CN109154538A - 烃泄漏成像和定量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明由传感器和算法构成，所述传感器和算法在自然日光或人造照明下，使用具有多个光谱滤波器的短波红外辐射检测器阵列并结合湍流气体喷流和漂浮羽流的流体动力学来对烃气(例如来自泄漏)存在进行成像、检测和定量。叙述了多个实施例，并且其解决了甲烷气体泄漏的检测和定量。定量包含来自加压器皿、管道、组件和一般气体基础设施的孔和裂缝以及来自在浮力和风的作用下出现的表面斑片(例如因为地下管道的气体泄漏)的气体的气体柱密度、气体浓度估计、总质量、孔大小估计和估计排放通量(泄漏速率)的定量。这些和类似实施例可以更一般化地适用于天然气和其它烃气、液体、乳化液、固体和微粒，且适用于温室气体甲烷和二氧化碳的排放监控。

Description

烃泄漏成像和定量传感器
相关申请的交叉引用
本申请案主张2016年5月18日递交的US 62/338,255号，和2017年3月16日递交的US 62/472,463号临时专利申请的优先权，此两者都由本发明人递交。
技术领域
本发明通常地指代来自加压器皿、管道、组件和一般气体基础设施的孔和裂缝，以及归因于地下气体基础设施的气体泄漏，从表面发出的排放，或天然产生的表面排放的天然气和其它烃气泄漏的光学检测和定量。其也可以适用于评定来自家畜的甲烷排放。
背景-现有技术
美国专利:
3,662,171 1972年5月 布里格曼等人
4,490,613 1984年12月 布莱姆
4,864,127 1989年9月 布莱姆
5,306,913 1994年4月 诺克等人
5,656,813 1997年8月 穆尔等人
6,680,778B2 2004年6月 海因里希等人
7,649,174B2 2010年1月 马门等人
7,977,639B2 2011年7月 马亚尔等人
8,193,496B2 2012年6月 富利
8,426,813B2 2013年4月 富利
美国专利申请公开案：
2014/0008526A1 2014年1月 甄等人
非专利文献文档(按时间顺序)：
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H.稻田、K.三浦、H.森、Y.长井、Y.井口与Y.川村，“非制冷SWIR InGaAs/GaAsSb II型量子阱焦平面阵列”，国际光学工程学会-7660(2010)。
背景技术
天然气泄漏产生安全和环境危害，且沿着从井到街道的整个气体供应链(所谓上游、中流和下游段)发生。甲烷，天然气主要成分，在空气中可燃，并且还是强力的温室气体。在天然气中发现的其它烃，以及从气体和油中分离出的液体发出的蒸汽包含乙烷、丙烷、丁烷、戊烷、己烷、辛烷和更重的烃，其形成会产生危害健康的烟雾的挥发性有机化合物。因此，存在迫切的原因来检测甲烷气体和其它烃气的泄漏，以便可以修复这种泄漏。然而，为了修复这种泄漏，还有必要定位泄漏，并且为了优先化修复，期望依据泄漏速率或排放通量来定量泄漏。还需要估计气体排放通量以评定温室气体的环境影响。此外，期望一种构件来监视或检查广泛区域是否存在这种泄漏，且以安全和实用的相隔距离快速实行这一点，同时维持精确定点泄漏位置和估计泄漏速率的能力。还期望在存在天然产生的环境气体和蒸汽，例如水蒸气的情况下执行有效泄漏监控，并且无关于泄漏气体与背景环境之间的相对温度如何。如果要广泛地采用和利用这种解决方案，那么还需要节约成本的解决方案。
根据其覆盖延伸区域，气体检测器可分类为点传感器、行传感器或区域传感器。点传感器，通常被称作嗅探器，吸取空气的局部样本，且通过多种分析方法检测可燃或有毒气体的存在。它们可以固定在适当位置以用于连续监测，或为手持便携式以进行检查，但它们需要现场直接取样且提供非常受限的覆盖度。它们可以提供浓度测量值，但不能提供泄漏速率估计。其它仪器可用于局部采样(与图像相反)已知泄漏以便提供泄漏速率的估计，但它们同样仅提供局部覆盖度且需要直接从渗漏组件采集气体。
光学行传感器，也被称作开放路径气体检测器，采用光学构件检测位于沿专用光发射器(例如，激光、可调激光器或)与专用光检测器(或多个光检测器)之间的线路的气体。这种检测器利用所关注的气体的分子组份的选定波长特征对光(通常为在红外光谱的不同部分的光)的吸收。这些传感器检测沿光发射器与光检测器之间(或如果光学路径折叠，组合的发射器/检测器组装体与远程反射器之间)的线路中任何位置存在的气体，但它们无法确定气体在沿路径的哪里，也不能确定它来自哪里，并且具有仅限于发射器与检测器之间的窄开放路径的受限覆盖度。通过利用多个光波长，这种传感器可能沿开放路径测量气体的柱密度，但无法测量或估计浓度或者泄漏速率。开放路径传感器可以安装在适当位置、为手持便携式，或可搭乘地面载具和空中载具移动。为了从相隔距离实现区域覆盖，应认识到，成像传感器提供优于点和行传感器的许多优势，因为它们可以检测气体存在，且可能定位泄漏源。
已提出、开发、专利化，并且可商购几种气体成像技术。它们全部基于所关注的分子的波长特征的红外光吸收。一般来说，对于甲烷和烃，大部分成像器以选定的中波红外和长波红外光谱波段操作。主要的可商购气体成像传感器仅以中波红外光谱的单一窄波段操作，并且不提供定量数据，仅有待由操作人员解译的图像。其它成像传感器使用长波红外中的多个光谱波段(所谓“分子指纹区域”)检测和鉴别不同烃气，且定量图像的每个像素处的气体柱密度。这种系统被证实为昂贵并且具有显著缺点。这些中波和长波红外传感器依赖于来自背景的热发射光，以照射将以由成像传感器检测到的选定波长吸收的气体。这需要背景和气体在温度上至少有几摄氏度的不同，否则气体吸收(或发射)的光将不能提供使得这些热传感器的操作人员能够可靠地检测的足够信号对比度。举例来说，在归因于地下管道泄漏的表面天然气排放，或来自填埋场的甲烷排放的情况下，气体过滤到土壤中且在其从地面出现时与土壤达到热平衡。因此，气体与地面之间存在极少或不存在热对比度，并且因此不能被热红外传感器可靠地检测。中波和长波气体成像传感器的另一个主要缺点是它们在存在水蒸气(高湿度，蒸汽)、雾和小雨的情况下性能差。这是因为在中波和长波红外光谱区域，水的光谱与甲烷的关键光谱特征重叠。因此，水蒸气将掩盖甲烷泄漏的存在，且相反地，水蒸气将触发甲烷的假警报。因为水蒸气和甲烷密度都低于空气，所以它们都因浮力上升，且在经光谱滤波的中波或长波红外图像中外观类似。此外，所有中波红外和一些长波红外气体成像传感器需要低温冷却，其昂贵且不可靠。期望仅使用热电冷却以减小气体成像传感器中的暗电流。最后，没有可用气体成像传感器能够提供估计从孔的泄漏速率或从表面的排放通量的性能。一些可能在每个像素处提供气体柱密度，并且使用成像的气体喷流、羽流或云的空间信息，可以随后估计局部或平均气体浓度。
为了克服上文引用的基于气体检测的成像传感器的热红外缺点，可以在光谱的短波红外部分中使用差分吸收气体成像。使用Landsat和SCIAMACHY等卫星承载传感器的大气科学家已利用了这一点。其允许基于自然日光的分子吸收的对大气中的甲烷、其它烃、二氧化碳和其它气体的检测，而不与中介的水蒸气相混淆。这种基于空间的成像技术提供温室气体和其它空气污染物的柱密度的宏观尺度映射。
本发明的目的是提供传感器和方法，其允许利用结合湍流气体喷流和漂浮羽流的流体动力学的短波红外多光谱成像，实现气体泄漏检测、定位、成像，和泄漏速率或排放质量通量的定量。描述且已开发本发明的多个实施例，其可更一般化地适用于天然气和其它烃气、液体、乳化液、固体和微粒，以及例如甲烷和二氧化碳的温室气体的排放监控。
发明内容
本发明由传感器和算法构成，以用于通过使用来自自然日光或人造照明源的非热红外辐射的多光谱感应，实现烃泄漏的成像、检测、定位和定量。更确切地说，描述传感器系统的几种实施例，其并入在大约1.0到2.6微米的范围内敏感的短波红外(short-waveinfrared；SWIR)检测器阵列，结合经选择的两个或超过两个光谱滤波器以产生相对于2.3微米附近的烃特征复合物的核心和翼光谱波段。通过使用直接透过气体传输到传感器，或从位于背景与传感器之间的气体从背景表面反射的自然日光或人造照明的吸收光谱实现检测。通过适当地校准系统，可以实时处理所得多光谱数据，以得到关于例如作为天然气主要成分的甲烷的中介烃气差分光学深度或等效柱密度的吸收图或图像。
所得吸收图像被彩色映射，以呈现横贯场景的气体吸收程度，并且被叠加在提供情形的光学对齐彩色可见图像上。在气体从加压管或器皿的孔或裂缝中泄漏的情况下，流出气体形成在吸收图像中可见的湍流喷流或羽流，泄漏可根据其定位。如果驱动泄漏的内压力大约已知，那么本发明方法从存在于这一吸收图像的数据估计有效孔的直径以及泄漏甲烷(或其它气体)的质量通量。在例如归因于城市气体基础设施或气体井集输线路的地下气体泄漏情况下，气体过滤到地下土壤中且从地面出现，通常从断开的表面斑片中出现。这些表面排放扩散到紧接于地面的薄层中，且(在天然气情况下)归因于浮力上升，但通常被地平面风吹散。本发明方法通过合并吸收图像与近地面测量的风速和方向，估计气体质量和从表面斑片的质量通量。开发通量估计方法以用于平稳风和阵风的情况。
