专利名称：基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统和方法
技术领域：
本发明属于汽车尾气排放检测技术领域，尤其涉及一种基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统和方法。
背景技术：
随着我国经济的快速发展，汽车保有量持续增长，汽车排放的有害废气污染已成为我国城市大气污染的主要来源之一。根据环保部门的统计，城市空气污染中20%的CO2,6(Γ70%的CO，40%的NOx和70%的HC来自于汽车尾气。例如，北京市和广州市汽车排放污染物在环境空气中的比率，一氧化碳(CO)占80%以上，氮氧化物(NOx)占40%以上。为控制汽车尾气污染物排放，世界各国和地区都先后制定了限制汽车废气排放的法律法规。我国自2007年7月开始实施相当于欧洲III号法规的《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国III，IV阶段)》排放标准。但是，与发达国家相比，我国汽车尾气的排放现状依然不 容乐观汽车排放污染管理起步较晚；重点城市的汽车尾气造成的污染状况非常严重；车辆上与排放相关的组件非常欠缺。为了改善城市环境空气质量，削减和控制汽车尾气的排放污染己经刻不容缓。我国现行的汽车尾气的监测方法主要有工况法和怠速法。目前，这两种方法都主要在汽车生产厂的实验测试平台上或者车辆年检场所中才能完成测试，而对于在行驶过程中的汽车的尾气排放过程却无法实现实时监测。实际行驶过程中，汽车的尾气排放不仅取决于汽车本身的构造，还取决于汽车所使用的燃料组成、负载、驾驶方式和交通的拥挤程度等诸多因素。汽车尾气遥感监测技术是一种先进的汽车尾气监测技术，它能够在汽车正常行驶情况下对汽车尾气的瞬时排放实现监测，识别排放不达标的污染车辆，为城市汽车尾气污染的监测和控制提供了有效手段，因而有着巨大的社会需求受到广泛的研究和关注。传统的汽车尾气的遥感监测方法主要是对于CO2, CO和HC检测的非分光红外法。排放污染物检测条件多是在怠速条件下，无法反映汽车在行驶条件下的有害尾气排放的特性和尾气在空气中可能形成的光化学反应。现有技术的汽车尾气检测装置如专利号为CN2440208Y的“一种多怠速机动车尾气检测装置”需要将软管连接到汽车尾气管口上才能进行尾气中CO和HC的检测分析。专利号为CN1412541A的“对汽车尾气进行实时检测用的红外激光检测系统和方法”所使用的是一种非分光红外分析仪，它没有光谱分辨率，且检测的尾气种类较为单一，只能检测CO和HC的浓度。从单一的CO和HC浓度的检测发展到C0、C02、HC、N0x、NHdP SOx等多种成分的检测是当前汽车尾气遥感检测的方向。目前，汽车尾气遥感检测技术在美国、加拿大、澳大利亚、瑞典、巴西、新加坡和印度等许多国家都在积极研制过程中。量子级联激光器，开创了利用宽带隙材料研制中远红外半导体激光器的先河，是半导体激光理论的里程碑，正成为世界各国争相追踪的前沿技术。量子级联激光器具有单色性好、量子效率高、温度稳定性好、波长设计灵活、固有响应速度快等优点。量子级联激光器在气体检测方面有着广阔的应用前景，尤其是在低浓度气体、大气痕量气体检测方面，量子级联激光器有着传统半导体激光器无可比拟的优势，可广泛应用于煤矿瓦斯气体高灵敏度检测、汽车尾气和工业废气检测。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统和方法，实现对道路上行驶汽车排放尾气的遥感检测。本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下
