用於氣體羽狀流檢測的差分紅外線成像儀的製作方法

2023-10-26 03:55:37 4

用於氣體羽狀流檢測的差分紅外線成像儀的製作方法
【專利摘要】設備、系統和方法自主檢測化學羽狀流。系統包括用於分離電磁輻射光束和將分離的光束輸送至至少兩個檢測器的設備，其可操作地連接至第一帶通濾光器和第二帶通濾光器，所述第二帶通濾光器通過的電磁輻射的波長在量級上相似但偏離於第一帶通濾光器通過的波長。系統還包括分析系統，其被配置成分析來自至少兩個檢測器的圖像；處理器；和非臨時性計算機可讀介質，其包括代碼，所述代碼被配置成引導處理器執行功能。示例性功能包括比較來自至少兩個檢測器的對象的多個確定性特徵、多個概率性特徵或兩者，和確定比較圖像之間的差異是否代表化學羽狀流。
【專利說明】用於氣體羽狀流檢測的差分紅外線成像儀
[0001]相關申請的交叉參考
[0002]本申請要求美國臨時申請號61/467,816——2011年3月25日提交，發明名稱為 Apparatus and Systems for Identifying Hydrocarbon Gas Emissions and MethodsRelated Thereto (鑑別烴氣體排放物的設備和系統以及與其相關的方法）——和美國臨
時申請號61/509，909-2011年7月20日提交，發明名稱為Autonomous Detection for
Chemical Plumes (化學羽狀流的自主檢測)，二者均通過引用以其整體併入本文；和美國臨時專利申請號61/540，391——2011年9月28日提交，發明名稱為Differential Infrared
Imager for Gas Plume Detection (用於氣體羽狀流檢測的差分紅外線成像儀）-的優
先權，其每ー篇均通過引用以其整體併入本文。
發明領域
[0003]本發明技術涉及鑑別化學排放物的設備和系統。更具體而言，本公開內容涉及自控設備和系統，其掃描和鑑別設施中的化學排放物。
[0004]發明背景
[0005]本部分意圖介紹本領域的各個方面，其可與本發明技術的示例性實施方式相關。相信該論述有助於提供架構，以促進更好地理解本發明技術的具體方面。因此，應該理解，本部分應該從這個角度閱讀，而不一定作為對現有技術的承認。
[0006]烴的應用是當前文明的ー個基本方面。用於生產、加工、運輸和應用烴的設施持續在世界各地被建立。這些エ廠的效率變得越來越重要，因為即使較小的烴損失也會増加成本或給監管機構造成問題。
[0007]烴可在出售前損失或被應用，這是由於エ藝限制、導致燃燒的エ藝幹擾、洩露、以及部分烴用於為エ藝供應燃料。雖然這些問題中的大部分可通過設計被直接改善，但洩露可提供挑戰，因為它們可發生於任何數量的不同エ藝裝置類型上。例如，洩露可源於管子凸緣、閥、閥杆、取樣系統和任何數量的其它位置。隨著裝置的使用和老化，洩露變得越來越有可能。
[0008]エ廠狀況在它們形成時可增加洩露的可能性或加劇洩露。例如，用於產生液化天然氣（LNG)的エ廠利用高壓和低溫，其均可增加洩露的可能性。世界上LNG液化工廠的數目正在迅速地增長。隨著這些エ廠老化，產生烴洩露的可能性越來越大。
[0009]早期檢測和洩露補救可用於防止任意數目的問題，諸如成本増加和監管問題。洩露可由操作員檢測，例如通過看到釋放、聞到烴或聽到由釋放導致的噪音。然而，大部分烴蒸氣是裸眼不可見的。而且，在エ廠中常常存在高水平的裝置擁塞，這會使洩漏點處於另一件裝置的後面。另外，烴可具有極少氣味，因而通過嗅覺可能檢測不到。通過聲音檢測小的洩露是不可能的，因為非常高水平的環境噪音使洩露不太可能被聽到。
[0010]洩露檢測系統已經被安裝於許多烴設施中。這些系統可包括可燃氣體檢測器，其監測具體位置處烴蒸氣的濃度或爆炸下限（LEL)，提供區域中某一點處烴水平的測量。然後，點測量系統的陣列可用於追蹤該區域中的蒸氣釋放。然而，點檢測系統可能檢測不到小的釋放一諸如來自小的洩露或新洩露、烴的釋放量等。
[0011]其它洩露檢測系統已被用於檢測穿過工廠環境的管線中的烴，例如，通過引導區域一個邊緣處的光源朝向區域另一邊緣處的光譜檢測器。雖然這樣的系統可用於監測對監管問題的依從性，但它們不一定鑑別沿著管線的釋放位置。而且，它們可能根本檢測不到小的釋放，理由與點檢測器一樣，例如烴可能太稀而不能檢測，或者可能被風吹離檢測管線。
[0012]因此，根據洩露的位置和相對於常規氣體檢測器的氣體釋放方向，在一定的時間內可能維持檢測不到洩露。這可使得蒸氣雲產生，引起工廠環境中的問題。
[0013]已經發展了系統，以利用可直接顯示烴羽狀流圖像的高光譜照相機通過成像區域檢測釋放。例如，Hackwell, J. A.等，「LWIR/MWIR Hyperspectral Sensor for Airborneand Ground-based Remote Sensing,，』Proceedings of the SPIE, Imaging SpectroscopyII，M. R. Descour, and J. M. Mooney, Eds.，Vol. 2819，pp. 102-107 (1996)，其公開了紅外線成像攝譜儀，其首次在1995年10月被用作空中傳感器。該儀器被命名為空間上增強的寬帶陣列攝譜儀系統（SEBASS)。SEBASS系統意圖探索高光譜紅外線傳感器在遠距離鑑別常常用於提供化學指紋的2至14微米光譜區中的固體、液體、氣體和化學蒸氣中的有用性。該儀器是現有非成像攝譜儀的延伸，所述現有非成像攝譜儀應用兩個球面稜鏡在2. 0和5. 2微米之間（MWIR)和7. 8和13. 4微米之間（LWIR)發現的大氣透射窗中同時操作。SEBASS系統在1996年三月用於基於塔的收集（tower-based collection)。
