CN109946232A - 一种船舶废气扫描跟踪监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种船舶废气扫描跟踪监测系统，包括综合控制计算机、信号采集处理单元、多波长脉冲激光发射单元、电控三维云台、光学收发单元和摄像机，其特征在于：所述电控三维云台安装在光学收发单元下方，所述摄像机安装在光学收发单元的一侧并保持二者光轴方向一致。本发明克服了现有技术的不足，能够高效、实时、可远距离扫描跟踪监测船舶废气。

Description

一种船舶废气扫描跟踪监测系统

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体涉及一种船舶废气扫描跟踪监测系统。

背景技术

随着社会经济的高速发展，移动源污染问题日益突出，已成为空气污染的重要来源，移动源产生的废气对城市区域大气环境的负面影响也越来越大，进而影响到环境生态系统和人们的身体健康。

除了机动车之外，非道路移动源排放对空气质量的贡献也在逐年增大，据统计，目前工程机械保有量720万台，农业机械柴油总动力7.6亿千瓦，船舶保有量14.5万艘，飞机起降1024.9万架次，非道路移动源排放二氧化硫90多万吨，氮氧化物573万多吨。

现有针对移动源污染的监测主要集中在机动车尾气监测方面的应用较多，如检测厂年检、道路遥感检测等，相关设备系统也较为成熟，但是对于非道路移动源，特别是以柴油发动机为驱动的船舶、非道路工程机械设备等，由于其工作环境的特殊性，现有的检测设备难以满足实际应用需要，导致相关部门对其排放进行监管时存在较大难度，相关环境管理仍处于探索阶段。

因此研究一种高效、实时、可远距离扫描跟踪监测船舶废气的设备系统就显得尤为重要，为此，我们提出了一种船舶废气扫描跟踪监测系统。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种船舶废气扫描跟踪监测系统，克服现有技术的不足，能够高效、实时、可远距离扫描跟踪监测船舶废气。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种船舶废气扫描跟踪监测系统，包括综合控制计算机、信号采集处理单元、多波长脉冲激光发射单元、电控三维云台、光学收发单元和摄像机，所述电控三维云台安装在光学收发单元下方，所述摄像机安装在光学收发单元的一侧并保持二者光轴方向一致。

进一步的，所述信号采集处理单元包括分色镜、两个探测器和多路模数转换器，一个所述探测器位于分色镜侧面，另一个探测器位于分色镜后面，两个所述探测器分别与多路模数转换器通过数据线连接。

进一步的，所述多波长脉冲激光发射单元包括脉冲激光器、两个染料激光器、反射镜和分色镜，所述反射镜和分色镜分别放置于两个染料激光器的出光通道上。

进一步的，所述光学收发单元包括反射镜、接收望远镜和光纤，所述反射镜放置于出光通道的前端，所述光纤放置于反射镜和接收望远镜之间，且光纤输入端位于接收望远镜的焦点处。

进一步的，所述的船舶废气扫描跟踪监测系统还包括GPS装置和远程监控中心，所述综合控制计算机分别与GPS装置和远程监控中心相连接。

(三)有益效果

本发明实施例提供了一种船舶废气扫描跟踪监测系统。具备以下有益效果：

1、本系统可以在一定的立体空间区域范围内，实现对船舶废气进行远距离扫描监测，获取污染气体的时空分布图，可定位疑似废气排放点，并实现跟踪监测。

2、本系统可以通过各种网络通讯方式与监测现场实现数据传输，获取监测现场的所有数据并可远程对监测系统进行控制，实现无人值守连续监测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的系统结构框图；

图2为信号采集处理单元的结构示意图；

图3为多波长脉冲激光发射单元的结构示意图；

图4为光学收发单元的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参照附图1，本发明一实施例提供的一种船舶废气扫描跟踪监测系统，包括综合控制计算机1、信号采集处理单元2、多波长脉冲激光发射单元3、电控三维云台4、光学收发单元5和摄像机6，所述电控三维云台4安装在光学收发单元5下方，所述摄像机6安装在光学收发单元5的一侧并保持二者光轴方向一致。

