1、红外气体检测原理
多数双原子分子和多原子分子,在红外光谱范围里有其分子结构所决定的特征吸收谱。因此可以根据气体红外吸收光谱的特点来获得气体的种类，浓度等信息。以甲烷气体为例，在中红外3.3微米和7.65循米附近存在两个基本吸收光谱，在近红外1.33微米和1.66微米分别存在组合频带和泛频带。红外甲烷检测基于甲烷气体对红外光吸收的原理，当一定波长的红外光通过被测气体，气体在其吸收谱线处吸收红外光，在红外探测器上便可以检测出光强度的变化.根据Lambert-Beer定律可以得到气体的吸收情况。
红外气体检测技术包括直接吸收,光声光谱,光纤传感,可调谐激光二极管光谱(TDLS),波长/频率调制光谱(WMS/FMS)等,这几种方法可以单独采用，也可以结合起来取长补短，以获得更好的检测结果。对于复杂环境下的高精度测量，气体分子吸收光谐在压力或温度变化时存在展宽或谱线强度的改变。为了获得被测分子谱线的信息以及其它相关测量结果例如气体浓度、压力、温度等,可以采用基于TDLS和WMS的精确测量气体分子吸收谱线的方法。
2、红外检测技术在天然气生产中的运用
2.1监测天然气输送储运过程
无论是长距离天然气输送管道,还是压缩天然气(CNG)储运，对甲烷气体的泄露监测都非常重要。其中对于天然气管道泄漏的远距离安全巡检是一个待解决的难题。在野外或城镇环境下，受到地表树木、土壤、岩石以及建筑物的影响.探测无法直接进行,根据甲烷气体分子质量比空气的平均分子质量小的原理,天然气管道中泄漏出的甲烷气体向上漂浮在空气中,并同空气混合形成浓度较低的甲烷气团，红外气体检测是目前在天然气管道中进行泄漏检测的一种非常有效的方法。基于甲烷气体红外吸收原理的远距离遥感探测方法，可以在高空或近地表处实现对泄漏区城附近的甲烷探测，从而确定泄漏位置，为抢修提供最及时的帮助.采用TDLS和高频WMS技术能够克服空气湍流对测量的影响,同时结合谐波检测方法可以实现对低浓度甲烷气体的实时探测。
基于光纤拉曼放大技术的近红外甲烷传感系统结合TDLS和WMS。对甲烷吸收谱线进行扫描并采用谐波技术检测。通过同时扫描甲烷吸收谱线和谱线之间的空白区,并对空白区的噪声以及光强度衰减情况进行分析，能够克服远距离测量中激光照射到地表物体后存在的严重光散射和光吸收等问题。
激光器输出的1650nm的激光(甲烷气体在1650nm附近存在强吸收谱线)经过放大功率为1W的拉曼放大器放大后，照射在地表上，地表附近泄露出的甲烷
气团对激光吸收后,剩余的激光照射在陆地表面,经反射、散射之后的激光再次通过甲烷气团,然后通过一个大的菲涅尔透镜会聚到光电探测器上。该系统在100到150米的探测范围内可以获得100ppm.m的探测灵敏度,系统信噪比大于3。能够实现复杂环境下的天然气输送管道泄露的高灵敏度检测。
2.2对天然气伴生硫化氢气体的泄露监测
硫化氢是一种常见的天然气伴生气体。在我国四川等海相沉积盆地的天然气气田中硫化氢所占的比例较高。本世纪初四川达州市的天然气井曾经发生三起天然气泄露事件,伴随天然气一起泄露的硫化氢气体造成了严重的人员伤亡。硫化氢是剧毒气体,在空气中浓度超过150ppm时,对人的眼睛、呼吸道粘膜,嗅觉神经造成损伤,当浓度达到800ppm时,对人的生命构成威胁。泄露出的硫化氢气体由于分子量34大于空气平均分子量29，而不断在地表沉积并四处扩散,威胁附近居民的生命安全。现有的硫化氢检测多采用化学方法,需要将仪器放在硫化氢气体中或者对环境中的气体进行采样来分析其浓度,既无法保证实时监测，同时威胁到检测人员的安全。
远距离红外甲烷检测技术,同样可以应用在对硫化氢的远距离实时探测上。从HITRAN2008气体分子红外吸收光谱数据库可以知道，硫化氢在2.6微米和7.7微米附近有较强的吸收带,在4微米处有相对较弱的吸收谱。在空气中检测随天然气泄露的硫化氢气体,首先要克服空气中的水蒸气和残余的甲烷气体的干扰,水蒸气在2.6微米处存在强吸收谱，同时甲烷在7.65微米也存在比硫化氢吸收强度大了几十倍的吸收谱线。
对泄漏在空气中的硫化氢气体进行远距离检测,空气中残留的甲烷、以及水蒸气的干扰不可忽略。红外光谱是分子振动-转动的特征谐线，不同分子因为化学键的不同，具有不同波长的吸收谱。同时气体分子的吸收光谱并不连续分布的，而是在一个波长范围里离散的存在。谱线的宽度受到压力的影响而有不同程度的展宽，在不同的压力下具有高斯、Voigt、或者洛伦兹分布。气体分子的吸收谱线之间可以因为相近而存在交叠,或者由于分布较远前留有空白区。因此,通过详细分析水蒸气、甲烷,以及硫化氢气体在不同波长下，吸收谱线
之间的交叠情况,来选择不受或者受水蒸气、甲烷吸收谱线影响较小的硫化氢吸收谱线，并以此来进行检测，从而确定出所要采用的光源波长、类型以及检测方法等。
天然气泄露后，因为分子质量的不同，甲烷向上漂浮,而硫化氢向地表沉积。由于气体分子的扩散、对流,使得地面附近的硫化氢气团中混合有少量的甲烷气体。即使我们通过分析HITRAN分子光谱数据库,选择了低强度甲烷吸收谱线附近的硫化氢红外吸收谱，但是当较高浓度甲烷同低浓度化化氢同时存在时,在7460.5nm附近的硫化氢的吸收依然会被甲烷的吸收信号所淹没,可以用一种新的数值分析方法,用来在甲烷干扰下提取出硫化氢的吸收情况。两种气体吸收谱线相互交叠，实际测得的吸收是两种气体共同的吸收结果。根据数据库给出的谱线信息和实际测量结果，选取三个特征点，通常选择总吸收的峰值和谷底数值，根据它们之间的相互关系建立起一个二元一次方程组，来计算甲烷和硫化氢的浓度,同时能够消除掉测量过程中环境或其它因素所引起的误差。
通过分析调谐技术下获得的吸收谱线的特征,对存在甲烷干扰的情况下,通过选择吸收峰值和谷值来建立二元一次方程。在不同浓度甲烷气体的干扰下都能够同时计算出两种气体的浓度。在100ppm的甲烷干扰气体存在时，可以获得的最低可探测硫化氢浓度为10ppm,达到安全生产的要求，以此技术对含硫化氢的天然气井建立从钻井到生产全过程全方位的监控设施。以确保天然气生产的本质安全。从此可见,