CN207964624U - 基于tdlas扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，通过激光器的温度和电流控制使其出光波长覆盖待测气体的目标吸收峰，由自由光输出多波长耦合单元实现多光束的高度同轴或重合，耦合后的光束通过离轴抛物面镜和转动的六面体反射镜实现光束的收发一体化及光束的扫描化,转动的六面体反射镜使耦合光束扫描通过尾气排放烟羽到达铺设于地面的条状反光贴，再由收发一体结构将反光贴的反射光聚焦至探测器，探测器信号由采集处理单元进行接收与处理，获得尾气排放信息，装置中还包括波长锁定单元实现各激光器的波长实时锁定，从而无需对系统进行频繁校准。这种测量装置可实现高灵敏度、高光谱分辨率、实时、高效的尾气排放测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及机动车尾气遥感测量领域，确切的说是一种基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置。
背景技术
随着经济的快速发展，机动车尾气排放已成为城市空气污染的重要来源，环保部进行的首批PM2.5源解析结果表明，北京、上海等城市的PM2.5有15%~52%的浓度贡献源自机动车尾气排放。且自2012年，柴油尾气已由卫生组织明确为致癌物范畴。因此，快速真实的测量机动车尾气排放对空气污染防治是非常必要的。国家《大气法》明确规定，自2016年，可在不影响交通的条件下对道路中行驶的机动车进行尾气遥测，随后在2017年3月，环保部针对遥感检测法编写了《汽车污染物排放限值及测量方法》初步版本，机动车尾气排放标准控制越来越严格，这对尾气遥测系统也提出了更高标准的要求，尤其需要适于高精度高灵敏度的垂直式尾气遥感检测装置。
现有尾气测量设备，为了实现多组分测量，通常需要将红外（用于测量CO和CO2）和紫外光源（用于测量NOX和CH）相结合，对于NOx和CH测量大多采用的是宽带光源，这会限制系统的光谱分辨率，不利于系统测量精确度的进一步提升。此外，对于垂直式尾气测量设备，主要是在地面铺设反射结构，实现V形或W形反射式测量。然而，不同类型的机动车排气管道位置有所不同，再加上车辆在道路中行驶位置的随机性，这些都会进一步增大测量结果的失误率和漏判率。
发明内容
针对上述问题，本实用新型旨在提供一种基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，可以实现尾气排放物中多组分同步、高效、准确测量。
本实用新型采用如下的技术方案：一种基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，该系统包括：多波长耦合激光发射装置、中心开有孔的凹面镜、旋转正多面体反射镜、条状反光贴、探测器、探测器控制单元、采集与处理单元、工控机；所述凹面镜位于多波长耦合激光发射装置的出射光路上且多波长耦合激光发射装置的出射光穿过凹面镜的中心孔入射至旋转正多面体反射镜；所述条状反光贴位于旋转正多面体反射镜的下方；凹面镜的反射面朝向正多面体反射镜且探测器位于凹面镜的焦点上；探测器控制单元的信号输出端与探测器的控制端相连接，探测器的信号输出端与采集与处理单元的信号输入端相连接；采集与处理单元的信号输出端与工控机的信号输入端相连接；凹面镜与旋转正多面体反射镜的位置关系可使经凹面镜中心孔穿过的激光照射至旋转正多面体反射镜，旋转正多面体反射镜将该入射激光反射至条状反光贴，经条状反光贴漫反射的激光在被旋转正多面体反射镜反射后由凹面镜会聚至探测器。
由多波长耦合激光发射装置出射的高度耦合后的光束穿过所述凹面镜中心孔到达所述旋转正多面体反射镜表面，所述正多面体反射镜的反射光束穿过机动车尾气烟羽到达所述条状反光贴，所述反光贴的漫反射光再次由所述旋转正多面体反射镜及所述凹面镜反射并聚焦至所述探测器，所述探测器控制单元控制所述探测器保证其稳定工作，所述探测器的光电输出信号由所述采集与处理单元进行处理计算排放的尾气烟团浓度值，所述采集与处理单元的浓度信息和所述辅助测量单元的输出信息均由所述工控机进行控制数据的上传与保存。
进一步地，所述基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置包括辅助测量单元，该辅助测量单元包括速度和加速度测量、气象参数测量、车牌识别测量模块，分别用于测量所测机动车通过测量装置时的速度和加速度、环境气象参数、和通过车辆的抓拍和识别，均由所述系统控制单元进行控制与数据上传和保存。