已建立泄漏成像和定量传感器的两个实施例的功能性原型，并且在触摸屏平板电脑显示器上实施用于控制这些传感器以及查看(和存储或传输)它们的实时输出的图形用户界面。这样一个实施例支持视频速率的成像和气体泄漏定量。第二个这种实施例支持可编程和可变宽视场上的基于扫描的成像，替换掉成像气体传感器的低成本实施例的视频速率成像。在图式中示出从孔和表面泄漏的气体图像以及泄漏速率估计，以确认本发明的可行性。
本发明相对于以光谱的中波红外(mid-wave infrared；MWIR)或长波红外(long-wave infrared；LWIR)部分操作的热红外气体成像传感器具有若干关键优势。这包含对相对于背景具有较小或不具有温差的泄漏气体检测和定量的能力，这是因为本发明利用自然日光或合适色温的灯提供的SWIR光，并且不依赖于气体与背景或变化温度的背景之间的热对比度。适用于本发明的检测器并不需要低温冷却，其替代地使用相比于例如斯特林(Stirling)引擎或液氮的低温冷却器更可靠且更便宜的热电冷却。最后，本发明也可以检测在存在湿度、蒸汽、雾和小雨的情况下的气体泄漏，这是因为SWIR中检测到的烃特征不与水蒸气吸收显著的光谱区域重叠，这一点至关重要，因为无法控制传感器与泄漏源之间的大气中的水蒸气或雾的存在，并且许多工业工艺特意地将蒸汽与烃气混合。
本发明和其多个实施例将适用于从沿整个气体供应链的组件，从井端压缩机到传输管线到闸门站和地下分配网路的天然气泄漏的成像、检测、定位和量化。精炼厂、石化工厂、烃储槽或其它工业和商业设施中或附近的挥发性有机化合物(volatile organiccompound；VOC)检测和定量将是可能的。使用本发明结合填埋场边缘周围的断层摄影成像，填埋场甲烷排放映射将是可能的。利用本发明的机载变体，对于精炼厂上空气体的类似的断层摄影三维映射是可能的。本发明还示出为能够检测陆地、沙漠、海水和海冰上的液体油溢出。本发明的其它实施例将被证明为适用于检测和映射在海上的油薄膜和乳化液、北极水域的油溢出、海滩沙滩上的焦油珠，和油溢出对湿地的破坏。本文描述的本发明的实施例适于以例如手持便携式成像传感器、地面车载检查系统、船舶安装感应系统、机载勘察系统、可重定位拖车安装和定点监控系统的形式封装。
附图说明
图1A说明用于天然气检测的多光谱吸收成像下的物理原理。
图1B说明在1.5到10微米的红外区域中的甲烷光谱、其在短波、中波和长波红外区域中的主要光谱吸收特征，以及这些甲烷吸收特征与对应水蒸气吸收特征的比率。
图2A说明天然气主要组分-甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和二氧化碳的短波红外光谱，以及水蒸气的光谱。
图2B说明2.1到2.6微米范围内的详细甲烷光谱特征，以及其核心波段与翼波段的分解，连同核心和翼波段的这一选择的平均吸收截面值。
图3示出实施于触摸屏平板电脑上的用于气体成像传感器的原型用户界面，其显示以130psig离开1.5mm孔的甲烷气体喷流。
图4A说明在轻度侧风中从仅以1/4psig的低水平加压的管道的10mm孔离开的天然气的实时视频成像的实例。
图4B说明在9千米每小时侧风中从加压到500psig的松动锤接接头发出的甲烷喷流的实时视频成像的实例。
图4C说明归因于波士顿区域街道下方的地下天然气管道泄漏的地面排放的实时成像的实例。
图5A是具有其读出电路系统的一维光检测器阵列，以及一对光谱滤波器，其覆盖检测器阵列且在覆盖检测器阵列的两个滤波器中的每一个之间交替。
图5B是一对一维光检测器阵列，其各自具有其读出电路系统，且各自具有定位于其上方的不同光谱滤波器。
图6A是二维光检测器阵列和其读出电路系统，其具有四个不同光谱滤波器，每个滤波器重叠一或多个检测器行。
图6B是具有其独立读出电路的四个离散光检测器的阵列，每个检测器被单独的光谱滤波器岛覆盖。光谱滤波器形成光谱滤波器嵌合体。
图7A是视频泄漏成像和定量传感器系统的系统图。
图7B是扫描泄漏成像和定量传感器系统的系统图。
图8A图示用于泄漏检测的成像几何结构，其使用泄漏前方的直射日光，其通过气体喷流一次，到达传感器。
图8B图示用于泄漏检测的成像几何结构，其使用泄漏后方(传感器附近)的人造照明光源，从背景材料反射，两次透过气体喷流，且随后到达传感器。
图9A示出从加压到1300psig的测试分流管的1mm孔离开的甲烷气体喷流的实时吸收图像。
图9B示出横贯图9A的甲烷气体喷流的差分光学深度的三个曲线，对应于沿标记为a、b和c的线路采样的像素值。
图10A示出沿图9A的甲烷喷流的轴线的估计喷流宽度的曲线图，以及对于这些数据点的最小二乘线性回归。
图10B示出沿图9A的甲烷喷流轴线的横贯喷流宽度的积分差分光学深度曲线图，以及数据点的最小二乘线性回归。
图10C示出积分差分光学深度与沿图9A的甲烷喷流的轴线估计的喷流宽度(即，平均差分光学深度)的比率曲线图，以及这些数据点的最小二乘线性回归。
图11示出横贯离开50微米宽度和1cm长度的窄缝孔的甲烷喷流的宽度的积分差分光学深度的曲线图，以及对这些数据点的多个最小二乘回归。
图12A说明对于一组实验，孔直径正态化的平均差分光学深度的截距值对于从1mm和0.75mm喷孔驱动甲烷喷流的内压力的曲线图，并且将所述数据与平滑幂律曲线比较。
图12B说明来自横贯大范围的压力离开各种尺寸圆形和缝隙孔的甲烷的大量实验的数据。所述曲线图示出测量的孔每单位面积质量通量对比驱动甲烷喷流的内压力，以及对这些数据点的最小二乘线性回归。
图13A说明用于成像和估计在日光中以侧风压力下离开圆形喷孔的甲烷泄漏速率(质量流出)的户外测试设置，其中测量流入释放分流管的质量。
图13B对于使用图13A中示出的测试设定的十二次实验，示出估计的质量流出相比于测量的质量流入的曲线图。
图14A说明在地平面风存在的情况下成像地面气体排放的抬升LIQS传感器的几何结构(侧视图)。
图14B说明在地平面风存在的情况下来自表面斑片的气体排放的几何结构(平面视图)。
具体实施方式
气体吸收成像原理
本发明通过1.0到2.6微米范围内的差分吸收成像光谱检测气体泄漏，采用短波红外(SWIR)区域中的烃光谱特征，其主要在2.0到2.5微米波长范围内。对于地面温度的物体，这些波长通常不与中波红外(MWIR)和长波红外(LWIR)的热排放区域中的波长相关。约2.0微米的明显热排放需要物体处于约1000℃温度。替代地，本发明依赖于如自然日光和近1000℃色温的灯的照明源。因此，本发明能够通过使用外部照明而非热发射光，检测与其背景处于相同温度的烃。
在图1A中示出气体泄漏的非热红外多光谱成像的基础原理。来自日光或宽带人造照明的SWIR辐射，直接或从背景物体反射，透过周围大气，穿过从例如泄漏的源发出的气体喷流或羽流，继续朝向传感器，其中它被过滤为多个光谱波段，且在对SWIR光子敏感的光检测器阵列上被检测到。大气压和气体都吸收一些包括处于这些介质的材料的波长特征的光在天然气情况下主要吸收体为甲烷，而对于大气，主要吸收体为水蒸气和可能包含甲烷以及二氧化碳的其它环境气体。入射光还被大气中的微粒和气体泄漏自身分散到传输路径之外。被气体吸收的光随后在所有方向上被重新发射，在沿光源朝向传感器传输的方向产生光特征波长的缩减。
当成像甲烷和其它烃时，通常利用它们在MWIR和LWIR中的强烈特征，因为那些光谱区域中的吸收大于SWIR中的吸收。然而，考虑中间大气的水蒸气吸收效果是重要的。在大部分应用中，气体喷流、羽流或云的物理区域相比于光将透过其光路传播到传感器的大气长度较小。因此，取决于空气湿度或光学视野中存在的雾或蒸汽，在水蒸气波长特征处可能发生明显的吸收。因此，考虑在表征甲烷的波长处甲烷对比水蒸气的相对吸收是重要的。图1B通过标绘甲烷吸收截面，以及在甲烷在其中具有强烈光谱特征的窄光谱波段中水蒸气与甲烷吸收截面的比率的说明这一点，此处对于1.5到10微米波长以半对数标度示出。明显的，尽管相比于MWIR和LWIR，甲烷在SWIR中吸收截面相对较弱，但是其在SWIR中对比水蒸气具有显著更高的吸收比率。因此，对于在存在湿度或雾或蒸汽的情况下成像气体，SWIR区域对比MWIR和LWIR光谱区域具有特定优点。对于许多应用，这是优点，尽管在SWIR中吸收截面更低。
图2A示出从1.8到2.6微米的SWIR光谱中的吸收截面曲线(以线性标度)，以用于包括天然气：甲烷、乙烷、丙烷、丁烷和二氧化碳，以及水蒸气的多种组分。从图2A可看出，烃具有从2.2到2.5微米的宽泛特征复合物，在2.2到2.4微米的范围内有许多重叠。因为其2.4到2.5微米范围的减小的吸收，甲烷可以从其它烃中被分离出现。同样显而易见的，天然气组分在SWIR中具有处于2.0微米以下和2.5微米以上的强水蒸气特征之间的光谱特征。在本领域中众所周知，类似吸收特征存在于液体粗油、油-水乳化液、沥青和焦油的SWIR中。