[0014]SEBASS系統允許在環境中化學物質諸如羽狀流的成像和鑑別。然而，其不用於自主鑑別化學釋放。在沒有自主監測系統的情況下，圖像必需由人進行手動檢查，使得快速鑑別存在問題。而且，系統本身的複雜性會使連續自主應用存在問題。
[0015]在名稱為「TheThird Generation LDAR(LDAR3)Lower Fugitive Emissionsat a Lower Cost」（介紹於國家石化與煉油協會2006年環境會議（2006EnvironmentalConference of the National Petrochemical&Refiners Association),2006年9月 18-19日），Zeng等的介紹中，公開了用於洩露鑑別的自控系統，其應用照相機鑑別工廠中特定區域中的洩露。任何洩露均可由處理紅外線（IR)視頻圖像的軟體自主識別。在圖像中，背景和噪音幹擾被最小化，並且揮發性有機化合物（VOC)羽狀流有可能利用算法被分離。基於比較許多排列的幀的瞬時快速傅立葉變換（FFT)計算，算法確定圖像是否包含化學羽狀流。由於在大氣中的閃爍特性，化學羽狀流可產生高頻率，在處理後的圖像中產生高密度像素。羽狀流指數（PI)基於處理後的VOC羽狀流圖像中像素的數目和密度而計算。如果PI大於實驗上確定的閾值，則可觸發操作（action)，諸如警報或視頻捕獲，用於確認。
[0016]雖然LDAR3系統描述了應用頻率域來排列視頻圖像和去除照相機抖動的方法，但其並未充分解決複雜的幹擾，諸如移動裝置、人、車輛或蒸汽，其可導致錯誤檢測。因此，需要更精確的羽狀流鑑別技術。
[0017]發明概述
[0018]提供了自主檢測化學羽狀流的設備、系統和方法。設備包括透鏡；光束分束器；第一檢測器；第二檢測器；第一帶通濾光器，其使由化學種類吸收或發射的電磁輻射波長通過和阻止該範圍之外的頻率；和第二帶通濾光器，其使在量級上相似但偏離於第一帶通濾光器通過的波長的電磁輻射波長通過和阻止該範圍之外的頻率。
[0019]系統包括設備；分析系統，其被配置成分析來自第一檢測器和第二檢測器的圖像；處理器；和非臨時性計算機可讀介質，其包括代碼，所述代碼被配置成引導處理器執行功能。示例性功能包括:(a)鑑別來自第一檢測器的圖像中對象的多個確定性特徵和多個概率性特徵；(b)鑑別來自第二檢測器的圖像中對象的多個確定性特徵和多個概率性特徵；(C)比較(i)來自第一檢測器的多個確定性特徵或多個概率性特徵或兩者與(ii)來自第二檢測器的多個確定性特徵或多個概率性特徵或兩者；和(d)確定比較圖像之間的差異是否代表化學羽狀流。
[0020]自主檢測化學羽狀流的方法包括如下步驟:(a)將電磁輻射光束分成至少兩束，所述至少兩束被引導至相應的至少兩個檢測器，(b)至少在選擇以被化學種類吸收或發射的電磁輻射的波長處從第一檢測器獲得第一多個圖像；(c)在量級上相似但偏離於第一檢測器的波長的電磁輻射波長處從第二檢測器獲得第二多個圖像；(d)比較第一多個圖像與第二多個圖像，以鑑別確定性特徵的差異、概率性特徵的變化或兩者；和(e)至少部分基於所述差異識別化學羽狀流。
附圖簡介
[0021]通過參考以下詳細描述和附圖，本發明技術的優勢被更好地理解:
[0022]圖1是常規紅外線照相機的示意圖。
[0023]圖2是用於差分紅外線成像儀的示例性設備的示意圖。
[0024]圖3是由於黑體福射用於丙燒和背景場景(background scene)的示例性紅外線光譜圖。
[0025]發明詳述
[0026]在下面詳細描述部分中，描述了本發明技術的【具體實施方式】。然而，就以下描述是針對本發明技術的【具體實施方式】或具體應用而言，這意圖是僅以示例為目的和僅僅提供對示例性實施方式的描述。因此，技術不限於下面描述的【具體實施方式】，相反，其包括屬於所附權利要求的實際精神和範圍內的所有替代方案、改變和等同物。
[0027]首先，為了方便指代，提出本申請中應用的某些術語以及其在該上下文中應用的含義。在本文所用術語未在下文中限定的情況下，其應該被給予相關領域的技術人員已經給予該術語的最寬泛的定義，如在至少一個印刷出版物或授權專利中所反映的。而且，本發明技術不受下面所示術語的應用的限制，因為用於相同或類似目的的所有等同物、同義詞、新發展和術語或技術均被認為在本發明權利要求的範圍內。
[0028]如本文中所使用的，「照相機」是可在各種光譜域，包括但不限於可見光、紅外線和紫外線中，獲得一系列二維圖像或幀(諸如視頻或系列靜像)的裝置。在一實施方式中，照相機形成紅外線光譜中區域諸如約2至14微米之間的二維圖像。在另一實例中，照相機形成紫外線光譜中區域諸如約350nm至400nm之間的二維圖像。任意數目的其它照相機均可用於本發明系統中，這取決於期望的波長。波長可基於可從設施中的洩露釋放的可能的化學種類而被選擇。在其它實施方式中，照相機可利用一個或多個光束分束器，以形成區域的多個二維圖像。這些圖像可針對不同的紅外線光譜被形成。
