CN109239001B - 机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置，包括机动车信息获取单元，还包括成像遥感监测单元和信号处理单元；成像遥感监测单元包括成像镜头，透过成像镜头的光经分光镜分为反射光和透射光，反射光依次经过第一分子泡、第一滤光片后由第一成像探测器成像；透射光依次经过第二分子泡、第二滤光片后由第二成像探测器成像。还公开了机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测方法。本发明有监测准确度高、数据离散度小、抗干扰抑制能力强、环境适应能力强、监测灵敏度高和结果可视性好等优点。
Description
技术领域
本发明涉及机动车尾气监测领域，具体涉及机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置，还涉及机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测方法。
背景技术
随着交通运输技术与需求的发展，机动车尾气排放对大气污染的比重日益增加，但是机动车分布广、流动性强，且所排放的尾气污染物无形影、变化快，为机动车尾气的实时、工况检测带来很大的难度，是监管制度建设的技术瓶颈。
国内外进行了大量的技术探索，目前各地车辆尾气排放检测普遍采用的是简易工况取样检测的方式，即在指定的检测场所和检测条件下，对机动车尾气排放进行取样，对超细颗粒物进行称量、计数或烟度测量，对挥发性有机物(VOCs)进行质谱分析等。该方法虽然精度高、超标认定准确，但是耗时、费力、效率低，且绝大多数无辜的非超标车辆也被迫检测，消耗了大量无谓的人力物力。
自上世纪90年代以来，发展出一种可调谐激光吸收(TDLAS)以及差分吸收(DOAS)的激光遥感监测方法，(文献1：Roadside Monitoring of Automobile Exhaust GasEmission Using Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，AASCIT Journal ofEnvironment，2015，1(2)：16-20；文献2：Remote sensing of on-road motor vehicleemissions by DOAS and TDLAS techniques，SPIE Proceedings Vol.5832，2005)，因其可在机动车行驶中进行监测，既不增加人力物力，也不影响正常交通，目前被广泛应用。但由于机动车在行驶中，烟囱数量和空间位置具有不确定性，而且排放出来的烟羽形状也变化多端、极不均匀，用以监测的激光光束直径和接收监测望远镜口径在工程中不能无限制的扩大，造成所监测的只是激光束所穿过烟羽的空间体积中的尾气，甚至激光束没有准确的穿过烟羽，这样监测的结果便是：如果激光束穿过烟羽较浓的部位，则监测到尾气排放量很大；如果激光束穿过烟羽较稀薄的部位，则监测到尾气排放量很小；如果激光束没有准确穿过烟羽，则监测不到尾气排放。如此一来，即便是对同一辆机动车、相同的行驶条件和环境条件下，监测结果也有很大差异，造成监测数据的离散度非常大,难以对行驶中的机动车根据一次性监测结果得出准确的尾气污染排放量值。
上世纪90年代，发展出一种分子特征谱差量吸收监测气体的方法，该方法已被应用于星载地球大气污染监测(文献3：A review of 9-year performance and operationof the MOPITT instrument，Advances in Space Research 45，2010，760–774)、天然气泄露监测(文献4：Results of field trials of realsens,an airborne natural gas leakdetection technology，International Gas Union Research Conference,2008)、有毒有害气体监测(文献5：Performance of the FIRST,a Longwave Infrared HyperspectralImaging Sensor，SPIE 6398-28，2006)。但没有一种能直接适合应用于实际情况下的机动车尾气的排放监测。