所述综合控制计算机1按照一定的时序控制多波长脉冲激光发射单元3分时发射不同波长的脉冲激光束10，其中两个波长相近且具有明显不同的待测气体吸收截面的脉冲激光束为一组，用于测量一种气体，例如波长为446.8nm和448.1nm的激光用于测量NO2气体，波长为300.05nm和301.5nm的激光用于测量SO2气体，脉冲激光束10通过光学收发单元5出射到外部空间，与外部空间大气作用的后向散射光11返回到光学收发单元5，经汇聚收集后导入信号采集处理单元2，信号采集处理单元2在综合控制计算机1的时序控制下将随时间变化的回波信号转换成数字信号后发送给综合控制计算机1。

本实施例中，如图2所示，所述信号采集处理单元2包括多路模数转换器201、SO2探测器202、分色镜203和NO2探测器204，所述SO2探测器202和NO2探测器204均为光电倍增管，所述NO2探测器204位于分色镜203侧面，所述SO2探测器202位于分色镜203后面。

来自光纤输出端506的光束12入射到分色镜203后，其中波长为446.8nm和448.1nm的光被反射到NO2探测器204中，波长为300.05nm和301.5nm的光透射到SO2探测器202中，SO2探测器202和NO2探测器204分别与多路模数转换器201通过数据线连接，由多路模数转换器201将探测器输出的模拟信号转换成数字信号。

本实施例中，如图3所示，多波长脉冲激光发射单元3包括Nd:YAG脉冲激光器301、SO2染料激光器302、NO2染料激光器303、分色镜304和反射镜305，分色镜304和反射镜305分别放置于SO2染料激光器302、NO2染料激光器303的出光通道上。

在所述综合控制计算机1的时序控制下，Nd:YAG脉冲激光器301同时发出波长为355nm的激光束307和波长为532nm的激光束306，激光束307经过NO2染料激光器303进行波长调制后分别产生波长为446.8nm和448.1nm的激光束309，同时激光束306经过SO2染料激光器302进行波长调制后分别产生波长为300.05nm和301.5nm的激光束308，激光束309经过反射镜305反射到分色镜304上，与同样射入分色镜304的激光束308合为一束脉冲激光束10。

本实施例中，如图4所示，光学收发单元5包括两个反射镜501和502、接收望远镜503和光纤504，所述反射镜502放置于出光通道的前端，所述光纤504放置于反射镜502和接收望远镜503之间，所述光纤输入端505位于接收望远镜503的焦点处，所述接收望远镜503为牛顿式接收望远镜，其口径为300mm，焦距750mm。

来自多波长脉冲激光发射单元3的脉冲激光束10射入光学收发单元5之后，经反射镜501和502调整发射路径后出射到外部空间，其与外部空间大气作用的后向散射光11返回到光学收发单元5，由接收望远镜503汇聚到光纤输入端505，再由光纤输出端506导入信号采集处理单元2进行处理。

本实施例中，如图1所示，所述的船舶废气扫描跟踪监测系统还包括GPS装置7和远程监控中心8，所述综合控制计算机1分别与GPS装置7和远程监控中心8相连接。

综合控制计算机1通过GPS装置7获取当前监测点的地理位置数据，再根据扫描获得的污染气体的时空分布图可以反推出疑似废气排放点9相对于监测点的距离和方向角度信息，从而计算出疑似废气排放点9的地理位置数据，为相关部门快速赶往现场提供参考，同时对于船舶等装配有GPS装置的移动源，相关部门通过数据匹配可以直接获取目标船舶的详细信息。

远程监控中心8通过各种网络通讯方式与监测现场实现数据传输，获取监测现场的所有数据并可远程对监测系统进行控制，实现无人值守连续监测。

根据本发明上述实施例的船舶废气扫描跟踪监测系统，综合控制计算机1在控制多波长脉冲激光发射单元3发射脉冲激光束10的同时，启动多路模数转换器201连续记录一定时间内的探测数据，这些随时间分布的数据即代表当前激光路径上相对监测点不同距离的后向散射光11的强度数据，即光强-距离分布数据，最先采集到的是距离监测点最近的光强数据，最后采集到的是距离监测点最远的光强数据。

例如，当前可探测到距离监测点3km处的后向散射光，根据光在空气中的传播速度约为3×108m/s，则脉冲激光束10从光学收发单元5发出并到达3km位置所需时间为10μs，3km位置处的后向散射光返回光学收发单元5所需时间也是10μs，则多路模数转换器201在第20μs时获取到的信号即为距离监测点3km位置处的后向散射光强度数据。

综合控制计算机1对获取的一组两个相近波长的脉冲激光回波信号的光强-距离分布数据进行差分处理，再结合痕量气体的吸收效应来确定当前激光路径上待测气体的浓度-距离分布数据，相关计算原理如下。

