CN108344737A - 基于被动遥感技术的港口多个泊位船只尾气的监测系统与方法 - Google Patents

基于被动遥感技术的港口多个泊位船只尾气的监测系统与方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于光学测量技术领域，具体为基于被动遥感技术的港口多个泊位船只尾气的监测系统和方法，包括：旋转平台、望远镜、摄像头、中轴、光谱仪、计算机；望远镜和摄像头对应于同一视场角，计算机控制下可测量出监测范围内各个水平和竖直角度的光谱信号，选取无船舶尾气污染的区域作为背景值，通过光谱分析测得差分光学厚度并推算出该平面内待测气体的分布情况；望远镜接收的光谱信号结合摄像头所记录的烟羽及天空云层状况，筛选出因云层导致的偏差较大的数据，并根据图中烟羽分布验证测量结果的准确性。本发明通过在不同视场下的光谱分析结果与拍摄照片对照分析，反映整个港口中船舶尾气的平面浓度分布图，快速确定港口中尾气浓度较高的船只。

Description

基于被动遥感技术的港口多个泊位船只尾气的监测系统与 方法
技术领域
本发明属于光学测量技术领域，具体涉及港口多个泊位船只尾气排放的监测系统与方法。
背景技术
船舶在航运和停泊的过程中，产生造成大气污染的物质主要由柴油机燃料燃烧所产生。排放的大气污染物主要包括PM、SO2、NOx 、HC、CO、VOCs 等，已成为沿岸地区尤其是港口城市的主要大气污染源。
根据《船舶发动机排气污染物排放限值及测量方法（中国第一、二阶段）》气态污染物的取样探头必须装在离船机排气系统出口至少十个排气管直径的下游处，并采取保温措施以保证在探头处的排气温度不低于343K。对于多缸船机具有几组排气歧管，允许从每组排气歧管单独采样，并计算平均排气排放量。
而对于SO2和NO2在线监测，原适用于烟气测量的主流红外分析仪表难以满足港口排放条件下的准确监测。大量工程应用实践表明，由于受水汽和气体组分交叉干扰、环境温度变化和现场振动等因素影响，国内外红外分析仪表普遍存在测量准确度差、零点和量程漂移大、检测下限高、仪表线性差等共性问题，从而很难满足监测要求。
本发明方法具有实时在线、快速以及多组分测量等特点；因此光谱法以其简单的机械结构和快速实时在线测量等优势成为当前热门的大气测量方法之一。
本方法中被动差分吸收光谱系统以接收太阳散射光来获取痕量气体的吸收光谱信号，不需要近距离采样，节省人力物力。
通过计算机控制水平旋转平台和竖直旋转平台对不同泊位的竖直方向浓度进行扫描检测，摄像机可同时记录现场照片，便于分析时排除天气不好造成的误差。利用计算机可快速并且同步分析处NO2和SO2等气体的浓度，快速方便，根据分析结果可快速定位污染源。
发明内容
本发明的目的在于改进现有的测量港口处船舶污染物方法繁琐且效果差、不能表示平均值等缺点，提供一种能够快速测量港口多个泊位船只尾气（包括NO2及SO2的）排放的监测系统，通过望远镜及摄像头的同轴观测，结合光谱数据及图像数据，可得到污染物的分布情况及现场天气和船舶停靠等情况。
本发明提供的港口多个泊位船只尾气排放的监测系统，是基于被动遥感技术的，主要包括：旋转平台、望远镜、摄像头、中轴、光谱仪、计算机等；其中，望远镜和摄像头分别与中轴垂直连接，且望远镜和摄像头对应同一视场角；望远镜用于汇聚太阳散射光信号，并将信号送入光谱仪，经光谱仪分光后得到相应的光谱图，并输入计算机；摄像头用于拍摄港口天空情况及烟羽情况，并把图片输入计算机；计算机与旋转平台连接并控制旋转平台旋转角度；旋转平台与中轴连接，用于控制中轴的旋转角度，从而控制望远镜对多个泊位以及背景区域上方进行扫描同时获取光谱信号，望远镜记录同一时刻同一视场角的天气情况及烟羽信息；计算机将光谱信息解析后得到监测范围内目标气体的浓度值，结合所拍摄的港口泊位上空图片，对分析结果进行筛选，获取在云层干扰小的情况下污染物垂直分布信息；并结合照片中所显示的烟羽分布情况，获取烟羽中污染气体浓度分布情况。
