一种移动源废气快照式遥测系统

1.本发明涉及移动源排放废气中污染气体成分的快速自动遥测装置，具体涉及一种移动源废气快照式遥测系统。


背景技术：

2.由于经济发展和人口增长，大气污染问题形势严峻，引起人们广泛关注。大气环境质量改善有赖于对大气污染排放的准确掌握，因地制宜，精准施策。目前国内固定源排放质量取得很大突破，但移动源污染仍然持续增加。移动源保有量持续增加，同时减排治理上受流动性监管难度大，监管对象分散。主要移动源可以分为机动车、船舶。对于超标车辆、船舶的监管手段目前还有限，多地还存在目测法对移动源废气进行判定，以是否排放黑烟进行筛查，缺乏对移动源废气中氮化物、硫化物超标情况的快速监测能力。
3.移动源废气的监测手段可以分成采样式、遥测式。采样式定点监测通常只能获取抽取周围环境中污染，无法定位到具体移动源。主动光源遥测方法适合于动态监测，但点位固定，布设成本高。被动光源遥测方法无需人工光源，架设方便，适用于移动源废气快速督查、应急监测，具有很高的应用前景。被动光源遥测方法目前面临的主要问题是：被动太阳散射光源强度弱，移动源快速移动，并且移动中背景快速变化，最终导致探测精度差。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种移动源废气快照式遥测系统，已解决现有被动光源遥测技术中探测精度差的问题。
5.为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种移动源废气快照式遥测系统，包括有多通道相机阵列，所述多通道相机阵列获取多个波段移动源图像，用于气体反演，多通道相机阵列安装在快速跟踪机构，实现相机指向的快速调整，所述快速跟踪机构、多通道相机阵列连接到控制单元，控制单元采用基于深度学习的移动源目标识别算法，实现船舶目标的快速变焦跟踪采集；所述多通道相机阵列图像数据经过数据处理单元综合分析，经过数据融合、气溶胶和背景干扰校正等处理后，输出no2、so2气体浓度信息。
6.进一步地，所述的移动源废气快照式遥测系统，所述多通道相机包含多组单色相机和一个彩色相机，所有相机具备电动调焦功能，焦段和视场一致，并进行视场精准匹配，保证探测同一移动源目标。
7.进一步地，所述的移动源废气快照式遥测系统，所述多通道相机包含多组单色相机和一个彩色相机，多组单色相机安装不同波长滤光片，透过待测so2、no2组分吸收波长内的多组紫外可见信号，彩色相机获取目标区域彩色图像。
8.进一步地，所述的移动源废气快照式遥测系统，所述多组单色相机共8个，其中四个用于no2探测，另外四个用于so2探测。滤光片带宽在1nm左右。
9.进一步地，所述的移动源废气快照式遥测系统，所述多组单色相机滤光片带宽在1nm左右，滤光片中心波长设计为so2、no2吸收截面的两个吸收波峰、两个吸收波谷。
10.进一步地，所述的移动源废气快照式遥测系统，所述快速跟踪机构具备三轴调整功能，响应速度在毫秒级别，基于控制单元控制信号，驱动多通道相机调整指向。
11.进一步地，所述的移动源废气快照式遥测系统，所述控制单元具备基于深度学习的移动源目标快速识别功能，基于彩色相机测量图像判断移动源目标位置。
12.进一步地，所述的移动源废气快照式遥测系统，所述控制单元可基于移动源目标位置，快速解算出快速跟踪机构的电机驱动参数、多通道相机变焦参数。
13.进一步地，所述的移动源废气快照式遥测系统，所述控制单元可控制多通道相机阵列的同步变焦、同步图像拍照。
14.进一步地，所述的移动源废气快照式遥测系统，所述数据处理单元对多组单色相机图像综合分析，对长时间序列观测图像进行信噪比提升，多多波长图像进行拟合分析，扣除气溶胶和背景变化对光强的影响，基于离散差分吸收光谱算法计算出no2、so2气体浓度信息。
15.本发明根据no2、so2气体的吸收特性，专门设计了探测通道，并考虑到气溶胶和背景对气体吸收的干扰效应去除，通过一系列单色相机组合，完成移动源废气中常见污染气体的高精度遥测。
16.本发明通过对快速移动源目标的跟踪观测提高了观测信噪比，保证探测目标在图像中位置基本固定，最终实现对移动源废气的快速高精度遥测。
17.本发明具有集成度高、可扩展等特点，易于实用化，架设方便，并且通过更换或添加合适单色相机通道，还能进行其它污染气体的测量或量程可扩展测量。
18.本发明与现有技术相比的优点在于：
19.对于快速移动的机动车辆、船舶等移动源，废气被动遥测技术存在测量精度不高的问题。主要原因有两方面：常规遥测技术针对固定源，对响应速度没有要求，而快速移动源废气遥测中快速响应的需求导致进光量不足，探测信号低，准确度差；移动源运动过程中，背景建筑、数目等目标持续变化，对被动遥测反演过程气体信息解析带来非常大的干扰。本发明具有响应速度快、探测精度高的特点，集成度高，可扩展，引入了移动源识别跟踪技术，可以对目标多次曝光，大幅提高信噪比；相比以往单波长的气体探测手段，引入了超过4个点的探测波长，用于修正背景信息、气溶胶信息的干扰；引入了多通道联合成像手段，获取的图谱信息丰富准确。本发明适用于移动源废气的快速高精度遥测，提供no2、so2气体浓度信息，掌握废气中硫化物、氮化物超标情况，可应用于大气环境督查、应急监测等方面。
附图说明
20.图1为本发明组成框图；其中，1为多通道相机阵列；2为快速跟踪机构；3为控制单元以及数据处理单元；
