CN114923875A - 基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，利用激光器的窄带吸收和可调谐特性，能够扫描尾气排放废气中NO、C3H8、CO、CO2的单根吸收线，可以解决传统紫外和红外吸收易受水汽和其它组分交叉干扰的问题。同时为了快速获取过车后尾气烟羽扩散趋势，增加各气体组分的相关性，提高测量精度，系统采用了多光束空间耦合技术结合光源交叉分时调制技术和拟合数据动态调节技术，结合测速模块对车辆行驶状态的判断，可以实时判断数据的有效性。为了增加系统的环境适应性，系统采用了自动增益调节技术，可以降低过车振动和镜片污染带来的检测误差。

Description

基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统

技术领域

本发明涉及大气环保移动污染源气体检测技术领域，尤其涉及基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统。

背景技术

机动车尾气遥感检测是一种科学、高效、便捷而又便于操作的尾气检测方法。研究表明，在车辆群体中高达90%的排气污染是从高污染的10%车辆排出，不同车辆污染物排放量的差别更是可高达数十倍甚至数百倍。但是，高污染车辆不一定全是老龄车辆，而老龄车辆也不一定全是高污染车辆。要找出这10%车辆是所有检测部门重大挑战。遥感检测技术正是在这种情况下派上了用场，机动车尾气遥感检测系统能在0.7秒内准确测量出车辆排放的CO、CO2、C3H8、NO的含量，这些有害气体和颗粒物尤其是碳氢化合物和氮氧化物是城市雾霾的重要成因。

传统的尾气遥感检测设备多采用红外和紫外的方法，光源出射光斑大，未进行多光路合束处理，由于尾气烟羽形状和大小的不确定性，各组分之间相关性比较差，进而反演出的浓度误差大，有效数据偏少，且红外和紫外为宽带吸收光谱，光源能量密度较低，易受水蒸气和其它气体组分的交叉干扰，在多车道工作时信噪比较差，很难满足长时间稳定性工作的要求，同时紫外光源一般连续工作寿命在3000小时左右，这就造成了系统后期运行维护比较繁琐。

而基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测设备采用窄带激光作为光源，具有高选择性、高灵敏度、不受水蒸气和其它气体组分的交叉干扰、寿命长的特点。全激光尾气遥感在光学上采用了多光路耦合的方式，保证不同光源均测量尾气烟羽同一位置，确保了各组分的相关性和数据的准确性，由于激光能量密度高，系统在多车道工作时信噪比较高，大大提高了尾气遥感设备的灵敏度、准确度以及环境适应性，极大的降低了后期维护的难度。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，包括检测主机、检测辅机及测速模块，所述检测主机和所述检测辅机分别安装在道路两侧，其中：

检测主机内部集成发射单元和接收单元，通过5路激光空间合束技术和交叉分时扫描技术对过往车辆烟羽中NO、C3H8、CO、CO2含量和不透光烟度进行实时分析并动态调整拟合数据点位以获取最高精度；

测速模块安装在检测主机上方，在检测辅机上粘贴反光贴，反光贴高度与测速模块高度保持一致，用于反射测速模块的光信号，利用车头和车尾遮光时间差即可计算出车辆的速度和加速度；

检测辅机包括垂直位移角镜，垂直位移角镜的垂直方向位移量为16cm，辅机的通光孔和检测主机发射和接收模块的高度相匹配，检测辅机主要用于反射和位移检测主机的出射光；

测速模块包括两个收发一体式的光学遥测模块；两个光学遥测模块水平固定在横杆上，二者之间的距离为60cm，遥测模块和对面检测主机上面粘贴的反光贴为一套完整的系统，工作时根据车头进入两模块的切光时间差计算出车辆速度，再根据车尾离开两模块后光强恢复的时间差计算出另一速度，根据两个速度值，结合两模块间距60cm可以计算出车辆速度和加速度，速度和加速度作为车辆行驶状态的判据。

