ABB無人機載溫室氣體監(jiān)測解決方案

目錄

1. ABB無人機載溫室氣體監(jiān)測解決方案
2. LGR-ICOS的原理和優(yōu)勢
3. ABB無人機載解決方案的應(yīng)用

無人機載溫室氣體監(jiān)測解決方案

應(yīng)對氣候變化的核心是減少溫室氣體排放，特別是碳減排，這對于緩解氣候變化具有非常重要的意義。實現(xiàn)溫室氣體減排，踐行碳中和，需要建立低碳排放核算、報告、核查體系，碳監(jiān)測是輔助核算體系的重要支撐。圍繞碳達(dá)峰、碳中和的國家目標(biāo)，生態(tài)環(huán)境、氣象、國土資源等部門在系統(tǒng)開展溫室氣體監(jiān)測工作。

由于溫室氣體排放存在較大的時空變化特征，為了進行準(zhǔn)確的排放估算，必須揭示溫室氣體排放的時空規(guī)律性，這就需要時間分辨率高、監(jiān)測尺度廣、準(zhǔn)確度高、能夠長時間連續(xù)觀測的自動監(jiān)測技術(shù)和儀器。

針對當(dāng)前溫室氣體點源、面源、區(qū)域、全球等尺度下的監(jiān)測需求，ABB基于多種光學(xué)吸收原理，從太空到陸地，從固定污染源到大氣環(huán)境站，從點式到線面測量，提供“天-地-空”全域、立體、多維的高靈敏、高密度監(jiān)測技術(shù)與解決方案，可精準(zhǔn)量化來自城市、工業(yè)基礎(chǔ)設(shè)施和農(nóng)業(yè)等各類溫室氣體的源匯貢獻，為中國碳源匯數(shù)據(jù)的可測量、可報告、可核查提供高價值的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和科學(xué)方法支撐。

ABB無人機載溫室氣體監(jiān)測解決方案是全球首款搭載無人機的溫室氣體監(jiān)測解決方案，適用于大面積區(qū)域或人類難以進入?yún)^(qū)域的溫室氣體流量和排放的高空測量，具有靈敏度高、靈活性高、機動性強、監(jiān)測面積大等優(yōu)點。機載溫室氣體探測是對溫室氣體垂直的直接測量，結(jié)果具有更高的垂直分辨率與檢測精度。通過近地面機載觀測不僅能夠精準(zhǔn)穩(wěn)定獲取空間信息，而且能夠彌補野外站點觀測在空間連續(xù)性、區(qū)域一致性以及觀測精度上的不足，解決衛(wèi)星遙感時空分辨率過低以及與地面監(jiān)測校準(zhǔn)尺度不匹配的問題，成為溫室氣體監(jiān)測的一項重要輔助手段。

主要特點

• 測量精度高：采用ABB專利的離軸積分腔輸出光譜技術(shù)，測量精度可達(dá)ppb級別（十億分之一）；
• 重量輕：分析儀重量 <3 KG，便捷搭載于輕型無人機上，滯空時間 >30 分鐘；
• 快速響應(yīng)：快速響應(yīng)時間能使儀器在高速飛行時進行檢測，可以瞬時檢測100米范圍內(nèi)溫室氣體排放情況；
• 數(shù)據(jù)處理：先進的分析算法與地圖軟件顯示數(shù)據(jù)處理結(jié)果，專有的算法軟件鎖定排放源并估算排放量；
• 電子報告：軟件生成電子報告，便于分析決策；
• 信息安全：ABB網(wǎng)絡(luò)安全管理確保用戶的數(shù)據(jù)與系統(tǒng)始終處于安全狀態(tài)。

LGR-ICOS的原理和優(yōu)勢

測量，化繁為簡。靈敏、快速和緊湊的分析儀，用于測量CH?、CO?和H?O。

概述

ABB LGR-ICOS氣體分析儀以Los Gatos Research分析儀的悠久歷史和優(yōu)良業(yè)績?yōu)榛A(chǔ)，采用獲得專利的高軸積分腔輸出光譜（OA-ICOS）技術(shù)，這是可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（TDLAS）的最新演進技術(shù)。