本发明中，所述旋转平台包括水平旋转平台和竖直旋转平台，由计算机控制旋转到任意角度，转动范围为0至360度，最小旋转角度为0.005度，能够精确且快速地旋转到预设的角度。可根据不同港口泊位情况，设置水平方向和竖直方向的监测范围。
本发明中，所述中轴分别与望远镜和摄像头垂直连接，并保证望远镜和摄像头两者的中心线平行，使摄像头和望远镜的视场一致。
本发明中，所述光谱仪内部自带有冷却装置，以减少CCD探测器的热噪音，这将极大降低了其对太阳散射光信号的干扰，提高了整个系统的信噪比；光谱仪放于室内，保证其工作温度相对稳定，获得稳定的光谱信息，保证测量精度。
本发明中，所述计算机中带有控制软件系统，计算机通过设置的软件系统，可以控制旋转平台动作，设置所要监测港口泊位以及背景区域对应的水平和竖直方向上的角度范围，精确控制望远镜和摄像头的俯仰角度，合并将两者传输过来的太阳散射光吸收光谱和天空状况图片，同步保存，合理设定扫描区域可直观反映出气体的浓度分布情况，找出排放船只。
具体来说，本发明的监测系统的监测流程为：
（一）采集港口泊位的背景与泊位处的光谱信号，其流程如图2所示。计算机通过程序设置，控制竖直旋转平台和水平旋转平台将望远镜和摄像头旋转至指定位置；控制水平和竖直旋转平台将望远镜和摄像头视场指向设定的最低俯仰角的背景角度，摄像头采集图像信息，望远镜采集散射光并通过光谱仪转化成光谱信号；再控制水平旋转平台将摄像头和望远镜旋转至泊位上方，依次采集图像和光谱信息，并同时将采集到的信息存储至计算机中；该俯仰角数据采集完毕后，水平旋转平台回到背景值，同时竖直旋转平台使望远镜和摄像头俯仰角度增加一度，并对该竖直高度上的背景和泊位的上方进行扫描与信息采集，直至采集完设定的最高俯仰角上的所有泊位上空信息后，水平和竖直旋转平台回到原位，开始下一轮扫描。
（二）光谱分析处理，其流程见附图3：将采集并储存于计算机中的背景与泊位处的光谱信号，利用软件对光谱数据进行分析，用差分光学吸收光谱法将同一俯仰角测得数据除以相应高度的背景值，获得差分光学厚度；此时可认为所测到的污染气体均来自于船舶排放；再加入尾气（如SO2和NO2等）气体的标准吸收截面，利用最小二乘法分析出各气体组分，得出每个测量单元中待测气体含量。将一个循环内数据整合到一起，通过绘制图表可以得到在该段时间内监测范围内气体分布情况。
本发明与现有技术相比的优点在于：望远镜和摄像头对应于同一视场角，并且通过计算机设定，可测量出监测范围内各个水平和竖直角度的光谱信号，选取无船舶尾气污染的区域作为背景值，通过光谱分析测得差分光学厚度并推算出该平面内待测气体的分布情况。望远镜接收的光谱信号结合摄像头所记录的烟羽及天空云层状况，不仅可以筛选出因云层导致的偏差较大的数据，也可以根据图中烟羽分布验证测量结果的准确性。
奔放没通过在不同视场下的光谱分析结果与拍摄照片对照分析，可直观反映整个港口中船舶尾气（NO2和SO2等）的平面浓度分布图，可快速确定港口中尾气浓度较高的船只。
附图说明
图1为本发明系统结构图示。
图2为计算机控制软件的结构框图。
图3为光谱分析处理流程图。
图4为应用本方法的外高桥港口实例图。
图中标号：1为泊位，2为竖直旋转平台，3为水平旋转平台，4为望远镜，5为摄像头，6为计算机， 7为光谱仪，8为光纤，9为图片信号线，10为光谱信号线，11为控制线。
具体实施方式
如图1所示，望远镜和摄像头同轴运动，水平旋转平台由计算机控制旋转到任意角度，转动范围为0至360度，竖直旋转平台可转动范围为0至90度，最小旋转角度为0.005度，能够精确且快速地旋转到预设的角度。望远镜和摄像头通过校准保证了其对应于同一视场。
