发明内容

为了克服现有问题，本发明的目的在于提供一种能够对道路交通源机动车辆污染进行实时、定量计算的遥测系统。

本发明提供的对道路交通源污染实时、定量遥测系统,通过两个方向的同时观测得到的测量的差值定量计算特定道路区域内的道路交通源带来的二氧化氮等污染。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，可以获得二氧化氮等污染物的浓度值；

所述云台模块，包括仰角电机和方位角电机；其中可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，本发明的遥测系统，需放置在上风向一端，可以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；并且两个方向都要确保在有效光程L范围内没有对光路形成阻碍的遮挡物。

本发明的遥测系统，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，用于实时计算道路交通源污染物排放通量。

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，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；

(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；

(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)有效光光路长度L的计算：

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，有效光程L可以通过温度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，取常值8.3145J·mol^-1·K^-1，L的单位为千米。

(2)道路交通源观测范围M的计算：

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)道路污染物排放通量的计算：

结合光路总浓度与风向风速数据，实现对道路范围交通源污染物排放通量的计算：

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，污染物方向光路总浓度定义为PTC_tar，参考方向观测到的范围污染物光路总浓度设为PTC_ref，dPTC为差分光路总浓度，单位皆为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，可取为30°，因为在实际使用中30°可以很好实现垂直总浓度和光路总浓度的转换，且在避免建筑物遮挡的同时保证可以合理地反映近地面道路气态污染物的排放；

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，即可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；

④计算单车污染物排放量：

根据交通参数采集模块中摄像头得到视频信号，由DSP信号处理器处理可获取观测机动车数量及其运行情况，得到特定时间段不同种类汽车通过数量，再通过本时间段内污染物排放通量可计算不同种类单车污染物排放影响，假设在时间段内重型柴油车通过量为m，轻型汽车通过量为n，根据环境保护部、国家质检总局发布《重型柴油车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》与《轻型汽车污染物排放限值及测量方法(中国第六阶段)》，其中重型车与轻型汽车污染物标准排放量之比为k，则单车排放表达式如下所示：

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。

本发明提供的道路交通源污染实时、定量遥测系统，基于超光谱分析技术同时获得二氧化氮等机动车主要污染气体通量，实现道路机动车污染通量的遥测定量计算，并对于道路上每辆行驶的汽车排放进行细化计算；丰富了区域道路交通源监测手段，提高了道路交通源大气污染监控效率。

本发明优点在于：

(1)满足特定时段对道路交通源污染观测的需求，观测灵活性强；

(2)本发明方法操作简便易行，仪器可移动性强；

(3)通过搭建从观测设备到远程数据处理终端的整个系统，形成从数据采集到数据处理终端的整体流程，可实现实时观测结果的获取。