一种基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法及系统，步骤包括：建立热像仪可获取的辐射亮度的数学模型；确定相关参数值；根据不同化学物质的光谱特性选取适当的滤光片；实施检测系统采集多光谱图像；利用电子计算机处理图像计算得到HC的浓度分布。检测系统硬件设备分两类：应用于无绿化带车道的检测系统包括一台红外热像仪、两枚滤光片、一块镀锌平板及一台电子计算机；应用于有绿化带车道的检测系统包括一台红外热像仪、两枚滤光片及一台电子计算机。本发明专利技术实施方式简便，检测过程对交通的正常运行无干扰，具有便携性、经济性，可实现尾气HC浓度分布的实时监测。

Method and system for detecting HC concentration distribution of vehicle exhaust based on multispectral image

The invention relates to a method and system for detection of motor vehicle exhaust, the concentration distribution of HC multi spectral image based on mathematical model comprises the following steps: radiation brightness can get established thermal imager; to determine the relevant parameters; according to the spectral characteristics of different chemical substances to select appropriate filter; multi spectral image acquisition implement detection system; get concentration distribution HC is calculated by computer image processing. Detection of the hardware equipment of the system is divided into two categories: applied to the green belt lane detection system includes an infrared thermal imager, two pieces of filter, a galvanized plate and an electronic computer; used in the green belt lane detection system consists of two pieces of filter and an electronic computer, a thermal infrared imager. The invention has the advantages of simple implementation, no interference to the normal operation of the traffic, portability and economy, and can realize the real-time monitoring of the distribution of the HC concentration of the exhaust gas.

【技术实现步骤摘要】
一种基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法及系统
本专利技术涉及一种基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法及系统，属于机动车尾气检测

技术介绍
