中红外激光TDLAS技术机动车尾气遥感监测系统方案

水平固定式全激光高精度机动车尾气遥感在线监测系统

技术方案

（汽柴油一体）

1 机动车尾气遥感监测发展现状

1.1 机动车尾气遥感监测难点

）、碳氢化合机动车尾气实时监测组分：一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO

2

）、不透光度。

物（HC）、氮氧化物（NO

X

可有效监测汽油车、柴油车尾气污染物，测量范围：

CO：（0-10）％；

：（0-16）％；

CO

2

HC：(0-10000)ppm；

NO：(0-10000)ppm；

不透光度：（0-100）%；

测量精度和重复性误差：符合《在用柴油车排气污染物测量方法及技术要求》（HJ845-2017）标准要求。

目前机动车尾气遥测主要技术难点：

（1）车辆快速通过时，尾气扩散较快，要求监测设备响应快速，否则无法实时监测气团浓度，导致测量结果不能够真实反应车辆的实际排放情况，在实际的道路上会出现大量误检和漏检。

（2）烟气迅速扩散，测量误差大。在开放环境中，机动车尾气气团会迅速扩散，所以直接测量得到的各个组分的浓度绝对值不能反应尾气排放的真实值，但对同一尾气气团，扩散后各位置的各组分的体积比系数是相同的，所以机动车尾气遥测测量设备通过燃烧方程，根据各组分的相对体积比来反演尾气排放的真实浓度。然而目前绝大多数机动车尾气遥测设备遥测光路不能够同光路，导致测量各组分的绝对浓度值不是气团的同一位置的值，体积浓度比已经不准确，因此利用燃烧方程反演的值不能反应尾气真实排放情况。

1.2 机动车尾气遥感监测现状

近几年国内机动车尾气遥感监测技术得到快速发展，技术路线包括NDIR非分散红外光谱、DOAS紫外差分吸收光谱、TDLAS可调节半导体激光吸收光谱等。在户外尾气遥感监测应用领域TDLAS可调谐半导体激光吸收光谱技术路线，在抗干扰能力、测量分辨率、信号稳定性、光源寿命、运维成本以及测量

响应时间等方面具有明显的优势，具体见表1。

随着各种技术路线快速发展所衍生的产品见表2。

第1种产品采用NDIR、DOAS相结合的方式，设备造价低，但在户外尾气遥感监测应用领域受环境的温度、湿度以及其它背景气体影响较严重，测量响应时间慢，存在严重的漂移，导致无法准确测量尾气排放各污染物浓度值。

第2种产品采用TDLAS结合DOAS，但其采用波长2um以下激光器作为光源

测量CO、CO

2，该方式造价低，但CO、CO

2

在2um以下的吸收较弱，使得设备

CO、CO

2

的检测下限不能满足尾气遥感监测要求，同时该产品无法克服DOAS受

环境的温度、湿度以及其它背景影响，测量响应时间慢，存在严重的漂移等缺点，所以该种产品在尾气排放遥测领域的应用存在缺陷。

第3种产品采用TDLAS结合DOAS，DOAS部分无法克服受环境温度、湿度以及其它背景影响，测量响应时间慢，存在严重漂移等缺点，这种产品只改善了

CO、CO

2

的测量，但尾气排放根据燃烧方程解算出排放值，需要NO、HC的值同

样准确且实时（与CO、CO

2

响应时间相同）才能得到准确的排放值，所以这种产品同样存在缺陷，无法准确测量尾气排放各污染物浓度值。

第4种产品虽采用TDLAS技术，但其采用的CO、CO

2

激光器在2um以下的

吸收较弱，使得设备CO、CO

2

的检测下限不能满足尾气遥感监测要求，无法准确测量尾气排放各污染物浓度值。

第5种产品采用TDLAS技术，且四种激光器全部采用2um以上波长谱线，吸收信号强，可以实时准确测量快速通过车辆的尾气排放情况。

2 水平固定全激光高精度机动车尾气遥感在线监测系统

2.1 技术路线及方案

水平固定全激光高精度机动车尾气遥感在线监测系统采用2um～6um波长激

光器测量CO、CO

2

、NO、HC，使用符合HJ 845标准的550～570nm绿光激光器测量不透光度，使用红光激光器测量速度加速度。

其中CO、CO

2

、NO、HC四个激光器采用同光束设计，每秒可以测量500～1000次，可保证准确测量车辆通过时的尾气排放。图1遥测主机。

图1遥测主机

2.2 设备清单

设备清单

2.3 全激光气态物四组分（CO、CO

2

、NO、HC）遥感监测模块

模块由水平式遥测主机、水平式遥测辅机、恒温机柜、气体自动标定装置、标准气组成。

水平遥测主机装在道路右侧，水平式遥测辅机安装在对面，见图2。

模块具有自动标定装置满足HJ 845对气态物模块的校准和检查要求

图2位置示意

2.4 不透光度遥感监测模块

不透光度遥感模块测量采用Beer-Lambert定律，使用550～570nm绿光激光二极管光源。

测量范围：不透光度0～100%

误差：误差小于读数的±5％或绝对误差±2%。

重复性：不透光度监测重复性误差不大于±2.5％。

具备自动标定功能，模块上配备5片滤光片满足HJ 845对不透光度的校准和检查要求，标定过程无需人工操作。

测量响应时间：<0.5s。

2.5 速度加速度监测模块

一些尾气遥感产品中速度加速度采用雷达测速的方法，雷达测速的优点是测量距离远，但精度低。而速度、加速度，尤其是加速度对VSP的计算影响较大，因此尾气遥感系统中速度、加速度的准确测量尤为重要，雷达测速无法满足要求。本系统中采用基于红光激光器的光电测速方法，响应速度快、测量精度高。速度加速度监测模块的技术指标如下：

（1）车辆速度范围为：1.0－120.0km/h；

（2）车速在1.0-50.0 km/h，允许误差：±1.5 km/h；

（3）车速在50.0-100.0 km/h，允许误差：±3.0 km/h；

（4）加速度精度：0.22m/s2。

2.6 水平固定式机动车遥感监测系统应用管理软件

水平固定式机动车尾气遥感监测系统管理软件（下称系统管理软件）使用Web方案生成用户界面，底层以 Core@和MongoDB@数据库作为软件后台。上述两个软件库均由行业领先的软件公司负责维护，性能稳定，用户群体广泛，在软件生命周期内能够提供长期更新。

系统管理软件嵌入了公司自主开发的C# Pack核心层，与外置的交通卡口视频监控模块协同运作，实现了多车道机动车视频抓拍和车牌识别。