CN108362664A - 机动车尾气遥测设备及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种机动车尾气遥测设备及系统，涉及尾气检测领域，以缓解现有的机动车尾气遥测存在测量精度较差的问题，能够提高测量精度。该装置包括依次连接的机动车尾气检测模块、调制解调模块以及数据采集卡，机动车尾气检测模块包括收发一体端和反射端，收发一体端包括：探测装置、光路滤光及聚焦装置、驱动装置、第一反射装置和检测光源；反射端包括第二反射装置；检测光源发出指定波长的检测光经第一反射装置反射至第二反射装置；第二反射装置将穿过机动车尾气的检测光后向反射回第一反射装置，经过光路滤光及聚焦装置滤光和聚焦后进入探测装置；驱动装置能够驱动第一反射装置摆动。
Description
技术领域
本发明涉及机动车尾气检测技术领域，尤其是涉及一种机动车尾气遥测设备及系统。
背景技术
目前，现有的机动车尾气测量通常采用NDIR技术(非分散红外吸收技术)和DOAS技术(紫外差分吸收光谱技术)，上述技术的原理均基于朗伯比尔定律，即根据每种气体对应的红外、紫外波段的特定吸收峰来选择对应波段的宽带光源(紫外灯，或红外灯)，穿过气团后的光被探测器部分接收，根据有、无气团两种情况下，探测到的光信号的强弱对比来量化待测气体的浓度，但是由于上述机动车尾气测量技术采用的是宽带光源或者宽波段光源，存在多种气体交叉干扰吸收、测量结果分辨率差，导致车辆捕捉效率低、测量精度低的问题。
综上，现有的机动车尾气遥测存在车辆捕捉效率低和测量精度低的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供机动车尾气遥测设备及系统，以缓解现有技术中的机动车尾气遥测存在车辆捕捉效率低和测量精度较差的问题。
第一方面，本发明实施例提供了一种机动车尾气遥测设备，包括：机动车尾气检测模块、调制解调模块以及数据采集卡，所述机动车尾气检测模块与所述调制解调模块相连接，所述调制解调模块与所述数据采集卡相连接；
所述机动车尾气检测模块包括收发一体端和反射端，所述收发一体端包括：探测装置、光路滤光及聚焦装置、驱动装置、第一反射装置和检测光源；所述反射端包括第二反射装置；
所述检测光源发出指定波长的检测光经第一反射装置反射至第二反射装置；第二反射装置将穿过机动车尾气的检测光后向反射回第一反射装置，经过光路滤光及聚焦装置滤光和聚焦后进入探测装置；所述驱动装置能够驱动所述第一反射装置摆动。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，所述探测装置包括探测器阵列；所述光路滤光及聚焦装置包括滤波片阵列和汇聚元件阵列；所述驱动装置包括驱动电机阵列；所述第一反射装置包括反射器阵列；所述检测光源采用可调谐半导体激光光源，所述可调谐半导体激光光源包括：激光器阵列以及激光控制器；
所述第二反射装置包括后向反射单元，所述后向反射单元采用后向反射膜或后向反射器。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，所述探测器阵列包括至少一个探测器；
所述滤光片阵列包括至少一个滤光片，所述滤光片采用窄带滤光片；
所述汇聚元件阵列包括至少一个汇聚元件，所述汇聚元件采用凹面镜或凸透镜；
所述探测器阵列中的探测器的个数、滤波片阵列中的滤波片的个数和汇聚元件阵列中的汇聚元件的个数均与激光器阵列中的激光器的个数相适应；
所述驱动电机阵列包括至少一个驱动电机，所述反射器阵列包括至少一个反射器，所述反射器可以采用反射镜，所述驱动电机阵列中的驱动电机与反射器阵列中的反射器的个数相适应。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，所述收发一体端还包括：光源合束装置、光源分束装置和第三反射装置；
所述光源合束装置设置在所述检测光源的出光方向，所述光源合束装置用于将多个检测光源发出的检测光进行合束，生成复合光；
所述光源分束装置设置在光路滤光及聚焦装置的进光方向，所述光源分束装置用于将复合光进行分束后入射至光路滤光及聚焦装置；
所述第三反射装置设置在所述光源分束装置的进光方向，所述第三反射装置用于将所述第二反射装置后向反射回第一反射装置的复合光反射至光源分束装置进行分束；
所述第三反射装置包括反射镜组阵列；
所述光源合束装置包括合束镀膜镜组；
所述光源分束装置包括分束镀膜镜组；
所述反射镜组阵列中的反射镜组的个数与反射器阵列中的反射器的个数相适应；