进一步地，所述多波长耦合激光发射装置包括激光器控制单元、多个激光器单元、多波长光束耦合单元以及波长锁定单元；所述激光器控制单元控制各个激光器单元；各激光器单元出射的激光进入多波长光束耦合单元耦合输出至波长锁定单元，经过波长锁定单元锁定波长后后输出；波长锁定单元的信号输出端与工控机的信号输入端相连接，激光器控制单元的信号输入端与工控机的信号输出端相连接。
由所述激光器控制单元控制所述的激光器单元中的激光器，使各激光器输出波长扫描通过待测气体的吸收峰。所述激光器单元中各激光器输出的多路光束经过多波长光束耦合单元实现光束的高度耦合。
进一步的，所述的激光器单元包括近红外和中红外DFB激光器，可根据HITRAN数据库中待测气体吸收模拟情况来选择合适的激光器。
进一步地，凹面镜采用离轴抛物面镜，旋转正多面体反射镜采用六面体反射镜；所述的离轴抛物面镜和所述旋转六面体反射镜结构组成扫描收发一体式结构，完成光束发射和接收同光路。
进一步地，所述的激光器控制单元包括激光器的温度控制和电流控制，一方面保证所述激光器单元中各激光器能够在不同的环境条件下正常输出目标波长范围，另一方面所述激光器控制单元还能给所述激光器单元中各激光器加载调制信号，调制频率可以为kHz量级，有利于实现尾气的快速测量。
进一步地，所述的探测器是热电制冷工作方式，可以是单个宽带响应的红外碲镉汞探测器，也可以是窄带宽碲镉汞探测器和近红外铟镓砷探测器组合的形式。所述探测器由所述探测器控制单元进行温度和电流控制保证所述探测器的正常工作。
进一步地，所述多波长光束耦合单元由多种光学元件组成，可采用反射镜和光栅组合的形式。所述波长锁定单元包括分光镜、吸收池和探测器等元器件，对所述激光器控制单元进行反馈控制，实现所述激光器单元中各激光器的波长实时锁定，无需系统的频繁标定和校准。所述条状反光贴是一种涂有反光材料的反射结构，用于穿过尾气烟羽光束的漫反射，横铺在所测车道内并置于所述旋转六面体反射镜的正下方。
所述采集与处理单元是对探测器的光电转换信号进行处理，并根据获得的光谱吸收信号，结合红外光谱吸收理论推出所测烟团的温度信息，对测量结果进行温度修正，提高测量结果的准确性。
基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置方法，采用本实用新型所述的测量装置，包括如下步骤：
1) 首先获得各测量气体的光强归一化谐波峰值标定曲线；
2）然后理论获得各组分谐波峰值的温度修正曲线；
3) 记录车辆到来之前各气体的烟团背景值；
4)测量车辆通过监测地点后限定时间内排放尾气中各组分烟团值变化情况，并利用测量的任一组分的吸收信号反演出气体温度，从而对获得的各组分烟团值进行温度修正，具体做法为：利用任意组分的调制吸收信号得到该组分的吸收线宽值，并根据公式
进一步评估所测尾气的温度值，其中，T为排放烟团的温度、T0为标准温度值296K、Δv（T0）为标准温度下的吸收线宽值、Δv（T）为获得的T温度下的吸收线宽值、n为温度依赖系数可由HITRAN数据库中查得；根据上式得到的排放烟团的温度，结合步骤2中的温度修正曲线，从而得到温度修正后的各组分烟团值；5)将在限定时间内获得的温度修正后的各组分烟团值分别进行积分处理，然后分别求得各组分烟团值积分后所得值与CO2的浓度比值，并结合燃烧方程计算出通过车辆尾气中各组分的浓度信息；
6)由计算机控制辅助测量单元获得烟度信息及通过车辆的速度和加速度、车牌号码信息、环境气象参数；
7)结合辅助测量信息对测得的各气体浓度进行有效判断，并依据浓度控制标准进行判断所测车辆排放是否超标。
结合步骤3、4、5可以快速准确的获得尾气中各组分的浓度信息，并且充分考虑了温度的修正和尾气随时间扩散的情况，使得测量结果更加准确。步骤2）中获得温度修正曲线是本领域的公知常识；步骤5）中结合燃烧方程获得各组分浓度信息是本领域的公知常识。
本实用新型所述测量装置可实现高灵敏度、高光谱分辨率、实时、高效的尾气排放测量。还可广泛应用于机动车尾气遥感测量中，尤其适于垂直式多车道机动车尾气排放测量。所述测量方法能够快速准确的得到汽车尾气的烟团值，大大降低了目前汽车尾气测量中的失误率和漏判率。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置结构示意图。
101-激光器控制单元、102-激光器单元、103-多波长光束耦合单元、104-波长锁定单元、105-凹面镜、106-旋转正多面体反射镜、107-尾气烟羽、108-条状反光贴、109-路面、110-探测器、111-探测器控制单元、112-采集与处理单元、113-辅助测量单元、114-工控机。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案进行详细的描述，这里只是为了便于理解，并不作为对本实用新型的限定。