基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统，包括任意函数发生器、电流脉冲驱动�？�、量子级联激光器、聚乙烯准直聚焦透镜、分光镜、斩波器、热释电传感器模块、镀金直角反射镜、锁相放大器、计算机；
任意函数发生器产生的电压信号输入到电流脉冲驱动�？椋儆傻缌髀龀迩？椴缌髀龀迩孔蛹读す馄鳎孔蛹读す馄髟诘缌髀龀宓那路⑸涑龇档髦频闹性逗焱饧す猓性逗焱饧す馔ü垡蚁┳贾本劢雇妇底贾逼叫谐錾洌叫械闹性逗焱饧� 光经过分光镜分成参考光路和探测光路，参考光路的中远红外激光经过斩波器调制后由参考光路的热释电传感器�？樘讲猓讲夤饴返闹性逗焱饧す獯┕惺恢械钠滴财欧徘蛴啥平鹬苯欠瓷渚捣瓷洌瓷浜蟮闹性逗焱饧す饩恫ㄆ�、聚乙烯准直聚焦透镜后由探测光路的热释电传感器�？榧觳猓惶讲夤饴返娜仁偷绱衅髂？�、参考光路的热释电传感器模块和任意函数发生器的正弦波信号分量分别输入锁相放大器内做相关运算，锁相放大器将结果输出到计算机；计算机将参考光路的热释电传感器�？榈南喙卦怂闶涑鲋岛吞讲夤饴返娜仁偷绱衅髂？榈南喙卦怂闶涑鲋底鱿嗉踉怂悖⒍约扑憬峁惺莸拇砗凸馄椎姆治觯钪盏玫狡滴财牟饬拷峁�。所述的分光镜设置在聚乙烯准直聚焦透镜正前方，且与聚乙烯准直聚焦透镜准直平行出射的光线成45° ;
所述的任意函数发生器产生三种信号分别是矩形脉冲信号、锯齿波信号和正弦波信号，在任意函数发生器内部将这三种电压信号叠加后输入电流脉冲驱动�？椋缌髀龀迩？橥ü缪沟缌髯缓笫涑鼍髦频牡缌餍藕爬辞孔蛹读す馄鳎我夂⑸髟谑涑龅有藕诺降缌髀龀迩？榈耐苯有藕胖械恼也ㄐ藕欧至渴淙氲剿喾糯笃鹘行藕诺南喙卦怂悖喾糯笃髁拥郊扑慊�。所述的热释电传感器�？榘ㄈ仁偷绱衅�、电阻、滤波电容；热释电传感器的I脚同时接直流电压VCC和滤波电容的一端，2脚接电阻的一端，3脚和电阻的另一端同时接地，滤波电容的另一端与锁相放大器相连接；经过滤波电容后的交流信号输入锁相放大器，同时锁相放大器输出的正弦交流信号驱动斩波器以一定的频率转动，锁相放大器连接到计算机；聚乙烯准直聚焦透镜和斩波器放置在热释电传感器�？檎胺�。基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测方法，包括如下步骤
步骤(I).锁相放大器输出测量得到的原始光谱数据给计算机；
步骤(2).根据任意函数发生器中锯齿波的频率使用均值滤波函数的方法去除原始光谱数据中的随机噪声，具体采用合成信号中锯齿波信号的周期实现均值滤波，滤波后得到扫频下的不同波长的光谱数据；
步骤(3).滤波后的光谱数据首先用福依特(Voigt)线型函数拟合，拟合函数所采用的福依特(Voigt)线型函数由公式(I)描述。Φ^(ν0) = [(^^) + (—)](I)
γΕ ^π π. yc
宜由 β =-- v _」^￡_ .
