CN111521571A - 用于痕量气体测量的光学传感器 - Google Patents

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CN111521571A CN202010025809.5A CN202010025809A CN111521571A CN 111521571 A CN111521571 A CN 111521571A CN 202010025809 A CN202010025809 A CN 202010025809A CN 111521571 A CN111521571 A CN 111521571A
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艾伦·斯科特
格伦·A·桑德斯
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Abstract

本发明题为“用于痕量气体测量的光学传感器”。本发明公开了一种用于检测痕量气体的系统，该系统包括安装在载具上的光学传感器和处理电路。光学传感器包括被配置为收集样本的多个干涉仪。处理电路被配置为基于样本生成数字化信号；对数字化信号应用正向傅里叶变换以生成所述多个干涉仪的光谱信息；以及使用根据光谱信息的对应于气体物质的光谱信息的一个或多个吸收强度特征来确定已经检测到该气体物质。

Description

用于痕量气体测量的光学传感器
技术领域
本公开涉及用于气体检测，具体是气体泄漏检测的系统。
背景技术
例如，载具(例如无人驾驶飞行器(UAV))具有极大地改善检查各种检查目标的过程的潜力。例如，与步行或使用陆地载具的人相比，UAV可以能够更快地进入大地理区域，这可以减小对人类的风险。
发明内容
一般来讲，本公开涉及改进用于检测气体的检测系统的技术。例如，当使用无人驾驶飞行器(UAV)来识别气体泄漏时，本公开的技术可以减小部署成本和/或改善测量的准确度。
在一个示例中，用于检测痕量气体的系统包括光学传感器和处理电路。光学传感器安装在载具上，光学传感器包括被配置为收集样本的多个干涉仪。处理电路被配置为：基于样本生成数字化信号；对数字化信号应用正向傅里叶变换以生成多个干涉仪的光谱信息；以及使用根据光谱信息的对应于气体物质的光谱信息的一个或多个吸收强度特征来确定已经检测到气体物质。
在另一个示例中，检测痕量气体的方法包括：由多个干涉仪从安装在载具上的光学传感器的多个干涉仪收集样本；由处理电路基于样本生成数字化信号；由处理电路对数字化信号应用正向傅里叶变换以生成多个干涉仪的光谱信息；以及由处理电路使用根据光谱信息的对应于气体物质的光谱信息的一个或多个吸收强度特征来确定已经检测到气体物质。
在另一个示例中，用于检测痕量气体的系统包括UAV和处理电路。UAV包括安装在UAV上的光学传感器，光学传感器包括被配置为收集样本的多个干涉仪。处理电路被配置为：基于样本生成数字化信号；对数字化信号应用正向傅里叶变换以生成多个干涉仪的光谱信息；以及使用根据光谱信息的对应于气体物质的光谱信息的一个或多个吸收强度特征来确定已经检测到气体物质。
在一个示例中，计算机可读数据存储介质包括指令，这些指令在被执行时致使计算系统执行以下操作：基于安装在载具上的光学传感器的多个干涉仪收集的样本生成数字化信号；对数字化信号应用正向傅里叶变换以生成多个干涉仪的光谱信息；以及使用根据光谱信息的对应于气体物质的光谱信息的一个或多个吸收强度特征来确定已经检测到气体物质。
在另一个示例中，检测痕量气体的设备包括：用于收集样本的装置；用于基于样本生成数字化信号的装置；用于对数字化信号应用正向傅里叶变换以生成光谱信息的装置；以及用于使用根据光谱信息的对应于气体物质的光谱信息的一个或多个吸收强度特征来确定已经检测到气体物质的装置。
本公开的一个或多个示例的细节在以下附图和说明书中阐述。其他特征、目的和优点将从描述、附图以及权利要求书中显而易见。
附图说明
图1是示出用于使用无人驾驶飞行器(UAV)来检测气体泄漏的示例性系统的概念图，该示例性系统可以被配置为实现本公开的技术。
图2是示出根据本公开的技术的示例性望远镜和干涉仪的概念图。
图3是示出可用于实现本公开的技术的UAV的示例性部件的框图。
图4是示出可用于实现本公开的技术的示例性校准矩阵的概念图。
图5是示出可用于实现本公开的技术的示例性吸收特征的曲线图。
图6是示出根据本公开的技术的用于生成校准矩阵的示例性校准方案的概念图。
图7是示出根据本公开的技术的气体物质警报系统的示例性部件的框图。
图8是示出根据本公开的技术的用于检测痕量气体的示例性过程的流程图。
图9是示出根据本公开的技术的第一示例性干涉仪的概念图。
图10是示出根据本公开的技术的由图9的第一示例性干涉仪输出的数字化信号的概念图。
