遥感监测系统及遥感监测方法与流程

本发明涉及机动车尾气的浓度检测技术领域，尤其涉及一种遥感监测系统及遥感监测方法。

背景技术：

随着环保部门对机动车尾气的超标排放现象越来越重视，通常需要对路面上的机动车排放的尾气进行浓度检测，从而通过检测尾气中各种成分占据的比例来判断机动车的尾气排放是否超标，以便实施控制和限制尾气排放、禁止超标车辆上路等措施。

传统检测方法采取接触式测量，通过汽车排气分析仪在现场对汽车尾气的成分进行分析。汽车排气分析仪是利用不分光红外线和电化学传感器对汽车排气中主要组份co、hc、co2、nox进行接触式测量。该方法在路检工作中很难难展开，而且检测效率低下、现场监管困难，还会因检测过程中车辆怠速行驶而造成更严重的污染。此外，上述传统方法是通过模拟机动车的运行环境得到尾气排放量，工作环境受限且不能完全反映出车辆在运行状态下的实际排放状况。而且，上述方法是对排气管中未排至大气的尾气成分进行测量，而真正对大气环境产生污染的是从机动车排气管排出的尾气在空气中发生复杂化学反应后的结果，因此，所得到的检测数据并不能真实地反映机动车尾气对大气环境造成的污染。

现有技术中，为了更高效地对机动车尾气的浓度进行实时在线检测，采用机动车尾气遥感检查法。该方法是在不影响正常交通的前提下，利用光学中的远距离感应原理，在机动车行驶过程中分别检测车辆排放的尾气中的co、co2、hc和nox的浓度，并记录机动车通过传感器时的速度和加速度以及气象条件，同时抓取机动车的车牌号码。此外，机动车尾气遥感监测系统基于遥感检查法，实时在线检测机动车排放的尾气浓度，同时建立数据量化处理模型，排除车辆行驶状态、气象环境等因素对机动车尾气监测的干扰，实现车辆排放数据的实时性、准确性监测，通过移动通信和互联网技术将机动车污染物排放数据实时上传到环保局监控平台，并与尾气年检数据有机连接起来，从而实现数据资源共享，并对机动车尾气排放数据进行监督和数据综合管理。

但，上述机动车尾气遥感检查法多采用红外和紫外吸收光谱技术，一般用于红外和紫外吸收光谱测量的发光二极管的带宽为20～100nm，而气体吸收谱线宽仅为几个纳米，气体吸收仅占光源光强的几千分之一，比光源光强的变化还要小，导致测量的灵敏度很低。由于光源光强本身的光谱结构会随着时间发生变化，对于co和co2气体，其特征谱线的吸收率很低，吸收线宽很窄，在近红外区域不同气体的吸收谱线重复严重，导致红外和紫外吸收光谱的检测方法难以实现。可见，受背景气体、环境温湿度差异、光源强度的不稳定性等因素影响，机动车尾气遥感检查法有一定的局限性，而且灵敏度低。此外，在垂直式遥感监测系统中多采用单点式测量光路，从而检测的数据不能反映机动车尾气排放的真实状况、甚至出现漏检的情况，导致测量数值不准确或没有数据。另外，垂直式遥感监测系统中的镜面反射装置是固定安装在道路中间，不仅会破坏路面，还会造成现场路面震动较大，导致接收端接收光强信号不稳定，影响测量结果。

