本發(fā)明涉及一種基于多光譜圖像的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣HC濃度分布檢測(cè)方法及系統(tǒng)，屬于機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人民生活水平的提高，人們的環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)且對(duì)于高生活品質(zhì)的需求增長(zhǎng)。而由于我國(guó)城市化建設(shè)的發(fā)展和機(jī)動(dòng)車(chē)保有量的提高，機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣逐漸成為城市清潔空氣的主要?dú)⑹?。我?guó)約五分之一的地級(jí)及以上城市大氣污染嚴(yán)重，113個(gè)重點(diǎn)城市中空氣質(zhì)量達(dá)不到國(guó)家二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)有三分之一之多，機(jī)動(dòng)車(chē)排放污染已經(jīng)成為京津冀、長(zhǎng)三角、珠三角等重點(diǎn)地區(qū)和主要城市群的主要污染源。因此，國(guó)家環(huán)境保護(hù)規(guī)劃中把“強(qiáng)化機(jī)動(dòng)車(chē)污染防治”作為一項(xiàng)主要任務(wù)，城市機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已成為城市環(huán)境污染監(jiān)測(cè)的重要組成部分。為有效改善城市空氣污染狀況，需對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣排放進(jìn)行有效控制和嚴(yán)格的尾氣排放檢查。對(duì)在用車(chē)輛進(jìn)行有效的路檢，是降低尾氣污染的首要措施，已經(jīng)成為城市環(huán)保工作的一個(gè)重點(diǎn)。

機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中的HC(碳?xì)浠衔?是由未燃燒的燃料烴、不完全氧化產(chǎn)物以及燃燒過(guò)程中部分被分解的產(chǎn)物所組成的。單獨(dú)的HC只有在濃度相當(dāng)高的情況下才會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生影響，但卻是產(chǎn)生光化學(xué)煙霧的重要成分。機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的HC來(lái)自三種排放源。對(duì)一般汽油發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，約60％的碳?xì)浠衔飦?lái)自?xún)?nèi)燃機(jī)廢氣排放20％～25％來(lái)自曲軸箱(PCV系統(tǒng))的泄漏，其余的15％～20％來(lái)自燃料系統(tǒng)(碳罐)的蒸發(fā)。HC中的具體成分如甲烷是窒息性氣體，其嗅覺(jué)閾值是142.8mg，高濃度時(shí)才對(duì)人體健康造成危害；乙烯、丙烯、乙炔主要對(duì)植物造成傷害，使路邊的樹(shù)木不能正常生長(zhǎng)；苯是無(wú)色類(lèi)似汽油味的氣體，可引起食欲不振、體重減輕、易倦、頭暈、頭痛、嘔吐、失眠、粘膜出血等癥狀，也可引起血液變化，紅血球減少，出現(xiàn)貧血，還可導(dǎo)致白血病，其嗅覺(jué)閾值16.29mg，對(duì)人體健康有影響的閾值34.8mg；HC中的多環(huán)芳烴，雖然含量很低，但由于多環(huán)芳烴含有多種致癌物質(zhì)(如苯丙芘)而引起人們的廣泛關(guān)注。

尾氣通常的檢測(cè)方法是取樣后用常規(guī)儀器來(lái)分析，如雙怠速排放法、簡(jiǎn)易工況法，這種類(lèi)型的人工手段檢測(cè)成本高、周期長(zhǎng)，無(wú)法完全反映尾氣的真實(shí)排放情況；氣相色譜儀(Gas Chromatography)取樣檢測(cè)雖然靈敏度、準(zhǔn)確性高，但其價(jià)格昂貴且設(shè)備體積龐大，取樣過(guò)程無(wú)法避免尾氣中不穩(wěn)定成分在取樣時(shí)發(fā)生物理或化學(xué)變化導(dǎo)致的誤差。為獲得汽車(chē)尾氣排放的真實(shí)情況，對(duì)尾氣實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效的檢測(cè)十分必要；而為滿(mǎn)足對(duì)在用車(chē)輛進(jìn)行路檢需要尾氣檢測(cè)設(shè)備的大規(guī)模使用，使得設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性、便攜性成為一種重要的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明技術(shù)解決問(wèn)題：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于多光譜圖像的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣HC濃度分布檢測(cè)方法及系統(tǒng)，采用被動(dòng)式檢測(cè)的方式，對(duì)正常的交通運(yùn)行無(wú)干擾，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)所需的設(shè)備包括熱像儀、電子計(jì)算機(jī)、濾光片等，不需要生產(chǎn)專(zhuān)用于檢測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的產(chǎn)品，大大降低了方法的使用與普及成本，同時(shí)設(shè)備具有便攜和便于操作的特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中HC濃度分布的在線、快速、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。