进一步地，对于发射单元和接收单元：

发射单元和接收单元采用分层式的结构设计，发射单元位于接收单元上方，二者垂直方向的距离为16cm；

发射单元和接收单元整体安装在刚性平板上，平板由3个地脚支撑，可以进行整体高度和俯仰角度的调节，以匹配检测辅机的高度。

进一步地，检测主机还包括光学模块和电路模块，其中：

光学模块包括光源、光学合束模块、光学接收模块及轴线指示模块；

电路模块包括光源驱动、光源分时扫描模块、信号采集与处理模块、电源和通信模块；

电路模块与光学模块之间通过线缆连接，以为光源提供驱动、出光时序控制及光路调节指示。

进一步地，光源为激光器，其包括：

波长为520nm的520nm激光器、波长为2004nm的2004nm激光器、波长为2334nm的2334nm激光器、波长为3371nm的3371nm激光器及波长为5263nm的5263nm激光器，其中：

520nm激光器用于尾气烟羽的不透光烟度检测，2004nm激光器、2334nm激光器、3371nm激光器及5263nm激光器依次对应尾气烟羽中的CO2、CO、C3H8及NO进行测量；

光学合束模块包括90度刀锋棱镜、分立的反射镜及二向色镜，光学合束模块将上述5种波长的激光器进行合束，每个激光器的轴向由2组反射镜结合进行配合调节，上述所有激光器和镜片固定在同一光学平板上，调节后5束光平行出射，合束光斑在20米出直径小于2cm。

进一步地，光学接收模块包括离轴抛物面镜、分光镜和探测器，其中：

探测器用于对激光器的反射光进行接收，其包括：

离轴抛物面镜中心开孔，用一束红色激光穿过中心孔进行其接收视场角的指示，合束后的测量光经检测辅机反射后由离轴抛物面镜进行汇聚接收，汇聚光再经过2个不同波段分光镜按波长进行分离，3μm以下波段由可见光和近红外探测器接收，3μm以上波段由探测器接收，绿光经过第二次分束后由可见光探测器接收。

进一步地，激光器分时扫描模块根据接收探测器响应波段的不同在同一时刻激光器分为两组轮流出光，即：

CO激光器和C3H8激光器为一组激光器，CO2激光器和NO为一组激光器，当一组激光器出光时，另一组激光器关闭，各激光器调制频率为10khz，520nm激光器连续出光、调制频率为5khz、扫描波形通过DAC生成，光源分时扫描模块通过时序电路控制模拟开关，以开启和关断信号采集与处理模块采集激光器扫描信号，激光器的温度通过4通道DAC来设置。

进一步地，信号采集与处理模块可进行自动增益调整，为了避免在过车过程中启动自动增益调整，系统根据有光→无光→有光的过车逻辑，再结合定时器时间阈值判断来决定是否启动自动增益调整，在没有过车的情况下，将系统的增益调节到合适值。

进一步地，信号采集与处理模块在进行信号处理时引入燃烧方程，使用CO2作为参比气体进行尾气烟羽各组分的测量，计算时根据过车逻辑，选取一段有效的数据，数据是否有效可以根据过车前后CO2变化量来判断，系统设定CO2增量阈值，当该段数据CO2增量达到阈值则为有效捕捉，将其它各组分数据同CO2数据作相关性拟合，拟合时可以根据拟合相关系数来动态调整数据段的选取，再将拟合系数带入燃烧方程即可计算出尾气烟羽各组分烟团值。同时由于烟羽受风影响快速扩散，为了最大限度的增加有效数据，需要采取提高激光器的扫描频率以及数据采集处理速度来实现。

进一步地，在离轴抛物面镜前面放置一个纽扣气池，气池内充满CO、CO2、C3H8、NO混合气体，系统工作时根据过车逻辑，在未过车时根据各气体吸收2f信号中心波长点位，采用温度调谐方式实时修正上述激光器的中心波长值。

进一步地，电源和通信模块的系统通信采用以太网，主机自带电源、自检、温度、光强指示灯，且通信协议预留固定字段反馈系统的工作状态。

本发明提出的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，有益效果在于：光学上采用了多光路耦合的方式，保证不同光源均测量尾气烟羽同一位置，确保了各组分的相关性和数据的准确性，和现有传统设备相比，极大的提高了数据可靠性。

