[发明专利]基于量子级联激光器的汽车尾气遥感检测系统和方法

权利要求书

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（1）、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）、热释电传感器模块（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（1）产生的电压信号输入到电流脉冲驱动模块（2），再由电流脉冲驱动模块（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模块（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（1）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模块（7）的相关运算输出值和探测光路的热释电传感器模块（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（1）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（1）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（1）在输出叠加信号到电流脉冲驱动模块（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模块（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1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模块（7）正前方。

2.使用权利要求1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（1）.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（1）描述；

                  （1）

其中，，  ； 

γ_D--高斯线性函数光谱宽度；

γ_C—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：

   （2）

其中：是谱线的碰撞线宽；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n次拟合，可以获得n条不同谱线的光谱分布数据，对拟合获得的任意一条光谱线数据根据模糊函数隶属度判断方法得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＝{u_i1，u_i2，u_i3，…u_im}，同时第i条谱线的标准光谱数据的集合为V＝{v_i1，v_i2，v_i3，…v_im}，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：

如果相似度系数≥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，其中是有效吸收谱线的光谱数据；

所述的步骤（4）、步骤（5）中模糊函数隶属度判别函数中水平值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模块；

（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，训练得到模糊函数隶属度水平值和人工神经网络参数，根据N次不同测量结果的平均值得到模糊函数隶属度水平值，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。