CN109238987A - 一种多光谱汽车尾气监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光谱汽车尾气监测装置，包括多光谱检测单元、环境采集单元、车辆信息单元和主控单元；多光谱检测系统生成汽车尾气的红外光谱和紫外光谱；红外激光器、紫外激光器、红外光谱探测器、紫外光谱探测器、光谱分析模块、环境采集单元、摄像机、速度检测模块以及加速度检测模块分别与主控单元连接。本发明由红外紫外激光向检测路面发出激光，并由相应的多波段探测器进行成像，形成多光谱图像，通过分析光谱的数据，得到路面汽车的尾气排放数据。同时通过图像识别技术，识别对应的车牌号码，将车牌号码和尾气排放的数据对应，从而完成多辆汽车的尾气自动检测。
Description
技术领域
本发明涉及汽车尾气监测设备，具体涉及到一种多光谱汽车尾气监测装置。
背景技术
随着机动车保有量逐年增加，机动车尾气排放对大气环境的影响越来越严重，机动车尾气污染已经成为影响城市空气质量的重要因素。为应对这一状况，国家先后出台了多个相关标准，对机动车尾气排放限值做出明确要求，对那些尾气排放不达标的车辆不允许其上路行驶。为对机动车尾气排放做出科学、准确的检测，严格控制机动车尾气排放，进一步加大机动车污染治理力度，必须加强对在用机动车排气污染的检测。
目前主要的汽车尾气检测方法分为三种：固定检测法、移动检测法以及遥感检测法。固定检测法通过收集汽车尾气，然后采用气体成分分析设备进行检测，虽然能够达到很高的检测精度，但由于设备体积庞大，检测流程复杂，局限性很大，现在很少再使用。
移动检测法通过将检测设备安装到待检测车辆上，克服了设备体积庞大这一缺陷，具有一定的进步性，但其仍然无法实现快速安装，实时监测，而且每台车辆都安装检测设备不具有可行性。
近年来出现的遥感检测法，通过测量尾气对红外紫外波段的透射率分析其组成成分，具有非接触实时性的特点，得到了广泛应用，但是其要求激光发射接收装置与汽车排气位置相对固定，对于大量车流的检测仍然具有局限性。
在用车辆主要包括汽油车和柴油车，汽油车和柴油车的检测标准和方式不相同，汽油车的数量相对柴油车较大，汽油车的检测标准是通过检测其尾气排放量来进行测量，柴油机主要通过测量尾气的不透光度，也称之为不透光率或者烟度等。
现有技术中为了能够实现同时检测，也通过检测汽油机的尾气的透光率来实现汽油机的尾气含量检测，这样有利于与柴油机实现同样的检测方式。然而这种方式检测汽油机，使得检测效果受环境的影响较大，是由于汽车排放的尾气在不同温度、气压、风速和降雨量的情况下扩散程度不相同，使得检测结果和环境之间的关联较大。
发明内容
本发明的目的是提供一种多光谱汽车尾气监测装置。
为达上述目的，本发明的一个实施例中提供了一种多光谱汽车尾气监测装置，包括
多光谱检测单元；多光谱检测单元包括红外激光器、紫外激光器、红外光谱探测器、紫外光谱探测器以及光谱分析模块；多光谱检测系统用于向车道路面发射红外和紫外激光信号，生成汽车尾气的红外光谱和紫外光谱；
环境采集单元；用于采集环境中温度、风速、PM值以及雨量的信息参数；
车辆信息单元；包括摄像机、速度检测模块、加速度检测模块；分别用于获取车辆的图像、速度和加速度；摄像机通过云台安装；
主控单元；包括光谱分析模块和图像分析模块；光谱分析模块用于对红外光谱和紫外光谱进行解析，获取车辆排放尾气污染物碳氧化合物、氮氧化合物以及碳氢化合物的参数信息；图像分析模块用于从车辆的图像中获取车牌号码；
红外激光器、紫外激光器、红外光谱探测器、紫外光谱探测器、光谱分析模块、环境采集单元、摄像机、速度检测模块以及加速度检测模块分别与主控单元连接。