[0029]「化學種類」是可在洩露中作為蒸氣或作為液體而釋放的任何化合物。可利用本文所述系統和技術檢測的化學種類的實例包括烴和其它化學種類。可檢測的化學種類包括但不限於在LNG工廠或其它設施中的雲中釋放的烴蒸氣或在水體頂部形成浮油的油。可被檢測的非烴種類包括但不限於作為蒸氣在煉油廠中釋放的氟化氫氣體、作為蒸氣在水處理工廠中釋放的氯或任意數目的其它液體或氣體。化學種類也可被有意添加到處理流中，以增強利用本文所述技術對羽狀流的檢測。
[0030]「電磁輻射」或EM輻射包括來自來源的攜帶能量的電磁波或光子。EM輻射常常通過其與物質的相互作用被分類成光譜範圍。如本文中所使用的，可見光或可見光譜包括可由人眼檢測的光，例如從大約400納米(nm)至大約700nm。紫外(UV)光或UV光譜包括波長在大約190nm至大約400nm的光。在UV和可見光譜範圍中，化學物質可通過電子躍遷吸收能量，其中電子從較低軌道被推進到較高軌道。紅外(IR)光或IR光譜包括波長比可見光譜長但通常低於微波區域的光。
[0031]例如，IR光譜可包括波長在約0.7和14微米(μ m)長度之間的光。在大約10 μ m至大約14μm(遠IR)處該連續區的較長波長端處，化學物質可通過旋轉躍遷吸收能量。在大約2.5μm?至大約10μπ?(中紅外線)的中間波長範圍處，化學物質可通過振動躍遷吸收能量。在大約0.7μπι至2.5μπι(近-1R)的波長範圍較低端處，化學物質可通過振動躍遷和通過與可見光和UV光類似的過程，例如通過電子躍遷，吸收能量。利用相對簡單的檢測器諸如電荷偶聯裝置(CCD)，照相機圖像可在可見光譜、IR光譜或UV光譜中由電磁輻射形成。
[0032]如本文中所使用的，「設施」是切實的(有形的)物理裝置，通過該裝置，烴流體從油藏中產生、被注入到油藏中、被加工或運輸。在其最廣泛的意義上，術語設施適用於可沿油藏與其輸送出口之間的流動路徑存在的任意裝置。設施可包括生產井、注入井、井管、井口裝置、集油管線、總管、泵、壓縮機、分離器、表面流動管線、蒸汽產生工廠、加工工廠和輸送出口。設施的實例包括油田、聚合工廠、煉油廠、LNG工廠、LNG油輪和再氣化工廠，除了其它的以外。
[0033]「烴」是有機化合物，主要包括元素氫和碳，儘管氮、硫、氧、金屬或任意數目的其它元素也可以少量存在。如本文中所使用的，烴通常指在天然氣、油或化學加工設施諸如煉油廠或化學工廠中發現的成分。
[0034]如本文中所使用的，術語〃天然氣〃指獲自原油井(伴生氣)和/或獲自地下含氣地層(非伴生氣)的多成分氣體。天然氣的組成和壓力可顯著變化。典型的天然氣流含有甲烷(CH4)作為主要成分，即，大於50mol%的天然氣流是甲烷。天然氣流還可含有乙烷(C2H6)、較高分子量的烴(例如,C3-C2tl烴)、一種或多種酸性氣體(例如，硫化氫)或其任意組合。天然氣還可含有較小量的汙染物，諸如水、氮氣、硫化鐵、蠟、原油或其任意組合。
[0035]當涉及物質的數量或含量或其具體特性使用時，「基本上」是指足以提供該物質或特性意圖提供的作用的量。在一些情況中，可允許的確切偏差程度取決於具體上下文。
[0036]提供了自主鑑別空氣中或水面上化學羽狀流的設備、系統和方法。本文所述技術提高在烴工廠中化學羽狀流的檢測，這可有助於降低在延長時間段中洩露仍未被檢測到的可能性。
[0037]在一些實施方式中，應用紅外線成像照相機，因為許多烴種類在IR光譜中的波長處吸收。專門設計的紅外線(IR)照相機可「看到」人眼看不到的某些氣體。常規氣體檢測IR照相機是商業上可得的，例如，GF320和GF306——由FLIR Systems, Inc.製造，和EYE-C-GAS——由Opgal製造。圖1是常規IR照相機工作原理的簡化示圖。照相機I包括透鏡2，以通過濾光器3將圖像聚焦在傳感器4上。
[0038]與常規IR照相機不同，本文所述的自主檢測化學羽狀流的系統包括光學裝置，至少一個分束器，其提供幾乎一致的圖像，即，電磁輻射光束，給兩個或更多個檢測器，即，傳感器。光學裝置包括常規照相機光學裝置，諸如透鏡、快門等。優選地，常規透鏡被用於將圖像聚焦於分束器上。
[0039]分束器是任意的分束器:其可從透鏡接收圖像，即，電磁輻射或電磁輻射光束，並將電磁福射光束分成兩個或更多個光束。在一個或多個實施方式中，分束器將電磁福射光束，即圖像，分成兩個或更多個光束、或三個或更多個光束、或四個或更多個光束、或五個或更多個光束。在一個或多個實施方式中，分束器用作稜鏡，其將電磁輻射光束折射成其組分波長。在一些實施方式中，一個光束可以在可見光譜中產生，以將檢測的羽狀流加入(infuse)到可見圖像中，易於人觀察。
[0040]在一個或多個實施方式中，光束分束器由商業上可得的材料構造，所述商業上可得的材料具有大約50%的透射率和50%的反射率。可選地，分束器對於一個檢測器可具有更高的透射率。例如，60%或70%或80%或更高的透射率可給予一個檢測器，而剩餘的檢測器分別接收40%或30%或20%。在可選實施方式中，分束器具有:(a)在窄的頻譜窗中高(例如，大於80%或大於90%或接近100%)的透射率，(b)在另一頻譜窗中高(例如，大於80%或大於90%或接近100%)的反射率，或(c) (a)和(b)的組合。