根据现场实际情况，包括泊位对应角度、船舶烟囱高度、无船舶污染区域等，设定扫描的水平角度及竖直角度范围。
如图1所示，本发明装置对港口1多个泊位停靠的船只进行尾气进行测量，竖直旋转平台2与水平旋转平台3通过控制线11与计算机6相连，计算机6控制水平旋转平台3和竖直旋转平台 2 对不同泊位的竖直方向浓度进行扫描检测。望远镜4和摄像头5同一视场，分别记录该视场下的吸收光谱和泊位图片，然后由光谱信号线10和图片信号线9传输到计算机中，通过光谱分析可得出监测区域内待测气体的浓度分布情况。
如图1所示，本发明具体实施方法为：计算机6根据所要监测区域设定扫描范围，包括水平旋转范围和竖直旋转范围，计算机6首先通过控制线11控制水平旋转平台3使望远镜4和摄像头5旋转到所设定最低俯仰角的背景角度，望远镜4通过石英凸透镜将太阳散射光汇聚到光纤8中，并由光谱仪7进行分光和光电转换，得到太阳散射光谱，通过传输线10送入计算机6；与此同时，计算机6通过控制线9控制摄像头5拍摄当前角度下的港口天空状况；太阳散射光谱与对应图片保存在计算机6中。
如图2所示，通过计算机6设定，水平旋转平台3在俯仰角不改变的情况下从背景角度直接旋转到泊位1对应角度，并依次对泊位1区域内每个角度进行一次光谱采集和图片收集，对目标区域内水平方向最后一个角度信息采集完成后，水平旋转平台3使望远镜4和摄像头5旋转回到背景方向，同时竖直旋转平台2将望远镜4和摄像头5提高一个俯仰角，并依次对该俯仰角内背景角度及泊位1上方每个水平角度进行扫描。当完成一个扫描周期后，望远镜4与摄像头5回到原位，进行下一周期的扫描。
如图3所示，根据收集到的港口泊位处光谱文件与背景值的光谱文件进行差分处理，得出差分光学厚度，并结合SO2和NO2等吸收气体的吸收截面，利用QDOAS软件进行光谱拟合分析，可得出每个视场内SO2和NO2的柱浓度，将一个循环内每次测量的光谱信息同时分析即可得出泊位上方SO2和NO2浓度分布情况，快速确定排放船只对应位置；并根据图片中烟羽分布等信息来推算出烟羽扩算速度及体积大小，从而可近似求出烟羽中SO2和NO2的体积浓度，推算出船舶污染气体的排放量。
下面以外高桥港口监测为例，介绍本发明的过程。
如图4所示，我们在浦东海事局放置一台多轴被动差分光谱测量系统，仪器正对外高桥港口的船只停靠泊位，泊位距离仪器约1.2km，根据船只的停靠情况及船舶烟囱高度等现场情况，通过计算机设定监测范围，水平旋转角度为26°~34°，竖直方向旋转角度设为3°~7°，使监测范围内包括多个泊位上方信息。选取无船只停靠的、与监测区域相距300m左右的10°方位角处设置为背景值，可以去除环境中原有的气体浓度，得出船舶排放值。
具体监测过程为：
（一）、数据采集
1、将监测装置对准港口，将望远镜和摄像头调至同一视场角，在3°俯仰角、10°方位角采集背景值。
2、水平旋转平台将望远镜和摄像头转至26°方位角采集太阳光谱与天空照片，每隔一个角度采集一次数据直至转到方位角34°。
3、水平旋转平台复位至10°，竖直旋转平台将望远镜和摄像头提升为4°，并在背景处和泊位区域分别采集数据。
4、同样的，分别对5°、6°、7°俯仰角采集光谱和图片信息，并同时将收集到的数据存储于计算机中。采集完毕后，水平和竖直旋转平台复位，进行下一轮扫描。
（二）、数据处理
编制软件对光谱数据进行分析，根据差分光学吸收光谱法将同一俯仰角测得数据分别除以相应高度对应的10°方位角的背景值，获得差分光学厚度，再加入NO2和SO2等气体的标准吸收截面，利用最小二乘法分析出各气体组分，得出望远镜每个视场中NO2和SO2含量。将一个循环内数据整合到一起可以看出在该段时间内监测范围内气体分布情况。
（三）、结果分析
根据NO2和SO2气体的浓度分布情况可直接判断出烟羽的排放源，通过其对应的俯仰角和方位角，迅速定位到其实际位置，找到相应泊位。同时根据气体浓度及烟羽分布情况，得出该船舶的排放量，检测其尾气是否符合排放标准。