本發(fā)明基于多光譜圖像的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣HC濃度分布檢測(cè)系統(tǒng)的硬件設(shè)備分兩類(lèi)：應(yīng)用于無(wú)綠化帶車(chē)道的檢測(cè)系統(tǒng)包括一臺(tái)紅外熱像儀、兩枚濾光片、一塊鍍鋅平板及一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，高空的大氣背景輻射經(jīng)由與地水平面呈45°角放置的一塊鍍鋅平板反射至熱像儀，傳輸過(guò)程中一部分輻射經(jīng)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流吸收衰減，同時(shí)鋅版產(chǎn)生的熱輻射和尾氣產(chǎn)生的熱輻射也會(huì)被熱像儀所捕捉，鋅版的一部分輻射也會(huì)經(jīng)過(guò)尾氣羽流吸收減弱，所有輻射經(jīng)過(guò)濾光片濾波后被熱像儀獲取，切換濾光片獲得不同波段的記錄視場(chǎng)輻射亮度的圖像，將生成的圖像輸出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理計(jì)算；應(yīng)用于有綠化帶車(chē)道的檢測(cè)系統(tǒng)包括一臺(tái)紅外熱像儀、兩枚濾光片及一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)，綠化帶植物的輻射被熱像儀所捕捉，傳輸過(guò)程中一部分輻射經(jīng)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流吸收衰減，同時(shí)尾氣自身的輻射也會(huì)被熱像儀捕捉，所有輻射經(jīng)過(guò)濾光片濾波后被熱像儀獲取，切換濾光片獲得不同波段的記錄視場(chǎng)輻射亮度的圖像，將生成的圖像輸出到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步處理計(jì)算。根據(jù)所選用熱像儀、計(jì)算機(jī)所支持的數(shù)據(jù)傳輸線類(lèi)型用數(shù)據(jù)傳輸線連接熱像儀與計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖像的實(shí)時(shí)傳輸。電子計(jì)算機(jī)比較透過(guò)兩濾光片得到的兩幅圖像輻射亮度之間的差異實(shí)現(xiàn)對(duì)尾氣中HC位置的偵測(cè)，根據(jù)預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型與相關(guān)物理公式計(jì)算各像素點(diǎn)HC濃度值，從而獲取HC濃度的分布。

本發(fā)明提出的一種基于多光譜圖像的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣HC濃度分布檢測(cè)方法，其過(guò)程如下：

步驟一：根據(jù)被測(cè)車(chē)道的具體路況，將車(chē)道劃分為兩類(lèi)：無(wú)綠化帶車(chē)道、有綠化帶車(chē)道，依據(jù)普朗克黑體輻射定律、輻射傳輸方程建立紅外熱像儀能獲取的輻射亮度的數(shù)學(xué)模型。對(duì)于無(wú)綠化帶車(chē)道，熱像儀獲取的存在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流處的輻射亮度由數(shù)學(xué)模型公式1確定，獲取的不存在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流處的純背景輻射亮度由數(shù)學(xué)模型公式2確定，公式如下：

I_sky(λ)＝τ_pτ_atmB(T_b,λ)(1-ε_al)+τ_pB(T_al,λ)ε_al+B(T_p,λ)(1-τ_p)

I_sky(λ)＝τ_atmB(T_b,λ)(1-ε_al)+B(T_al,λ)ε_al

對(duì)于有綠化帶車(chē)道，熱像儀獲取的存在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流處的輻射亮度由數(shù)學(xué)模型公式3確定，獲取的不存在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流處的純背景輻射亮度由數(shù)學(xué)模型公式4確定，公式如下：

I_veg(λ)＝τ_pB(T_b,λ)+B(T_p,λ)(1-τ_p)

I_veg(λ)＝B(T_b,λ)