所述合束镀膜镜组中的合束镀膜镜的个数与分束镀膜镜组中的分束镀膜镜的个数相适应。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，该机动车尾气遥测设备还包括不透光度测试模块，所述不透光度测试模块用于对机动车尾气烟羽的不透光度进行测量。
结合第一方面第四种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第五种可能的实施方式，其中，所述不透光度测试模块包括：光电探测器、滤光及聚焦组件、光学反射镜组件和不透光度测试光源；
所述不透光测试光源发出的测试光依次经过光学反射镜组件、滤光及聚焦组件进入光电探测器。
结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第六种可能的实施方式，其中，所述机动车尾气检测模块还包括自动标定装置，所述自动标定装置用于对测量结果进行自动标定。
结合第一方面的第一种可能的实施方式，本发明实施例提供了第一方面的第七种可能的实施方式，其中，该机动车尾气遥测设备还包括：所述激光器阵列中的激光器采用分布反馈半导体激光器、带间级联半导体激光器或量子级联半导体激光器的至少一种。
第二方面，本发明实施例还提供一种机动车尾气遥测系统，包括：上位机和第一方面及其可能的实施方式中任一项所述的机动车尾气遥测设备，所述上位机与所述机动车尾气遥测设备相连接。
结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，该机动车尾气遥测设备系统还包括：速度/加速度测量模块、牌照识别及视频模块以及微型气象站模块；所述速度/加速度测量模块、牌照识别及视频模块和微型气象站模块分别与所述上位机相连接；
所述速度/加速度测量模块用于测量待测机动车的速度/加速度，并将所述速度/加速度发送至所述上位机；
所述牌照识别及视频模块用于拍摄待测机动车的图像信息，并将所述图像信息传递至所述上位机；
微型气象站模块用于采集机动车尾气遥测设备的环境信息，并将所述环境信息发送至所述上位机。
本发明实施例带来了以下有益效果：
本发明实施例提供的机动车尾气遥测设备及系统中，应用机动车尾气遥测领域，其中，该机动车尾气遥测设备包括：机动车尾气检测模块、调制解调模块以及数据采集卡，机动车尾气检测模块与调制解调模块相连接，调制解调模块与数据采集卡相连接；机动车尾气检测模块包括收发一体端和反射端，收发一体端包括：探测装置、光路滤光及聚焦装置、驱动装置、第一反射装置和检测光源；反射端包括第二反射装置；检测光源发出指定波长的检测光经第一反射装置反射至第二反射装置；第二反射装置将穿过机动车尾气的检测光后向反射回第一反射装置，经过光路滤光及聚焦装置滤光和聚焦后进入探测装置；驱动装置能够驱动第一反射装置摆动。因此，本发明实施例提供的技术方案，能够缓解现有的机动车尾气遥测存在车辆捕捉效率低、测量精度较差的问题，提高设备测量精度，拓宽了检测范围，实现对整个或多个车道的气体检测。
此外该机动车尾气遥测设备基于TDLAS技术，相较于NDIR技术、DOAS技术以及DUV技术，还具有窄线宽，灵敏度高，响应速度快，光谱分辨率高，检测限低等优点，且设备不需要频繁标定，因此使用该设备测量到的汽车尾气的精准度更高。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式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，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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为本发明实施例提供的机动车尾气遥测设备的结构框图；
图2为图1中的机动车尾气检测模块的一种示意图；
图3为本发明实施例提供的机动车尾气遥测设备的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种机动车尾气检测模块的扫描光路示意图；
图5为本发明实施例提供的机动车尾气检测模块的另一示意图；
图6为本发明实施例提供的另一种机动车尾气检测模块的扫描光路示意图；
图7为图6中的第三反射装置的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的机动车尾气遥测系统的结构框图；
图9为本发明实施例提供的机动车尾气遥测系统的示意图。