文献6(Development of an imaging gas correlation spectrometry basedmid-infrared camera for two-dimensional mapping of CO in vehicle exhausts，OPTICS EXPRESS，Vol.26，No.7，2018，8239-8251)提出一种气体相关检测的方法，该方法采用两个红外成像监测方法，一方面两个成像系统光路难以一致，另一方面，在近距离监测机动车尾气时，两个成像监测系统对机动车尾气的视角不同，图像中背景干扰信息和尾气信息差异较大，反演时两图像难以重合，这种微小的图像偏差，就会对尾气检测产生很大的反演误差。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置，还提供机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测方法，本发明采用两个光学通道，其中一个光学通道采用分子特征光谱吸收和带通滤光，另一个光学通道只采用带通滤光，两个光学分别对机动车排放的气体污染成分进行遥感成像，再对两图像进行差分，获得只有尾气气体成分的空间分布图像，根据图像计算出污染气体的排放量。具有准确度高、数据离散度小、抗干扰抑制能力强、环境适应能力强、监测灵敏度高和结果可视性好等优点。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置，包括机动车信息获取单元，还包括成像遥感监测单元和信号处理单元；
成像遥感监测单元包括成像镜头，透过成像镜头的光经分光镜分为反射光和透射光，反射光依次经过第一分子泡、第一滤光片后由第一成像探测器成像；透射光依次经过第二分子泡、第二滤光片后由第二成像探测器成像，第一成像探测器、第二成像探测器、机动车信息获取单元分别与信号处理单元电性连接。
如上所述的成像镜头的接收视场为40～60度；分光镜的分光比为1:1。
如上所述的第一分子泡和第二分子泡均包括中空的筒体，以及密封筒体两端的中红外玻璃窗。
如上所述的第一分子泡和第二分子泡的内部空间的长度为20～50mm。
如上所述的第二分子泡内填充有填充气体。
如上所述的填充气体为CO气体，填充气体的气压为15000～30000pa；第一滤光片和第二滤光片的中心波长均为4.65μm，透射带宽均为700nm；
或者，填充气体为CO2气体，填充气体的气压为15000～30000pa；第一滤光片和第二滤光片的中心波长均为4.2μm，透射带宽均为200nm；
或者，填充气体为NO2气体，填充气体的气压为15000～30000pa，第一滤光片和第二滤光片的中心波长均为6.25μm，透射带宽均为500nm；
或者，填充气体为SO2气体，填充气体的气压为30000～60000pa；第一滤光片和第二滤光片的中心波长均为7.3μm，透射带宽均为400nm。
机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测方法，包括以下步骤：
步骤1、机动车信息获取单元监测到机动车的身份和行驶速度V，当机动车的尾部到达成像遥感监测单元的监测视场内，并即将脱离成像遥感监测单元的监测视场时，机动车排放的污染气体形成的烟羽由第一成像探测器和第二成像探测器同步成像拍照，分别获得灰度图像X和灰度图像Y，并将灰度图像X和灰度图像Y传送到信号处理单元；
步骤2、信号处理单元对灰度图像X和灰度图像Y进行计算处理得到图像Z：图像Z的每个像元的信号值为灰度图像X对应像元的信号值减去灰度图像Y对应像元的信号值；
步骤3、信号处理单元通过以下公式获得图像Z中与填充气体成分相同的污染气体的总质量m：
其中，Ixy为图像Z上第x列第y行像元的信号值；
N为图像Z的总列数；
M为图像Z的总行数；
α为图像Z像元的信号值与机动车排放的污染气体中与填充气体成分相同的气体的质量之间的转换系数。
还包括以下步骤：
信号处理单元通过以下公式获得机动车在单位时间(1s)内排放与填充气体成分相同的污染气体的排放速率m1s：
其中，m为步骤3获得的与填充气体成分相同的污染气体的总质量；
L为成像遥感监测单元的监测视场在行驶方向上覆盖的地面长度；
V为机动车的行驶速度。