其中，T_b、T_p、T_al：背景、尾氣羽流與鍍鋅平板的溫度；

τ_atm、τ_p：大氣與尾氣羽流的輻射透射率；

ε_al：鍍鋅平板的輻射發(fā)射率；

B(T,λ)是普朗克黑體輻射亮度，其計(jì)算公式如下：

其中，C₁、C₂：第一、第二輻射常數(shù)；

T：黑體的溫度；

λ：輻射的波長(zhǎng)。

檢測(cè)方法所涉及的輻射亮度數(shù)學(xué)模型出于工程實(shí)用性考慮，忽略輻射傳輸過(guò)程中多次散射與發(fā)射影響，假設(shè)傳輸過(guò)程中介質(zhì)均勻，依據(jù)熱像儀成像時(shí)的不同背景，將背景輻射近似處理為黑體輻射，建立相應(yīng)簡(jiǎn)化的輻射傳輸方程。

步驟二：依據(jù)所建立的輻射亮度數(shù)學(xué)模型，按需確定模型中需要的各項(xiàng)參數(shù)值。

預(yù)先測(cè)量確定的模型中需要的參數(shù)包括：尾氣羽流的溫度與寬度、鍍鋅平板的溫度、背景的平均溫度，其中背景的平均溫度分兩類(lèi)：在無(wú)綠化帶車(chē)道的背景的平均溫度指被鍍鋅平板反射的天空大氣背景的平均溫度，在有綠化帶車(chē)道的背景的平均溫度指熱像儀視線方向上車(chē)道側(cè)綠化帶植物的平均溫度；查閱既有資料確定的參數(shù)包括：PNNL(美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)提供的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中包含的各種化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)吸收系數(shù)，鍍鋅平板的輻射發(fā)射率以及大氣透射率。

步驟三：根據(jù)美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的物質(zhì)吸收譜，分析比較機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣除HC外的成分的吸收光譜與HC的吸收光譜，找到兩個(gè)特殊的波段，其中一波段僅有HC會(huì)造成氣體對(duì)輻射的吸收現(xiàn)象，另一波段HC與尾氣除HC外的成分的吸收率均接近于0，由此選擇的兩枚濾光片的中心波長(zhǎng)F1、F2分別位于該兩波段中。

步驟四：于被監(jiān)測(cè)車(chē)道布置相機(jī)鏡頭于合適位置，使機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣可能出現(xiàn)的位置均處于相機(jī)的視場(chǎng)之內(nèi)，借由紅外熱像儀分別透過(guò)兩枚濾光片拍攝包含機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣區(qū)域的圖像，透過(guò)F1所得圖像是包含尾氣中HC吸收影響后的輻射亮度圖像，透過(guò)F2所得圖像是未經(jīng)尾氣吸收影響的背景輻射亮度圖像，根據(jù)所選用熱像儀、計(jì)算機(jī)所支持的數(shù)據(jù)傳輸線類(lèi)型用數(shù)據(jù)傳輸線連接熱像儀與計(jì)算機(jī)，將圖像經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線將傳輸至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖像的實(shí)時(shí)傳輸。

步驟五：借由計(jì)算機(jī)接收透過(guò)兩濾光片得到的兩幅圖像，由透過(guò)F2得到的圖像根據(jù)預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)計(jì)算背景透過(guò)另一濾光片F(xiàn)1理論上的輻射亮度，與F1實(shí)際得到的輻射亮度比較差異捕捉圖像中HC的存在，同時(shí)根據(jù)預(yù)先建立的數(shù)學(xué)模型及相關(guān)參數(shù)可計(jì)算出圖像中HC所占各像素點(diǎn)的羽流透射率。HC的濃度根據(jù)朗伯比爾(Lambert-Beer)吸收定律與尾氣羽流的透射率聯(lián)系起來(lái)，其公式如下：

其中，τ(λ)：與尾氣羽流的透射率；

n：HC氣體的濃度，單位為ppm；

z：輻射通過(guò)的路程，即尾氣羽流的寬度，單位m；

α(λ)：氣體的化學(xué)吸收率，單位為1/(ppm·m)。

計(jì)算機(jī)接收的圖像中每一像素點(diǎn)均包含該像素處的輻射亮度值，同一場(chǎng)景透過(guò)兩枚濾光片分別得到兩幅圖像，兩幅圖像中位于相同位置的兩像素點(diǎn)稱(chēng)為一對(duì)關(guān)聯(lián)像素點(diǎn)，其輻射亮度分別為I_F1、I_F2，圖像中的每對(duì)關(guān)聯(lián)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)際場(chǎng)景中的相應(yīng)區(qū)域，對(duì)于無(wú)綠化帶車(chē)道，圖像中各對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域的HC濃度可根據(jù)各對(duì)像素點(diǎn)的輻射亮度值推導(dǎo)計(jì)算：

