美國科羅拉多大學博爾德分校的研究人員對基于頻率梳激光光譜學的新型空氣質量監(jiān)測系統(tǒng)進行了現(xiàn)場測試，據(jù)他們描述，該系統(tǒng)結合大氣反演模型可以對甲烷氣體泄漏進行連續(xù)自動監(jiān)測(《Optica》， doi：10.1364/OPTICA.5.000320)。研究人員報告說，在現(xiàn)場測試過程中，他們能夠監(jiān)測幾平方公里范圍內(nèi)微量的甲烷泄露，其泄露速率相當于一個人休息時呼吸率的25%。

便攜式雙梳激光光譜儀系統(tǒng)已經(jīng)引起業(yè)界合作伙伴的關注，這些合作伙伴正在與研究團隊合作，進一步開發(fā)和評估用于石油和天然氣設施的系統(tǒng)。

從瞬時檢測到連續(xù)監(jiān)控

人類活動過程中產(chǎn)生的甲烷氣體泄露不僅對公共安全構成威脅、導致氣候變化，同時也給石油和天然氣儲存場所和加工廠造成了經(jīng)濟損失。目前，檢測甲烷泄露最常用的方法之一是，人工使用紅外線相機來檢查大面積區(qū)域上的氣體泄漏。這項工作費時費力，只提供了一個瞬時測量結果。還可以選擇采用飛機和車載紅外攝像機監(jiān)測，但這些方法對于連續(xù)監(jiān)測來說也是昂貴和不切實際的。

美國加州大學博爾德分校的團隊聲稱，在諾貝爾獎獲得者和加州大學博爾德分校的John Hall教授開發(fā)的頻率梳技術的基礎上，他們自主研發(fā)了一種連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)，對甲烷檢測的最新方法進行了改進。通過使用激光頻率梳技術作為分光計的基礎，研究人員創(chuàng)造了一種能夠快速、準確地測量高分辨率、寬波段的具有甲烷氣體分子的光吸收特征的工具。

在雙梳狀設置中把兩個頻率梳結合在一起，可以顯著提高頻率梳光譜儀的速度和光譜分辨率(參見“雙梳譜”，OPN，2017年1月)。他們創(chuàng)新性地將雙梳光譜與大氣反演算法相結合，可以使監(jiān)測單位精確定位氣體泄漏的位置并計算其泄露速率。

雙梳光譜儀的現(xiàn)場測試

在戶外現(xiàn)場測試中，研究人員在加州大學博爾德分校的桌山研究設備上設置了雙梳光譜儀。在一個360度旋轉的基座上放置了一個19英寸的光譜儀，基座處于直徑大約一公里的圓形中心，四周被反光鏡環(huán)繞著。圓圈內(nèi)隨機放置了泄漏甲烷氣體的氣體罐。

當光譜儀打開時，它在一個反光鏡方向上發(fā)出一個具有多波長的光束。如果光束經(jīng)過甲烷氣體云，氣體分子會在光照射到鏡子之前吸收了一定的波長，然后返回到探測器。通過觀察吸收光的波長，研究人員可以確定圓形“凹陷”的特定部分是否含有甲烷氣體。把大氣反演模型應用到反射光束的數(shù)據(jù)中，研究人員能夠計算并確定甲烷氣體的位置和從氣體罐泄露的速率。

在這些現(xiàn)場測試中，研究人員報告稱，能夠在一公里的范圍內(nèi)探測到每分鐘低至1.6克的氣體排放量，其排放速率比目前的方法低1000倍。他們還能夠在多達五個潛在泄露源中探測到同時發(fā)生的兩個氣體泄漏。