专利名称:一种汽车排放物遥感检测系统及方法
技术领域:
本发明涉及遥感检测系统及方法,更具体地说,涉及一种汽车排放物遥感检测系 统及方法。
背景技术:
现有技术中存在一些计算(X)2百分比浓度的方法,例如Stedman等在美国专利 NO. 5498872中所公开的方法,以及Jack等在美国专利NO. 5831267中所公开的方法。他们 的方法相类似,因为他们都是基于化学计量燃烧方程和维持元素的原子平衡。他们化学计 量燃烧的假设是有缺陷的,因为当车辆未在化学计量的条件下操作时,其计算方法将出现错误。Stedman等和Jack等均假设尾气中(X)2百分比浓度是已知的且为常数,在他们的 方法中% CO2通过解化学计量燃烧方程获得。Stedman假设氢和碳在燃料和尾气中的比值 均为2 1。Jack假设氢和碳的比值在燃料中位1.85 1,在废气中的比值为2. 33 1。在美国专利NO. 5831267, Jack等提及另一种计算尾气的含量的方法,其使用遥感 检测到得大量的车辆所获得的平均的典型的二氧化碳浓度。尽管该方法使用大量的车辆 样本,其所产生的缺陷在于对所有的测试车辆,不管车辆的大小和引擎容量,仅仅得出单一 的、平均的CO2值。该缺陷导致两个不利因素(1)未考虑测试车辆的任何性质或参数,将该 相同的CO2百分比浓度值用于所有的测试主体,存在内在错误。⑵未考虑在遥感测试的过 程中,车辆的空燃比,相反,其对于所有车辆仅考虑化学计量(例如,最有效的空燃比混合 物)。这些方法假设引擎中的燃烧总是化学计量,例如总是最有效的空燃比。另外,该方法 还基于假设引擎总是以最有效的空燃比执行,其实并非如此。这些假设和错误将导致测量 错误。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的汽车排放物遥感检测尾气成分浓 度存在测量错误等缺陷,提供一种汽车排放物遥感检测系统及方法。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是构造一种汽车排放物遥感检测系 统,其包括辐射源,用于发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽,其中,所述多个 预定波长带宽分别与(X)2和CO相关;辐射探测单元,用于检测穿过汽车烟羽的所述多个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,以根据与CO尾气成分相关的预定波长和与(X)2相关的预定波长,计算CO尾气成分与(X)2 的信号读数比例值;所述处理单元包括用于根据CO与C02的信号读数比例值,计算CO2百分比浓度的模块。
在本发明所述的汽车排放物遥感检测系统中,所述用于根据CO与C02的信号读数 比例值,计算CO2百分比浓度的模块通过% C02 = cX(%C0/% C02)2+dX (%C0/% CO2)+e, 计算(X)2百分比浓度;其中-25彡c彡25,-25彡d彡25,-25彡e彡25。在本发明所述的汽车排放物遥感检测系统中,用于根据% (X)2 = cX (% CO/% C02)2+dX (% C0/% CO2)+e,计算(X)2百分比浓度的模块包括用于针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的COAD2的信号读数比例值,线性 拟合CO和(X)2线性对应关系的单元;用于根据CO和(X)2线性对应关系,非线性拟合C02%与(% CO/% CO2)之间的二次 多项式对应关系% CO2 = cX (% CO/% C02)2+dX (% C0/% CO2) +e 的单元;用于根据所述二次多项式对应关系和COAD2的信号读数比例值,计算(X)2百分比 浓度的单元。在本发明所述的汽车排放物遥感检测系统中,所述CO和(X)2线性对应关系为(X)2 =aX (CO) +b ;其中-25 ^ a ^ 25,-25 彡 b 彡 25。在本发明所述的汽车排放物遥感检测系统中,辐射源还用于发射与HC和NOx相关 的预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽;所述处理单元还分别根据与HC和NOx相关的 预定波长和与(X)2相关的预定波长,计算HC和NOx尾气成分分别与(X)2的信号读数比例值; 所述处理单元还包括用于根据CO2的百分比浓度,分别计算HC和NOx尾气成分的百分比浓 度的模块。