技术实现要素：

为此，本发明提供了一种遥感监测系统，以解决或至少缓解上面存在的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种遥感监测系统，适于检测机动车尾气中的若干种待测气体的浓度，包括：激光发射单元，包括若干个激光器，若干个激光器适于发射不同波长的激光，以便检测与所述波长相对应的待测气体；发射光耦合单元，适于将所述若干个激光器发射的激光耦合形成一束发射光；以及振镜扫描单元，适于在往返运动时对所述发射光进行反射形成第一反射光，所述第一反射光在路面形成线形扫描区域并覆盖所有车道，以便检测所有车道的机动车尾气。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，还包括：反射单元，布置在所述线性扫描区域，所述反射单元适于对所述第一反射光进行回归反射，以便形成第二反射光；以及接收单元，适于接收所述第二反射光，并对所述第二反射光进行分析计算，以便计算得出所述尾气中的待测气体的浓度。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述激光发射单元包括：若干个第一激光器，所述第一激光器适于空间光输出；以及若干个第二激光器，所述第二激光器适于光纤输出。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述发射光耦合单元包括：准直器；若干个光合束镜，所述光合束镜适于对相应的所述第一激光器的空间光进行耦合，以便所述若干个第一激光器的空间光耦合为一束空间光；以及光纤耦合器，适于将所述若干个第二激光器的光纤耦合为一根光纤，所述耦合后的光纤经过所述准直器后、再通过所述光合束镜与所述耦合后的空间光耦合形成所述发射光。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述若干个第一激光器包括nox激光器和hc激光器，所述nox激光器适于检测nox，所述hc激光器适于检测hc；所述若干个第二激光器包括co激光器和co2激光器，所述co激光器适于检测co，所述co2激光器适于检测co2。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述若干个光合束镜平行且间隔设置，且所述光合束镜与水平方向的夹角为45°。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述振镜扫描单元包括振镜；所述发射光入射在所述振镜上，并经所述振镜反射形成所述第一反射光。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述发射光相对所述振镜的入射角度为45°。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述反射单元包括反光板，所述反光板为棱镜结构，以便对所述第一反射光进行回归反射。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述接收单元包括：探测器；以及广角透镜，适于对所述第二反射光进行整形并聚焦到所述探测器形成光信号，以便对所述光信号进行分析计算，所述第二反射光由线形光斑整形为点状光斑。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述反光板的表面通过镀银形成有高反射膜。

可选地，在根据本发明的遥感监测系统中，所述激光器为二极管激光器。

根据本发明的又一个方面，还提供了一种遥感监测方法，用于检测机动车尾气中的若干种待测气体的浓度，包括步骤：发射若干种不同波长的激光，以便检测与所述波长相对应的待测气体；将所述若干种激光耦合形成一束发射光；以及对所述发射光进行反射形成第一反射光，所述第一反射光在路面形成线形扫描区域并覆盖所有车道，以便检测所有车道的机动车尾气。

可选地，在根据本发明的遥感监测方法中，还包括：对所述第一反射光进行回归反射，以便形成第二反射光；接收所述第二反射光，并对所述第二反射光进行分析计算，以便计算得出所述尾气中的待测气体的浓度。

可选地，在根据本发明的遥感监测方法中，所述若干种激光包括若干种空间光和若干种光纤。

可选地，在根据本发明的遥感监测方法中，将所述若干种激光耦合形成一束发射光包括：分别对所述若干种空间光进行反射，以便所述若干种空间光耦合为一束空间光；以及将所述若干种光纤耦合为一根光纤，并将所述耦合后的光纤与所述耦合后的空间光耦合形成所述发射光。

可选地，在根据本发明的遥感监测方法中，所述若干种空间光包括：适于检测nox的空间光以及适于检测hc的空间光；所述若干种光纤包括：适于检测co的光纤以及适于检测co2的光纤。

可选地，在根据本发明的遥感监测方法中，接收所述第二反射光包括：对所述第二反射光进行整形并聚焦形成光信号，以便对所述光信号进行分析计算，所述第二反射光由线形光斑整形为点状光斑。

根据本发明的技术方案，提供了一种遥感监测系统及遥感监测方法，通过设置对应尾气中多种气体(包括nox、hc、co、co2等)的多种激光器，每种激光器适于发射不同波长的激光，并检测与其波长相对应的单一气体，而且不会受尾气中的其它成分影响，从而能够更准确灵敏地检测每种待测气体在尾气中的相应浓度。其中，多种波长的激光经发射光耦合单元耦合形成一束发射光，并经振镜反射后在路面形成线性扫描区域，能覆盖所有车道，从而能实现对所有车道的机动车进行尾气浓度的检测，检测数据更可靠。进一步地，通过路面上布置的反射单元对振镜反射后的光束进行回归反射，并返回到接收单元，再由接收单元对光信号进行分析处理，能实现对尾气浓度的检测。本发明的反射单元并不会破坏路面，而且能降低光路对于路面震动、灰尘、积水以及车辆碾压等情况的敏感度，从而避免了探测器接收不到反射信号的情况，能实现稳定地对路面上的机动车尾气进行检测。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了根据本发明一个实施例中激光耦合并反射后在路面形成线性扫描区域的原理示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例中布置有反射单元的路面的剖视图；