ABB新的GLA133系列基于UAV的微型便攜式氣體分析儀，重量輕便，適合安裝在中型無人機（UAV）下面，僅需不到35W的電源，可同時測量并報告甲烷、二氧化碳和水蒸氣濃度。GLA133-GGA、GLA133-GPC和GLA133-CH4進一步拓展了隨時隨地進行溫室氣體測量的含義。

和所有LGR-ICOS分析儀一樣，GLA133-GGA、GLA133-GPC和GLA133-CH4測量速度快且簡單易用，這使其適合用于進行實地研究、合理監(jiān)測、空氣質(zhì)量研究，以及任何需要進行靈敏的溫室氣體測量的地方。

特點和優(yōu)點

• 重量輕便：<3kg（6.6磅）；
• 連續(xù)測量；
• 以最高10Hz的測量速度和高靈敏度報告數(shù)據(jù)；
• 適合進行大面積區(qū)域和/或難以進入?yún)^(qū)域的溫室氣體排放測量；
• 極寬的線性范圍，CH?測量范圍上限達(dá)到1%（可選）；
• 無交叉干擾；
• 直接依靠UAV的電池運行；
• 氣體流量響應(yīng)時間快；
• 開機后20秒內(nèi)即開始記錄數(shù)據(jù)；
• 多個數(shù)據(jù)輸出端和無線連接；

LGR-ICOS的技術(shù)優(yōu)勢

所有LGR-ICOS分析儀均以高軸積分腔輸出光譜（OA-ICOS）這一獨創(chuàng)的激光吸收技術(shù)為核心。與同類激光技術(shù)相比，這項ABB專利技術(shù)不僅具有眾多優(yōu)勢，而且還可取代各類應(yīng)用中長期采用的測量技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)生顛覆性影響。

腔增強吸收是一種超靈敏檢測方法，由LGR（如今的ABB）創(chuàng)始人Anthony O'Keefe在1988年以光腔衰落光譜CDRS形式首創(chuàng)。第一代技術(shù)雖富有創(chuàng)新性，但由于內(nèi)部光學(xué)元件需要更細(xì)致的放大器，導(dǎo)致高成本、低可靠性及易受噪聲和溫度/壓力變化影響等缺點，限制了該技術(shù)的發(fā)展。為克服這些缺點，我們的科學(xué)家潛心研制了第四代腔增強激光吸收技術(shù)OA-ICOS，并很快獲得專利。該方法代表了可調(diào)諧二極管激光吸收光譜的最新進展，性能卓越，非?？煽浚瑫r對內(nèi)部組件對準(zhǔn)及局部溫度和壓力變化的敏感度要低數(shù)個數(shù)量級，使得OA-ICOS非常適用于商業(yè)儀器，包括偏遠(yuǎn)和/或危險場所的苛刻應(yīng)用。

性能卓越

優(yōu)勢：超高靈敏度。

獲益：檢測ppt/ppb級污染物。

功能及說明：超長光程長度(>1000 m) - 使用后反射率提升，優(yōu)質(zhì)光學(xué)器件和電子元件。

優(yōu)勢：精確/高速操作。

獲益：精度高，可優(yōu)化過程監(jiān)測和控制。

功能及說明:采用高分辨率二級管激光吸收技術(shù)，低壓力和算法，最大限量減少交叉干擾 - 采用獨特技術(shù)，產(chǎn)生帶寬或光速，可用于消除氣流和其他化合物的交叉干擾影響。

優(yōu)勢:快速。

獲益:T90 <10-30秒，支持過程控制和實時監(jiān)控。

功能及說明:最佳體積-表面比，高流速和特殊涂層 - 優(yōu)化體積-表面比，噴涂特殊涂層，最大限量減少對系統(tǒng)特性污染物的記憶效應(yīng)。必要時，外部泵可增大流速，進一步優(yōu)化性能。

優(yōu)勢:單次掃描速度快，可用于滑動相關(guān)通道的研究。

獲益:超快速電子元件。

功能及說明:單次掃描頻率為100~1000 Hz，即使在0.1秒之內(nèi)，也可進行掃描，大幅優(yōu)化信噪比SNR。為進一步改進，用戶最多可選擇100秒。