[0041]每一檢測器均具有相應的濾光器，諸如帶通濾光器，其使某一範圍內的電磁福射波長通過和阻止「通過」範圍外的波長。在一個或多個實施方式中，每一濾光器均具有窄的透射窗口，諸如大約Iym或大約0.5 μπι或大約0.1 μ m。優選地，當前的系統利用一個濾光器，其具有窄的透射窗口，該窗口 「看到」化學羽狀流，即，從化學種類發射的電磁輻射，和第二濾光器，其具有窄的透射窗口，該透射窗口類似於但「偏離於」第一濾光器的透射窗口。換言之，在光譜儀上，第二濾光器的透射窗口被移至第一濾光器的左邊或右邊，其僅包括背景電磁輻射，即，遠離由化學種類反射的電磁輻射。「偏離」量根據應用、裝置和檢測的化學種類而變化。優選地，「偏離」足以使檢測器能夠區分背景和化學種類。
[0042]例如，在雙檢測器系統中，光束A通過帶通濾光器A，以在檢測器上形成圖像。光束B通過帶通濾光器B。濾光器B也具有窄的透射窗口。然而，該窗口被移至濾光器A窗口的左邊或右邊。圖3是丙烷的示例性紅外線光譜圖，顯示與IR光譜有關的帶通。圖3顯示帶通濾光器B被移至帶通濾光器A的右邊，但其也可被移至左邊。
[0043]在一個或多個實施方式中，為檢測烴蒸氣，至少一個濾光器具有波長在大約3.3和大約3.4 μ m之間的窄透射窗口，這相應於大部分烴化合物的IR吸收帶。
[0044]發送至每一檢測器的圖像可以是單個圖像、一系列靜像或視頻圖像。優選地，使發送至兩個或更多個檢測器的圖像重合，以便圖像在空間排列上逐像素地匹配、在時間排列上逐像素地匹配或兩者。空間上、時間上或兩者的圖像同步與常規濾光輪設備相比能夠實現提聞的分析能力。
[0045]檢測器是常規檢測器，即，傳感器，其檢測電磁輻射。檢測器可以為任意構造。檢測器可從分束器直接接收電磁福射光束或從引導光束的任選的反射鏡接收電磁福射光束。優選地，檢測器是相同的，以參與(add)到圖像處理和分析中。在一個或多個實施方式中，檢測器被冷卻，並可通過單個冷卻器冷卻。用於檢測烴種類的示例性檢測器是冷卻的中波IR檢測器。
[0046]在具有兩個檢測器的示例性系統中，分束器產生兩個圖像一圖像A和圖像B，圖像可被過濾，以便一個檢測器可具有背景和氣體羽狀流——圖像A，和第二檢測器可具有同樣的背景，但沒有氣體羽狀流。在該實施方式中，從圖像A減去圖像B產生差分圖像，S卩，「圖像C」，其僅包含氣體羽狀流。
[0047]不受理論限制，認為兩個檢測器中背景圖像的強度，由於背景黑體輻射、光學組件的透射或帶通濾光器波長中的輕微變化，可能輕微變化，這些差異可以相對小和相對恆定。優選地，這些輕微差異可被考慮作為從圖像A中減去圖像B時的信號處理的部分。
[0048]系統通常增強氣體檢測能力，而且尤其適於自主氣體羽狀流檢測。通過當前的IR氣體檢測相機，場景中的對象移動，諸如人行走、車輛行駛、鳥飛行、蒸汽羽狀流等，以及背景的變化，諸如由於雲移動、太陽的角度、照相機抖動等造成的周圍環境熱能量水平變化，使得在手動操作常規IR照相機時難以觀察小的氣體羽狀流。如果這樣的常規IR照相機可與自主洩露檢測系統一起應用，則它們可要求非常成熟的算法，以區分羽狀流與場景中的其它變化和對羽狀流檢測的其它幹擾。
[0049]與常規IR照相機相比，具有至少兩個檢測器的當前實施方式顯示，圖像A和圖像B中移動的對象和背景強度變化具有相同的空間和時間解析度。將圖像B從圖像A中減去消除了這些幹擾，並以適於自主檢測的高幀速率提供目標羽狀流的圖像。因此，本發明的系統大大地簡化了羽狀流識別算法和明顯降低錯誤報警率。
[0050]在一個或多個實施方式中，產生差分圖像，例如上述圖像C，所需的信號處理以及對強度或重合的任意必要調整可在DIR照相機的固件中進行，從而簡化整體系統和顯著減少部署自控洩露監控系統所需的資源。
[0051]一些常規IR照相機應用逐幀差分化並試圖實現差分圖像。例如，FLIR是指高靈敏度模式，和Opgal是指增強模式，其試圖使化學羽狀流對於人眼更可見。然而，在逐幀差分化方法中，引入了時間和空間差異，這使得場景不穩定和不適於自主檢測。
[0052]例如，通過照相機輕微移動引入的空間差異產生抖動圖像。背景強度的變化也會在這些幀差分化模式中被放大，產生類似地不穩定視頻。由於場景中快速移動的對象產生的時間差異而遇到類似的困難。這些困難不能通過當前的成像裝置諸如基於FTIR的高光譜成像儀、基於掃描的多光譜成像儀或基於濾光輪的多帶成像儀解決。
[0053]與上述常規逐幀差分化不同，本發明的系統克服這些問題，因為圖像A和圖像B在空間和時間上均被同步。因此，本發明技術適於自主系統和手動操作的IR照相機。
[0054]圖2是自主氣體檢測的示例性系統和響應方案的示意圖。參考圖2，系統10包括透鏡11、光束分束器12、第一濾光器13、第二濾光器14、第一檢測器15、第二檢測器16和反射鏡17。
[0055]在第一和第二檢測器中觀察到的背景20代表場景中固體或液體對象的複合熱IR輻射。與大部分烴氣體的窄吸收帶不同，該熱輻射代表中波IR光譜中的寬帶，類似於黑體輻射(不嚴格地表示為重疊在圖3中丙烷光譜上的大帶)。因為第一和第二濾光器13和14窄，它們對於由背景表示的寬帶基本上是相同的。然而，它們對於烴具有高度選擇性，其中第一檢測器15觀察氣體羽狀流25，而第二檢測器16看不到羽狀流。
[0056]在可選的實施方式中，光束B的第二濾光器和第二檢測器可具有單獨的冷卻器，並且可代替反射鏡相對於光束A以90度角被排列，從而排除反光鏡。同樣，第二檢測器可以是未冷卻的檢測器，因為檢測器不用於氣體檢測並且靈敏度要求較低。
[0057]不受理論限制，利用具有類似量級、但在波長上偏離的兩個濾光器的益處提供類似量的能量給兩個檢測器中的每一個。如果檢測器之一不被過濾，則其可接收明顯較大的IR能量，諸如比過濾的檢測器大大約10-50倍。
