碳中和催生黑科技：TDLAS+激光雷達強強聯手！甲烷泄漏無所遁形

英國布里斯托爾大學所衍生出的QLM技術公司開發了一種基于量子光譜技術的氣體成像儀器。該設備稱為QLM-1，讓來自石油和天然氣行業的的重要溫室氣體——甲烷泄漏——無所遁形。

“這款相機使用最進的量子光譜技術來‘看到不可見的氣體分子’”英國研究與創新部（UKRI）商業化量子技術挑戰總監Roger McKinlay說。

一種新型的量子光譜氣體成像技術讓破壞環境的甲烷泄漏無所遁形（圖片來源：UKRI）

該傳感器使用一種稱為可調諧二極管激光雷達（Tunable Diode Lidar, TDLidar）的新技術，該技術將可調諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy, TDLAS）、差分吸收激光雷達（Differential Absorption Lidar, DIAL）、和時間相關單光子計數（Time Correlated Single Photon Counting, TCSPC）的優勢結合，實現了基于低功率半導體二極管激光器的遠程氣體光譜分析和測距。該團隊的第一個TDLidar甲烷傳感器在隨機調制連續波（RM-CW）激光雷達系統中，使用波長在甲烷分子吸收線附近1.6509 μm的近紅外激光器和珀爾帖冷卻單光子雪崩二極管（Single Photon Avalanche Diode, SPAD）探測器。

相較于現有基于激光的甲烷測量系統通常使用復雜且昂貴的反射鏡陣列，將光反射到傳統檢測器中。QLM產品使用的SPAD探測器足夠靈敏，可以僅探測幾個光子，而且無需鏡子提供反射回波。

這項工作由英國的工業戰略挑戰基金旗下的商業化量子技術挑戰項目資助，是兩年期的研究項目——碳排放單光子激光雷達成像（Single Photon Lidar Imaming of Carbon Emissions, SPLICE）——的成果。SPLICE是英國國家量子技術計劃的一部分，據QLM網宣稱，這個技術將使其氣體可視化解決方案*商業化。

QLM在其網站上表示：“SPLICE項目的總體目標是成功開發行業實用化的單光子激光雷達氣體成像儀器，并可用于連續氣體泄漏檢測和溫室氣體監測。”該項目的三個關鍵目標是實現遠距離條件下的高精度測量、產品實用性和廣泛適用性，以及可擴展和低成本的技術。該項目資金將用于產品研發、現場試驗、工藝優化和商業路演等。到項目結束時，QLM氣體成像相機和配件將*投用于石油、天然氣、以及環境科學行業，從而在設施規模上地改變監測甲烷和二氧化碳的方式。

值得一提的是，如果釋放到大氣中，甲烷作為溫室氣體的效力是二氧化碳的84倍。此外，科學家估計，如果從油氣井中提取天然氣的過程中有3.2% 的甲烷（天然氣的主要成分）泄漏到大氣中，其造成的溫室效應，將使天然氣的環保性比煤炭還要低。

在實際應用場景中，過去的監測方法通常囿于太長的反應時間，并且難以準確測量甲烷的泄漏。嶄新的甲烷氣體成像系統可以遠距離連續檢測、量化和模擬泄漏的發展，還可以監控排放率并創建氣體泄漏位置的精確地圖，并在氣體泄漏時立即通知工廠操作員。這些優勢都是對與當前檢測方法的重大改進。

QLM席執行官Murray Reed表示：“石油和天然氣*已承諾大幅減少其甲烷排放量，然而沒有人能夠正確、連續和大規模地測量甲烷，無法測量的東西是沒辦法管理的。”“問題的規模是巨大的，僅在北美就有超過50萬口活躍的氣井，以及成千上萬的海上鉆井平臺和儲氣設施。在英國，我們有24個主要的管道壓縮機站，為長距離天然氣管道供能，以及數百個地上儲存裝置。所有的設備都可能在某個時候發生泄漏。”

與此同時，謝菲爾德大學、阿斯頓大學和布里斯托爾大學正在努力擴大新傳感器可以檢測的氣體范圍，以包括許多其他溫室氣體。這開啟了在農業和其他產業使用該技術的可能性。

作為SPLICE項目的補充，QLM與Inzpire Limited合作開展搭載在無人機上的甲烷測量試驗，評估其激光雷達氣體成像系統安裝在無人機上的檢測和量化甲烷排放的能力。基于對人眼安全的紅外半導體激光器，對環境進行的激光掃描將可以構建物體和氣體分子的3D圖片，準確顯示泄漏的位置和大小。

QLM的TDLidar甲烷傳感器示意圖：激光掃描可以構建物體和氣體分子的3D圖片，準確顯示泄漏的位置和大小