ES2253284T3 - Formacion de imagenes cuantitativas de emisiones de gases utilizando tecnicas opticas. - Google Patents

Formacion de imagenes cuantitativas de emisiones de gases utilizando tecnicas opticas.

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ES2253284T3 ES00989168T ES00989168T ES2253284T3 ES 2253284 T3 ES2253284 T3 ES 2253284T3 ES 00989168 T ES00989168 T ES 00989168T ES 00989168 T ES00989168 T ES 00989168T ES 2253284 T3 ES2253284 T3 ES 2253284T3
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Abstract

Método para la formación de imágenes de distribuciones de gas utilizando técnicas ópticas, que comprende: el uso de técnicas de correlación de gases para la identificación espectral de sustancias y la cancelación de temperaturas y emisividades de fondo variables espacialmente; la utilización de la absorción de la radiación térmica natural de fondo o el espectro de autoemisión debida a un gas seleccionado en una técnica de registro pasiva; y en el que se almacenan dos imágenes, A y B, usando un dispositivo de cámara de infrarrojos de imagen dual adaptado a una región seleccionada de longitudes de onda en la que está presente el espectro de absorción o emisión del gas; A ¿ es la escena de infrarrojos registrada en una de las imágenes, la imagen directa. B ¿ es la misma escena registrada con la luz de infrarrojos pasando por una celda de correlación de gases; en el que se usa un procedimiento de calibración de la forma siguiente: se registra la temperatura de fondo usando la información contenida en la imagen A; las imágenes cero correspondientes A0 y B0, que consisten en la autorradiación del dispositivo de cámara de imagen dual incluyendo la celda de correlación de gases y la desviación electrónica, se restan de A y B, en el que el nivel de cero individual en cada píxel de las imágenes se ha determinado, antes de la medición del gas, registrando un radiador de cuerpo negro a diferentes temperaturas y representando gráficamente la intensidad de los píxels obtenida con respecto a una intensidad calculada teóricamente, y la intersección con el eje de una línea recta, la cual está adaptada a los datos, proporciona el nivel cero; las imágenes se superponen digitalmente en el campo de interés que contiene las emisiones del gas, y el procesado continuado de las imágenes se limita a este campo; se calcula una imagen de correlación de gases, G = (A- A0)/(B-B0); se calcula el nivel de concentración en cada píxel de la imagen G usando un diagrama que muestra la transmisión integrada en el perfil espectral seleccionado en función de la concentración integrada del gas expresada en ppm x metro para el gas específico, la diferencia de temperatura entre la temperatura de fondo y la temperatura de emisión del gas, y las temperaturas absolutas; y finalmente, la imagen resultante de la concentración del gas se superpone sobre una imagen visible C de la escena y se visualiza el resultado.

Description

Formación de imágenes cuantitativas de emisiones de gases utilizando técnicas ópticas.
Campo de la invención
La presente invención se refiere a la formación de imágenes cuantitativas de emisiones de gases utilizando técnicas ópticas. Existe un gran interés en poder detectar y cuantificar los flujos gaseosos. Las fugas de hidrocarburos de torres de perforación y plataformas petrolíferas, de la industria petroquímica, de parques de tanques o de gasoductos de gas natural constituyen una pérdida económica, un problema medioambiental y son preocupantes desde el punto de vista de la seguridad. Es necesario controlar las emisiones en relación con accidentes que implican vehículos de transporte o en operaciones industriales. Es necesario certificar las emisiones naturales de gases invernadero provenientes de fuentes geofísicas, por ejemplo, volcanes, plantas geotérmicas o pantanos o ciénagas. En el entorno de interiores, es importante poder controlar el funcionamiento de un sistema de ventilación o un canal de extracción de aire. Resultaría muy interesante si las emisiones de gases se pudieran visualizar y cuantificar en tiempo casi real, ya que en muchos casos es necesario iniciar inmediatamente las acciones paliativas. La formación de imágenes de gases se puede realizar basándose en la absorción selectiva de la radiación óptica. Si se usa una fuente de luz artificial, se habla de técnicas activas mientras que a la utilización de la radiación de fondo se le hace referencia como técnicas pasivas. La radiación de fondo, térmica, de infrarrojos, resulta especialmente interesante para la formación pasiva de imágenes. En una forma de realización no limitativa de la invención, esta radiación se usa para la formación de imágenes cuantitativas de flujos de hidrocarburos.
