CN205593933U - 一种全天时船舶二氧化硫气体排放遥测设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全天时船舶二氧化硫气体排放遥测设备，包括热红外镜头、至少两个带通滤光片、热红外面阵探测器、处理器和显示器，所述热红外镜头的后部设置所述至少两个带通滤光片，所述至少两个带通滤光片的后部设置所述热红外面阵探测器，所述热红外面阵探测器与所述处理器连接，所述处理器与所述显示器连接。本实用新型的有益效果是：(1)采用被动热红外差分成像技术，可以准确获取船舶排放二氧化硫的烟羽图像，可实现二十四小时全天时工作；(2)可遥测船舶二氧化硫的排放量，判断是否可能超标排放，为执法人员提供依据，提高监管效率；(3)设备体积小、携带方便，可根据需要灵活布置放置地点。

Description

一种全天时船舶二氧化硫气体排放遥测设备

技术领域

本实用新型涉及一种全天时船舶二氧化硫气体排放遥测设备，属于气体监测技术领域。

背景技术

近几十年来，随着航运经济的不断发展，以柴油机为主推进力的船舶数量和吨位均大幅增长。然而，由于长期使用高硫含量的廉价重质残渣油作为燃料，船舶排放废气中含有大量的二氧化硫，造成严重的大气环境污染，引起国际社会的高度关注。面对船舶废气中大量硫氧化物造成的严重大气环境污染，一些国际与地区性组织纷纷立法限制船舶二氧化硫排放。由于降低低燃油硫含量是最直接有效的减排措施，因此国际海事组织、美国环保局、欧洲环保署等针对全球和局部海域船舶燃油硫含量做出了日趋严格的排放限制，并设立排放控制区。我国也即将在珠三角、长三角、环渤海(京津冀)水域设立排放控制区。

为了应对船舶二氧化硫排放标准的实施，相关部门需要采用相应的监测设备对船舶二氧化硫排放进行监测。虽然有在线监测设备能够实现对船舶废气排放进行实时监测，但仍然需要遥测设备进行比对监测，提高执法效率，特别是用于全天时的船舶二氧化硫排放监测。目前，市面上还未有用于船舶二氧化硫排放遥测的相关设备。

实用新型内容

为了克服上述现有技术的不足，本实用新型提供了一种全天时船舶二氧化硫气体排放遥测设备，能够实现全天时遥测船舶排放的二氧化硫气体，实现在港口区域对过往船舶和靠岸船舶的二氧化硫排放气体进行全天时遥测，确认是否超标排放，提高监管效率。

本实用新型的技术方案是：

一种全天时船舶二氧化硫气体排放遥测设备，包括热红外镜头、至少两个带通滤光片、热红外面阵探测器、处理器和显示器，所述热红外镜头的后部设置所述至少两个带通滤光片，所述至少两个带通滤光片的后部设置所述热红外面阵探测器，所述热红外面阵探测器与所述处理器连接，所述处理器与所述显示器连接，所述至少两个带通滤光片中，至少一个带通滤光片的光谱通带为8.3～9.1μm，其他带通滤光片的光谱通带为8～14μm的范围之内非8.3～9.1μm的光谱范围。所述热红外镜头是工作谱段覆盖7～14μm的镜头，在此光谱范围内具有较高的光谱透过率，优选锗玻璃材料的镜头。

所述热红外面阵探测器的光谱响应范围至少覆盖8～14μm，可选择制冷型或非制冷型热红外面阵探测器。

所述至少两个带通滤光片，包括第一带通滤光片和第二带通滤光片，其中所述第一带通滤光片的通带光谱范围为8.3～9.1μm，所述第二带通滤光片的通带光谱范围为9.1～10μm。

所述第一带通滤光片与所述第二带通滤光片之间通过旋转支架连接，在所述旋转支架的中心安装有转轴，所述转轴由电机驱动。

或者，对应所述第一带通滤光片、第二带通滤光片，所述热红外镜头、热红外面阵探测器分别设置有两个，第一带通滤光片与一个热红外镜头、热红外面阵探测器设置在第一个主光轴上，第二带通滤光片与另一个热红外镜头、另一个热红外面阵探测器设置在第二个主光轴上，并且第一个主光轴与第二个主光轴平行，且两个所述热红外面阵探测器分别连接到所述处理器。