[0058]在一個或多個可選實施方式中，自主檢測化學羽狀流的系統包括兩個檢測器，但僅一個檢測器將具有濾光器。優選地，第二檢測器不被冷卻。在這些實施方式中，由每一檢測器鑑別的背景場景中的差異被處理，以減小錯誤報警的可能性。
[0059]許多分析技術可被用於確定是否檢測到化學種類。例如，當「差分」圖像如上所述產生時，圖像A和圖像B之間的任何差異均可以被認為是「正」讀數，即，指示化學種類。對差分圖像的分析可以如確定「圖像C」是否指示圖像A和圖像B之間的任意差異一樣簡單。
[0060]在一個或多個實施方式中，可以應用另外的分析技術。用於進行圖像分析的系統組件和方法描述在本文中，並進一步描述在2011年7月20日提交的美國臨時申請號61/509，909和2011年3月25日提交的美國臨時申請號61/467，816中，其每一篇均通過引用以其整體被併入本文。
[0061]這樣的分析技術應用軟體算法來分析圖像，以區分化學羽狀流與場景中的其它特徵，從而降低錯誤報警的可能性。軟體算法區分烴蒸氣與其它周圍環境因子，諸如水流、蒸氣羽狀流、爐排氣(furnace off gas)、車輛、人、野生動植物等。化學羽狀流可由確定性特徵、統計學特徵和輔助特徵或其任意組合來鑑別。圖像可以是灰度圖像，其中應用對比度差異來鑑別特徵。
[0062]如本文中所使用的，確定性特徵包括化學羽狀流的各種特徵，諸如幾何特徵，例如化學羽狀流的尺寸和形狀等，和運動學特徵，諸如運動約束等。統計學特徵包括聯合的時間特徵，諸如一幀中化學羽狀流圖像與前幀中化學羽狀流圖像重疊。輔助特徵包括特徵諸如化學羽狀流運動與預期風向的比較、與工廠可見視頻圖像的比較等。
[0063]在一些實施方式中，照相機被安裝在頭部(poll)上，並可在系統的控制下移動，諸如搖攝和傾斜。若干照相機可圍繞工廠外周被布置，以得到對設施100%的覆蓋。該自主檢測系統可提供在連續基礎上執行的工廠監控。在一些實施方式中，可保持低的整體系統成本，同時保持低的錯誤報警率並仍能檢測小的或早期的烴洩露，例如，在環境條件下150米距離處具有大約20%LEL的羽狀流。
[0064]檢測系統可用於存在烴或其它可檢測化學種類的任意設施。這樣的設施的實例包括LNG工廠、油和氣井口操作、海上平臺、運輸管道、船、卡車、煉油廠和化學工廠。如所述，化學羽狀流可以是水面上的烴或浮油，諸如海上平臺、油輪、卸油平臺等周圍的水面。
[0065]如果對洩露和化學羽狀流進行陽性鑑別，則系統可定位洩露並激活警報，警告操作員派遣響應小組至洩露的地點。響應小組可確認洩露存在並實行修理。在一些實施方式中，烴洩露可顯示為假彩色圖像，以便操作員更容易分析。而且，系統可具有縮放能力，以在進行洩露檢查時以手動模式協助操作員。
[0066]系統可連續監測設施每天24小時、每周7天和每年365天，即，具有最小停歇時間。停歇時間可主要是由於對系統進行常規維護，並可通過冗餘得到補償，例如，將其它照相機引導到照相機正在保養的區域。[0067]在一些實施方式中，系統可被配置成在寬溫度範圍內工作，所述寬溫度範圍包括寒冷和溫暖的溫度，諸如酷熱的熱帶或沙漠環境或寒冷的北極環境。而且，系統可適於在白天或夜晚和在大約負10°C至50°C範圍的溫度下工作。系統還可被配置成在其它環境幹擾下操作，諸如在霧、雨或沙暴中。在各個實施方式中，系統可檢測烴，諸如甲烷、乙烷或丙烷等。系統還可被配置成檢測其它可以成像的化學種類。
[0068]照相機可安裝在杆上，並且，如所述，具有自主搖攝和傾斜能力以及360度覆蓋。在一些實施方式中，照相機可能夠在自動和手動模式下被操作。因此，在報警的情況下，操作員可能夠控制照相機，以進一步進行觀察。
[0069]本系統可利用環境能量進行檢測，但也可應用人工照射源。在一些實施方式中，電磁輻射源，例如光源，可以用於照射環境。例如，IR雷射器可以用於照射感興趣區域，以進行洩露確認。光源在羽狀流和背景之間的對比度可能不足以區分化學種類的狀況下可以是有用的。利用與本系統連通的光源控制，光源可以被提供動力、激活或移動。
[0070]自主檢測系統不限於檢測化學羽狀流，而且可以提供其它功能性。例如，在實施方式中，自主檢測系統可以用於監測特定裝置，諸如爐、反應器、壓縮機等，尋找問題，諸如熱點、分布不均、熱馬達等。而且，為安全目的，自主檢測系統可提供圍欄-管線(fence-line)監測，並監測環境中從裝置逃逸的排放物。
[0071]對羽狀流的檢測和確認可以通過由氣象監測器收集的氣象學測量結果而得到加強。氣象監測器可收集關於環境狀況諸如風速、溫度、降水、大氣霧霾等的數據。該數據然後可用於實施方式中，以確認檢測的羽狀流與收集的數據一致。
[0072]可分析確定性特徵。這可包括空間特徵和運動學特徵等。例如，分析可確定幾何特徵，包括化學羽狀流的形狀或化學羽狀流的尺寸。分析還可確定形狀約束，諸如輪廓的縱橫比、分散度(例如，羽狀流的厚度，作為距離的函數)、凸度和梯度方向直方圖(HOG)等。這些特徵充當約束並提供對可能對象的預篩選。
[0073]運動學或運動特徵可以是分析的部分，諸如確定羽狀流不斷移動，但運動受限於受到約束的區域，如通過源於洩露的羽狀流所預期的。運動學特徵可包括羽狀流的尺寸約束，諸如通過一系列圖像的最小和最大尺寸。運動學特徵可用於過濾出大部分剛體幹擾。