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，下面将结合附图对本发明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做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。
目前，现有的机动车尾气遥测采用NDIR技术(非分散红外吸收技术)和DOAS技术(紫外差分吸收光谱技术)原理是基于朗伯比尔定律，根据每种气体对应的红外波段的特定吸收峰来选择对应波段的宽带光源，并根据吸收信号的强弱对比来量化待测气体的浓度；但是由于上述机动车尾气测量技术采用的是宽带光源或者宽波段光源，存在多种气体交叉干扰吸收、测量结果分辨率差，导致测量精度低的问题。，此外，现有的遥测方法也是垂直式遥测光路，但是其光路分布无非是单点或两点反射，这种光路排布对排气筒定位精度较低，从而造成车辆捕捉效率低和测量结果精确度差。综上，现有的机动车尾气遥测方法存在测量精度较低的问题。基于此，本发明实施例提供的一种机动车尾气遥测设备及系统，可以缓解现有的机动车尾气遥测方法存在测量精度较低的问题，本发明实施例提供了一种结合TDLAS技术和扫描式光路设计的技术方案，能够提高车辆捕捉效率和测量精度。
为便于对本实施例进行理解，首先对本发明实施例所公开的一种机动车尾气遥测设备进行详细介绍。
实施例一：
本发明实施例提供了一种机动车尾气遥测设备，应用于机动车尾气检测领域。
如图1至图3所示，该机动车尾气遥测设备包括：机动车尾气检测模块1、调制解调模块2以及数据采集卡3，上述机动车尾气检测模块与上述调制解调模块相连接，上述调制解调模块与上述数据采集卡相连接。
上述机动车尾气检测模块用于对机动车尾气中的各气体浓度进行检测，得到检测信号。
上述调制解调模块用于对检测信号进行调制解调，生成解调信号。
上述数据采集卡用于接收解调信号，并将上述解调信号传输至与之相连的微控制器或者上位机。
其中，上述机动车尾气检测模块包括收发一体端和反射端，上述收发一体端包括：探测装置14、光路滤光及聚焦装置13、驱动装置12、第一反射装置11和检测光源10；上述反射端包括第二反射装置15。
上述检测光源发出指定波长的检测光经第一反射装置反射至第二反射装置；第二反射装置将穿过机动车尾气的检测光后向反射回第一反射装置，经过光路滤光及聚焦装置滤光和聚焦后进入探测装置；上述驱动装置能够驱动上述第一反射装置摆动。
具体的，上述检测光源发出指定波长(所需波长或者波长范围)的检测光。
上述第一反射装置接收检测光源发出的检测光，将检测光反射至第二反射装置。
上述第二反射装置接收第一反射装置反射的检测光，将反射的检测光后向反射回第一反射装置。
上述第一反射装置接收第二反射装置反射回的检测光，将反射回的检测光输出至光路滤光及聚焦装置。
上述光路滤光及聚焦装置接收第一反射装置输出的检测光，对输出的检测光进行滤光和聚焦后进入探测装置。
探测装置接收经由光路滤光及聚焦装置入射的检测光，对入射的检测光进行光谱测量。
上述驱动装置用于带动上述第一反射装置摆动，使得光路摆动弧线可覆盖整个或多个车道，从而实现对不同区域的气体检测。提高了车辆捕捉效率和测量精度。
进一步的，上述调制解调模块包括调制信号单元和解调单元。
其中，上述调制信号单元包括低频扫描电路21和高频调制电路22；低频扫描电路21可以采用低频锯齿波扫描电路和高频调制电路22可以采用高频正弦波调制电路迭加输入激光控制器。高频正弦波为调制信号、低频锯齿波为波长扫描信号，两种信号的具体波形不受限制。
这里低频扫描信号是驱动激光器输出波长在设置范围内往复扫描，调制信号则是为激光做“标记”，方便后续解调出对应“标记”的谐波信号。
上述解调单元采用调制解调器或者相敏检波器，上述调制解调器包括调制解调板阵列23。
上述数据采集卡包括A/D采集卡阵列31。
具体的，探测装置通过调制调解板与数据采集卡相连接。
进一步的，上述探测装置14包括探测器阵列141；上述光路滤光及聚焦装置包括滤波片阵列和汇聚元件阵列；上述驱动装置包括驱动电机阵列；上述第一反射装置包括反射器阵列；上述检测光源采用可调谐半导体激光光源，上述可调谐半导体激光光源包括：激光器阵列102以及激光控制器101。
上述激光器控制器用于控制上述激光器阵列中的各激光器分别发出所需波长范围的检测光。
上述第二反射装置包括后向反射单元，上述后向反射单元采用后向反射膜或后向反射器。其中，上述后向反射器包括后向反射镜，具体的，上述后向反射镜采用后向反射膜或角锥镜阵列。
