尾气遥感检测系统和方法

专利名称：尾气遥感检测系统和方法
技术领域：
本发明涉及尾气遥感分析，更具体地说，涉及尾气遥感检测系统和方法。
技术背景众所周知遥感系统可探测和识别汽车排放的尾气，其中可集成旋转设备， 例如反射转盘或可移动式滤波器，以使得一个或多个探测器可接收到穿过尾 气烟羽的具有不同波长带宽的光束，从而可以分析和监控该尾气烟羽的各种 气体成分。US5，210，702披露了这样的一种遥感系统，其中，辐射源发出的准直射束 经过汽车的尾气烟羽，并由可调式镜面反射到其内的反射转盘上。接着该光 束再反射到聚焦镜，然后通过各自的滤波器依次到达多个探测器。WO 00/42415披露了另一种气体分析设备，其中，辐射源发出的光束经过 汽车的尾气烟羽。该光束可选择通过透镜聚焦到探测器上。在该光束射到探 测器上之前，其也可经过一组可移动式滤波器。可替换的另一种方案中，该 光束可选择经由一组可移动式滤波器中的一个或多个的反射通过透镜聚焦到 探测器上，该可移动式滤波器可仅反射特定检测带宽的辐射波长，以探测汽 东尾气烟羽的不同成分。进一步地，该组可移动式滤波器可包括旋转滤镜盘，具有多个滤波器安 装在转盘上。该滤镜盘可绕其中心轴转动。在该滤镜盘上可安装不同的滤波 器，因此，该滤镜盘可绕其中心轴旋转，从而可在不同的时间使不同的滤波 器与一个探测器对准。每个滤波器仅允许一特定探测波段的光线通过传输或 反射到达探测器。每个探测波段以一定辐射波长为中心，该辐射波长以汽车 尾气中一特定成分的吸收模式为特征。滤镜盘上的每个滤波器允许一探测波 段的光线通过，其对应于将被探测一特定汽车尾气成分。该滤镜盘和其滤波
器旋转，以使得可使用单个探测器，顺序地探测和分析汽车尾气的多个成分。 然而，这些系统均有不足之处。例如，使用旋转设备涉及到大量的部件， 如特殊反射体、，各种探测器和滤光器，需要对这些部件进行制造、组装、， 调准、维护以及校正以确保系统运作准确。毫无疑问，这些部件中的每一个 在一定程度上都会将误差引入到最终的检测结果。例如，该系统会受到来自 滤光器边缘的光透射的影响，使探测器接收到不期望波长的光。因为不同的 探测器在这些设备操作过程中所遇到的不同环境条件会有不同的反应，也可 产生检测的不确定性。此外，这些系统在每一时间点仅能接收单一响应，因此在对不同气体成分的响应之间就会产生延时(Dt)。然而，通常在计算气体成分时忽略该延时 并假定任意两种尾气成分(如碳氢化合物HC和二氧化碳C02)的浓度相关图 的每一数据点是在相同的时间点收集的，因此在其中引入了显著的误差。对 于那些不稳定的气体成分如二氧化硫S02，由于其快速变化的特性而很难通过 现有的这些系统来检测，例如在该延时(Dt)过程中，S02可容易和迅速地与 水和大气中的氧气发生反应，以形成硫酸。进一步地，使用多种滤波器、探测器、反射器等等会增加相当大的复杂 度和附加的体积大小。此外，若需要检测尾气的其它成分，其中的滤波器和/ 或探测器相应也要更换，因此在部件方面、以及在组装、调整和校准方面将 会涉及附加的成本。此外，US4，678,914披露了另一种气体分析设备，其中提出一种数字IR 气体分析仪，其包括具有圆锥形内壁的采样单元和配备了 HC、 CO和C02干涉 滤光器的滤镜盘。其中，发光源的IR辐射导向IR探测器，并通过采样单元 内的气体，然后通过安装在连续旋转的滤镜盘上的各种不同光滤波器的其中 一个。该设备必须很接近排放输出以确保正确运作，而且还需要进行气体分 析的采样单元。这些需求在汽车尾气的遥感检测中是不可行的，因为需要采 集尾气的样本，并与采样单元中的样本隔离起来。进一步地，该设备仅能提 供在采集到样本的确定地点的局部读数。其它各种专利如US5, 319， 199、US5， 401， 967、US5， 591， 975、US5， 726， 450、
US5, 797， 682和US2005/0197794等也披露了遥感检测尾气排放的系统和方法， 所有这些都在此全文引用。进一步地，全世界范围内已颁布了各种关于尾气排放规则和标准，所有 在路面上行驶的最新的汽车都必须满足该严格的规则或其中的排放限制。位 于加利福尼亚州的汽车维修局(The Bureau of Automotive R印air)已颁布 了道路排放检测系统(On Road Emission Measurement System, 0REMS)标 准，其中列出对尾气遥感检测系统的要求。在欧洲，Euro 4的限制如指令98/69/EC(Euro/3/4)最后修订的指令 70/220/EEC规则中所规定的。Euro 3规定的排放限制是CO 2. 3 g/km, HC 0. 20 g/km， N0x 0. 15 g/km，而Euro 4限制是CO 1. 0 g/km， HC 0. 1 g/km， N0x 0. 8 g/km。在日本，对于10-15模式测试程序的限制是CO 2. 1-2. 7 g/km， HC 0.25-0.39 g/km， N0x 0.25-0.48 g/km。新引入的限制将将这些限制值降到 CO 0.67 g/km， HC 0.087 g/km和N0x。对于USA FTP75, SC03, US 06和高 速公路测试程序将限制值从1994年的C0 3.4g/mile, HC 0. 25 g/mile， N0x 0. 4 g/ mile变为2004年的CO 1. 7g/mile， HC 0. 