'、’ (Jc + Ysd) ’ — V'ln 2 ’
YD—高斯线性函数光谱宽度；
—洛伦兹线性函数光谱宽度；
同时可以获得福依特线性函数光谱宽度Δι> Av1, =0.5 346Δνι；. + ^/(02166Δι +Διξ) (2)
其中Ave是谱线的碰撞线宽；Δνβ是谱线的多普勒线宽；
步骤(4).使用福依特(Voigt)线型函数重复进行η次拟合，可以获得η条不同谱线
的光谱分布数据《V，对拟合获得的任意一条光谱线数据根据�：ナ舳扰卸戏椒ǖ�
出最可能的吸收谱线，设测量得到的第i条谱线的光谱数据的集合为U= {uiX, ui2, un,…"j，同时第i条谱线的标准光谱数据的集合为V= \vn,vi2,viV，其中i为自然数，
且i小于等于m ;m为自然数；然后计算出集合U和集合V的相似度系数‘的
m
Σ Ui^
r^(f)= ■,
j拔j m
V Jfc-IMA-I
如果相似度系数HQ)则对应的谱线判断为吸收谱线，从而得到第i条谱线为
有效吸收谱线，其中为事先标定的水平值；
步骤(5).最后将有效吸收谱线的光谱数据输入事先训练和标定的人工神经网络进行处理，通过人工神经网络计算得出汽车尾气中不同气体的浓度&(I)，其中
X 二 d AV ·、名}是有效吸收谱线的光谱数据。所述的步骤(4)、步骤(5)中�：ナ舳扰斜鸷兴街郸� .(0和人工神经
网络的参数标定流程具体如下
(a)固定镀金平面反射镜、量子级联激光器和热释电探测器的角度和位置；固定长光程气体池的位置和加热装置；采集室温条件下洁净空气的光谱输出数值；
(b)通过将纯净气体以不同比例混合从而模拟出不同工况下的汽车尾气，标定过程中将模拟的汽车尾气充入长光程气体池作为待标定的气体；
所述的纯净气体的种类包括CO、CO2, NO、NO2, NH3和SO2 ；
(C)在长光程气体池的周围绕上加热线圈给长光程气体池中的空气均匀加热，使得长光程气体池中的空气温度随着设置条件的改变而改变，采集不同温度下的光谱数据输出值；
所述的长光程气体池的一端设置镀金直角反射镜，另一端设置量子级联激光器和探测光路的热释电传感器�？�。(d)根据光谱数据输出值和模拟的汽车尾气的实际混合比例，训练得到�：ナ舳人街岛腿斯ど窬绮问軳次不同测量结果的平均值得到�：�
数隶属度水平值44),同时利用该数据样本训练人工神经网络；若标定的结果误差大于
20%，则需要重新标定；否则结束标定过程。本发明有益效果如下 第一，基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统使用任意函数发生器产生的电压信号驱动量子级联激光器，量子级联激光器发射出不同波长的中远红外激光。通过改变电压信号中锯齿波信号的重复频率和幅值可以得到扫描速度很快的光谱扫频信号，从而快速得到光谱测量结果。由于一次测量的速度较快，因此基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统能够在汽车中速和低速的行驶过程中，在不干扰汽车正常行驶的条件下采用非接触的方式测量得到汽车尾气浓度数据。第二，量子级联激光器能够发射出波长能够大范围调节的中远红外激光，由于发射出的激光频谱覆盖范围广，因此可以测量的气体种类较多，能够在一次测量过程完成对CO、CO2、NO、NO2、NH3和SO2等气体的浓度监测。由于只需要一个量子级联激光器作为光谱辐射源，因此基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统结构非常简单紧凑。同时由于中远红外激光对于汽车尾气成分非常高的灵敏度，因此能够实现汽车尾气成分灵敏的检测。第三，基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统可以根据道路实际情况灵活设置在宽度不同的道路两边。调整放置在道路一边的镀金直角反射镜的角度，使得量子级联激光器发出的中远红外激光平行反射回来被热释电传感器�？樘讲饨邮�。所采用的光谱原始数据处理方法，能够通过�：ナ舳扰卸虾腿斯ど窬绲热斯ぶ悄芩惴ㄊ迪侄愿丛勇房龊统盗疚财欧徘榭鱿碌氖荽砗头治�。