还包括以下步骤：
信号处理单元通过以下公式获得机动车行驶单位公里(1km)内的排放的与填充气体成分相同的污染气体的总质量m1km，
其中，m为步骤3获得的与填充气体成分相同的污染气体的总质量；
L为成像遥感监测单元的监测视场在行驶方向上覆盖的地面长度。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
1)监测数据离散度小，有效提高监测准确度：所获得的尾气气体成分空间分布图像，覆盖了机动车烟羽的一段较大的空间体积，不论烟羽浓度在空间上分布多么不均匀，均被成像监测得到，机动车的瞬时排放总量可以根据图像数据积分得到总量。这就避免了因监测空间位置的不同而带来的数据离散问题，使监测数据的离散度大幅降低，提高了监测准确度。
2)背景干扰抑制能力强，有效降低环境干扰影响：采用两个有差异的分子特征光谱监测光学通道成像，其差异仅仅是对被监测气体成分的不同，而对其他所有环境光干扰引起的共模信号，在两种图像上是完全相同的，经共模差分以后，环境光干扰信号被清除，差分得到的图像只有差模信号，即只有分子特征光谱形成的气体成分图像，有效降低了环境干扰的影响。
3)环境适应能力强，寿命长，功耗低：本发明采用被动成像遥感监测，核心监测部件对环境温度变化不敏感，对监测精度和准确度影响小，被动接收监测无需主动发射，功耗低，寿命长。
4)监测灵敏度高：选用中红外分子特征光谱，是污染气体分子光谱的基频辐射光谱，基频辐射较近红外的泛频辐射信号提高3-6个数量级，可大幅提高信号的监测灵敏度。
5)监测结果的可视性好：人们虽然能通过仔细观察可以看到机动车尾气的一些形态，但对其中的成分含量是无法通过肉眼观察到的，而机动车尾气监测面对的是广大机动车车主，当车主面对一个抽象的尾气检测数值结果时，没有一种直观的概念，当依此对机动车进行管制或处罚时，车主的内心更是觉得疑惑和茫然。本发明除了提供尾气成分含量的数值，还可以提供尾气中成分的空间浓度分布图像，使被监测机动车的车主对监测结果更容易接受。
附图说明：
图1为机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置的安装布局示意图。
图2为机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置组成结构示意图。
图3为CO分子特征光谱、背景干扰光光谱和滤光透射光谱示意图。
图4为机动车尾气烟羽在监测图像中的分布示意图。
图5为实验测得的机动车尾气烟羽中CO的空间分布图像。
其中，1-成像遥感监测单元，2-信号处理单元，3-机动车信息获取单元，101-成像镜头，102-分光镜，103-第一分子泡，104-第一滤光片，105-第一成像探测器，106-第二分子泡，107-第二滤光片，108-第二成像探测器，201-CO分子特征光谱，202-背景干扰光谱，203-滤光透射光谱。
具体实施方式：
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置的结构：
如图2所示，机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置，包括成像遥感监测单元1、信号处理单元2和机动车信息获取单元3；
成像遥感监测单元1包括成像镜头101，透过成像镜头101的光经分光镜102分为反射光和透射光，反射光依次经过第一分子泡103、第一滤光片104后由第一成像探测器105成像；透射光依次经过第二分子泡106、第二滤光片107后由第二成像探测器108成像；第一成像探测器105、第二成像探测器108、机动车信息获取单元3分别与信号处理单元2电性连接。
成像镜头101的接收视场为40～60度；分光镜102的分光比为1:1。
第一分子泡103和第二分子泡106均包括中空的筒体，以及密封筒体两端的中红外玻璃窗。
第一分子泡103和第二分子泡106的内部空间的长度为20～50mm。
第二分子泡106内填充有填充气体。
填充气体为CO气体，填充气体的气压为15000～30000pa；第一滤光片104和第二滤光片107的中心波长均为4.65μm，透射带宽均为700nm；
或者，填充气体为CO2气体，填充气体的气压为15000～30000pa；第一滤光片104和第二滤光片107的中心波长均为4.2μm，透射带宽均为200nm；