图11是示出根据本公开的技术的第二示例性干涉仪的概念图。
图12是示出根据本公开的技术的同相样本和异相样本的概念图。
具体实施方式
一些泄漏检测服务依靠手持式激光瞄准枪以便发现气体(例如，甲烷)泄漏。这些系统可能很重并且需要手动本地检查以及开销很大。此类系统可包括提供“是”或“否”读数而不对数据进行量化的器械，并且可能难以放大到覆盖整个设施或管线网络的产品。依靠手持式激光瞄准枪的此类泄漏检测服务可能不适用于一些应用(例如，在精炼厂中)。
一些系统可使用高度移动的平台，诸如被配置有基于气体抽取传感器的气体检测技术的无人机或飞机。然而，此类系统的推进器的向下气流可分散气体抽取传感器正在测量的痕量气体，这可能影响气体抽取传感器的测量的准确度。这样，可以将气体抽取传感器布置在推进器的向下气流的外部。
例如，一些系统可以使用执行腔衰荡光谱法(CRDS)的高灵敏度光学腔。这些技术可以使用经仔细抛光和对准的光学腔，这些光学腔的生产成本昂贵并且需要大量的接触时间来进行组装。CRDS技术可以实现高水平的测量精度，但测量位置可与无人机共同定位，其方式使得无人机的向下气流可以使测量变得毫无意义。
本公开描述了一种微型化高灵敏度光学器械，该光学器械能够在相隔距离(例如，与无人机物理分离)处测量气体(例如，有害气体)的痕量浓度。该器械可以允许高度移动的平台，同时克服与在无人机平台上安装现场气体嗅探器相关联的障碍。本文所述的光学器械可以表示针对使用集成光子器件来完成远程检测的微型化机载应用(例如，无人机)的光学感测方案。相比之下，专注于常规光学器件(包括透镜和反射镜)的传感器开发(例如，腔衰荡光谱法、直接成像、Fabry-Perot成像器)可能难以放大到分布式传感器网络型应用，这是由于这些部件的高组装成本。
此外，本文所述的光学器械可以按晶圆级制造，从而利用多年来在光子集成电路中取得的许多开发。与依靠执行腔衰荡光谱法的手动对准的高灵敏度光学腔的系统相比，并且与依靠Fabry-Perot成像光谱仪(其可使用对于制造是劳动密集的且通常不批量生产的高精度光学腔)的系统相比，通过利用晶圆级制造，生成非常高的光谱分辨率的复杂光学电路(例如，器械精度的驱动器)可能以非常低的成本来制造，从而使该技术非常适合于分布式传感器网络(诸如无人机群)。
本文所述的光学器械可以使得能够在无人机的向下气流之外进行检测，该能力可以显著改善测量准确度。此外，与依赖于仔细抛光和对准的光学腔的系统相比，本文所述的光学器械可以使得能够通过最复杂光学部件的晶圆级制造来减小制造光学系统的成本。
图1是示出用于使用无人驾驶飞行器102(UAV 102)来检测气体泄漏的示例性系统的概念图，该示例性系统可以被配置为实现本公开的技术。在图1的示例中，系统100包括UAV 102、控制器设备104、移动设备106、气体物质警报系统108(在本文中称为“警报系统108”)、一个或多个计算设备110和网络112。在系统100中，UAV飞行员可以使用控制器设备104来控制UAV 102的飞行路径。检查员可以使用移动设备106来控制安装在UAV 102上的传感器以对检查目标执行气体检测。警报系统108提供资源以支持基于UAV的气体检测的端到端工作流。用户可以使用计算设备110以便与警报系统108交互。网络112促进控制器设备104、移动设备106、警报系统108和计算设备110之间的通信。
尽管在图1中示出为单独的设备，但是在其他示例中，控制器设备104和移动设备106的功能可以由公共设备来执行。在一些示例中，UAV 102足够自主以避免需要飞行员使用控制器设备(诸如控制器设备104)来沿着飞行路径导航UAV 102。在UAV 102为100％自主(或至少部分自主)的情况下，UAV 102可能以高可重复性执行数据收集，并且可以用于可在若干周/月/年等的时段内构建的时间序列分析。然而，在一些示例中，UAV 102可能不是自主的和/或可能至少部分地由人类操作员控制。例如，UAV 102可以100％手动地(例如，由人类)操作，或者以手动控制和自主飞行的组合来操作。
UAV 102在图1中被示为四轴飞行器，但UAV 102可以是任何类型的UAV，包括但不限于旋翼飞行器、固定翼飞机、复合飞机(诸如倾转旋翼飞机、X2和X3)、浮空器或任何其他这种类型的UAV，包括所有垂直起降(VTOL)飞机、立式起落飞机等。UAV 102可被配置为以不同程度的自主性飞行。在一些示例中，UAV 102可以处于控制器设备104的用户的恒定或接近恒定的控制之下。在其他示例中，控制器设备104可向UAV 102递送任务(包括飞行计划)，并且UAV 102上的处理电路可被配置为在几乎没有或没有附加用户输入的情况下执行任务。在一些示例中，UAV 102可以使用LIDAR来避免碰撞。
