機(jī)動(dòng)車尾氣紫外差分檢測(cè)儀算法革新研究

段繼偉，付志勇，趙 軍，鐘守君

(中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院,四川 成都 610021)

燃油機(jī)動(dòng)車通過(guò)燃燒輕烴混合物(如汽油、柴油等)獲得動(dòng)力，而成品汽油、柴油除含有復(fù)雜的輕烴混合物外，還包括諸多的爆燃抑制劑、穩(wěn)定劑、助燃催化劑、氣缸養(yǎng)護(hù)劑等，這就導(dǎo)致成品汽油、柴油在燃燒過(guò)程中除發(fā)生C、H等元素的燃燒氧化反應(yīng)外，還會(huì)發(fā)生S、N等元素的燃燒氧化反應(yīng)，生成NOx、SOx等酸性氣體和HxNy等氨類氣體[1]。在當(dāng)今全球機(jī)動(dòng)車保有量超過(guò)60億輛、中國(guó)機(jī)動(dòng)車保有量超過(guò)3億量的今天，對(duì)機(jī)動(dòng)車尾氣中含N、S成分進(jìn)行充分檢測(cè)，確保汽車尾氣污染被控制在可接受范圍內(nèi)，是當(dāng)前環(huán)保工程的重要工作目標(biāo)。

當(dāng)今氣體成分檢測(cè)方法中，氣相質(zhì)譜儀顯然是最有效的檢測(cè)設(shè)備，但質(zhì)譜儀價(jià)格昂貴，操作難度大，并不適用于面向全國(guó)3億輛機(jī)動(dòng)車逐年逐一檢測(cè)需求，通用氣相色譜儀也因?yàn)椴僮麟y度較大，需要采集氣樣后在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)，所以也難以滿足要求。因此車輛管理機(jī)構(gòu)亟待一種便攜式的現(xiàn)場(chǎng)機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)手段，由此基于色譜分析的機(jī)動(dòng)車尾氣檢測(cè)專用紫外差分檢測(cè)儀應(yīng)運(yùn)而生[2]。

本文將對(duì)紫外差分檢測(cè)儀進(jìn)行技術(shù)升級(jí)研究，研發(fā)一種全新的機(jī)動(dòng)車尾氣專用紫外差分檢測(cè)儀。

1 紫外差分檢測(cè)儀的基本原理

1.1 光學(xué)系統(tǒng)的基本架構(gòu)

紫外差分干涉儀包括光學(xué)系統(tǒng)和微電腦系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)是在光密客體內(nèi)布置一個(gè)紫外激光光源設(shè)備，激光束經(jīng)過(guò)分光器分光后，其中一路作為參照光束直接反射入干涉鏡，另一路作為工作光束穿過(guò)氣樣室經(jīng)過(guò)干涉鏡與參照光束進(jìn)行干涉，最終將干涉條紋投射在CMOS投屏系統(tǒng)上轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。微電腦系統(tǒng)采集投屏電信號(hào)后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，最終輸出機(jī)動(dòng)車尾氣中的S、N含量，單位為mol/L。光學(xué)系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 紫外差分檢測(cè)儀光學(xué)系統(tǒng)工作原理圖

圖1中，紫外差分檢測(cè)儀主要利用機(jī)動(dòng)車尾氣對(duì)紫外線的吸收效應(yīng)，使工作光束光強(qiáng)下降從而影響干涉結(jié)果。其影響傳導(dǎo)機(jī)制如式(1)所示：

(1)

式中：I(λ)為特定波長(zhǎng)下的吸收強(qiáng)度；λ為紫外線的波長(zhǎng)；σi(λ)為氣樣室內(nèi)第i種氣體分子在波長(zhǎng)λ上的吸收截面系數(shù)；ci為氣樣室內(nèi)第i種氣體的摩爾濃度；L為氣樣室的通光長(zhǎng)度；I0(λ)為激光器發(fā)射激光時(shí)在波長(zhǎng)λ上的光強(qiáng)；ζ(λ)為分光器在波長(zhǎng)λ上的光強(qiáng)分光比。

對(duì)紫外差分儀設(shè)備來(lái)說(shuō)，I0(λ)、ζ(λ)和L為常數(shù)，同時(shí)受到原子物理光學(xué)特征影響，σi(λ)也為常數(shù)，所以此模型下影響最終結(jié)果的變量?jī)H為ci，即被測(cè)量機(jī)動(dòng)車尾氣的氣體成分直接影響最終測(cè)量結(jié)果。但在此模型下，如果單純依靠對(duì)干涉條紋的變化程度進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，無(wú)法有效區(qū)分S、N元素成分的占比，也無(wú)法排除其他的紫外吸收氣體對(duì)結(jié)果的影響，因此必須采用深度數(shù)據(jù)挖掘法，才可以獲得更精確的數(shù)據(jù)結(jié)果[3]。