優(yōu)勢:線性動態(tài)范圍寬。

獲益:在常規(guī)操作和偏移事件期間準(zhǔn)確量化測量的痕量和百分比。

功能及說明:有效光程長度隨吸收而減小 - 在預(yù)設(shè)上的多次反彈器或基于干涉波、回聲、晶格透射強度高于直接吸收，達(dá)到門窗和邊緣的面積。ICOS探測器需長時間，即激光或位后的光子退出的時間。該系統(tǒng)的間隔不大于在每次反彈時離開腔體的速率，進而補償分析物的高速射率。

擁有成本低

優(yōu)勢：堅固性。

獲益：提高穩(wěn)定性，減少停機時間（低維護）。

功能及說明：整體堅固耐用的光學(xué)設(shè)計 - 設(shè)計采用靜電隔離，即使機械部件發(fā)生漂移，也可將光維持在光路內(nèi)，從本質(zhì)上提高了振動，極端溫度和測量漂移的穩(wěn)定性。除此之外，還采用了最先進的組件和高水準(zhǔn)的工程和制造技術(shù)。

優(yōu)勢:維護更簡單、更快捷、成本更低。

獲益:擁有成本低，停機時間短（可現(xiàn)場維修）。

功能及說明:智能設(shè)計 - 可輕松更換長期受到污染的部件（過濾器）和正常老化部件（泵隔膜）或特殊情況下可能受到嚴(yán)重污染的部件（鏡片），必要時，甚至可由非專業(yè)人員更換。服務(wù)工程師可現(xiàn)場診斷并更換其他大多數(shù)部件。

優(yōu)勢:易于維護。

獲益:可現(xiàn)場對設(shè)備進行維護，CROS設(shè)備出現(xiàn)任何維護只能返廠維護。

優(yōu)勢:無需校準(zhǔn)。

獲益:無需校準(zhǔn)，只需偶爾檢定。

功能及說明:第一性原理測量技術(shù) - 除收集高分辨率吸收光譜外，還使用幾個參數(shù)（包括T*、P、衰落時間）的超精密測量值并輸入內(nèi)部算法，以在不使用主要參考方法的情況下應(yīng)用此示例的軟件。

優(yōu)勢:無耗材。

獲益:降低與維護耗材相關(guān)的擁有成本。

功能及說明:直接測量樣品，幾乎無需調(diào)節(jié) - 特殊設(shè)計，無需使用色譜柱、載氣、紙箱、溶劑或洗滌器。

優(yōu)勢:無需點漂移。

獲益:無需定期零氣校準(zhǔn)。

功能及說明:測量包括基線的光譜 - 每次均測得的基準(zhǔn)光開始掃描，如該基準(zhǔn)光發(fā)生偏移，則整個光譜（每次掃描）相應(yīng)進行補償。

注意

基于傳統(tǒng)光腔衰蕩光譜 (CRDS) 的分析儀需要高穩(wěn)定性的溫度和壓力才可運行。如果控制不當(dāng)，腔鏡位置或激光波長的變化就會影響測量有效性。因此，一些 CRDS 公司聲稱其特性為高穩(wěn)定性的溫度和壓力，而實際上，滿足這些特性要求會增加成本和復(fù)雜性并降低可靠性。

基于 ABB-LGR 專利離軸 ICOS 技術(shù)的分析儀無需這種穩(wěn)定性即可實現(xiàn)卓越性能。這使我們能夠提供非常簡單、堅固且易于維修的氣體和同位素分析儀，幾乎適用于任何地方的測量應(yīng)用且無需修改，包括機載飛機，甚至無人機。

對于需要長期穩(wěn)定性和最高性能的應(yīng)用，我們提供增強型性能系列產(chǎn)品（穩(wěn)定性為 0.005 開爾文和 0.0001 atm 大氣壓）。因此，我們可為您提供最符合需求和預(yù)算的選擇。

ABB無人機載解決方案的應(yīng)用

利用無人機實時檢測驗證近場高斯羽流反演通量量化技術(shù)