21.图2为本发明so2探测通道配置；
22.图3为本发明so2探测通道配置；
23.图4为本发明观测流程图。
具体实施方式
24.下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
25.如图1所示。一种移动源废气快照式遥测系统，包括包括多通道相机阵列1、快速跟踪机构2、控制单元以及数据处理单元3；多通道相机阵列1包含多组单色相机和一个彩色相机，所有相机焦段和视场一致，并进行视场精准匹配，可实现同步变焦控制；快速跟踪机构2采用三轴云台结构，驱动调整相机阵列指向，保证移动源目标保持在图像中心区域；控制单元以及数据处理单元3利用计算机实现，其中，控制单元设计有移动源目标识别功能、同步变焦指令发送功能、快速跟踪机构驱动功能、相机阵列同步采集功能；数据处理单元对多通道单色相机数据进行联合反演，计算移动源废气排放中no2、so2浓度值。
26.本发明中多通道相机阵列1中的单色相机设计波段选择so2、no2气体的多个特征吸收峰谷位置，根据探测精度需求半高宽设计为1nm左右，光电采集采用高速采集紫外增强探测器。单色相机滤光片参数选择是基于no2、so2气体的吸收特性，并减少气溶胶、图像背景变化对气体吸收的干扰。图2给出了so2的探测波长选择位置，黑色线代表so2吸收截面，红色虚线标注出了待探测波长点。图3给出了no2的探测波长选择位置，黑色线代表no2吸收截面，红色虚线标注出了待探测波长点。so2的探测中心波长点选择313.1nm、314.3nm、319.8nm、323.5nm。no2的探测中心波长点选择407.0nm、413.4nm、439.3nm、456.6nm。单色相机通道越多，探测精度越高，应用过程中需要权衡产品成本和探测精度的取舍，但不应少于4个通道。
27.本发明中多通道相机阵列1中的彩色相机获取目标区域的彩色图像，用于船舶、货车等移动源的目标特征识别。
28.本发明中多通道相机阵列1中单色相机、彩色相机具备电动调焦功能，焦段和视场一致，并进行视场精准匹配，保证探测同一移动源目标。移动目标观测过程中，存在“近大远小”的特点，如果直接观测，连续采集的多幅图像中废气位置实际上是变化的，无法进行后续处理。因此引入目标识别功能，通过相机阵列的指向改变、焦段改变，确保观测目标始终处于图像中心区域，并且目标在图像中占比合理。
29.本发明中控制单元设计有移动源目标识别功能、同步变焦指令发送功能、快速跟踪机构驱动功能、相机阵列同步采集功能。移动源目标识别功能采用深度学习方法开发，输入大量的船舶图像、机动车图像进行机器学习，构建了移动源目标识别模型，基于识别模型对彩色相机的观测图像进行分析，如果有目标移动源进入观测区域，则执行观测流程。具体观测流程如图4所示，系统初始化配置移动源目标，选择是船舶或机动车目标，随后系统彩色相机进行巡视扫描，如果发现目标进入设定观测区域，则执行目标跟踪功能，控制单元发送同步变焦指令发送功能到多通道相机阵列，发送快速跟踪机构驱动指令，并相机阵列同步采集，多通道相机图像传输到数据处理单元。直到移动源目标移出观测区域，则数据处理单元进行联合反演，计算移动源废气排放中no2、so2浓度值，计算完成后进行下一个观测循环。
30.本发明中快速跟踪机构具备三轴调整功能，响应速度在毫秒级别，基于控制单元控制信号，驱动多通道相机调整指向。
31.本发明中数据处理单元对多组单色相机图像综合分析，对长时间序列观测图像进行信噪比提升，多多波长图像进行拟合分析，扣除气溶胶和背景变化对光强的影响，基于离散差分吸收光谱算法计算出no2、so2气体浓度信息。对气体浓度的反演基于lambert
‑
beer定律。相机测量辐射强度i(λ)可以表示为如下公式：
[0032][0033]
其中，λ代表辐射波长，入射强度为i0(λ)，传输距离l，0～l距离内大气成分按照均匀分布分析，σ
j
(λ)是所测第j种气体的分子吸收截面[cm2/molecule]，c
j
(s)是第j种气体的浓度，n是所测气体的种类数，σ
r0
(λ)λ
‑4c
air
代表mie散射消光系数，其中c
air
为空气分子密度，σ
r0
≈4.4
×
10
‑
16
cm2nm4。ε
m0
·
λ
‑
n
代表瑞利散射吸收系数。
[0034]
对于移动源废气中，no2和so2是主要气体污染物，还存在大量的气溶胶颗粒物排放。同时需要注意到，由于移动源观测中背景不可能总是天空，可能存在树木、建筑等场景，不同的背景对应不同的入射强度。直接利用公式(1)是无法得出气体浓度信息的，无法区分分子吸收、瑞利散射、米散射的消光系数各部分的吸收和散射。本发明中采用离散差分吸收光谱算法进行气体浓度解析，散射消光的吸收截面、地物反射谱截面都是随着波长λ做“慢变化”的，在光谱分析中可以通过多项式拟合或其他高通滤波方法滤除“慢变化”部分，去除气溶胶、背景变化对气体成分吸收的干扰。不同于常规光谱探测中，连续测量几十纳米的光谱，进行数据高通滤波后反演气体成分，本发明中测量多个气体吸收波长点，波长点选择上优选气体吸收截面波动大的位置，波长位置尽可能拉宽，通过多项式拟合同样能够去除气溶胶、背景变化对气体成分吸收的干扰。并且随着多通道相机阵列中单色相机通道数的增加，气体探测成分的精度也可以提升，具有观测量程的扩展性。