基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统及方法，激光器控制模块控制激光器模组中的各激光器分别发出所需波长范围的检测光；激光器模组发出的多束检测光经过光路准直阵列单元准直形成平行光束并发射到光学反射镜单元；在开放式光路条件下，光学反射镜单元将穿过机动车尾气的激光检测光束反射至光路聚焦及滤光阵列单元进行聚焦和滤波处理，经聚焦及滤光阵列单元出射的检测光束经半导体光电探测器组探测接收并经信号采集及处理装置发送到计算机，计算机计算出开放式光路条件下机动车尾气中各组分浓度。本发明专利技术可以广泛应用于机动车尾气遥感检测中。

Remote sensing detection system and method for vehicle exhaust based on tunable laser

The invention relates to a tunable laser remote sensing vehicle exhaust detection system and method based on the laser control module controls each module in laser light detection were issued the desired wavelength range; multi beam laser detection module emits light through the optical collimator array collimation parallel beam forming and transmitted to the optical reflector unit; in the light of open road conditions, the optical reflector unit through the vehicle exhaust detection by laser beam of light to the optical focusing and filter array unit for focusing and filtering by focusing and optical filter array unit to detect the light beam to the computer by the semiconductor photoelectric detector and the detection group receiving device sends a signal acquisition and processing the computer calculates, open the light path under the condition of each vehicle exhaust concentration. The invention can be widely used in remote sensing detection of motor vehicle exhaust gas.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是关于一种基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统及方法，涉及机动车尾气排放检测