125 g/ mile, N0x 0. 2 g/ mile。大多数情况下，排放限制都向下调整过去的50%左右。其它国家也都倾 向于对本地汽车依照或采用这些排放限制和测试程序。新汽车的新的严格的 排放限制增加了汽车尾气烟羽的探测难度。如果不准确地监控和维护汽车， 汽车仍然是污染源。另外，飞逝而过的新汽车意味着现有技术也不能探测到 这些汽车。另外，新车在使用一段时间之后，尾气排放和引擎性能都会有所退化， 而司机毫无察觉。许多现代汽车上使用了车载诊断系统(0BD)来检测各个部 件的故障，且通常以警告灯的形式来向司机传达警告信号。但这种系统可能 失效，或者人为地忽视警告，而汽车将照常行驶，表面并看不出什么变化。现代汽车包括具有闭环控制的三效催化转化器。引擎控制单元(ECU)， 又称汽车的引擎管理系统(EMS)，管理着空燃比以达到理想配比值。对于汽 油，理想的空气/燃料混合大致为空气总量为燃料的14.7倍，g口，燃烧lKg 燃料需14.7Kg空气，这个比例也可用字母拉姆达(X)表示。在催化转化器
运行在最佳效率状态时，燃料在理想配比混合燃烧时拉姆达为1 (入=1)。然而在实际情况却并非都如此。工作时，ECU监控空气吸入温度、压力、气流和许多其它传感器以达到理想燃烧。引擎尾气系统里嵌入的小传感器a传感器或02传感器)将检测尾气中的残留氧气浓度，以使得ECU来控制引擎中燃烧过程的效率。同时汽车引擎在闭环控制系统下工作，ECU将根据引擎的RPM和油门踏 板或节流阀位置自动调节注入引擎的每个气缸的燃料量。为实现理想的燃烧， ECU需根据是否引擎运行得充足(入〉1)或不足(入〈1 )来调节燃料的吸入。 入传感器一般以每0. 8秒更新一次ECU系统，于是就有可能在每0. 8秒间隔之 间引擎没有在正确的入值内工作，若引擎以3000PRM运行，引擎在此时间间隔 内可能己经完成了大约40个完整循环。当然也有例外的情况，在猛烈加速的时候(如即，在加速时输入额外的 燃料以防止停顿)ECU程序可能允许汽车在开环模式下工作，此时会产生更高 的尾气排放。目前，由于在汽车通过遥感系统后尾气排放或烟羽可被检测的时间非常 短，在操作中遥感系统典型地必需在0.7秒内完成汽车的检测。遥感检测调 査表明，在对大量汽车一起进行评估以获得正被检测的汽车的快速排放趋势 时，这样的遥感系统工作得很好。然而，很难测定正被检测的每辆汽车的当 前处于何种运行状态，即ECU可能处于瞬态状态(在较高或较低的理想配比 之间切换时)或开环状态。当进入引擎的空气和汽油的混合物充足或不足时， 汽车需要一定时间来调节空燃混合物以达到理想配比值，此时汽车经过遥感 设备时，可能会偶然采样到高于正常的尾气排放，从而导致汽车的无效或不 正确的读数。目前，己有一些测试技术被用以测试汽车尾气排放。例如静态空转排放 测试(stationary Idle Emission Test)，其中，多气体分析仪，例如四气 体分析仪探针，被插入排气管内并检测汽车空转时的尾气。在底盘测功机测 试中(美国IM240)，在底盘测功机上开动汽车，运行一组循环约90 240秒。 通过一个复杂的系统分析仪和定容取样系统(CVS)提取和检测稀释的尾气排
放样本。由于这些分析仪平均周期太长，典型地采样率为每秒1个样本，对于平 均的整个测试周期表示为以克每千米/英里，所以传统的功率排放测试(dynamometer emission testing)不能表3E见出气体CO和N0x的浓度变化， 该浓度变化可表明汽车在闭环燃料调节状态下运作。沐外，现有技术的遥感系统似乎都没有考虑ECU的瞬态运作，因此所得 到的检测数据都是不准确的。关于柴油汽车的柴油机排烟，如今使用了各种不同的柴油机排烟不透明 性检测标准和设备，其中，在测试时，所有现存的烟测试设备都是靠近汽车 的排气口安装。然而，因为汽车必需在正常驾驶状态下检测，运用遥感技术 检测柴油机排烟或颗粒物质(PM)似乎是行之有效的方法。现在所有的遥感 设备都可利用UV光谱来检测尺寸在200 300nm的PM，来自柴油引擎的大部 分可见的"烟"或PM的大小通常在532nm，其可更适合被波长为532nm的绿 色感应到。然而，由于柴油机引擎本身特性，燃烧产生的530nm和200nm的 PM之间是没有相关性的。进一步地，现有技术的尾气排放遥感设备在操作过程中需要定期校准。 该校准的执行将在系统启动完成后，并需要每次一至二小时，以确保获得的 读数分布在特定范围内。如果不是，则需要相应的调整来保证其质量。 一些 厂家在初始启动过程中将执行初始校准，接着通过设备前面的喷雾校准气体， 执行一系列的校准检査，以确定初始校准是否偏离预定水平30%的误差。具体 操作中，这种校准方法需要在每一经过的汽车之间有足够的时间间隔或者空 闲距离，以便汽车的排放能充分扩散而不与该校准检査过程中的校准气体相 互干涉。如果该设备的这些校准检査和再校准不能成功地按需执行，获得的 读数将是错误的和无法使用的，因为整个气体读数将受到经过的汽车的尾气 排放的严重影响。事实上，在各种不同环境下执行这种校准方法是非常困难的，特别是交 通繁忙的条件下。通常其需要经过的汽车之间的间隔最少10秒。校准气体释 放的时间要求非常严格，因为如果校准气体释放得太早，前面刚过去的汽车
