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与流程

本发明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领域。

背景技术：

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(Gas Chromatography)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。

技术实现要素：

本发明技术解决问题：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。

本发明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。

本发明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：

I_sky(λ)＝τ_pτ_atmB(T_b,λ)(1-ε_al)+τ_pB(T_al,λ)ε_al+B(T_p,λ)(1-τ_p)

I_sky(λ)＝τ_atmB(T_b,λ)(1-ε_al)+B(T_al,λ)ε_al

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：

I_veg(λ)＝τ_pB(T_b,λ)+B(T_p,λ)(1-τ_p)

I_veg(λ)＝B(T_b,λ)

其中，T_b、T_p、T_al：背景、尾气羽流与镀锌平板的温度；

τ_atm、τ_p：大气与尾气羽流的辐射透射率；

ε_al：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线连接热像仪与计算机，将图像经数据传输线将传输至计算机，实现数据图像的实时传输。

步骤五：借由计算机接收透过两滤光片得到的两幅图像，由透过F2得到的图像根据预先建立的数学模型及相关参数计算背景透过另一滤光片F1理论上的辐射亮度，与F1实际得到的辐射亮度比较差异捕捉图像中HC的存在，同时根据预先建立的数学模型及相关参数可计算出图像中HC所占各像素点的羽流透射率。HC的浓度根据朗伯比尔(Lambert-Beer)吸收定律与尾气羽流的透射率联系起来，其公式如下：

其中，τ(λ)：与尾气羽流的透射率；

n：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)：气体的化学吸收率，单位为1/(ppm·m)。

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，同一场景透过两枚滤光片分别得到两幅图像，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，其辐射亮度分别为I_F1、I_F2，图像中的每对关联像素点对应实际场景中的相应区域，对于无绿化带车道，图像中各对像素点对应区域的HC浓度可根据各对像素点的辐射亮度值推导计算：

I′_F1＝τ_atmB(T_b,λ_F1)(1-ε_al)+B(T_al,λ_F1)ε_al

其中，λ_F1、λ_F2：F1、F2滤光片的中心波长。

比较I′_F1(λ_F1)与I_F1的值，当I′_F1(λ_F1)≤I_F1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(λ_F1)＞I_F1时：

其中，n：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)：气体的化学吸收率，单位为1/(ppm·m)。

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。

对于有绿化带车道，图像中各对像素点对应区域的HC浓度可根据各对像素点的辐射亮度值推导计算：

I′_F1＝B(T_b,λ_F1)

其中，λ_F1、λ_F2：F1、F2滤光片的中心波长。

比较I′_F1(λ_F1)与I_F1的值，当I′_F1(λ_F1)≤I_F1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(λ_F1)＞I_F1时：

其中，n：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)：气体的化学吸收率，单位为1/(ppm·m)。

由此参与计算的一对像素点对应区域处处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。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)采用被动式测量方式，对被测车道的正常运行无干扰。相较于目前普遍的主动式检测机动车尾气的方法如利用激光实现在线监测，本发明通过热像仪被动接收实际场景中的红外辐射实现尾气中HC浓度分布的检测，避免了主动测量方式对安全驾驶可能造成的影响；

(2)可实现实时、快速的测量。传统人工采样检测方法如双怠速排放法、简易工况法耗时耗力，无法避免取样后尾气温度、成分等的改变，无法获取尾气排放的真实情况，本发明提出的检测系统简单设置于被测道路即可实时拍摄机动车尾气的多光谱图像，通过计算机快速得到尾气中HC的浓度分布，在尾气排出排气管的第一时间得到尾气排放情况；

(3)便携、经济，利于大规模使用。目前专门生产的可实时检测机动车尾气的设备一般价格昂贵，本发明提出的检测系统主要硬件设备仅包括热像仪、滤光片及电子计算机，便于携带且采购方便，计算机处理过程不复杂对计算机性能要求低，不需要昂贵的设备，可满足大规模机动车尾气检测的需要。

附图说明

图1是本发明提供的HC浓度分布检测系统步骤流程图；

图2是本发明提供的HC浓度分布检测系统在无绿化带车道的实施结构图；

图3是本发明提供的HC浓度分布检测系统在有绿化带车道的实施结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。

本发明提出的基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测系统，如下：

图2示出了本发明提供的HC浓度分布检测系统的图像采集模块在无绿化带车道实施结构图，为了便于描述，仅示出了与本系统相关的部分。参照图2，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电子计算机实现图像中HC位置的侦测及HC所在位置像素点区域浓度计算，得到HC浓度分布。

图3示出了本发明提供的HC浓度分布检测系统的图像采集模块在有绿化带车道实施结构图。如图3所示，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电子计算机实现图像中HC位置的侦测及HC所在位置像素点区域浓度计算，得到HC浓度分布。

如图1所示，本发明提出的基于多光谱图像的机动车尾气HC浓度分布检测方法，其具体步骤细节如下：

步骤一：考虑工程中的实用性，忽略辐射传输过程中多次散射与发射的影响，假设经过的介质均匀，建立简化的辐射传输方程。植物辐射和天空辐射均可被近似为黑体辐射，根据普朗克定律可确定其辐射亮度；地表面附近空气的散射效应与透射率影响可忽略。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：