虽然本公开的技术不限于任何特定类型的UAV，但是UAV 102可以是例如相对小型的低空低速UAV，其中在这种情况下，小型对应于低于100磅(lbs)，低空对应于地面上方低于3000英尺的操作高度，并且低空速对应于低于250节的空速。此外，设想UAV 102可具有悬停能力，意味着UAV 102可具有保持在空气中的大致恒定位置的能力。
在一些示例中，控制器设备104、移动设备106和计算设备110各自包括通用设备，诸如膝上型计算机或台式计算机、平板电脑、蜂窝或卫星无线电话、智能电话或另一种此类设备。在控制器设备104是通用设备的示例中，控制器设备104可被加载并被配置为执行被设计用于控制UAV 102的软件。在其他示例中，控制器设备104是专门设计用于控制UAV 102的专用设备。在一些示例中，控制器设备104包括显示屏，该显示屏可以向用户显示信息(诸如飞行计划信息)。在一些示例中，控制器设备104与警报系统108通信以获得和发送数据，诸如飞行计划数据。
控制器设备104经由通信链路114与UAV 102通信。例如，通信链路114可以是通过无线电通信协议(诸如WiFi、蓝牙、ZigBee、专有协议、或任何其他合适协议)的直接链路。在其他示例中，通信链路114是基于网络的链路，其中控制器设备104通过一个或多个中间设备(诸如网关、路由器、交换机、中继器、或其他此类网络设备)与UAV 102通信。
在一些示例中，UAV 102被配置为经由例如无线通信链路116实时或接近实时地将数据流传输到移动设备106。移动设备106还可以经由通信链路116向UAV 102提供命令。通信链路116可以类似于通信链路114的方式来实现。
警报系统108包括一个或多个计算设备。例如，警报系统108可包括一个或多个计算设备，诸如膝上型计算机或台式计算机、平板电脑、服务器设备或另一种此类设备。警报系统108可被加载软件并被配置为执行软件，该软件被设计成提供资源以支持基于UAV的空中检查的端到端工作流程。光学传感器118安装在UAV 102上。光学传感器118可以包括能够收集样本以生成数字化信号的望远镜和干涉仪。
UAV 102可以对各种类型的检查目标执行痕量气体检测检查。例如，检查目标可以是建筑物、水坝、太阳能电池板阵列、风力涡轮机、纪念碑、桥梁、堤坝、海堤、码头、天线、火山、泵站、农业区域、输电塔、煤气罐、煤气管线、或另一种类型的人造或自然结构。在一些示例中，UAV 102可以例如通过在平行于地球表面飞行的同时捕获样本来执行水平检查。在一些示例中，UAV 102可以例如通过在垂直于地球表面飞行的同时捕获样本来执行垂直检查。例如，垂直检查的示例可以包括但不限于核电站的烟囱的检查。
在一些示例中，UAV 102将样本保存在安全数字(SD)卡或其他类型的存储卡上，并且附加地或另选地也可以使用3G、4G、5G、窄带物联网(NBIOT)或另一种无线类型的传输技术在线转移到基于云的web服务器。在一些示例中，UAV 102配备有一个或多个差分全球导航卫星系统(GNSS)设备，以帮助UAV 102导航到空中检查数据捕获位置。例如，UAV 102可配备用于实时运动学，其是一种可以为基站附近的UAV 102提供高定位性能的差分GNSS。在一些示例中，GNSS设备的准确度可以在1厘米内。附加地或另选地，UAV 102可以将基于样本、光谱信息、和/或所检测的气体物质的指示的数字化信号保存到SD卡或其他类型的存储卡，并且附加地或另选地也可以使用3G、4G、5G、窄带物联网(NBIOT)或另一种无线类型的传输技术在线转移到基于云的web服务器。
在图1的示例中，警报系统108可以包括数据库120。数据库120可以存储与检查项目有关的信息。数据库120可以各种方式实现。例如，数据库120可包括一个或多个关系数据库、面向对象的数据库、逗号分隔值(CSV)文件或其他类型的数据库。数据库120可以存储由UAV 102捕获的一个或多个样本、基于样本生成的一个或多个数字化信号、使用一个或多个数字化信号来生成的光谱信息、检测到的一种多种气体物质、检测到的气体物质的量、和/或其他信息。
根据本文描述的一种或多种技术，光学传感器118可以包括被配置为收集样本的干涉仪。在该示例中，处理电路可以被配置为基于样本来生成数字化信号，对数字化信号应用正向傅里叶变换以生成多个干涉仪的光谱信息，并且使用根据光谱信息的对应于气体物质的光谱信息的一个或多个吸收强度特征来确定已经检测到气体物质(以及气体物质的量)。在一些示例中，处理电路被布置在UAV 102内部。在一些示例中，处理电路被布置在UAV102外部。例如，处理电路可以被布置在控制器设备104、移动设备106、计算设备110、气体物质警报系统108、或另一个设备中的一个或多个处。在一些示例中，处理电路包括布置在UAV102内部的第一处理器和布置在UAV 102外部的第二处理器。
系统100可以被配置为提供自动化的端到端解决方案以借助于作为(定期)空中检查的一部分而收集的空中数据来检测痕量气体。具体地，例如，系统100可以被配置为包括以下中的一个或多个。
