基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统的制作方法

本实用新型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，涉及机动车尾气排放检测技术领域。

背景技术：

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PM_2.5首要污染来源为机动车，1个城市的PM_2.5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-dispersive infrared)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。

技术实现要素：

针对上述问题，本实用新型的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。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采取以下技术方案：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。

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，所述自动标定装置电连接所述计算机。

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，所述计算机电连接所述机动车速度/加速度测量模块测量及机动车车牌识别模块。

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。

本实用新型由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本实用新型针对每个物种使用近红外、中红外可调谐激光器、紫外/可见光激光器，同时每个激光器都有对应的半导体光电检测器，因此能够在同一时刻对不同物种同时进行检测。2、本实用新型可以采用量子级联激光器进行检测，由于量子级联激光器能够发出不同波长的红外光，本实用新型可以通过增加激光器和检测器的个数形成对CO、CO₂、NO、NO₂、HC、SO₂、NH₃、N₂O、HC等尾气中污染物的同时检测，而且能够避免了使用紫外氘灯导致的光程距离短、寿命短等弊病，使得设备能够在更长的光程下长期使用。3、本实用新型使用了TEC制冷的半导体光电检测器和TEC制冷的激光器，由于加大了TEC制冷的工作范围和能力，使得系统能够在-30～60℃之间稳定工作，保证设备能够在道路环境高温和低温下正常使用。4、本实用新型由于采用自动标定装置每隔20～30天自动标定一次，保证了系统运行过程中测量数据的精确性。5、本实用新型的可调谐激光器具有高速调谐性能，可以采用100Hz的频率对机动车经过后的尾气进行扫描，能大大提高采样速率和尾气浓度比值拟合准确率。6、本实用新型的NO、CO、CO₂、HC等物种的检测激光器中心波长对应了基频吸收峰，相比使用泛频吸收峰波长检测灵敏度大大提高。本实用新型可以广泛应用于机动车尾气遥感检测中。

附图说明

图1是本实用新型的机动车尾气遥感检测系统的结构示意图；

图2是本实用新型的激光器模组的光路原理示意图；

图3是本实用新型的光路准直阵列单元的光路原理示意图；

图4是本实用新型的聚焦及过滤阵列单元的光路原理示意图；

图5是本实用新型的机动车尾气遥感检测方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型的进行详细的描述。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本实用新型，它们不应该理解成对本实用新型的限制。

如图1所示，本实用新型提供的基于可调谐激光器的机动车尾气遥感检测系统，包括激光器模组101、激光器控制模块102、光路准直阵列单元103、光路聚焦及滤光阵列单元104、半导体光电探测器组105、信号采集及处理装置106、自动标定装置107、光学反射镜单元108、机动车速度/加速度测量模块109、机动车车牌识别模块110和计算机111，其中，光路准直阵列单元103中准直透镜的个数、光路聚焦及滤光阵列单元104中聚焦透镜及滤光片的个数、半导体光电探测器组105中半导体光电探测器的个数均与激光器模组101的激光器的个数相对应。

激光器控制模块102控制激光器模组101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101发出的多束检测光经过光路准直阵列单元103准直形成平行光束并发射到光学反射镜单元108，在开放式光路条件下，光学反射镜单元108将激光检测光束穿过机动车尾气反射至光路聚焦及滤光阵列单元104分别进行聚焦和滤波处理，经聚焦及滤光阵列单元104出射的检测光束经半导体光电探测器组105探测接收并发送到信号采集及处理装置106，信号采集及处理装置106将接收的信号进行处理，并将处理得到的数据发送到至计算机111，计算机111根据燃烧方程计算出开放式光路条件下机动车辆尾气中各组分浓度。

自动标定装置107用于对光路进行自动标定，使用时，设置在聚焦及滤光阵列单元108外侧(初始位置放置在检测光路之外)，计算机111控制自动标定装置107每隔20～30天运转至光路聚焦及滤光单元104前对各个物种通道进行标定，自动标定装置107具体标定过程为现有技术，在此不再赘述。