I_sky(λ)＝τ_pτ_atmB(T_b,λ)(1-ε_al)+τ_pB(T_al,λ)ε_al+B(T_p,λ)(1-τ_p) (1)

I_sky(λ)＝τ_atmB(T_b,λ)(1-ε_al)+B(T_al,λ)ε_al (2)

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：

I_veg(λ)＝τ_pB(T_b,λ)+B(T_p,λ)(1-τ_p) (3)

I_veg(λ)＝B(T_b,λ) (4)

其中，T_b、T_p、T_al：背景、尾气羽流与镀锌平板的温度；

τ_atm、τ_p：大气与尾气羽流的辐射透射率；

ε_al：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。

公式(1)的右边的三项分别是：经尾气羽流透射率、大气透射率及锌板反射率修正的天空背景的辐射，经尾气羽流透射率及锌板发射率修正的锌板平面发出的辐射，由尾气羽流自身发射率修正的尾气羽流发出的辐射。公式(2)的右边两项分别是：经大气透射率及锌板反射率修正的天空背景的辐射，经锌板发射率修正的锌板平面发出的辐射。公式(3)的右边两项分别是：经尾气羽流透射率修正的植物背景的辐射，由尾气羽流自身发射率修正的尾气羽流发出的辐射。公式(4)右边的项是植物背景的辐射。

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。其中机动车尾气可根据既往的研究成果确定一个参照的温度及宽度，需要注意的是尾气与背景的温度差越大，尾气羽流被检测到的可能性越高，因此推荐使用锌板反射天空辐射的方式进行尾气检测。

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：为方便描述，将两滤光片命名为F1、F2。根据美国太平洋西北国家实验室测定的物质吸收谱，对机动车尾气除HC类之外的所有成分的化学吸收率求和作为除HC外尾气的吸收作用判据，对尾气中存在的HC类成分的化学吸收率求和作为HC的吸收作用判据，比较两判据在不同波长上的作用表现，可以找到两个特殊的波段，其中一波段仅有HC会造成气体吸收辐射使辐射减弱的现象，F1的中心波长位于该波段内；另一波段HC与尾气除HC外的成分的吸收率均接近于0，F2的中心波长位于该波段内。

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线连接热像仪与计算机，将图像经数据传输线将传输至计算机，实现数据图像的实时传输。

步骤五：HC的浓度根据朗伯比尔(Lambert-Beer)吸收定律与尾气羽流的透射率联系起来，其公式如下：

其中，τ(λ)：与尾气羽流的透射率；

n：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)：气体的化学吸收率，单位为1/(ppm·m)。

在计算HC气体浓度时，可取机动车尾气中HC各组分的吸收率之和作为HC气体的吸收率。

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，同一场景透过两枚滤光片分别得到两幅图像，其辐射亮度分别为I_F1、I_F2，两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，区域的HC浓度可根据各对像素点的辐射亮度值推导计算，对于无绿化带车道，执行循环语句遍历图像中每一对像素点进行操作，其对应区域HC浓度计算过程如下：

I′_F1＝τ_atmB(T_b,λ_F1)(1-ε_al)+B(T_al,λ_F1)ε_al (8)

其中，λ_F1、λ_F2：F1、F2滤光片的中心波长。

执行判断语句比较I′_F1(λ_F1)与I_F1的值，当I′_F1(λ_F1)≤I_F1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(λ_F1)＞I_F1时，参与计算的一对像素点对应区域处存在HC，其浓度确定如下：

其中，n：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)：气体的化学吸收率，单位为1/(ppm·m)。

由此图像中每一对像素点对应区域处HC浓度确定，从而得到HC浓度分布情况。

对于有绿化带车道，执行循环语句遍历图像中每一对像素点进行操作，参与计算的一对像素点对应区域HC浓度计算过程如下：

I′_F1＝B(T_b,λ_F1) (12)

其中，λ_F1、λ_F2：F1、F2滤光片的中心波长。

执行判断语句比较I′_F1(λ_F1)与I_F1的值，当I′_F1(λ_F1)≤I_F1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(λ_F1)＞I_F1时，参与计算的一对像素点对应区域处存在HC，其浓度确定如下：

其中，n：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。

由此各图像中的每一对像素点对应区域处HC浓度确定，从而得到HC浓度分布情况。

对于系统的检测性能方面，通过比较步骤三确定的两判据找到的仅有HC会造成气体吸收辐射使辐射减弱现象的特定波段，该波段两判据较大的吸收率差保证了系统的检测性能。为确定系统可检测的临界浓度，需使用步骤二预先测定背景的平均温度作为T_b，对于无绿化带车道或有绿化带车道，联立公式(1)、(2)或(3)、(4)，得到的透射率即为无尾气羽流存在时与有羽流存在时辐射亮度恰相等情况时的透射率，带入公式(6)得到的浓度值即为系统恰能检测到的HC浓度。

总之，本发明实施方式简便，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。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。