[0074]可分析羽狀流的概率性特徵。例如，概率性特徵可包括化學羽狀流的空間圖形、化學羽狀流的瞬時圖形或任意數目的其它特徵。分析可包括聯合空間和時間分析，諸如快速動態紋理算法。在概率性分析中，統計學模型——由兩種類型的方程式來描述，例如演化方程和觀測方程，其分別模擬固有狀態隨時間演變的方式和固有狀態投射於圖像像素的方式——可以擬合片段化的像素數據。參數可由矩陣來估算。也可應用其它概率性分析技術，諸如主成分分析(PCA)。在PCA中，確定引起羽狀流變化的變量，諸如風速和風向與羽狀流中所示變化的統計學比較。
[0075]對於人眼可見的圖像可與利用非可見圖像，諸如IR光譜中的圖像，鑑別的羽狀流進行比較。例如，可見圖像可以用於區分有機蒸氣羽狀流和水蒸汽。通常，有機羽狀流在非可見圖像中可以是暗的，並且在可見圖像中不太可見。相反，蒸汽羽狀流由於放出的熱而在非可見圖像中可以是亮的，並且在可見圖像中可見。除了提高檢測之外，可見圖像還可以用於定位工廠環境中的洩露，例如，通過比較紅外線光譜中照相機的重合圖像與可見光譜中照相機的重疊圖像。[0076]通過利用來自氣象監測器的數據，氣體羽狀流檢測也可得到提高或確認。例如，計算的羽狀流運動可與風向進行比較，諸如在PCA算法中。如果羽狀流的運動與風向不一致，則羽狀流鑑別可能是不正確的。
[0077]一些改變可用於實施方式中，以提高自主檢測系統的可靠性、使用簡易性或實施簡易性。在實施方式中，洩露建模結果、洩露檢測標準、照相機和透鏡特性以及算法要求可以組合，以形成部署參考圖表(deployment reference chart),用於設置自主檢測系統。
[0078]檢測可靠性還可通過利用各種烴流中的化學標記得以提高。化學標記可以是被添加以增加特定波長處的吸收或發射的物質。這樣的標記可使其它檢測技術的應用更有用。例如，螢光化學製品可以非常少的量加入到烴流中，諸如百萬分之幾份，因為這些化合物常常具有高量子產率，量子產率是發射的光子數除以吸收的光子數。因為發射光的波長可能不與天然源重疊，所以從螢光鑑別羽狀流可以是直接的。
[0079]自主檢測系統不限於可安裝在杆上的照相機。在實施方式中，照相機可以是可安裝在杆上、連接至自主移動平臺、放置於常規定位的塔上或從纜或氣囊懸浮。自主檢測系統還可被整合成移動機器人，其可以是自主的或由操作人員操縱。
[0080]在一個或多個實施方式中，系統可包括多個檢測器，其中具有與帶通濾光器連接的檢測器亞組。例如，自主檢測化學羽狀流的系統可包括:透鏡；至少一個光束分束器，其被配置成從透鏡接收光束和將光束分成第一光束和第二光束；第一檢測器，其被配置成從分束器接收至少部分第一光束；和第二檢測器，其被配置成從分束器接收至少部分第二光束。系統可包括第一帶通濾光器，其沿第一檢測器和至少一個光束分束器之一之間的第一光束的路徑被布置，所述第一帶通濾光器使由化學種類吸收或發射的電磁輻射的波長(例如，至少部分第一光束)通過並阻止該範圍之外的頻率。第二檢測器可接收第二光束。在該配置中，從第一光束檢測的圖像可以與從第二光束檢測的圖像疊合或組合，以突出某些波長。
[0081]在下面段落中進一步描述一個或多個實施方式:
[0082]1.自主檢測化學羽狀流的系統，包括:透鏡；至少一個光束分束器，其被配置成從透鏡接收光束和將光束分成第一光束和第二光束；第一檢測器，其被配置成從分束器接收至少部分第一光束；
[0083]第二檢測器，其被配置成從分束器接收至少部分第二光束；第一帶通濾光器，其沿第一檢測器和至少一個光束分束器之一之間的第一光束的路徑被布置，所述第一帶通濾光器使由化學種類吸收或發射的電磁輻射的波長(例如，至少部分第一光束)通過並阻止該範圍之外的頻率；和第二帶通濾光器，其沿第二檢測器和至少一個光束分束器之一之間的第二光束的路徑被布置，所述第二帶通濾光器使偏離於由第一帶通濾光器通過的波長的電磁輻射波長(並且，可以與通向第一檢測器的能量的量級類似)通過並阻止該範圍之外的頻率。
[0084]2.段落I的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括:分析系統，其被配置成分析來自第一檢測器和第二檢測器的圖像。
[0085]3.段落2的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括:處理器；和非臨時性計算機可讀介質，其包括代碼，所述代碼被配置成引導處理器以:(a)鑑別來自第一檢測器的圖像中對象的多個確定性特徵和多個概率性特徵；(b)鑑別來自第二檢測器的圖像中對象的多個確定性特徵和多個概率性特徵；(C)比較(i)來自第一檢測器的多個確定性特徵或多個概率性特徵或兩者與(ii)來自第二檢測器的多個確定性特徵或多個概率性特徵或兩者；和(d)確定比較圖像之間的差異是否代表化學羽狀流。
[0086]4.段落I至3任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中第一帶通濾光器僅允許電磁福射通過。
[0087]5.段落I至4任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中電磁輻射的波長在紅外線波長範圍內。
[0088]6.段落I至4任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統,其中電磁輻射的波長在約
3.1 μ m 和 3.6 μ m 之間。