1.2 工作波長(zhǎng)的選擇

光譜學(xué)中，將10～400 nm波長(zhǎng)的電磁波定義為紫外線，并計(jì)算其原子理論吸收波長(zhǎng)。原子理論吸收波長(zhǎng)λ的計(jì)算公式為：

λ=c·h/ΔE

(2)

式中：ΔE為電子在不同軌道上躍遷產(chǎn)生的能量差值；c為光速常數(shù)，一般取299 792 458 m/s；h為普朗克常數(shù)，一般取6.626 075 5×10-34J·s。

根據(jù)活躍電子軌道分布情況，得到S元素的強(qiáng)吸收波長(zhǎng)為180～190 nm，在此區(qū)間有10條密集分布的強(qiáng)吸收波長(zhǎng)，其中最強(qiáng)吸收波長(zhǎng)為181.975 nm，而N元素有2條強(qiáng)吸收波長(zhǎng)，分別為183.617 nm和188.624 nm，干擾元素O的最小吸收波長(zhǎng)為201.660 nm，干擾元素H的最小吸收波長(zhǎng)為369.155 nm；C元素在此區(qū)間不存在強(qiáng)吸收波長(zhǎng),臨近該區(qū)間的強(qiáng)吸收波長(zhǎng)為176.027 nm和193.030 nm，且193.030 nm為其理論最強(qiáng)吸收波長(zhǎng)，所以激光器發(fā)光波長(zhǎng)應(yīng)以181.975 nm和183.617 nm為主要檢測(cè)波長(zhǎng)，嚴(yán)格控制193.030 nm波長(zhǎng)的輻射量[4]。 激光器波長(zhǎng)控制曲線如圖2所示。

圖2 激光器波長(zhǎng)選擇示意圖

圖2中,采用雙頻激光器發(fā)射181.975 nm和183.617 nm兩個(gè)波長(zhǎng)的雙頻激光實(shí)現(xiàn)對(duì)S元素和N元素的測(cè)量。此時(shí)，該波長(zhǎng)激光的吸收度影響對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)激光光度吸收強(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)結(jié)果：

A(λ)=E(λ)·r·L

(3)

式中：A(λ)為特定波長(zhǎng)λ下的吸收度；E(λ)為特定波長(zhǎng)λ下的吸收系數(shù)；r為被測(cè)物質(zhì)的濃度。

式(3)與式(1)結(jié)構(gòu)相近，因?yàn)樽贤獠罘謾z測(cè)儀的本質(zhì)工作是根據(jù)干涉光譜測(cè)定A(λ)，所以將式(1)代入式(3)可得：

(4)

當(dāng)激光光源的發(fā)射頻率范圍足夠小時(shí)，在不同氣體組分條件下的測(cè)量誤差可以控制在較小范圍內(nèi)，故式(4)可以看作式(1)在紫外激光差分檢測(cè)儀中的簡(jiǎn)化表達(dá)。

2 紫外差分檢測(cè)儀的微電腦系統(tǒng)設(shè)計(jì)

假定CMOS傳感器的分辨率為640 pix×480 pix，即其實(shí)際微電腦系統(tǒng)導(dǎo)入矩陣為3 076 800 pix的數(shù)據(jù)量，為8位雙通道位圖深度數(shù)據(jù)，該CMOS并非傳統(tǒng)的三色CMOS，而是設(shè)定相應(yīng)波長(zhǎng)分別為181.975 nm和183.617 nm的高解析度特制CMOS。系統(tǒng)讀取兩個(gè)矩陣，其中RS為181.975 nm陣列數(shù)據(jù)，RN為183.617 nm陣列數(shù)據(jù)，二者陣列規(guī)模均為640 pix×480 pix。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 卷積降維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般實(shí)現(xiàn)模式圖

歸一化過(guò)程使用Z-Score累加值算法，即：

(5)

行輸入模塊與列輸入模塊的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義是將輸入的(m+n)個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，形成2個(gè)Double格式的輸出數(shù)據(jù)，所以其節(jié)點(diǎn)函數(shù)依照多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，中央模塊的統(tǒng)計(jì)學(xué)意義是在2個(gè)輸入數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步降維處理，形成1個(gè)Double格式的輸出數(shù)據(jù)，所以其節(jié)點(diǎn)函數(shù)同樣采用多項(xiàng)式函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。行、列輸入模塊的隱藏層結(jié)構(gòu)為典型的降維型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，采用逐層降維壓縮的思路，將m，n個(gè)輸入節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，逐步壓縮到1個(gè)Double型變量中。中央模塊的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)屬于數(shù)據(jù)整理型結(jié)構(gòu)，在2個(gè)輸入數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，形成1個(gè)輸出數(shù)據(jù)。上述3個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊的設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊設(shè)計(jì)參數(shù)匯總表