的尾气仍将对周围的读数产生影响。校准过程中是不期望使用这样受污染的 数值，因为这将最终导致不正确的尾气排放检测。进一步地，现有技术的尾气排放遥感系统可包括速度和加速度单元，以 在测试过程中检测汽车的速度和加速度，其中，以一预定的距离间隔地设置 多个激光束。这些光束可直接越过道路，并可在道路一边或两边设置一个或 多个反射器，以将光束反射回设置在道路相对侧的探测器。当机动车辆经过 此系统时，轮胎隔断第一光束，然后隔断第二光束，这段时间差或中断时间 可以用来计算汽车的速度或加速度。通常计算时先假设车的长度一定，只有 两车轴，前轴胎和尾轴胎将产生两次读数，以计算速度或加速度。但是当汽 车有三个或以上车轴时，用这种方法获取速度和加速度读数就存在一些问题。事实上，现有技术的这些设计的一些缺陷是已知的。首先，在公路一侧 或两侧安装设置反射器和激光束很耗费时间，因为需要严格的对准，并且在 震动路面必须进行合适的维护，因此需要频繁检査校准，尤其是大风季节。 另外，使用和设置这些附加设备也会给公路使用带来安全隐患。进一步地， 低断面轮胎、摩托车、具有三个或以上车轴的卡车、以及车辆上悬挂的物品 都会干扰并错误的触发这些旧设计的设备，导致速度和加速度读数中的数据 缺失和反常。由于至少一部分以上的原因，这种设备有时不能正确确定汽车 的尾部，因此不能通过相应辅助设备成功地获取经过的汽车的牌照，使得整 个系统的执行受到不利的影响。进一步地，由于需要估计轴距并用于速度和 加速的计算，但经过的汽车的固定轴距长度的估算会导致计算结果的错误。进一步地，现有技术的遥感系统由干线电力供电或者在野外工作时由汽 油或柴油引擎发电机供电。基本上，这种发电机的排放控制系统没有测试下 的汽车的排放控制系统精密，而且噪音大且笨重，使用时要放在距离测试点 一定的距离。这样做可避免引擎排放和引擎噪音到达测试地点，但是事实上 在风向上局部的气候变化，将最终污染测试点。因此不期望在检测经过该系 统的汽车的排放时，引擎发电机将废气排放到周围环境中。此外，这种供电 系统需要很长、很重的电缆以到达遥感测试位置。 一些遥感系统将这种发电 机安装在定制的货车上，这种货车非常昂贵并且还需要对货车进行大幅改动。 这种货车的停放位置也受到限制，因为其不是总能允许停放在遥感系统设备 的测试位置的附近。同样的，现有技术的某些遥感系统通过PC控制，PC通过一系列又长又重的电缆与遥感系统连接。当驾驶者看到这些电缆和具有盒子导出的电线连接 到货车或台适设备的奇怪设备时，在测试条件下穿越路面时，将会稍微地改 变他们的驾驶模式。这也许是由于好奇或者害怕这些可能是超速监视或者其 它强制性设备。发明内容因此本发明的目的是克服现有技术中至少一部分前述的缺陷，更具体地， 在未使用旋转设备例如旋转镜、可移动旋转滤波器或类似物的情况下，以同 时和即时的方式，提供一种有效的汽车排放物遥感检测系统，以探测至少多 个气体成分。本发明另一目地是通过减少部件数量和消除其中所需的旋转设备，以提 高汽车排放物遥感检测系统的精度和确定性。本发明进一步的目的是使得在任意一时间点，同时接收和处理不同气体 成分的多个响应，以便改善现有技术的正确性。本发明的另一 目的是使得在测试下执行定期的汽车排放物遥感检测系统 的自我校准或自动审査，并且不会受到汽车的尾气或周围气体的干扰，从而 保证检测的正确性。本发明的又一目的是进一步在检测柴油机引擎时不仅能探测大小约为200nm 230nm的排烟和颗粒物质，还能检测大小约为532nm的排烟和颗粒物 质。本发明的再一目的是通过依据本发明的一个或多个汽车排放物遥感检测 系统消除在测试下汽车处于瞬态模式中所获得的非期望的错误数据来进一步 提高每一次读数的精度水平。根据本发明的一个方面，本发明提供一种紧凑型汽车排放物遥感检测系 统，包括辐射源，用于发射具有一组预定波长带宽的光束以经过汽车的尾
气烟羽；可修改的辐射探测单元，用于接收穿过尾气烟羽的所述的一组预定 波长带宽的光束；可选择的图像捕捉单元，用于捕捉或记录经过所述检测系 统的汽车的图像；可选择的速度和加速度探测单元，用于探测经过所述检测 系统的汽车的速度和加速度；以及处理单元，所述处理单元分别与速度和加 速度探测单元、图像捕捉单元和辐射探测单元连接，以分析和处理由速度和 加速度探测单元、图像捕捉单元和辐射探测单元收集的数据；其中，所述辐 射源包括红外光源、紫外光源或两者的组合；所述可修改的辐射探测单元包 括一个或多个可拆卸和可扩展的探测元件，用于接收所述一组预定波长带宽 的光束，并在要求的任意时间点同时产生多个相应的响应；且所述处理单元 包括一个或多个特定的软件和硬件，以计算各种气体成分的浓度、 一种气体 成分与其它气体成分之间的相对比率或每一种气体成分的绝对排放值。优选的，所述系统进一步包括嵌入式供电单元，以消除外部的气油和柴 油发电机所产生的非期望的背景污染物，以及避免设置又长又重的电缆。优选的，所述系统进一步包括嵌入式无线通信单元，以使得通过无线网 络通信方便地控制所述系统，因此用作一遥测器，从而将检测数据发送到置 于一定距离的控制设备。可选择的，所述系统进一步包括至少两个微波或超声波收发器，用于在 测试时检测汽车的速度和加速度，并且识别汽车的尾部以便获得用于进一步 处理的合适的图片。可选择的，所述系统进一步包括波长范围为515nm 540nm的绿光源或绿 色激光源，以探测大小约为532nm的柴油机排烟或颗粒物质。可选择的，所述系统进一步包括设置在辐射路径内的小校准气室，对于 每一次按要求执行的校准，所述气室总是填充和再填充有新的校准气体。可选择的，所述系统进一步包括一个或多个反射器，其安装方式可使得 来自所述辐射源的光线可导向到所述辐射探测单元及其一个或多个探测元件 上。优选的，所述一个或多个可拆卸和可扩展的探测元件中的每一个进一步 包括以紧凑方式封装在其内的一个或多个可选的光电探测器，在它们每一个
