分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置，包括经纬仪，还包括安置在经纬仪上的成像遥感监测单元、信号处理单元、激光测距仪和摄像机，成像遥感监测单元包括成像镜头，透过成像镜头的光依次经过第一偏振棱镜、分子泡、第二偏振棱镜、滤光片后由成像探测器成像，分子泡的外侧设置有磁体，成像探测器、激光测距仪和摄像机分别与信号处理单元连接，第一偏振棱镜和第二偏振棱镜的偏振方向正交，分子泡内填充有填充气体。还公开了分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测方法。本发明专利技术具有监测准确度高、数据离散度小、抗干扰抑制能力强、环境适应能力强、监测灵敏度高和结果可视性好等优点。

Remote Sensing Monitoring Device and Method for Polluted Gas Emission from Ships by Molecular Rotary Light Filter

The invention discloses a remote sensing imaging monitoring device for pollutant gas discharged from ships by molecule optical rotatory filter, including a theodolite, including an imaging remote sensing monitoring unit, a signal processing unit, a laser rangefinder and a camera mounted on the theodolite. The imaging remote sensing monitoring unit includes an imaging lens, through which light passes through the first polarization prism, a molecule bubble and a second polarization prism in turn. After the filter, it is imaged by an imaging detector. A magnet is arranged on the outside of the molecule bubble. The imaging detector, the laser rangefinder and the camera are connected with the signal processing unit respectively. The polarization direction of the first polarization prism and the second polarization prism are orthogonal, and the molecule bubble is filled with filling gas. A remote sensing monitoring method for pollutant gas emitted from ships by molecular optical rotation filter is also disclosed. The invention has the advantages of high monitoring accuracy, small data dispersion, strong anti-interference and suppression ability, strong environmental adaptability, high monitoring sensitivity and good result visibility.