光学传感器118可以是具有高光谱分辨率的无源微光子光学传感器，其用于检测来自工业和农业来源的痕量(例如，逃逸)气体排放物。在一些示例中，光学传感器118可以包括多个干涉仪以收集输入光谱的逆傅里叶变换。系统100可以通过从每个干涉仪收集的强度的正向傅里叶变换来重构所收集的输入光谱的逆傅里叶变换。作为傅里叶变换光谱仪，系统100可以实现比不依赖于傅里叶变换光谱仪的系统更高的光学信噪比。
光学传感器118可以收集正交(例如，180度异相)或三相输出(例如，120度异相)的来自多个干涉仪的样本，以便归一化采样点并且校正孔口的不均匀照明以及每个干涉仪中的相移。
光学传感器118可能以致密配置在片上制造，通过平面波导(例如，包括硅、氮化硅、氮氧化硅、磷化铟等或由其组成)形成，沉积在衬底(例如，硅、二氧化硅、锗等)上以便实现光学传感器的晶圆级制造。
光学传感器118可包括单个光学芯片或以堆叠配置的多个光学芯片。在一些示例中，多个光学芯片中的每个芯片可以被配置用于检测气体物质。在一些示例中，光学传感器118可以在红外中操作。在一些示例中，光学传感器可以包括多个光学芯片，其中经由光学传感器118的干涉仪的布置来对每个芯片进行调谐，以检测特定气态物质。也就是说，例如，干涉仪可以被布置在以堆叠配置布置的多个芯片中的第一芯片中。在一些示例中，多个芯片中的每个芯片被配置用于检测气体物质。
光学传感器118可以包括线性像素阵列、二维像素阵列(例如，在芯片的垂直堆叠的情况下)、和/或片上检测器(例如，直接植入到波导层中)，其被配置为读出(例如，检测)由传感器收集的光信号。
光学传感器118可以包括电读出电路，该电读出电路包括低噪声电前置放大器、模数转换器(ADCS)。电读出电路可以收集来自检测器阵列的信号，并且将来自检测器阵列的信号存储在长期存储器中作为原始数据以用于稍后处理。在一些示例中，电读出电路可以将来自检测器阵列的信号加载到短期存储器中以用于即时处理，并且将来自检测器阵列的信号存储在长期存储器中以及仅将单个气体浓度值存储在长期存储器中(例如，以减小数据和存储器开销)。
光学传感器118可以安装在有人驾驶或无人驾驶的移动空中系统上，该移动空中系统包括无人机、飞机、直升机、城市空中移动系统、垂直起降(VTOL)、旋翼飞机、轻于空气的载具等。UAV 102可以在操作者的视线内或超越操作者的视线(BVLOS)操作(例如，用于检查扩展源或分散源)。
系统100可以在与源相距0米至100米的相隔距离以及0米至150米的垂直距离(高度)处检测0-1000ppm的范围内的单种或多种气体物质(例如，水蒸气、甲烷、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、磷化氢、苯、NOx、SOx等)。例如，多个芯片中的每个芯片可以被配置为通过0-1000ppm的范围内的最小灵敏度来检测多种气体物质(例如，水蒸气、甲烷、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、磷化氢、苯、NOx、SOx等)中的一种。在一些示例中，系统100可以在与源相距大于1米(例如，1米至150米)的相隔距离处检测单种或多种气体物质。系统100可以通过由反射太阳辐射提供的为1.5皮瓦(pW)的最小输入通量来执行测量。
系统100可以用于主动地搜索气体(例如，通过朝向局部“热点”的梯度下降)或追溯地提供工业紧急响应。系统100可以用于提供整个站点的有害气体覆盖，并且可通过工业物联网向站点管理提供有关有害或有毒气体的存在的即时警报。系统100可以通过人工智能和深度学习来不断地改进测量准确度以及预期的泄漏位置以便使无人机操作和数据分析完全自动化。
系统100可以提供对数据的手动访问(例如，通过与计算机或平板电脑的直接连接)并且通过上传到云来提供对数据的远程访问，从而使得传感器能够作为已连接的工业物联网的一部分操作。可作为远程检测系统的系统100可以在移动平台(例如，UAV 102)上的具有到排放源的直接视线的任何安装点处操作，并且不受湍流(例如，来自转子叶片)的约束。可作为远程检测系统的系统100在跟踪致密发射器时不被UAV 102的本地速度约束(例如，可以在高风速环境中操作)。
系统100可以通过组装气体浓度测量值的“点云”来执行快速羽流重建，该“点云”是通过在羽流范围内扫描传感器的方位角和仰角来获得的，该过程可以消除对时间密集的“羽流循环”飞行的需要。例如，一些系统可使羽流循环以检测气体物质。然而，系统100可以使用从测量由羽流反射的光而收集的样本来远程检测气体物质。
