燃油发动机的尾气成分检测对于发动机的状态判断、 环境污染监测等具有重要参考价值。 选择以95号汽油为燃料的除草机的发动机作为实验样机, 将发动机排出的尾气直接吹向拉曼积分球光谱仪信号采集焦点, 利用拉曼积分球光谱仪较高的气体检测限和定性、 定量检测所有分子类气体的特点, 对尾气中的气体分子成分进行检测。 探测到尾气的气体成分主要包括N2、 O2、 CO2、 CO、 未燃烧的汽油等。 以氮气振动(2 331 cm-1)的拉曼特征峰强度作为标准, 对O2(1 553 cm-1)、 CO2(1 285和1 388 cm-1)、 CO(2 144 cm-1)、 未燃烧的汽油(2 894 cm-1)的拉曼光谱强度进行归一化处理, 获得其相对拉曼特征峰强度。 对比发现, 空气和汽油挥发混合气的光谱中均未出现CO的特征峰, 汽油挥发混合气中的O2、 CO2含量与空气相比也没有明显变化, 而CO2费米共振峰1 388和1 285 cm-1拉曼特征峰的相对强度比发生变化。 除草机工作状态分为怠速、 一档和二档, 处于工作状态时, 尾气成分中的O2含量均比空气中含量低, 可以定量分析发动机工作过程中消耗的O2量。 而燃油发动机从怠速加速到一档和二档的过程中, 尾气中O2含量相对增加。 这是由于发动机档位的提升伴随着空气的进气量增大, 则参与发动机燃烧的氧气比例相对减少。 与此同时, 尾气中CO2含量相比于空气中的含量急剧增加, 说明燃油发动机工作过程会产生大量的CO2, 且随着档位的提升, 发动机的动力增加, 尾气中CO2比例也逐渐增高。 CO2作为导致温室效应的主要原因, 化石燃料的使用也是其主要来源之一。 数据显示尾气中CO的含量与尾气中汽油的含量成正相关, 说明燃烧不充分的时候, 汽油剩余较多, CO作为不充分燃烧的产物, 其含量也会增加。 随着发动机档位的增加, N2特征峰的绝对强度降低, 这是因为发动机尾气温度升高, 造成氮气的斯托克斯散射强度降低。 利用拉曼积分球光谱仪对不同状态下发动机尾气成分的变化进行分析, 并初步建立发动机状态与气体浓度变化的关系。 对拉曼积分球技术应用于燃油发动机尾气检测进行了初步探索并验证了其可行性。

工业园区中边界污染气体的浓度不仅受工业园区无组织污染源的排放影响, 也受园区道路机动车尾气的扩散影响。 利用AG-FTIR-DA3000型开放光程傅里叶变换红外光谱（Open-FTIR）测量系统, 对厂区边界污染气体进行实时在线测量, 确定污染气体厂界实测浓度。 同时, 针对机动车尾气扩散影响厂区边界污染气体浓度的问题, 通过AG-FTIR-DX4000型便携式傅里叶变换红外光谱（FTIR）测量系统, 确定不同排放标准下机动车尾气污染源浓度。 利用便携式FTIR测量结果、 风速风向、 大气稳定度、 车流量等变量因素建立参考坐标, 给出了高斯扩散的数理模型。 并结合Open-FTIR, 对Open-FTIR的测量路径进行积分计算并构建点线源扩散模型, 从而建立各种排放标准的烟团线源扩散表。 将Open-FTIR实测浓度与构建的点线源扩散模型模拟浓度相结合, 分析工业园区边界污染气体的来源。 结果表明: 厂区边界污染气体主要包括一氧化碳、 甲烷、 乙烯、 乙醛、 丙烯、 甲醇、 丙醛、 异丁烯、 甲醛、 二氧化硫, 其中一氧化碳、 甲烷、 乙烯浓度受机动车尾气的扩散影响。 早晚高峰期时, 机动车尾气的扩散对边界污染气体浓度影响较大; 非高峰期, 在1:00时与4:00—6:00时浓度骤升, 出现高浓度点, 不符合机动车尾气模型排放规则, 主要受园区排放影响。 其最高浓度与集中浓度分别为: 5.50与4.00 mg·m-3; 1.85与1.60 mg·m-3; 78.00与40.00 μg·m-3。 对比扩散表, 符合尾气扩散浓度分布结果。 其他测量结果组分的最高值和平均值依次为: 1.65与1.40 mg·m-3; 2.60与1.27 mg·m-3; 43.53与11.40 mg·m-3; 310.23与839.05 μg·m-3; 76.32与38.96 μg·m-3; 47.70与25.20 μg·m-3; 1.33与1.16 mg·m-3。 该研究不仅实现了工业园区边界多组分污染气体的实时在线测量, 同时结合外场环境及便携式FTIR测量结果实现了边界污染气体浓度的混合测定。 为今后对工业园区边界污染气体的来源判断提供了一种分析思路。