Antecedentes de la invención
Los gases moleculares presentan unas líneas de absorción características en la región visible y ultravioleta del espectro (transiciones electrónicas) y en la región infrarroja del espectro (transiciones rotacionales-vibracionales). La presencia de gas en la atmósfera se manifiesta a través de la absorción de un haz transmitido a unas longitudes de onda específicas. La ampliamente conocida técnica DOAS (Espectroscopia Óptica de Absorción Diferencial) así como el principio de Espectrometría por Transformada de Fourier utilizan la luz proveniente de una fuente de luz continua, finalizando en el receptor el haz transmitido a través de un trayecto atmosférico. Como alternativa, se puede utilizar la radiación atmosférica, lo cual se corresponde también con el caso en el que se usan técnicas de correlación (técnicas COSPEC con una disposición de máscara mecánica en el plano de imagen del espectrómetro, o técnicas de correlación de gases con una celda de gas introducida intermitentemente en la trayectoria de la luz delante del detector). Para la espectroscopia de absorción de gases moleculares también se pueden utilizar láseres semiconductores sintonizables. Los sistemas de láser pulsado permiten la monitorización con resolución por distancia de nubes de gas utilizando el lidar de absorción diferencial (Detección y Localización por Ondas Luminosas).
Las técnicas mencionadas anteriormente tratan sobre mediciones a través de trayectorias determinadas. No obstante, en muchos casos resulta importante la formación de imágenes de la extensión de una nube de gas. Esto se puede alcanzar con técnicas lidar de formación de imágenes. Un planteamiento más sencillo consiste en utilizar técnicas pasivas. Esta opción se ha alcanzado en la región infrarroja del espectro utilizando una "cámara de calor", a la cual se le ha dotado de un filtro pasabanda para la zona de absorción del gas específico. Si hay presente una cantidad suficiente de gas, el mismo se puede visualizar con una intensidad inferior a la del entorno. El hecho de que muchos gases, tales como los hidrocarburos, se absorban en el mismo intervalo de longitudes de onda, constituye un problema. En ese caso, la técnica de correlación de gases proporciona una discriminación automática entre los gases tal como se ha comunicado recientemente. En tal caso se registran dos imágenes, una directa y una a través de una celda de gas, que contiene el tipo específico de gas del cual se va a formar la imagen, en una concentración ópticamente densa. El gas bloquea completamente el gas que interesa y proporciona una imagen de referencia. No obstante, en la imagen directa influye la absorción del gas específico. Mediante resta o división de las imágenes, se realza el gas, y se eliminan las áreas circundantes. Por medio de este procesado de imágenes, también se eliminan otros gases con líneas de absorción que no coincidan con el filtro de gas. Hasta hace poco, las técnicas de correlación de gases requerían utilizar una superficie de fondo calentada artificialmente para alcanzar un nivel suficiente de radiación térmica.
El documento "State-of-the Art and future plans for IR imaging of gaseous fugitive emissions"; PROC. SPIE, THERMOSENSE XIX, vol. 3056, páginas 2 a 19, 00-04-1997, LJUNDBERG et al., da a conocer en general la formación de imágenes IR de emisiones fugitivas gaseosas y en particular una espectroscopia por correlación de gases para la formación de imágenes de columnas de gas en la cual se captura y procesa la imagen. Al describir las técnicas pasivas generales, este documento menciona que la temperatura de fondo del gas, y también las variaciones de emisividad, pueden provocar errores en la imagen medida.
Breve descripción de los dibujos
La Fig. 1 muestra un escenario correspondiente a las mediciones cuantificadas de gases utilizando la técnica de correlación de gases con el sistema de telescopio doble.
La Fig. 2 muestra un ejemplo de un perfil de absorción de gas para el amoniaco, correspondiente a una concentración integrada del gas de 4000 ppm x metro.
La Fig. 3 muestra un diagrama que presenta la sensibilidad correspondiente a un gas externo (en ppm x metro) cuando entre el gas de fondo y el de absorción existe una diferencia de temperatura de 18 K.