傳統(tǒng)的氣相色譜法氣體成分檢測(cè)，其原理為采用分光鏡在白光條件下進(jìn)行色散并測(cè)量吸收波譜波長(zhǎng)。因?yàn)樯窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)在應(yīng)用過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部待回歸系數(shù)Aj的偏移，所以有必要定期對(duì)儀器進(jìn)行校準(zhǔn)，即對(duì)儀器微電腦系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)充訓(xùn)練。

一般條件下，每測(cè)量50～60個(gè)尾氣氣樣后，將儀器帶往尾氣污染較輕的位置，然后帶出車管所停車場(chǎng)空白地，或通過(guò)攜帶比樣氣瓶進(jìn)行充氣校驗(yàn)，校驗(yàn)值可設(shè)定為：S含量為0%，N含量為75%[5]。

3 儀器的應(yīng)用效果實(shí)測(cè)分析

3.1 儀器測(cè)量精度的變化

在對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行初期訓(xùn)練時(shí)，發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可在訓(xùn)練300～400個(gè)氣樣后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)收斂，因此采用實(shí)驗(yàn)室人工合成的尾氣氣樣進(jìn)行測(cè)試，并與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，測(cè)定其不同使用周期下的精度變化，如圖4所示。

圖4 儀器測(cè)量精度的變化

圖4中，不進(jìn)行校準(zhǔn)的前提下，儀器使用30次時(shí)，其測(cè)量精度仍可保持在98%以上，使用40次以后，其精度開(kāi)始出現(xiàn)較陡下降沿，但使用50次時(shí)，其測(cè)量精度仍可保持在90%以上，所以建議該儀器在使用50～60次后，應(yīng)進(jìn)行一次比樣校準(zhǔn)，以提升儀器精度。

因?yàn)閱渭兪褂?值校準(zhǔn)法無(wú)法完全恢復(fù)儀器的測(cè)量精度，所以按照每使用50次進(jìn)行一次校準(zhǔn)，考察其校準(zhǔn)后的首次測(cè)量精度變化情況，如圖5所示。

圖5 儀器校準(zhǔn)后首次測(cè)量精度的變化

圖5中，該儀器經(jīng)過(guò)15次0值校準(zhǔn)后，首次測(cè)量精度出現(xiàn)較陡下降沿。第15次0值校準(zhǔn)后，首次測(cè)量精度為98.3%，而第25次0值校準(zhǔn)后，首次測(cè)量精度為97.1%。因此，儀器進(jìn)行20～25次0值校準(zhǔn)后，應(yīng)進(jìn)行一次全面校準(zhǔn)，使用實(shí)驗(yàn)室內(nèi)300～400個(gè)標(biāo)準(zhǔn)仿真氣樣進(jìn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練。

3.2 與常規(guī)尾氣測(cè)量?jī)x的性能比較

將紫外差分檢測(cè)儀(下文稱本文設(shè)備)與市面上機(jī)動(dòng)車尾氣S、N含量尾氣檢測(cè)儀器進(jìn)行比較，精度比較結(jié)果見(jiàn)表2。其中比較設(shè)備A采用基于多項(xiàng)式回歸模型的剛性數(shù)據(jù)分析算法，比較設(shè)備B采用模糊多列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。

表2 該設(shè)備與常規(guī)尾氣測(cè)量?jī)x器的性能比較表

表2中，從精度下降速率來(lái)看，本文設(shè)備采用的卷積降維神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法顯著優(yōu)于比較設(shè)備B采用的模糊多列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法。比較設(shè)備A的優(yōu)勢(shì)在于無(wú)需在多次使用后對(duì)設(shè)備進(jìn)行重新校準(zhǔn)，但其初期測(cè)量精度明顯比本文設(shè)備及比較設(shè)備B低。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)基于精度持久性實(shí)驗(yàn)的精度分析，建議該設(shè)備每測(cè)量50～60個(gè)氣樣需要進(jìn)行一次0值校準(zhǔn)，每進(jìn)行20～25次0值校準(zhǔn)，需要重新對(duì)其神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)訓(xùn)練，即進(jìn)行一次全面校準(zhǔn)。本文設(shè)備經(jīng)過(guò)全面校準(zhǔn)后的初次測(cè)量精度，顯著優(yōu)于2種采用成熟技術(shù)的比較設(shè)備，且其在不進(jìn)行全面校準(zhǔn)的條件下，測(cè)量精度下降率顯著優(yōu)于采用模糊多列神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的比較設(shè)備B。