或者，填充气体为NO2气体，填充气体的气压为15000～30000pa，第一滤光片104和第二滤光片107的中心波长均为6.25μm，透射带宽均为500nm；
或者，填充气体为SO2气体，填充气体的气压为30000～60000pa；第一滤光片104和第二滤光片107的中心波长均为7.3μm，透射带宽均为400nm。
优选的，在成像遥感监测单元1中，成像镜头101、第二分子泡106、第二滤光片107和第二成像探测器108依次同轴安装；在成像镜头101和第二分子泡106之间放置分光镜102，分光镜102的中心在成像镜头101的光轴上且其法线与成像镜头101的光轴呈45度角；在分光镜102的反射光方向上依次同轴安装第一分子泡103、第一滤光片104和第一成像探测器105；第一成像探测器105和第二成像探测器108分别位于分光镜102的反射光和透射光的成像焦平面上。
机动车信息获取单元3一方面对机动车牌照进行拍照和识别，获得机动车的牌照编号，即获得机动车的身份；另一方面测得机动车的行驶速度V。机动车信息获取单元3为现有技术，不再赘述。
如图1所示，本发明装置安装在一条机动车道中线的正上方4～6m高度处的支架或龙门上，成像镜头101竖直朝下，第一成像探测器105和第二成像探测器108上的图像能覆盖单条车道的宽度，机动车信息获取单元3的镜头朝下并偏向机动车驶来的方向40～50度，便于识别机动车牌照和车速测量。
机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测方法，包括以下步骤：
步骤1、机动车行驶到进入机动车信息获取单元3的监测视场内，被机动车信息获取单元3监测到机动车的身份和行驶速度V。机动车继续行驶，当机动车的尾部到达成像遥感监测单元1的监测视场内，并即将脱离成像遥感监测单元1的监测视场时，机动车排放的污染气体形成的烟羽由第一成像探测器105和第二成像探测器108同步成像拍照，分别获得灰度图像X和灰度图像Y。
以下以监测机动车尾气中排放的CO为例，即填充气体为CO气体，来说明灰度图像X和灰度图像Y中的信息，以及CO排放量的计算法：
如图3所示，机动车尾气烟羽中污染气体中的CO分子特征光谱201呈梳状离散特性，地面、机动车车身、大气中各成分、烟羽中除CO以外辐射的所有背景干扰光光谱202随环境不同而变化，其中，背景干扰光光谱202的B段光谱与CO分子特征光谱201在频谱位置上重叠在一起，即为带内干扰；A光谱、C段光谱处于CO分子特征光谱201以外，即为带外干扰；第一滤光片104和第二滤光片107的滤光透射光谱203透射带正好覆盖CO分子特征光谱201。
机动车尾气烟羽中污染气体分子CO和其它成分辐射的红外光被成像镜头101所接收，同时被成像镜头101所接收的还有：地面、机动车车身以及大气中各成分辐射的红外光，所有这些进入成像镜头101的光，经分光镜102平均分成两部分：其中，分光镜102的反射光透过第一分子泡103，再经第一滤光片104带通滤光，由第一滤光片104将背景干扰光谱202的带外A段光谱、C段光谱抑制掉，透过第一滤光片104的光信号有两部分组成：CO分子特征光谱201和背景干扰光谱202的带内B段光谱信号；透过第一滤光片104的光信号经第一成像探测器105进行光电转换，获得灰度图像X，灰度图像X上为CO分子特征光谱201和背景干扰光谱202的B段光谱信号所成的图像；
分光镜102的透射光经过第二分子泡106时，被内部所充的CO气体分子吸收，将汽车尾气烟羽中CO分子特征光谱201信号完全吸收掉，其余的光谱信号进入第二滤光片107带通滤光，由第二滤光片107将背景干扰光谱202的带外A段光谱、C段光谱抑制掉，透过第二滤光片107的光信号只有背景干扰光谱202的B段光谱信号；透过第二滤光片107的光信号经第二成像探测器108进行光电转换，获得灰度图像Y，灰度图像Y为背景干扰光谱202的B段光谱信号所成的图像。
步骤2、信号处理单元2对灰度图像X和灰度图像Y进行计算处理得到图像Z：图像Z的每个像元的信号值为图像X对应像元的信号值减去图像Y对应像元的信号值，图像Z上就只有CO分子特征光谱201成的图像。即得到机动车尾气烟羽中CO的空间分布图像，如图4和图5所示。
步骤3、信号处理单元2通过以下公式获得图像Z中与填充气体成分相同的污染气体的总质量m：