的前面设置带通滤波器，以分别探测波长带宽，从而形成光电探测器阵列以 同时产生多个响应。可选择的，所述可修改的辐射探测单元可包括分光计或光电倍增管或类 似器件，以同时产生多个响应。因此，本发明可以在任意一时间点同时检测多种气体，包括uv光谱中不稳定的气体例如S02，其范围为205nm 215nm和280nm 290nm。根据本发明的另一个方面，本发明提供一种不依赖于ECU瞬态操作的汽 车排放物遥感检测方法，包括以下步骤通过使用一个或多个汽车尾气遥感检 测系统例如前述的一个系统，收集与汽车尾气烟羽相关的一预定数量的数据 点。该方法进一步包括以下步骤检査CO和NOx之间是否有瞬态变化，以判 断汽车是否处于瞬态模式以消除不期望的错误数据点；和计算并给出各种气 体成分的浓度、 一种气体成分与其它气体成分的相对比率、或每一种气体成 分以及其余数据点的绝对排放值，其中，所述预定数量的数据点的范围可以 是5 100，通常设置为6 30，优选数值约为20 30。本发明的汽车排放物遥感检测系统可以安装在公路旁边以检测经过的汽 车直接排放的尾气。无需收集尾气烟羽的隔室或腔室以检测各种气体成分的 浓度。进一步地，本发明的构造使得在一较短的时间范围内可同时检测每一 辆经过的汽车的各自的尾气排放，因此以精确和实用的方式提供其浓度。本发明的各种优点、各个方面和创新特征，以及其中所示例的实施例的 细节，将在以下的说明书(描述)和附图中进行详细介绍。


下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中-图1示出现有技术的汽车排放物遥感检测设备； 图2示出依据本发明的汽车排放物遥感检测系统的一实施例； 图3a 3c分别示出依据本发明的汽车排放物遥感检测系统的实施例的各 部分的示意图；图4a 4b分别示出本发明一实施例的结构示意图，其中采用两个汽车排
放物遥感检测系统；图5a 5c分别示出本发明一实施例的校准气室的结构示意图。
具体实施方式
图1示出现有技术的汽车排放物遥感检测设备，其中辐射源2发射出光 束1，该光束1经过汽车4的尾气烟羽3，并通过镜面5反射到反射转盘6上。 光束1依次由反射转盘7反射到反射镜组8的其中一个上；由此经过各自的 滤波器9聚焦并反射到各自的探测器10上。如图2所示是依据本发明的汽车排放物遥感检测系统的一实施例，其可 远距离确定汽车尾气的成分，并且可安装在许多不同的位置，例如高速公路 入口或出口斜坡。在需要时，可以移动到不同的位置，并在新位置安装，以 测定汽车尾气的相同或不同的成分。其也可以永久地固定安装在路边，将收 集的数据和分析结果发送到总部或存贮起来以备将来分析所用。该实施例的系统包括辐射源21，其用于发射出具有一组预定波长带宽的 光束22，该光束22经过汽车24的尾气烟羽23。该系统进一步包括可修改辐 射探测单元25、可选择的用于捕捉或记录汽车24的图像的图像捕捉单元28、 可选择的用于探测汽车24的速度和加速度的速度和加速度探测器29、以及处 理单元30，其中，处理单元30分别与速度和加速度探测器29、图像捕捉单 元28和辐射探测单元25连接，以分析和处理分别通过单元25、 28、 29收集 到的数据。可修改辐射探测单元25用于接收穿过尾气烟羽23的该组预定波 长带宽的光束22，其中，在到达设置在内部的一个或多个可拆卸和可扩展的 探测元件27前，光束22可通过透镜26进行汇聚并加强。可选的，处理单元30可分别与嵌入式的供电单元(图中未示)和/或嵌 入式的无线通信单元(图中未示)连接。辐射源21发射出电磁辐射，用于汽车尾气排放的吸收光谱检测。优选的， 辐射源21可包括市场上随意可获得的产品，如红外线(IR)、近红外线(NIR)、 中红外线(MIR)辐射源，这些可使用了波长范围为220nm 2500nm的钨/卤 灯泡，波长范围为750 20000nm的镍铬合金线，波长范围为1200 60000nm 的碳硅棒或波长范围为400 20000nm的能斯脱灯丝，以产生光束22。可选的， 也可以采用其它形式的辐射源，例如紫外光(UV)源、波长范围为160 380nm 的H2和D2灯或相应的组合，以产生光束22，其中紫外光(UV)源采用波长 范围为250 600nm的氤气灯。还有一些市场上相似的未列出的发光源也可以 运用到本发明的实施例中，只要可产生一组预定波长带宽的光束22并发射后 穿过汽车24的尾气烟羽23。为了不仅能检测汽油、而且可更精确地检测柴油机排气或颗粒物质，可选 的，根据柴油机引擎汽车的颗粒物质的大小，发光源可包括波长范围为515 540nm的绿光或绿色激光源。优选的，可集成二氧化碳C02通道，以便将颗粒 物质与C02的比值用来计算并关联传统工业烟尘量或不透明度百分比，烟尘量 是烟尘(碳粒子排放、微粒等)的度量之一，其可用％不透明度或光吸收(01-1) 的k系数、克烈治废气单位HSU、滤纸式烟度单位FSN和mg/m3表示。根据本 发明，颗粒物质也可以在可见光范围内检测。这实现了各种不同波长的颗粒 物质的检测，因此可相应地确定不同大小的颗粒物质的数量。