机动车速度/加速度测量模块109用于测量机动车在尾气监测点的速度和加速度并将测量得到的数据发送到计算机111。

机动车车牌识别模块110用于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，并将车牌识别结果发送到计算机111。

在一个优选的实施例中，激光器模组101由若干个TEC制冷的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，可以针对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。例如：对于在近红外波段有较强吸收的CO、CO₂、NH₃和O₂可以采用近红外激光器(0.76～2.3um)；对于HC、SO₂、NO_x等其他在近红外波段吸收较弱且背景干扰较大的物种可以采用中红外量子级联激光器；其中CO，CO₂，HC，NO激光器对应的波长分别为2326.8nm、2004.0nm、3370nm和5362.93nm，分别对应了各个物种的基频吸收带。对于尾气中颗粒物的检测可以采用紫外250nm激光器或者可见550nm激光器。本实用新型以同时检测CO、CO₂、NH₃、O₂、HC和NO为例说明激光器模组101的构成。如图2所示，激光器控制模块102包括温度控制电路201和电流控制电路，温度控制电路201控制激光器模组101中6个激光器204～209在环境温度-30～60℃范围内保持稳定工作温度，电流控制电路同时产生100KHz正弦电流202和1KHz锯齿电流203，6路正弦电流和6路1KHz锯齿电流分别叠加组成6路激光器驱动电流，驱动激光器模组101中6个激光器204～209发出所需波长范围的检测光。

在一个优选的实施例中，光路准直阵列单元103采用准直透镜阵列，每一激光器输出的光均通过一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。本实用新型以同时检测CO、CO₂、NH₃、O₂、HC和NO为例说明光路准直阵列单元103的构成。如图3所示，本实用新型的准直透镜对应设置在相应激光器光路出射方向，激光器模组101中6个激光器204～209发出的6束发散光301～306分别被光路准直阵列单元103中的6个AR镀膜非球面透镜307～312准直，形成相互平行的准直光313～318，得到直径为5～7cm的光束。

在一个优选的实施例中，光路聚焦及滤光阵列单元104包括聚焦透镜阵列和带通滤光片阵列，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，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，防止半导体光电探测器受到杂光影响，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。本实用新型以同时检测CO、CO₂、NH₃、O₂、HC和NO为例说明光路聚焦及滤光单元的构成。如图4所示，经光路准直单元出射的准直光束313～318分别被AR镀膜非球面聚焦镜401～406聚焦，聚焦后的光束407～412在进入半导体光电探测器组105中的半导体光电探测器419～424之前分别被带通滤波片413～418进行滤光处理。

在一个优选的实施例中，半导体光电探测器组105包含若干个TEC制冷的半导体光电探测器。每个半导体光电探测器对应检测每个激光器发出的检测光。半导体光电传感器中的TEC元件保证光电探测器在环境温度-30～60℃范围内保持稳定工作。

在一个优选的实施例中，信号采集及处理装置106采集半导体光电探测器组105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计算机111。

如图5所示，基于上述机动车尾气遥感检测系统，本实用新型的基于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。

假设理论标定气体物种浓度为σ_cal为实际测量浓度最大值的80％左右，光程长度为L_cal，对各气体物种在激光器中心波长处的福依特(Voigt)线型函数在-50～100℃和50～120Kpa范围内进行模拟和积分，计算出各物种理论二次谐波吸收峰幅值H_2,cal值：

式中，S为气体在激光器中心波长ν₀处的线吸收强度，v_d为气体在激光器中心波长处的多普勒线宽、V(x,y)为福依特(Voigt)线型函数，v_L为气体在激光器中心波长处的洛伦兹线宽，上述这些参数可以在Hitran数据库中直接查询得知，为简化计算量，V(x,y)采用Humlicek模拟公式进行描述。