为了检测和定量存在于天然气中的烃，使用SWIR中的多个光谱波段是有利的。这可以使用设计为选择性地透射优选的波长波段，同时丢弃其它SWIR辐射的光谱滤波器实现。这种光谱滤波器可以是窄带通滤波器、宽带滤波器、锯齿状滤波器、边缘滤波器，以及这种滤波器的组合。举例来说，为了优先检测甲烷，天然气的主要成分，本发明利用两个光谱波段中的最小者；一个被称作核心波段，其从大约2.25到2.45微米(200nm带宽)跨越光谱特征复合物，而另一个被称作翼波段(充当参考波段)，其跨越核心波段任一侧大约100nm的间隔。在图2A中这些光谱间隔被示出为矩形方块。横贯核心和翼波段的平均吸收截面被标绘在图2B的甲烷光谱上。通过以这两个波段成像，可以依据甲烷柱密度检测到甲烷的存在和对其定量。在光谱图像处理领域中众所周知，可选择其它SWIR光谱波段来优先检测和定量图2A中示出的其它天然气组分，以及气体和石油生产中所关注的相关挥发性有机化合物。这些波段中任一个的准确位置和延伸区对于实现功能性传感器不是关键的，只要它们断续地跨越所关注的气体的强烈光谱特征区域即可。为了定量存在于图像中的每个像素处的气体柱密度，并且考虑大气压中的微量气体的吸收，下文示出优选地在存在气体与不存在气体的区域之间比较，并且这是通过在检测气体泄漏之前对系统的适当现场自适应校准实现的。
原型气体成像传感器
通过构建用于甲烷成像、检测和定量的多光谱视频成像器和扫描成像器的功能性原型，已经把此处描述的发明简化为实践。原型双波段视频传感器以每秒20帧成像，且在触摸屏用户显示器上显示叠加在场景的彩色可见图像上的气体吸收图像。原型系统是手持便携式的，并且经由无线和有线介面介接到外部网络。原型6波段扫描传感器合并光栅扫描与超分辨率图像处理，在可编程和可变视场上产生气体图像。在多种扫描模式当中切换的灵活性允许这一传感器以节约成本的方式支持气体安全应用和排放监控应用。这一扫描成像器适于桅杆安装，以俯视大面积设施，使用可编程平移倾斜单元进行扫描。替代实施例使用扫描镜或扫描镜与旋转光学元件的组合代替平移倾斜单元，以允许手持便携式气体成像和定量相机的紧凑封装。
图3说明视频气体成像器的原型图形用户界面，示出传感器的触摸屏控制，并且显示在130psig(磅/平方英寸表压)压力下从1.5mm圆形孔发出的天然气的图像，其在日光条件下在室外采集。气体喷流吸收的显色对应于核心与翼波段之间的像素水平差分光学深度，其可以转换为甲烷的柱密度，并且以多种通用单位表达(分子/cm2、％LEL-米、ppm-米)。图4A是气体成像的另一实例，示出在室外使用人造照明，在轻度侧风中以低(家用)1/4psig气压从16mm管道内的10mm圆形球阀孔发出的天然气羽流。这种天然气低压释放受到甲烷在空气中浮力的主导，并且在重力作用下作为漂浮湍流羽流向上加速。图4B示出通过500psig的高内压力，从松散的带螺纹锤接接头驱出的一对动量主导甲烷喷流；它们在距缝隙状孔的短距离内形成湍流气体喷流。通过采用气体喷流和羽流的自相似动力学，示出这一吸收图像可如何用于估计释放孔直径和来自孔的甲烷的质量通量。在图4C中示出气体成像的最终实例，其中天然气从马萨诸塞州波士顿的城市气体基础设施地下管道泄漏。到气体过滤到土壤中时，其与地面自身温度大致相同。原型系统可以如示出那样在日光下对来自表面的气体排放成像，或替代地使用从上方反射离开地面的人造照明(可能与日光混合)，其在其穿过气体两次时被吸收。图4C说明地面排放的零散性质，其中气体从检修孔、风暴格柵、道路沥青和混凝土人行道裂缝，以及沿道路沥青与泥土和草相遇的那一侧出现。全部这些表面排放可以归因于街道末端附近坡道底部处管道的单一泄漏。表面泄漏斑片的空间分布可适用于界定地下管道实际泄漏位置。
成像传感器实施例
接下来描述用于烃成像的SWIR成像传感器的若干不同实施例。有若干不同半导体材料可用于制造对大约1.0到2.6微米的SWIR光谱敏感的基本光检测器，其中有可通过热电冷却适当地降低的暗电流。这些包含通常生长在磷化铟(indium phosphide；InP)晶格失配基板上的所谓扩展响应砷化铟镓(扩展InGaAs)，以及最近开发的II型量子阱，其由生长在InP晶格匹配基板上的交替InGaAs层和砷化镓反酰胺层(GaAsSb)制成。这两种材料具有不同光谱响应特征，但都可用于检测包含天然气，且详言之，甲烷以及VOC的烃。归因于其晶格结构，它们还具有不同制造产率。因此，扩展InGaAs光检测器仅可用作离散光检测器，以及一维阵列，不能用作二维阵列，然而已成功地构造和II型InGaAs/GaAsSb光检测器且将其演示为二维阵列。碲镉汞(Mercury cadmium telluride；MCT)是常用红外检测器材料，其也可以用于扩展SWIR中的成像；然而，其高暗电流需要例如斯特林引擎进行低温冷却，以实现有用的信噪比。
存在光检测器阵列的若干实施例，其与产生用于气体泄漏成像和定量系统的合适传感器的多个光谱滤波器相结合。图5A和5B说明结合被称作F-A和F-B的两个光谱滤波器的一维SWIR光检测器阵列的使用，其可用于产生用于甲烷检测或所关注的其它烃的核心波段和翼波段滤波器。在功能性原型甲烷气体成像器中，使用具有512个检测器的一维(即，线性)2.5um SWIR InGaAs阵列。图5A的配置示出光检测器的单一线性阵列，其读出集成电路(read-out integrated circuit；ROIC)连同一对滤波器处于框架中，所述框架被设计为覆盖光检测器阵列且在安置于检测器阵列前面的滤波器F-A与F-B之间交替。在此实例中，光检测器阵列和其ROIC被安装于较小热电冷却器上，并且封装在气密密封式封装内，伴随定位于光检测器上方的透明窗口。交变滤波器组装体被安置在封装外部，以便每个滤波器在滤波器交替在适当位置时覆盖窗口。此配置使用机械构件来以足够支持所要成像需求的快速速率将对应滤波器移动到适当位置。将光谱分离光波段交变到线性检测器阵列上的其它构件也是可能的。原型气体成像器以20帧/秒的速率操作。
图5B示出一维SWIR光检测器阵列和滤波器的另一配置，其中具有其自身的ROIC的两个单独线性阵列以平行布局配置在气密密封式封装的通用热电冷却器上，伴随定位于这一对光检测器阵列上方的窗口。滤波器F-A和F-B被安装在框架中或者直接粘合到窗口，每个滤波器被固定在适当位置且定位于光检测器阵列之一的上方。这种配置去除对快速地机械移动滤波器的需要，并且适用于更高帧率。这种光检测器的两个平行线性阵列配置也可以与交变或者可变滤波器阵列一起使用，使得新的一对滤波器被移动到适当位置以覆盖检测器阵列。举例来说，将从双线性检测器阵列产生四波段成像器，在四重滤波器框架中具有交变的滤波器对，并且例如可以支持甲烷和挥发性有机化合物或甲烷和二氧化碳的单独检测和定量。
图6A说明二维SWIR光检测器阵列和ROIC的使用，其中四个滤波器，F-A、F-B、F-C和F-D的阵列，被配置成覆盖检测器阵列的条纹。滤波器条纹可以横贯阵列的大部分延伸，每个条带覆盖检测器的一或多个行。检测器阵列和ROIC被安装于热电冷却器上且封装在气密密封式封装中，伴随检测器阵列之上的透明窗口。滤波器条纹可以配置为作为框架中的独立滤波器嵌合体的阵列，或构造为整体式阵列，并且明显地超过四个不同滤波器可包含所述阵列。现可商购320x256像素大小的二维2.5um-SWIR II类InGaAs/GaAsSb成像阵列。这种配置可被视为由一组光谱滤波器覆盖的许多线性的阵列集合。
图6B示出四个离散SWIR光检测器PD1、PD2、PD3和PD4的配置，其布置为2×2阵列，各自具有其自身的模拟读出电路和(可能共享的)模/数转换器，并且各自被单独光谱滤波器岛覆盖。在实践中，四个离散光检测器被安装于通用热电冷却器上，且封装于具有透明窗口的气密密封式封装(例如，TO-8“晶体管-轮廓”金属罐)中。光谱滤波器可以从离散滤波器装配到光谱滤波器嵌合体中，或构造为滤波器岛的整体式阵列，且定位于与下方光检测器对准的窗口外部。通过合适的镜头，这种配置形成单一多光谱SWIR像素的等效物。这种配置可以清楚地扩展到更多或更少的离散光检测器，各自具有其自身的光谱滤波器。需要两个经光谱滤波的光检测器中的最小者，以构建能够成像和定量气体排放的扫描仪。这一相同类型光谱滤波器嵌合体也可以与图6A中示出的二维光检测器阵列组合，借此嵌合体的每个滤波器岛覆盖甚至更小像素的较小二维子阵列。读出整个检测器阵列之后，对应于相同滤波器岛的像素的每个子阵列就可以组合为巨集像素。这种配置折衷了降低的空间分辨率，以增加非常小的光电探测器的二维阵列中的信号。
图5和6中描述和示出的全部多光谱SWIR检测器配置使用额外扫描和聚焦光学元件，以产生二维光谱图像，从中可以产生气体检测成像器。正如本领域的技术人员所知，图5和6中示出的所有检测器实施例适用于手持型系统中的封装，且还可被配置成在例如地面载具、机载旋翼机和固定翼平台、船、旋转桅杆安装系统和平移轨安装系统的移动平台上操作。
气体成像传感器系统