根据本发明的另一个方面,提供一种汽车排放物遥感检测方法,其包括以下步 骤Sl 发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽,其中,所述多个预定波长 带宽分别与CO2和CO相关;S2 检测穿过汽车烟羽的所述多个预定波长带宽的光束;S3 分析和处理由辐射探测单元收集的数据,以根据与CO尾气成分相关的预定波 长和与(X)2相关的预定波长,计算CO尾气成分与(X)2的信号读数比例值;S4 根据CO与C02的信号读数比例值,计算CO2百分比浓度。在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中,在步骤S4中根据% CO2 = C X ( % CO/ % C02)2+dX ( % CO/ % CO2)+e,计算(X)2 百分比浓度;其 中-25彡c彡25,-25彡d彡25,-25彡e彡25。在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中,所述步骤S4包括以下步骤S41 针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的COAD2的信号读数比例值,线性 拟合CO和(X)2线性对应关系;S42 根据CO和CO2线性对应关系,非线性拟合CO2%与(% CO/% CO2)之间的二次 多项式对应关系% CO2 = cX (% C0/% C02)2+dX (% C0/% CO2) +e ;S43 根据所述二次多项式对应关系和C0/C02的信号读数比例值,计算CO2百分比 浓度。在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中,所述CO和(X)2线性对应关系为(X)2 =aX (CO) +b ;其中-25 ^ a ^ 25,-25 彡 b 彡 25。在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中,所述步骤Sl还包括发射与HC和NOx
5相关的预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽;所述步骤S3还包括分别根据与HC和NOx 相关的预定波长和与(X)2相关的预定波长,计算HC和NOx尾气成分分别与(X)2的信号读数 比例值; 所述汽车排放物遥感检测方法还包括S5 根据(X)2百分比浓度,分别计算HC和NOx 尾气成分百分比浓度。在本发明所述的汽车排放物遥感检测方法中,在所述步骤S5中,将CO2百分比浓 度与一种尾气成分和(X)2信号读数比例值相乘,计算该种尾气成分的百分比浓度。实施本发明的汽车排放物遥感检测系统及方法,具有以下有益效果无需通过求 解化学计量燃烧方程(stoichiometric combustion equation)以计算(X)2的浓度;无需假 设燃料或尾气中的氢碳含量;使用探测器测量的信号读数,生成正确的ω2浓度;在测量过 程中,无需假设车辆理想配比地操作(例如,以最优的空燃比);在遥感测量的实时,对每一 车辆,根据尾气烟羽计算ω2浓度。
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3是本发明汽车排放物遥感检测方法的流程图;图4是图3中步骤S4的具体流程图。
具体实施例方式符号表示% CO2表示(X)2的百分百浓度,% CO表示CO的百分百浓度。在本发明的技术方案中,遥感技术利用CO2和别的尾气成分(CO、HC和NOx)在尾 气中的分布和稀释度是类似的和成比例的,根据该概念,将别的尾气成分与(X)2的信号读数 比例值乘以尾气烟羽中CO2的百分比浓度,可得到尾气中别的尾气成分(CO、HC和NOx)的 浓度。其中,浓度读数的单位为百分比浓度(%)或百萬分比浓度(ppm)。遥感器测量排放 气体和生成信号读数比例值C0/C02、HC/C02、和N0x/C02,为了获得C02、C0、HC和NOx的浓度 值,需要将以上信号读数比例值转换成%或PPm浓度读数。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,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,该组预定波长带宽分别 与C02、CO、HC和NOx相关;该光束22经过汽车M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M的图像的图像捕捉单元观、可选择的 用于探测汽车M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、图像捕捉单元观和辐射探测单元25连接,以分析 和处理分别通过单元25、28、四收集到的数据,以分别根据与一种尾气成分相关的预定波长和与CO2相关的预定波长,计算该种尾气成分与CO2的信号读数比例值。