本发明优选的实施方案之一，多光谱检测单元还包括反射带。
本发明优选的实施方案之一，车辆信息单元还配置有光源模块，光源模块设置在摄像机周边用于为摄像机提供光源。
本发明优选的实施方案之一，摄像机安装在道路上方，摄像机与视频处理器连接，视频处理器将处理的信号发送至主控单元。
本发明优选的实施方案之一，主控单元还配置有通信模块，通信模块用于与车辆监测平台实现通信连接。
本发明优选的实施方案之一，多光谱汽车尾气监测装置还包括不透光检测单元；不透光检测单元包括分别设置在道路两侧的红外发射器和红外接收器；红外发射器和红外接收器与分控处理器连接，分控处理器与主控单元连接。
本发明优选的实施方案之一，主控单元首先控制摄像机对车辆的图像进行采集，根据图像获取车牌号码后，通过通信模块向车辆监测平台发送查询请求，并接受车辆监测平台反馈的包括车辆类型的车辆信息；并判断车辆类型属于柴油机或者汽油机；当车辆类型判定为汽油机的情况时，主控中心控制多光谱检测单元检测车辆尾气排放；当车辆类型判定为柴油机时，主控中心控制不透光检测单元检测柴油机尾气的不透光度。
本发明优选的实施方案之一，主控单元判断采集的车辆尾气的参数信息是否超标，若超标后将该参数信息与获取的车牌号码进行绑定，并向车辆监测平台发送包括尾气参数信息和车牌号码的超标信息。
本发明优选的实施方案之一，车辆监测平台接收到超标信息后，将该超标信息存储；并检索超标信息中的车牌号码在倒推时间t内是否有超标信息；当检索到在倒推时间t内有超标信息时，记录为一次违法信息，并向车牌号码关联的用户发送短信提示。
综上所述，本发明具有以下优点：
1、本发明由红外紫外激光向检测路面发出激光，并由相应的多波段探测器进行成像，形成多光谱图像，通过分析光谱的数据，得到路面汽车的尾气排放数据。
2、通过图像识别技术，识别对应的车牌号码，将车牌号码和尾气排放的数据对应，从而完成多辆汽车的尾气自动检测；而且本发明在自动鉴别尾气的同时，还可以进行测速、违章等的监测，具有高度集成性，极大提升了现有交通监控设备的效率。
附图说明
图1是本发明的原理框图。
具体实施方式
一种多光谱汽车尾气监测装置，包括多光谱检测单元、环境采集单元、车辆信息单元和主控单元。
多光谱检测单元包括红外激光器、紫外激光器、红外光谱探测器、紫外光谱探测器以及光谱分析模块；多光谱检测系统用于向车道路面发射红外和紫外激光信号，生成汽车尾气的红外光谱和紫外光谱。
多光谱检测单元生成的两个光谱发送至光谱分析模块进行分析处理，分析模块能够从光谱中解析出汽车尾气中的参数。
环境采集单元；用于采集环境中温度、风速、PM值以及雨量的信息参数。雨量的信息参数是测量时的实时雨量，可以通过雨量传感器获得雨量的参数。
车辆信息单元；包括摄像机、速度检测模块、加速度检测模块；分别用于获取车辆的图像、速度和加速度；摄像机通过云台安装，云台可以安装在龙门架上，设置在道路的正上方，龙门架也可以便于安装速度检测模块、加速度检测模块等。
主控单元包括光谱分析模块和图像分析模块；光谱分析模块用于对红外光谱和紫外光谱进行解析，获取车辆排放尾气污染物碳氧化合物、氮氧化合物以及碳氢化合物的参数信息；图像分析模块用于从车辆的图像中获取车牌号码。
红外激光器、紫外激光器、红外光谱探测器、紫外光谱探测器、光谱分析模块、环境采集单元、摄像机、速度检测模块以及加速度检测模块分别与主控单元连接。主控单元能够获取设备或者模块采集到的信息，并能够控制上述模块在需要的时候进行采集动作或者发出相应的指令。
本发明的多光谱检测单元可以将红外激光器和紫外激光器安装在一个龙门架上，红外光谱探测器和紫外光谱探测器安装在另一个龙门架上。激光器发射的信号经过地面反射或者气体漫反射后进入到探测器的接收范围内。也可以将激光器安装在道路的一侧，探测器安装在另一侧。