进一步的，上述激光器阵列中的激光器采用分布反馈半导体激光器、带间级联半导体激光器或量子级联半导体激光器的至少一种。
具体的，根据检测的尾气种类选取不同的激光器，本实施例中基于TDLAS技术，采用TDLAS方案测试尾气中的CO2、CO、HC和NOx(氮氧化合物)的浓度；例如，其中CO2和CO的吸收光源可以选取近红外波段的分布反馈半导体激光器、HC(例如C3H8)可以选用中红外波段的带间级联半导体激光器、NOx可以选取中红外波段的量子级联半导体激光器。
需要说明的是，本方案还保护用TDLAS法测量尾气中的其他气体如氧气O2，氨气NH3等，即TDLAS光路和光源不限于4种。
进一步地，上述激光控制器具有温度控制功能和电流控制功能，温度控制功能能够实现控制上述激光器模组中各激光在环境温度范围内保持稳定工作温度，上述电流控制功能同时产生正弦电流和锯齿电流，正弦电流和锯齿电流分别叠加组成激光器驱动电流，驱动激光器阵列中各激光器发出所需波长范围的检测光。
进一步的，上述探测器阵列包括至少一个探测器。
上述滤光片阵列包括至少一个滤光片，上述滤光片采用窄带滤光片。
上述汇聚元件阵列包括至少一个汇聚元件，上述汇聚元件可采用凹面镜或凸透镜。
上述探测器阵列中的探测器的个数、滤波片阵列中的滤波片的个数和汇聚元件阵列中的汇聚元件的个数均与激光器阵列中的激光器的个数相适应。
上述驱动电机阵列包括至少一个驱动电机，上述反射器阵列包括至少一个反射器，上述反射器可以采用反射镜，上述驱动电机阵列中的驱动电机与反射器阵列中的反射器的个数相适应。
进一步的，该机动车尾气遥测设备还包括不透光度测试模块，上述不透光度测试模块用于对机动车尾气烟羽的不透光度进行测量。
具体的，上述不透光度测试模块包括：光电探测器51、滤光及聚焦组件、光学反射镜组件53和不透光度测试光源52；
上述不透光测试光源发出的测试光依次经过光学反射镜组件、滤光及聚焦组件进入光电探测器。
不透光度测试光源发出指定波长的测试光束，上述光学反射镜组件将穿过机动车尾气的测试光束反射至上述滤光及聚焦组件进行聚焦和滤波处理，经上述滤光及聚焦组件出射的测试光由上述光电探测器组探测接收，光电探测器能够对接收的测试光进行放大和采集。
进一步的，该不透光度测试模块还可以包括合束组件以及分束组件。
在本实施例中，为了节约设备成本，该滤光及聚焦单元可以采用上述的光路滤光及聚焦装置13；该光学反射镜组件可以采用上述的第一反射装置和第二反射装置；该合束组件、分束组件分别采用上述的光源合束装置和光源分束装置。需要说明的是，共享上述装置时，需要将每种组件的个数作适应性调整，在此不再赘述。
需要指出的是，在另外一些实施例中，该不透光度测试模块的滤光及聚焦单元、光学反射镜组件可以采用单独的设备。
进一步的，上述不透光测试光源采用波长520nm—570nm范围的光源。
例如采用黄光光源或者绿光光源(由相应的激光器提供)。
具体的，本实施例中不透光测试光源采用532nm全固态半导体激光器(DPSS)。
进一步的，该不透光度测试模块或机动车尾气检测模块还可以包括准直透镜组件，设置在激光器阵列的出光方向，用于将激光器阵列发出的检测光准直形成平行光束后发射到上述第一反射装置上。
下面结合图4对本发明实施例提供的一种机动车尾气检测模块的扫描光路进行说明：
该有害气体模块基于TDLAS技术，包括收发射一体端和反射端两部分。需要说明的是，相比于NDIR技术和DOAS技术，TDLAS技术具有窄线宽，灵敏度高，响应速度快，光谱分辨率高，检测限低，仪器不需要频繁标定等优点。
其中，该收发一体端包含5种光源(由激光器阵列中不同波长的激光器La1-La5发出)，各个激光器发出的激光器经过第一反射装置(反射器阵列对应的反射器R1-R5)反射至发射端的第二反射装置上，该第二反射装置预先设置在路面上，在此过程中，检测光穿过机动车尾气，第二反射装置将穿过机动车尾气的检测光平行返回至第一反射装置，经过光路滤光及聚焦装置(滤波片阵列中对应波长的窄带滤波片L1-L5和汇聚元件阵列中对应的汇聚元件F1-F5)进行滤波和聚焦处理后入射至探测装置(探测器阵列中对应波长的探测器D1-D5接收)。
需要说明的是，这里的第二反射装置，可以是后向反射膜或由多个后向反射单元组成的后向反射器阵列，数量不做限定，任意角度入射到第二反射装置上的光束均可经其反射并平行于入射光出射。
此外，上述滤光片的位置与汇聚元件的位置可以调换，即可以先滤光再汇聚，也可以先汇聚再滤光。图中仅示出了一种位置关系，不应理解为对本发明的限制。