图3示出了根据本发明一个实施例中布置有反射单元的路面的俯视结构示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的遥感监测方法的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如前文所述，现有技术中用于检测机动车尾气的遥感监测系统，在使用过程中或多或少存在一定的功能缺陷，因此本发明提出了一种性能更优化的遥感监测系统100，适于检测机动车尾气中的若干种待测气体的浓度。应当指出，机动车排放的尾气中存在多种气体，包括nox、hc、co以及co2等，但不限于这些气体。由于不同种类气体的成分不同，通过设置对应多种气体的多种激光器，每种激光器适于发射不同波长的激光，并检测与其波长相对应的单一气体，能够更准确地检测每种待测气体在尾气中的相应浓度。图1至图3示出了本发明的遥感监测系统100的结构示意图。

如图1至图3所示，本发明的遥感监测系统100包括激光发射单元110、发射光耦合单元120、振镜扫描单元130、反射单元140以及接收单元。

其中，激光发射单元110包括若干个激光器，若干个激光器适于发射不同波长的激光，从而能检测与激光的波长相对应的待测气体。这里，若干个激光器均为可调谐半导体二极管激光器，而且，本发明每个激光器发射的激光所选用的工作波段(即是用于检测相应气体的波段)，几乎不会被所检测的尾气中的其它气体和水分吸收，从而使本发明的遥感监测系统100能对具有多种其它成分的尾气进行定性和定量地检测单一气体，而不受其它成分的影响。这里，其它成分即是尾气中除了待检测的气体之外的气体和水分。

本发明通过发射光耦合单元120将若干个激光器发射的激光耦合，使若干束激光通过耦合形成一束发射光。

根据一个实施例，激光发射单元110包括若干个第一激光器111和若干个第二激光器112，其中，第一激光器111适于空间光输出，第二激光器112适于光纤输出。

如图1所示，发射光耦合单元120包括分别与若干个第一激光器111相对应的若干个光合束镜121，还包括一个光纤耦合器122和一个准直器113。光合束镜121适于对相应的第一激光器111的空间光进行耦合，若干个第一激光器111的空间光经相应的光合束镜121反射后，耦合形成水平方向的一束空间光。光纤耦合器122适于对若干个第二激光器112的光纤进行耦合，并耦合形成一根光纤，且耦合后的一根光纤经过准直器113后、再通过光合束镜121耦合，从而与耦合后的空间光进一步耦合形成一束发射光。

具体地，若干个第一激光器111包括nox激光器和hc激光器，应当理解，nox激光器的空间光适于检测nox，hc激光器的空间光适于检测hc。若干个第二激光器112包括co激光器和co2激光器，co激光器的光纤适于检测co，co2激光器的光纤适于检测co2。也就是说，本发明是通过nox激光器、hc激光器、co激光器和co2激光器，分别一一对应地检测机动车排放的尾气中的nox、hc、co以及co2的浓度，进而通过分析判断尾气中的不同种类的气体含量是否超标。需要说明的是，由于对应不同种类气体的激光器发射的激光的波长不同，且波长与其检测的单一气体相对应，从而能更准确、灵敏地检测每种待测气体在尾气中的相应浓度，不会受尾气中其它成分的影响。

此外，若干个光合束镜121平行且间隔设置，且光合束镜121与水平方向的夹角为45°。这样，nox激光器和hc激光器发射的激光(空间光)沿竖直方向投射到对应的光合束镜121上，并经光合束镜121耦合为水平方向的一束空间光，从而耦合后的光纤经过光合束镜121能与空间光进一步耦合形成水平方向的一束发射光。