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 eOOOOnm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的氙气灯。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CO2通道,以便将颗粒物质与CO2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(m-Ι)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。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。本发明汽车排放物遥感检测系统的创新点在于,处理单元包括用于根据% CO2 = CX (%C0/% C02)2+dX (%C0/% CO2)+e,计算CO2百分比浓度的模块;及用于根据CO2的百 分比浓度,分别计算每种尾气成分的百分比浓度的模块。其中,该二次多项式方程是针对一 特定的燃料类型(汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等等),基于CO和CO2之间预定的关 系得出。通过该二次多项式方程,基于在排放物检测的实时所获得的C0/C02的信号读数比 例值,计算每一车辆的CO2百分百浓度。其针对每一燃料类型所获得的CO-CO2相关函数是 无需假设燃料或尾气的氢碳含量的。对于各种不同的燃料,例如汽油、柴油、液化石油气、压 缩天然气等,C、d、e的取值范围如下_25彡C彡25,-25彡d彡25,-25彡e彡25。
在一优选实施例中,用于根据%CO2 = cX (% C0/% C02)2+dX (% C0/% CO2)+e, 计算CO2百分比浓度的模块包括用于针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的C0/C02的信号读数比例值,线性 拟合CO和CO2线性对应关系的单元;其中,由于具有现代内燃引擎操作的车辆,其在不同的 空燃比条件下所获得CO和CO2的关系为一高度连续且大体为线性关系。将该特点应用在以 不同燃料进行操作的引擎上(汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等等)时,且当引擎操作 在最有效的空燃比时,该引擎中所排放的CO2的含量最高。例如,对于汽油,其最有效的空 燃比通常为14. 7份的空气比1份的汽油,该比例为化学计量空燃比。相应地,当达到最有 效的空燃比,该引擎也操作在最佳效率及CO水平最低。可以理解的,当引擎操作在非最有 效的空燃比时,且空燃比值增加(例如,与理想的混合浓度相比,其具有更高的燃料含量), CO和CO2之间的关系将反向,此时也大体呈线性关系。当CO排放增加,CO2排放将降低,这 种关系即为通常的线性反函数。如果将内燃引擎在不同的操作条件(例如,使用底盘测功仪和气体分析设备所测 试获得的排放数据)下所获得的CO和CO2的排放数据,标注在卡笛尔坐标平面,该相反关系 可以用一线性关系表示,其中,CO的读数可以用于预测CO2的读数,反之亦然。这将需要一数 据映射过程去生成CO-CO2的线性关系函数。现有技术中,具有多种方法可以推断出CO-CO2 的关系。标准的方法是逐秒测量大量具有内燃引擎的车辆的排放数据,在测量过程中使用 实验室排放测试数据,其可逐秒生成浓度含量单位为%或? 111的排放数据。当测试大量的 车辆样本后,将获得宽范围操作条件和空燃比下,大量的CO和CO2的排放相关数据,从而可 推断出CO和CO2之间的线性相关函数。在具体设计过程中,对于同种燃料,其将在不同大 小和引擎容量的车辆上执行,以获得足够的样本数据。值得注意的,该方法是用于计算出CO-CO2的相关函数。其不是得到一单一的或一 组固定的、平均的CO2的值,以根据信号读数,计算排放气体的百分比浓度。接着,通过将CO的浓度比C02的浓度,而获得C0/C02的相关函数。该分析方法将 产生CO连续范围内的一倾斜的或相关的CO比C02的关系函数,由此,可根据CO的含量,计 算C02的含量。