[0089]7.段落I至4任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中電磁輻射的波長在紫外線波長範圍內。
[0090]8.段落I至4任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中電磁輻射的波長在可見光波長範圍內。
[0091]9.段落3至8任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中確定性特徵包括化學羽狀流的幾何特徵。
[0092]10.段落9的自主檢測化學羽狀流的系統，其中幾何特徵包括化學羽狀流的尺寸、化學羽狀流的形狀、化學羽狀流的邊緣或其任意組合。
[0093]11.段落3至10任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中概率性特徵包括化學羽狀流的運動學特徵。
[0094]12.段落11的自主檢測化學羽狀流的系統，其中運動學特徵包括化學羽狀流的運動、化學羽狀流的尺寸變化、化學羽狀流的形狀、或化學羽狀流的位置或其任意組合。
[0095]13.段落3至12任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中概率性特徵包括化學羽狀流的空間圖形或化學羽狀流的瞬時圖形或兩者。
[0096]14.段落2至13任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括分布式控制系統，其被配置成接收來自分析系統的警報信號。
[0097]15.段落2至14任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括人機界面，其被配置成在一定的位置瞄準透鏡。
[0098]16.段落2至15任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括氣象測量系統，其被配置成收集關於氣象狀況的數據。
[0099]17.段落16的自主檢測化學羽狀流的系統，其中氣象狀況包括溼度測量、溫度測量、日射測量或其任意組合。
[0100]18.段落I至17任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中化學種類包括烴。
[0101]19.段落I至18任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中化學種類包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯或其任意組合。
[0102]20.段落I至19任意之一的自主檢測化學羽狀流的系統，其中化學種類是在水體表面上形成羽狀流的液態烴。
[0103]21.自主檢測化學羽狀流的方法，其包括如下步驟:將電磁輻射光束分成至少兩個光束，所述至少兩個光束被引導至相應的至少兩個檢測器；至少在選擇以被化學種類吸收或發射的電磁輻射的波長處從第一檢測器獲得第一多個圖像；在偏離於所述第一檢測器的波長的電磁輻射波長處從第二檢測器獲得第二多個圖像；比較所述第一多個圖像與所述第二多個圖像，以鑑別確定性特徵的差異、概率性特徵的變化或兩者；和至少部分基於所述差異識別化學羽狀流。
[0104]22.段落21的自主檢測化學羽狀流的方法，還包括如下步驟:至少在選擇以被化學種類吸收的電磁輻射的波長處用照射源照射區域；和從樣品空間獲得來自檢測器的多個圖像。
[0105]23.段落21或22的自主檢測化學羽狀流的方法，還包括如下步驟:如果在來自檢測相機的多個圖像中識別出化學羽狀流，則發送信息至遠程位置。
[0106]24.段落21至23任意之一的自主檢測化學羽狀流的方法，其中分析多個圖像包括將第一和第二多個圖像簡化成數字數據，其中數字數據包括來自所述第一和第二多個圖像的幀的幀-與-幀比較的數字表。
[0107]25.段落24的自主檢測化學羽狀流的方法，還包括如下步驟:訓練神經網絡，以從數字表識別化學羽狀流。
[0108]雖然本發明技術可容易接受各種改動和可選形式，但上述實施方式僅通過舉例方式顯示。然而，還應該理解所述技術不意圖限於本文所公開的【具體實施方式】。實際上，本發明技術包括落入所附權利要求的實質精神和範圍內的所有替代方案、改動和等同物。
【權利要求】
1.自主檢測化學羽狀流的系統，包括： 透鏡， 至少一個光束分束器， 第一檢測器， 第二檢測器， 第一帶通濾光器，其使由化學種類吸收或發射的電磁輻射波長通過，和阻止該範圍之外的頻率，和 第二帶通濾光器，其使在量級上相似但偏離於所述第一帶通濾光器通過的波長的電磁輻射波長通過和阻止該範圍之外的頻率。
2.權利要求1所述的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括： 分析系統，其被配置成分析來自所述第一檢測器和所述第二檢測器的圖像。
3.權利要求2所述的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括： 處理器；和 非臨時性計算機可讀介質，其包括代碼，所述代碼被配置成引導所述處理器以： (a)鑑別來自所述第一檢測器的圖像中對象的多個確定性特徵和多個概率性特徵； (b)鑑別來自所述第二檢測器的圖像中對象的多個確定性特徵和多個概率性特徵； (C)比較（i)來自所述第一檢測器的多個確定性特徵或多個概率性特徵或兩者與（ii)來自所述第二檢測器的多個確定性特徵或多個概率性特徵或兩者；和(d)確定所述比較圖像之間的差異是否代表化學羽狀流。