机动车运行工况复杂多变, 排放的尾气成分浓度范围跨度大。利用常规光学方法检测尾气中污染成分的浓度时, 由于受限于光学气池的结构固定和系统对光电微弱信号的检测极限, 因此待测气体的量程和精度范围都受到很大限制。基于朗博比尔定律, 在待测气体浓度变量上增加指数因子修正, 可以在不降低测量精度的同时, 实现尾气 CO、CO2 大量程检测。用标准气体对便携式机动车尾气检测装置进行标定实验, 结果表明, 传统的线性修正方法得到的 CO 拟合度为 0.988, CO2 拟合度为 0.998; 而增加了非线性修正因子后得到的 CO 拟合度为 0.999, CO2 拟合度为 0.999。进一步外场对比实验表明, 修正后的仪器测量结果与同类先进仪器的一致性较好, 柴油车实验拟合度为 0.93, 汽油车拟合度为 0.95, 验证了非线性修正方法的必要性和实用性。

针对污染气体监测系统中机动车尾气排量计算问题, 提出了基于光流法的气体排量计算模型。该方法先通过红外相机获取多帧气体图像序列, 再经过光流法处理得到气体羽流一段时间之内的光流速度场矩阵, 最后与二维气体浓度图相结合处理得到气体瞬时排量。经过使用不同的光流法进行实验对比可知Farneback光流法在该模型中的适应性更好, 能够得到更好的处理效果, 该光流法计算得到的气体排量拟合度最大达到了93%, 并且在保证处理精度的同时运算速度也优于Lucas-Kanade光流法和Horn-Schunck光流法, 在低排放速度和高排放速度的气体排量计算中也有更好的稳定性。该方法为非接触式气体监测提供了新的思路。

随着汽车排放标准的提高, 相关VOC标准从总烃检测变为非甲烷碳氢化合物(NMHC)检测; 随着含氧燃料的增加, 增加了非甲烷有机气体(NMOG)测量。 针对国内汽车尾气分析仪分析组分单一、 精度有限、 VOCs检测过程复杂等问题, 提出了基于便携式FTIR的机动车尾气检测方法, 基于立体角镜优化FTIR光学系统结构, 提高动镜扫描速度, 设计便携式且满足抗振动需求的快速FTIR光谱仪。 FTIR红外光源输出波段范围为2～20 μm, 分辨率为0.5 cm-1, 扫描速度1 Hz, 气体池光程为10 m, 采用斯特林探测器, 其光谱响应范围为600～6 000 cm-1。 选择CH4, C2H2, C2H4, C2H6, C3H6, n-C5H12, i-C5H12, C7H8, HCHO, C2H5OH, CH3CHO这些典型HC化合物作为VOC气体检测的替代物。 通过标准谱确定尾气成分的波段为900～1 100和2 700～3 100 cm-1, 涵盖所有待测气体吸收波段。 基于AVL台架测试, 开展NEDC和WLTC工况实验测试, 测试车辆为丰田威驰, 测试油品为92号国五。 便携式FTIR采用抽取方式进行尾气测量, 原始的废气样本来自安装在排气管延长部分的多孔探头, 前端安装样气取样装置, 主要包括颗粒物过滤和除水汽装置, 以防止污染FTIR光学系统。 实验表明FTIR可以有效快速测量汽车尾气中CO, CH4, NO和主要HC化合物, 在FTIR检测限0.5 μmol·mol-1下会引入噪声信号, 浓度可信度降低。 通过分析可以看出输出气体平均浓度降级排列依次是: CO, C2H4, CH4, NO, i-C5H12, C2H6, C7H8, n-C5H12, C2H5OH, CH3CHO。 从3个循环的NEDC工况可以看出, 每种气体排放呈现一致的规律性变化。 针对CO进行了SEMTECH-DS与FTIR测量数据的时间序列比较, 结果呈现了较好的规律一致性, 但是由于FTIR和SEMTECH-DS测量技术和取样稀释系统不同导致二者浓度差异较大。 与传统尾气检测技术相比, 便携式FTIR测量系统对瞬态事件有良好的响应, 可以在线进行多组分浓度实时测量获取机动车的瞬时排放数据, 在满足新规测试要求下, 也可以为后期的机动车在实际道路上的排放特征分析和模拟提供可靠的数据支持。

建设城市路网机动车尾气遥测系统可实现对城市区域在路车辆尾气排放状况的全面监控, 而在遥测系统中, 尾气遥测设备在路网中的布设位置直接影响设备的监测效果, 因此设备的布点选址问题是遥测系统构建的关键之一。针对该问题, 提出基于路网拓扑的遥测设备布点策略。在该方法中,首先建立了这一问题的数学模型, 并借助交通路网图线图的可达矩阵来描述路段之间的连接程度, 进而使用基于二重结构编码的遗传算法来求解模型。实验研究结果表明, 相对于传统的布点方案, 本文所提出的布点策略可截获更多数量的个体车辆。

