ABB無人機(jī)載溫室氣體監(jiān)測解決方案

目錄

1. ABB無人機(jī)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(jī)載解決方案的應(yīng)用

無人機(jī)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(shí)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(jìn)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(diǎn)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(diǎn)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(xiàn)，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(jī)載溫室氣體監(jiān)測解決方案是全球首款搭載無人機(jī)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(jìn)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(jī)動性強(qiáng)、監(jiān)測面積大等優(yōu)點(diǎn)。機(jī)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(jī)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(bǔ)野外站點(diǎn)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(xiàng)重要輔助手段。

主要特點(diǎn)

• 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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jìn)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(jī)（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(jìn)一步拓展了隨時隨地進(jìn)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(jìn)行實(shí)地研究、合理監(jiān)測、空氣質(zhì)量研究，以及任何需要進(jìn)行靈敏的溫室氣體測量的地方。

特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)

• 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(jìn)行大面積區(qū)域和/或難以進(jìn)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(yùn)行；
• 氣體流量響應(yīng)時間快；
• 開機(jī)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(dú)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(xiàng)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(qiáng)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(diǎn)，限制了該技術(shù)的發(fā)展。為克服這些缺點(diǎn)，我們的科學(xué)家潛心研制了第四代腔增強(qiáng)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(jìn)展，性能卓越，非常可靠，同時對內(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(dú)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(shí)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(jìn)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(jìn)行掃描，大幅優(yōu)化信噪比SNR。為進(jìn)一步改進(jìn)，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(qiáng)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(jìn)而補(bǔ)償分析物的高速射率。

擁有成本低

優(yōu)勢：堅(jiān)固性。

獲益：提高穩(wěn)定性，減少停機(jī)時間（低維護(hù)）。

功能及說明：整體堅(jiān)固耐用的光學(xué)設(shè)計(jì) - 設(shè)計(jì)采用靜電隔離，即使機(jī)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(jìn)的組件和高水準(zhǔn)的工程和制造技術(shù)。

優(yōu)勢:維護(hù)更簡單、更快捷、成本更低。

獲益:擁有成本低，停機(jī)時間短（可現(xiàn)場維修）。

功能及說明:智能設(shè)計(jì) - 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(hù)。

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

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(hù)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(jì)，無需使用色譜柱、載氣、紙箱、溶劑或洗滌器。

優(yōu)勢:無需點(diǎn)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(jìn)行補(bǔ)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(yùn)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(shí)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(shí)現(xiàn)卓越性能。這使我們能夠提供非常簡單、堅(jiān)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(jī)載飛機(jī)，甚至無人機(jī)。

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(qiáng)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(jī)載解決方案的應(yīng)用

利用無人機(jī)實(shí)時檢測驗(yàn)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(jī)1和無人機(jī)2的照片，標(biāo)注出進(jìn)氣口位于兩款無人機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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。可用于精確和有效的通量量化。

無人機(jī)1與無人機(jī)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(yàn)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(jìn)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(jī) (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(jìn)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(jī)溫室氣體分析儀（左）集成到SIERRA機(jī)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(jī)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(jī)測試

阿拉斯加大學(xué)費(fèi)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?yàn)樵谖覀儧]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(diǎn)，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(jī)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(diǎn)甲烷通量的無人機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)和試驗(yàn)

固定翼無人機(jī)與旋翼無人機(jī)同時參與試驗(yàn)

這項(xiàng)工作代表了有關(guān)溫室氣體熱點(diǎn)通量計(jì)算的挑戰(zhàn)性問題的重要進(jìn)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(jī)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(yàn)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(xiàng)重要新要求。

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

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

2014 年 11 月 27 日在站點(diǎn) 1 上（左圖）與2015年3月5日在站點(diǎn)1（右圖）利用固定翼 無人機(jī)飛行的 2D 通量平面空間背景的甲烷增強(qiáng)（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(jī)載測量值與清單進(jìn)行比較

全球第一項(xiàng)使用機(jī)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(shí)現(xiàn)的：首先，采用并進(jìn)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(bǔ)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(jì)值，根據(jù)公式 (2.1) 計(jì)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(jì)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(diǎn)或電子補(bǔ)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?yàn)樗鼈兪怯筛鶕?jù)公式 (2.2) 計(jì)算的飛行軌跡以及文本和電子補(bǔ)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(bǔ)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(jìn)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(xiàn)，請參見文本。（在線彩色版本）