[发明专利]一种道路交通源污染实时定量遥测系统

权利要求书

1.一种道路交通源污染实时定量遥测系统,其特征在于，通过两个方向的同时观测得到的测量差值定量计算被测量道路区域内的道路交通源带来的二氧化氮污染；所述遥测系统包括观测系统，该观测系统包括光谱采集模块、云台模块、气象监测模块、道路交通信息采集模块、系统控制模块；其中：

所述光谱采集模块，其主体为超分辨率光谱仪,用以采集300nm-400nm的光谱，通过基于朗伯-比尔定律的超光谱分析技术，获得污染物的浓度值；

所述云台模块，包括仰角电机和方位角电机；其中，通过软件控制电机的转动，进而改变观测方位角度和两个观测方向的仰角；

所述气象监测模块，包括DHT22温湿度传感器、BMP085大气气压传感器和风向风速传感器；其中，DHT22温湿度传感器用于测量大气的温度值和相对湿度值，BMP085传感器用于测量大气气压值，风向风速传感器用于测量风向值和风速值；

所述道路交通信息采集模块，包括可伸缩式架杆、交通监控摄像头和DSP图像处理器；其中，交通监控摄像头安装在可伸缩架杆上，用于拍摄获取所观测道路交通源的车辆数量信息和种类信息，经过DSP图像处理器的处理，同步发送到远程数据处理终端；

所述系统控制模块，包括STM32控制器、数据控制终端；STM32控制器用于对云台模块电机进行控制，数据控制终端用于对超分辨率光谱仪与气象监测模块中传感器数据采集进行控制；

由于斜穿道路的观测方向污染物总量与参考方向相减可以有效反映道路交通源污染排放情况，所述遥测系统，放置在上风向一端，通过控制云台模块中两个电机的转动使两个观测方位角分别为平行道路方向和斜穿道路方向两个方向；并且两个方向都确保在有效光程L范围内没有对光路形成阻碍的遮挡物；

还包括一计算分析模块，该计算分析模块部署于远程数据处理终端；计算分析模块利用光谱采集模块中得到的污染物信息、气象监测模块所观测的气象信息，以及道路交通信息采集模块获得的车辆信息，实时计算道路交通源污染物排放通量；具体包括：

(1)计算观测方向的光路长度L，确定此方向观测范围；

在日常晴朗天气条件下，利用氧二聚体O4在大气中的占比相对稳定的性质，有效光路长度L通过温度T、相对湿度H和压强P计算,公式如下：

其中，是超分辨率光谱仪反演得到的氧二聚体光路总浓度，单位为molec(cm)^-2，可以通过所述光谱仪采集到的光谱使用大气环境非线性最小二乘算法对光谱进行反演得到；温度T的单位为开尔文，压强P的单位为百帕，N_A为阿伏伽德罗常数，计算时取常值6.02×10²³，R为理想气体常数，L的单位为千米；

(2)根据气象监测模块中的风向风速传感器提供的实时风向数据，利用正弦定理确定道路交通源观测范围M，具体计算公式如下：

其中，M的单位为千米，为观测时期平均风向和道路方向的夹角，θ为仪器观测方向和道路方向的夹角；

(3)将仪器得到的观测方向与参考方向污染物的光路总浓度结合气象监测模块中获得的风向风速数据，计算道路污染物排放通量；

①计算两观测方向污染物浓度差值：

dPTC＝PTC_tar–PTC_ref； (3)

光路总浓度定义为PTC，PTC_tar为污染物方向光路总浓度，PTC_ref为参考方向观测到的范围污染物光路总浓度，dPTC为差分光路总浓度，单位均为molec(cm)^-2即分子数/平方厘米；

②计算垂直方向污染物总浓度VTC：

将得到的垂直风速确定为所观测道路交通源范围内污染物总量扩散速度，而上述得到的差分光路总浓度dPTC可通过几何近似的方法转为垂直总浓度VTC：

VTC＝dPTC·sin(α)； (4)

其中，垂直总浓度VTC和差分光路总浓度dPTC的单位都为分子数/平方厘米，α为观测仰角；

③道路交通源污染物排放通量E：

先计算垂直于参考方向即道路机动车行驶方向的风速：

V_⊥表示垂直参考方向的风速，为观测时间范围内平均风速，和V_⊥的单位均为米/秒；

将得到的VTC和风速值V_⊥相乘，即求出道路交通源污染物排放通量E：

E＝V_⊥·VTC； (6)

E为排放通量，单位为molec(ms)^-1。

2.根据权利要求1所述的遥测系统,其特征在于，所述计算分析模块还包括单车污染物排放量：利用道路交通信息采集模块中摄像头得到视频信号交由DSP信号处理器处理，获取观测机动车数量及其运行情况，得到测量时间段内不同种类汽车通过数量，结合重型车与轻型汽车污染物标准排放量之比为k，得出单车污染物排放表达式如下：

E₁为目标时间段内轻型汽车单车排放量，E₂为目标时间段内重型柴油汽车单车排放量，E为计算出的道路总排放通量，在时间段内重型柴油车通过量为m，轻型汽车通过量为n。