针对D4114B型柴油机排放尾气中的CO2气体开展测量研究，计算分析气体的体积分数以及温度。文中以可调谐半导体激光器吸收光谱(Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS)技术原理为基础，利用MATLAB中SIMULINK库中的各个模块，模拟尾气测量的实际过程。仿真结果显示，在模拟柴油机排放环境下，待测量气体CO2的温度仿真相对误差为0.03%。利用船用D4114B型柴油机进行验证实验，在其排气管上增添可视化窗口并安装相应测试系统，利用以半导体为工作介质的可调谐激光器作为激光光源，开展尾气排放中CO2气体温度的在线测试研究，测试相对误差小于4%。由上述研究结果可知，本文中利用SIMULINK搭建的模型所测得的温度值与实际柴油机尾气排放过程中的温度相差较小，因此，其仿真结果能够对柴油机排气测温提供一定的参考。

为了研究机场排放对环境大气的影响,在2014年12月10日到16日,采用掩日通量遥测傅里叶红外技术(SOF-FTIR)对北京首都国际机场的乙烯(C2H4)、 己烷(C6H14)和一氧化碳(CO)排放进行了研究。分析了三种组份的特征浓度值及其变化趋势,结果表明三者的特征浓度值变化趋势上具有高度相关性；机场乙烯的平均柱浓度为13.18 ppm, 己烷的平均柱浓度为97.82 ppm, 一氧化碳的平均柱浓度为3065.56 ppm。通过结合国际民航组织发布的测量数据,得到该机场乙烯和己烷的排放量分别达到碳氢化合物排放总量的3.32%和66.96%。 文章结果表明,掩日通量遥测FTIR技术与ICAO的数据具有较好的一致性,为评估飞机排放提供数据支撑。

可调谐半导体激光吸收光谱技术（TDLAS）利用半导体激光器的可调谐和窄线宽特性, 通过选择特定气体的单条吸收线, 排除其余气体的干扰, 可以实现高精度、 高选择性的气体浓度测量, 在气体浓度检测系统中具有广泛的应用前景。 在不同的应用条件和环境下, 需要解决相应的硬件和数据处理方面的技术问题。 主要研究TDLAS技术机动车尾气CO组分浓度遥测系统中的光谱数据处理问题, 该系统利用路面漫反射回波信号遥测行驶中的机动车尾气CO组分浓度。 由于激光扫描光谱回波信号受到漫反射面情况变化、 空气环境变化、 尾气湍流影响等因素影响, 探测器收集到的信号不仅较弱同时也夹杂着多种噪声, 即测量光路信噪比较差, 故提出一种自适应层进式Savitzky-Golay(S-G)平滑滤波算法, 实现了对光谱进行滤波处理从而更加准确地反演CO浓度。 S-G滤波算法因其原理简单、 功能强大、 只需设置两个参数（窗口大小、 拟合阶数）等优点, 已广泛应用于光谱处理。 如何正确设置S-G算法参数使滤波效果在去噪不足和过度滤波之间找到平衡点, 是该滤波算法应用的一大难题。 设计的检测系统中, 测量光路光谱信号为非平稳信号, 噪声和有效信号幅度时变, 最佳窗口大小和多项式阶数随信号动态而变化, 且变化区间较大, 使用固定参数的S-G滤波器难以达到最佳效果。 提出的自适应层进式S-G平滑滤波算法, 通过逐层将测量光路光谱信号经过S-G滤波后, 与参考光路的光谱信号设置的参考段比对信号相关系数和信号一阶导相关系数的和, 以自适应得到逐层最优参数。 通过对信噪比从981～2977的10组不同带噪光谱分析验证了该算法的有效性, 自适应层进式S-G算法能较好地去除噪声并还原带噪信号所携带的待测气体浓度信息, 与带噪光谱对比, 吸收光谱峰值最大误差由25152%降至5917%, 积分吸光度最大误差由181%降至39%。 在实现的系统中, 使用自适应层进式S-G算法对测量光路进行滤波处理, 并对不同车型、 不同排量、 燃烧不同油品的机动车在怠速和缓速通过(5 km·h-1)系统时其排放的CO浓度进行实时在线监测。

分析了温度、湿度、压力对预处理后尾气CO浓度测量的影响, 提出一种机动车尾气CO检测神经网络多环境因子在线修正算法, 首先采用尾气样本数据离线训练得到BP神经网络模型, 然后将实时测得的样品气温度、湿度、压力及小数吸收值代入到模型进行在线修正, 得到修正后CO浓度, 解决了NDIR传感器因环境变化所带来的测量误差影响。通过标样实验、模拟实验, 并和SEMTECH-EcoStar对比检测结果, 在样品气温度30～50 ℃、相对湿度25～40%、压力95～115 kPa、CO浓度0～0.2%范围内的最大相对偏差为4.8%。车载外场实验, 得到修正因子在0.8～1之间, 验证了方法的必要性和可靠性, 为机动车尾气的CO浓度的准确检测提供有效技术支持。