本发明的优化实施例中，为了能够增强光谱的反射信号强度，多光谱检测单元还包括反射带，反射带布置在检测区域的道路上。
本发明的优化实施例中，车辆信息单元还配置有光源模块，光源模块设置在摄像机周边用于为摄像机提供光源，可以在夜间执行清晰的摄像拍照。
本发明的优化实施例中，摄像机安装在道路上方，摄像机与视频处理器连接，视频处理器将处理的信号发送至主控单元，视频处理器能够获取截图，截图后的图像进入到中控单元的图像分析单元进行处理，进而获得车牌号码。
本发明的优化实施例中，主控单元还配置有通信模块，通信模块用于与车辆监测平台实现通信连接。
本发明的优化实施例中，多光谱汽车尾气监测装置还包括不透光检测单元；不透光检测单元包括分别设置在道路两侧的红外发射器和红外接收器；红外发射器和红外接收器与分控处理器连接，分控处理器与主控单元连接。
根据Lambert-Beer定律，不透光度N=（1-I/IO）×100%；其中I为出射光强度，IO为入射光强度。本发明的红外发射器的入射光强度是预设的，因此能够直接根据预设值得到IO的数值，出射光强度I是红外接收器接收到的光强度。本公式计算得到的不透光度N实际上是在环境作用下、烟羽形态已经发生变化后的不透光度。因为Lambert-Beer的实验条件是在密闭环境下，吸收物质的形态、浓度、质量都不发生变化的情况下进行检测的，本发明检测到的数据实际上是在风速、雨量等作用下气体扩散后的不透光数据，这与汽车尾气在怠速法或者简易工况法测得的数据肯定是有偏差的。例如，简易工况法是将传感器设置在排气管内部的进行测量的，设在排气管内部使得不会受到环境中风速等影响，即气体不会发生快速的扩散现象，浓度不会降低。
从Lambert-Beer定律得知，气体扩散后浓度降低，会使得吸收系数降低，本发明的不透光度N值计算的结果肯定是偏低的。因此，当本发明检测的气体因为扩散会导致检测数据偏低，这样容易让一些本身超标车辆逃避处罚。
从实际情况来看，车辆速度越快、风速越大、气温越高扩散速度更快，测量数据偏小；雨量越大时会使得检测过程中雨水对光有一部分吸收，会使得测量数据偏大；气压越大分子扩散慢，检测数据偏大，但是实际影响较小，因此不考虑气压带来的影响。因此，本发明车辆实际的不透光度M=1/6*K1*K2*N；其中K1和K2为在外界因素影响下的校准系数。本发明人根据大量实验得知校准系数K1与车速V1（米每秒）、风速V2、气温T成正相关；即车速V1、风速V2、气温T越大，K1值越高，且大于1；与降雨量P成反相关；即降雨量（毫米/平方米）越大，K2值越低，且为0~1之间。
即校准系数；
校准系数。由于校准系数的单位不统一，校准系数的取值以绝对值为准，不含有单位，即校准系数的计算过程中各个参数计算时不计算单位，只计算数值。
对比试验：
在实验室进行实验，在不同时间选取具有不同温度、风速和降雨量进行测试。风速可以通过风机控制，温度可以通过空调控制，降雨量使用喷淋装置控制。
测试1：收集部分汽车尾气，将汽车尾气装入气囊内。将气囊绑定在直线导轨上，让气囊能够随导轨做直线运动。测试开始时，直线导轨以一定速度运行，让气囊内的气体受压从气囊中排出。本发明的不透光检测单元设置在导轨两侧，对经过的气囊排出的气体进行检测。计算公式：M=1/6*K1*K2*N ；N=（1-I/IO）×100%。N为测试1中检测单元测量的不透光度的参数。
测试2：将不透光度检测单元的发生器和接收器设置在密闭的容器中，密闭环境中填充有收集的汽车尾气，然后对密闭容器中的尾气进行检测，测试2中不开启风机、空调保持25℃，汽车尾气静止，不进行降雨。检测参数和数据如下表1。表1中的V1/V2、气温、降雨量参数均为测试1中使用的参数，与测试2无关。计算公式为：N=（1-I/IO）×100%。N为测试2中检测单元测量的不透光数据。
