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与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本发明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，本发明采用两个光学通道，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，本发明采用如下技术方案：

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，将船舶排放的烟气烟羽调整到成像镜头的视场中央，由第一成像探测器和第二成像探测器对烟气烟羽成像，分别获得图像x和图像y，并将图像x和图像y传送给信号处理单元；

步骤5、信号处理单元生成图像z，图像z的每一像元的信号值为图像x对应的像元的信号值减去图像y对应的像元的信号值；

步骤6、通过以下公式获得船舶烟囱排放污染气体中与填充气体成分相同的污染气体的质量m：

其中，ixy为图像z上第x列第y行像元的信号值；

n为图像z的总列数；

m为图像z的总行数；

α为图像z的像元的信号值与船舶烟囱排放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。

本发明相对于现有技术，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，覆盖了船舶烟羽的一段较大的空间体积，不论烟羽浓度在空间上分布如何不均匀，均被成像监测得到，船舶的瞬时排放总量可以根据图像数据积分得到总量。这就避免了因监测空间位置的不同而带来的数据离散问题，使监测数据的离散度大幅降低，提高了监测准确度。

2)背景干扰抑制能力强，有效降低环境干扰影响：采用两个有差异的分子特征光谱监测光学通道成像，其差异仅仅是对被监测气体成分的不同，而对其他所有环境光干扰引起的共模信号，在两种图像上是完全相同的，经共模差分以后，环境光干扰信号被清除，差分得到的图像只有差模信号，即只有分子特征光谱形成的气体成分图像，有效降低了环境干扰的影响。

3)环境适应能力强，寿命长，功耗低：本发明采用被动成像遥感监测，核心监测部件对环境温度变化不敏感，对监测精度和准确度影响小，被动接收监测无需主动发射，功耗低，寿命长。

4)监测灵敏度高：选用中红外分子特征光谱，是污染气体分子光谱的基频辐射光谱，基频辐射较近红外的泛频辐射信号提高3-6个数量级，可大幅提高信号的监测灵敏度。

5)监测结果的可视性好：人们虽然能通过仔细观察可以看到船舶烟气的一些形态，但对其中的污染成分含量是无法通过肉眼观察到的，本发明除了提供烟气中成分含量的数值，还可以提供尾气中成分的空间浓度分布图像，使被监测船舶的船主对监测结果更容易接受。

附图说明

图1为船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置的安装布局示意图。

图2为船舶排放污染气体差量吸收滤光成像遥感监测装置组成结构示意图。

图3为分子特征光谱、背景干扰光光谱和滤光透射光谱示意图。

图4为船舶烟羽在监测图像中的分布示意图。

其中，1-成像遥感监测单元，2-信号处理单元，3-激光测距仪，4-摄像机，5-经纬仪，101-成像镜头，102-分光镜，103-第一分子泡，104-第一滤光片，105-第一成像探测器，106-第二分子泡，107-第二滤光片，108-第二成像探测器，201-so2分子特征光谱，202-背景干扰光光谱，203-滤光透射光谱。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1和图2所示，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，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。

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；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，第一分子泡103和第二分子泡106的内部空间长度为20～50mm，

第二分子泡106内填充有填充气体。填充气体可以与待检测的船舶烟囱的排放污染气体中的某一类型的污染气体成分相同。

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15000～30000pa；第一滤光片104和第二滤光片107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104和第二滤光片107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104和第二滤光片107的中心波长均为6.25μm，透射带宽均为500nm。

成像遥感监测单元1、激光测距仪3和摄像机4的接收光轴平行，输出信号均连接到信号处理单元2，信号处理单元2输出的控制信号连接到经纬仪5；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4一起固定安装在经纬仪5上。

摄像机4的接收视场是成像镜头101接收视场的1.5～3倍。

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、本发明装置安装于码头或者执法监测船上，信号处理单元2控制经纬仪5的水平转动和俯仰转动，摄像机4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2根据船舶图像对船舶的番号进行识别，信号处理单元2记录下船舶的番号(即船舶的身份信息)；

步骤3、信号处理单元2控制经纬仪5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3测量获得成像遥感监测单元1与烟囱之间的距离r，并将距离r值传送给信号处理单元2；

步骤4、信号处理单元2控制经纬仪5的水平转动和俯仰转动，将船舶排放的烟气烟羽调整到成像镜头101的视场中央，由第一成像探测器105和第二成像探测器108对烟气烟羽成像，分别获得图像x和图像y，并将图像x和图像y传送给信号处理单元2，其中图像x和图像y均为灰度图像。

以下以船舶排放的污染气体so2为例，来说明图像x和图像y中的信息，以及so2排放量的计算法：

如图3所示，船舶排放烟羽中的so2分子特征光谱201呈梳状离散特性，天空、云、雾、船身、大气中各成分、船舶烟羽中除so2以外辐射的所有背景干扰光光谱202随环境不同而变化，其中，背景干扰光光谱202的b段光谱与so2分子特征光谱201在频谱位置上重叠在一起，即为带内干扰；a段光谱、c段光谱处于so2分子特征光谱201以外，即为带外干扰；第一滤光片104和第二滤光片107的滤光透射光谱203透射带正好覆盖so2分子特征光谱201。

船舶排放烟羽中污染气体分子so2和其它成分辐射的红外光被成像镜头101所接收，同时被成像镜头101所接收的还有：天空、云、雾、船身以及大气中各成分辐射的红外光，所有这些进入成像镜头101的光，经分光镜102平均分成两部分：其中，分光镜102的反射光透过第一分子泡103，再经第一滤光片104带通滤光，由第一滤光片104将背景干扰光光谱202的带外a段光谱、c段光谱抑制掉，透过第一滤光片104的光信号有两部分组成：so2分子特征光谱201和背景干扰光光谱202的带内b段光谱信号；透过第一滤光片104的光信号经第一成像探测器105进行光电转换，获得图像x，图像x上为so2分子特征光谱201和背景干扰光光谱202的b段光谱信号所成的图像；

分光镜102的透射光经过第二分子泡106时，被内部所充的so2气体分子吸收，将汽车尾气烟羽中so2分子特征光谱201信号完全吸收掉，其余的光谱信号进入第二滤光片107带通滤光，由第二滤光片107将背景干扰光光谱202的带外a段光谱、c段光谱抑制掉，透过第二滤光片107的光信号只有背景干扰光光谱202的b段光谱信号；透过第二滤光片107的光信号经第二成像探测器108进行光电转换，获得图像y，图像y为背景干扰光光谱202的b段光谱信号所成的图像。

步骤5、信号处理单元2对图像x和图像y进行计算处理生成图像z：图像z的每一像元的信号值为图像x对应的像元的信号值减去图像y对应的像元的信号值，

在本实施例中，图像z上就只有so2分子特征光谱201成的图像。图像z即为船舶尾气烟羽中so2的空间分布图像，如图4所示。

步骤6、通过以下公式获得船舶烟囱排放污染气体中与填充气体成分相同的污染气体的质量m。

其中，ixy为图像z上第x列第y行像元的信号值；

n为图像z的总列数；

m为图像z的总行数；

α为图像z的像元的信号值与船舶烟囱排放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1与烟囱之间的距离。

在本实施例中，填充气体为so2气体，步骤6中获得的是船舶烟囱排放污染气体中so2气体的质量。

替换第二分子泡106中的填充气体为co或co2或no或no2，可以求得船舶烟囱排放污染气体中的co或co2或no或no2的质量。

步骤7、信号处理单元2输出船舶的番号、图像z和船舶烟囱污染气体的质量。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改、补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。