I′_F1＝τ_atmB(T_b,λ_F1)(1-ε_al)+B(T_al,λ_F1)ε_al

其中，λ_F1、λ_F2：F1、F2濾光片的中心波長(zhǎng)。

比較I′_F1(λ_F1)與I_F1的值，當(dāng)I′_F1(λ_F1)≤I_F1時(shí)，參與計(jì)算的一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處不存在HC即HC濃度為0；當(dāng)I′_F1(λ_F1)＞I_F1時(shí)：

其中，n：HC氣體的濃度，單位為ppm；

z：輻射通過(guò)的路程，即尾氣羽流的寬度，單位m；

α(λ)：氣體的化學(xué)吸收率，單位為1/(ppm·m)。

由此參與計(jì)算的一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處HC濃度確定，計(jì)算圖像中每一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域的HC濃度從而得到HC濃度分布情況。

對(duì)于有綠化帶車(chē)道，圖像中各對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域的HC濃度可根據(jù)各對(duì)像素點(diǎn)的輻射亮度值推導(dǎo)計(jì)算：

I′_F1＝B(T_b,λ_F1)

其中，λ_F1、λ_F2：F1、F2濾光片的中心波長(zhǎng)。

比較I′_F1(λ_F1)與I_F1的值，當(dāng)I′_F1(λ_F1)≤I_F1時(shí)，參與計(jì)算的一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處不存在HC即HC濃度為0；當(dāng)I′_F1(λ_F1)＞I_F1時(shí)：

其中，n：HC氣體的濃度，單位為ppm；

z：輻射通過(guò)的路程，即尾氣羽流的寬度，單位m；

α(λ)：氣體的化學(xué)吸收率，單位為1/(ppm·m)。

由此參與計(jì)算的一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處處HC濃度確定，計(jì)算圖像中每一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域的HC濃度從而得到HC濃度分布情況。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)采用被動(dòng)式測(cè)量方式，對(duì)被測(cè)車(chē)道的正常運(yùn)行無(wú)干擾。相較于目前普遍的主動(dòng)式檢測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的方法如利用激光實(shí)現(xiàn)在線監(jiān)測(cè)，本發(fā)明通過(guò)熱像儀被動(dòng)接收實(shí)際場(chǎng)景中的紅外輻射實(shí)現(xiàn)尾氣中HC濃度分布的檢測(cè)，避免了主動(dòng)測(cè)量方式對(duì)安全駕駛可能造成的影響；

(2)可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、快速的測(cè)量。傳統(tǒng)人工采樣檢測(cè)方法如雙怠速排放法、簡(jiǎn)易工況法耗時(shí)耗力，無(wú)法避免取樣后尾氣溫度、成分等的改變，無(wú)法獲取尾氣排放的真實(shí)情況，本發(fā)明提出的檢測(cè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單設(shè)置于被測(cè)道路即可實(shí)時(shí)拍攝機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的多光譜圖像，通過(guò)計(jì)算機(jī)快速得到尾氣中HC的濃度分布，在尾氣排出排氣管的第一時(shí)間得到尾氣排放情況；

(3)便攜、經(jīng)濟(jì)，利于大規(guī)模使用。目前專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)的可實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣的設(shè)備一般價(jià)格昂貴，本發(fā)明提出的檢測(cè)系統(tǒng)主要硬件設(shè)備僅包括熱像儀、濾光片及電子計(jì)算機(jī)，便于攜帶且采購(gòu)方便，計(jì)算機(jī)處理過(guò)程不復(fù)雜對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求低，不需要昂貴的設(shè)備，可滿(mǎn)足大規(guī)模機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣檢測(cè)的需要。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明提供的HC濃度分布檢測(cè)系統(tǒng)步驟流程圖；

圖2是本發(fā)明提供的HC濃度分布檢測(cè)系統(tǒng)在無(wú)綠化帶車(chē)道的實(shí)施結(jié)構(gòu)圖；

圖3是本發(fā)明提供的HC濃度分布檢測(cè)系統(tǒng)在有綠化帶車(chē)道的實(shí)施結(jié)構(gòu)圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明提出的基于多光譜圖像的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣HC濃度分布檢測(cè)系統(tǒng)，如下：