同时由于激光光谱的窄带吸收特性和激光光源的长寿命特性，大大提高了尾气遥感设备的灵敏度、准确度以及环境适应性，极大的降低了后期维护的难度。

附图说明

图1为本发明系统结构示意图。

图2为本发明的光路结构示意图。

图3为本发明光源电流扫描时序图。

图中：520nm激光器1、二向色镜2、第一反射镜3、2004nm激光器4、第一刀锋棱镜5、2334nm激光器6、第二反射镜7、第三反射镜8、第二刀锋棱镜9、3370nm激光器10、第四反射镜11、第五反射镜12、第三刀锋棱镜13、5263nm激光器14、第六反射镜15、第七反射镜16、垂直位移角镜17、离轴抛物面镜18、锁波长气池19、第一分光镜20、第二分光镜21、中红外探测器22、近红外探测器23、可见光探测器24、测速模块25、检测主机26、反光贴27、检测辅机28。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

参照图1-3，基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，包括检测主机26及检测辅机28，检测主机26包括发射单元和接收单元，检测辅机28包括垂直位移交镜17和测速模块反光贴27。测速模块25安装在检测主机26上方，和对面检测辅机28上安装的反光贴27互相配合使用。

当车辆从检测主机26和检测辅机28之间穿过时即可实时反演出尾气烟羽中的CO、CO2、C3H8、NO的含量以及烟度，同时检测主机26根据测速模块25的速度、加速度值来判断车辆行驶状态，只有车辆处于加速状态的数据为有效数据。

如图2所示，在本实施例中，发射单元中，520nm激光器1和2004nm激光器4通过二向色镜2合束后由第一反射镜3进行出射光的三维调节，2334nm激光器6同理通过第二反射镜7和第三反射镜8进行出射光的三维调节，调节后的3束光入射到第一刀锋棱镜5两个相互垂直的反射面上，其中入射光的角度与反射面法线之间的角度为45度，为了减小入射光斑大小，需要将光束调节到尽可能靠近刀锋棱镜边缘。

按照同样的方法：

3370nm激光器10通过第四反射镜11、第五反射镜12及第二刀锋棱镜9，5263nm激光器14通过第六反射镜15、第七反射镜16及第三刀锋棱镜13，完成5束激光的合束。

合束后的光束经过垂直位移角镜17后入射角发生180度转变，其中入射光和偏转光之间的距离为16cm，以覆盖不同类型车辆排气管高度。

经过垂直位移角镜17后的出射光由离轴抛物面镜18进行汇聚接收，离轴抛物面镜18前设置锁波长气池19，以对2004nm、2334nm、3370nm、5263nm四个激光器的波长进行实时修正。汇聚光经第一分光镜20分光后，3370nm激光器10和5263nm激光器14的反射光由中红外探测器22接收，剩余光束再由第二分光镜21分光后，2004nm激光器4和2334nm激光器6的反射光由近红外探测器23接收，透射的520nm激光器1的反射光由可见光探测器24接收。

2004nm激光器4、2334nm激光器6、3370nm激光器10、5263nm激光器14的调制时序如图3所示，在T1时刻，2004nm激光器4和3370nm激光器10出光，另外两个激光器关断；同理在T2时刻，2334nm激光器6和5263nm激光器14出光，另外两个激光器关断，这样对比传统的分时扫描方案可以将系统响应时间提高两倍。同时在T1和T2时刻分别产生一个上升沿和下降沿的触发信号来触发信号采集与处理模块进行信号的采集，520nm激光器1按照方波的频率进行调制，烟度信息通过车前后绿光的光强变化率来表征。

为了获取探测信号最大的信噪比，系统集成了自动增益控制以应对镜片污染和过车振动带来的光路影响，当系统判定目前没有过车时会根据设置的光强阈值，实时的调整信号增益，以提高系统长期工作的环境适应性。

由于探测光肉眼不可见，所以在光路调节过程中需要增加可见指示激光作为辅助调节，发射单元可通过520nm激光器1（绿光激光器）作为轴向指示，接收单元通过在离轴抛物面镜18的轴向设置红色指示激光来实现。在进行系统光路整体调节时，将发射单元的520nm激光器1出射光通过垂直位移角镜17后出射光同红色指示激光出射光调重合即可。

工作原理：

尾气系统在算法处理时引入燃烧方程，使用CO2作为参比气体进行尾气烟羽各组分的测量，将其它各组分数据同CO2数据作相关性拟合，如果测量尾气烟羽同源性越好，则拟合相关性越高，带入燃烧方程计算的误差就越小，这就需要对5个测量光束进行空间合束处理。