如图1所示，本实用新型提供了一种基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，包括激光器控制单元101、激光器单元102、多波长光束耦合单元103、波长锁定单元104、凹面镜105（采用离轴抛物面镜）、旋转正多面体反射镜106（旋转六面体反射镜）、条状反光贴108、探测器110、探测器控制单元111、采集与处理单元112、辅助测量单元113、工控机114。由所述激光器控制单元控制所述的激光器单元中的激光器，使各激光器输出波长扫描通过待测气体的“指纹”吸收峰。
激光器单元102中各激光器输出的多路光束经过多波长光束耦合单元103实现光束的高度耦合，耦合后的光束穿过离轴抛物面镜到达旋转六面体反射镜，六面体反射镜的反射光束穿过机动车尾气烟羽107到达横铺在路面109上的条状反光贴108，条状反光贴108的漫反射光再次由旋转六面体反射镜及离轴抛物面镜反射并聚焦至探测器110，探测器控制单元111保证探测器110能够稳定工作，探测器110输出的光电信号由采集与处理单元112进行处理并计算排放的尾气烟团浓度值，浓度信息及辅助测量信息（包括烟度、速度和加速度、气象参数等）均由工控机114控制进行数据的上传与保存。
激光器单元102包括近红外和中红外激光器，并可根据HITRAN数据库中待测气体吸收模拟情况来选择合适的激光器扫描覆盖待测气体的“指纹”吸收峰，激光器优选为近红外和中红外DFB激光器。
探测器110是热电制冷工作方式，可以是单个宽带响应的红外碲镉汞探测器，也可以是窄带宽碲镉汞探测器和近红外铟镓砷探测器组合的形式。
多波长光束耦合单元103由多种光学元件组成，可以是反射镜和光栅组合的形式，也可以是其他元件组合的形式。波长锁定单元104包括吸收池和探测器等元器件，条状反光贴108是一种涂有反光材料的反射结构，用于穿过尾气烟羽光束的漫反射，横铺在所测车道内并置于旋转六面体反射镜的正下方。
离轴抛物面镜和旋转六面体反射镜结构组成扫描收发一体式结构，与铺设在道路中的条状反光贴组合，可实现光束的扫描式发射和漫反射光接收同光路，这样不管所测车辆在车道那个位置行驶，都可以获得光束扫描横截面内扩散烟羽的吸收光谱信息，从而进一步获得扫描横截面内不同位置的烟羽浓度情况。这种结构的尾气测量装置，一方面可以避免V型反射和W型反射结构的漏测率及误判率，另一方面还可以根据反演的不同位置处的烟羽浓度分布情况进一步推断所测结果是否受相邻车道排放的影响。
采集与处理单元112对探测器的光电转换信号进行处理，并根据获得的光谱吸收信号，结合红外光谱吸收理论推出所测烟团的温度信息，对气体烟羽测量结果进行温度修正。因为所测气体的谐波信号是和气体的温度和压强有关的，而在开放状态下，气体的压强约为一个大气压，而对于气体的温度，排气管排出的尾气温度是很高的，且尾气烟羽扩散非常快，所以在烟羽测量时所测烟羽温度实际上并不等于环境大气温度，是大于环境温度的，所以准确的尾气浓度测量时需要进行温度实时修正的。
采用本实用新型可实现如下具体测量方法：首先获得各测量气体的标定曲线；测量尾气烟羽中各气体的烟团值，并对任一气体的吸收信号进行处理，获得得到该气体的吸收线宽值，进一步获得测量尾气烟羽对应的气体温度值，对测得的烟团值进行温度修正；记录车辆到来之前各气体烟团背景值；测量车辆通过监测地点后限定时间内的烟团变化情况；将在限定时间内获得的温度修正后的各组分烟团值分别进行积分处理，然后分别求得各组分烟团值积分后所得值与CO2的浓度比值，结合适当的燃烧方程反演计算出通过车辆尾气中各气体的绝对浓度信息；控制辅助测量单元获得烟度信息及通过车辆的速度和加速度、车牌号码信息、环境气象参数等；结合辅助测量信息对测得的各气体浓度进行有效判断，并结合浓度控制标准进行判断所测车辆排放是否超标。