La Fig. 4 muestra un diagrama que presenta la curva de calibración calculada teóricamente y establecida experimentalmente para las determinaciones de la concentración absoluta del gas.
La Fig. 5 muestra un ejemplo de una imagen de correlación de gases calibrada en cuanto a la concentración, correspondiente al escape de un gas amoniaco de un camión cisterna con fugas, registrada utilizando únicamente radiación de fondo natural y que forma parte de una secuencia de imágenes con una actualización de la imagen de 15 veces por segundo.
La Fig. 6 muestra un escenario correspondiente a las mediciones cuantificadas de gas utilizando la técnica de correlación de gases con dos cámaras de infrarrojos, montándose juntas en una de las cámaras la celda de gas y la lente.
La Fig. 7 muestra un escenario correspondiente a mediciones cuantificadas de gas utilizando la técnica de correlación de gases con un divisor de haz en el interior de la cámara de infrarrojos. La celda de gas está situada delante del detector B.
La Fig. 8 muestra un escenario correspondiente a mediciones cuantificadas de gas utilizando la técnica de correlación de gases con una celda de gas montada en un obturador giratorio en el interior de la cámara de infrarrojos. Las imágenes son capturadas secuencialmente por un único detector.
La Fig. 9 (a) muestra una imagen de etileno con correlación de gases en el instante de tiempo T_{0}. (b) muestra una imagen de etileno con correlación de gases en un instante de tiempo posterior T_{1}. (c) muestra un mapa de vectores de viento obtenido mediante la correlación cruzada de las imágenes con correlación de gases en el instante de tiempo T_{0} y T_{1}. La resolución del mapa de vectores la determina el tamaño de las matrices pequeñas de correlación cruzada.
Descripción de invención
La presente invención se refiere a ampliaciones importantes del concepto de formación de imágenes por correlación de gases. Las mismas se refieren particularmente a la posibilidad de realizar rápidamente determinaciones cuantitativas de concentraciones y flujos de gas. El aspecto más importante de la presente invención es la presentación de un método y dispositivo nuevos de calibración para permitir la determinación de la concentración integrada en una emisión de gases. En la Fig. 1 se proporciona un escenario correspondiente a las mediciones con el método de correlación de gases. La emanación gaseosa de un camión cisterna con fugas se monitoriza con un sistema de telescopio doble, en el que un canal óptico pasa por una celda de correlación de gases y en el que en el plano de imagen de una cámara de infrarrojos de alta sensibilidad se sitúan lado con lado las dos imágenes. La Fig. 2 muestra un espectro de absorción correspondiente al gas amoniaco normalizado en un perfil de transmisión experimental para el sistema óptico. Si la nube de gas tiene una temperatura inferior a la del entorno de fondo, la misma se pone de manifiesto en la imagen directa con una intensidad más débil, mientras que en el canal de correlación de gases, en el que el gas de la celda presenta una absorción mayor, no puede ser observada. La Fig. 3 muestra la transmisión integrada en el perfil espectral considerado, en función de la concentración integrada del gas, expresada en ppm x m (partes por millón x metro). En este caso, se ha tenido en cuenta la diferencia de temperatura real entre el entorno de fondo y el gas (en este caso 18 K). La Fig. 4 muestra la transmitancia relativa la cual se obtiene a través de un gas amoniaco con una concentración integrada de 20000 ppm x m en función de la diferencia de temperatura (datos experimentales y teóricos (línea continua)). A partir de este diagrama, se puede determinar la influencia de la diferencia de temperatura sobre la señal de salida (es decir, la sensibilidad del sistema). Una transmitancia relativa mayor que uno se corresponde con una radiación de emisión propia del gas mayor que la radiación de fondo (es decir, la temperatura del gas es mayor que la temperatura del entorno de fondo). Finalmente, la Fig. 5 muestra una imagen con correlación de gases de emisiones de amoniaco, calculada para la concentración.
Más específicamente, el procesado y calibración de las imágenes con correlación de gases se describe por medio de las siguientes etapas:
\bullet
Se almacenan dos imágenes, A y B, usando un dispositivo de cámara de infrarrojos de imagen dual adaptado a una región seleccionada de longitudes de onda en la que está presente el espectro de absorción o emisión del gas.
