专利名称：利用远程感测量化气团的装置和方法
技术领域：
本发明涉及远程感测排放物。更具体地说，本发明涉及采用远程获取的气团的红外影像和紫外影像、利用光学质量来量化气团成分的绝对量的装置和方法。
背景技术：
众所周知，车辆排放物是大气污染的主要源头。为了找出释放大量污染排放物的车辆，很多国家强制进行年度车辆排放物检查。为了这个目的，已经研发出了很多车辆排放物检查系统。通常，这些系统可能很昂贵，而且它们的操作可能需要大量的劳力和技术人员。另外，一直以来都是在感测站中运行排放物检查系统，当待感测车辆挂空挡时或在人工负载条件下运行时测量排放物。尽管这种测量值提供了关于车辆排放物和维修状态的大致底线信息，但是它不能必要的代表“真实世界”的驾驶情况。最近，已经研发出远程排放物感测系统，用来在车辆驾驶在路上时感测它们的排放物。例如，发明人为Stedman等的美国专利5319199和5498872公开了一种远程感测系统，其中，如图11 (a)所示，光源1110和探测器1130分别相对地设置在道路1101的两边。在这种排布下，光源1110发出的光束1115穿过驾驶在道路1101上的车辆1105排放出的废气团1140，从而携带关于废气团1140的成分和浓度的吸收信号。探测器1130汇聚光束1115，分析废气团1140的成分和浓度。可选地，如图11 (b)所示，光源1110和探测器1130都设置在道路1101的同侧。而且，设置在道路1101另一侧的两个反射器1150用来将光源1110产生的光束1115通过两条穿过废气团1140的路径反射给探测器1130，以增强吸收信号。该系统只能测量部分气团，且必须将二氧化碳测量值与所有其它污染物求比，以获得相对值。它不能测量剩下的量或绝对值。
但是，这种远程排放物感测系统中，光源、探测器和反射器都设置在道路的两侧，在它们的安装和维护期间，需要花费很多精力。另外，该系统在多于一条车道的情况下很难操作，尤其当不只一辆车同时通过探测器时。换句话说，若很多车辆出现在感测位置，每辆车的废气团都同样地对排放物的测量做出贡献。因此，在单车道上，例如入口和出口斜坡，现有的远程感测系统不能同时探测多个废气团。另外，对于现有的远程感测系统，其测量的精确度也依赖于穿过道路的光束的位置，因为车辆的一个或多个废气管道的位置根据车辆的不同而不同。测量的排放物的精确度将根据光束是否处于、或低于、或高于尾气管道的高度而不同，因为在进行探测前，废气可能会随时间而被稀释。在这种排布下，还可能遗漏整个废气团。基本上，现有的远程排放物感测的主要缺点在于，由于它只能测量部分废气团，因此只能确定废气的组成气体和它们的相对浓度。该结果只能说明车辆是否需要维修，现有系统不能测量排放物成分的绝对量。测量成分的绝对量很重要，因为过量将导致严重的大气污染。因此，很多国家立法限制排放物中允许的气体污染物的量。实际上，国家和联邦车辆排放物标准和控制要求以“克/每英里”来规定。利用现有系统，必须通过确定车辆行为和模型，且假设车辆的油量是否充足、车辆上的负载等，来从报告的比值中推理出这个值。气体排放物的量化影像技术已经申请了专利。例如，美国专利5319199描述了一种复杂的系统，使用气体自排放辐射和充气单元。但是，该方法的复杂程度是不必要的，且成本过高。因此，本领域中存在在此以前未解决的需要，以解决前述缺陷和不足。
发明内容
本发明的目的在于，利用气团的红外和/或紫外图像来测量废气团中成分的绝对值。通过测量图像中各种像素的百分比之和及它们的投射面积，可以计算气团中成分的总量。一方面，本发明涉及一种量化气团成分的绝对量的装置。在一个实施例中，该装置包括光源，用于发出光束且将发射的光通过气团传输到一面上，该面将传输的光散射并反射；探测器，用于拍摄气团的影像，其中所拍摄的影像包含从所述面散射和反射的光的吸收信息；以及处理器，用于处理所拍摄的影像，以确定可视的气团中至少一种成分的绝对量。所述处理器配置用于执行步骤沿着穿过气团的截面从所拍摄的影像中选择多个像素，每个像素分别具有像素面积；表示从所拍摄影像中选择的每个像素的光的吸收率;根据所表示的像素的吸收率计算每个像素的光学质量；将像素的光学质量和相应的投射像素面积相乘，以获得像素中的分子数；将每个像素的分子数相加，以获取可视气团中的分子总数。在一个实施例中，比尔定律决定每个像素的光学质量μ μ = -1n (Ι/Ι0) / κ (v)其中，(I/I0)与吸收率相关，K (V)是单色吸收系数。