如图3a-3b所示，可修改辐射探测单元25的一个或多个可拆卸和可扩展 的探测元件可以不同的方式构造，以接收穿过尾气烟羽23的一组预定波长带 宽的光束并在要求的任一时间点同时生成相应的多个响应。优选的，该一个 或多个可拆卸和可扩展的探测元件31中的每一个可进一步包括一个或多个可 选的光电探测器32如光电二极管，以紧凑的形式封装，其中在每个光电探测 器32之前还设有带通滤波器，用于对应波长带宽的探测，并从而形成探测元 件31的阵列以用于同时产生多个响应，并且本发明不需要旋转设备例如反射 镜转盘或可移动式滤波器转盘。进一步地，虽然每一个探测元件31内可封装 有光电探测器32，多个光电探测器34也可以紧密封装的方式封装在同一探测 元件33中，如图3b所示。可选的，如图3c所示，可修改辐射探测单元25可包括分光计35、光电 倍增管或可同时生成多个响应的类似器件。对于采用环境辐射源的实施例， 可使用合适的灵敏的探测器，如铅硒化物(PbSe)、碲镉汞(Hg Cd Te)光电 探测器(冷的或非冷的)或前述光电探测器的线性排列或类似器件可用于探测
环境IR或UV辐射。进一步地，可在系统内集成一个或多个反射器，其安装方式使得来自辐 射源的射束被导向到可修改辐射探测单元25及其上的一个或多个探测元件 27。该反射器可包括反射镜、棱镜、衍射光栅、光束分裂器或类似元件。该 反射器可与辐射探测单元25集成在一起。这种方式下，每个反射器的作用是 在一个或多个探测元件27之间分裂辐射光束、将辐射光束聚焦到一个或多个 探测元件27上和/或将辐射光束导向到其它额外的探测元件上，以探测特定 的气体成分。反射器也可包括横向迁移反射镜，从而将光束22沿与辐射源21和反射 器之间的通道横向(或垂直)设置的通道反射回去。这种方式下，反射器通 常是与辐射探测单元间隔开设置的。这种迁移反射镜的主要目的是改变光束 22的方向，使其导向到辐射探测单元25。根据辐射源21、辐射探测单元25和反射器的空间关系，可采用许多不同的迁移反射镜。图像捕捉单元28可包括照相机，数字照相机或便携式摄像机或可捕捉或 记录经过检测系统的汽车的图像的类似设备。优选的，图像捕捉单元28可以记录汽车牌照或标签的图像，然后可以使 用合适的数据处理器对该图像作进一步处理以收集其中的一些相关的信息。 例如，接入当地机动车管理部门的数据库可以査出汽车24的厂家、型号和出 厂年份，以便可以査出汽车24的引擎中使用的任何特定的设备或装置的条件 及其使用状况，例如化油器、喷油器、催化转化器或类似设备，以备处理单 元30进一步的分析和/或计算时考虑。速度和加速度探测器29可包括激光发射器阵列和计时电路，从而在系统 中不同点安排多个激光束穿过汽车24的通道。当汽车24经过系统时，会中 断激光束，激光束的中断时间和持续时间就可用来计算汽车的速度和加速度。 也可使用其它的方法探测汽车的速度和加速度。例如可将雷达系统、传感器 或压电式元件、速度和加速度探测照相机或类似设备安装在公路不同位置来 监控其中的道路。根据本发明，速度和加速度探测单元29可选择包括两个微波/超声波收
发器，以分别将信号从路边发送到车道以及接收车道内行驶的汽车所反射的 信号，其中，每个信号产生一个轨迹并可与别的轨迹相互重叠，分析这两个轨迹的顶点便可确定经过检测系统的汽车的速度和加速度的变化。本发明优 于现有技术的优点对于本领域的技术人员来说是很显然的，因为既不费时也 无需复杂的启动，而且没有低断面轮胎、摩托车和具有三个或以上车轴的卡 车和车辆上悬挂的物品的负面影响，以及对固定轴距的估算所导致的错误， 因为本发明的方法将这些因素整体上当作一个单独对象来探测，因此汽车的 尾部和其牌照图像将无差错地确定和获得。进一步地，本发明的速度和加速度单元29可估计多车道环境中别的车辆对测试车辆的干扰，因此在多车道上， 在道路的每一边分别设置两个速度和加速度探测器29，从而实现对汽车或交 通的尾气遥感检测。优选的，处理单元30可进一步处理速度和加速度数据，以正确地描述汽 车的运行状况如加速或减速。也可将速度和加速度数据用于别的用途。例如， 在多个不同地点进行交通状况的调査，确定特定路段或区域的速度限制是否 需要修订；用于警方在不同地点的车辆限速；用于汽车制造厂商的研究，以 确定由于汽车尾气控制在加速情况下进入开环控制，汽车在哪一特定的速度 和/或加速度下生成非常高的尾气排放量；和/或确定在任意特定的公路或区 域的最理想的汽车速度和最理想的交通排放输出的比。处理单元可包括一种或多种特定的软件和硬件，如具有TCP/IP网络连接 的PC或运行有一种或多种软件的类似设备，以分析和处理辐射探测单元25、 图像捕捉单元28、速度和加速度探测单元29收集的数据，从而计算其中的各 种气体成分的浓度、 一种气体成分与其它气体成分的相对比例、或其中的每 一种气体成分的绝对排放值。例如，可使用软件计算出各种不同的尾气成分 的浓度，例如HC、 C02、 NOx、 CO等等；衰退率，例如尾气成分的扩散时间； 尾气烟羽23的不透明度、汽车温度或类似的参数。或者，可使用软件计算C02 和其它尾气成分之间的检测比率。进一步地，也可使用软件计算出绝对排放 值，这可通过在汽车24经过探测系统后读取从烟羽大小得到的绝对值来实现， 将每种尾气成分看作一种单独的气体。