A
\;
–
es la escena de infrarrojos registrada en una de las imágenes (imagen directa).
B
\;
–
es la misma escena registrada con la luz de infrarrojos pasando por una celda de correlación de gases.
\bullet
Se registra la temperatura de fondo con las rutinas normales de la cámara de infrarrojos en la imagen A.
\bullet
Las imágenes cero correspondientes A_{0} y B_{0}, que consisten en la autorradiación del dispositivo de cámara de imagen dual incluyendo la celda de correlación de gases y la desviación electrónica, se restan respectivamente de A y B. El nivel de cero individual en cada píxel de las imágenes se ha determinado, antes de la medición del gas, registrando un radiador de cuerpo negro a diferentes temperaturas y representando gráficamente la intensidad de los píxels obtenida con respecto a una intensidad calculada teóricamente. La intersección con el eje de una línea recta, la cual está adaptada a los datos, proporciona el nivel cero.
\bullet
Las imágenes se superponen digitalmente en el campo de interés que contiene las emisiones del gas, y el procesado continuado de las imágenes se limita a este campo.
\bullet
Se calcula una imagen de correlación de gases, G = (A-A_{0})/(B-B_{0}).
\bullet
Se calcula el nivel de concentración en cada píxel de la imagen G usando un diagrama tal como el de la Fig. 3 que muestra la transmisión integrada en el perfil espectral seleccionado en función de la concentración integrada del gas expresada en ppm x metro para el gas específico, la diferencia de temperatura y las temperaturas absolutas.
\bullet
Finalmente, la imagen resultante de la concentración del gas se codifica con colores y se superpone sobre una imagen visible C de la escena y se visualiza el resultado, en general con una frecuencia de actualización elevada. En una medición, el tiempo de integración del detector de cámara de infrarrojos, el filtrado espacial/temporal, y el umbral de concentración se adaptan al nivel y la dinámica de la concentración del gas medido a una velocidad que permite la presentación de las imágenes calibradas en concentración en forma de películas.
Otros aspectos de la presente invención son las disposiciones ópticas mejoradas notablemente en comparación con las correspondientes a las descripciones anteriores. Se usan parábolas excéntricas eliminándose las perturbaciones por el difuminado de las imágenes y proporcionando imágenes nítidas; en una construcción de un telescopio de tipo Cassegrain se utilizan espejos planos y en ángulo en lugar de un espejo convexo, proporcionando la eliminación de la autorradiación de la cámara reflejada de vuelta hacia su detector.
Como alternativa, las dos imágenes A y B pueden ser producidas por dos cámaras de infrarrojos montadas conjuntamente, tal como se muestra en la Fig. 6, o con una única cámara con una unidad divisora de haz y una celda de correlación de gases delante de uno de los dos detectores en el interior de la cámara tal como se ve en la Fig. 7. Otra solución consiste en usar una única cámara detectora con la celda de correlación de gases montada en un obturador delante del detector, para la captura secuencial de las imágenes A y B, tal como se muestra en la Fig. 8.
Para la formación de imágenes por correlación de gases resulta especialmente adecuada la utilización de un detector de Fotones de Infrarrojos por Pozos Cuánticos (QWIP) con una sensibilidad personalizada en una región estrecha seleccionada de longitudes de onda en torno a las características espectrales de absorción/emisión del gas. Una de las alternativas es una cámara de microbolómetro sintonizada espectralmente con el espectro de absorción/emisión del gas con la ayuda de un recubrimiento antirreflexión y filtros de interferencias.
Con una película de la concentración del gas calibrada, se puede deducir la densidad del flujo combinando la imagen de concentración del gas con la velocidad del flujo del gas, calculada a través de la correlación del desplazamiento de la nube de gas en imágenes separadas temporalmente. Mediante la correlación cruzada de una matriz pequeña de una imagen en el instante de tiempo T_{0} con una matriz pequeña correspondiente de una imagen en un instante de tiempo posterior, T_{1}, se obtiene un mapa de vectores de viento. El tamaño de las matrices pequeñas se selecciona maximizando el producto de la correlación cruzada. Mediante la creación y el movimiento de las matrices de correlación cruzada a través de las imágenes completas, se puede producir un mapa de vectores de viento resultante con correlación en el tiempo. En la Fig. 9 se muestra el mapa de vectores de viento resultante, fundido con la imagen en el instante de tiempo T_{0}.

