基于三维图像重建的有毒气体泄漏监测

       对于工业产业，当有毒气体泄漏，如果有能力及时且迅速地评估有毒气体的泄露位置以及气体的组成、体积、浓度和分布等，那相当于挽救了当局和本地居民。为了，中国团队开发了一种方法，即使用两个扫描傅里叶变换红外（FTIR）遥感成像系统来重建泄露气体云的三维图像（Opt. Express，doi: 10.1364/OE. 460640）。

图1 泄露系统的3D重建图像，并将其叠加到数字地图上。其中红色代表高浓度，蓝色代表低浓度。（图片来源：中国科学院安徽光学精密机械研究所）

       近日，中国科学院安徽光学精密机械研究所、中国科学技术大学Yunyou Hu公开称：“在此之前，当气体泄露发生时，气体的具体位置和移动方向无法确定。而我们开发的三维重建气体云的方法，可以用来准确找到泄露气体的经纬度。而以上信息对于确定人员暴露，以及迅速阻止泄露，减少大气中有毒气体浓度非常重要。”

重建三维气体云

       由于高灵敏度、非接触性、高分辨率以及实时测量能力，FTIR技术广泛应用于传感领域。然而，单个FTIR系统只能得到三维气体云的二维映射。虽然二维图像可以提供气体泄漏的方向信息，但却不能帮助确定泄露的具体位置，以及气体的浓度分布。

       为了探测泄露气体云的体积、位置、传播和浓度分布，该团队决定使用两个扫描FTIR遥感成像系统，并且每个系统由FTIR干涉仪、反射式望远镜、工业摄像机、2自由度倾斜平台、GPS、9轴姿态陀螺仪、干涉图数据采集以及处理系统和台式计算机组成。

       为了得到气体云的三维图像，该团队定位了两个FTIR系统，这样它们就可以从不同角度扫描同一空间。然后，这些系统手机气体云的红外辐射谱和定位数据（方位角和高度）。由于这两个系统各自从不同角度创建了一个二维网络，该团队可以构建一个提供完整空间信息的三维网络，并结合光谱数据，使用计算机断层成像算法（称为同时代数重建技术，简称SART）处理，最终呈现出气体云的三维重建图像（如图1）。

       “在3D重建的气体云中，每个体元或3D像素均包含有关气体相对于地面的经度、纬度、浓度和高度的3D信息，”Hu说，“利用GPS和陀螺仪传感器对监测空间进行精确定位，是实现气体云3D定量重建的关键。”

图2 两个远程FTIR成像系统，结合GPS和陀螺传感器以精确定位信息。（图片来源：中国科学院安徽光学精密机械研究所）

真实世界的测试

       为了测试他们的双系统方法，该团队在中国合肥教区进行了一个田间实验。在一个大约为315立方米的室外空间中，他们不间断地释放高浓度六氟化硫（SF6）气体，释放时间超过两分钟，然后，两个FTIR系统同时扫描空间（如图2）。此外，该团队利用高浓度甲烷（CH4）气体重复该过程。对于这两种气体，该团队能够成功地重建气体云3D图像。

       该团队在论文中写道，若将这些3D图像叠加到对应的谷歌地球数字地图上，这对于找到泄漏源和提供早期预警信息非常有用。

       该团队指出，结合多扫描FTIR遥感成像系统和3D软件使用提出的方法，可以实现自动化在线泄露监测。最后，他们正优化重建方法，并计划在真实的工业环境中测试该系统。