技术介绍
机动车尾气污染已经成为影响我国城市空气质量的重要因素，环保部对我国9个大城市进行的源解析结果表明有4个城市的PM2.5首要污染来源为机动车，1个城市的PM2.5首要污染来源为由机动车主导的移动源。随着机动车保有量的持续增加及新车六年内尾气免年检政策的发布，机动车尾气遥感监测技术成为提升车辆尾气排放监管能力和效率的重要手段。《中华人民共和国大气污染防治法》明确规定自2016年1月1起，可以在不影响交通的情况下对路上行驶的机动车实施尾气遥感检测。随着黄标车等高污染车辆的逐步淘汰，“黄改绿、绿改绿”的严格控制、国五排放标准的逐步实施及国六标准的起草制定，我国路上行驶的机动车尾气排放水平必然会显著降低，这就对机动车尾气遥感监测设备的检测能力提出了更高的要求。由于机动车尾气组分复杂，机动车尾气遥感监测设备通常需要红外光源(包括红外灯或近红外激光器)和紫外光源(紫外氘灯)相结合使用。现有技术公开了一种以红外灯作为连续光源，采用NDIR(non-dispersiveinfrared)技术测量CO、CO2、HC，以紫外灯作为光源采用DUV技术检测NOx。现有技术中还报道了以近红外可调谐激光二极管为光源采用TDLAS技术检测尾气中的CO、CO2，以紫外灯为光源用DOAS技术检测HC、NO的方法。进一步地，紫外灯作为光源还可以结合DOAS等其他技术检测尾气中的NO2，SO2，NH3等。对于机动车尾气中的颗粒物，现有技术报道了以紫外激光器为光源测量尾气颗粒物浓度或者使用波长已知的紫外光和红外光测量尾气颗粒物浓度的方法。但是，机动车尾气遥感技术作为一种开放式光路检测系统，在实际测量时尾气中各组分浓度时会受到环境温湿度的影响，而NDIR、DOAS及DUV技术测量气体浓度与温湿度密切相关，导致采用这些技术时必须根据实际条件进行频繁标定。另外，有些机动车尾气遥感监测设备使用的近红外可调谐激光二极管对应的波长属于CO和CO2的泛频吸收带，在此波段CO和CO2对检测光的吸收能力很弱，导致无法进一步提升仪器检测精密度。现有技术还公开了一种利用基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统和方法。量子级联激光器作为一种高灵敏度痕量气体检测的理想中红外波段光源，光源单色性好、线宽远小于被测气体的吸收谱线宽度；同时光源具有很高的光谱功率密度，可在室温工作下实现对多痕量气体的高分辨率、高灵敏度的检测。然而作为新兴技术，目前单个量子级联激光器的波长调谐速率受到很大的限制，一般不大于100cm-1/秒。由于尾气遥感检测设备在开放式光路条件下使用，而机动车尾气从尾气管中排放出来之后会以极快的速度向周围环境扩散，浓度变化很大，使得尾气遥感检测设备必须在极短的时间内(如10ms)完成对各个物种的测量；同时不同痕量物种通常在不同的波长范围具有较强的吸收，超出了单个量子计量激光器的波长调谐范围；导致目前利用中红外波长的量子级联激光器在高速率条件下对机动车尾气中各种痕量进行精准遥感测量必须针对每个物种使用单独的量子级联激光器，而针对每个物种都用量子级联激光器的成本很高。其次，根据Lambert-Beer定律，气体物种在某个波长下的吸收会同时受到周围环境的温度和压力等因素的影响，因此事先训练和使用的人工神经网络必须同时考虑温度和压力的影响，并且多种物种的测量混合在一个神经网络中造成更大的复杂性，影响测量效果。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术的其中一个专利技术目的是提供一种能够在同一时刻对机动车尾气组分中不同物种进行检测的基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统。本专利技术的另一专利技术目的是提供一种能够在同一时刻对机动车尾气组分中不同物种进行检测的基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测方法为实现上述其中一个专利技术目的，本专利技术采取以下技术方案：一种基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，该尾气遥感检测系统包括激光器模组、激光器控制模块、光路准直阵列单元、光路聚焦及滤光阵列单元、半导体光电探测器组、信号采集及处理装置、光学反射镜单元和计算机；所述激光器控制模块控制所述激光器模组中的各激光器分别发出所需波长范围的检测光；所述激光器模组发出的多束检测光经过所述光路准直阵列单元准直形成平行光束并发射到所述光学反射镜单元；在开放式光路条件下，所述光学反射镜单元将穿过机动车尾气的激光检测光束反射至所述光路聚焦及滤光阵列单元进行聚焦和滤波处理，经所述聚焦及滤光阵列单元出射的检测光束经所述半导体光电探测器组探测接收并经所述信号采集及处理装置发送到所述计算机，所述计算机计算出开放式光路条件下机动车尾气中各组分浓度。进一步地，所述光路准直阵列单元中准直透镜的个数、光路聚焦及滤光阵列单元中聚焦透镜及滤光片的个数、半导体光电探测器组中半导体光电探测器的个数均与所述激光器模组的激光器的个数相对应。进一步地，该机动车尾气遥感检测系统还包括用于对光路进行自动标定的自动标定装置，所述自动标定装置设置在所述聚焦及滤光阵列单元外侧，所述计算机控制所述自动标定装置每隔一段时间运转至所述光路聚焦及滤光单元前对各个物种通道进行标定。进一步地，该机动车尾气遥感检测系统还包括机动车速度/加速度测量模块及机动车车牌识别模块，所述计算机控制所述机动车速度/加速度测量模块测量机动车在尾气监测点的速度和加速度数据，同时控制所述机动车车牌识别模块拍摄机动车经过尾气监测点时车头或者车尾的照片并进行车牌识别。进一步地，所述激光器模组由若干个近红外可调谐激光器、中红外可调谐激光器和紫外光/可见光激光器组成，针对机动车尾气被检测物种选择激光器的类型及个数，每个被检测物种对应一个激光器。进一步地，所述半导体光电探测器采用TEC制冷的半导体光电探测器。进一步地，所述激光器控制模块包括温度控制电路和电流控制电路，所述温度控制电路控制所述激光器模组中各激光在环境温度-30～60℃范围内保持稳定工作温度，所述电流控制电路同时产生正弦电流和锯齿电流，正弦电流和锯齿电流分别叠加组成激光器驱动电流，驱动激光器模组中各激光器发出所需波长范围的检测光。进一步地，所述光路准直阵列单元采用准直透镜阵列，每一激光器输出的光均通过相应的准直透镜进行准直，每一准直透镜分别采用AR镀膜非球面透镜；所述光路聚焦及滤光阵列单元包括聚焦透镜阵列和带通滤光片阵列，所述聚焦透镜阵列中的聚焦透镜均采用AR镀膜非球面聚焦镜，分别设置相应准直透镜的出光方向，所述带通滤光片阵列中的带通滤光片分别设置在相应半导体光电探测器的进光方向，所述带通滤光片滤除干扰光后将检测光聚焦在对应的半导体光电探测器上进行光谱测量。进一步地，所述信号采集及处理装置采集所述半导体光电探测器组的探测数据并进行信号放大和均值滤波处理，然后进行锁相放大和二次谐波解调或者一次谐波解调，同时采集道路环境中温度和压力数据，并将最终得到的直接吸收光谱数据、气体物种的二次谐波谱、颗粒物物种的一次谐波谱及温度压力数据发送到所述计算机。为实现上述另一专利技术目的，本专利技术采取以下技术方案：一种可调谐激光器的机动车尾气遥感检测方法，包括以下内容：1)获取理论气体红外二次谐波吸收峰幅值曲线；2)获取理论气体红外二次谐波吸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，该尾气遥感检测系统包括激光器模组、激光器控制模块、光路准直阵列单元、光路聚焦及滤光阵列单元、半导体光电探测器组、信号采集及处理装置、光学反射镜单元和计算机；所述激光器控制模块控制所述激光器模组中的各激光器分别发出所需波长范围的检测光；所述激光器模组发出的多束检测光经过所述光路准直阵列单元准直形成平行光束并发射到所述光学反射镜单元；在开放式光路条件下，所述光学反射镜单元将穿过机动车尾气的激光检测光束反射至所述光路聚焦及滤光阵列单元进行聚焦和滤波处理，经所述聚焦及滤光阵列单元出射的检测光束经所述半导体光电探测器组探测接收并经所述信号采集及处理装置发送到所述计算机，所述计算机计算出开放式光路条件下机动车尾气中各组分浓度。

