碳中和催生黑科技：TDLAS+激光雷达强强联手！甲烷泄漏无所遁形

英国布里斯托尔大学所衍生出的QLM技术公司开发了一种基于量子光谱技术的气体成像仪器。该设备称为QLM-1，让来自石油和天然气行业的的重要温室气体——甲烷泄漏——无所遁形。

“这款相机使用最进的量子光谱技术来‘看到不可见的气体分子’”英国研究与创新部（UKRI）商业化量子技术挑战总监Roger McKinlay说。

 一种新型的量子光谱气体成像技术让破坏环境的甲烷泄漏无所遁形（图片来源：UKRI）

该传感器使用一种称为可调谐二极管激光雷达（Tunable Diode Lidar, TDLidar）的新技术，该技术将可调谐二极管激光吸收光谱（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）、差分吸收激光雷达（Differential Absorption Lidar, DIAL）、和时间相关单光子计数（Time Correlated Single Photon Counting, TCSPC）的优势结合，实现了基于低功率半导体二极管激光器的远程气体光谱分析和测距。该团队的1个TDLidar甲烷传感器在随机调制连续波（RM-CW）激光雷达系统中，使用波长在甲烷分子吸收线附近1.6509 μm的近红外激光器和珀尔帖冷却单光子雪崩二极管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）探测器。

相较于现有基于激光的甲烷测量系统通常使用复杂且昂贵的反射镜阵列，将光反射到传统检测器中。QLM产品使用的SPAD探测器足够灵敏，可以仅探测几个光子，而且无需镜子提供反射回波。

这项工作由英国的工业战略挑战基金旗下的商业化量子技术挑战项目资助，是两年期的研究项目——碳排放单光子激光雷达成像（Single Photon Lidar Imaming of Carbon Emissions, SPLICE）——的成果。SPLICE是英国国家量子技术计划的一部分，据QLM官网宣称，这个技术将使其气体可视化解决方案完全商业化。

QLM在其网站上表示：“SPLICE项目的总体目标是成功开发行业实用化的单光子激光雷达气体成像仪器，并可用于全球范围内的连续气体泄漏检测和温室气体监测。”该项目的三个关键目标是实现远距离条件下的高精度测量、产品实用性和广泛适用性，以及可扩展和低成本的技术。该项目资金将用于产品研发、现场试验、工艺优化和商业路演等。到项目结束时，QLM气体成像相机和配件将完全投用于石油、天然气、以及环境科学行业，从而在设施规模上颠覆性地改变监测甲烷和二氧化碳的方式。

值得一提的是，如果释放到大气中，甲烷作为温室气体的效力是二氧化碳的84倍。此外，科学家估计，如果从油气井中提取天然气的过程中有3.2% 的甲烷（天然气的主要成分）泄漏到大气中，其造成的温室效应，将使天然气的环保性比煤炭还要低。

在实际应用场景中，过去的监测方法通常囿于太长的反应时间，并且难以准确测量甲烷的泄漏。崭新的甲烷气体成像系统可以远距离连续检测、量化和模拟泄漏的发展，还可以监控排放率并创建气体泄漏位置的精确地图，并在气体泄漏时立即通知工厂操作员。这些优势都是对与当前检测方法的重大改进。

QLM首席执行官Murray Reed表示：“石油和天然气巨头已承诺大幅减少其甲烷排放量，然而没有人能够正确、连续和大规模地测量甲烷，无法测量的东西是没办法管理的。”“问题的规模是巨大的，仅在北美就有超过50万口活跃的气井，以及全球成千上万的海上钻井平台和储气设施。在英国，我们有24个主要的管道压缩机站，为长距离天然气管道供能，以及数百个地上储存装置。所有的设备都可能在某个时候发生泄漏。”

与此同时，谢菲尔德大学、阿斯顿大学和布里斯托尔大学正在努力扩大新传感器可以检测的气体范围，以包括许多其他温室气体。这开启了在农业和其他产业使用该技术的可能性。

作为SPLICE项目的补充，QLM与Inzpire Limited合作开展搭载在无人机上的甲烷测量试验，评估其激光雷达气体成像系统安装在无人机上的检测和量化甲烷排放的能力。基于对人眼安全的红外半导体激光器，对环境进行的激光扫描将可以构建物体和气体分子的3D图片，准确显示泄漏的位置和大小。

QLM的TDLidar甲烷传感器示意图：激光扫描可以构建物体和气体分子的3D图片，准确显示泄漏的位置和大小