系统100可以以通过直接从UAV 102汲取的低功率操作，也可以使用内部电池来操作—以便实现具有最小停机时间的长途飞行。在汲取不超过5.6W的低功率模式中，光学传感器118可能以汲取不超过11.1W的高功率模式(例如，在高温环境中)操作。系统100可以存储通过地理位置标签收集的每个点测量值以便提供痕量气体浓度的3-D图(例如，在大型设施或站点上)。
可以在制造期间通过可调谐激光器对系统100进行一次校准，该可调谐激光器收集作为波长函数的干涉仪输出的“校准图”或“矩阵”，然后将其用于从收集的傅里叶样本中检索光谱(参见图6)。系统100可以适合针对商用小型无人驾驶系统(SUS)的有效载荷质量要求。
虽然图1的示例参考作为载具的UAV 102描述，但在其他示例中，可以使用其他载具，例如但不限于各种类型的陆基载具、水基载具、太空载具和其他类型的空中载具。
图2是示出根据本公开的技术的示例性望远镜230和干涉仪的概念图。图2示出了包括输入波导234的芯片232的代表性部分，这些输入波导被放置在芯片232的衬底的顶部上(未示出用于芯片的机械安装特征)。光从感兴趣的场景(页面左侧，未示出)进入望远镜230并聚焦到波导234的小面上。
为了确保与波导234的最佳耦接，可以选择望远镜230的直径和望远镜230的焦距以匹配波导234的固有数值孔径(例如，“接受锥”)。例如，望远镜230可以被配置有与干涉仪的数值孔径相对应(例如，等于、匹配等)的数值孔径。更具体地，例如，当望远镜230的焦点和直径被设计为使得sin(θ)＝D/(2x)时，望远镜230可以与波导数值孔径匹配。一旦光已经进入波导234，光就到达芯片232的其余部分和干涉仪。在一些示例中，干涉仪可以布置在空间外差中。由于这是概念图，因此波导234和望远镜230的尺寸未按比例绘制。例如，波导234可以相对于望远镜230更小。
干涉仪可以被配置为通过望远镜230收集样本。例如，每个干涉仪可以独立地收集由望远镜230输出的光。在一些示例中，为了考虑到每个干涉仪的变化的耦接效率，可以从每个干涉仪收集多个输出。例如，干涉仪可以被配置为收集正交或三相的样本。例如，每个干涉仪可以被配置为收集180度异相(例如，正交)的两个样本，并且将两个样本归一化以生成要由系统100处理的单个样本。在一些情况下，每个干涉仪可以被配置为120度异相(例如，三相)的三个样本，并且将这三个样本归一化(例如，求平均)以生成要由系统100处理的单个样本。例如，系统100可以确定同相强度和异相强度的总强度，并且将同相强度减去异相强度的结果除以总强度以确定单个样本的归一化强度，如以下等式所示。
Figure BDA0002362406870000101
其中ynorm是单个样本y的归一化强度，
yin是同相强度，并且yout是异相强度。
图3是示出可用于实现本公开的技术的UAV 102的示例性部件的框图。UAV 102包括飞行装备300、处理电路302、存储器304、收发器306、天线308、导航系统310、光学传感器118、传感器314和电源316。通信信道312将飞行装备300、处理电路302、存储器304、收发器306、天线308、导航系统310、光学传感器318、传感器314和电源316中的每一个互连以用于部件间通信(物理地、通信地和/或可操作地)。在一些示例中，通信信道312包括系统总线、网络连接、进程间通信数据结构，或用于传送数据的任何其他方法，包括各种类型的无线通信技术。电源316可向UAV 102的每个其他部件提供电能。在一些示例中，电源316是电池。
处理电路302旨在表示UAV 102的所有处理电路和所有处理能力。例如，处理电路302可包括一个或多个数字信号处理器(DSP)、通用微处理器、集成电路(IC)或一组IC(例如，芯片组)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程逻辑阵列(FPGA)、或其他等效的集成或离散逻辑电路。因此，如本文所使用的术语“处理器”可以指任何前述结构或适用于实施本文所描述的技术的任何其他结构。
存储器304旨在表示UAV 102内的所有各种存储器设备。存储器304构成计算机可读存储介质，并且可采用一旦UAV 102关闭就不保持存储内容的易失性存储器的形式或将内容存储更长时间段(包括UAV 102处于未供能状态的时间段)的非易失性存储器的形式。易失性存储器的示例包括随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、集成随机存取存储器(IRAM)、半导体闸流管随机存取存储器(TRAM)、零电容随机存取存储器(ZRAM)或任何其他类型的合适易失性存储器。非易失性存储器的示例包括光盘驱动器、磁盘驱动器、闪存存储器、只读存储器(ROM)、电可编程存储器(EPROM)或电可擦除可编程存储器(EEPROM)形式，或任何其他这种类型的非易失性存储器。
UAV 102的功能由硬件、软件、固件或其组合实现。存储器304可以存储包括指令集的软件和固件。处理电路302和UAV 102的其他硬件部件可执行指令以执行本公开的技术。