两组测试采用同样的汽车尾气，在进行同一类测试试，使用同样的温度、气压、人工降雨量等，其中V1为直线导轨速度，V2为风机开启后测试得到的导轨附近的风速，单位均为m/s，降雨量单位为毫米每平方米每天。
表1：测试1检测数据
| 实验组 | V1 | V2 | 气温 | 降雨量 | K1 | K2 | 1/6*K<sub>1</sub>*K<sub>2</sub> |
| 1 | 5 | 1 | 5 | 2 | 7.38 | 0.87 | 1.07 |
| 2 | 10 | 2 | 5 | 5 | 7.658 | 0.799 | 1.02 |
| 3 | 12 | 3 | 10 | 5 | 7.85 | 0.799 | 1.04 |
| 4 | 20 | 6 | 25 | 15 | 8.357 | 0.702 | 0.975 |
| 5 | 30 | 6 | 30 | 20 | 8.382 | 0.681 | 0.945 |
其中C=1/6*K1*K2可以理解为C为检测单元在露天环境中进行检测时，受到环境影响下的总体的校准系数。从表1中可以看出，C与降雨量和风速以及车速的相关度较大，与温度相关度较低。
表2：测试1和测试2的测试结果
| 实验组 | 测试1 | 测试2 |
| 1 | 1.78 | 1.69 |
| 2 | 1.94 | 2.03 |
| 3 | 1.23 | 1.26 |
| 4 | 1.46 | 1.54 |
| 5 | 1.16 | 1.21 |
从表1和2可以看出，实验组1~实验组5的每组测试中，测试1和测试2的测试结果有一定偏差，但是较小。测试2是在理想环境中进行的测试，没有受到环境的影响，因此其结果是准确的。测试1是在其他环境影响的情况下进行测试的。
从表2中可以看出，测试1和测试2的数据较为接近，说明测试1加入校准系数后能够与测试1的准确数据较为接近，提高了实际测试的数据的可靠性。测试1的校准系数可以通过表1中的参数进行计算，经过校准系数的加入后能够显著提高准确性。因此测试1的数据与测试2的数据非常接近，说明经过校准后能够提高检测值与实际值的吻合度，能够让检测更加接近。
本发明的优化实施例中，主控单元首先控制摄像机对车辆的图像进行采集，根据图像获取车牌号码后，通过通信模块向车辆监测平台发送查询请求，并接受车辆监测平台反馈的包括车辆类型的车辆信息；并判断车辆类型属于柴油机或者汽油机；当车辆类型判定为汽油机的情况时，主控中心控制多光谱检测单元检测车辆尾气排放；当车辆类型判定为柴油机时，主控中心控制不透光检测单元检测柴油机尾气的不透光度。
本发明的该实施例是为了能够根据车辆的类型进行监测。车辆监测平台含有所有注册车辆的信息，包括车牌号码、所有人、车辆在用时间、排量以及燃油型号，能够准确得知车辆属于汽油车还是柴油车。车辆监测平台可以为现有的车管所管理的交通管理平台；或者其他交管所管理的具有车辆信息的平台。
当车辆判定为汽油车时，需要通过对氮氧化物等污染物浓度的监测，这些污染物可以通过光谱进行检测。同样的，当车辆定为柴油车时，能够通过不透光度的监测来实现尾气污染监测，这些污染物可以通过不透光度或者透光率、透射率来进行检测。
本发明的优化实施例中，主控单元判断采集的车辆尾气的参数信息是否超标，若超标后将该参数信息与获取的车牌号码进行绑定，并向车辆监测平台发送包括尾气参数信息和车牌号码的超标信息。 车辆监测平台接收到超标信息后，将该超标信息存储；并检索超标信息中的车牌号码在倒推时间t内是否有超标信息；当检索到在倒推时间t内有超标信息时，记录为一次违法信息，并向车牌号码关联的用户发送短信提示。