图7A说明视频气体成像传感器系统的第一系统图。从SWIR相机(SWIR)开始，其由如图5A、5B和6A中示出的SWIR光检测器阵列(线性、双线性或二维)之一构成，连同其对应的读出电路系统和视频定时电路系统。这一SWIR相机具有SWIR镜头(L)，其透射至少跨越所关注的波长的光谱范围以感应烃特征，大约1.0到2.6微米。光谱滤波器阵列定位器(F)安放在SWIR镜头(L)与SWIR相机(SWIR)之间，其可能包含马达和/或机械紧固件以适当地在每个帧曝光期间将正确滤波器定位在光检测器阵列前面。SWIR检测器阵列加滤波器阵列的这一组合对应于图5A、5B和6A中示出的多个实施例。SWIR成像子系统还包含扫描镜(scanningmirror；SM)，其横贯经光谱滤波的光检测器阵列扫描场景，以便产生二维视场。扫描镜(SM)通常是一维扫描仪，其沿垂直于位于一维检测器阵列上方的滤波器的定向，或二维检测器阵列上的条纹的定向的方向扫描。电子驱动器(D)控制扫描镜(SM)。由微控制器(C)提供扫描镜(SM)、滤波器定位器(F)与SWIR相机(SWIR)之间的同步。在微处理器(P1)上执行二维图像组合。
图7B说明扫描气体成像传感器系统的第二系统图。在此情况下图6B的，离散光检测器和光谱滤波器嵌合体(spectral filter mosaic；SFM)通过散焦镜头(L)形成单一多光谱像素，并且通过将其安装在微控制器(C2)控制的高精度平移倾斜单元(pan-tilt unit；PTU)顶上，沿两个方向横贯场景扫描这一传感器。由横贯所要且可能可变的视场的光栅扫描，产生二维图像。为了相比于直接以其自身的窄视野扫描这一传感器而获取的图像，产生更高分辨率图像，采用空间过采样结合超分辨率图像处理是有用的，其在文献中广泛地论述。举例来说，通过一对扫描镜或一对旋转棱镜，可以以紧凑配置实现二维扫描。也可以使用与成像传感器的物理运动(例如，朝着垂直于扫描反射镜运动方向的平移或旋转)组合的单一扫描镜实现二维成像，例如通过在移动平台上安装传感器(例如，卡车安装、机载、轨安装)或在桅杆安装配置中旋转传感器。
图7A和7B的每个成像传感器系统还可包括一或多个可见光彩色(RGB)或黑白相机、激光测距仪(laser range finder；LRF)以测量从传感器到检测到的泄漏的距离、全球定位系统(global positioning system；GPS)传感器以确定传感器位置(且间接确定泄漏位置)、惯性测量单元(inertial measurement unit；IMU)以感应包含重力方向的线性和旋转加速度、磁传感器(magnetic sensor；Mag)以充当指南针感应地球磁场，和/或气象传感器(weather sensor；Wx)以中继包含风速和风向的当地大气状态，其全部连同一或多个处理器(P1、P2)封装。为了光学地寄存可见图像与SWIR图像和所得气体吸收图像，如图7A中所示出，并入较佳为二向色的分束器(beam splitter；BS)，使得沿视线(line-of-sight；LOS)的入射光主要通过分束器传输0.4到0.7微米的可见波长，且主要反射1.0到2.6微米的SWIR波长。经反射SWIR光随后被扫描镜(SM)朝向SWIR镜头(L)反射，其将这一光聚焦到光谱滤波器组装体(F)后方的SWIR相机(SWIR)。替代地，如图7B中示出，在不存在分束器的情况下，使用已知SWIR、RGB和LRF传感器间隔，可使用所测量的距每个SWIR采样的距离以校正SWIR采样与其在可见RGB图像中对应的位置之间的视差偏移。
如图7A和7B中所展示，一个处理器(P1)与多光谱SWIR相机相关，且负责SWIR多光谱数据的实时或近实时处理以产生气体吸收图像。单独处理器(P2)具有路径以用于接受可见相机(RGB)图像，以及触发另一低带宽传感器(LRF、GPS、IMU、Mag)。这一处理器(P2)还以无线(或有线)方式与外部气象传感器(Wx)以及实施于触摸屏平板电脑上的图形用户界面(graphical user interface；GUI)通信。继而，平板电脑提供对以太网或数据云(Ethernetor data cloud；E/C)的无线接入，其继而可被远程个人计算机(personal computer；PC)存取。这一布置允许一或多个气体成像传感器系统的远程(PC)存取和控制。最后，如图7B中明确地示出，人造照明器(Lum)受微控制器(C2)控制，且在不存在足够的日光的情况下或对于室内位置被并入以允许气体成像。替代性实施方案是可能的，例如(但不限于)以下配置：
·显示器或控制器或整个用户界面物理地附接到成像装置上，
·显示器或控制器或整个用户界面物理地远离成像装置，
·用户接口以成像装置上或与其分离的物理旋钮、按钮、滑块、拨号盘、选择器或类似者实施
·用户接口以使用显示器的旋钮、按钮、滑块、拨号盘或类似者的数字化表示实施，其中这一显示器可以物理地附接到成像装置上或通过有线或无线方式连接
·上文所述的物理和数字化用户界面的组合
·处理器P1和P2组合为单一处理器，或其功能跨越多个处理器分配，
·低带宽传感器中之一些或全部被整合于(a)成像装置、(b)单独单元或(c)显示单元中，
·单组低带宽传感器中的一些或全部被连接到一个或几个处理器，其提供供多个成像传感器系统使用的数据。
所有传感器实施例的操作
上文所述的多种传感器实施例可以许多不同模式操作。在一个模式中，由处理器分析从传感器收集的数据，且将所述数据用于由处理器进行自动分析和决策(例如，由于超出气体检测的特定限制，触发告警信号或不同操作模式)而不需在显示器上实时或近实时显示。在另一模式中，可以在显示器上示出接收到的数据的图像(例如，用于操作人员监控)，然而，不执行类似于气体定量的实时分析。在第三模式中，显示图像，且执行自动气体定量，并且显著结果被自动存储或发送到远程位置。其它组合和操作模式同样是可能的，例如结合类似于距离和气象传感器的低带宽传感器的使用。
成像湍流气体喷流和吸收曲线
图8A和8B说明潜在的气体泄漏的两个替代性成像几何条件，示出为离开加压管中的孔且膨胀到周围大气中的气体喷流。在图8A中将日光提供的照明示出为直接透过气体喷流和周围大气朝向SWIR成像传感器传输，即，日光大致在传感器和气体泄漏前面。在图8B中，人造照明来自气体泄漏后方SWIR成像传感器附近，穿过气体喷流和周围大气，在背景材料反射且回到传感器，同时第二次穿过气体喷流和周围大气。这些成像几何条件的混合为，日光在气体泄漏之外的传感器前面，但首先从地面反射，随后向上透过气体朝向传感器。这些多种成像几何条件在三个方面不同；穿过气体喷流的次数(一比二)、透过待考虑周围大气的光程长度(LJ对2LR)，以及归因于背景反射率Rλ，光源Sλ光谱照明的改变。SWIR传感器的光谱响应将受太阳(或人造)SWIR照明、背景反射率、气体喷流吸收、周围大气吸收、光检测器阵列量子效率Qλ，以及滤波器透射率Fλ结合SWIR镜头的影响。
如图8中示出，气体喷流几何结构指示在压力下从有效直径Do孔加压的动量主导喷流。如果内管压力为外部大气压的大约两倍，那么喷流将在孔处呈现临界流动(又称为“扼流”)，其在此处刚刚达到当地声速。内压力和温度确定出口处气体的密度，且从而确定离开孔的气体的质量流。在出口孔之外，气体以绝热方式快速膨胀，且在复杂声波初始区在之外，气体相对于环境空气的所得滑流变得不稳定且转变成湍流。这一湍流横贯整个气体喷流，从侧面将空气夹带到喷流中，其导致气体稀释且喷流以可预测的恒定缩放自相似流动膨胀。由此离开孔的气体与经夹带空气共享初始动量，从而丢失初始动量，同时浮力在重力方向上作用以增加动量。在情况天然气下，因为甲烷在大气压下密度低于空气，所以浮力向上作用。归因于反向浮力，更重的烃将获得向下动量。管道定向和孔位置将影响喷流相对于重力的角度，且侧风的存在将导致喷流随风弯曲。这一湍流气体喷流的自相似结构、其沿喷流轴线和截面曲线的变化是众所周知的。对于较薄裂缝，与大致圆形孔相反，同样存在湍流喷流的自相似解。并且，在出口流动为子声波的低压力下喷流将快速变为漂浮羽流，其同样产生湍流且呈现自相似结构。因为喷流几何结构、气体浓度和气体密度的变化都将影响穿过喷流的SWIR照明的吸收，所以可以从不同视点使用气体喷流吸收图像，以探测孔的几何结构，且确定其近似形状和大小。通过合并这一信息与管道内压力(假设从读取附近压力表或对管道网络的了解已知)，有可能估计离开孔的质量流。因此，本发明依据以喷流存在的气体和离开孔的质量流，连同孔形状和大小的估计，提供气体泄漏图像以及定量。
图9A说明以1300psig(磅/平方英寸-psi“表压”，即，相对于大约14.5psi的外部大气压)离开1mm直径圆形孔的甲烷气体喷流的吸收图像。根据右侧示出的像素水平差分光学深度标度，对吸收图像着色。这对应于图3A的功能性原型中使用的滤波器的核心波段相对于翼波段的吸收程度。这一像素水平差分光学深度沿对应于每个像素的光源与光检测器之间的每个光锥与甲烷分子的数目成正比；这就是所谓的气体像素柱密度。喷流的湍流结构在喷流图像顶部附近显而易见。从吸收图像可以清楚，喷流直径沿喷流轴线线性地增长，其符合湍流喷流的理论自相似解。在这一图像中，背景差分光学深度的噪声水平确定喷流边界，并且因此限制可见直径。