圖2示出了本發(fā)明提供的HC濃度分布檢測(cè)系統(tǒng)的圖像采集模塊在無(wú)綠化帶車(chē)道實(shí)施結(jié)構(gòu)圖，為了便于描述，僅示出了與本系統(tǒng)相關(guān)的部分。參照?qǐng)D2，高空的大氣背景輻射經(jīng)由與地水平面呈45°角放置的一塊鍍鋅平板反射至熱像儀，傳輸過(guò)程中一部分輻射經(jīng)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流吸收衰減，同時(shí)鋅版產(chǎn)生的熱輻射和尾氣產(chǎn)生的熱輻射也會(huì)被熱像儀所捕捉，鋅版的一部分輻射也會(huì)經(jīng)過(guò)尾氣羽流吸收減弱，所有輻射經(jīng)過(guò)濾光片濾波后被熱像儀獲取，切換濾光片獲得不同波段的記錄視場(chǎng)輻射亮度的圖像，將生成的圖像輸出到電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像中HC位置的偵測(cè)及HC所在位置像素點(diǎn)區(qū)域濃度計(jì)算，得到HC濃度分布。

圖3示出了本發(fā)明提供的HC濃度分布檢測(cè)系統(tǒng)的圖像采集模塊在有綠化帶車(chē)道實(shí)施結(jié)構(gòu)圖。如圖3所示，綠化帶植物的輻射被熱像儀所捕捉，傳輸過(guò)程中一部分輻射經(jīng)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流吸收衰減，同時(shí)尾氣自身的輻射也會(huì)被熱像儀捕捉，所有輻射經(jīng)過(guò)濾光片濾波后被熱像儀獲取，切換濾光片獲得不同波段的記錄視場(chǎng)輻射亮度的圖像，將生成的圖像輸出到電子計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)圖像中HC位置的偵測(cè)及HC所在位置像素點(diǎn)區(qū)域濃度計(jì)算，得到HC濃度分布。

如圖1所示，本發(fā)明提出的基于多光譜圖像的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣HC濃度分布檢測(cè)方法，其具體步驟細(xì)節(jié)如下：

步驟一：考慮工程中的實(shí)用性，忽略輻射傳輸過(guò)程中多次散射與發(fā)射的影響，假設(shè)經(jīng)過(guò)的介質(zhì)均勻，建立簡(jiǎn)化的輻射傳輸方程。植物輻射和天空輻射均可被近似為黑體輻射，根據(jù)普朗克定律可確定其輻射亮度；地表面附近空氣的散射效應(yīng)與透射率影響可忽略。對(duì)于無(wú)綠化帶車(chē)道，熱像儀獲取的存在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流處的輻射亮度由數(shù)學(xué)模型公式(1)確定，獲取的不存在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流處的純背景輻射亮度由數(shù)學(xué)模型公式(2)確定，公式如下：

I_sky(λ)＝τ_pτ_atmB(T_b,λ)(1-ε_al)+τ_pB(T_al,λ)ε_al+B(T_p,λ)(1-τ_p) (1)

I_sky(λ)＝τ_atmB(T_b,λ)(1-ε_al)+B(T_al,λ)ε_al (2)

對(duì)于有綠化帶車(chē)道，熱像儀獲取的存在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流處的輻射亮度由數(shù)學(xué)模型公式3確定，獲取的不存在機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣羽流處的純背景輻射亮度由數(shù)學(xué)模型公式(4)確定，公式如下：

I_veg(λ)＝τ_pB(T_b,λ)+B(T_p,λ)(1-τ_p) (3)

I_veg(λ)＝B(T_b,λ) (4)

其中，T_b、T_p、T_al：背景、尾氣羽流與鍍鋅平板的溫度；

τ_atm、τ_p：大氣與尾氣羽流的輻射透射率；

ε_al：鍍鋅平板的輻射發(fā)射率；

B(T,λ)是普朗克黑體輻射亮度，其計(jì)算公式如下：

其中，C₁、C₂：第一、第二輻射常數(shù)；

T：黑體的溫度；

λ：輻射的波長(zhǎng)。

公式(1)的右邊的三項(xiàng)分別是：經(jīng)尾氣羽流透射率、大氣透射率及鋅板反射率修正的天空背景的輻射，經(jīng)尾氣羽流透射率及鋅板發(fā)射率修正的鋅板平面發(fā)出的輻射，由尾氣羽流自身發(fā)射率修正的尾氣羽流發(fā)出的輻射。公式(2)的右邊兩項(xiàng)分別是：經(jīng)大氣透射率及鋅板反射率修正的天空背景的輻射，經(jīng)鋅板發(fā)射率修正的鋅板平面發(fā)出的輻射。公式(3)的右邊兩項(xiàng)分別是：經(jīng)尾氣羽流透射率修正的植物背景的輻射，由尾氣羽流自身發(fā)射率修正的尾氣羽流發(fā)出的輻射。公式(4)右邊的項(xiàng)是植物背景的輻射。

