船舶排放污染气体差量吸收滤光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船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，包括经纬仪、安装在经纬仪上的成像遥感监测单元、信号处理单元、激光测距仪和摄像头；成像遥感监测单元包括成像镜头，透过成像镜头的光经分光镜分为反射光和透射光，反射光依次经过第一分子泡、第一滤光片后由第一成像探测器成像；透射光依次经过第二分子泡、第二滤光片后由第二成像探测器成像。还公开了船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测方法，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 Differential Absorption Filter Imaging of Polluted Gases Emitted from Ships

The invention discloses a differential absorption filter imaging remote sensing monitoring device for pollution gas discharged from ships, including a theodolite, an imaging remote sensing monitoring unit mounted on the theodolite, a signal processing unit, a laser rangefinder and a camera; an imaging remote sensing monitoring unit includes an imaging lens, which is divided into reflective light and transmitted light through the optical spectroscope of the imaging lens, and the reflected light passes through the first division in turn. The sub-bubbles and the first filter are imaged by the first imaging detector, and the transmitted light is imaged by the second imaging detector after passing through the second molecular bubbles and the second filter in turn. The invention also discloses a remote sensing monitoring method for differential absorption filter imaging of ship emission pollutant gas. The method 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】
船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置及方法
本专利技术涉及船舶污染气体排放监测领域，具体涉及船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置,还涉及船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测方法。
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，有时激光束穿过船舶排放的烟羽，有时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。上世纪90年代，发展出一种分子特征谱差量吸收监测气体的方法，该方法已被应用于星载地球大气污染监测(参考文献4：Areviewof9-yearperformanceandoperationoftheMOPITTinstrument，AdvancesinSpaceResearch45(2010)760–774)、天然气泄露监测(参考文献5：Resultsoffieldtrialsofrealsens,anairbornenaturalgasleakdetectiontechnology，InternationalGasUnionResearchConference,2008)、有毒有害气体监测(参考文献6：PerformanceoftheFIRST,aLongwaveInfraredHyperspectralImagingSensor，SPIE6398-28，2006)。但没有一种能直接适合应用于实际情况下的船舶污染气体的排放监测。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的上述缺陷，提供船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，还提供船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测方法，本专利技术采用两个光学通道，其中一个光学通道采用分子特征光谱吸收和带通滤光，另一个光学通道只采用带通滤光，两个光学分别对船舶污染气体排放的污染成分进行遥感成像，再对两图像进行差分，获得只有污染气体成分的空间分布图像，根据图像信息、大气透过率和距离等参数计算出污染气体的排放量。具有准确度高、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：船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，包括经纬仪，还包括安装在经纬仪上的成像遥感监测单元、信号处理单元、激光测距仪和摄像头；成像遥感监测单元包括成像镜头，透过成像镜头的光经分光镜分为反射光和透射光，反射光依次经过第一分子泡、第一滤光片后由第一成像探测器成像；透射光依次经过第二分子泡、第二滤光片后由第二成像探测器成像；第一成像探测器、第二成像探测器、激光测距仪、摄像头、经纬仪分别与信号处理单元电性连接。如上所述的成像镜头的接收视场为8～20度；分光镜的分光比为1:1。如上所述的第一分子泡和第二分子泡均包括中空的筒体，以及密封筒体两端的中红外玻璃窗。如上所述的第一分子泡和第二分子泡的内部空间的长度为20～50mm。如上所述的第二分子泡内填充有填充气体。如上所述的填充气体为SO2气体，填充气体的气压为30000～60000pa；第一滤光片和第二滤光片的中心波长均为7.3μm，透射带宽均为400nm；或者，填充气体为CO气体，填充气体的气压为15000～30000pa；第一滤光片和第二滤光片的中心波长均为4.65μm，透射带宽均为700nm；或者，填充气体为CO2气体，填充气体的气压为15000～30000pa；第一滤光片和第二滤光片的中心波长均为4.2μm，透射带宽均为200nm；或者，填充气体为NO气体，填充气体的气压为45000～90000pa，第一滤光片和第二滤光片的中心波长均为5.33μm，透射带宽均为400nm；或者，填充气体为NO2气体，填充气体的气压为15000～30000pa，第一滤光片和第二滤光片的中心波长均为6.25μm，透射带宽均为500nm。船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测方法，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，将船舶排放本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，包括经纬仪(5)，其特征在于，还包括安装在经纬仪(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)和摄像头(4)；成像遥感监测单元(1)包括成像镜头(101)，透过成像镜头(101)的光经分光镜(102)分为反射光和透射光，反射光依次经过第一分子泡(103)、第一滤光片(104)后由第一成像探测器(105)成像；透射光依次经过第二分子泡(106)、第二滤光片(107)后由第二成像探测器(108)成像；第一成像探测器(105)、第二成像探测器(108)、激光测距仪(3)、摄像头(4)、经纬仪(5)分别与信号处理单元(2)电性连接。

【技术特征摘要】
1.船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，包括经纬仪(5)，其特征在于，还包括安装在经纬仪(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)和摄像头(4)；成像遥感监测单元(1)包括成像镜头(101)，透过成像镜头(101)的光经分光镜(102)分为反射光和透射光，反射光依次经过第一分子泡(103)、第一滤光片(104)后由第一成像探测器(105)成像；透射光依次经过第二分子泡(106)、第二滤光片(107)后由第二成像探测器(108)成像；第一成像探测器(105)、第二成像探测器(108)、激光测距仪(3)、摄像头(4)、经纬仪(5)分别与信号处理单元(2)电性连接。2.根据权利要求1所述的船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，其特征在于，所述的成像镜头(101)的接收视场为8～20度；分光镜(102)的分光比为1:1。3.根据权利要求1所述的船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，其特征在于，所述的第一分子泡(103)和第二分子泡(106)均包括中空的筒体，以及密封筒体两端的中红外玻璃窗。4.根据权利要求3所述的船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，其特征在于，所述的第一分子泡(103)和第二分子泡(106)的内部空间的长度为20～50mm。5.根据权利要求1所述的船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，其特征在于，所述的第二分子泡(106)内填充有填充气体。6.根据权利要求3所述的船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置，其特征在于，所述的填充气体为SO2气体，填充气体的气压为30000～60000pa；第一滤光片(104)和第二滤光片(107)的中心波长均为7.3μm，透射带宽均为400nm；或者，填充气体为CO气体，填充气体的气压为15000～30000pa；第一滤光片(104)和第二滤光片(107)的中心波长均为4.65μm，透射带宽均为700nm；或者，填充气体为CO2气体，填充气体的气压为15000～3000...

【专利技术属性】
技术研发人员：李发泉，武魁军，刘林美，熊远辉，陈振威，刘鹏，艾勇，李颖，陈晶，祁昶，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