【技术实现步骤摘要】
分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置及方法
本专利技术涉及船舶污排放染气体监测，具体涉及分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置，还涉及分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测方法。
技术介绍
随着交通运输技术与需求的发展，船舶污染气体排放对大气污染的比重日益增加，但是船舶分布广、流动性强，且所排放的污染气体无形影、变化快，为船舶烟气排放的实时、工况检测带来很大的难度，是监管制度建设的技术瓶颈。由于对船舶污染气体排放的检测难度较大，MARPOL公约便要求采用油品检测的方式，即通过检测燃油中污染物含量，如：规定燃油含硫量不得超过4.5％m/m。这样的规定实属不得已，也存在不合理性，因为船舶燃油即便是含硫量较高，如果船舶采取了脱硫技术措施，只要做到了低硫污染气体排放，减少了对大气的污染，也应该是允许的才对。采取这一规定也不能控制氮氧化物的排放，因为氮氧化物的产生一方面来自于燃油中的氮元素含量，另一方面空气中78％的氮气进入燃烧室，在高温高压条件下，也产氮氧化物，还是需要通过检测船舶污染气体排放中的氮氧化物才能更合理的控制氮氧化物的排放，于是MARPOL公约还规定如：发动机额定转速n<130rpm时，第Ⅰ级要求氮氧化物排放限值17.0<g/kwh，等等。通过烟囱取样进行化学、光谱或称量等方法检测，虽然精度高、超标认定准确，但是船舶从烟囱取样检测难度很大，行驶工况下检测人员难以上下船检测，也比较耗时、费力、效率低下，且绝大多数无辜的非超标船舶也被迫检测，消耗了大量无谓的人力物力。文献1(PlumeSegmentationfromUVCameraImagesforSO2EmissionRateQuantificationonCloudDays，remotesensing，2017，9，517)采用一种烟囱SO2排放紫外光谱成像遥感检测的方法，这种方法对天空背景条件要求比较苛刻，需要在天空中有均匀云分布条件下使用，若天空背景光不均匀则难以准确测量。文献2(车载二氧化硫差分吸收激光雷达系统，光子学报，2017，第46卷第7期)采用一种激光差分吸收技术探测大气中的SO2。但由于船舶排放烟羽空间分布具有不确定性，而且烟羽形状也变化多端、极不均匀，有时激光束所穿过船舶排放的烟羽，有时甚至激光束甚至没有准确的穿过烟羽，这样监测的结果便是：如果激光束穿过烟羽较浓的部位，则监测到尾气排放量很大；如果激光束穿过烟羽较稀薄的部位，则监测到尾气排放量很小；如果激光束没有准确穿过烟羽，则监测不到尾气排放。如此一来，即便是对同一船舶、相同的行驶条件和环境条件下，监测结果也有很大差异，造成监测数据的离散度非常大，难以对行驶中的船舶根据一次性监测结果得出准确的尾气污染排放量值。文献3(AnInfraredHyperspectralSensorforRemoteSensingofGasesintheAtmosphere，Proc.ofSPIEVol.782778270J，2010)采用傅里叶变换光谱技术，实现了对船舶排放的SO2成像探测，探测结果直观可见，但核心组件傅里叶变换光谱仪加工精度要求极高、造价昂贵，且对环境温度变化和震动极敏感，工作时还需要深度制冷，应用推广的难度很大。2009年提出一种采用量子级联激光器和NO旋光效应检测NO痕量气体浓度的新方法，有效提高了NO的检测灵敏度(文献3：Ultrasensitivedetectionofnitricoxideat5.33μmbyusingexternalcavityquantumcascadelaser-basedFaradayspectroscopy,PNAS,2009vol.106no.31pp12587–12592；文献4：Continuousmonitoringofnitricoxideat5.33μmwithanEC-QCLbasedFaradayrotationapectrometer:laboratoryandfieldsystemperformance,Proc.ofSPIEVol.7222,72220M-1～8，2009)，该方法是对NO气体是取样检测，不适应于遥感监测。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置，还提供分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测方法，本专利技术采用分子法拉第旋光效应，对机动车排放的气体污染成分进行选择性滤光，抑制环境背景干扰光的影响，获得船舶排放的特定污染气体成分的空间分布图像，根据图像计算出污染气体的排放量。具有检测准确度高、数据离散度小、抗干扰抑制能力强、环境适应能力强、监测灵敏度高和结果可视性好等优点。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置，包括经纬仪，还包括安置在经纬仪上的成像遥感监测单元、信号处理单元、激光测距仪和摄像机，成像遥感监测单元包括成像镜头，透过成像镜头的光依次经过第一偏振棱镜、分子泡、第二偏振棱镜、滤光片后由成像探测器成像，分子泡的外侧设置有磁体，成像探测器、激光测距仪和摄像机分别与信号处理单元连接，第一偏振棱镜和第二偏振棱镜的偏振方向正交，分子泡内填充有填充气体。如上所述的分子泡包括中空的筒体，以及密封筒体两端的中红外玻璃窗，筒体的内部空间长度40～60mm。如上所述的磁体为缠绕在筒体外部的圆筒形螺线管。如上所述的填充气体为NO气体，填充气体的气压为2000～5000pa；滤光片的中心波长为5.33μm，带宽为400nm，所述的磁体在分子泡内产生磁场强度为2000Gs的轴向磁场；或者所述的填充气体为NO2气体，填充气体的气压为1000～3000pa；滤光片的中心波长为6.25μm，带宽为500nm，所述的磁体在分子泡内产生磁场强度为800Gs的轴向磁场。分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测方法，包括以下步骤：步骤1、信号处理单元控制经纬仪的水平转动和俯仰转动，摄像机对水面上过往船舶进行成像获得船舶图像；步骤2、信号处理单元根据船舶图像对船舶的番号进行识别，信号处理单元记录下船舶的番号；步骤3、信号处理单元控制经纬仪的水平转动和俯仰转动，搜索船舶的烟囱，当搜索到搜索船舶的烟囱时，激光测距仪测量获得成像遥感监测单元与烟囱之间的距离R，并将距离R值传送给信号处理单元；步骤4、信号处理单元控制经纬仪的水平转动和俯仰转动，将船舶烟囱排放的污染气体形成的烟气烟羽调整到成像遥感监测单元的成像镜头的视场中央，成像遥感监测单元的成像探测器对烟气烟羽成像，获得灰度图像X，将灰度图像X传送给信号处理单元；步骤5、信号处理单元通过以下公式获得船舶烟囱排放污染气体中与填充气体相同成分的气体的总质量m；其中，Iij为图像X上第i列第j行的像元的信号值；N为图像X的总列数；M为图像X的总行数；α为灰度图像X的像元的信号值与船舶烟囱排放的污染气体中和填充气体成分相同的气体的质量之间的转换系数；β为大气对填充气体辐射光谱的透过率；R为成像遥感监测单元与烟囱之间的距离。本专利技术相对于现有技术，具有以下有益效果：1)监测数据离散度小，有效提高监测准确度：所获得的污染气体成分空间分布图像，覆盖了船舶烟本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置，包括经纬仪(5)，其特征在于，还包括安置在经纬仪(5)上的成像遥感监测单元(1)、信号处理单元(2)、激光测距仪(3)和摄像机(4)，成像遥感监测单元(1)包括成像镜头(101)，透过成像镜头(101)的光依次经过第一偏振棱镜(102)、分子泡(103)、第二偏振棱镜(105)、滤光片(106)后由成像探测器(107)成像，分子泡(103)的外侧设置有磁体(104)，成像探测器(107)、激光测距仪(3)和摄像机(4)分别与信号处理单元(2)连接，第一偏振棱镜(102)和第二偏振棱镜(105)的偏振方向正交，分子泡(103)内填充有填充气体。

【技术特征摘要】
1.分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置，包括经纬仪(5)，其特征在于，还包括安置在经纬仪(5)上的成像遥感监测单元(1)、信号处理单元(2)、激光测距仪(3)和摄像机(4)，成像遥感监测单元(1)包括成像镜头(101)，透过成像镜头(101)的光依次经过第一偏振棱镜(102)、分子泡(103)、第二偏振棱镜(105)、滤光片(106)后由成像探测器(107)成像，分子泡(103)的外侧设置有磁体(104)，成像探测器(107)、激光测距仪(3)和摄像机(4)分别与信号处理单元(2)连接，第一偏振棱镜(102)和第二偏振棱镜(105)的偏振方向正交，分子泡(103)内填充有填充气体。2.根据权利要求1所述的分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置，其特征在于，所述的分子泡(103)包括中空的筒体，以及密封筒体两端的中红外玻璃窗，筒体的内部空间长度40～60mm。3.根据权利要求2所述的分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置，其特征在于，所述的磁体(104)为缠绕在筒体外部的圆筒形螺线管。4.根据权利要求3所述的分子旋光滤光船舶排放污染气体成像遥感监测装置，其特征在于，所述的填充气体为NO气体，填充气体的气压为2000～5000pa；滤光片(106)的中心波长为5.33μm，带宽为400nm，所述的磁体(104)在分子泡(103)内产生磁场强度为2000Gs的轴向磁场；或者所述的填充气体为NO2气体，填充气体的气压为1000～3000pa；滤光片(106)的中心波长为...

【专利技术属性】
技术研发人员：武魁军，李发泉，熊远辉，刘林美，艾勇，李颖，陈晶，刘鹏，祁昶，陈振威，于光保，段为民，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北,42