其中，Ixy为图像Z上第x列第y行像元的信号值；
N为图像Z的总列数；
M为图像Z的总行数；
α为图像Z像元的信号值与机动车排放的污染气体中与填充气体成分相同的气体的质量之间的转换系数。
步骤4、信号处理单元2通过以下公式获得机动车在单位时间(1s)内排放与填充气体成分相同的污染气体的排放速率m1s：
其中，m为步骤3获得的与填充气体成分相同的污染气体的总质量；
L为成像遥感监测单元1的监测视场在行驶方向上覆盖的地面长度；
V为机动车的行驶速度。
步骤5、信号处理单元2通过以下公式获得机动车行驶单位公里(1km)内的排放的与填充气体成分相同的污染气体的总质量m1km，
其中，m为步骤3获得的与填充气体成分相同的污染气体的总质量；
L为成像遥感监测单元1的监测视场在行驶方向上覆盖的地面长度。
通过替换填充气体为CO2气体或NO2气体或SO2气体。重复步骤1～5，可以获得对应的图像Z中与填充气体成分相同的污染气体的总质量m、机动车在单位时间(1s)内排放与填充气体成分相同的污染气体的排放速率m1s、机动车行驶单位公里(1km)内的排放的与填充气体成分相同的污染气体的总质量m1km。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (3)
1.机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测方法，利用机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置，该机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测装置包括机动车信息获取单元(3)，还包括成像遥感监测单元(1)和信号处理单元(2)；成像遥感监测单元(1)包括成像镜头(101)，透过成像镜头(101)的光经分光镜(102)分为反射光和透射光，反射光依次经过第一分子泡(103)、第一滤光片(104)后由第一成像探测器(105)成像；透射光依次经过第二分子泡(106)、第二滤光片(107)后由第二成像探测器(108)成像，第一成像探测器(105)、第二成像探测器(108)、机动车信息获取单元(3)分别与信号处理单元(2)电性连接，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、机动车信息获取单元(3)监测到机动车的身份和行驶速度V，当机动车的尾部到达成像遥感监测单元(1)的监测视场内，并即将脱离成像遥感监测单元(1)的监测视场时，机动车排放的污染气体形成的烟羽由第一成像探测器(105)和第二成像探测器(108)同步成像拍照，分别获得灰度图像X和灰度图像Y，并将灰度图像X和灰度图像Y传送到信号处理单元(2)；
步骤2、信号处理单元(2)对灰度图像X和灰度图像Y进行计算处理得到图像Z：图像Z的每个像元的信号值为灰度图像X对应像元的信号值减去灰度图像Y对应像元的信号值；
步骤3、信号处理单元(2)通过以下公式获得图像Z中与填充气体成分相同的污染气体的总质量m：
其中，Ixy为图像Z上第x列第y行像元的信号值；
N为图像Z的总列数；
M为图像Z的总行数；
α为图像Z像元的信号值与机动车排放的污染气体中与填充气体成分相同的气体的质量之间的转换系数。
2.根据权利要求1所述的机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测方法，包括以下步骤：
信号处理单元(2)通过以下公式获得机动车在单位时间1s内排放与填充气体成分相同的污染气体的排放速率m1s：
其中，m为步骤3获得的与填充气体成分相同的污染气体的总质量；
L为成像遥感监测单元(1)的监测视场在行驶方向上覆盖的地面长度；
V为机动车的行驶速度。
3.根据权利要求1所述的机动车尾气差量吸收滤光成像遥感监测方法，包括以下步骤：
信号处理单元(2)通过以下公式获得机动车行驶单位公里1km内的排放的与填充气体成分相同的污染气体的总质量m1km，
其中，m为步骤3获得的与填充气体成分相同的污染气体的总质量；
L为成像遥感监测单元(1)的监测视场在行驶方向上覆盖的地面长度。
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