由歐洲地球科學(xué)聯(lián)盟發(fā)表

無人機1和無人機2的照片，標(biāo)注出進氣口位于兩款無人機的不同位置

近場高斯羽流反演通量量化方法可以在未來與無人機采樣一起可靠地用于從相對恒定的設(shè)施規(guī)模來源（如石油和天然氣開采基礎(chǔ)設(shè)施、畜牧業(yè)和垃圾填埋場）中獲得甲烷排放通量。一個令人興奮的未來應(yīng)用可能是將無人機采樣納入示蹤氣體釋放方法，其中目標(biāo)氣體和示蹤氣體的同時測量可以利用無人機的垂直采樣，避免了當(dāng)前移動車輛采樣無法采樣放樣羽流的限制?？捎糜诰_和有效的通量量化。

無人機1與無人機2的對比

曼徹斯特大學(xué)在英國第一個壓裂現(xiàn)場執(zhí)行的控釋測試結(jié)果：

• 使用了較高的泄漏速率（60 sLPM）；

• 平均風(fēng)速較快 18 mph（7-8 m/s）；

• 檢測到極高甲烷峰值；

• 在40米的高度持續(xù)檢測到泄漏；

• 我們驗證了大多數(shù)NGI通量與已知的受控排放通量具有良好的一致性。

在無人駕駛飛行器上利用溫室氣體分析儀測量二氧化碳、甲烷和水蒸氣

在北極圈的惡劣條件下進行有效測量

美國國家航空航天局 (NASA) 傳感器集成環(huán)境遠(yuǎn)程研究飛機 (SIERRA) 無人駕駛飛行器 (UAV) 中集成并搭載了一款緊湊、輕便的大氣氣體分析儀，用于對甲烷、二氧化碳和水蒸氣進行高度準(zhǔn)確的 1 Hz 測量。該分析儀用于測量飛行中的氣體濃度，并演示了在低至 10 m 的高度和偏遠(yuǎn)地區(qū)提供測量的系統(tǒng)。

無人機溫室氣體分析儀（左）集成到SIERRA機頭處（右）。該儀器尺寸大約30.5 cm×30.5 cm×28 cm.

試飛前幾天拍的航拍照片，顯示了簡易機場、冰川和冰川徑流區(qū)的位置。

(a) 測量的二氧化碳摩爾分?jǐn)?shù)與實際的認(rèn)證氣瓶值。 該儀器準(zhǔn)確且線性 (R2 = 0.999994)，優(yōu)于 0 到 1000 ppm 的標(biāo)氣不確定度 (±1 ppm)。

(b) 測量的甲烷摩爾分?jǐn)?shù)與實際的認(rèn)證氣瓶值。 該儀器在 0 至 5 ppm 范圍內(nèi)準(zhǔn)確且線性 (R2 = 0.999998) 至 ±1.7 ppb (1)。

(c) 測量的水蒸氣濃度與露點發(fā)生器值的關(guān)系。 該儀器準(zhǔn)確且線性 (R2 = 0.99987)，優(yōu)于 7000 至 20,000 ppm 的露點發(fā)生器精度 (0.2 ℃ )。

甲烷檢測技術(shù)的單盲測試比較 — 斯坦福/EDF移動監(jiān)測挑戰(zhàn)賽

斯坦福大學(xué)和EDF美國環(huán)保協(xié)會邀請ABB的兩組分析儀參與無人機測試

阿拉斯加大學(xué)費爾班克斯分校

“傳感器工作得非常好。我曾經(jīng)有一陣子慌了，因為在我們沒有故意打開泄漏的時候甲烷濃度水平竟然開始上升。我們很快發(fā)現(xiàn)在附近還有另外兩個非故意泄漏點，風(fēng)向的變化將它們帶到了我們的位置。儀器真的很敏感，我認(rèn)為它們可以幫助找到并修復(fù)泄漏。”