4.權利要求1至3任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述第一帶通濾光器僅允許電磁輻射通過。
5.權利要求1至4任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述電磁輻射的波長在紅外線波長範圍內。
6.權利要求1至4任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述電磁輻射的波長在約3. I ii m和3. 6 ii m之間。
7.權利要求1至4任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述電磁輻射的波長在紫外線波長範圍內。
8.權利要求1至4任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述電磁輻射的波長在可見光波長範圍內。
9.權利要求3至8任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中確定性特徵包括所述化學羽狀流的幾何特徵。
10.權利要求9所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述幾何特徵包括所述化學羽狀流的尺寸、所述化學羽狀流的形狀、所述化學羽狀流的邊緣或其任意組合。
11.權利要求3至10任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中概率性特徵包括所述化學羽狀流的運動學特徵。
12.權利要求11所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述運動學特徵包括所述化學羽狀流的運動、所述化學羽狀流的尺寸變化、所述化學羽狀流的形狀或所述化學羽狀流的位置或其任意組合。
13.權利要求3至12任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中概率性特徵包括所述化學羽狀流的空間圖形或所述化學羽狀流的瞬時圖形或兩者。
14.權利要求2至13任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括分布式控制系統，其被配置成接收來自分析系統的警報信號。
15.權利要求2至14任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括人機界面，其被配置成在一定的位置瞄準所述透鏡。
16.權利要求2至15任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，還包括氣象測量系統，其被配置成收集關於氣象狀況的數據。
17.權利要求16所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述氣象狀況包括溼度測量、溫度測量、日射測量或其任意組合。
18.權利要求1至17任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述化學種類包括烴。
19.權利要求1至18任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述化學種類包括甲烷、乙烷、乙烯、丙烷、丙烯或其任意組合。
20.權利要求1至19任一項所述的自主檢測化學羽狀流的系統，其中所述化學種類是在水體表面上形成羽狀流的液態烴。
21.自主檢測化學羽狀流的方法，包括如下步驟： 將電磁輻射光束分成至少兩個光束，所述至少兩個光束被引導至相應的至少兩個檢測器， 至少在選擇以被化學種類吸收或發射的電磁輻射的波長處從第一檢測器獲得第一多個圖像； 在偏離於所述第一檢測器的波長的電磁輻射波長處從第二檢測器獲得第二多個圖像； 比較所述第一多個圖像與所述第二多個圖像，以鑑別確定性特徵的差異、概率性特徵的變化或兩者；和 至少部分基於所述差異識別化學羽狀流。
22.權利要求16所述的自主檢測化學羽狀流的方法，還包括如下步驟： 至少在選擇以被化學種類吸收的電磁輻射的波長處用照射源照射區域；和 從樣品空間獲得來自檢測器的多個圖像。
23.權利要求21或22所述的自主檢測化學羽狀流的方法，還包括如下步驟：如果在來自檢測相機的多個圖像中識別出化學羽狀流，則發送信息至遠程位置。
24.權利要求21至23任一項所述的自主檢測化學羽狀流的方法，其中分析多個圖像包括將所述第一和第二多個圖像簡化成數字數據，其中所述數字數據包括來自所述第一和第二多個圖像的幀的幀-與-幀比較的數字表。
25.權利要求24所述的自主檢測化學羽狀流的方法，還包括如下步驟：訓練神經網絡，以從所述數字表識別所述化學羽狀流。
【文檔編號】H01L25/00GK103503135SQ201280014671
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2012年3月12日 優先權日:2011年3月25日
【發明者】J·M·撤本, Y·曾, J·莫裡斯, Y·阮 申請人:埃克森美孚上遊研究公司