Automatische 3D-Ortung von Gaslecks
Forscher haben eine Methode zur Erstellung eines 3D-Bildes entwickelt, das detaillierte Informationen wie die Koordinaten, das Volumen und Konzentration eines Gas-Lecks liefert. Der neue Erkennungsansatz kann zur Frühwarnung, Risikobewertung oder Behebung eines Lecks eingesetzt werden.
Eine neue Technologie spürt ausgetretenes Gas per 3D-Ortung auf. Forscher der Anhui Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences haben eine Methode entwickelt, um das 3D-Bild einer Leckgaswolke zu erstellen, das detaillierte Infos über das Leck, wie Ort, Volumen und Konzentration, liefert. Der neue Ansatz zur automatischen Erkennung könnte zur Frühwarnung, Risikobewertung oder Bestimmung der besten Methode zur Behebung von Gaslecks eingesetzt werden. Details wurden in «Optics Express» publiziert.
Exaktes 3D-Bild der Wolke dank GPS
«Mit der rasanten Entwicklung der Gesellschaft gibt es heute überall auf der Welt große Anlagen, in denen giftige, schädliche, entflammbare und explosive Chemikalien gelagert werden. Wenn es in einer dieser Einrichtungen zu einem Leck kommt, ist es wichtig, die Zusammensetzung, die Konzentration, den Ort und die Verteilung schnell zu verstehen», so Forschungsleiter Liang Xu. Das Verfahren kombiniert Infos von zwei FTIR-Bildgebungssystemen (Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie) mit präzisen Positionsdaten von GPS- und Gyroskop-Sensoren, um ein 3D-Bild der Gaswolke zu erstellen, das einer digitalen Google Earth-Karte überlagert wird.
«Bisher konnte bei Leckagen der genaue Ort und die Richtung, in die sich das Gas bewegt, nicht bestimmt werden. Unsere Methode zur Erstellung der 3D-Rekonstruktion einer Gaswolke lässt sich nutzen, um den Breiten- und Längengrad des austretenen Gases genau zu bestimmen. Diese Informationen sind wichtig, um festzustellen, wer gefährdet sein könnte und um das Leck schnell zu stoppen, damit weniger Gas in die Atmosphäre gelangt», unterstreicht Erstautor Yunyou Hu.
Längen-, Breitengrad, Konzentration
Die FTIR-Spektroskopie wird wegen hoher Empfindlichkeit und Auflösung sowie ihrer Fähigkeit, Echtzeitmessungen mit einer Reichweite von etwa fünf Kilometer durchzuführen, häufig zur quantitativen Ferndetektion von gasförmigen Schadstoffen eingesetzt. Ein einzelnes FTIR-Fernerkundungssystem liefert jedoch nur 2D-Infos über ein Gasleck. Um ein 3D-Bild zu erstellen, nutzen die Forscher zwei Systeme, um 2D-Messungen einer Gaswolke aus verschiedenen Perspektiven zu erhalten. Diese Infos werden räumlich mit Standort-Angaben registriert, die mit GPS- und Gyroskopsensoren gewonnen werden. Die Daten werden in den computertomografischen Bildgebungsalgorithmus „Simultane Algebraische Rekonstruktionstechnik“ eingegeben, der eine 3D-Rekonstruktion der Gaswolke erstellt.
«Jedes Voxel oder 3D-Pixel in der rekonstruierten 3D-Gaswolke enthält 3D-Informationen über den Längen- und Breitengrad, die Konzentration und die Höhe des Gases im Verhältnis zum Boden. Die präzise Positionierung des überwachten Raums mithilfe von GPS- und Gyroskopsensoren ist der Schlüssel zur quantitativen 3D-Rekonstruktion von Gaswolken», verdeutlicht Hu.
Gaslecks in der Industrie aufspüren
Die Forscher haben ihre neue Methode in einem Freilandexperiment getestet, bei dem sie zwei scannende FTIR-Fernerkundungssysteme zur Fernüberwachung kleiner Mengen von Schwefelhexafluorid und Methan eingesetzt haben, die über zwei Minuten in einem Raum von etwa 315 Kubikmetern freigesetzt wurden. Es gelang ihnen, 3D-Darstellungen der Gaswolken mit Längen- und Breitengrad, Höhe und Konzentrationsverteilung für beide Gase zu erstellen.
«Um unsere Technik in einem realen Szenario anzuwenden, müssten zwei oder mehr scannende FTIR-Bildgebungssysteme um den überwachten Bereich herum installiert werden, um ein Cross-Scanning-Netzwerk zu bilden», so Hu. «Mit der von uns vorgeschlagenen Methode könnte dann eine 3D-Rekonstruktion einer undichten Gaswolke erstellt werden, die sich wiederum dazu verwenden ließe, die Leckquelle zu finden und Frühwarninformationen zu liefern.» Die Forscher arbeiten nun an der Optimierung der Rekonstruktionsmethode und planen, das System in realen industriellen Umgebungen zu testen.
