CN112748083A - 一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统 - Google Patents

一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，由多光源合束发射单元、回光接收探测单元、反射光路单元三部分组成。多光源合束发射单元将三种不同的光源合束发射，包括：红外光源、可见激光光源、中红外激光光源通过半反半透镜及中心打孔抛物面反射镜耦合形成一束发射光。合束光经反射端两块面垂直安装的反射镜返回回光接收探测单元，回光接收探测单元将合束光聚焦并通过半反半透镜分离出不同波段的光，经滤光片滤波后的光信号分别由两个探测器接收并转换为电信号。本发明通过光学遥感的方式实现非接触式测量正常行驶的机动车尾气组分，能够检测多种尾气污染物气体包括不透光烟度。同时系统光路稳定性高，成本大大降低。

Description

一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统
技术领域
本发明涉及机动车尾气遥感检测技术领域，尤其涉及一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统。
背景技术
当前机动车尾气排放对环境的污染问题已引起广泛的关注，尾气污染已经成为当下城市空气污染的重要来源。按照排放标准分类并根据2016年广东省汽车排放量占比的分析结果，占汽车保有量10％的国Ⅲ以前标准汽车，其排放的一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)、颗粒物(PM)占机动车排放总量的65％以上，而占保有量90％的国Ⅲ及以上标准机动车，其排放量仅约为机动车排放总量的30％左右，这一结果说明了国Ⅲ标准以前的老旧机动车保有量虽然不大，但却是机动车尾气污染物的主要排放源；如果按照车辆燃油类型分类，柴油车排放的氮氧化物(NOx)超过汽车排放总量的七成，颗粒物(PM)超过九成。因此通过技术手段快速准确地检测出排放超标车并加以处理，对于城市空气污染治理具有重要的意义。
目前对于机动车尾气排放的检测手段主要为工况线检测以及道路遥感检测。道路遥感检测设备按照光路形式划分有，V型光路、W型光路以及一字型光路。如果按照内部光源类型划分有，激光加紫外光源、全激光光源及红外加紫外光源三种类型。其中W型光路设备存在光路稳定性问题，在现场安装后无法长时间稳定检测，并且由于路面车辆经过时的振动导致检测结果准确度较低。V型及一字型光路设备虽然光路的稳定性较W型光路占优，但存在光路高度不均匀及烟团有效光程不足等问题。同样的，由于紫外光源自身材料、工艺等因素导致其寿命较短，这就使得采用激光加紫外光源以及红外加紫外光源这两种形式的尾气遥感设备需要频繁维护，设备稳定性较差。并且由于紫外光源的出光功率较低导致设备的测量距离受限，无法做到覆盖多车道检测从而限制了该系统的使用场合。基于全激光光源的尾气遥感设备虽然不存在以上问题，但由于使用了多种激光光源并且由于可调谐半导体激光器的价格高，从而导致设备光学成本极高并且设备生产调光难度极大。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，包括：多光源合束发射单元、回光接收探测单元、反射光路单元；
所述多光源合束发射单元与所述回光接收探测单元共同放置于主机内，并组成收发一体光学结构；所述反射光路单元将所述多光源合束发射单元发出的合束光束反射至所述回光接收探测单元。
所述红外光源发出的光经过所述反光罩反光后通过所述小孔光阑发射至所述抛物面反射镜一，并由所述抛物面反射镜一准直发射。
所述中红外激光光源发出的光由所述准直透镜二准直后经过所述平面反射镜一反射，该光束透过所述半反半透镜一后穿过所述抛物面反射镜一的中心孔发射；所述可见激光光源一发出的光由所述准直透镜一准直后经过所述半反半透镜一反射并穿过所述抛物面反射镜一的中心孔发射。
所述抛物面反射镜二将返回的光聚焦，所述半反半透镜二将聚焦光束分离，反射光束经过所述带通滤光片滤波后由所述可见光探测器接收。
透射光经过所述红外滤光片转轮滤波后由所述中红外探测器接收，所述电机带动所述红外滤光片转轮高速转动。
所述可见激光光源二发出的光由所述准直透镜三准直后经过所述平面反射镜二反射，该光束通过所述抛物面反射镜二的中心孔发射。
所述平面反射镜三和所述平面反射镜四面垂直放置；
所述平面反射镜三与平面反射镜四的中心距离为一定值。