上述的反射器R1-R5由对应的驱动电机(图中以圆形表示)驱动，可以在一定角度范围内来回摆动，反射器往返摆动时可使出射光路随之摆动，出射光路摆动角度是电机摆动角度的2倍，光路摆动弧线可覆盖整个或多个车道。
此外，驱动电机也可以在摆动到一定角度时固定，从而使反射器固定，通过增加排气筒定位装置对排气筒进行追踪定位，调整光路对尾气进行测量，方式更加多样。
即每种光源发出一种检测光(用以检测一种待测气体)，每种检测光依次经过对应的反射器反射至第二反射装置上，第二反射装置将每种检测光平行返回至对应的反射器上，经过对应的滤波片和汇聚元件后入射至对应的探测器。
需要指出的是，上述每个探测器进行光谱测量，生成检测信号，将检测信号传递至对应的调制解调板进行解调后由数据采集卡接收，随后上传至上位机。
本发明实施例提供的机动车尾气遥测设备包括：机动车尾气检测模块、调制解调模块以及数据采集卡，机动车尾气检测模块与调制解调模块相连接，调制解调模块与数据采集卡相连接；机动车尾气检测模块包括收发一体端和反射端，收发一体端包括：探测装置、光路滤光及聚焦装置、驱动装置、第一反射装置和检测光源；反射端包括第二反射装置；检测光源发出指定波长的检测光经第一反射装置反射至第二反射装置；第二反射装置将穿过机动车尾气的检测光后向反射回第一反射装置，经过光路滤光及聚焦装置滤光和聚焦后进入探测装置；驱动装置能够驱动第一反射装置摆动。因此，本发明实施例提供的技术方案，能够缓解现有的机动车尾气遥测存在测量精度较差的问题，提高设备测量精度，拓宽了检测范围，实现对整个或多个车道的气体检测。
实施例二：
如图5所示，本发明实施例提供了另一种机动车尾气遥测设备，与实施例一的区别在于，本实施例中的收发一体端还包括：光源合束装置16、光源分束装置17和第三反射装置18。
上述光源合束装置设置在上述检测光源的出光方向，上述光源合束装置用于将多个检测光源发出的检测光进行合束，生成复合光。
上述光源分束装置设置在光路滤光及聚焦装置的进光方向，上述光源分束装置用于将复合光进行分束后入射至光路滤光及聚焦装置。
上述第三反射装置设置在上述光源分束装置的进光方向，上述第三反射装置用于将上述第二反射装置后向反射回第一反射装置的复合光反射至光源分束装置进行分束。
上述第三反射装置包括反射镜组阵列。
上述光源合束装置包括合束镀膜镜组。
上述光源分束装置包括分束镀膜镜组。
上述反射镜组阵列中的反射镜组的个数与反射器阵列中的反射器的个数相适应。
上述合束镀膜镜组中的合束镀膜镜的个数与分束镀膜镜组中的分束镀膜镜的个数相适应。
具体的，该机动车尾气检测模块基于TDLAS方法测机动车尾气，包括收发一体端和反射端两部分。
其中，收发一体端包含N种光源(对应N个不同波长的激光器)，选用合束镀膜镜组(包括N-1片镀膜镜，例如M1-MN-1)将以上N种光源发出的检测激光合成一束(需要说明的是，也可以采用其他合束方案将N路光束合成合成两束、合成三束，…，或者不合束，合束前光路路数不限，合束后总光路路数也不限)，实现单束(或多束)复合光输出；单束(或多束)复合光经过第一反射装置的反射镜阵列反射至发射端的第二反射装置。
该第二反射装置预先设置在路面上，在此过程中，单束(多束)复合光穿过机动车尾气，第二反射装置将穿过机动车尾气的复合光平行返回至第一反射装置经由第三反射装置入射至分束镀膜镜组(包括N-1片镀膜镜，KN-1-K1)分束后(需要说明的是，这里的分束方案与上述的合束方案相对应，以将合束的光分束输入到对应波长的探测器中，这里不再赘述)进入光路滤光及聚焦装置中滤波片阵列中对应波长的窄带滤波片(N片)和汇聚元件阵列中对应的汇聚元件(N片)，经过光路滤光及聚焦装置进行滤波和聚焦处理后入射至探测装置，由探测装置中的探测器阵列中对应波长的探测器(N个)接收。
这里的反射镜(或阵列)M5(MN)由电机驱动，反射镜摆动时可使出射光路随之摆动，出射光路摆动角度是电机摆动角度的2倍，使得光路摆动弧线可覆盖整个或多个车道。
此处的第二反射装置，由多个后向反射单元组成，任意角度入射到反射端的光束均可经其反射并平行于入射光出射，也可用分离的单个/多个后向反射器，后向反射器数量不限。
需要指出的是，分束方案中的分束光路与合束方案中的合束光路数量一致，即分束的光路数量不限，采用的分束方法不限。当然也可以采用其他分束方案，如棱镜色散或旋转电机旋转不同反射镜面的时分复用方法，从而达到将各波段光束分开的目的。
此外，在多路光合束过程中，合束后多个反射镜M5的摆放顺序可以是沿车道前进方向，也可以垂直车道前进方向不限，反射镜的个数不限。
为了方便理解，下面结合图6对本发明实施例提供的另一种机动车尾气检测模块的光路进行说明：