——比爾.辛普森教授

ABB兩組無人機甲烷檢測的總體有效率達(dá)到90.2%。

用于測量垃圾填埋場和溫室氣體排放熱點甲烷通量的無人機系統(tǒng)的開發(fā)和試驗

固定翼無人機與旋翼無人機同時參與試驗

這項工作代表了有關(guān)溫室氣體熱點通量計算的挑戰(zhàn)性問題的重要進展，并提供了對廣泛的類似環(huán)境的可轉(zhuǎn)移性，包括測量任何其他微量氣體（或氣溶膠）的通量，其中在無人機上安裝儀器是可行的，因此為我們解大氣環(huán)境變化開辟令人興奮的新途徑。這種新的測量解決方案可以添加到一個工具包中，以更好地驗證特定來源的溫室氣體排放清單——這是UNFCCC COP21（巴黎）氣候變化協(xié)議的一項重要新要求。

左圖：固定翼無人機系統(tǒng)于 2015 年 3 月 5 日在站點 1 進行的CO2 濃度垂直剖面測量（參考緯度）。

右圖：站點 2 的 3 次飛行同時測量 CO2 和 CH4 的散點圖（以顏色編碼）。擬合優(yōu)度統(tǒng)計顯示在左上角的插圖中。

2014 年 11 月 27 日在站點 1 上（左圖）與2015年3月5日在站點1（右圖）利用固定翼 無人機飛行的 2D 通量平面空間背景的甲烷增強（CH4e）（以 ppm 為單位，根據(jù)色標(biāo)）

澳大利亞蘇拉特盆地煤層氣工業(yè)甲烷排放量：將機載測量值與清單進行比較

全球第一項使用機載測量技術(shù)量化煤層氣甲烷排放的研究

該研究有助于國際合作測量油氣和其他部門的甲烷排放，以幫助公司和政府優(yōu)先考慮緩解行動和政策。這是通過以下組合實現(xiàn)的：首先，采用并進一步發(fā)展已建立的航空測量技術(shù)來推導(dǎo)空間分辨的甲烷通量。其次，根據(jù)當(dāng)?shù)貙淄榕欧耪吆蛿?shù)據(jù)源的了解，應(yīng)用澳大利亞的UNFCCC報告工作流程，并反復(fù)合并航空調(diào)查確定的遺漏甲烷排放源，編制空間解析的甲烷排放清單。

2018 年 9 月 15 日的飛行模式，反映了電子補充材料圖 SF16 中所示的拉格朗日飛行策略，用于西北風(fēng)情況。淺藍(lán)色線顯示離地 150 和 300 米 處的飛行軌跡。彩色 “ 地毯 ” 由 1 公里寬的切片組成，顯示沿這些 “ 切片 ” 的 CH4 排放估計值，根據(jù)公式 (2.1) 計算得出。沿每個切片以顏色編碼顯示的以 kg h-1 km-2 為單位的排放估計值表示沿切片的平均排放。較高的值與飛行軌跡上指示的峰值濃度一致。結(jié)果，如圖 4 中的數(shù)據(jù)點或電子補充材料表 ST4 中的條目所示，是彩色子區(qū)域的總數(shù)。其他情況是 T1 和 T4、T1 和 T2 以及 T3 和T4 之間的子區(qū)域。插圖顯示了沿橫斷面 T2 和 T3 的 “ 柱體壁 ”，因為它們是由根據(jù)公式 (2.2) 計算的飛行軌跡以及文本和電子補充材料 E 中的解釋定義的。軌跡連接上風(fēng)像素與下風(fēng)像素。藍(lán)色像素代表 5 kg 的 CH4 質(zhì)量（kg km-2 的顏色編碼與 kg h-1 km-2 或與左側(cè)的 ppb 不同），粉紅色代表 15 kg 和旅行時間為 1 h，則沿軌跡的平均排放為 10 kg h-1。（在線彩色版本。）

(a) UNSW 清單中 CH? 排放到大氣的主要來源（電子補充材料，表 ST1）。

(b) Surat Basin CSG 領(lǐng)域 TD 域的四種 CH? 排放估算的比較（注：對于 Scarpelli 2016 的估算，只有 CSG 和煤的估算）。TD 在本文中進行了估算，這種比較將這些排放量外推至年水平（kg yr-1）。有關(guān)多年來活動變化與 EF 與活動數(shù)據(jù)對排放差異的貢獻，請參見文本。（在線彩色版本）