图9B示出喷流吸收图像的截面曲线。曲线图标绘差分光学深度与横贯对应于图9A中标记为a、b、c的水平线的512像素行的像素数的关系。从这些标绘图中显而易见，这些吸收曲线的直径沿喷流轴线增加，且湍流贯穿喷流产生吸收方面的波动。这些标绘图的一般形状完全符合透过圆形喷流截面的路径长度以及高斯形状的径向浓度曲线。在这一平滑理论曲线上叠加归因于湍流的浓度波动。
如果成像视线垂直于喷流轴线，那么每个曲线上的最大吸收应出现在喷流轴线上，因为这是透过喷流的路径长度最大且气体浓度最大的位置。基于湍流圆形喷流的自相似解，轴线上的气体浓度将线性地随喷流膨胀沿喷流减小，而直径沿轴线线性地增加，并且因此轴向气体浓度与直径的乘积将保持为恒定，表明沿喷流轴线的柱密度将保持为恒定。然而，归因于湍流波动，这些曲线随时间改变，并且因此各像素值波动。为了处理这些湍流波动，推荐使用横贯喷流的量的空间平均值，且随后计算喷流片段的总体吸收，因为其归因于那一片段中的气体总质量，且对遍及片段的质量精确分布不敏感。沿穿过喷流的连续截面的每行像素对应于恒定厚度片段，且由于喷流直径线性地随轴向距离改变，从而片段体积随轴向距离的平方增加。但因为气体浓度在自相似圆形喷流中线性地随轴向距离稀释，所以预期恒定厚度片段中的气体质量随沿着喷流的轴向距离线性地增加。即，喷流片前面的气体相比于喷流片后面的气体流动得较慢，导致质量在恒定厚度的片段之间积聚。并且，因为片段中气体的质量线性地沿喷流轴线增加，所以归因于那一质量，吸收也将如此增加。因此，横贯喷流图像每个截面的积分差分光学深度将沿喷流线性地增加。类似地，吸收图像中的喷流宽度将沿喷流线性地增加，其中通过背景图像中的噪声确定喷流边界。整合横贯喷流截面的吸收可以抚平湍流波动对喷流中气体浓度的影响。
图10A和10B分别沿图9A中的喷流图像轴向距离(近似为图像行号)标绘自动提取的喷流宽度和对应积分差分光学深度(积分dOD)。显而易见地，两个量遵循明确的线性倾向，并且因此最小二乘回归线拟合于每个量。形成积分差分光学深度与喷流宽度的比率产生沿喷流每个轴向位置处的平均差分光学深度(平均dOD)值。在图10C中标绘这一比率，最小二乘回归线拟合这一比率(从远离孔开始，以排除孔紧接外部的复杂声波区域)。从图10C显而易见，回归线的斜率极小，且回归线的截距则对应于外推回到有效孔的平均差分光学深度，气体在压力下从所述孔泄漏。
图11标绘沿从1cm长的窄(50微米)缝隙孔发出的天然气喷流的轴线的积分差分光学深度(积分dOD)，意图模拟处于60psig的加压线路的裂缝(而非孔)。如在图11中的最小二乘回归拟合显而易见，按照与上述相同的推理，但对于平面湍流喷流(而不是圆形湍流喷流)，发现积分dOD应随沿轴线距离的平方根缩放。并且，因为横贯平面喷流的积分dOD独立于缝隙相对于传感器视线的定向，所以可以使用这一平方根对线性的特征区别从裂缝或孔发出的气体泄漏。
横贯一系列压力和孔大小的吸收和质量流
已进行实验来成像在一系列压力(50到1400psig)下从圆形喷孔(0.75mm和1.0mm直径)离开的甲烷气体的释放。从图像自动提取气体喷流边界，并且计算沿喷流轴线的平均差分光学深度(平均dOD)。将最小二乘回归线拟合到这一数据确定这一回归线的截距，其指示有效孔处的甲烷的吸收程度。图12A标绘这一平均dOD截距(由孔直径缩放)针对内压力P(以巴为单位，其中1巴＝14.5psi，海平面大气压)的值。数据点与压力的幂律特征相符合，对此在曲线上示出缩放常数和指数值。这是预料之中的，因为有效出口孔处的甲烷气体的吸收(从喷流线性边界回推)将与有效孔直径与局部气体密度的乘积成比例，而通过使用甲烷热容比的绝热状态方程，气体密度与压力的幂律成比例。进一步实验将确定这种特定幂律关系横贯一系列孔直径和(大致圆形)形状的一般效用。
图12B标绘对于使用不同大小的圆形和槽孔的许多实验，测量的每孔面积甲烷质量流(克/秒计，除以孔面积)与内压力的关系。明显地，它们遵循预期的线性关系，具有由数据确定的斜率。流出孔的质量流与孔面积与管道中甲烷气体密度(其与管道中压力成比例)的乘积成比例。因此，虽然平均dOD截距曲线与圆形孔有效直径成线性比例(如图12A暗示)，但质量流与圆形孔有效直径的平方成比例(如图12B暗示)。因此，这些综合起来的关系用于直接从来自在已知内压力下从孔泄漏的气体喷流观察到的吸收图像，估计孔大小和气体质量流。因此，即使泄漏孔自身在图像中不可见，也可以直接从气体喷流吸收图像估计泄漏孔的大小。并且这直接导致泄漏速率或质量流估计。类似关系适用于从窄裂缝泄漏的平面气体喷流。
图13A示出用于成像和估计在最高1000psig的一系列内部压力下从各种尺寸的较小圆形喷孔离开的甲烷质量流的测试设置。在变化的侧风下，在自然日光下在室外进行实验。图13B绘制使用图13A的设置获取的数据，示出在存在侧风(低＝0到5千米每小时，中＝5到10千米每小时，高>10千米每小时)的情况下，直接从气体吸收图像估计的质量流与流入气体释放分流管的测量质量之间的强烈相关度。这验证了对于加压线路中的孔，用于从吸收图像估计气体泄漏速率的方法。
随后，使用甲烷或天然气作为特定实例，描述泄漏泄漏的吸收成像和定量的数学公式。
定义SWIR光谱波段
通过至少两个滤波器采集光谱图像，在覆盖2350nm甲烷特征复合物的波长区域上透射率超过约5％。一个滤波器为窄(带宽大约为200nm)，中心为约2350nm；将其称为具有透射率FC(λ)和积分透射率FC的核心滤波器。另一滤波器为宽(带宽大约为400nm)，在大约2100到2500nm之间传输；将其称为具有透射率FS(λ)和积分透射率FS的环绕滤波器。
从环绕滤波器移除重叠的核心波段光谱透射率，以成像甲烷光谱翼波段中的强度。替代地，使用两个以核心波段任一侧上的波段传输的单独滤波器，并且将它们合并为翼波段滤波器。或使用单一宽带滤波器，其跨越核心波段的两侧，在核心波段区域具有低透射陷波。建议使用具有大约相等传输带宽乘积的核心波段和翼波段滤波器来平衡两个光谱波段中信号的动态范围。
将环绕滤波器的核心积分透射率定义为FSC，核心滤波器透射率定义为FC，核心和环绕的通带中的成像强度定义为IC和IS，那么如下获取翼波段中的强度IW
校正周围环境中的传感器
将核心波段中的光学深度定义为τ(a) C，翼τ(a) W波段中的光学深度定义为，其分别为对应吸收率与贯穿环境的路径长度(横贯波长波段的逼近积分)的乘积。注释上标(a)以暗示周围大气，并且使用全文和图8B中示出的符号，以下给出两个波段中的强度：
I(a) C＝SC(r)QCFCRCexp-[τ(a) C] (方程2a)
I(a) W＝SW(c)QWFWRWexp-[τ(a) W] (方程2b)
接下来形成这些光谱强度的比率，并且应注意，光谱照明光源函数比率SC/SW独立于距离，且只是波长的函数。
随后将跨信道核心对翼增益GCW定义为方程3a中加括号的项的比率，大气压差分吸收定义为δa(a)系数，从传感器到反射器板的路径长度定义为LR。那么核心对翼强度的比率为
为了适应性地校准周围大气中的传感器，首先测量以两个或超过两个距离从反射器板反弹的SWIR照明、计算图像平均强度，并且形成它们的比率对数，以求解未知数δa(a)GCW和(如果使用超过两个距离，通过最小二乘法求解两个未知数)。增益GCW的结果值并入有校准面板的核心对翼反射率的比率。当传感器足够接近潜在的泄漏位点时，不需要考虑周围大气的吸收，因此可以放弃测量来自测量距离处的校准板的反射光，且替代地对这种板采用零距离值。甲烷感应的实用应用提出，对于普通大气条件，5到15米距离为足够近，然而，在有雾状态下，所述处理可能需要甚至5米以下距离，以补偿大气吸收。
随后，使用场景中反射材料(即，背景材料)重新缩放增益GCW。使用场景中反射材料(混凝土、木头、沥青、泥土、草等)的一对核心和翼波段图像，连同方程3b，以确定每个反射材料的自适应增益GCW。还可能对于各种背景材料产生这些增益值的库，并且使用户从选单选定合适增益值，或使得传感器系统自动选定在实行泄漏检查时使用的合适增益值。对于贯穿气体的日光直接透射，如图8A中那样，通过使用方程3b，简单地朝着没有背景的方向成像，且忽略大气吸收，获取新增益值。
成像可能的气体泄漏(检测模式)
为检查可能的气体泄漏，在感兴趣方向上成像。使用图8b代表气体泄漏程度(喷流宽度)的符号DJ，测量到背景中的反射表面(反射器板或场景中反射器)的距离LR。
假设τ(g+a)为周围环境中，从传感器到LR处的反射器，再回到传感器的组合气体喷流的光学深度。随后，核心和翼波段中的强度由下式指定
I(g) C＝SC(r)QCFCRCexp-[τ(g+a) C] (方程4a)
I(g) W＝SW(r)QWFWRWexp-[τ(g+a) W] (方程4b)
形成方程(4)的核心对翼波段比率，代替跨信道增益GCW表达(适合于背景表面反射器)，定义甲烷或天然气的差分光谱吸收δa(g)系数，并且重排项(上标“(g)”意味着气体可能存在)，
将那一环境大气环境下的气体喷流(经过稀释的甲烷或天然气)过量差分光谱吸收率定义为