收发器306被配置为使用天线308发送和接收数据。收发器306可根据本公开中其他地方描述的任何无线通信协议来发送和接收数据。例如，收发器306可被配置为接收导航指令。另外，收发器306可被配置为将图像和其他数据发送到计算系统，诸如控制器设备104(图1)、移动设备106或计算设备110(图1)。
导航系统310控制UAV 102的飞行路径。例如，导航系统310可以向飞行装备300输出信号以指示UAV 102飞行到预定图像捕获位置、着陆或以其他方式导航到沿着UAV 102的飞行路径的位置。
传感器314旨在表示UAV 102中包括的所有各种传感器。UAV 102可例如包括用于飞行管理的一个或多个传感器，诸如加速度计、陀螺仪、磁力计、气压计、GNSS传感器、倾斜传感器、惯性测量传感器、速度传感器等。
图4是示出可用于实现本公开的技术的示例性校准矩阵472的概念图。在图4的示例中，干涉仪240将光谱信息474(“x”)光学乘以校准矩阵472(“A”)以生成样本470(“y”)。例如，校准矩阵472是干涉仪的特性。
例如，干涉仪可以被制造为包括校准矩阵472，使得干涉仪捕获传感器中的每个元件的光谱信息474并输出样本470。校准矩阵472的每一行表示一个干涉仪，并且校准矩阵472的每一列表示干涉仪240中的每个干涉仪的光谱响应。在图4的示例中，干涉仪可以按频率顺序布置，其中将干涉仪240中的具有最低频率响应的干涉仪布置在校准矩阵472的顶部上，并且将具有最高频率响应的干涉仪布置在校准矩阵472的底部处。例如，可以使用图6所述的过程为干涉仪确定一次校准矩阵472。例如，处理电路可以使用已知光谱信息和由干涉仪响应于已知光谱信息而生成的样本来确定校准矩阵472。
为了确定光谱信息474，处理电路302可以通过以下等式应用正向傅里叶变换。
x＝A-1y 等式2
例如，光学传感器118可以收集样本470。处理电路302可以生成表示样本470的数字化信号。处理电路302可以使用校准矩阵472的逆(例如，A-1)对数字化信号应用正向傅里叶变换以生成用于干涉仪的光谱信息474。在一些示例中，处理电路302可以存储校准矩阵472的逆(例如，A-1)。以这种方式，处理电路302可以通过将表示样本470的数字化信号与校准矩阵472相乘来应用正向傅里叶变换以生成光谱信息474。
处理电路302可以根据如图5所示的光谱信息生成对应于气体物质的一个或多个吸收强度特征。虽然UAV 102的处理电路302用于处理收集的样本，但在一些示例中，控制器设备104、移动设备106、计算设备110、警报系统108、或系统100的另一个设备中的一个或多个也可以与UAV 102一起处理收集的样本，或者可以代替UAV 102处理收集的样本。
图5是示出可用于实现本公开的技术的示例性吸收特征的曲线图。图5的横坐标轴(例如，水平轴线)表示波长，并且图5的纵坐标轴(例如，垂直轴线)表示由系统100生成的光谱信息502和示例性气体物质(例如，甲烷)的光谱信息504的光强度。系统100可以根据光谱信息504确定吸收特征510-516的强度。例如，系统100可以对光谱信息504执行最小二乘拟合或对于比尔朗伯吸收定律的线性逼近以确定传感器510-516所看到的吸收物质(气体)的量。
响应于确定吸收特征510-516与示例性气体物质的吸收特征504相对应(例如，匹配)，系统100确定已经检测到气体物质。在一些示例中，系统100可以使用吸收特征510-516的深度来确定气体物质的量。例如，系统100可以使用吸收特征510-516相对于光谱的非吸收区域的深度来确定气体物质的量以估计吸收材料的量，例如在比尔朗伯模型中。
图6是示出根据本公开的技术的用于生成校准矩阵的示例性校准方案的概念图。如图所示，激光源660生成到芯片264的光(例如，激光)。以这种方式，图6的校准方案可以使用激光源660(例如，窄带激光源)来生成校准矩阵472。更具体地，例如，处理电路可以被配置为驱动激光源560以输出隔离校准矩阵472的单行的波长。在该示例中，相机662针对由激光器在光谱范围(x)上输出的每个波长捕获芯片264的输出以逐行积聚整个校准矩阵472。
图7是示出根据本公开的技术的气体物质警报系统108的示例性部件的框图。在图7的示例中，警报系统108包括一个或多个处理电路700、电源702、存储器704、收发器706、显示器708。通信信道710将处理电路(processing circuit)700(在本文中也称为“处理电路(processing circuitry)”)、存储器704、收发器706和显示器708互连。电源702为处理电路700、存储器704、收发器706和显示器708提供电力。处理电路700和存储器704可以类似于上文参考图3描述的处理电路302和存储器304的方式实现。收发器706可包括网卡诸如以太网适配器、无线接口或用于与其他计算设备发送和接收数据的其他设备。显示器708可包括用于输出数据的各种类型的显示器，诸如液晶显示器、等离子显示器、发光二极管(LED)显示器等。在其他示例中，警报系统108可包括更多、更少或不同的部件。例如，在一些示例中，警报系统108不包括显示器708。