这两个波长相近的激光束，一个波长位于待测气体分子的吸收峰，记为λon，而另一个波长位于待测气体分子的吸收谷，记为λoff，将两个波长的回波信号强度进行反演即可确定测量路径上不同探测距离处所含待测气体的浓度。在距离z处待测气体分子的数密度N(z)可表示为

式中

Δσ＝σ(λ_on)-σ(λ_off) (2)

其中，P(λon,z)和P(λoff,z)分别为波长λon和λoff在距离z处的脉冲激光回波信号；Δσ为待测气体分子在波长λon和λoff处的吸收截面差，σ(λ_on)、σ(λ_off)分别为待测气体分子在波长λon和λoff处的吸收截面值；B、EA及EM分别为大气后向散射作用项、大气气溶胶消光作用项及大气分子消光作用项，统称为修正项；β(λ_on,z)和β(λ_off,z)、α_A(λ_on,z)、α_A(λ_off,z)及α_M(λ_on,z)和α_M(λ_off,z)分别为在距离z处波长λon和λoff处大气的后向散射系数、气溶胶的消光系数和大气分子的消光系数。

当λon和λoff相差很小时，这两个波长与气溶胶相互作用引起的后向散射系数、气溶胶消光系数和分子消光系数基本相同，于是选择项B、EA及EM可以忽略不计，式(1)可简化为

实际计算中，需要对式(6)进行差分运算，用z到z+Δz之间的平均值作为N(z)的测量值，Δz称为差分距离，则式(6)可表示为

同时，综合控制计算机1按照设定的参数控制电控三维云台4的俯仰角度、水平角度和运动速度，带动光学收发单元5实现一定立体空间区域范围的光学扫描，从而获取多条激光路径上对应气体的浓度-距离分布数据，结合光学收发单元5的运动轨迹即可获得对应气体的浓度-空间分布数据，并绘制出污染气体的时空分布图。通过数据分析可定位疑似废气排放点9，并可根据需要控制电控三维云台4实现对疑似废气排放点9进行连续跟踪监测。

综合控制计算机1通过GPS装置7获取当前监测点的地理位置数据，再根据扫描获得的污染气体的时空分布图可以反推出疑似废气排放点9相对于监测点的距离和方向角度信息，从而计算出疑似废气排放点9的地理位置数据，为相关部门快速赶往现场提供参考，同时对于船舶等装配有GPS装置的移动源，相关部门通过数据匹配可以直接获取目标船舶的详细信息。

摄像机6在光学收发单元5进行空间扫描的同时记录监测区域的图像信息，对于船舶等移动源，通过图像分析技术分析其运动情况并辅助跟踪监测。

远程监控中心8通过各种网络通讯方式与监测现场实现数据传输，获取监测现场的所有数据并可远程对监测系统进行控制，实现无人值守连续监测。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (5)

1.一种船舶废气扫描跟踪监测系统，包括综合控制计算机、信号采集处理单元、多波长脉冲激光发射单元、电控三维云台、光学收发单元和摄像机，其特征在于：所述电控三维云台安装在光学收发单元下方，所述摄像机安装在光学收发单元的一侧并保持二者光轴方向一致。

2.如权利要求1所述的一种船舶废气扫描跟踪监测系统，其特征在于：所述信号采集处理单元包括分色镜、两个探测器和多路模数转换器，一个所述探测器位于分色镜侧面，另一个探测器位于分色镜后面，两个所述探测器分别与多路模数转换器通过数据线连接。

3.如权利要求1所述的一种船舶废气扫描跟踪监测系统，其特征在于：所述多波长脉冲激光发射单元包括脉冲激光器、两个染料激光器、反射镜和分色镜，所述反射镜和分色镜分别放置于两个染料激光器的出光通道上。

4.如权利要求1所述的一种船舶废气扫描跟踪监测系统，其特征在于：所述光学收发单元包括反射镜、接收望远镜和光纤，所述反射镜放置于出光通道的前端，所述光纤放置于反射镜和接收望远镜之间，且光纤输入端位于接收望远镜的焦点处。

5.如权利要求1所述的一种船舶废气扫描跟踪监测系统，其特征在于：所述的船舶废气扫描跟踪监测系统还包括GPS装置和远程监控中心，所述综合控制计算机分别与GPS装置和远程监控中心相连接。