因此，从经由方程式(5)和(6)测得的光谱强度和校准参数，以下式获得归因于气体喷流的差分光学深度(dOD)图像
在相比于气体泄漏，大气吸收可忽略(例如，成像足够接近潜在泄漏)的情况下，可通过将LR设置为零，消除右侧第二项，由此
方程(7b)中的系数1/2来自归因于来自传感器附近或后方的入射光偏离背景表面且回到传感器的反射，透过气体的双重路径长度。在单遍透射(例如，气体泄漏前方的日光，直接透过气体传递到传感器)的情况下，直接舍弃这一系数。
估计喷流质量、孔大小和甲烷质量通量
根据检测到喷流(或羽流或云)的差分光学深度(dOD)图像，计算横贯其轴线的喷流曲线的平均dOD，且依据下式沿轴线求和，以获取可见喷流的总体光学深度
通过核心和翼波段中的吸收截面σC和σW将dOD与甲烷分子柱密度相关联(参见图2B)，获取甲烷分子总数，并且乘以甲烷分子质量mCH4，以经由以下表达式获取可见喷流(或羽流或云)中的甲烷气体总质量
从检测到的喷流的差分光学深度(dOD)图像，通过沿上文所解释且在图10C中示出的喷流轴线进行线性回归，推导平均dOD截距，并且与幂律方程形式合并(参见图12A)
求解(近似圆形)孔直径Do并代替从如图12A中所展示出的实验数据获得的比例因子和指数，
使用这一孔直径Do，使用图12B中示出的线性回归公式，所述孔流量公式估计甲烷质量流率，
这一质量流估计对于大于大约1.8巴(26psi)的内部压力P有效，使得在泄漏孔处出现扼流，伴随流出速度处于当地声速以及气体绝热膨胀。方程式(8)到(11)中物理量的单位是：光学深度截距无量纲，直径D0为毫米，压力P为psig，甲烷质量通量Qm为克/分钟。
平稳风下的表面排放质量通量
为了在浮力和地平面风条件下估计表面排放质量通量，我们考虑图14A中示出的成像几何结构，其俯视检测到气体的地面区域，与图4C中示出的实例相似。使用图14B中示出的表示法分析每个发射表面斑片，且通过求和独立斑片排放，获取总表面排放通量。
如图14B中所说明，根据定义，表面斑片被隔离，被周围清洁空气包围，伴随假设为方向和速度V稳定的风(下文考虑阵风情况)。气体从地面出现，扩散到上方空气中，且归因于浮力升高(甲烷)或下降/滞留(对于更重的烃)。当风继续分散和上升时，其顺风地对流气体(这通常是从地下管道泄漏的天然气的情况)。通过光谱成像估计与表面斑片相关的甲烷质量，其提供整个斑片上的甲烷的差分光谱光学深度。与用于气体喷流的方程8相似地对整个斑片之上的像素求和，且如方程9中一样转化为斑片之上的甲烷质量。
测量近地面/表面水平的风速V和方向，且假设其代表出射表面斑片处的风。同样测量传感器到地表斑片的距离，以便将斑片像素尺寸转换为线性尺寸。稳定风V(厘米/秒)将甲烷吹过斑片且离开，其从地面扩散到斑片上方的空气中，并且建立平衡，其中地表排放质量通量Qm(克/秒)由穿过斑片顺风边界的风吹质量平衡。表面斑片上方的甲烷层具有特征厚度D和浓度c，其产生每个像素处测得的差分光学深度dOD。通过调整光学深度阈值为噪声底限上方的低水平，限定的发射斑片空间范围。如图14B中所说明，在那一斑片周围构建边界矩形，使得矩形的一个轴线对准风向。使用测得的到斑片距离，将这一边界矩形的像素尺寸转换为线性尺寸L和W。横贯斑片顺风边界的体积通量(立方厘米/秒)等效于横贯矩形侧面W的体积通量DWV。甲烷质量通量Qm(克/秒)是从空气中甲烷浓度、甲烷密度，和横贯顺风边界体积通量的乘积获得；
依据差分光谱光学深度dOD表达获取稳定风中斑片的甲烷质量通量估计：
因为图14A中示出的成像几何结构提出可能的倾斜感应，其以相对于垂直的角度透过地面上方的气体层，所以测得的差分光学深度应缩放余弦以相关于由D表示的层的物理厚度。相同的倾斜成像几何结构导致图像中的下行方向上的地面缩短。可以通过使用传感器相对于地面平面的已知倾斜，投影全部传感器数据和图像到地面平面(通常在正交矫正图像时实现)，校正测得的光学深度和表面斑片尺寸，如同从正上方查看表面斑片一样。
阵风下的地表排放质量通量
与稳定风公式相似，气体从地面扩散到表面斑片上方的空气中，并且在风将其吹走时形成气体层。然而，当阵风出现时，风快速吹离整个甲烷层。在阵风中，甲烷层在构建自身(在速度V稳定风下)与被突然阵风快速毁坏之间交替。这允许随时间推移观察到甲烷层堆积。斑片上方甲烷质量堆积为表面排放质量通量Qm减去归因于方程12B中的稳定风V的质量通量，
然而，由于下式，通过成像随时间变化的斑片上差分光学深度，直接观测甲烷聚积是可能的
此处Ap是阵风之前观察到的斑片面积，D是斑片上方甲烷层的变动厚度，且c是在直到下一个阵风为止，随着层增长，甲烷增加的浓度。等化表达式方程13a和方程13b，通过观测甲烷层在稳定风状态下重新建立的随时间变化的差分光学深度，从阵风中的地表斑片获取甲烷质量通量Qm(克/时间)的估计；
结论、衍生物和范围
上文所描述的实施例由用于成像、检测和定位甲烷和其它烃气的多光谱SWIR传感器，以及估计泄漏速率或质量通量的方法构成。已描述传感器系统的多个实施例以允许成像气体泄漏，并且已公开多个方法以用于估计来自加压线路的孔，以及来自归因于地下气体管道泄漏的表面斑片排放的甲烷质量通量。贯穿各种状态的实例图像和泄漏速率估计说明传感器和方法的可行性。
总结本发明对比现存替代性气体成像技术的优势，我们注意使用自然日光成像和定量气体泄漏，而不需要气体与背景之间的任何热对比度的能力、在水蒸气和雾存在的情况下成像和定量甲烷的能力，以及定量泄漏速率和表面排放通量以便评定泄漏强度和优先化修复的能力。这些能力在气体安全、气体泄漏检查和温室气体排放监控中有所应用。
虽然以上描述包含很多专一性，但是这不应被理解为范围的局限性，而是其若干实施例的范例。许多其它变化是可能的。举例来说，除上文引用和详细论述的那些以外，通过在SWIR中选择合适的光谱滤波器，本发明可用于检测和量化其它气体、液体、乳化液、粉末和固体。因此，可选择多个光谱滤波器以检测氨气，其具有可燃性和有毒性。同样，可以检测和定量肥料，以及土壤湿度和一般植物健康，由此其它实施例可以良好适合于农业评定。又其它实施例可被建构为良好适合于对自制爆炸物制造中使用的硝酸铵和其变体的检测。此外，对于气体泄漏速率定量而开发的方法可用于以除SWIR波段以外的其它光谱波段检测气体和其它物质。因此，不应由说明的实施例，而是由所附权利要求书和法定等效物确定范围。

Claims (28)

1.一种检测烃化合物的成像装置，其包括：
a.光检测器的一或多个一维阵列，其对波长范围大约为1.0到2.6微米的光有明显的响应，每个所述一维阵列具有关联的电子读出电路，
b.与光检测器的所述一维阵列相关的至少两个光谱滤波器，使得所述光谱滤波器中的至少一个明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光，且使得所述光谱滤波器中的至少另一个明显地透射具有不被所关注的所述烃化合物的所述光谱特征复合物跨越的波长的光，
c.机械装置，其选自由以下组成的组：固定框架、滑动框架、旋转框架、摆动叶片和旋转轮，使得所述滤波器可安置于第一位置和第二位置中，在所述第一位置处，光在照射光检测器的所述一维阵列中的任一个之前穿过所述第一滤波器，在所述第二位置处，光在照射光检测器的所述一维阵列中的任一个之前穿过所述第二滤波器，并且所述机械装置能够在所述第一位置与所述第二位置之间移动所述滤波器，
d.光学元件，其选自由以下组成的组：透镜、曲面镜、衍射表面，以及所述元件的组合，以便聚集和聚焦入射照明，使得至少处于大约1.0到2.6微米的波长范围中的光指向光检测器的所述一维阵列，以便首先穿过位于所述一维光检测器阵列前面的所述光谱滤波器，
e.光学机械扫描装置，其选自由以下组成的组：谐振振荡镜、检流计驱动镜、旋转多面镜，以及电动微镜阵列，以相对于所述一维光检测器阵列一次扫描视野的一个部分，
f.至少一个电子电路，其用于控制所述光检测器阵列的积分时间，并且将所述光检测器阵列产生的信号转换成放大和数字化的信号，
g.至少一个电子电路，其用于将所述光学机械扫描装置、用于将所述滤波器安置在相对于所述光检测器阵列的所述位置的所述机械装置以及用于读出和转换所述光检测器阵列产生的所述信号的所述电子电路同步以便产生二维数字化多光谱图像，
h.处理器，其经耦合以接收所述多光谱图像和代表到反射校准目标的距离的值，以便相对于与所关注的所述烃化合物的所述光谱特征复合物相关的所述光谱波段的图像，校准每个所述光谱波段的所述图像，其中，这种处理确定校准参数，所述校准参数由所述光谱波段之间的所关注的图像像素的暗水平偏移和相对增益，以及在周围环境条件下表征当地大气压的每个所述光谱波段的相对吸收系数组成，
i.处理器，其耦合到所述多光谱图像，结合所述校准参数产生横贯光谱波段的适于场景内反射器的自适应相对增益，以及差分光学深度吸收图像，以便采用横贯所述多个光谱波段的比尔-朗伯吸收定律，确定在所述视野中可能存在所关注的所述烃化合物，