再通过最小二乘回归分析,对CO和C02进行线性拟合,从而得出排放CO和 C02线性对应关系,其可以是C02 = aX (C0)+b。对于各种不同的燃料,例如汽油、柴油、液 化石油气、压缩天然气等,a、b的取值范围如下_25彡a彡25,-25彡b彡25。用于根据CO和C02线性对应关系,非线性拟合C02%与(% CO/% C02)之间的二 次多项式对应关系% C02 = cX (% CO/% C02)2+dX (% C0/% C02)+e的单元;其中,由于 遥感设备所检测出的尾气成分数据是信号读数比例值C0/C02、HC/C02、和N0X/C02,因此 需要将以上简单的线性对应关系转换成非线性二次多项式。在测量过程中,获得大量的CO/ C02的信号读数比例值,根据CO和C02线性对应关系计算出% C0/% C02和% C02,再通 过非线性回归分析,获得二次多项式对应关系% C02 = cX (% CO/% C02)2+dX (% CO/% C02)+e。用于根据所述二次多项式对应关系和C0/C02的信号读数比例值,计算CO2百分比 浓度的单元。如图3和4所示,在具体测量时,该汽车排放物遥感检测方法,包括以下步骤
Sl 发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽,其中,所述多个预定波长 带宽分别与CO2, CO、HC和NOx相关;S2 检测穿过汽车烟羽的所述一组预定波长带宽的光束;S4 分析和处理由辐射探测单元收集的数据,以分别根据与一种尾气成分相关的 预定波长和与CO2相关的预定波长,计算该种尾气成分与CO2的信号读数比例值;S5 根据% CO2 = cX (% CO/% C02)2+dX (% C0/% CO2)+e,计算 CO2 百分比浓度; 对于各种不同的燃料,例如汽油、柴油、液化石油气、压缩天然气等,c、d、e的取值范围如 下_25 ≤ c ≤ 25,-25 ≤ d ≤ 255,-25 ≤ e ≤ 255 ;S6 根据CO2百分比浓度,分别计算每种尾气成分百分比浓度,其中,将CO2百分比 浓度与一种尾气成分和CO2信号读数比例值相乘,计算该种尾气成分的百分比浓度。具体地,步骤S4包括以下步骤S41 针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的C0/C02的信号读数比例值,线性 拟合CO和CO2线性对应关系;S42 根据CO和CO2线性对应关系,非线性拟合CO2%与(% CO/% CO2)之间的二次 多项式对应关系% CO2 = cX (% C0/% C02)2+dX (% C0/% CO2) +e ;S43 根据所述二次多项式对应关系和C0/C02的信号读数比例值,计算CO2百分比 浓度。该方法独立于燃料的氢_碳比例值,因此无需假设燃料和尾气的H: C含量,及别的 相应的假设,以计算CO2的浓度。该方法可用于各种空燃比,而不会出现由于假设车辆操作 在最有效的空燃比下而带来的错误。所以,其生成的遥感路面排放检测数据比各种依靠理 论假设所获得数据更精确,其能更好地表示现代车辆的排放条件。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。
权利要求
1.一种汽车排放物遥感检测系统,包括辐射源,用于发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽,其中,所述多个预定 波长带宽分别与CO2和CO相关;辐射探测单元,用于检测穿过汽车烟羽的所述多个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,以 根据与CO尾气成分相关的预定波长和与(X)2相关的预定波长,计算CO尾气成分与(X)2的信 号读数比例值; 其特征在于 所述处理单元包括用于根据CO与C02的信号读数比例值计算(X)2百分比浓度的模块。
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,所述用于根据CO与 C02的信号读数比例值计算CO2百分比浓度的模块通过% CO2 = CX (% CO/% C02)2+dX (% CO/% CO2)+e,计算(X)2百分比浓度;其中-25≤C≤25,-25≤d≤25,-25≤e≤25。