其中所述处理器优选为嵌入式计算机。

应用本实用新型提供的设备的一种全天时船舶二氧化硫气体排放遥测方法，包括以下步骤：

a、采集原始图像；

b、选择感兴趣区域；

c、计算修正系数；

d、计算差分图像；

e、计算二氧化硫浓度分布图像

f、显示/输出结果。

其中步骤a，由所述全天时船舶二氧化硫气体排放遥测设备探测获得图像；在8.3～9.1μm范围采集目标区域图像在参考光谱范围采集同一目标区域图像I_R。

其中步骤b，包括：

在的无目标的图像区域选择一块感兴趣区域作为图像在与相同的位置选择感兴趣区域作为图像I_{ROI_R}。

其中步骤c，包括：计算图像和图像I_{ROI_R}的DN值，分别为和DN_{ROI_R}，计算比值 $a={\mathrm{DN}}_{ROI\_R}/{\mathrm{DN}}_{ROI\_{\mathrm{SO}}_2}.$

其中步骤d，包括：计算差分图像差分图像就对应二氧化硫的烟羽图像。

其中步骤e，包括：将差分图像与已知二氧化硫浓度的差分图像进行对比和插值计算，获得现场遥测船舶二氧化硫气体排放值。

本实用新型的有益效果是：

(1)采用被动热红外差分成像技术，可以准确获取船舶排放二氧化硫的烟羽图像，可实现二十四小时全天时工作；

(2)可遥测船舶二氧化硫的排放量，判断是否可能超标排放，为执法人员提供依据，提高监管效率；

(3)设备体积小、携带方便，可根据需要灵活布置放置地点。

附图说明

图1为二氧化硫气体在热红外谱段的特征吸收示意图；

图2为一种船舶二氧化硫气体排放遥测方法原理框图；

图3为一种船舶二氧化硫气体排放遥测设备原理框图；

图4为一种船舶二氧化硫气体排放遥测设备原理图；

图5为另一种船舶二氧化硫气体排放遥测设备原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案进行具体阐述，需要指出的是，本实用新型的技术方案不限于实施例所述的实施方式，本领域的技术人员参考和借鉴本实用新型技术方案的内容，在本实用新型的基础上进行的改进和设计，应属于本实用新型的保护范围。

如图1所示，下面结合附图对本实用新型进一步说明。

在长波红外的大气窗口8μm～14μm(1250cm^-1～714cm^-1)的光谱范围内，二氧化硫在8.3μm～9.1μm(1200cm^-1～1100cm^-1)光谱范围有明显的吸收峰，而在其余光谱范围无吸收。自然环境下，在二氧化硫特征吸收范围8.3μm～9.1μm(1200cm^-1～1100cm^-1)及附近的光谱范围内没有其它气体的特征吸收。本实例中，相邻的9.1μm～10μm(1100cm^-1～1000cm^-1)光谱范围内热辐射的光谱比较平坦，并且没有二氧化硫的特征吸收。根据上述物理特性，可选择8.3μm～9.1μm(1200cm^-1～1100cm^-1)和9.1μm～10μm(1100cm^-1～1000cm^-1)两个谱段同时对目标区域成像，通过差分图像处理获取二氧化硫的空间浓度分布。

如图2所示，船舶排放二氧化硫遥测主要分为五步：

a、采集原始图像，在8.3～9.1μm范围采集目标区域图像在9.1～10μm参考光谱范围采集同一目标区域图像I_R；

b、选择感兴趣区域，在的无目标的图像区域选择一块感兴趣区域作为图像在I_R中与相同的位置选择感兴趣区域作为图像I_{ROI_R}；

c，计算修正系数，计算图像和图像I_{ROI_R}的DN值，分别为和DN_{ROI_R}，计算比值 $a={\mathrm{DN}}_{ROI\_R}/{\mathrm{DN}}_{ROI\_{\mathrm{SO}}_2};$