Claims (16)

1. Método para la formación de imágenes de distribuciones de gas utilizando técnicas ópticas, que comprende:
el uso de técnicas de correlación de gases para la identificación espectral de sustancias y la cancelación de temperaturas y emisividades de fondo variables espacialmente;
la utilización de la absorción de la radiación térmica natural de fondo o el espectro de autoemisión debida a un gas seleccionado en una técnica de registro pasiva;
y en el que se almacenan dos imágenes, A y B, usando un dispositivo de cámara de infrarrojos de imagen dual adaptado a una región seleccionada de longitudes de onda en la que está presente el espectro de absorción o emisión del gas;
A
\;
–
es la escena de infrarrojos registrada en una de las imágenes, la imagen directa.
B
\;
–
es la misma escena registrada con la luz de infrarrojos pasando por una celda de correlación de gases;
en el que se usa un procedimiento de calibración de la forma siguiente:
se registra la temperatura de fondo usando la información contenida en la imagen A;
las imágenes cero correspondientes A_{0} y B_{0}, que consisten en la autorradiación del dispositivo de cámara de imagen dual incluyendo la celda de correlación de gases y la desviación electrónica, se restan de A y B, en el que el nivel de cero individual en cada píxel de las imágenes se ha determinado, antes de la medición del gas, registrando un radiador de cuerpo negro a diferentes temperaturas y representando gráficamente la intensidad de los píxels obtenida con respecto a una intensidad calculada teóricamente, y la intersección con el eje de una línea recta, la cual está adaptada a los datos, proporciona el nivel cero; las imágenes se superponen digitalmente en el campo de interés que contiene las emisiones del gas, y el procesado continuado de las imágenes se limita a este campo;
se calcula una imagen de correlación de gases, G = (A-A_{0})/(B-B_{0});
se calcula el nivel de concentración en cada píxel de la imagen G usando un diagrama que muestra la transmisión integrada en el perfil espectral seleccionado en función de la concentración integrada del gas expresada en ppm x metro para el gas específico, la diferencia de temperatura entre la temperatura de fondo y la temperatura de emisión del gas, y las temperaturas absolutas; y
finalmente, la imagen resultante de la concentración del gas se superpone sobre una imagen visible C de la escena y se visualiza el resultado.
2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque la imagen resultante de la concentración del gas se codifica por colores.
3. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por la adaptación del tiempo de integración del detector de cámara de infrarrojos, el filtrado espacial/temporal, y el umbral de concentración, al nivel y la dinámica de la concentración del gas medido a una velocidad que permite la presentación de las imágenes calibradas en concentración en forma de películas.
4. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por una determinación de la densidad del flujo de gas combinando la imagen de concentración del gas con la velocidad del flujo de gas, calculada a través de la correlación del desplazamiento de la nube de gas en imágenes separadas temporalmente.
5. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por la utilización de un telescopio doble reflector con parábolas excéntricas para la captura simultánea de las imágenes A y B. La imagen visible C se captura simultáneamente con una cámara montada en una posición muy próxima al telescopio.
6. Método según la reivindicación 5, caracterizado por el uso de espejos secundarios planos y en ángulo del telescopio, diseñados para evitar la reflexión de la autorradiación de la cámara de vuelta hacia el detector de cámara.
7. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por el uso de dos cámaras de infrarrojos montadas juntas para la captura simultánea de las imágenes A y B. La imagen visible C se captura simultáneamente con una cámara montada en una posición muy próxima a las cámaras de infrarrojos.
8. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por el uso de una cámara de infrarrojos con dos detectores que capturan imágenes A y B con la ayuda de un divisor de haz y una celda de correlación de gases dentro de la cámara. La imagen visible C se captura simultáneamente con una cámara montada en una posición muy próxima a la cámara de infrarrojos.
9. Método según la reivindicación 1 ó 2, caracterizado por el uso de una cámara de infrarrojos con un detector que captura secuencialmente imágenes A y B mediante el uso de un obturador que introduce y retira la celda de correlación de gases delante del detector. La imagen visible C se captura simultáneamente con una cámara montada en una posición muy próxima al telescopio.