在图7的示例中，存储器704存储数据库120和气体物质警报应用程序714。数据库120存储与气体检测项目相关联的数据，如本公开中的其他地方所述。例如，数据库120可以包括与校准矩阵、样本、数字化信号、光谱信息、吸收特征、检测到的气体物质的量等相关联的表和数据。气体物质警报应用程序714可以包括软件指令，这些软件指令在由处理电路700执行时致使警报系统108执行样本的自动处理以确定是否已检测到气体物质，如本公开中所述。
图8是示出根据本公开的技术的用于检测痕量气体的示例性过程的流程图。仅出于示例目的，参照图1至图7讨论图8。光学传感器118从安装在UAV 102上的光学传感器的干涉仪收集正交(例如，180度异相)或三相输出(例如，120度异相)的样本(802)。在一些示例中，处理电路302和/或处理电路700可以归一化样本。例如，处理电路302和/或处理电路700可以通过取正交(例如，180度异相)或三相输出(例如，120度异相)的收集样本的平均值来归一化样本。
在一些示例中，望远镜230具有对应于干涉仪的数值孔径。例如，当望远镜230的焦点和直径被设计为使得sin(θ)＝D/(2x)时，望远镜230与波导NA匹配。处理电路302和/或处理电路700基于样本生成数字化信号(804)。处理电路302和/或处理电路700对数字化信号应用正向傅里叶变换以生成多个干涉仪的光谱信息(806)。
处理电路302和/或处理电路700可以生成一个或多个吸收强度特征。例如，处理电路302和/或处理电路700可以应用比尔朗伯定律来生成具有与光学传感器118所看到的气体量相对应的特定深度处的吸收特征的光谱。在该示例中，处理电路302和/或处理电路700可以通过找到产生具有与测量光谱最类似的吸收特征的理论光谱的气体量来执行最小二乘拟合。
处理电路302和/或处理电路700可以使用根据光谱信息的对应于气体物质的一个或多个吸收强度特征来确定已经检测到气体物质以及气体物质的量(808)。处理电路302和/或处理电路700输出指示所检测的气体物质的存在的警报(810)。例如，
图9是示出根据本公开的技术的第一示例性干涉仪的概念图。如图所示，干涉仪960、961、962、963和964的光学路径长度以共同物理路径增量ΔL的倍数线性增加；光学路径增量分别由X0＝neff0ΔL、X1＝neff1ΔL、X2＝neff2ΔL、X3＝neff3ΔL和Xn＝neffnΔL给出。
图10是示出根据本公开的技术的由图9的第一示例性干涉仪960、961、962、963和964输出的数字化信号(X0,X1,X2,X3,Xn)的概念图。图10的横坐标轴(例如，水平轴线)表示任意干涉仪的光学路径延迟，并且图10的纵坐标轴(例如，垂直轴线)表示由干涉仪960、961、962、963和964接收的模拟信号的强度。具体地，干涉仪960生成数字化信号X0，干涉仪961生成数字化信号X1，干涉仪962生成数字化信号X2，干涉仪963生成数字化信号X3，并且干涉仪964生成数字化信号Xn。
图11是示出根据本公开的技术的第二示例性干涉仪的概念图。如图所示，干涉仪1161、1162、1163和1164分别具有响应X1＝neff1ΔL、X2＝neff2ΔL和X3＝neff3ΔL、Xn＝neffnΔL。在该示例中，每个干涉仪产生对应于上述正交采样技术的两个输出。这些干涉仪的两个输出(同相和异相)是使用多模式干涉耦接器来生成的，并且可以用于产生如等式1所述的归一化信号。
图12是示出根据本公开的技术的同相样本1202和异相样本1204的概念图。例如，光学传感器118可以收集正交(例如，180度异相)的来自多个干涉仪的样本，以便归一化采样点并且校正孔口的不均匀照明以及每个干涉仪中的相移。
尽管出于解释的目的将相对于UAV描述本公开的技术，但应当理解，本公开的技术可以由其他类型的载具来实现，包括各种类型的陆基载具、水基载具、太空载具和其他类型的空中载具。
在一个或多个示例中，所描述的功能可以通过硬件、软件、固件或其任何组合来实现。如果以软件实施，则可将功能作为一个或多个指令或代码存储在计算机可读介质上或经由计算机可读介质上传输，并且由基于硬件的处理单元执行。计算机可读介质可包括对应于有形介质诸如数据存储介质的计算机可读存储介质，或者包括例如根据通信协议促进计算机程序从某个地方传输到另一个地方的任何介质的传播介质。这样，计算机可读介质通常可对应于：(1)非暂态的有形计算机可读存储介质，或者(2)通信介质诸如信号或载波。数据存储介质可以是可以由一个或多个计算机或一个或多个处理器访问以检索用于实现本公开中描述的技术的指令、代码和/或数据结构的任何可用介质。计算机程序产品可以包括计算机可读介质。