光学合束模块采用90度刀锋棱镜以及分立的反射镜、二向色镜将上述5个波长的光源进行合束，其中每个光源的轴向由2组反射镜结合进行配合调节，上述所有镜片和光源安装在同一光学平板上，两束待合束光以相同的角度入射到刀锋棱镜两个相互垂直的反射面，入射光和反射面法线之间的夹角为45度，入射光斑尽量靠近棱镜边缘，调整入射光角度使两束反射光水平出射，这样5个不同波长的入射光经过三组刀锋棱镜后，即可保证5束光平行出射，出射光斑在10米处的直径小于2cm，520nm的绿色激光不但可起调节光路的指示作用，也可以对尾气烟羽的不透光度进行检测。

为了提高系统的响应时间，以获取更多的有效数据，根据探测器响应波段的不同，优化激光器出光时序，同一时刻2个光源同时出光，这样对比传统的分时扫描系统可以提高两倍的响应时间。

接收系统采用90度的离轴抛物面镜18，由于测量激光肉眼不可见，需要对离轴抛物面镜18中心开孔以作为光轴指示，调节时保证指示激光从离轴抛物面镜18中心开孔处穿过，然后通过检测辅机28的垂直位移角镜17使入射角180度偏转后同发射单元合束后的出射光重合。离轴抛物面镜18前方放置锁波长气池19以对各激光器的中心频率进行校正，在锁波长气池19前方放置分光镜，其中3μm以上波段被中红外探测器22接收，3μm以下波段再由另一分光镜分光后，分别由近红外探测器23和可见光探测器24接收。

探测器的回光信号由电子学系统的信号处理模块进行跨阻放大和信号调理后由信号采集系统按照光源扫描时序进行接收，即光源分时扫描模块在生成扫描信号时会产生一组方波信号触发信号采集模块，采集模块在方波的上升沿和下降沿分别进行相应通道信号的采集，自动增益电路按照过车时序对采集的信号进行放大增益的调节，以保证信号具有最大的信噪比。当系统计算出尾气烟羽各组分的烟团值之后还需要结合测速模块判断车的速度和加速度，根据车辆行驶的状态来决定改组数据的有效性。

本发明的工作流程如下：

系统上电后，按照时序依次软启动测量激光器，电子学系统读取光源温度以及回光光强状态参数，待激光器波长稳定后则根据此时的光强完成第一次增益的调节，待初始化完成后发送反馈信息至人机交互系统，系统启动所以信号采集。过车后，系统捕捉到尾气烟羽各组分的烟团值，然后使用CO2作为参比气体进行尾气烟羽各组分的测量，将其它各组分数据同CO2数据作相关性拟合，如果测量尾气烟羽同源性越好，则拟合相关性越高，带入燃烧方程计算的误差就越小，在拟合数据选点过程中保持数据段长度不变，可以左右移动点位以使拟合相关系数最大，将拟合系数带入燃烧方程即可反演出各气体组分的浓度值，最后再结合速度模块的速度和加速度参量来确定车辆的运行状态，一般选择加速状态的数据判定为有效数据。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，包括检测主机、检测辅机及测速模块，所述检测主机和所述检测辅机分别安装在道路两侧，其中：

检测主机内部集成发射单元和接收单元，通过5路激光空间合束技术和交叉分时扫描技术对过往车辆烟羽中NO、C3H8、CO、CO2含量和不透光烟度进行实时分析并动态调整拟合数据点位以获取最高精度；

测速模块安装在检测主机上方，在检测辅机上粘贴反光贴，反光贴高度与测速模块高度保持一致，用于反射测速模块的光信号，利用车头和车尾遮光时间差即可计算出车辆的速度和加速度；

检测辅机包括垂直位移角镜，垂直位移角镜的垂直方向位移量为16cm，辅机的通光孔和检测主机发射和接收模块的高度相匹配，检测辅机主要用于反射和位移检测主机的出射光；

测速模块包括两个收发一体式的光学遥测模块；两个光学遥测模块水平固定在横杆上，二者之间的距离为60cm，遥测模块和对面检测主机上面粘贴的反光贴为一套完整的系统，工作时根据车头进入两模块的切光时间差计算出车辆速度，再根据车尾离开两模块后光强恢复的时间差计算出另一速度，根据两个速度值，结合两模块间距60cm可以计算出车辆速度和加速度，速度和加速度作为车辆行驶状态的判据。