该软件可进一步地与浓度阈值或排放量相比较，从而将汽车24定性为高 或低排放汽车，并确保满足预定的排放标准。处理单元30还可包括软件程序以完成别的数据分析功能。例如汽车尾 气排放数据可以用于检査行驶损耗、旁边汽车的排放的影响或其它系统性损 耗。其中，该行驶损耗一般包括燃料系统渗漏的汽车排放数据例如渗漏的燃 料箱加油口盖、燃料管道、渗漏的蒸发活性碳罐等等。处理单元30也可包括软件程序以处理不同的汽车车主通知过程。例如记录为"无污染"的汽车车主，即满足特定排放指标，可在第二次记录为"无 污染"时收到通知。这种情况下，便可进行与当局的协调以安排在收到这样 的无污染通知后授予汽车车主当地尾气排放证明程序的证书或通行证。同样 地，没有达到预定排放水平的汽车车主会收到通知责令维修未符合的部分。 处理单元也可进行其它一些数据处理功能。本发明的汽车尾气遥感检测系统能够满足并超过了各个国家规定的要 求。所有气体的瞬态读数消除了现有技术中别的设备所固有的读数错误，这些错误是由于其中的探测方法假设所有气体均在同时读取所导致的(即旋转镜和滤波方法在检测每种气体成分之间有20ms的延时)。烟羽会随着时间 奪减，在每一气体读数的过程中由设备的移动所导致的延时将使得其中的浓 度发生变化。本发明的系统只受限于探测单元内探测元件的采样速度，该速 度可快至0.05ms，本发明如此高的速度和分辨率确保了汽车以任意速度通过 光束时的正确读数和改进的捕捉率，特别是汽车以较高速度行驶时，现有技 术是很难捕捉的。因此，本发明可在很短的持续时间内同时检测更多种类的气体，以便在 那些不稳定种类的气体例如S02扩散到空气中之前，能将其正确地探测到。进一步地，以同时的方式探测多个气体(H20、 S02、 C0、 C02、 N0x、 NH3、 HC)使得以此获得的读数可进一步用于消除周围湿气的影响和通道中别的气 体的压力，因此本发明可用于所有的天气情况。同样地，这也可帮助减少光 谱信号波长重叠的影响。可选的，本发明的汽车尾气遥感检测系统可由内置的电源单元供电，其
包括蓄电池，如5V、 12V、 34V的电池，避免了前面所提及的常规汽油或柴油 发电机所带来的非期望的污染物。采用多个蓄电池可确保供电持续，每个电 池都可以更换，保证运行时提供连续无污染和稳定电流。此外，软件设置的 报警可在需要时自动关闭PC和遥感系统，如电源不足或空间不足时，相比较 发电机的停止和电源的突然损失可能损坏PC的硬盘。使用电池供电的系统不 需又长又重的电缆，启动也很容易，对地点的选择也受到较少的限制。运行 时更安全，更安静，经过的司机不会有所感觉，会正常的驾驶过去。可选的，本发明的汽车尾气遥感检测系统可由集成到处理单元中或设置 为单独部件的无线通信单元控制，其采用无线网络通信协议如WiFi、 WiMAX、 或蓝牙等类似协议，以通过笔记本电脑、便携式PC或其它类型的仅受接口限 制的PC进行无线控制。进一步地，如果需要的话，该无线通信单元还可使用 其他无线通信协议，如GPRS和那些3G或甚至4G协议如UMTS、 F0MA、 WCDMA、 CDMA-2000、 TD-SCDMA和类似协议。跟其它系统的要求相比，这大大减少了用 于PC和遥感器32通信连接的又长又重的电缆的使用。采用了集成到系统中 的这种无线通信单元，使得可以在任意给定的时间监控一个以上的遥感器单 元，由于不需要解开又长又重的电缆处理，这也减少了启动时间，因此测试 地点就有多个选择，而现有的遥感设备就不能做到这一点。因此，依据本发明实施例的紧凑型汽车尾气遥感检测系统与现有技术相 比具有几个优点。首先，其使得可由中央处理办公室执行在一定区域内的许 多遥感设备的控制和监控，因此减少了人力成本。其次，其使得遥感器的控 制和监控来自相应位置的隐蔽处并且不需要将遥感器通过电线连接到操作 站，因为该遥感器尺寸很小并因此很容易隐藏在公共的路边设备如交通锥标 内或上。因此，整个系统可以隐藏起来，不会成为驾驶者和行人的障碍，因 而可以随意布置而不受特定车道的限制。进一步地，由于不需要发电机，因 此不存在背景排放，所以就没有噪音和污染问题。而且，由于没有又长又重 的电缆要处理，整个系统的设置相当容易。因为整个系统在路边执行安装的 耗时短，所以系统在路边启动过程中，对操作者来说也更加安全。为了提高每一次读数的精度，本发明提供了一种用于尾气遥感检测的方 法，其不会受到ECU瞬态操作的影响。该方法包括使用一个或多个汽车尾气 遥感检测系统例如依据本发明实施例的系统，收集与汽车尾气烟羽相关的预 定数量的数据点的步骤。该方法进一步包括以下步骤检査C0和N0x之间是 否有瞬态变化，以确定汽车是否处于瞬态模式以消除不期望的错误数据点； 和计算并给出各种气体成分的浓度、 一种气体成分与其它气体成分间的相对 比率，或每一种气体成分以及其余数据点的绝对排放值。其中，预定数量的 数据点的范围为5 100，较优的选择为6 30，更优的数值为20 30。收集的数据点可用于确定数据的趋势，以确定汽车的ECU是否在正常状 态或瞬态模式，即其正在高或低空燃比或开环模式之间进行切换。使用一个 以上的依据本发明实施例的系统，能有助于识别和排除错误的高读数，其是 由"无污染"的汽车偶然发射出的，并且附加的系统还可辅助判断一汽车是 否被登记为排放超标的汽车。进一步地，错误的高读数可能是被人为是一次 错误，或被收集并进行平均。依据本发明，汽车尾气中的一氧化碳(CO)和氮氧化物(N0x)的含量呈 相反趋势。S卩，如果NOx含量高则CO含量就低，反之亦然。