图I是本发明结构示意 图2是量子级联激光器驱动电路结构示意 图3是热释电传感器�？榧觳獾缏方峁故疽� 图4是光谱数据处理程序流程 图5是�：ナ舳扰斜鸷兴街�4,Θ和人工神经网络的参数标定流程图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。如图I所示，基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统，包括任意函数发生器I、电流脉冲驱动模块2、量子级联激光器3、聚乙烯准直聚焦透镜4、分光镜5、斩波器6、热释电传感器�？�7、镀金直角反射镜8、锁相放大器9、计算机10 ；
任意函数发生器I产生的电压信号输入到电流脉冲驱动�？�2，再由电流脉冲驱动�？�2产生电流脉冲驱动量子级联激光器3，量子级联激光器3在电流脉冲的驱动下发射出幅值调制的中远红外激光，中远红外激光通过聚乙烯准直聚焦透镜4准直平行出射，平行的中远红外激光经过分光镜5分成参考光路和探测光路，参考光路的中远红外激光经过斩波器6调制后由参考光路的热释电传感器�？�7探测，探测光路的中远红外激光穿过行驶中的汽车尾气排放区域由镀金直角反射镜8反射，反射后的中远红外激光经过斩波器6、聚乙烯准直聚焦透镜4后由探测光路的热释电传感器�？�7检测。探测光路的热释电传感器模块7、参考光路的热释电传感器模块7和任意函数发生器I的正弦波信号分量分别输入锁相放大器9内做相关运算，锁相放大器9将结果输出到计算机10。计算机10将参考光路的热释电传感器�？�7的相关运算输出值和探测光路的热释电传感器�？�7的相关运算输出值做相减运算，并对计算结果进行数据的处理和光谱的分析，最终得到汽车尾气的测量结果。所述的分光镜5设置在聚乙烯准直聚焦透镜4正前方，且与聚乙烯准直聚焦透镜4准直平行出射的光线成45° ;
如图2所示，任意函数发生器I产生的电压信号由计算机控制，且产生三种信号分别 是矩形脉冲信号、锯齿波信号和正弦波信号；首先，矩形脉冲使量子级联激光器工作在脉冲状态下，这样能够保证激光器的工作温度不会太高；其次，锯齿波使得量子级联激光器的输出波长受到调制，量子级联激光器输出的中远红外的波长变化范围和矩形波的幅值成正比；最后，正弦波对输出的中远红外激光进行正弦调制，使得激光能够通过相关探测的方法探测其光强，从而提高探测的信噪比和灵敏度；在任意函数发生器I内部将这三种信号叠加后输入电流脉冲驱动�？�2，电流脉冲驱动模块2通过电压电流转换后输出经过调制的电流信号来驱动量子级联激光器3，任意函数发生器I在输出叠加信号到电流脉冲驱动�？�2的同时将叠加信号中的正弦波信号分量输入到锁相放大器9进行信号的相关运算，锁相放大器连接到计算机10。如图3所示，热释电传感器�？�7包括热释电传感器13、电阻12、滤波电容11 ;热释电传感器13的I脚同时接直流电压VCC和滤波电容11的一端，2脚接电阻12的一端，3脚和电阻12的另一端同时接地，滤波电容11的另一端与锁相放大器9相连接；经过滤波电容11后的交流信号输入锁相放大器9,同时锁相放大器9输出的正弦交流信号驱动斩波器6以一定的频率转动，锁相放大器9连接到计算机10 ;聚乙烯准直聚焦透镜4和斩波器6放置在热释电传感器�？�7正前方。如图4所示，基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测方法，包括步骤410 460，且步骤410 460是光谱数据处理通过均值滤波、谱线线型拟合、�：惴ê蜕窬缢惴ǖ仁迪值牟街�。锁相放大器输出的是测量得到的原始光谱数据(步骤410)，根据任意函数发生器中锯齿波的频率使用均值滤波函数的方法去除原始光谱数据中的随机噪声(步骤420)，滤波后得到扫频下的不同波长的光谱数据，该均值滤波函数采用合成信号中锯齿波信号的周期实现均值滤波；滤波后的光谱数据首先用福依特(Voigt)线型函数拟合(步骤430)，拟合函数采用福依特(Voigt)线型函数由公式I描述。 V (V。) = [(^H + C-^)]I
y MD ^ ^ ^
苴中，β=--，Yvn =―― .