随着经济的发展，人民生活水平的提高，人们的环保意识逐渐增强且对于高生活品质的需求增长。而由于我国城市化建设的发展和机动车保有量的提高，机动车尾气逐渐成为城市清洁空气的主要杀手。我国约五分之一的地级及以上城市大气污染严重，113个重点城市中空气质量达不到国家二级标准有三分之一之多，机动车排放污染已经成为京津冀、长三角、珠三角等重点地区和主要城市群的主要污染源。因此，国家环境保护规划中把“强化机动车污染防治”作为一项主要任务，城市机动车尾气的实时监测已成为城市环境污染监测的重要组成部分。为有效改善城市空气污染状况，需对机动车尾气排放进行有效控制和严格的尾气排放检查。对在用车辆进行有效的路检，是降低尾气污染的首要措施，已经成为城市环保工作的一个重点。机动车尾气中的HC(碳氢化合物)是由未燃烧的燃料烃、不完全氧化产物以及燃烧过程中部分被分解的产物所组成的。单独的HC只有在浓度相当高的情况下才会对人体产生影响，但却是产生光化学烟雾的重要成分。机动车尾气的HC来自三种排放源。对一般汽油发动机来说，约60％的碳氢化合物来自内燃机废气排放20％～25％来自曲轴箱(PCV系统)的泄漏，其余的15％～20％来自燃料系统(碳罐)的蒸发。HC中的具体成分如甲烷是窒息性气体，其嗅觉阈值是142.8mg，高浓度时才对人体健康造成危害；乙烯、丙烯、乙炔主要对植物造成伤害，使路边的树木不能正常生长；苯是无色类似汽油味的气体，可引起食欲不振、体重减轻、易倦、头晕、头痛、呕吐、失眠、粘膜出血等症状，也可引起血液变化，红血球减少，出现贫血，还可导致白血病，其嗅觉阈值16.29mg，对人体健康有影响的阈值34.8mg；HC中的多环芳烃，虽然含量很低，但由于多环芳烃含有多种致癌物质(如苯丙芘)而引起人们的广泛关注。尾气通常的检测方法是取样后用常规仪器来分析，如双怠速排放法、简易工况法，这种类型的人工手段检测成本高、周期长，无法完全反映尾气的真实排放情况；气相色谱仪(GasChromatography)取样检测虽然灵敏度、准确性高，但其价格昂贵且设备体积庞大，取样过程无法避免尾气中不稳定成分在取样时发生物理或化学变化导致的误差。为获得汽车尾气排放的真实情况，对尾气实现实时有效的检测十分必要；而为满足对在用车辆进行路检需要尾气检测设备的大规模使用，使得设备的经济性、便携性成为一种重要的需求。
技术实现思路
本专利技术技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法及系统，采用被动式检测的方式，对正常的交通运行无干扰，实现系统所需的设备包括热像仪、电子计算机、滤光片等，不需要生产专用于检测机动车尾气的产品，大大降低了方法的使用与普及成本，同时设备具有便携和便于操作的特性，实现对机动车尾气中HC浓度分布的在线、快速、实时的监测。本专利技术基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测系统的硬件设备分两类：应用于无绿化带车道的检测系统包括一台红外热像仪、两枚滤光片、一块镀锌平板及一台电子计算机，高空的大气背景辐射经由与地水平面呈45°角放置的一块镀锌平板反射至热像仪，传输过程中一部分辐射经机动车尾气羽流吸收衰减，同时锌版产生的热辐射和尾气产生的热辐射也会被热像仪所捕捉，锌版的一部分辐射也会经过尾气羽流吸收减弱，所有辐射经过滤光片滤波后被热像仪获取，切换滤光片获得不同波段的记录视场辐射亮度的图像，将生成的图像输出到计算机进行进一步处理计算；应用于有绿化带车道的检测系统包括一台红外热像仪、两枚滤光片及一台电子计算机，绿化带植物的辐射被热像仪所捕捉，传输过程中一部分辐射经机动车尾气羽流吸收衰减，同时尾气自身的辐射也会被热像仪捕捉，所有辐射经过滤光片滤波后被热像仪获取，切换滤光片获得不同波段的记录视场辐射亮度的图像，将生成的图像输出到计算机进行进一步处理计算。根据所选用热像仪、计算机所支持的数据传输线类型用数据传输线连接热像仪与计算机，实现数据图像的实时传输。电子计算机比较透过两滤光片得到的两幅图像辐射亮度之间的差异实现对尾气中HC位置的侦测，根据预先建立的数学模型与相关物理公式计算各像素点HC浓度值，从而获取HC浓度的分布。本专利技术提出的一种基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法，其过程如下：步骤一：根据被测车道的具体路况，将车道划分为两类：无绿化带车道、有绿化带车道，依据普朗克黑体辐射定律、辐射传输方程建立红外热像仪能获取的辐射亮度的数学模型。