本发明方法具有实时在线、快速以及多组分测量等特点，通过计算机程序设置，不需要接近船舶采样，节省人力物力，准确方便。

Claims (6)

1.一种基于被动遥感技术的港口多个泊位船只尾气的监测系统，其特征在于，主要包括：旋转平台、望远镜、摄像头、中轴、光谱仪、计算机；其中：
所述望远镜和摄像头分别与中轴垂直连接，且望远镜和摄像头对应同一视场角；望远镜用于汇聚太阳散射光信号，并将信号送入光谱仪，经光谱仪分光后得到相应的光谱图，并输入计算机；摄像头用于拍摄港口天空情况及烟羽情况，并把图片输入计算机；
所述计算机与旋转平台连接并控制旋转平台旋转角度；旋转平台与中轴连接，用于控制中轴的旋转角度，从而控制望远镜对多个泊位以及背景区域上方进行扫描同时获取光谱信号，望远镜记录同一时刻同一视场角的天气情况及烟羽信息；计算机将光谱信息解析后得到对流层中痕量污染物的柱浓度，结合摄像头所拍摄的港口泊位上空图片，对分析结果进行筛选，获取在云层干扰小的情况下污染物垂直分布信息；并结合照片中所显示的烟羽分布情况，获取烟羽中污染气体浓度分布情况。
2.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述旋转平台包括水平旋转平台和竖直旋转平台，由计算机控制旋转到任意角度，转动范围为0至360度，最小旋转角度为0.005度，能够精确且快速地旋转到预设的角度。
3.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述中轴分别与望远镜和摄像头垂直连接，并保证望远镜和摄像头两者的中心线平行，使摄像头和望远镜的视场一致。
4.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述光谱仪内部自带有冷却装置，以减少CCD探测器的热噪音；光谱仪放于室内，保证其工作温度相对稳定，以获得稳定的光谱信息，保证测量精度。
5.根据权利要求1所述的监测系统，其特征在于，所述计算机中带有的旋转平台控制软件，设置所要监测港口泊位以及背景区域对应的水平和竖直方向上的角度范围，能够精确控制望远镜和摄像头的俯仰角度，合并将两者传输过来的太阳散射光吸收光谱和天空状况图片同步保存，合理设定扫描区域可直观反映出气体的浓度分布情况，找出排放船只。
6.基于权利要求1-5所述的监测系统的港口多个泊位船只尾气的监测方法，其特征在于，具体步骤如下：
（一）采集港口泊位的背景与泊位处的光谱信号：
控制竖直旋转平台和水平旋转平台将望远镜和摄像头旋转至指定位置；首先，控制水平和竖直旋转平台将望远镜和摄像头视场指向设定的最低俯仰角的背景角度，摄像头采集图像信息，望远镜采集散射光并通过光谱仪转化成光谱信号；再控制水平旋转平台将摄像头和望远镜旋转至泊位上方，依次采集图像和光谱信息，并同时将采集到的信息存储至计算机中；该俯仰角数据采集完毕后，水平旋转平台回到背景值，同时竖直旋转平台使望远镜和摄像头俯仰角度增加一度，并对该竖直高度上的背景和泊位的上方进行扫描与信息采集，直至采集完设定的最高俯仰角上的所有泊位上空信息后，水平和竖直旋转平台回到原位，开始下一轮扫描；
（二）光谱分析处理：
将采集并储存于计算机中的背景与泊位处的光谱信号，利用软件对光谱数据进行分析，用差分光学吸收光谱法将同一俯仰角测得数据除以相应高度的背景值，获得差分光学厚度；此时所测到的污染气体均来自于船舶排放；再加入尾气气体的标准吸收截面，利用最小二乘法分析出各气体组分，得出每个测量单元中待测气体含量；将一个循环内数据整合到一起，通过绘制图表，即得到在该段时间内监测范围内气体分布情况。
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