2.根据权利要求1所述的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，对于发射单元和接收单元：

发射单元和接收单元采用分层式的结构设计，发射单元位于接收单元上方，二者垂直方向的距离为16cm；

发射单元和接收单元整体安装在刚性平板上，平板由3个地脚支撑，可以进行整体高度和俯仰角度的调节，以匹配检测辅机的高度。

3.根据权利要求2所述的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，检测主机还包括光学模块和电路模块，其中：

光学模块包括光源、光学合束模块、光学接收模块及轴线指示模块；

电路模块包括光源驱动、光源分时扫描模块、信号采集与处理模块、电源和通信模块；

电路模块与光学模块之间通过线缆连接，以为光源提供驱动、出光时序控制及光路调节指示。

4.根据权利要求3所述的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，光源为激光器，其包括：

波长为520nm的520nm激光器、波长为2004nm的2004nm激光器、波长为2334nm的2334nm激光器、波长为3371nm的3371nm激光器及波长为5263nm的5263nm激光器，其中：

520nm激光器用于尾气烟羽的不透光烟度检测，2004nm激光器、2334nm激光器、3371nm激光器及5263nm激光器依次对应尾气烟羽中的CO2、CO、C3H8及NO进行测量；

光学合束模块包括90度刀锋棱镜、分立的反射镜及二向色镜，光学合束模块将上述5种波长的激光器进行合束，每个激光器的轴向由2组反射镜结合进行配合调节，上述所有激光器和镜片固定在同一光学平板上，调节后5束光平行出射，合束光斑在20米出直径小于2cm。

5.根据权利要求3所述的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，光学接收模块包括离轴抛物面镜、分光镜和探测器，其中：

探测器用于对激光器的反射光进行接收，其包括：可见光探测器、近红外探测器及中红外探测器；

离轴抛物面镜中心开孔，用一束红色激光穿过中心孔进行其接收视场角的指示，合束后的测量光经检测辅机反射后由离轴抛物面镜进行汇聚接收，汇聚光再经过2个不同波段分光镜按波长进行分离，3μm以下波段由可见光探测器和近红外探测器接收，3μm以上波段由中红外探测器接收，绿光经过第二次分束后由可见光探测器接收。

6.根据权利要求4或5所述的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，激光器分时扫描模块根据接收探测器响应波段的不同在同一时刻激光器分为两组轮流出光，即：

CO激光器和C3H8激光器为一组激光器，CO2激光器和NO为一组激光器，当一组激光器出光时，另一组激光器关闭，各激光器调制频率为10khz，520nm激光器连续出光、调制频率为5khz、扫描波形通过DAC生成，光源分时扫描模块通过时序电路控制模拟开关，以开启和关断信号采集与处理模块采集激光器扫描信号，激光器的温度通过4通道DAC来设置。

7.根据权利要求6所述的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，信号采集与处理模块可进行自动增益调整，为了避免在过车过程中启动自动增益调整，系统根据有光→无光→有光的过车逻辑，再结合定时器时间阈值判断来决定是否启动自动增益调整，在没有过车的情况下，将系统的增益调节到合适值。

8.根据权利要求6所述的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，信号采集与处理模块在进行信号处理时引入燃烧方程，使用CO2作为参比气体进行尾气烟羽各组分的测量，计算时根据过车逻辑，选取一段有效的数据，数据是否有效可以根据过车前后CO2变化量来判断，系统设定CO2增量阈值，当该段数据CO2增量达到阈值则为有效捕捉，将其它各组分数据同CO2数据作相关性拟合，拟合时可以根据拟合相关系数来动态调整数据段的选取，再将拟合系数带入燃烧方程即可计算出尾气烟羽各组分烟团值；

同时由于烟羽受风影响快速扩散，为了最大限度的增加有效数据，需要采取提高激光器的扫描频率以及数据采集处理速度来实现。

9.根据权利要求6所述的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，在离轴抛物面镜前面放置一个纽扣气池，气池内充满CO、CO2、C3H8、NO混合气体，系统工作时根据过车逻辑，在未过车时根据各气体吸收2f信号中心波长点位，采用温度调谐方式实时修正上述激光器的中心波长值。

10.根据权利要求3所述的基于可调谐二极管吸收光谱的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，电源和通信模块的系统通信采用以太网，主机自带电源、自检、温度、光强指示灯，且通信协议预留固定字段反馈系统的工作状态。

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