(JeW) -Jhl，其中
Yd-高斯线性函数光谱宽度；
一洛伦兹线性函数光谱宽度；
同时可以获得福依特线性函数光谱宽度
权利要求
1.基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统，包括任意函数发生器(I)、电流脉冲驱动�？�(2)、量子级联激光器(3)、聚乙烯准直聚焦透镜(4)、分光镜(5)、斩波器(6)、热释电传感器�？�(7)、镀金直角反射镜(8)、锁相放大器(9)、计算机(10)； 任意函数发生器(I)产生的电压信号输入到电流脉冲驱动�？�(2)，再由电流脉冲驱动�？�(2 )产生电流脉冲驱动量子级联激光器(3 )，量子级联激光器(3 )在电流脉冲的驱动下发射出幅值调制的中远红外激光，中远红外激光通过聚乙烯准直聚焦透镜(4)准直平行出射，平行的中远红外激光经过分光镜(5)分成参考光路和探测光路，参考光路的中远红外激光经过斩波器(6)调制后由参考光路的热释电传感器�？�(7)探测，探测光路的中远红外激光穿过行驶中的汽车尾气排放区域由镀金直角反射镜(8)反射，反射后的中远红外激光经过斩波器(6)、聚乙烯准直聚焦透镜(4)后由探测光路的热释电传感器模块(7)检测；探测光路的热释电传感器�？�(7)、参考光路的热释电传感器�？�(7)和任意函数发生器(I)的正弦波信号分量分别输入锁相放大器(9)内做相关运算，锁相放大器(9)将结果输出到计算机(10);计算机(10)将参考光路的热释电传感器�？�(7)的相关运算输出值和探测光路的热释电传感器�？�(7)的相关运算输出值做相减运算，并对计算结果进行数据的处理和光谱的分析，最终得到汽车尾气的测量结果； 所述的分光镜(5)设置在聚乙烯准直聚焦透镜(4)正前方，且与聚乙烯准直聚焦透镜(4)准直平行出射的光线成45° ; 所述的任意函数发生器(I)产生三种信号分别是矩形脉冲信号、锯齿波信号和正弦波信号，在任意函数发生器(I)内部将这三种电压信号叠加后输入电流脉冲驱动模块(2)，电流脉冲驱动�？�(2 )通过电压电流转换后输出经过调制的电流信号来驱动量子级联激光器(3)，任意函数发生器(I)在输出叠加信号到电流脉冲驱动�？�(2)的同时将叠加信号中的正弦波信号分量输入到锁相放大器(9)进行信号的相关运算，锁相放大器连接到计算机(10)； 所述的热释电传感器�？�(7)包括热释电传感器(13)、电阻(12)、滤波电容(11);热释电传感器(13)的I脚同时接直流电压VCC和滤波电容(11)的一端，2脚接电阻(12)的一端，3脚和电阻(12)的另一端同时接地，滤波电容(11)的另一端与锁相放大器(9)相连接；经过滤波电容(11)后的交流信号输入锁相放大器(9)，同时锁相放大器(9)输出的正弦交流信号驱动斩波器(6)以一定的频率转动，锁相放大器(9)连接到计算机(10);聚乙烯准直聚焦透镜(4 )和斩波器(6 )放置在热释电传感器�？�(7 )正前方。
2.使用权利要求I所述的基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统的方法，具体包括如下步骤 基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测方法，包括如下步骤 步骤(I).锁相放大器输出测量得到的原始光谱数据给计算机(10)； 步骤(2).根据任意函数发生器中锯齿波的频率使用均值滤波函数的方法去除原始光谱数据中的随机噪声，具体采用合成信号中锯齿波信号的周期实现均值滤波，滤波后得到扫频下的不同波长的光谱数据； 步骤(3).滤波后的光谱数据首先用福依特(Voigt)线型函数拟合，拟合函数所采用的福依特(Voigt)线型函数由公式(I)描述；
全文摘要
本发明公开了一种基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统和方法。本发明中任意函数发生器产生的信号输入激光器电流脉冲驱动�？椋孔蛹读す馄髟诩す馄鞯缌髀龀迩？榈那虏泻焱饣蛟逗焱獾募す猓泻焱庵猎逗焱饩滴财欧徘蚝笸ü恫ㄆ鞯玫降髦菩藕牛仁偷绱衅髂？樘讲饩髦频闹泻焱饣蛟逗焱獾募す庑藕牛比仁偷绱衅鹘讲獾玫降男藕攀淙胨喾糯笃髟怂悖喾糯笃鞯氖涑鍪莸郊扑慊扑慊ü荽矸治龇椒ń滴财胁煌欧挪锏暮考扑愠隼�。
文档编号G01N21/35GK102798609SQ20121029585
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者刘亦安, 王玲, 吴开华 申请人:杭州电子科技大学
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