进而，水平方向的发射光会投射到振镜扫描单元130，具体是入射在振镜扫描单元130的振镜上，且发射光相对所述振镜的入射角度为45°。振镜的反光镜面会对发射光进行反射形成第一反射光，而且，振镜会不停地做高速往返直线运动。由于振镜是在高速往返运动时会对发射光进行反射，从而经振镜反射后形成的第一反射光投射在路面后，会在路面形成线形扫描区域160。线性扫描区域呈“一”字形，并沿垂直于车道方向覆盖所有车道，从而能实现对所有车道的机动车进行尾气浓度的检测。这里，由于振镜是做高速的往返直线运动，且第一反射光经振镜反射后的光线与水平方向具有一定的夹角，经振镜反射后形成的第一反射光在垂直于路面的空间形成的是一个扇形的平面扫描区域，从而投射在路面上的是一个“一”字形的线形光带，也就是上述线形扫描区域160。

进一步地，如图2和图3所示，路面上安装有反射单元140，且反射单元140并位于路面上的线性扫描区域，反射单元140能对上述第一反射光进行回归反射，并形成第二反射光。根据一种实施方式，反射单元140包括反光板141，反光板141安装在路面的线形扫描区域160内。反光板141采用微棱镜反射结构，微棱镜反射结构具有回归反射的特性，能将大部分第一反射光沿着入射到反光板141的光路逆向返回到接收单元，从而，通过反光板141能对第一反射光进行回归反射而形成第二反射光。可以理解，第二反射光是与第一反射光光路相同、方向相反的光束。反光板141上微棱镜结构的表面还通过镀银形成高反射膜，从而能提高反光板141上微棱镜的反射效率，还能增加反射光谱的宽度。

另外，如图2所示，反射单元140还包括固定反光板141的固定组件。具体地，反射单元140包括反光板支架142和反光板盖板143，通过将反光板支架142固定在路面，反光板141固定安装在反光板支架142上，并在反光板141上方铺设反光板盖板143，从而对反光板141起到一定的保护作用，防止路面车辆直接碾压反光板141。此外，反射单元140还包括护套144，护套144安装在反光板支架142的外周，从而对反光板支架142和反光板141起到一定的防护作用。根据上述设置，本发明安装反光板141并不需要破坏路面，而且容易更换和维护反光板141。而且，本发明的反光板141能降低光路对于路面震动、灰尘、积水以及车辆碾压等情况的敏感度，避免了探测器接收不到反射信号的情况。

根据一个实施例，接收单元适于接收上述第二反射光，并对第二反射光进行分析计算，从而能计算得出尾气中的各种待测气体的浓度。具体地，接收单元包括探测器和广角透镜155，第二反射光入射到广角透镜155上，光束经广角透镜155聚焦后再经过透镜组合整形，从而使第二反射光由线形光斑被整形为点状光斑，并聚焦到探测器上形成光信号，通过对光信号进行分析计算，能计算得出尾气中的各种待测气体的浓度。

根据朗伯比尔定律，当特定波长的平行光(在本发明中即是第一反射光)穿过待测气体时，待测气体中的光子会被光吸收，这样，穿过待测气体后的光的强度就会衰减，而在一定条件下，光衰减的强度与待测气体的浓度成正比例关系。根据上述原理，通过控制可调谐半导体二极管激光器发射特定波段的激光，当特定波段在以待测气体吸收的波长为中心波长的区域内进行变化时，中心波长的光子由于会被对应的待测气体吸收而产生明显的衰减现象。这样，当特定波段的激光穿过待测气体后，激光中心波长的光子因被待测气体吸收而产生的衰减现象会被接收单元捕捉，从而，接收单元能将中心波长的衰减变化转化成对应的待测气体的浓度。

本发明的遥感监测系统100中，激光发射单元110包括分别与co、co2、hc、no相对应的四种波长的可调谐半导体二极管激光器，并在激光发射单元110对面(垂直在地面上)安装有反射单元140。当车辆通过时，遥感监测系统100自动触发，使激光发射单元110的四个激光器分别发射不同波长的激光。四种波长的激光耦合为发射光，并经过振镜扫描单元130反射后穿过尾气中的待测气体，衰减后的光束再经过地面上的反射单元140反射而被接收单元捕捉。从而，本发明的遥感监测系统100能实时计算得出尾气中同一位置的co、co2、hc、no的浓度。并且，遥感监测系统100适于将浓度通过燃烧方程计算出浓度值后输出。