2、获取理论气体红外二次谐波吸收峰幅值的环境压力校正曲线。

控制目标气体的温度保持恒定，在不同的压力条件下实际测量浓度为σ_cal的气体二次谐波吸收峰值，对得到的气体二次谐波吸收峰实测值H_2,obs与理论幅值H_2,cal的进行多项式拟合，得到压力校正曲线：

f_(P)＝a+b*P+c*P²+d*P³+e*P⁴

式中，a、b、c、d、e是多项式拟合系数，P为实际气体总压力。

3、采用机动车尾气遥感监测系统对机动车尾气进行检测，具体过程为：

1)系统标定

利用自动标定装置107进行标定，得到各个物种通道的标定参数。自动标定时间间隔设定为20～30天，由于受到开放式大气环境温度压力变化及大气背景值影响，主要通过通入已知浓度的混合标气至自动标定装置中，然后检测实际测得的信号值，与标准值比较，各通道标定偏差不得大于5％，具体标定为现有技术，在此不再赘述。

2)背景值测量

测量机动车经过之前空气背景值(指前车通过之后，后车通过遥感检测之前测得的大气环境背景参考浓度)中各物种二次谐波吸收峰幅值H_2,bak。

3)获取机动车经过后1～2秒时间内光路中各气体物种二次谐波吸收峰幅值H_2,obs和颗粒物不透光度。

机动车经过之后1～2秒时间内以100Hz频率测量光路中各物种气体二次谐波吸收峰幅值H_2,ob，并计算空气背景中颗粒物不透光度T_PM：

式中，H_1,obs为机动车经过后1～2秒范围内颗粒物通道一次谐波吸收峰值，H_1,zero为机动车挡光时的颗粒物通道一次谐波吸收峰值，H_1,bak为没有机动车经过时背景空气的颗粒物通道一次谐波吸收峰值。

4)获取机动车经过后1～2秒时间内尾气中各气体物种烟团值N_obs变化趋势。

信号采集及处理装置106同时采集测量时的环境温度和压力，根据步骤2中对应的温度和压力下的H_2,cal和步骤3中压力校正曲线f_(P)计算出车辆经过后1～2秒时间内尾气中各物种浓度值N_obs变化趋势：

其中，σ_obs为光路中各气态污染物浓度，L_obs为实际测量光程；H_2,obs为车辆经过之后1～2秒内实际测量得到的光路中各通道对应的二次谐波吸收峰值，H_2,bak为没有机动车经过时背景空气中的各通道二次谐波吸收峰值。

5)获取各物种浓度

根据各气态烟团值变化趋势利用最小二乘法拟合得到各气态物种之间浓度比值，本实施例中计算各气态物种与CO₂烟团值比值，再根据燃烧方程在计算机111中反算得到机动车尾气管中各气态物种浓度和颗粒物排放因子，燃烧方程为：

式中，C_CO、C_HC、C_NO、分别代表汽柴油车尾气中CO₂、CO、HC、NO、NH₃浓度，单位均为％；EF_PM为尾气颗粒物的排放因子，代表每燃烧1Kg燃油释放出的颗粒物质量g数；Q_CO、Q_HC、Q_NO、分别代表尾气中CO、HC、NO、O₂烟团值与CO₂烟团值比值，无量纲；N_CO，N_HC分别代表尾气中CO₂、CO和HC的烟团值，单位为％*cm；γ为颗粒物在不同波长下的消光系数，单位为m²/g，可从文献中直接查询。

3)机动车车牌号码和速度/加速度信息的获取

机动车速度/加速度测量模块109、机动车车牌识别模块110分别获取机动车经过时的机动车车牌号码和速度/加速度信息，并将这些信息发送到计算机111。

4、计算机111输出机动车尾气遥感检测数据，其中，机动车尾气遥感检测数据为机动车尾气管中各气态物种浓度和颗粒物排放因子、机动车车牌号码和速度/加速度信息。

上述各实施例仅用于说明本实用新型，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本实用新型技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本实用新型的保护范围之外。