j.电子电路系统，其用于控制以下各项的操作：所述光检测器阵列、用于将所述滤波器安置在相对于所述光检测器阵列的所述位置的所述机械装置、所述光学机械扫描装置、用于校准所述多光谱图像的所述处理器，以及用于产生所述吸收图像的所述处理器。
2.根据权利要求1所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，考虑到所述核心波段和包含所述核心波段的宽带环绕滤波器的相对透射特性并通过从所述环绕滤波器测量值中减去所述核心波段滤波器测量值来从所述环绕滤波器产生所述翼波段滤波器。
3.根据权利要求1所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，所述翼波段滤波器是从具有跨越所述核心波段滤波器的波长的低透射陷波的宽带滤波器产生。
4.根据权利要求1所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，所述翼波段滤波器是由明显地透射波长比所述核心波段滤波器所明显透射的波长更短和更长的光的一或多个滤波器产生。
5.根据权利要求1所述的成像装置，其结合处理器，所述处理器经耦合以接收所述吸收图像，以及产生所检测的被成像烃化合物的物体的内压力值，以便估计选自由以下组成的组的至少一个量：所述所关注的烃的所述多光谱图像中的总吸收、所述所关注的烃的所述吸收图像中可见的总质量、泄漏所述所关注的烃的大致圆形孔的直径，以及所述所关注的烃的质量流率，所述估计通过选自由以下组成的组的至少一个方法进行：沿通过所述成像的烃气喷流的直径加权的所述平均差分光学吸收的所述烃气喷流的所述吸收图像的所述轴线的求和、通过所述烃气分子的质量加权的所述差分光谱吸收截面的所述烃气喷流的总差分光学吸收的定标、沿所述烃气喷流外推回到所述烃气喷流的顶点的所述平均差分光学深度与和所述泄漏孔的直径或面积相关的所述内压力之间的关系，以及离开具有已知面积的所述泄漏孔的所述烃气的所述质量流量与所述内压力的关系。
6.根据权利要求1所述的成像装置，其结合处理器，所述处理器经耦合以从地面斑片接收所述吸收图像，以及近地平面风速和方向的值，以便通过选自由以下组成的组的至少一个方法估计所述所关注的烃的表面排放质量通量：所述质量通量与横贯所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片成像的所述平均差分光学深度之间的关系；所述质量通量与沿通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片的顺风边缘成像的所述差分光学深度之间的关系；以及所述质量通量与结合跨越通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片成像的所述平均差分光学深度推断的所述吸收图像的通过所述表面斑片的面积加权的所述平均差分光学深度的变化率之间的关系。
7.根据权利要求1所述的成像装置，其结合可见光相机，使得所述成像装置具有大致平行的视线，且共用主要重叠视野，借此所述所关注的烃的所述吸收图像被叠加在所述可见光图像上，从而提供检测到可能存在的烃泄漏的场景的空间情形。
8.根据权利要求1所述的成像装置，其结合以下辅助传感器中的任一个：用于确定所述装置在地球上的位置坐标的全球定位传感器；用于确定所述装置的线性或旋转加速度分量的惯性测量单元；用于确定所述装置相对于地球磁场的定向的磁力计；用于确定所述装置到场景中的反射表面的距离的测距仪；用于确定接近所述装置的当地环境状况的以及气象测量单元。
9.根据权利要求1所述的成像装置，其结合能够以选自由以下组成的组的方式作用于数据的电子电路：存储、保存和发射所述多光谱图像、所述吸收图像；以及与选自由以下组成的组的所述图像数据相关联：在权利要求5和权利要求6中叙述的所述估计量、在权利要求7中叙述的所述可见光相机，以及在权利要求8中叙述的所述传感器。
10.一种检测烃化合物的成像装置，其包括：
a.光检测器的二维阵列，其对波长范围大约为1.0到2.6微米的光有明显的响应，具有关联的电子读出电路系统，
b.光谱滤波器阵列，其组织为形成二维表面的一组条纹，其大致覆盖所述光检测器阵列的延伸区域，其中每个条带使得其长尺寸定向为横贯所述光检测器阵列的一个尺寸，且每个条带的所述短尺寸跨越所述光检测器阵列的一或多个检测器，使得所述光谱滤波器条纹中的至少一个明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光，且使得所述光谱滤波器条纹中的至少另一个明显地透射具有不被所述所关注的烃化合物的所述光谱特征复合物跨越的波长的光，
c.机械框架，其用于将所述光谱滤波器阵列固定在所述光检测器阵列前面，使得光在照射所述光检测器阵列之前穿过所述光谱滤波器阵列，
d.光学元件，其选自由以下组成的组：透镜、曲面镜、衍射表面，以及所述元件的组合，以便聚集和聚焦入射照明，使得至少处于大约1.0到2.6微米的波长范围中的光指向所述光检测器阵列，以便首先穿过位于所述一维光检测器阵列前面的所述光谱滤波器，
e.光学机械扫描装置，其选自由以下组成的组：谐振振荡镜、检流计驱动镜、旋转多面镜，以及电动微镜阵列，以朝着垂直于所述滤波器阵列条纹的所述定向的方向进行扫描，从而建立待由所述光检测器阵列成像的二维视野，
f.至少一个电子电路，其用于控制所述光检测器阵列的积分时间，并且将所述光检测器阵列产生的信号转换成放大和数字化的信号，
g.至少一个电子电路，其用于将所述光学机械扫描装置以及用于读出和转换所述光检测器阵列产生的所述信号的所述电子电路同步以便产生二维数字化多光谱图像，
h.处理器，其经耦合以接收所述多光谱图像和代表到反射校准目标的距离的值，以便相对于与所关注的所述烃化合物的所述光谱特征复合物相关的所述光谱波段的图像，校准每个光谱波段的所述图像，其中，这种处理确定校准参数，所述校准参数由所述光谱波段之间的所关注的图像像素的暗水平偏移和相对增益，以及在周围环境条件下表征当地大气压的每个光谱波段的相对吸收系数组成，
i.处理器，其耦合到所述多光谱图像，结合所述校准参数以产生横贯光谱波段的适于场景内反射器的自适应相对增益，以及差分光学深度吸收图像，以便采用横贯所述多个光谱波段的比尔-朗伯吸收定律，确定在所述视野中可能存在所关注的所述烃化合物，
j.电子电路系统，其用于控制以下各项的操作：所述光检测器阵列、所述光学机械扫描装置、用于校准所述多光谱图像的所述处理器，以及用于产生所述吸收图像的所述处理器。
11.根据权利要求10所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光，以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，考虑到所述核心波段和包含所述核心波段的宽带环绕滤波器的相对透射特性并通过从所述环绕滤波器测量值中减去所述核心波段滤波器测量值来从所述环绕滤波器产生所述翼波段滤波器。
12.根据权利要求10所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，所述翼波段滤波器是由具有跨越所述核心波段滤波器的波长的低透射陷波的宽带滤波器产生。
13.根据权利要求10所述的成像装置，其中所述光谱滤波器包含核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，所述翼波段滤波器是由明显地透射波长比所述核心波段滤波器所明显透射的波长更短和更长的光的一或多个滤波器产生。
14.根据权利要求10所述的成像装置，其结合处理器，所述处理器经耦合以接收所述吸收图像，以及产生所检测的被成像烃化合物的物体的内压力值，以便估计选自由以下组成的组的至少一个量：所述所关注的烃的所述多光谱图像中的总吸收、所述所关注的烃的所述吸收图像中可见的总质量、泄漏所述所关注的烃的大致圆形孔的所述直径，以及所述所关注的烃的所述质量流率，所述估计通过选自由以下组成的组的至少一个方法进行：沿通过所述成像的烃气喷流的直径加权的所述平均差分光学吸收的所述烃气喷流的所述吸收图像的轴线的求和、通过所述烃气分子的质量加权的所述差分光谱吸收截面的所述烃气喷流的总差分光学吸收的定标、沿所述烃气喷流外推回到所述烃气喷流的顶点的所述平均差分光学深度与和所述泄漏孔的直径或面积相关的所述内压力之间的关系，以及离开具有已知面积的所述泄漏孔的所述烃气的所述质量流量与所述内压力的关系。
15.根据权利要求10所述的成像装置，其结合处理器，所述处理器经耦合以从地面斑片接收所述吸收图像，以及近地平面风速和方向的值，以便通过选自由以下组成的组的至少一个方法估计所述所关注的烃的表面排放质量通量：所述质量通量与跨越通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片成像的所述平均差分光学深度之间的关系、所述质量通量与沿通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片的顺风边缘成像的所述差分光学深度之间的关系，以及所述质量通量与结合跨越通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片成像的所述平均差分光学深度推断的所述吸收图像的通过所述表面斑片的面积加权的所述平均差分光学深度的变化率之间的关系。