10. Dispositivo para la formación de imágenes de distribuciones de gas utilizando técnicas ópticas, que comprende:
un dispositivo de cámara de infrarrojos de imagen dual para almacenar dos imágenes, A y B, y adaptado a una región seleccionada de longitudes de onda en la que está presente el espectro de absorción o emisión del gas, en el que:
A
\;
–
es la escena de infrarrojos registrada en una de las imágenes, la imagen directa;
B
\;
–
es la misma escena registrada con la luz de infrarrojos pasando por una celda de correlación de gases;
en el que el dispositivo de cámara incluye medios para la calibración que comprenden:
medios para registrar la temperatura de fondo usando la información contenida en la imagen A;
medios para determinar y almacenar las imágenes cero correspondientes A_{0} y B_{0} que incluyen medios para registrar un radiador de cuerpo negro a temperaturas diferentes y representar gráficamente la intensidad de los píxels obtenida con respecto a una intensidad calculada teóricamente, proporcionando la intersección de una línea recta, la cual está adaptada a los datos, con el eje, el nivel de cero individual en cada píxel de las imágenes, que constan de la autorradiación proveniente del dispositivo de cámara de imagen dual;
medios para calcular una imagen de correlación de gases, G = (A-A_{0})/(B-B_{0});
medios para calcular el nivel de concentración en cada píxel de la imagen G dispuestos para usar un diagrama que muestra la transmisión integrada en el perfil espectral seleccionado en función de la concentración integrada del gas expresada en ppm x metro para el gas específico, la diferencia de temperatura entre la temperatura de fondo y la temperatura de emisión del gas, y las temperaturas absolutas; y
medios para visualizar el resultado mediante la superposición de la imagen resultante de la concentración del gas sobre una imagen visible C de la escena.
11. Dispositivo según la reivindicación 10, caracterizado porque los medios de visualización están dispuestos para codificar por colores la imagen de concentración del gas.
12. Dispositivo según la reivindicación 10 u 11, que comprende un telescopio doble reflector con dos parábolas excéntricas para la captura simultánea de las imágenes A y B, dos espejos secundarios plano y en ángulo diseñados para evitar la reflexión de la autorradiación de la cámara de infrarrojos de vuelta hacia el detector de cámara, y una cámara, la cual se usa para capturar simultáneamente la imagen visible C, montada en una posición muy próxima al telescopio.
13. Dispositivo según la reivindicación 10 u 11, que comprende dos cámaras de microbolómetro de infrarrojos montadas juntas para la captura simultánea de las imágenes A y B. Las sensibilidades de las cámaras de infrarrojos se sintonizan con la región seleccionada de las longitudes de onda con el uso de recubrimientos antirreflexión y filtros de interferencias, y una cámara, la cual se usa para capturar simultáneamente la imagen visible C, montada en una posición muy próxima a las cámaras de infrarrojos.
14. Dispositivo según la reivindicación 10 u 11, que comprende dos cámaras QWIP (Fotodetector de Infrarrojos por Pozos Cuánticos) de infrarrojos montadas juntas para la captura simultánea de las imágenes A y B con las sensibilidades de los detectores optimizadas para la región seleccionada de las longitudes de ondas, y una cámara, la cual se usa para capturar simultáneamente la imagen visible C, montada en una posición muy próxima a las cámaras de infrarrojos.
15. Dispositivo según la reivindicación 10 u 11, que comprende una cámara de infrarrojos con dos detectores que capturan imágenes A y B con la ayuda de un divisor de haz y una celda de correlación de gases dentro de la cámara, y una cámara, la cual se usa para capturar simultáneamente la imagen visible C, montada en una posición muy próxima a la cámara de infrarrojos.
16. Dispositivo según la reivindicación 10 u 11, que comprende una cámara de infrarrojos con un detector que captura secuencialmente imágenes A y B mediante el uso de un obturador que introduce y retira la celda de correlación de gases delante del detector, y una cámara, la cual se usa para capturar simultáneamente la imagen visible C, montada en una posición muy próxima a la cámara de infrarrojos.
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