图4示出了根据本发明一个实施例的遥感监测方法400，该方法400用于检测机动车尾气中的若干种待测气体的浓度。

方法400始于步骤s410，在步骤s410中，通过激光发射单元110的若干个激光器发射若干种不同波长的激光，从而能检测与激光的波长相对应的待测气体。

在步骤s420中，通过发射光耦合单元120将若干种激光耦合形成一束发射光。由于激光发射单元110包括若干个第一激光器111和若干个第二激光器112，第一激光器111适于空间光输出，第二激光器112适于光纤输出。从而，若干种激光包括若干种空间光和若干种光纤。

具体地，如图1所示，本发明是通过若干个光合束镜121对相应的第一激光器111的空间光进行耦合，若干个第一激光器111的空间光分别经相应的光合束镜121反射后，耦合形成水平方向的一束空间光。此外，通过光纤耦合器122对若干个第二激光器112的光纤进行耦合，并耦合形成一根光纤，且耦合后的一根光纤经过准直器113后、再通过光合束镜121耦合，从而与耦合后的空间光进一步耦合形成一束发射光。

进一步地，由于若干个第一激光器111包括nox激光器和hc激光器，若干个第二激光器112包括co激光器和co2激光器。从而，若干种空间光包括适于检测nox的空间光以及适于检测hc的空间光；若干种光纤包括适于检测co的光纤以及适于检测co2的光纤。应当指出，本发明是通过不同波长的若干种激光，分别一一对应地检测机动车排放的尾气中的nox、hc、co以及co2的浓度，进而通过分析判断尾气中的不同种类的气体含量是否超标。而且，每种激光的波长与其对应检测的单一气体相匹配，从而能更准确、灵敏地检测每种待测气体在尾气中的相应浓度，不会受尾气中其它成分的影响。

进而，执行步骤s430，通过振镜扫描单元130的振镜对耦合形成的发射光进行反射形成第一反射光，由于振镜会不停地做高速往返直线运动，从而经振镜反射后形成的第一反射光投射在路面后，会在路面形成线形扫描区域160，且线形扫描区域160沿垂直于车道方向覆盖所有车道，从而能实现对所有车道的机动车进行尾气浓度的检测。

此外，在步骤s430之后，还进行步骤s440，通过路面上反射单元140中的反光板141对第一反射光进行回归反射，从而形成第二反射光。

最后，执行步骤s450，通过接收单元接收第二反射光，并对第二反射光进行分析计算，从而计算得出机动车尾气中的各种待测气体的浓度。具体地，接收单元包括探测器和广角透镜155，通过广角透镜155接收入射的第二反射光，且第二反射光经广角透镜155聚焦后再经过透镜组合整形，从而使第二反射光由线形光斑被整形为点状光斑，并聚焦到探测器上形成光信号，通过对光信号进行分析计算，能计算得出尾气中的各种待测气体的浓度。

a7、如a1-a6任一项所述的遥感监测系统，其中，所述振镜扫描单元包括振镜；所述发射光入射在所述振镜上，并经所述振镜反射形成所述第一反射光。a8、如a7所述的遥感监测系统，其中，所述发射光相对所述振镜的入射角度为45°。a9、如a2所述的遥感监测系统，其中，所述反射单元包括反光板，所述反光板为棱镜结构，以便对所述第一反射光进行回归反射。a10、如a2或a9所述的遥感监测系统，其中，所述接收单元包括：探测器；以及广角透镜，适于对所述第二反射光进行整形并聚焦到所述探测器形成光信号，以便对所述光信号进行分析计算，所述第二反射光由线形光斑整形为点状光斑。a11、如a9所述的遥感监测系统，其中，所述反光板的表面通过镀银形成有高反射膜。a12、如a1-a11任一项所述的遥感监测系统，其中，所述激光器为二极管激光器。

b17、如b15或b16所述的遥感监测方法，其中，所述若干种空间光包括适于检测nox的空间光以及适于检测hc的空间光；所述若干种光纤包括适于检测co的光纤以及适于检测co2的光纤。b18、如b14所述的遥感监测方法，其中，接收所述第二反射光包括：对所述第二反射光进行整形并聚焦形成光信号，以便对所述光信号进行分析计算，所述第二反射光由线形光斑整形为点状光斑。

本说明书的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等均应做广义理解。此外，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或单元必须具有特定的方向、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在本说明书的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下被实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。