光探测和测距(Light detection and ranging, LIDAR)是范围很广的词语，包括散射、突光性、吸收以及微分吸收和散射(differential absorption and scattering,DAS)。微分吸收 LIDAR (Differential Absorption LIDAR, DIAL)是测量大气层中气体柱丰度的常用技术。该方法使用两种不同波长的光来进行测量。一种波长的中心在目标气体的吸收特征点，第二种波长接近第一种波长但是远离吸收特征点。比较两种不同的吸收，就可以利用DIAL等式计算出柱丰度。意外地，探测车辆废气允许利用DIAL等式且只使用一种波长。在车辆即将到达前利用第一种波长进行测量，取代第二种波长。在一个实施例中，光源包括黑体光源，例如卤素灯泡或“辉光杆”气体点火器。相应地，该装置还具有发射光准直或传播光学仪器，将光通过气团传播到面上。准直或传播光学仪器包括相对光源设置的第一凹面镜和第二凹面镜，使得第一凹面镜接收光源发出的光束并将接收光反射到第二凹面镜上，第二凹面镜反过来将反射光准直或传播，并将光通过气团传播到车道的面上。第一凹面镜和第二凹面镜限定了其间的焦点，且斩波器置于焦点上。在另一实施例中，光源包括一个或多个窄带光源，例如LED设备或滤波宽带光源。在又一实施例中，光源包括一个或多个附着的光源或激光。在又一实施例中，光源是自然太阳光。只要拍摄了整个气团及其“影子”，光都二次穿过(double pass)所有分子。利用二次穿过获取方法，可以获得气团中目标分子的总量。另外，可以调整光源，使能测量穿过高温废气传播的光，因为高温废气自身相对较冷的环境发射红外光。当斩波器阻挡或关闭活跃的光源时，对废气的排放进行测量。然后，当没有阻挡或打开活跃的光源来获取高温废气的发射时，可以从测量中扣除废气团的排放。还可以使用其它熟知的调制/解调技术。可选地，可以使用调制光源，例如LED和激光，来实现同样的效果。反射面可以是道路本身或一些形式的反光材料。在一个实施例中，探测器包括具有窄带通滤波器的红外相机和/或紫外相机中的至少一个，其中，滤波器吸收特定气体的吸收频带。在另一实施例中，探测器包括能够拍摄气团和面的影像的探测器阵列。在又一实施例中，探测器包括多个光敏器件，每个光敏器件生成表示接收光的电信号，其中电信号表示被气团接收的光的吸收情况。在一个实施例中，探测器包括分光计、焦点平面阵列、线性阵列、单个单元或其任意组合。在另一实施例中，探测器包括能够拍摄气团和面的影像的探测器阵列。在一个实施例中，光源包括卤素灯光源。相应地，该装置还具有准直光学仪器，用于准直发射的光，并将被准直后的光穿过气团传播到面上。准直光学仪器包括相对光源设置的第一凹面镜和第二凹面镜，使得第一凹面镜接收光源发出的光束并将接收光反射到第二凹面镜上，第二凹面镜反过来将反射光准直，并使光穿过气团传播到车道的面上。第一凹面镜和第二凹面镜限定了其间的焦点，且斩波器置于焦点上。在另一实施例中，光源包括激光或调制激光。另一方面，本发明涉及一种量化气团成分的绝对量的方法。在一个实施例中，该方法包括步骤将光束穿过气团指向将光束散射的面；拍摄气团的影像，所拍摄的影像包含从所述面散射和反射的光的吸收量信息；处理所拍摄的影像，以确定气团中至少一种成分的绝对量。处理步骤包括步骤沿着穿过气团的截面从所拍摄的影像中选择多个像素，每个像素分别具有像素面积；表示从所拍摄影像中选择的每个像素的光吸收率；根据所表示的像素的光吸收率计算每个像素的光学质量；将像素的光学质量和相应的投射像素面积相乘，以获得像素中的分子数；将每个像素的分子数相加，以获取气团中的分子总数。在一个实施例中，具有窄带通滤波器的红外相机和/或紫外相机拍摄气团的影像，其中，滤波器合并特定气体的吸收频带。在另一个实施例中，由多个光敏器件拍摄气团的影像。通过以下的具体实施例，并结合随后的附图，本发明的这些和其它特征将显而易见，但是，不脱离本发明的新颖概念的精神和范围的本文的变形和修改都是有效的。