3.根据权利要求1或2所述的汽车排放物遥感检测系统,其特征在于,用于根据%CO2 =cX (% C0/% C02)2+dX (% C0/% CO2)+e,计算CO2百分比浓度的模块包括用于针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的COAD2的信号读数比例值,线性拟合 CO和(X)2线性对应关系的单元;用于根据CO和CO2线性对应关系,非线性拟合CO2%与(% CO/% CO2)之间的二次多项 式对应关系% CO2 = cX (% CO/% C02)2+dX (% C0/% CO2) +e 的单元;用于根据所述二次多项式对应关系和COAD2的信号读数比例值,计算(X)2百分比浓度 的单元。
4.根据权利要求1或2所述的汽车排放物遥感检测系统,其特征在于,所述CO和CO2 线性对应关系为(X)2 = aX (CO) +b ;其中-25彡a彡25,-25彡b彡25。
5.根据权利要求1或2所述的汽车排放物遥感检测系统,其特征在于,辐射源还用于发 射与HC和NOx相关的预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽;所述处理单元还分别根据 与HC和NOx相关的预定波长和与(X)2相关的预定波长,计算HC和NOx尾气成分分别与CO2 的信号读数比例值;所述处理单元还包括用于根据CO2的百分比浓度,分别计算HC和叫尾 气成分的百分比浓度的模块。
6.一种汽车排放物遥感检测方法,包括以下步骤S1发射多个预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽,其中,所述多个预定波长带宽 分别与(X)2和CO相关;S2检测穿过汽车烟羽的所述多个预定波长带宽的光束;S3分析和处理由辐射探测单元收集的数据,以根据与CO尾气成分相关的预定波长和 与(X)2相关的预定波长,计算CO尾气成分与(X)2的信号读数比例值;其特征在于 还包括以下步骤S4根据CO与C02的信号读数比例值,计算(X)2百分比浓度。
7.根据权利要求6所述的汽车排放物遥感检测方法,其特征在于,在步骤S4中 根据 % CO2 = cX ( % CO/ % C02)2+dX ( % CO/ % CO2)+e,计算(X)2 百分比浓度;其中-25彡c彡25,-25彡d彡25,-25彡e彡25。
8.根据权利要求6或7所述的汽车排放物遥感检测方法,其特征在于,所述步骤S4包 括以下步骤541针对一特定燃料类型在不同空燃比条件下的0)/0)2的信号读数比例值,线性拟合 CO和(X)2线性对应关系;542根据CO和CO2线性对应关系,非线性拟合CO2%与(% CO/% CO2)之间的二次多项 式对应关系% CO2 = cX (% CO/% C02)2+dX (% C0/% CO2) +e ;543根据所述二次多项式对应关系和C0/C02的信号读数比例值,计算CO2百分比浓度。
9.根据权利要求6或7所述的汽车排放物遥感检测方法,其特征在于,所述CO和CO2 线性对应关系为(X)2 = aX (CO) +b ;其中-25彡a彡25,-25彡b彡25。
10.根据权利要求6或7所述的汽车排放物遥感检测方法,其特征在于,所述步骤Sl还 包括发射与HC和NOx相关的预定波长带宽的光束以穿过汽车尾气烟羽;所述步骤S3还包 括分别根据与HC和NOx相关的预定波长和与(X)2相关的预定波长,计算HC和NOx尾气成分 分别与(X)2的信号读数比例值;所述汽车排放物遥感检测方法还包括S5 根据CO2百分比浓度,分别计算HC和NOx尾 气成分百分比浓度。
11.根据权利要求10所述的汽车排放物遥感检测方法,其特征在于,在所述步骤S5中, 将(X)2百分比浓度与一种尾气成分和(X)2信号读数比例值相乘,计算该种尾气成分的百分比 浓度。
全文摘要
本发明涉及一种汽车排放物遥感检测系统及方法,该系统其包括辐射源、辐射探测单元和处理单元,所述处理单元包括用于根据%CO2=c×(%CO/%CO2)2+d×(%CO/%CO2)+e,计算CO2百分比浓度的模块;用于根据CO2的百分比浓度,分别计算每种尾气成分的百分比浓度的模块。实施本发明的汽车排放物遥感检测系统及方法无需通过求解化学计量燃烧方程以计算CO2的浓度;无需假设燃料或尾气中的氢碳含量;使用探测器测量的信号读数,生成正确的CO2浓度;在测量过程中,无需假设车辆理想配比地操作(例如,以最优的空燃比);在遥感测量的实时,对每一车辆,根据尾气烟羽计算CO2浓度。
文档编号G01N21/25GK102116735SQ201010003290
公开日2011年7月6日 申请日期2010年1月6日 优先权日2010年1月6日
发明者陆伟明 申请人:天际科技有限公司