Forscher haben eine Möglichkeit entwickelt, ein 3D-Bild einer ausgetretenen Gaswolke zu erstellen, das detaillierte Informationen über das Leck wie Ort, Volumen und Konzentration liefert. Der neue automatisierte Erkennungsansatz könnte verwendet werden, um Frühwarnungen bereitzustellen, Risiken zu bewerten oder den besten Weg zur Behebung des Lecks zu ermitteln.
„Angesichts der rasanten Entwicklung der Gesellschaft gibt es heute weltweit große Einrichtungen, in denen giftige, schädliche, brennbare und explosive Chemikalien gelagert werden“, sagte der Leiter des Forschungsteams, Liang Xu, vom Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy der Wissenschaften. „Wenn an einer dieser Anlagen ein Leck auftritt, ist es wichtig, schnell dessen Zusammensetzung, Konzentration, Ort und Verteilung zu verstehen.“
Die Forscher beschreiben ihre neue Methode in Optik Express. Es kombiniert Informationen von zwei entfernten Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie-Bildgebungssystemen (FTIR) mit präzisen Positionsinformationen von GPS- und Gyroskopsensoren, um ein 3D-Bild der Gaswolke zu erstellen, das auf einer digitalen Karte von Google Earth eingeblendet wird.
„Früher konnten beim Auftreten von Lecks der genaue Ort und die Richtung, in die sich das Gas bewegte, nicht bestimmt werden“, sagte Yunyou Hu, Erstautor der Studie. „Unsere Methode zur Erstellung einer 3D-Rekonstruktion einer Gaswolke kann verwendet werden, um den Breiten- und Längengrad des ausgetretenen Gases genau zu bestimmen. Diese Informationen sind wichtig, um festzustellen, wer möglicherweise exponiert ist, und um das Leck schnell zu stoppen, damit weniger Gas freigesetzt wird Atmosphäre.“
Hinzufügen einer dritten Dimension
Die FTIR-Spektroskopie wird aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit, hohen Auflösung und der Fähigkeit, Echtzeitmessungen mit einer Detektionsreichweite von etwa 5 Kilometern durchzuführen, häufig bei der quantitativen Ferndetektion von gasförmigen Schadstoffen eingesetzt. Ein einzelnes FTIR-Fernerkundungsbildgebungssystem liefert jedoch nur 2D-Informationen über ein Gasleck.
Um ein 3D-Bild zu erhalten, verwendeten die Forscher zwei Systeme, um 2D-Messungen einer Gaswolke aus verschiedenen Perspektiven zu erhalten. Diese Informationen wurden dann räumlich mit Standortinformationen registriert, die unter Verwendung von GPS- und Gyroskopsensoren erhalten wurden. Das Einfügen der Daten in einen Computertomographie-Bildgebungsalgorithmus namens simultane algebraische Rekonstruktionstechnik (SART) erzeugt eine 3D-Rekonstruktion der Gaswolke.
„Jedes Voxel oder 3D-Pixel in der 3D-rekonstruierten Gaswolke enthält 3D-Informationen über Längengrad, Breitengrad, Konzentration und Höhe des Gases relativ zum Boden“, sagte Hu. „Die präzise Positionierung des überwachten Raums mithilfe von GPS- und Gyroskopsensoren war der Schlüssel, um eine quantitative 3D-Rekonstruktion von Gaswolken zu ermöglichen.“
Erfassen eines Gaslecks
Die Forscher testeten ihre Methode in einem Feldexperiment im Freien, bei dem sie zwei abtastende FTIR-Fernerkundungs-Bildgebungssysteme verwendeten, um eine Fernüberwachung kleiner Mengen von Schwefelhexafluorid und Methan durchzuführen, die über zwei Minuten in einem Raum von etwa 315 Kubikmetern freigesetzt wurden. Sie konnten erfolgreich 3D-Nachbildungen der Gaswolken mit Längengrad, Breitengrad, Höhe und Konzentrationsverteilung für beide Gase erstellen.
„Um unsere Technik in einem realen Szenario anzuwenden, müssten zwei oder mehr scannende FTIR-Bildgebungssysteme um den überwachten Bereich herum installiert werden, um ein Cross-Scanning-Netzwerk zu bilden“, sagte Hu. „Unsere vorgeschlagene Methode könnte dann verwendet werden, um eine 3D-Rekonstruktion einer austretenden Gaswolke zu erstellen, die wiederum verwendet werden könnte, um die Leckquelle zu finden und Frühwarninformationen bereitzustellen.“
Die Forscher arbeiten nun an der Optimierung des Rekonstruktionsverfahrens und wollen das System in realen Industrieumgebungen testen.
Yunyou Hu et al, Dreidimensionale Rekonstruktion einer austretenden Gaswolke basierend auf zwei scannenden FTIR-Fernerkundungs-Bildgebungssystemen, Optik Express (2022). DOI: 10.1364/OE.460640