附图描述了本发明的一个或多个实施例，与说明书一起，解释了本发明的主旨。无论在何处，相同的附图标记在各幅附图中用于表示实施例的相同或类似的单元，其中图1 (a)_l (e)示出了基于本发明一实施例的利用光学质量量化气团成分的绝对量的方法；图1 (f)示出了根据所选像素的影像计算气团的绝对量的例子，其中每个方框表示气团影像中的像素，比例是目标气体导致的每个像素中的吸收；图2 Ca)示出了基于本发明一实施例的远程感测车辆排放物的装置的示意图；图2 (b)示出了基于本发明一实施例的远程感测装置的光学示意图；图3 (a)示出了基于本发明一实施例的拍摄没有待感测车辆到来时车道的第一状态的装置的示意图；图3(b)示出了基于本发明一实施例的拍摄待感测车辆排放废气团时车道的第二状态的装置的示意图；图3 (c)示出了光束的传播路径的示意图；图3 (d)示出了装置的示意图，其中光源和探测器不需在同一光轴中，以便二次通过气团的整个截面；图4示出了基于本发明另一实施例的拍摄车道状态的装置的示意图；图5示出了基于本发明一实施例的远程感测装置中使用的准直或传播光学仪器的不意图；图6示出了波尔兹曼系数下具有更高旋转能量的吸收线；图7示出了基于本发明另一实施例的远程感测装置中使用的收集光纤的示意图；图8 (a)示出了基于本发明一实施例的用于扫描穿过路面的激光的装置的示意图；图8 (b)不出了基于本发明一实施例的传输光谱上用于DIAL的可行的两种波长；图9 (a)示出了基于本发明一实施例的用于扫描穿过道路单个激光线的装置的示意图；图9 (b)示出了基于本发明一实施例的扫描穿过道路的多个激光线的装置的示意图；图10示出了基于本发明另一实施例的用于拍摄工厂排放的气团的装置的示意图；以及图11示出了远程感测车辆排放物的传统装置的示意图。
具体实施方等式在以下例子中更具体地描述了本发明，这些例子仅仅用于举例说明，它们的很多修改和变形对本领域技术人员是显而易见的。下面将具体描述本发明的各种实施例。参照附图，相似的附图标记表示各个附图中相似的组件。如本说明书和权利要求中使用的，“一”和“该”的意思包括复数，除非文中清楚地指出。同样地，如本说明书和权利要求中使用的，“在……中”的意思包括“在……中”和“在……上”，除非文中清楚地指出。另外，本说明书中使用的一些词语将在下面做出更具体的定义。本说明书中使用的词语在本领域内、本发明的上下文中、以及使用各词语的具体文本中通常具有其传统的定义。下面，或在本说明书的其它地方，将讨论用来描述本发明的一些词语，以便向从业者提供关于本发明说明书的附加指导。本说明书中任意位置的例子的使用，包括本文讨论的任意词语的例子，都仅仅是举例说明，而不是限制本发明或任意例证词语的范围和定义。同样地，本发明并不限于本说明书提供的各种实施例。如本文所使用的，“大约”、“几乎”或“接近”基本上都表示在所给值或范围的20%内，优选地10%内，更优选地5%内。本文所给的很多量都是接近的，若没有明确的指出，意味着可以推测是“大约”、“几乎”或“接近”。如本文所使用的，词语“LIDAR”是“光探测和测距”的首字母缩略词或简写，是光学远程感测技术，用来测量散射光的性质，以找到远方目标的范围和/或其它信息。微分吸收LIDAR (DIAL)是测量大气中柱丰度的常用技术。如本文所使用的，词语“光学质量”是沿着气体样本中辐射传播方向的每单位面积内吸收分子总数的测量。如本文中所使用的，应当理解，词语“包括”、“具有”、“包含”、“参与”等是开放的，意味着包括但不限于。下面将结合附图1-10对本发明的实施例进行说明。根据本发明的目的，如本文所象征的且广泛描述的，一方面，本发明涉及一种利用LIDAR技术探测车辆排放物以及车辆排放的至少一种污染物的量的装置。本发明的装置是便携式或固定的路边系统，用来探测具有内部燃烧引擎且行驶在道路车道上的车辆的废气排放。传统的排放探测装置使用镜子或反光镜将光源发射的且穿过车辆废气团的光束返回给探测器，但本发明的装置使用LIDAR技术。光源发出的光束朝下引导，穿过废气团，传播向其上行驶有车辆的道路的车道的面。然后，传播的光被车道的面散射。本发明的装置汇聚车道的面散射的光，以便探测器接收。另外，使用探测器阵列拍摄废气团和道路面的影像，以确定所接收的被废气团吸收的光的强度。具体地，该装置利用光学质量，使用远程拍摄的气团的红外和紫外影像来量化气团成分的绝对量。光学质量是沿着气体样本(例如气团或水汽)中辐射传播方向的每单位面积内吸收分子总数的测量，即
权利要求