d、计算差分图像，差分图像差分图像就对应二氧化硫的烟羽图像；

e、计算二氧化硫浓度分布图像，将差分图像与已知二氧化硫浓度的差分图像进行对比和插值计算，获得现场遥测船舶二氧化硫气体排放值；

f、结果显示/输出。

如图3所示，本实用新型的设备主要包括热红外镜头1，带通滤光片2，热红外面阵探测器3，处理器4，显示屏5。热红外镜头1对目标船舶成像，带通滤光片2选择成像的光谱通带，热红外面阵探测器3进行光电转换获取图像，通过显示屏5选择感兴趣区域并显示图像，处理器4控制热红外探测器每次对同一目标至少采集两个不同光谱段的图像，对两幅图像进行差分处理，获取目标船舶的二氧化硫排放状况。选择的热红外镜头的材料为锗玻璃，在7～14μm光谱范围内有较高的光谱透过率，镜头的焦距为25mm，F数为1，光通量很大。共有两种通滤光片，其中一个通带覆盖二氧化硫的一个特征吸收峰8.3～9.1μm，另外一个的通带为9.1～10μm。所选的探测器为非制冷型红外探测器，光谱响应范围是8～14μm，像元数为640×480，像元尺寸为17μm，噪声等效温差为60mK。

图4为第一种具体实施例，两幅图像的获取可采用一个热红外镜头1、滤光片转轮(未画出)、热红外面阵探测器3的方式，滤光片转轮上设置两个谱段的带通滤光片，第一带通滤光片21的通带是8.3～9.1μm，第二带通滤光片22的通带是9.1～10μm，滤光片转轮由步进电机46带动，绕轴45旋转，通过滤光片转轮切换成像通带，获取两个谱段的图像，利用处理器4控制步进电机46和热红外面阵探测器3，并计算差分图像，进一步获取二氧化硫烟羽图像及浓度。

图5为第二种具体实施例。两个图像的获取也可采用双热红外镜头、双滤光片、双热红外面阵探测器组件的方式，第一个热红外镜头11、第一个带通滤光片21和第一热红外红外探测器31组成第一个窄带热红外相机。第二个热红外镜头12、第二个带通滤光片22和第二个热红外红外探测器32组成第二个窄带热红外相机，两个窄带热红外相机除滤光片外其它参数完全相同，并且第一个窄带热红外相机的光轴57和第二个窄带热红外相机的光轴58平行，指向同一目标，两个窄带热红外相机由处理器4进行同步控制，同时获取图像并进行处理，计算差分图像，进一步获取二氧化硫烟羽图像及浓度。上述第一个带通滤光片通带为8.3～9.1μm，第二个带通滤光片通带为9.1～10μm。

Claims (7)

1.一种全天时船舶二氧化硫气体排放遥测设备，包括热红外镜头、至少两个带通滤光片、热红外面阵探测器、处理器和显示器，其特征在于，所述热红外镜头的后部设置所述至少两个带通滤光片，所述至少两个带通滤光片的后部设置所述热红外面阵探测器，所述热红外面阵探测器与所述处理器连接，所述处理器与所述显示器连接，所述至少两个带通滤光片中，至少一个带通滤光片的光谱通带为8.3～9.1μm，其他带通滤光片的光谱通带为8～14μm的范围之内非8.3～9.1μm的光谱范围。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热红外镜头是工作谱段覆盖7～14μm的镜头，在此光谱范围内具有较高的光谱透过率，为锗玻璃材料的镜头。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热红外面阵探测器的光谱响应范围至少覆盖8～14μm，为制冷型或非制冷型热红外面阵探测器。

4.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述至少两个带通滤光片，包括第一带通滤光片和第二带通滤光片，其中所述第一带通滤光片的通带光谱范围为8.3～9.1μm，所述第二带通滤光片的通带光谱范围为9.1～10μm。

5.如权利要求4所述的设备，其特征在于，所述第一带通滤光片与所述第二带通滤光片之间通过旋转支架连接，在所述旋转支架的中心安装有转轴，所述转轴由电机驱动。

6.如权利要求4所述的设备，其特征在于，对应所述第一带通滤光片、第二带通滤光片，所述热红外镜头、热红外面阵探测器分别设置有两个，第一带通滤光片与一个热红外镜头、热红外面阵探测器设置在第一个主光轴上，第二带通滤光片与另一个热红外镜头、另一个热红外面阵探测器设置在第二个主光轴上，并且第一个主光轴与第二个主光轴平行，且两个所述热红外面阵探测器 分别连接到所述处理器。

7.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述处理器为嵌入式计算机。