以举例而非限制的方式，此类计算机可读存储介质可包括RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其他光盘存储设备、磁盘存储设备或其他磁存储设备、闪存，或者可用于存储指令或数据结构形式的所需程序代码并且可由计算机访问的任何其他介质。而且，任何连接都被适当地称为计算机可读介质。例如，如果使用同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线路(DSL)或无线技术诸如红外线、无线电和微波从网站、服务器或其他远程源传输指令，则同轴电缆、光纤电缆、双绞线、DSL或无线技术诸如红外线、无线电和微波都包含在介质的定义中。然而，应该理解，计算机可读存储介质和数据存储介质不包括连接、载波、信号或其他暂态介质，而是针对非暂态有形存储介质。如本文所用，磁盘和光盘包括压缩光盘(CD)、激光盘、光学光盘、数字通用光盘(DVD)、软磁盘及Blu-ray光盘，其中磁盘通常以磁性方式复制数据，而光盘则利用激光以光学方式复制数据。上述的组合也应该包括在计算机可读介质的范围内。
可以由一个或多个处理器诸如一个或多个DSP、通用微处理器、ASIC、FPGA或其他等效集成或离散逻辑电路执行指令。因此，如本文所使用的术语“处理器”可以指任何前述结构或适用于实施本文所描述的技术的任何其他结构。此外，在一些方面中，可以在被配置用于编码和解码的专用硬件和/或软件模块内提供本文描述的功能，或者将其结合到组合编解码器中。而且，这些技术可以完全在一个或多个电路或逻辑元件中实现。
本公开的技术可以在各种设备或装置包括无线手机、集成电路(IC)或一组IC(例如，芯片组)中实现。在本公开中描述了各种部件、模块或单元，以强调被配置为执行所公开的技术的设备的功能方面，但是不一定需要通过不同的硬件单元来实现。
用于自动将图像保存在web服务器上的云技术不仅限于本地或全球互联网云。它可以是受用户ID和密码保护的私有和/或公共云。密码可能不限于一个或两个。
已经描述了各种示例。这些示例和其他示例在以下权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种用于检测痕量气体的系统，所述系统包括：
光学传感器，所述光学传感器安装在载具上，所述光学传感器包括被配置为收集样本的多个干涉仪；和
处理电路，所述处理电路被配置为：
基于所述样本生成数字化信号；
对所述数字化信号应用正向傅里叶变换以生成所述多个干涉仪的光谱信息；以及
使用根据所述光谱信息的对应于气体物质的所述光谱信息的一个或多个吸收强度特征来确定已经检测到所述气体物质。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，为了收集样本，所述多个干涉仪被配置为收集正交或三相的样本。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学传感器包括望远镜，所述望远镜被配置有与所述多个干涉仪的数值孔径相对应的数值孔径，并且其中所述多个干涉仪被配置为通过所述望远镜收集所述样本。
4.根据权利要求1所述的系统，其中，为了确定所述气体物质，所述处理电路被配置为确定所述气体物质的量。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述多个干涉仪布置在以堆叠配置布置的多个芯片中的第一芯片中。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述多个芯片中的每个芯片被配置为检测多种气体物质中的相应气体物质。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述多种气体物质包括水蒸气、甲烷、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、磷化氢、苯、氮氧化物、或硫氧化物中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述光学传感器被配置为在与所述气体物质相距至少一米的相隔距离处收集所述样本。
9.根据权利要求1所述的系统，其中每个样本指定地理位置标签以提供痕量气体浓度的3D图。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的系统，其中所述光学传感器被配置为在红外中操作。
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