1.一种量化气团成分的绝对量的装置，其特征在于，包括 (a)光源，用于发出光束且将发射的光通过气团传输到一面上，所述面将传输的光散射； (b)探测器，用于拍摄气团的影像，其中所拍摄的影像包含被所述面散射的散射光的吸收信息；以及 (c)处理器，用于处理所拍摄的影像，以确定气团中至少一种成分的绝对量。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述处理器配置用于执行功能 (a)沿着穿过气团的截面从所拍摄的影像中选择多个像素，每个像素分别具有投射到所述面上的像素面积； (b)表示从所拍摄影像中选择的每个像素的光的吸收率； (C)根据所表示的像素的吸收率计算每个像素的光学质量； Cd)将像素的光学质量和相应的投射像素面积相乘，以获得每个像素中的分子数； Ce)将每个像素的分子数相加，以获取气团中的分子总数。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，所述处理器配置用于执行步骤 (f)计算摩尔数，从而计算气团的成分的克数；以及 (g)计算像素所覆盖的面积的宽度以获得每段距离内车辆留下的排放物的克数。
4.如权利要求2所述的装置，其特征在于，每个像素的光学质量y由比尔定律确定U = -ln(I/I0)/ K (v) 其中，(I/IO)与吸收率相关，K (V)是吸收横截面。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测器包括具有一个或多个窄带通滤波器的红外相机和紫外相机中的至少一个，其中所述一个或多个窄带通滤波器吸收特定气体的吸收频带。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测器包括多个光敏器件，每个光敏器件分别根据被所述面散射的散射光生成电信号，其中所述电信号表示被所述气团吸收的接收光。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测器包括能够拍摄气团影像的探测器阵列。
8.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源包括卤素光源和/或辉光杆。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括准直/传播光学仪器，用于准直/传播发射光，并使发射光穿过气团传播到所述面上。
10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，所述准直光学仪器包括相对光源设置的第一凹面镜和第二凹面镜，使得第一凹面镜接收光源发出的光束并将接收光反射到第二凹面镜上，第二凹面镜反过来将反射光准直，并使准直光穿过气团传播到车道的面上。
11.如权利要求10所述的装置，其特征在于，第一凹面镜和第二凹面镜限定了其间的焦点，且斩波器置于所述焦点上。
12.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光源包括一个或多个调制激光和/或调制LED。
13.一种量化气团成分的绝对量的方法，其特征在于，包括 (a)引导光束穿过气团传播到一面上，所述面将所述光束散射；(b)拍摄气团的影像，所述影像包含被所述面散射的散射光的吸收信息；以及 (c)处理所拍摄的影像，以确定气团中至少一种成分的绝对量。
14.如权利要求13所述的方法，其特征在于，所述处理步骤包括步骤 (a)沿着穿过气团的截面从所拍摄的影像中选择多个像素，每个像素分别具有像素面积； (b)表示从所拍摄影像中选择的每个像素的光的吸收率； (c)根据所表示的像素的吸收率计算每个像素的光学质量； Cd)将像素的光学质量和相应的投射像素面积相乘，以获得像素中的分子数； Ce)将每个像素的分子数相加，以获取可视气团中的分子总数。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述处理步骤还包括步骤 Ca)计算摩尔数，从而计算气团的成分的克数；以及 (b)计算像素所覆盖的面积的宽度以获得每段距离内车辆留下的排放物的克数。
全文摘要
本发明涉及一种量化气团成分的绝对量的装置。在一个实施例中，该装置包括光源，用于发出光束且将发射的光通过气团传输到一面上，所述面将传输的光散射；探测器，用于拍摄废气气团的影像，其中所拍摄的影像包含被所述面散射的散射光的吸收信息；以及处理器，用于处理所拍摄的影像，以确定废气气团中至少一种成分的绝对量。
文档编号G01N21/00GK103038626SQ201080067891
公开日2013年4月10日 申请日期2010年9月16日 优先权日2010年6月29日
发明者J·斯图亚特·海格 申请人:海格环境气象技术有限责任公司