16.根据权利要求10所述的成像装置，其结合可见光相机，使得所述成像装置具有大致平行的视线，且共用主要重叠视野，借此所述所关注的烃的所述吸收图像被叠加在所述可见光图像上，从而提供检测到可能存在的烃泄漏的场景的空间情形。
17.根据权利要求10所述的成像装置，其结合以下辅助传感器中的任一个：用于确定所述装置在地球上的位置坐标的全球定位传感器；用于确定所述装置的线性或旋转加速度分量的惯性测量单元；用于确定所述装置相对于地球磁场的定向的磁力计；用于确定所述装置到场景中的反射表面的距离的测距仪；用于确定接近所述装置的当地环境状况的以及气象测量单元。
18.根据权利要求10所述的成像装置，其结合能够以选自由以下组成的组的方式作用于数据的电子电路：存储、保存和发射所述多光谱图像、所述吸收图像；以及与选自由以下组成的组的所述图像数据相关联：在权利要求14和权利要求15中叙述的所述估计量、在权利要求16中叙述的所述可见光相机，以及在权利要求17中叙述的所述传感器。
19.一种检测烃化合物的成像装置，其包括：
a.至少两个离散光检测器的阵列，其各自对波长范围大约为1.0到2.6微米的光作出响应，各自具有关联的电子读出电路，
b.光谱滤波器嵌合体，其组织为一组滤波器岛，其大致覆盖所述离散光检测器阵列的延伸区域，其中每个所述滤波器岛仅覆盖一个离散光检测器，使得所述滤波器岛中的至少一个明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光，且使得所述光谱滤波器岛的至少另一个明显地透射具有不被所述所关注的烃化合物的所述扩展光谱特征复合物跨越的波长的光，
c.机械框架，其用于将所述光谱滤波器嵌合体固定在所述离散光检测器阵列前面，使得光在照射所述离散光检测器阵列之前穿过所述光谱滤波器阵列，
d.光学元件，其选自由以下组成的组：透镜、曲面镜、衍射表面，以及所述元件的组合，以便聚集和聚焦入射照明，使得至少处于大约1.0到2.6微米的波长范围中的光指向所述离散光检测器阵列，以便首先穿过位于所述离散光检测器阵列前面的所述光谱滤波器，
e.机械扫描装置，其选自由以下组成的组：谐振振荡镜、检流计驱动镜、旋转多面镜、电动微镜阵列，以及双轴平移倾斜单元，以沿两个垂直方向进行扫描，从而建立待由所述离散光检测器阵列成像的光学视场，
f.至少一个电子电路，其用于控制所述离散光检测器阵列的积分时间，并且将所述离散光检测器阵列产生的信号转换成放大和数字化的信号，
g.至少一个电子电路，其用于将所述机械扫描装置以及用于读出和转换所述离散光检测器阵列产生的所述信号的所述电子构件同步以便产生多个光谱波段的一系列二维数字化图像，
h.处理器，其经耦合以接收所述多光谱图像和代表到反射校准目标的距离的值，以便相对于与所关注的所述烃化合物的所述光谱特征复合物相关的所述光谱波段的图像，校准每个光谱波段的所述图像，其中，这种处理确定校准参数，所述校准参数由所述光谱波段之间的所关注的图像像素的暗水平偏移和相对增益，以及在周围环境条件下表征当地大气压的每个光谱波段的相对吸收系数组成，
i.处理器，其耦合到所述多光谱图像，结合所述校准参数以产生横贯光谱波段的适于场景内反射器的自适应相对增益，以及差分光学深度吸收图像，以便采用横贯所述多个光谱波段的比尔-朗伯吸收定律，确定在所述视场中可能存在所关注的所述烃化合物，
j.电子电路系统，其用于控制以下各项的操作：所述离散光检测器、所述机械扫描装置、用于校准所述多光谱图像的所述处理器，以及用于产生所述吸收图像的所述处理器。
20.根据权利要求19所述的成像装置，其中所述光谱滤波器岛包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，考虑到所述核心波段和包含所述核心波段的宽带环绕滤波器的相对透射特性并通过从所述环绕滤波器测量值中减去所述核心波段滤波器测量值来从所述环绕滤波器产生所述翼波段滤波器。
21.根据权利要求19所述的成像装置，其中所述光谱滤波器岛包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，其明显地透射波长比所述核心滤波器更短和更长的光，所述翼波段滤波器是由具有跨越所述核心波段滤波器波长的低透射陷波的宽带滤波器产生。
22.根据权利要求19所述的成像装置，其中所述光谱滤波器岛包含：核心波段滤波器，其明显地透射具有被所关注的烃化合物的扩展光谱特征复合物跨越的波长的光；以及翼波段滤波器，所述翼波段滤波器是由明显地透射波长比所述核心波段滤波器所明显透射的波长更短和更长的光的一或多个滤波器产生。
23.根据权利要求19所述的成像装置，其结合处理器，所述处理器经耦合以接收所述吸收图像，以及产生所检测的被成像烃化合物的物体的内压力值，以便估计选自由以下组成的组的至少一个量：所述所关注的烃的所述多光谱图像中的总吸收、所述所关注的烃的所述吸收图像中可见的总质量、泄漏所述所关注的烃的大致圆形孔的直径，所述估计通过选自由以下组成的组的至少一个方法进行：沿通过所述成像的烃气喷流的直径加权的所述平均差分光学吸收的所述烃气喷流的所述吸收图像的轴线的求和、通过所述烃气分子的质量加权的所述差分光谱吸收截面的所述烃气喷流的总差分光学吸收的定标、沿所述烃气喷流外推回到所述烃气喷流的顶点的所述平均差分光学深度与和所述泄漏孔的直径或面积相关的所述内压力之间的关系，以及离开具有已知面积的所述泄漏孔的所述烃气的所述质量流量与所述内压力的关系。
24.根据权利要求19所述的成像装置，其结合处理器，所述处理器经耦合以从地面斑片接收所述吸收图像，以及近地平面风速和方向的值，以便通过选自由以下组成的组的至少一个方法估计所述所关注的烃的表面排放质量通量：所述质量通量与跨越通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片成像的所述平均差分光学深度之间的关系、所述质量通量与沿通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片的顺风边缘成像的所述差分光学深度之间的关系，以及所述质量通量与结合跨越通过所述风速和所述表面斑片沿垂直于所述风向的方向的延伸区域加权的所述表面斑片成像的所述平均差分光学深度推断的所述吸收图像的通过所述表面斑片的面积加权的所述平均差分光学深度的变化率之间的关系。
25.根据权利要求19所述的成像装置，其结合可见光相机，使得所述成像装置具有大致平行的视线，且共用重叠视野，借此所述所关注的烃的所述吸收图像被叠加在所述可见光图像上，从而提供检测到可能存在的烃泄漏的场景的空间情形。
26.根据权利要求19所述的成像装置，其结合以下辅助传感器中的任一个：用于确定所述装置在地球上的位置坐标的全球定位传感器；用于确定所述装置的线性或旋转加速度分量的惯性测量单元；用于确定所述装置相对于地球磁场的定向的磁力计；用于确定所述装置到场景中的反射表面的距离的测距仪；用于确定接近所述装置的当地环境状况的以及气象测量单元。
27.根据权利要求19所述的成像装置，其结合能够以选自由以下组成的组的方式作用于数据的电子电路：存储、保存和发射所述多光谱图像、所述吸收图像；以及与选自由以下组成的组的所述图像数据相关联：在权利要求23和权利要求24中叙述的所述估计量、在权利要求25中叙述的所述可见光相机，以及在权利要求26中叙述的所述传感器。
28.一种用于表征烃气喷流从物体的泄漏孔中泄漏的质量流量的方法：
a.大约已知所述物体的内压力，
b.利用对两个或超过两个光谱波段敏感的多光谱成像传感器获得所述烃气喷流从所述物体泄漏的的差分吸收图像，在所述两个或超过两个光谱波段中，所述光谱波段中的至少一个明显地透射具有被所述所关注的烃化合物的一或多个光谱特征跨越的波长的光，并且所述光谱波段中的至少另一个高度透射具有不被所述所关注的烃化合物的所述一或多个光谱特征跨越的波长的光，以及
c.估计选自由以下组成的组的至少一个量：所述所关注的烃的所述多光谱图像中的总吸收、所述所关注的烃的所述吸收图像中可见的总质量、泄漏所述所关注的烃的大致圆形孔的直径，以及所述所关注的烃的质量流率，所述估计通过选自由以下组成的组的至少一个方法进行：沿通过所述成像的烃气喷流的所述直径加权的所述平均差分光学吸收的所述烃气喷流的所述吸收图像的轴线的求和；通过所述烃气分子的质量加权的所述差分光谱吸收截面的所述烃气喷流的总差分光学吸收的定标；沿所述烃气喷流外推回到所述烃气喷流的顶点的所述平均差分光学深度与和所述泄漏孔的直径或面积相关的所述内压力之间的关系，以及离开具有已知面积的所述泄漏孔的所述烃气的所述质量流量与所述内压力的关系。
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