该机动车尾气检测模块基于TDLAS方法测机动车尾气，包括收发一体端和反射端两部分。
其中，收发一体端包含5种光源(对应La1-La5激光器)，选用合束镀膜镜组(包括4片镀膜镜M1-M4)将以上5种光源合束(本实施例中将5路光合成一束复合光(即单束复合光)，实现单束复合光输出；单束复合光经过反射镜(或反射镜阵列)M5反射后从发射端输出。
需要指出的是，也可以采用其他合束方案将五路光的任意路光束进行合束，例如3束光合束或2束光合束或不合束均可，合束光路路数不限，合束后总光路路数也不限。
经反射端的第二反射装置反射的复合光束再次回到发射端对应的第一反射装置的反射镜(或者反射镜阵列)M5上，经第三反射装置的反射镜组(或者反射镜组阵列)M6反射后，经过分束镀膜镜组(如K4-K1，或1件、2件、3件等数量与上述的合束方案对应)分束(需要指出的是，分束方案也可采用时分复用方法或棱镜色散方法分束)，经各波段对应的滤光片(如L1-L5)和汇聚元件(如F1-F5)后进入接收端探测器。。如图7所示，该第三发射装置的反射镜组为由两个夹角为45°的平面反射镜构成，可将任意角度入射的光90°出射。
这里的反射镜(或反射镜阵列)M5由驱动电机驱动，可以在一定角度范围内来回摆动，反射镜往返摆动时可使出射光路随之摆动，光路摆动弧线可覆盖整个或多个车道。这里的第三反射装置的反射镜组(或反射镜组阵列)M6与反射镜(或反射镜阵列)M5的位置和个数相对应。
为了描述简洁，本实施例未说明之处参照上述实施例一，此处不再累述。
进一步的，上述机动车尾气检测模块还包括自动标定装置，上述自动标定装置用于对测量结果进行自动标定。
自动标定装置设置在机动车尾气检测模块的接收端处(例如探测器阵列)，上述自动标定设置在上述光路滤光及聚焦装置外侧(初始位置放置在检测光路之外)，控制系统控制上述自动标定装置每隔一段时间运转至上述光路滤光及聚焦装置前对各个物种通道进行标定。
具体的，收发一体端中，在每一路探测器前还设有用于标定的自动标定装置，该自动标定装置采用气体吸收池装置(气室内装有已知浓度的标准混合/单纯气体)，该气体吸收池装置作为定时标定仪器，设置有智能控制的机械结构，由控制器和电机联合控制，当到达控制器预先设置的标定时刻时或手动选择标定时刻时，该机械结构转动气室并将其置于光路中，使光路经过标准气体，分析气体浓度进行标定。
进一步的，该自动标定装置可以采用密封吸收池标定装置或者非密封标定装置。
具体的，在本实施例中，该基于TDLAS技术的机动车尾气检测模块中，接收端处还配有用于标定的标气气室，用于定期对设备进行标定，气室由气室电机和与气室电机相连接的控制器联合控制，标定过程为全自动完成(此为密封吸收池标定装置)，即在设备接收端外，入光口前垂直光路方向设置标气喷气嘴，该喷气嘴与标气气瓶、电磁开关阀(控制喷气开关)等连接，可由上位机自动控制喷气嘴的开关，当喷气嘴打开时，标气喷射到光路中，被设备探测并得到各气体浓度值，与标气的实际浓度值比较，最终根据测量值与实际值的偏差补偿系统误差。
实施例三：
如图8和图9所示，本发明实施例还提供了一种机动车尾气遥测系统，该系统包括：上位机100和前述实施例提及的机动车尾气遥测设备200，上述上位机与上述机动车尾气遥测设备相连接。
具体的，上述上位机与机动车尾气遥测设备的数据采集卡相连接。
上位机作为控制系统，例如主机(计算机)。
这里的上位机包括控制终端或者控制中心平台。
需要说明的是，激光控制器、调制信号单元、解调单元等均由上位机控制，最终结合预先存储的标定好的浓度方案计算出待测气体的浓度(该浓度计算算法为背景技术中的已知技术)。
进一步的，该系统还包括：速度/加速度测量模块300、牌照识别及视频模块400以及微型气象站模块500；上述速度/加速度测量模块、牌照识别及视频模块和微型气象站模块分别与上述上位机相连接。
具体的，上述速度/加速度测量模块用于测量待测机动车的速度/加速度，并将上述速度/加速度发送至上述上位机。
上述牌照识别及视频模块用于拍摄待测机动车的图像信息，并将上述图像信息传递至上述上位机。
微型气象站模块用于采集机动车尾气遥测设备的环境信息，并将上述环境信息发送至上述上位机。
进一步的，上述速度/加速度测量模块包括速度传感器和/或加速度传感器。
上述牌照识别及视频模块包括摄像装置。上述摄像装置采用一体式摄像机，能够拍摄机动车经过尾气监测点时车头或者车尾的图像信息。
上述微型气象站模块包括温度传感器、湿度传感器、压力传感器及风速传感器的至少一种，能够采集尾气监测点的机动车尾气遥测设备周围的环境信息，上述环境信息包括温度、湿度、压力及风速的至少一种。