所述红外光源出光波段覆盖近红外及中红外波段。
所述抛物面反射镜一中心留有通孔。
所述可见激光光源二波长为650nm。
所述平面反射镜二与所述抛物面反射镜二同轴心放置。
本发明的优点是：本发明通过光学遥感的方式实现非接触式测量正常行驶的机动车尾气组分，能够检测多种尾气污染物气体包括不透光烟度，同时系统光路稳定性高，成本大大降低。
附图说明
图1是本发明安装及使用的光路示意图。
图2是本发明的光学系统结构图。
具体实施方式
如图1所示，一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，包括有多光源合束发射单元22、回光接收探测单元24和反射光路单元25；所述多光源合束发射单元22与所述回光接收探测单元23共同放置于主机24内，并组成收发一体光学结构；所述反射光路单元25将所述多光源合束发射单元22发出的合束发射光反射至所述回光接收探测单元23，回光接收探测单元22接收合束发射光并将光信号转化为电信号，得出光路中各气体浓度及不透光烟度信息。
如图2所示，所述的多光源合束发射单元22包括有红外光源2、反光罩1、小孔光阑3和抛物面反射镜一4；所述红外光源2发出的光经过所述反光罩1反光后通过所述小孔光阑3发射至所述抛物面反射镜一4，并由所述抛物面反射镜一4准直发射。
所述的多光源合束发射单元22还包括有可见激光光源一5、准直透镜一6、半反半透镜一7、中红外激光光源10、准直透镜二9和平面反射镜一8；所述中红外激光光源10发出的光由所述准直透镜二9准直后经过所述平面反射镜一8反射，反射的光透过所述半反半透镜一7后穿过所述抛物面反射镜一4的中心孔发射；所述可见激光光源一5发出的光由所述准直透镜一6准直后经过所述半反半透镜一7反射并穿过所述抛物面反射镜一4的中心孔发射，所述中红外激光光源10发出的光与所述可见激光光源一发出的光通过所述半反半透镜一7耦合后形成一束复合光，所述复合光与所述红外光源2发出的光通过所述抛物面反射镜一4耦合后形成一束合束发射光。
所述的回光接收探测单元包括有抛物面反射镜二15、可见光探测器16、半反半透镜二18、中红外探测器21、带通滤光片17、红外滤光片转轮19和电机20；所述抛物面反射镜二15将多光源合束发射单元22发出的合束发射光聚焦，所述半反半透镜二18将聚焦光束分离，分离后的反射光束经过所述带通滤光片17滤波后由所述可见光探测器16接收，透射光经过所述红外滤光片转轮19滤波后由所述中红外探测器21接收，所述电机20带动所述红外滤光片转轮19高速转动。
所述的回光接收探测单元23还包括有可见激光光源二11、准直透镜三12和平面反射镜二13；所述可见激光光源二11发出的光由所述准直透镜三12准直后经过所述平面反射镜二13反射，反射的光束通过所述抛物面反射镜二15的中心孔发射。
所述的反射光路单元25包括有平面反射镜三26和平面反射镜四27；所述平面反射镜三26和平面反射镜四27面垂直放置；所述平面反射镜三26与平面反射镜四27的中心距离为一定值，多光源合束发射单元22发出的合束发射光依次经过平面反射镜三26和平面反射镜四27的反射，被抛物面反射镜二15接收。
所述主机24与所述反射光路单元25分别放置于机动车道14的两侧。
所述红外光源2出光波段覆盖近红外及中红外波段；所述抛物面反射镜一4中心留有通孔。
所述中红外激光光源10用于测量NO气体；所述可见激光光源一5波长为520nm；所述半反半透镜一7、平面反射镜一8与抛物面反射镜一4同轴心放置。
所述可见激光光源二11波长为650nm；所述平面反射镜二13与所述抛物面反射镜二15同轴心放置。
平面反射镜一8及半反半透镜一7倾斜45°放置，且平面反射镜一8与平面反射镜二13垂直；且红外光源2放置在抛物面反射镜一4的离轴焦点处；
红外光经过抛物面反射镜一4聚焦后发射至外部，可见激光由准直透镜一6准直后经过半反半透镜一7反射并通过抛物面反射镜一4的中心孔发射至外部，并与红外发射光束同轴耦合。
中红外激光由准直透镜二9准直后经过平面反射镜一7反射并依次透过半反半透镜一7及抛物面反射镜一4的中心孔发射至外部，并与红外发射光束和可见发射光束同轴耦合。
合束发射光经过反射光路单元25反射后返回至回光接收探测单元23，由抛物面反射镜二15将合束光聚焦至探测器，该合束光经过半反半透镜二18分离出不同波段的光，经带通滤光片滤波后分别由两个探测器接收并转换为电信号。
抛物面反射镜使用镀铝膜材质。
小孔光阑3设置在红外光源的前方，用于减小红外光源的光束发散角。
