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机动车尾气垂直遥测技术研究及光谱处理算法设计

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摘要

第1章绪论

1.1机动车尾气检测的意义

1.2机动车尾气常用检测方法

1.2.1台架测试

1.2.2车载尾气检测设备(PEMS)

1.2.3简易工况法

1.3超标排放机动车监管现状

1.4 CO、CO2形成机理及危害

1.5机动车尾气CO、CO2组分光学遥测方法的研究

1.5.1基于非分散红外的机动车尾气道边遥测系统

1.5.2基于可调谐红外激光差分技术的道边机动车尾气遥测系统

1.5.3垂直式机动车尾气遥测系统原理

1.6本文主要研究内容

第2章机动车尾气垂直遥测技术研究

2.1 气体分子的吸收光谱理论

2.1.1气体分子的运动形式

2.1.2气体分子吸收谱的位置

2.1.3气体分子吸收光谱强度

2.1.4吸收线型

2.2 CO、CO2遥测原理

2.3 CO、CO2吸收光谱谱线选择

2.4反射面反射系数研究

2.5燃烧方程

2.6机动车尾气烟羽特征研究

2.7本章小结

第3章单光谱吸光度曲线快速重构算法研究

3.1 Voigt函数重构模型研究

3.1.1高斯-埃尔米特积分法(Gauss-Hermite)

3.1.2归一化洛伦兹重构模型

3.1.3三角替代重构模型

3.2 Levenberg-Marquardt算法

3.3积分吸光度计算方法的验证与分析

3.3.1 CO吸收光谱吸光度曲线重构结果分析

3.3.2不同重构方法归一化拟合残差的比较

3.3.3三种重构方法的统计特性

3.3.4三角替代重构法计算耗时的优化结果

3.3.5不同重构方法的系统精度比较

3.4本章小结

第4章吸收光谱降噪算法研究

4.1光谱噪声及信噪比

4.2.1数字平均

4.2.2中值平均滤波

4.2.3小波变换

4.3 Savitzky-Golay平滑滤波算法

4.4自适应层进式Sayitzky-Golay平滑滤波算法设计

4.4.1自适应层进式S-G算法原理

4.4.2 CO吸收光谱层进式降噪效果分析

4.4.3 CO2吸收光谱层进式S-G滤波效果分析

4.5降噪算法性能分析

4.6本章小结

第5章机动车尾气遥测系统的上位机软件实现

5.1软件总体结构

5.2光谱数据采集模块

5.3光谱处理及浓度反演算法模块实现

5.4参数设置模块

5.5本章小结

第6章垂直式机动车尾气遥测系统的现场应用

6.1.1系统结构

6.1.2光机结构的设计

6.1.3主要器件选型

6.2系统的标定

6.2.1多组分自动配气系统的实现

6.2.2系统标定方法

6.3系统性能验证

6.3.1检测精度

6.3.2响应速度

6.3.3检测限

6.4外场实验

6.4.1实验用车及对比实验仪器

6.4.2怠速状态实验结果

6.4.3车辆不同工况下实验结果

6.4.4缓速通过遥测系统实验结果

6.4.5常速通过遥测系统实验结果

6.5本章小结

第7章总结与展望

参考文献

致谢

作者博士期间学术论文及其他研究成果

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摘要

伴随着国家经济的飞速发展和人民生活水平的不断提高,中国机动车保有量日益增多,机动车尾气排放已经成为大气主要的移动污染源。研究表明,在机动车污染总量中,超标排放机动车占据了较大比重。因此,发展机动车尾气排放快速检测设备,实现道路行驶超标排放机动车快速识别,对机动车尾气排放监管具有重要的意义。 论文针对道边机动车尾气水平遥测设备存在的多车道相互干扰问题,开展了机动车尾气垂直遥测技术与光谱处理算法设计的研究,论文完成的主要研究工作如下: (1)叙述了机动车尾气排放的检测方法,分析了机动车尾气CO、CO2道边水平遥测系统和垂直式遥测系统的原理及特点,说明了垂直式遥测技术系统可拓展为多车道这一优势,并分析了垂直式遥测技术系统需要研究的关键问题。 (2)详细描述了可调谐半导体激光吸收光谱技术原理,搭建了机动车尾气排放遥测实验系统,通过实验测量了遥测系统中不同反射材料的激光回波信号;采用FLUENT软件仿真研究了机动车尾气烟羽扩散特征,分析了尾气浓度稀释比随测量点和尾气管之间距离的关系。 (3)优化设计了CO吸收光谱吸光度曲线的Voigt重构过程。提出了Voigt线型三角替代模型在吸收光谱中的应用,并与另一种快速重构模型——归一化洛伦兹模型及高斯-埃尔米特法对不同浓度的CO吸光度曲线进行比对。经实验分析得到结论:三角替代方法平均耗时为高斯-埃尔米特方法的15.81%,归一化洛伦兹方法平均耗时为高斯-埃尔米特方法的16.27%。 (4)提出了一种自适应层进式Savitzky-Golay平滑滤波算法,实现了自适应选取Savitzky-Golay算法的拟合阶数和滑窗大小。实验结果表明:自适应层进式Savitzky-Golay平滑滤波算法对带噪CO吸收光谱进行滤波后,吸收峰值最大误差由25.152%降至5.917%,积分吸光度最大误差由18.1%降至3.9%;对带噪CO2吸收光谱滤波后,吸收峰最大误差由12.76%降为4.72%,积分吸光度最大误差由8.49%降为4.12%。 (5)开发了机动车尾气垂直遥测系统控制和数据处理软件,实现了光谱的采集、滤波、浓度反演、数据显示与保存等功能。开展了系统的标定过程和性能参数实验,对不同车况的多台机动车尾气排放CO、CO2组分浓度的进行了遥测实验,与车载式CO、CO2浓度检测模块的检测结果进行了对比,并分析了不同工况下的机动车尾气CO、CO2排放规律。

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