【技术特征摘要】
1.一种基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，该尾气遥感检测系统包括激光器模组、激光器控制模块、光路准直阵列单元、光路聚焦及滤光阵列单元、半导体光电探测器组、信号采集及处理装置、光学反射镜单元和计算机；所述激光器控制模块控制所述激光器模组中的各激光器分别发出所需波长范围的检测光；所述激光器模组发出的多束检测光经过所述光路准直阵列单元准直形成平行光束并发射到所述光学反射镜单元；在开放式光路条件下，所述光学反射镜单元将穿过机动车尾气的激光检测光束反射至所述光路聚焦及滤光阵列单元进行聚焦和滤波处理，经所述聚焦及滤光阵列单元出射的检测光束经所述半导体光电探测器组探测接收并经所述信号采集及处理装置发送到所述计算机，所述计算机计算出开放式光路条件下机动车尾气中各组分浓度。2.如权利要求1所述的一种基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，所述光路准直阵列单元中准直透镜的个数、光路聚焦及滤光阵列单元中聚焦透镜及滤光片的个数、半导体光电探测器组中半导体光电探测器的个数均与所述激光器模组的激光器的个数相对应。3.如权利要求1所述的基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，该机动车尾气遥感检测系统还包括用于对光路进行自动标定的自动标定装置，所述自动标定装置设置在所述聚焦及滤光阵列单元外侧，所述计算机控制所述自动标定装置每隔一段时间运转至所述光路聚焦及滤光单元前对各个物种通道进行标定。4.如权利要求1所述的基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，该机动车尾气遥感检测系统还包括机动车速度/加速度测量模块及机动车车牌识别模块，所述计算机控制所述机动车速度/加速度测量模块测量机动车在尾气监测点的速度和加速度数据，同时控制所述机动车车牌识别模块拍摄机动车经过尾气监测点时车头或者车尾的照片并进行车牌识别。5.如权利要求1所述的基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，所述激光器模组由若干个近红外可调谐激光器、中红外可调谐激光器和紫外光/可见光激光器组成，针对机动车尾气被检测物种选择激光器的类型及个数，每个被检测物种对应一个激光器。6.如权利要求2所述的基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，所述半导体光电探测器采用TEC制冷的半导体光电探测器。7.如权利要求1～6任一项所述的基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，其特征在于，所述激光器控制模块包括温度控制电路和电流控制电路，所述温度控...

【专利技术属性】
技术研发人员：王坤，黄子龙，余学春，
申请(专利权)人：浙江多普勒环保科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33