實現基于場景的紅外成像和氣體種類的識別。根據光譜分辨率的高低，又可分為多光譜技術和高光譜技術。
加拿大的Telops公司是具有代表性的高光譜成像儀的生產廠家，公司研發生產了一系列基于傅里葉變換的紅外高光譜成像儀，主要有FIRST、Hyper-Cam系列，能提供豐富的二維空間信息及第三維的光譜數據。通過比較測量光譜與已知氣體、固體的光譜特征可以快捷地獲得目標成分、組成及特性[8-10]。Hyper-Cam成像光譜儀空間分辨率和成像質量高，光譜分辨率可通過軟件選擇從0.25 cm-1到150 cm-1，實現石化企業的氣體泄漏監測。朱亮等人[11]利用Hyper-Cam傅里葉紅外光譜儀進行了實驗研究，并在某公司乙烯裝置開展了現場泄漏檢測與識別應用，根據結果提出了一種有助于石化生產安全隱患排查與事故應急處置的方法。但是，高光譜成像技術成本較高，由于要完成光譜掃描，系統運行速度較慢。
美國Rebellion光電公司研發的非制冷氣云成像(GCI)系統利用高光譜成像技術和精確的探測算法能準確定位泄漏源、測量泄漏氣體的體積和濃度[12]。GCI相機可以檢測泄漏到3 200 m外的氣體，檢測高度達30 m，儀器可擴展進行全方位360度旋轉。Rebellion公司利用該設備實現了對烷烴、烯烴的探測[13]。川東北某氣田利用氣云成像攝像機對廠區的罐區和管線區域進行現場測試，在氣體泄漏位置識別、泄漏識別準確度、泄漏響應方面均取得較好的應用效果[14]。但是該設備通訊負荷高，成本較高，不適合作為常規的氣體泄漏監測手段。
3、國內研究進展
和國外技術相比，國內紅外成像技術起步較晚，但近些年來發展迅速，不少單位都進行了相關研究。
鄭為建等人[15]2016年設計了長波紅外時空調制高光譜成像實驗裝置，研究了二維空間平面化學氣體VOCs高光譜成像檢測方法。2019年，采用定制的擴展長波光電導碲鎘汞探測器組件[16]，擴展了紅外探測器的響應帶寬(7～15 mm)，覆蓋整個長波紅外大氣窗口，滿足民用和工業有毒有害氣體特征監測的技術需求。
金偉其團隊對氣體泄漏紅外成像技術進行了較為全面的研究，包括紅外圖像增強算法[17]、氣體紅外成像探測概率[18]、氣體泄漏擴散模型[19]等。2014年，牽頭組織煙臺艾睿公司和北方廣微公司分別研制了氧化釩非制冷寬波段紅外焦平面探測器組件(3～14 mm)，制成寬波段氣體泄漏紅外熱成像檢測原理樣機[20]。2018年，該團隊在艾睿公司生產的探測器基礎上，研制了甲烷氣體紅外成像檢測工程樣機，實現了天然氣等烷類氣體泄漏的有效檢測[21,22]。
熊仕富[23]進行了紅外熱成像甲烷氣體探測與識別系統的關鍵技術研究。在非制冷紅外焦平面探測器成像的基礎上，通過設計光學成像系統和紅外窄帶濾光片光學薄膜，探討了提高系統檢測靈敏度的方法，實現了甲烷的有效探測與識別。
焦洋、徐亮等人[24-26]設計了氣體掃描成像傅里葉變換紅外遙測系統，已實現對城市空氣中NH3、C2H4等氣體的檢測。系統探測靈敏度高，并以可視化和定量的方式顯示污染的空間分布情況，但空間掃描分辨率較低，如果要提高系統的掃描精度，會限制探測速度。
王敏[27]，Ding,K[28]等主要對易燃易爆氣體紅外成像系統的檢測算法進行了相關研究 。
氣體泄漏紅外成像檢測技術的關鍵技術和產品主要掌握在發達國家手中，且部分技術對中國實施禁運。隨著我國石油化工領域的迅猛發展，氣體泄漏紅外成像檢測的需求日益增大，國內的許多研究單位也具備了生產、研發相關產品的能力。
在紅外探測器及機芯模組方面，國內相關公司已具備自主研發、產業化生產的能力。包括以非晶硅[29]、氧化釩[30]材料為主的非制冷紅外焦平面探測器，以碲鎘汞、二類超晶格材料為主的制冷型紅外探測器[31]。紅外機芯提供數據接口，具備完善的SDK開發庫，便于二次開發，實現持續迭代優化。用戶可根據實際需要，配備不同焦距的鏡頭。除此之外，也有不少單位利用國內外先進技術研發便攜式紅外成像設備[32-34]。主要分為檢測VOCs氣體的中波型紅外成像設備和檢測六氟化硫、氨氣、乙烯等氣體的長波型紅外成像設備。
4、結語
雖然國內氣體泄漏紅外成像技術起步相對偏晚，但是目前也已具備多種規模的設計、生產和系統應用的能力。氣體泄漏紅外成像檢測技術的發展主要有以下幾個趨勢。
4.1 國產化、低成本
目前在石化企業使用的氣體泄漏紅外成像設備大都是國外進口設備，成本較高，不適于推廣普及。國內雖已具有自主研發生產的氣體泄漏紅外成像檢測儀，但是探測器大都依賴進口，沒有實現純國產化。隨著國內相關單位探測器自主研發、生產能力的提升，純國產化、低成本的設備應用到石化企業中指日可待。
4.2 探測器大陣列、小像元、小型化
探測器的大陣列、小像元有助于使圖像更清晰、探測距離更遠、降低生產成本、提高響應速度[35]。減小探測器的體積有助于減小整個儀器的尺寸。
4.3 波段融合與拓展
氣體泄漏紅外成像檢測系統使用的探測器響應波段較窄，只能實現單一氣體的檢測。若能把中紅外波段和遠紅外波段結合起來，同時實現對多種氣體的探測，將大大拓展儀器的性能，這也對新材料、新結構的探測器提出了需求。
4.4 高系統靈敏度
紅外成像對比度差，系統靈敏度較低。一方面要優化探測器，另一方面要探索有效的圖像處理算法，在圖像處理層面提高系統靈敏度。
4.5 在線檢測設備
結合石化企業泄漏檢測的實際需求，紅外成像檢測設備要從離線化走向在線式。檢測設備與報警聯動，一旦發現氣體泄漏，實時直觀地顯示氣體泄漏位置并及時報警，推進區域聯防聯控。
4.6 系統綜合性能的提升
氣體泄漏紅外熱成像技術主要實現定性檢測，紅外光譜成像技術可以實現定量檢測，但是運行速度較慢。如何解決探測氣體種類的數量、辨別氣體種類的能力與系統響應時間之間的矛盾，提高系統的綜合性能仍是一個需要解決的問題。
本文作者：遲曉銘 肖安山 朱 亮 賈潤中等 (中國石化青島安全工程研究院化學品安全控制國家重點實驗室)