以上各实施仅用于对本实用新型的说明和描述，本实用新型所述的装置结构与测量方法并不局限于此，凡是在本实用新型的基础上进行的同等替换和改进，均应在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，其特征在于该装置包括：多波长耦合激光发射装置、中心开有孔的凹面镜（105）、旋转正多面体反射镜（106）、条状反光贴（108）、探测器（110）、探测器控制单元（111）、采集与处理单元（112）、工控机（114）；所述凹面镜（105）位于多波长耦合激光发射装置的出射光路上且多波长耦合激光发射装置的出射光穿过凹面镜（105）的中心孔入射至旋转正多面体反射镜（106）；所述条状反光贴（108）位于旋转正多面体反射镜（106）的下方的路面（109）上；凹面镜（105）的反射面朝向正多面体反射镜（106）且探测器（110）位于凹面镜（105）的焦点上；探测器控制单元（111）的信号输出端与探测器（110）的控制端相连接，探测器（110）的信号输出端与采集与处理单元（112）的信号输入端相连接；采集与处理单元（112）的信号输出端与工控机（114）的信号输入端相连接；凹面镜（105）与旋转正多面体反射镜（106）的位置关系可使经凹面镜（105）中心孔穿过的激光照射至旋转正多面体反射镜（106），旋转正多面体反射镜（106）将该入射激光反射至条状反光贴（108），经条状反光贴（108）漫反射的激光在被旋转正多面体反射镜（106）反射后由凹面镜（105）会聚至探测器（110）。
2.如权利要求1所述的基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，其特征在于，还包括与工控机（114）信号输入端相连接的辅助测量单元（113）；所述辅助测量单元（113）包括速度和加速度测量、气象参数测量、车牌识别测量模块，分别用于测量所测机动车通过测量装置时的速度和加速度、环境气象参数、和通过车辆的抓拍和识别，均由所述工控机（114）进行控制与数据上传和保存。
3.如权利要求2所述的基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，其特征在于，所述多波长耦合激光发射装置包括激光器控制单元（101）、多个激光器单元（102）、多波长光束耦合单元（103）以及波长锁定单元（104）；所述激光器控制单元（101）控制各个激光器单元（102）；各激光器单元（102）出射的激光进入多波长光束耦合单元（103）耦合输出至波长锁定单元（104），经过波长锁定单元（104）锁定波长后输出；波长锁定单元（104）的信号输出端与工控机（114）的信号输入端相连接，激光器控制单元（101）的信号输入端与工控机（114）的信号输出端相连接。
4.如权利要求3所述的基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，其特征在于，所述的激光器单元（102）包括近红外和中红外DFB激光器，可根据HITRAN数据库中待测气体吸收模拟情况来选择合适波长的激光器。
5.如权利要求1~4任一项所述的基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，其特征在于，凹面镜（105）采用离轴抛物面镜，旋转正多面体反射镜（106）采用六面体反射镜；所述的离轴抛物面镜和所述旋转六面体反射镜结构组成扫描收发一体式结构，完成光束收发一体化及光束的扫描化。
6.如权利要求3所述的基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，其特征在于，所述的激光器控制单元（101）包括激光器的温度控制和电流控制，一方面保证所述激光器单元（102）中各激光器能够在不同的环境条件下正常输出目标波长范围，另一方面所述激光器控制单元（101）还能给所述激光器单元（102）中各激光器加载调制信号，调制频率可以为kHz量级，有利于实现尾气的快速测量。
7.如权利要求1~4任一项所述的基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，其特征在于，所述的探测器（110）是热电制冷工作方式，可以是单个宽带响应的红外碲镉汞探测器，也可以是窄带宽碲镉汞探测器和近红外铟镓砷探测器组合的形式；所述探测器（110）由所述探测器控制单元（111）进行温度和电流控制保证所述探测器的正常工作。
8.如权利要求3或4或6所述的基于TDLAS扫描收发一体式机动车尾气遥感测量装置，其特征在于，所述多波长光束耦合单元（103）由多种光学元件组成，可采用反射镜和光栅组合的形式；所述波长锁定单元（104）包括分光镜、吸收池和探测器元器件，对各激光器进行实时波长锁定，所述条状反光贴（108）是一种涂有反光材料的反射结构，用于穿过尾气烟羽光束的漫反射，横铺在所测车道内并置于所述旋转正多面体反射镜（106）的正下方。
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