根据相关法规，如果通过遥感设备检测到的数据来判定是否超标，需要在连续六个月内有一次检测被判定为超标，才能够被确定车辆属于违法超标。即如果六个月以内只有一次则不会被判定违法超标。
本实施例是针对上述规定进行设计的，当本次主控单元采集的车辆尾气的参数信息属于超标信息后，将其绑定后发送给车辆监测平台，车辆监测平台存储有所有车辆超标的信息。根据这个信息车辆监测平台可以以车牌号码进行检索，进而能够得知本次监测时间以前，即倒推时间内是否还有违法信息。当检测到还有其他的违法超标信息存在，则符合法规的判定要求，可以确定为违法超标。
Claims (9)
1.一种多光谱汽车尾气监测装置，其特征在于：包括
多光谱检测单元；
多光谱检测单元包括红外激光器、紫外激光器、红外光谱探测器、紫外光谱探测器以及光谱分析模块；多光谱检测系统用于向车道路面发射红外和紫外激光信号，生成汽车尾气的红外光谱和紫外光谱；
环境采集单元；用于采集环境中温度、风速、PM值以及雨量的信息参数；
车辆信息单元；包括摄像机、速度检测模块、加速度检测模块；分别用于获取车辆的图像、速度和加速度；所述摄像机通过云台安装；
主控单元；包括光谱分析模块和图像分析模块；光谱分析模块用于对红外光谱和紫外光谱进行解析，获取车辆排放尾气污染物碳氧化合物、氮氧化合物以及碳氢化合物的参数信息；图像分析模块用于从车辆的图像中获取车牌号码；
所述红外激光器、紫外激光器、红外光谱探测器、紫外光谱探测器、光谱分析模块、环境采集单元、摄像机、速度检测模块以及加速度检测模块分别与主控单元连接。
2.如权利要求1所述的多光谱汽车尾气监测装置，其特征在于：所述多光谱检测单元还包括反射带。
3.如权利要求1所述的多光谱汽车尾气监测装置，其特征在于：所述车辆信息单元还配置有光源模块，所述光源模块设置在摄像机周边用于为摄像机提供光源。
4.如权利要求1所述的多光谱汽车尾气监测装置，其特征在于：所述摄像机安装在道路上方，摄像机与视频处理器连接，视频处理器将处理的信号发送至主控单元。
5.如权利要求1所述的多光谱汽车尾气监测装置，其特征在于：所述主控单元还配置有通信模块，所述通信模块用于与车辆监测平台实现通信连接。
6.如权利要求1所述的多光谱汽车尾气监测装置，其特征在于：所述多光谱汽车尾气监测装置还包括不透光检测单元；所述不透光检测单元包括分别设置在道路两侧的红外发射器和红外接收器；所述红外发射器和红外接收器与分控处理器连接，分控处理器与主控单元连接。
7.如权利要求1所述的多光谱汽车尾气监测装置，其特征在于：所述主控单元首先控制摄像机对车辆的图像进行采集，根据图像获取车牌号码后，通过通信模块向车辆监测平台发送查询请求，并接受车辆监测平台反馈的包括车辆类型的车辆信息；并判断车辆类型属于柴油机或者汽油机；当车辆类型判定为汽油机的情况时，主控中心控制多光谱检测单元检测车辆尾气排放；当车辆类型判定为柴油机时，主控中心控制不透光检测单元检测柴油机尾气的不透光度。
8.如权利要求1所述的多光谱汽车尾气监测装置，其特征在于：所述主控单元判断采集的车辆尾气的参数信息是否超标，若超标后将该参数信息与获取的车牌号码进行绑定，并向车辆监测平台发送包括尾气参数信息和车牌号码的超标信息。
9.如权利要求8所述的多光谱汽车尾气监测装置，其特征在于：所述车辆监测平台接收到超标信息后，将该超标信息存储；并检索超标信息中的车牌号码在倒推时间t内是否有超标信息；当检索到在倒推时间t内有超标信息时，记录为一次违法信息，并向车牌号码关联的用户发送短信提示。
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