如果汽车在瞬态 模式下工作，该两种气体的读数变化将呈相反趋势，因为ECU正试图校正燃 料和空气的混合以最大化引擎的效率。因此，如果CO、 NOx和C02通道产生任 何变化趋势时，相关的数据可以忽略，以消除ECU瞬态切换的影响。这种计 算程序的目的是为了提高每一次读数的精确度，以适应强制性手段的需要。 消除数据趋势中的瞬态数据点显然能以更精确的方式提供与实际汽车状况相 应的读数，因此检测结果相对更准确，更可行。从而，依据本发明的检测系 统可用于按要求的强制实施的目的，其中，该系统可进一步包括一些强制参 数和可接受的公差，这相应地由实施当局所确定。图4a-4b示出的本发明的 一实施例，为了进一步提高精确度，其中采用两个汽车尾气遥感检测系统。 通常，考虑到根据本发明的系统的灵活性，采用一个汽车尾气遥感检测系统 就足够了，其中的软件和硬件可很容易地进行适应性的改变和调整，从而以 高速精确的方式探测汽车尾气中的任何特定的气体成分。图5a-5c示出本发明的另一实施例，具有小的校准气室50，设置在辐射
通道中，以按需要执行自我校准。该气室包括前端51和尾窗52、入气口 53 和出气口55;其中，前端51和尾窗52均由透明材料制成，以保证射束可穿 过，入气口 53具有第一电磁阀连接至气源54，以向内注入校准气体，出气口 55具有第二电磁阀连接至气泵56，以从中抽出校准气体。优选的，该气室还 具有持压阀57，以将气室内的压力维持在一特定水平。在操作中，第一电磁阀打开，从气源输送的校准气体注入该气室。校准 完成后，第一电磁阀关闭同时第二电磁阀打开，接着校准气体由气泵从该气 室中抽出。由于气室内的N0x气体暴露在UV光下一段时间后将发生衰减，10分钟之 内该变化将会明显，所以在预定时间段内例如2分钟内将不断的充满和再充 满新给入的校准气体，以保证校准过程准确无误地进行。此实施例的构造可以实现自动核査，甚至在交通繁忙时也能达到要求。 许多政府和职权部门要求在测试过中系统执行校准核査，以保证系统的精确 度。然而，现有技术的系统很难做到关于采样校准气体的自我校准，该采样 校准气体很可能也很容易被周围气体或交通尾气污染。依据本发明的实施例， 系统会首先监控和记录周围气体值并将其作为参考值。在实施中，当汽车通 过该系统且周围气体已被稀释到参考值时，该系统会触发气体释放以进行核 查校验。本发明的可再充填校准气体的气室使用新鲜干净的校准气体，其未暴露 在紫外光下也未被紫外光减弱，以执行校准，因此每次校准都能保持正确。 由于气室内的气体在UV辐射下容易衰减，所以在每次校准之后使用气泵将其 抽出并排到大气中，并在下次校准之前由气源注入新的校准气体到该气室中。 如此，该气室内的气体不会被稀释，并保持与环境相对稳定的温度和压力。优选的，该校准气室进一步可具有气体浓度调节器，以调节其中的校准 气体的浓度。例如，该校准气室可包括一个或多个可移动的侧壁，其可向后 和向前移动，因此可改变腔室的体积，从而改变其中气体的浓度，所以这种 可移动的侧壁可充当气体浓度调节器。可选择的，可使用可调节的压力调节 器代替持压阀，从而在保持该腔室体积不变的情况下改变其中的压力。同样 的，可采用可调节的温度调节器作为气体浓度调节器，从而在改变气室内温 度的情况下改变其中气体的浓度。依据本发明的该气室的构造，使得校准可 在不同的压力下执行，并从中获得多个数据点或读数，确保在整个尾气排放 读数范围内呈线性分布。本发明是通过几个具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白， 在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。 另外，针对特定情形或具体情况，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发 明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本 发明权利要求范围内的全部实施方式。相关申请的交叉引用本发明要求2006年1月18日提交的美国临时专利申请No. 60/759， 588 的优先权，并将该申请全文引入作为参考。
权利要求
1、一种汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，包括辐射源，用于发射一组预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽；可修改的辐射探测单元，用于接收穿过汽车烟羽的所述一组预定波长带宽的光束；处理单元，其与所述辐射探测单元连接，以分析和处理由辐射探测单元收集的数据；其特征在于所述可修改的辐射探测单元包括一个或多个可拆卸且可扩展的探测元件，用于接收所述一组预定波长带宽的光束并在需要的任意一时间点同时产生多个相应的响应；和所述处理单元包括一个或多个特定的软件和硬件，以计算各种气体成分的浓度、一种气体成分与其它气体成分之间的相对比率或每一种气体成分的绝对排放值。
2、 根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 系统进一步包括嵌入式供电单元。
3、 根据权利要求2所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 嵌入式供电单元包括蓄电池。
