华东师范大学研究人员开发出车载光谱系统 可在车辆行驶过程中实时可靠地检测甲烷

盖世汽车讯 据外媒报道，华东师范大学研究人员开发出一种车载光谱系统，能够在车辆行驶过程中实时可靠地检测甲烷。利用行驶中的车辆检测甲烷，可以更轻松地定位大范围内隐蔽的甲烷排放源。

甲烷是一种强效温室气体，其来源包括天然气基础设施、畜牧场、垃圾填埋场和煤矿等。天然气基础设施的泄漏通常肉眼不可见，还会引发火灾和爆炸隐患。

“双光梳光谱技术能够同时高精度地测量多种气体，但其对环境噪声非常敏感，这会降低其性能。我们的研究正是为了解决并克服这一关键挑战，”华东师范大学研究团队负责人李文雪表示。“配备我们光谱系统的SUV可以昼夜巡逻居民区街道。如果地下天然气管道发生甲烷泄漏，该系统可以捕捉气体浓度，记录GPS坐标，并通知维修人员。”

研究人员在期刊《光学快报》（Optics Express）上发表了他们基于中红外双光梳光谱技术的新型车载系统。他们证明，该系统能够识别模拟的天然气泄漏，并绘制多个室外地点和道路环境中排放源周围的二维气体扩散分布图。

李教授表示：“随着技术的进一步发展，这项技术可以帮助城市和企业量化难以检测的温室气体排放，为减排政策提供数据支持。更精准的甲烷泄漏定位可以实现有针对性的维修，减少资源浪费，改善附近居民的空气质量。这项技术还可以集成到无人机上，用于在非道路区域进行甲烷检测，从而进一步拓展其潜在应用。”

从实验室到实际应用

中红外双梳光谱技术利用两个精确匹配的频率梳（产生多个等间距波长的光源）来检测气体。中红外区域尤其有用，因为许多分子在该区域具有强烈且独特的吸收特征，使其非常适合灵敏的气体检测。

中红外光进入一个紧凑的开放式气体池，该气体池能够有效地穿过周围空气，形成一条25米的路径，从而在无需大型仪器的情况下提高系统的灵敏度。

“我们的系统无需在现场预先部署任何硬件，在运动过程中即可保持接近实验室级别的检测精度，支持高达100公里/小时（62英里/小时）的车速，并能对气体羽流热点进行地理定位，”研究院Luo说道。“此外，整个硬件结构紧凑，功耗相对较低，并采用模块化即插即用设计。”

系统路测

为了测试新系统，研究人员在大学校园内以约20公里/小时（12英里/小时）的速度进行了短途行驶，并在多个地点采集数据。随后，在城市道路和高速公路上进行了1小时、47公里（29英里）的路测，速度最高可达100公里/小时（62英里/小时），每秒采集一次读数。

该系统的品质因数达到了3.4 × 10⁶ Hz，与典型的实验室中红外双光梳光谱系统相当。它还能以66 ppb的精度测量甲烷，以114 ppm的精度测量水蒸气。在长距离城市测量期间，背景甲烷平均浓度为1.815 ppm，水蒸气平均浓度为1.072%。测量结果保持稳定，为识别局部气体浓度升高提供了稳定的基线。

研究人员还进行了受控甲烷释放测试，驾驶车辆驶过两个模拟泄漏点，以检测和定位甲烷羽流。他们围绕其中一个泄漏点绕圈行驶，生成了二维浓度图，该图与当地的风向模式高度吻合。

测试证实，该硬件能够承受真实道路上的振动和户外天气条件，并能准确检测大气背景浓度以及来自受控泄漏源的高浓度气体羽流信号。

为了推进研究原型的发展，研究人员计划通过扩展光谱覆盖范围来提高性能，从而实现多种痕量气体的同时检测，并进一步抑制长时间积分期间的基线漂移。他们还计划开发针对海量移动数据优化的自动化分析软件，并继续小型化系统，以降低其尺寸、重量和成本。最终，他们希望将该系统集成到无人机平台上，用于监测非道路区域。