步驟二：依據(jù)所建立的輻射亮度數(shù)學(xué)模型，按需確定模型中需要的各項(xiàng)參數(shù)值。

預(yù)先測(cè)量確定的模型中需要的參數(shù)包括：尾氣羽流的溫度與寬度、鍍鋅平板的溫度、背景的平均溫度，其中背景的平均溫度分兩類(lèi)：在無(wú)綠化帶車(chē)道的背景的平均溫度指被鍍鋅平板反射的天空大氣背景的平均溫度，在有綠化帶車(chē)道的背景的平均溫度指熱像儀視線方向上車(chē)道側(cè)綠化帶植物的平均溫度。其中機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣可根據(jù)既往的研究成果確定一個(gè)參照的溫度及寬度，需要注意的是尾氣與背景的溫度差越大，尾氣羽流被檢測(cè)到的可能性越高，因此推薦使用鋅板反射天空輻射的方式進(jìn)行尾氣檢測(cè)。

查閱既有資料確定的參數(shù)包括：PNNL(美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)提供的機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中包含的各種化學(xué)物質(zhì)的化學(xué)吸收系數(shù)，鍍鋅平板的輻射發(fā)射率以及大氣透射率。

步驟三：為方便描述，將兩濾光片命名為F1、F2。根據(jù)美國(guó)太平洋西北國(guó)家實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的物質(zhì)吸收譜，對(duì)機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣除HC類(lèi)之外的所有成分的化學(xué)吸收率求和作為除HC外尾氣的吸收作用判據(jù)，對(duì)尾氣中存在的HC類(lèi)成分的化學(xué)吸收率求和作為HC的吸收作用判據(jù)，比較兩判據(jù)在不同波長(zhǎng)上的作用表現(xiàn)，可以找到兩個(gè)特殊的波段，其中一波段僅有HC會(huì)造成氣體吸收輻射使輻射減弱的現(xiàn)象，F(xiàn)1的中心波長(zhǎng)位于該波段內(nèi)；另一波段HC與尾氣除HC外的成分的吸收率均接近于0，F(xiàn)2的中心波長(zhǎng)位于該波段內(nèi)。

步驟四：于被監(jiān)測(cè)車(chē)道布置相機(jī)鏡頭于合適位置，使機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣可能出現(xiàn)的位置均處于相機(jī)的視場(chǎng)之內(nèi)，借由紅外熱像儀分別透過(guò)兩枚濾光片拍攝包含機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣區(qū)域的圖像，透過(guò)F1所得圖像是包含尾氣中HC吸收影響后的輻射亮度圖像，透過(guò)F2所得圖像是未經(jīng)尾氣吸收影響的背景輻射亮度圖像，根據(jù)所選用熱像儀、計(jì)算機(jī)所支持的數(shù)據(jù)傳輸線類(lèi)型用數(shù)據(jù)傳輸線連接熱像儀與計(jì)算機(jī)，將圖像經(jīng)數(shù)據(jù)傳輸線將傳輸至計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)圖像的實(shí)時(shí)傳輸。