进一步的，该系统还包括数据传输模块600；上述数据传输模块与上述上位机相连接，上述数据传输模块用于与下位机、服务器或者客户端进行通讯。
具体的，数据传输模块包括有线收发装置或者无线收发装置。
需要说明的是，图9中以不透光度测试模块的光学反射镜组件53示意性的表示系统的未改进的光路，但是其实际光路以实施例一或实施例二的改进光路为准。
(1)基于上述遥测系统进行遥测的方法的具体步骤如下：
1.当车辆车头经过系统时，系统主机内的光电开关模块被触发，系统开启；
2.系统主机、速度/加速度等模块均开启，系统迅速测量出通过车辆的尾气中CO、C3H8、NO气体相对于CO2的比值：Q＝CO/CO2、Q′＝C3H8/CO2、Q″＝NO/CO2；
3.根据汽/柴油燃烧方程(参照GB 18352.5-2013《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第五阶段)》)：
CH1.85+m(0.21*O2+0.79*N2)→
a*CO+b*CO2+c*H2O+d*C3H8+e*NO+(0.79*m-e/2)N2
推算出CO、C3H8、NO气体相对于CO2的比值：Q＝CO/CO2、Q′＝C3H8/CO2、Q″＝NO/CO2，由于在尾气排出的极短时间t内，以上几种气体的扩散速度近似相等，则可以根据步骤2中测到的Q、Q′、Q″的值推算出尾气刚排出时各气体成分的浓度值(参照《光谱法机动车尾气遥测系统数据处理及分析软件设计》,P25-P27,2007)，以上仅为汽/柴油机燃料的燃烧方程，其他燃料的碳氢比例请参考国家标准GB 18352.5-2013。
4.同时根据系统已做好的不同浓度、温度、压强下的标定数据，可以推算出待测车辆经过时各气体的浓度值；
5.机动车经过时，尾气遥测主机系统可同时监测出其尾气烟羽的不透光度值N′，又由于尾气排出后极短时间t内尾气烟羽与各气体的扩散速率可近似相等，故可通过实际检测到的气体浓度C′，与计算出的尾气刚排除时的气体浓度C，计算出尾气烟羽刚排除时的不透光度N：C′/C＝N′/N
又由于不透光度的计算公式(参照JJG 976-2010《透射式盐度计检定规程》)：
N＝100*(1-T)％＝100*(1-e-kL)％
其中T为黄绿光光源穿过尾气烟羽后的透过率；k为单位光程烟羽的吸光系数；L为烟羽的有效光程。可根据上式求出尾气扩散前的不透光度N和吸光系数k。
6.尾气遥测系统同时可以输出烟度因子SF，烟度因子SF：可以反映每单位燃料燃烧排放的含碳颗粒物的值：
SF＝-ln(T)/(NCO2+NCO+NHC)
其中：
NCO2是单位光程内CO2的百分比含量，单位为％/cm；
NCO是单位光程内CO的百分比含量，单位为％/cm；
NHC是单位光程内HC(以C3H8为代表)的百分比含量，单位为％/cm。
(2)上位机(控制中心)自动控制标定过程，系统定期进行自动标定，具体有两种标定方式：①密封吸收池标定，将充有标气的密封吸收池固定在机械转动装置上，该机械装置位于接收端内部的探测器前端，由控制中心控制，需要标定时，装置自动旋转吸收池到光路中，使测量光路穿过吸收池，同时算法自动切换至标定算法，根据测量值与标准值的偏差对计算结果进行补偿；标定完成后，电机自动旋转，使吸收池离开测量光路；②遥测标定法：将标气喷气嘴设置于接收端入光口外，且与入射光垂直，喷气嘴与标气瓶相连接，由开关电磁阀控制，需要标定时开关阀自动打开向光路喷出一定量标气，系统根据穿过光路的标气计算出标气中各气体的浓度值，该值与标气实际浓度值比较，并据此对测量数据做出补偿；以上两种方式可同时使用，也可选至少一种进行标定。
(3)气体浓度的计算：探测器位于接收端，该接收端探测器还配有前置放大器，并由遥测设备中的调制解调模块，将探测器探测到的到的各频段吸收信号解调，结合算法及标定浓度反演计算出各组分待测气体浓度，该算法为现有技术，在此不再赘述。
目前市面上尚无一款可完全覆盖整个车道，或对排气筒位置准确定位的尾气检测系统，本发明实施例提供的技术方案将测量尾气中多种有害气体的浓度全套TDLAS系统与光路快速扫描方案相结合，可以在极短的响应时间内定位排气管位置并在极短的时间内完成测量，所以该系统弥补了不能准确测量尾气中多组分气体浓度的行业空白，并大大提高了车辆排气管的捕捉效率。