4、 根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 系统进一步包括嵌入式无线通信单元。
5、 根据权利要求4所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 嵌入式通信单元采用无线网络通信。
6、 根据权利要求5所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，用于 所述无线网络通信的协议包括WiFi、 WiMax、蓝牙、GPRS、 UMTS、 F0MA、 WCDMA、 CDMA--2000或TD-SCDMA。
7、 根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 系统进一步包括设置在辐射路径内的小校准气室，其中，所述气室包括由透明 材料制成以供射束穿过的前端和尾端窗、具有连接至气源的第一电磁阀的入气 口和具有连接至气泵的第二电磁阀的出气口。
8、 根据权利要求7所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 校准气室进一步包括用于维持气室内压力的持压阀。
9、 根据权利要求7所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 校准气室进一步包括气体浓度调节器，以调节其中的气体的浓度。
10、 根据权利要求9所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 校准气室进一步包括一个或多个可向后和向前移动的侧壁，以形成气体浓度调 节器。
11、 根据权利要求9所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 气体浓度调节器包括可调节的压力调节器或温度调节器。
12、 根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 系统进一步包括一个或多个反射器，其安装方式可使得来自所述辐射源的射束 被导向到所述一个或多个探测元件上。
13、 根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 一个或多个可拆卸且可扩展的探测元件中的每一个进一步包括以紧凑方式封 装的一个或多个可选的光电探测器，以分别探测波长带宽，因此形成光电探测 器阵列以同时产生多个响应。
14、 根据权利要求13所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，在 所述用于各波长带宽检测的一个或多个可选的光电探测器中的每一个光电探 测器之前设置有带通滤波器。
15、 根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 辐射探测单元可选择地包括分光计或光电倍增管。
16、 根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 系统进一步包括与所述处理单元连接的图像捕捉单元，用于捕捉或记录汽车的 图像。
17、 根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 系统进一步包括与所述处理单元连接的速度和加速度探测单元，用于探测汽车 的速度和加速度。
18、 根据权利要求17所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所 述速度和加速度探测单元可选择地包括至少两个微波或超声波收发器。
19、 根据权利要求1所述的汽车排放物遥感检测系统，其特征在于，所述 辐射源包括波长范围为515nm 540nm的绿光源或绿色激光源，以检测柴油车 的排烟和颗粒物质。
20、 一种不受ECU瞬态操作影响的汽车排放物遥感检测方法，其特征在于， 包括以下步骤使用一个或多个汽车排放物遥感检测系统收集与汽车尾气烟羽相关的一 预定数量的数据点；检查CO和N0x之间是否有瞬态变化，以判断汽车是否处于瞬态模式以消 除不期望的错误数据点；计算并给出各种气体成分的浓度、一种气体成分与其它气体成分的相对比 率、或每一种气体成分的绝对排放值。
21、 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述预定数量的数据点 的范围为5 100。
22、 根据权利要求20所述的方法，其特征在于，所述预定数量的数据点 的范围为20 30。
全文摘要
本发明涉及一种汽车排放物遥感检测系统，其包括辐射源、可修改的辐射探测单元和处理单元，其特征在于，所述辐射源包括红外光源、紫外光源或其组合；所述辐射探测单元包括一个或多个可拆卸且可扩展的探测元件，以接收预定波长带宽的光束并在任意一时间点同时产生多个相应的响应；所述处理单元包括一个或多个特定的软件和硬件，从而以精确和实用的方式计算各种不同的气体成分的浓度、一种气体成分与别的气体成分的相对比率或每一种气体成分的绝对排放值。
文档编号G01N21/31GK101400986SQ200680053784
公开日2009年4月1日 申请日期2006年9月18日 优先权日2006年1月18日
发明者陆伟明 申请人:狄比科技有限公司