对于无绿化带车道，热像仪获取的存在机动车尾气羽流处的辐射亮度由数学模型公式1确定，获取的不存在机动车尾气羽流处的纯背景辐射亮度由数学模型公式2确定，公式如下：Isky(λ)＝τpτatmB(Tb,λ)(1-εal)+τpB(Tal,λ)εal+B(Tp,λ)(1-τp)Isky(λ)＝τatmB(Tb,λ)(1-εal)+B(Tal,λ)εal对于有绿化带车道，热像仪获取的存在机动车尾气羽流处的辐射亮度由数学模型公式3确定，获取的不存在机动车尾气羽流处的纯背景辐射亮度由数学模型公式4确定，公式如下：Iveg(λ)＝τpB(Tb,λ)+B(Tp,λ)(1-τp)Iveg(λ)＝B(Tb,λ)其中，Tb、Tp、Tal：背景、尾气羽流与镀锌平板的温度；τatm、τp：大气与尾气羽流的辐射透射率；εal：镀锌平板的辐射发射率；B(T,λ)是普朗克黑体辐射亮度，其计算公式如下：其中，C1、C2：第一、第二辐射常数；T：黑体的温度；λ：辐射的波长。检测方法所涉及的辐射亮度数学模型出于工程实用性考虑，忽略辐射传输过程中多次散射与发射影响，假设传输过程中介质均匀，依据热像仪成像时的不同背景，将背景辐射近似处理为黑体辐射，建立相应简化的辐射传输方程。步骤二：依据所建立的辐射亮度数学模型，按需确定模型中需要的各项参数值。预先测量确定的模型中需要的参数包括：尾气羽流的温度与宽度、镀锌平板的温度、背景的平均温度，其中背景的平均温度分两类：在无绿化带车道的背景的平均温度指被镀锌平板反射的天空大气背景的平均温度，在有绿化带车道的背景的平均温度指热像仪视线方向上车道侧绿化带植物的平均温度；查阅既有资料确定的参数包括：PNNL(美国太平洋西北国家实验室)提供的机动车尾气中包含的各种化学物质的化学吸收系数，镀锌平板的辐射发射率以及大气透射率。步骤三：根据美国太平洋西北国家实验室测定的物质吸收谱，分析比较机动车尾气除HC外的成分的吸收光谱与HC的吸收光谱，找到两个特殊的波段，其中一波段仅有HC会造成气体对辐射的吸收现象，另一波段HC与尾气除HC外的成分的吸收率均接近于0，由此选择的两枚滤光片的中心波长F1、F2分别位于该两波段中。步骤四：于被监测车道布置相机镜头于合适位置，使机动车尾气可能出现的位置均处于相机的视场之内，借由红外热像仪分别透过两枚滤光片拍摄包含机动车尾气区域的图像，透过F1所得图像是包含尾气中HC吸收影响后的辐射亮度图像，透过F2所得图像是未经尾气吸收影响的背景辐射亮度图像，根据所选用热像仪、计算机所支持的数据传输线类型用数据传输本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：根据被测车道的路况，将车道划分为两类：无绿化带车道和有绿化带车道，分别建立红外热像仪能获取的辐射亮度的数学模型；步骤二：依据所建立的辐射亮度数学模型，确定所述辐射亮度数学模型中需要的各项参数值；步骤三：根据美国太平洋西北国家实验室PNNL测定的物质吸收谱，比较机动车尾气除HC外的成分的吸收光谱与HC的吸收光谱，找到两个波段，其中一波段仅有HC会造成气体对辐射的吸收现象，另一波段HC与尾气除HC外的成分的吸收率均接近于0；步骤四：在被监测车道布置相机所需要的位置，使机动车尾气可能的位置均处于相机的视场之内，两枚滤光片的中心波长分别位于该两波段中，由红外热像仪分别透过两枚滤光片拍摄包含机动车尾气区域的图像，经数据传输线将图像传输至计算机；步骤五：由计算机接收图像，比较透过两枚滤光片得到的两幅图像辐射亮度之间的差异，实现对尾气中HC位置的侦测，根据步骤一建立的数学模型与相关物理公式计算HC浓度值，获取HC浓度的分布。

【技术特征摘要】
1.一种基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：根据被测车道的路况，将车道划分为两类：无绿化带车道和有绿化带车道，分别建立红外热像仪能获取的辐射亮度的数学模型；步骤二：依据所建立的辐射亮度数学模型，确定所述辐射亮度数学模型中需要的各项参数值；步骤三：根据美国太平洋西北国家实验室PNNL测定的物质吸收谱，比较机动车尾气除HC外的成分的吸收光谱与HC的吸收光谱，找到两个波段，其中一波段仅有HC会造成气体对辐射的吸收现象，另一波段HC与尾气除HC外的成分的吸收率均接近于0；步骤四：在被监测车道布置相机所需要的位置，使机动车尾气可能的位置均处于相机的视场之内，两枚滤光片的中心波长分别位于该两波段中，由红外热像仪分别透过两枚滤光片拍摄包含机动车尾气区域的图像，经数据传输线将图像传输至计算机；步骤五：由计算机接收图像，比较透过两枚滤光片得到的两幅图像辐射亮度之间的差异，实现对尾气中HC位置的侦测，根据步骤一建立的数学模型与相关物理公式计算HC浓度值，获取HC浓度的分布。