可见激光光源二11发出的可见激光依次经过准直透镜三12和平面反射镜二13后从所述抛物面反射镜二15的中心孔发射，用于安装调光指示。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的， 本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下， 在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：包括有多光源合束发射单元、回光接收探测单元和反射光路单元；所述多光源合束发射单元与所述回光接收探测单元共同放置于主机内，并组成收发一体光学结构；所述反射光路单元将所述多光源合束发射单元发出的合束发射光反射至所述回光接收探测单元，回光接收探测单元接收合束发射光并将光信号转化为电信号，得出光路中各气体浓度及不透光烟度信息。
2.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：所述的多光源合束发射单元包括有红外光源、反光罩、小孔光阑和抛物面反射镜一；所述红外光源发出的光经过所述反光罩反光后通过所述小孔光阑发射至所述抛物面反射镜一，并由所述抛物面反射镜一准直发射。
3.根据权利要求2所述的一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：所述的多光源合束发射单元还包括有可见激光光源一、准直透镜一、半反半透镜一、中红外激光光源、准直透镜二和平面反射镜一；所述中红外激光光源发出的光由所述准直透镜二准直后经过所述平面反射镜一反射，反射的光透过所述半反半透镜一后穿过所述抛物面反射镜一的中心孔发射；所述可见激光光源一发出的光由所述准直透镜一准直后经过所述半反半透镜一反射并穿过所述抛物面反射镜一的中心孔发射，所述中红外激光光源发出的光与所述可见激光光源一发出的光通过所述半反半透镜一耦合后形成一束复合光，所述复合光与所述红外光源发出的光通过所述抛物面反射镜一耦合后形成一束合束发射光。
4.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：所述的回光接收探测单元包括有抛物面反射镜二、可见光探测器、半反半透镜二、中红外探测器、带通滤光片、红外滤光片转轮和电机；所述抛物面反射镜二将多光源合束发射单元发出的合束发射光聚焦，所述半反半透镜二将聚焦光束分离，分离后的反射光束经过所述带通滤光片滤波后由所述可见光探测器接收，透射光经过所述红外滤光片转轮滤波后由所述中红外探测器接收，所述电机带动所述红外滤光片转轮高速转动。
5.根据权利要求4所述的一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：所述的回光接收探测单元还包括有可见激光光源二、准直透镜三和平面反射镜二；所述可见激光光源二发出的光由所述准直透镜三准直后经过所述平面反射镜二反射，反射的光束通过所述抛物面反射镜二的中心孔发射。
6.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：所述的反射光路单元包括有平面反射镜三和平面反射镜四；所述平面反射镜三和平面反射镜四面垂直放置；所述平面反射镜三与平面反射镜四的中心距离为一定值，多光源合束发射单元发出的合束发射光依次经过平面反射镜三和平面反射镜四的反射，被抛物面反射镜二接收。
7.根据权利要求1所述的一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：所述主机与所述反射光路单元分别放置于机动车道的两侧。
8.根据权利要求2所述的一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：所述红外光源出光波段覆盖近红外及中红外波段；所述抛物面反射镜一中心留有通孔。
9.根据权利要求3所述的一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：所述中红外激光光源用于测量NO气体；所述可见激光光源一波长为520nm；所述半反半透镜一、平面反射镜一与抛物面反射镜一同轴心放置。
10.根据权利要求5所述的一种用于机动车尾气遥感检测的光学系统，其特征在于：所述可见激光光源二波长为650nm；所述平面反射镜二与所述抛物面反射镜二同轴心放置。
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