步驟五：HC的濃度根據(jù)朗伯比爾(Lambert-Beer)吸收定律與尾氣羽流的透射率聯(lián)系起來(lái)，其公式如下：

其中，τ(λ)：與尾氣羽流的透射率；

n：HC氣體的濃度，單位為ppm；

z：輻射通過(guò)的路程，即尾氣羽流的寬度，單位m；

α(λ)：氣體的化學(xué)吸收率，單位為1/(ppm·m)。

在計(jì)算HC氣體濃度時(shí)，可取機(jī)動(dòng)車(chē)尾氣中HC各組分的吸收率之和作為HC氣體的吸收率。

計(jì)算機(jī)接收的圖像中每一像素點(diǎn)均包含該像素處的輻射亮度值，同一場(chǎng)景透過(guò)兩枚濾光片分別得到兩幅圖像，其輻射亮度分別為I_F1、I_F2，兩幅圖像中位于相同位置的兩像素點(diǎn)稱(chēng)為一對(duì)關(guān)聯(lián)像素點(diǎn)，圖像中的每對(duì)關(guān)聯(lián)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)實(shí)際場(chǎng)景中的相應(yīng)區(qū)域，區(qū)域的HC濃度可根據(jù)各對(duì)像素點(diǎn)的輻射亮度值推導(dǎo)計(jì)算，對(duì)于無(wú)綠化帶車(chē)道，執(zhí)行循環(huán)語(yǔ)句遍歷圖像中每一對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行操作，其對(duì)應(yīng)區(qū)域HC濃度計(jì)算過(guò)程如下：

I′_F1＝τ_atmB(T_b,λ_F1)(1-ε_al)+B(T_al,λ_F1)ε_al (8)

其中，λ_F1、λ_F2：F1、F2濾光片的中心波長(zhǎng)。

執(zhí)行判斷語(yǔ)句比較I′_F1(λ_F1)與I_F1的值，當(dāng)I′_F1(λ_F1)≤I_F1時(shí)，參與計(jì)算的一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處不存在HC即HC濃度為0；當(dāng)I′_F1(λ_F1)＞I_F1時(shí)，參與計(jì)算的一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處存在HC，其濃度確定如下：

其中，n：HC氣體的濃度，單位為ppm；

z：輻射通過(guò)的路程，即尾氣羽流的寬度，單位m；

α(λ)：氣體的化學(xué)吸收率，單位為1/(ppm·m)。

由此圖像中每一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處HC濃度確定，從而得到HC濃度分布情況。

對(duì)于有綠化帶車(chē)道，執(zhí)行循環(huán)語(yǔ)句遍歷圖像中每一對(duì)像素點(diǎn)進(jìn)行操作，參與計(jì)算的一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域HC濃度計(jì)算過(guò)程如下：

I′_F1＝B(T_b,λ_F1) (12)

其中，λ_F1、λ_F2：F1、F2濾光片的中心波長(zhǎng)。

執(zhí)行判斷語(yǔ)句比較I′_F1(λ_F1)與I_F1的值，當(dāng)I′_F1(λ_F1)≤I_F1時(shí)，參與計(jì)算的一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處不存在HC即HC濃度為0；當(dāng)I′_F1(λ_F1)＞I_F1時(shí)，參與計(jì)算的一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處存在HC，其濃度確定如下：

其中，n：HC氣體的濃度，單位為ppm；

z：輻射通過(guò)的路程，即尾氣羽流的寬度，單位m；

α(λ)：HC各組分氣體的化學(xué)吸收率，單位為1/(ppm·m)；

N：HC的組分?jǐn)?shù)目。

由此各圖像中的每一對(duì)像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)區(qū)域處HC濃度確定，從而得到HC濃度分布情況。

對(duì)于系統(tǒng)的檢測(cè)性能方面，通過(guò)比較步驟三確定的兩判據(jù)找到的僅有HC會(huì)造成氣體吸收輻射使輻射減弱現(xiàn)象的特定波段，該波段兩判據(jù)較大的吸收率差保證了系統(tǒng)的檢測(cè)性能。為確定系統(tǒng)可檢測(cè)的臨界濃度，需使用步驟二預(yù)先測(cè)定背景的平均溫度作為T(mén)_b，對(duì)于無(wú)綠化帶車(chē)道或有綠化帶車(chē)道，聯(lián)立公式(1)、(2)或(3)、(4)，得到的透射率即為無(wú)尾氣羽流存在時(shí)與有羽流存在時(shí)輻射亮度恰相等情況時(shí)的透射率，帶入公式(6)得到的濃度值即為系統(tǒng)恰能檢測(cè)到的HC濃度。

總之，本發(fā)明實(shí)施方式簡(jiǎn)便，檢測(cè)過(guò)程對(duì)交通的正常運(yùn)行無(wú)干擾，具有便攜性、經(jīng)濟(jì)性，可實(shí)現(xiàn)尾氣HC濃度分布的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

提供以上實(shí)施例僅僅是為了描述本發(fā)明的目的，而并非要限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求限定。不脫離本發(fā)明的精神和原理而做出的各種等同替換和修改，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。