2.根据权利要求1所述的基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法，其特征在于：所述步骤一中，建立的红外热像仪能获取的辐射亮度数学模型是将背景辐射近似为黑体辐射，背景与热像仪之间空气的吸收效应忽略，背景辐射分两类：在无绿化带车道的背景辐射指由镀锌平板反射至热像仪的天空辐射，镀锌平板为一与地水平面夹角为45°且镀锌面朝向热像仪的平板；在有绿化带车道的背景辐射指热像仪视线方向上车道侧绿化带植物的辐射。3.根据权利要求2所述的基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法，其特征在于：对于无绿化带车道，红外热像仪获取的存在机动车尾气羽流处的辐射亮度数学模型如下：Isky(λ)＝τpτatmB(Tb,λ)(1-εal)+τpB(Tal,λ)εal+B(Tp,λ)(1-τp)对于无绿化带车道，红外热像仪获取的不存在机动车尾气羽流处的纯背景辐射亮度数学模型如下：Isky(λ)＝τatmB(Tb,λ)(1-εal)+B(Tal,λ)εal对于有绿化带车道，红外热像仪获取的存在机动车尾气羽流处的辐射亮度数学模型如下：Iveg(λ)＝τpB(Tb,λ)+B(Tp,λ)(1-τp)对于有绿化带车道，红外热像仪获取的不存在机动车尾气羽流处的纯背景辐射亮度数学模型如下：Iveg(λ)＝B(Tb,λ)其中，Tb、Tp、Tal：背景、尾气羽流与镀锌平板的温度；τatm、τp：大气与尾气羽流的辐射透射率；εal：镀锌平板的辐射发射率；B(T,λ)是普朗克黑体辐射亮度，其计算公式如下：其中，C1、C2：第一、第二辐射常数；T：黑体的温度；λ：辐射的波长。4.根据权利要求1所述的基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法，其特征在于：所述步骤二中，通过预先实验测量确定所述辐射亮度数学模型中需要的各项参数值，所述各项参数值包括：尾气羽流的温度与宽度、镀锌平板的温度、背景的平均温度，其中背景的平均温度分两类：在无绿化带车道的背景的平均温度指被镀锌平板反射的天空大气背景的平均温度，在有绿化带车道的背景的平均温度指热像仪视线方向上车道侧绿化带植物的平均温度；通过查询相关研究机构实验结果确定其值的参数包括：美国太平洋西北国家实验室PNNL提供的机动车尾气中包含的各种化学物质的化学吸收系数，镀锌平板的辐射发射率以及大气透射率。5.根据权利要求1所述的基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法，其特征在于：所述步骤五具体实现如下：(1)计算机接收的图像中每一像素点均包含该像素处的辐射亮度值，将步骤三选定的波长在仅有HC会造成气体对辐射的吸收现象的波段的滤光片命名为F1，波长在HC与尾气除HC外的成分的吸收率均接近于0的波段的滤光片命名为F2，同一场景透过两枚滤光片分别得到两幅图像，两幅图像射亮度分别为IF1、IF2；(2)对于无绿化带车道，两幅图像中位于相同位置的两像素点称为一对关联像素点，图像中的每对关联像素点对应实际场景中的相应区域，相应区域的HC浓度过程如下：背景温度Tb：纯背景辐射亮度I′F1＝τatmB(Tb,λF1)(1-εal)+B(Tal,λF1)εal其中，λF1、λF2表示F1、F2滤光片的中心波长；比较I′F1(λF1)与IF1的值，当I′F1(λF1)≤IF1时，参与计算的一对像素点对应区域处不存在HC，即HC浓度为0；当I′F1(λF1)＞IF1时：尾气羽流透射率τp计算式：HC浓度n计算式：其中，n表示HC气体的浓度，单位为ppm；z：辐射通过的路程，即尾气羽流的宽度，单位m；α(λ)：HC各组分气体的化学吸收率，单位为1/(ppm·m)；N：HC的组分数目；由此参与计算的一对像素点对应区域处HC浓度确定，计算图像中每一对像素点对应区域的HC浓度，从而得到HC浓度分布情况；(3)对于有绿化带车道，两幅图像中位于相同位置的一对关联像素点，其对应实际场景区域的HC浓度：背景温度Tb计算式：透过F1滤光片的纯背景辐射亮度I′F1I′F1＝B(Tb,λF1)其中，λF1、λF2：F...

【专利技术属性】
技术研发人员：康宇，袁璟，李泽瑞，宋卫国，魏梦，
申请(专利权)人：中国科学技术大学，
类型：发明
国别省市：安徽,34