本发明实施例提供的机动车尾气遥测系统，与上述实施例提供的机动车尾气遥测设备具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，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：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种机动车尾气遥测设备，其特征在于，包括：机动车尾气检测模块、调制解调模块以及数据采集卡，所述机动车尾气检测模块与所述调制解调模块相连接，所述调制解调模块与所述数据采集卡相连接；
所述机动车尾气检测模块包括收发一体端和反射端，所述收发一体端包括：探测装置、光路滤光及聚焦装置、驱动装置、第一反射装置和检测光源；所述反射端包括第二反射装置；
所述检测光源发出指定波长的检测光经第一反射装置反射至第二反射装置；第二反射装置将穿过机动车尾气的检测光后向反射回第一反射装置，经过光路滤光及聚焦装置滤光和聚焦后进入探测装置；所述驱动装置能够驱动所述第一反射装置摆动。
2.根据权利要求1所述的机动车尾气遥测设备，其特征在于，所述探测装置包括探测器阵列；所述光路滤光及聚焦装置包括滤波片阵列和汇聚元件阵列；所述驱动装置包括驱动电机阵列；所述第一反射装置包括反射器阵列；所述检测光源采用可调谐半导体激光光源，所述可调谐半导体激光光源包括：激光器阵列以及激光控制器；
所述第二反射装置包括后向反射单元，所述后向反射单元采用后向反射膜或后向反射器。
3.根据权利要求2所述的机动车尾气遥测设备，其特征在于，所述探测器阵列包括至少一个探测器；
所述滤光片阵列包括至少一个滤光片，所述滤光片采用窄带滤光片；
所述汇聚元件阵列包括至少一个汇聚元件，所述汇聚元件采用凹面镜或凸透镜；
所述探测器阵列中的探测器的个数、滤波片阵列中的滤波片的个数和汇聚元件阵列中的汇聚元件的个数均与激光器阵列中的激光器的个数相适应；
所述驱动电机阵列包括至少一个驱动电机，所述反射器阵列包括至少一个反射器，所述反射器采用反射镜，所述驱动电机阵列中的驱动电机与反射器阵列中的反射器的个数相适应。
4.根据权利要求1所述的机动车尾气遥测设备，其特征在于，所述收发一体端还包括：光源合束装置、光源分束装置和第三反射装置；
所述光源合束装置设置在所述检测光源的出光方向，所述光源合束装置用于将多个检测光源发出的检测光进行合束，生成复合光；
所述光源分束装置设置在光路滤光及聚焦装置的进光方向，所述光源分束装置用于将复合光进行分束后入射至光路滤光及聚焦装置；
所述第三反射装置设置在所述光源分束装置的进光方向，所述第三反射装置用于将所述第二反射装置后向反射回第一反射装置的复合光反射至光源分束装置进行分束；
所述第三反射装置包括反射镜组阵列；
所述光源合束装置包括合束镀膜镜组；
所述光源分束装置包括分束镀膜镜组；
所述反射镜组阵列中的反射镜组的个数与反射器阵列中的反射器的个数相适应；
所述合束镀膜镜组中的合束镀膜镜的个数与分束镀膜镜组中的分束镀膜镜的个数相适应。
5.根据权利要求1所述的机动车尾气遥测设备，其特征在于，该机动车尾气遥测设备还包括不透光度测试模块，所述不透光度测试模块用于对机动车尾气烟羽的不透光度进行测量。
6.根据权利要求5所述的机动车尾气遥测设备，其特征在于，所述不透光度测试模块包括：光电探测器、滤光及聚焦组件、光学反射镜组件和不透光度测试光源；
所述不透光测试光源发出的测试光依次经过光学反射镜组件、滤光及聚焦组件进入光电探测器。
7.根据权利要求1所述的机动车尾气遥测设备，其特征在于，所述机动车尾气检测模块还包括自动标定装置，所述自动标定装置用于对测量结果进行自动标定。
8.根据权利要求2所述的机动车尾气遥测设备，其特征在于，所述激光器阵列中的激光器采用分布反馈半导体激光器、带间级联半导体激光器或量子级联半导体激光器的至少一种。
9.一种机动车尾气遥测系统，其特征在于，包括：上位机和权利要求1-8任一项所述的机动车尾气遥测设备，所述上位机与所述机动车尾气遥测设备相连接。
10.根据权利要求9所述的机动车尾气遥测系统，其特征在于，还包括：速度/加速度测量模块、牌照识别及视频模块以及微型气象站模块；所述速度/加速度测量模块、牌照识别及视频模块和微型气象站模块分别与所述上位机相连接；
所述速度/加速度测量模块用于测量待测机动车的速度/加速度，并将所述速度/加速度发送至所述上位机；
所述牌照识别及视频模块用于拍摄待测机动车的图像信息，并将所述图像信息传递至所述上位机；
微型气象站模块用于采集机动车尾气遥测设备的环境信息，并将所述环境信息发送至所述上位机。
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