CN102879106B - 一种102f傅立叶光谱仪的适配器及使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种102F傅立叶光谱仪的适配器及使用方法，所述适配器包括双截嵌套黑体筒，分为小截黑体筒（1）和大截黑体筒（2）；其中，所述小截黑体筒（1）的一端与102F傅立叶光谱仪物镜匹配，使物镜进入而无丝毫漏光；所述小截黑体筒（1）的另一端与大截黑体筒（2）上端匹配，固定连接后无丝毫漏光；所述大截黑体筒（2）的下端装有尺寸扩展罩（3）。利用本发明的适配器及方法解决了现有技术中102F傅立叶光谱仪在测量低比辐射率的场合时误差偏大的问题，从而可以获取更准确的低比辐射率地物的比辐射率。
Description
技术领域
本发明涉及用于定量遥感研究与应用领域中的102F傅立叶光谱仪中的适配装置，具体地，是涉及一种102F傅立叶光谱仪的适配器及方法。
背景技术
102F傅立叶光谱仪是美国D&P公司生产的3-25微米红外光谱仪。原设计的地物比辐射率测量中被测地物的黑体温度的获取方法，是用该仪器直接测量的辐射温度进行模拟，此模拟值是近似值，仅适合高比辐射率地物的测量。不适合需要低比辐射率应用的科研、地质探矿和军事伪装反伪装等领域。
具体来讲，102F傅立叶光谱仪在测量比辐射率的方法中必须的一项数据是地物在实际温度下的黑体普朗克函数，即该地物在实际温度下的黑体光谱出辐射度的分布曲线。原102F傅立叶光谱仪获取该重要数据的方法是利用测量地物的辐射温度进行模拟，在实际温度下地物的黑体温度与辐射温度是不相等的。地物比辐射率越小两者的差值越大。因此，在测量高比辐射率的场合，例如植被和水体，原102F傅立叶光谱仪在测量比辐射率的方法所引起的误差在一般要求不甚严格的场合，尚且可以。然而，在测量低比辐射率的场合，原102F傅立叶光谱仪在测量比辐射率的方法所引起的误差就不可接受。
发明内容
针对上述现有技术中102F傅立叶光谱仪不能精确测量低比辐射率地物的缺陷，本发明的目的是提供一种102F傅立叶光谱仪的适配器及方法，运用假黑体原理，通过适配器直接测定低比辐射率被测物的黑体温度，从而获取科研、地质探矿和军事伪装反伪装等领域所需要的低比辐射率地物的比辐射率。
本发明目的之一的一种102F傅立叶光谱仪的适配器，包括双截嵌套黑体筒：为小截黑体筒1和大截黑体筒2；小截黑体筒1与大截黑体筒2均为中空筒体；
所述小截黑体筒1一端与102F傅立叶光谱仪物镜匹配连接，另一端与大截黑体筒2一端匹配连接，固定连接后无丝毫漏光；小截黑体筒1的轴线与大截黑体筒2的轴线位于同一直线上；
所述小截黑体筒1与102F傅立叶光谱仪物镜的匹配固定方式可为转式锁定；
所述大截黑体筒2一端与小截黑体筒1匹配连接，另一端设有尺寸扩展罩3，所述尺寸扩展罩3内放置被测物。
被测物与102F傅立叶光谱仪物镜之间的测距与所述小截黑体筒1的筒体径向横截面直径之比大于6。
所述大截黑体筒2和小截黑体筒1的筒体内壁设置为无光黑体，黑体筒等效比辐射率大于0.99。
所述大截黑体筒2内壁覆盖均匀涂覆有无光黑体漆，使黑体筒等效比辐射率大于0.99；优选辐射率大于0.99999；且在所述大截黑体筒2的筒体外壁覆盖有高反射率的银光漆；
所述大截黑体筒2的材质可选用隔热性能好，耐摩擦，而比重不要太大，即不要太重的材料，材料的导热率必须≤0.030W/mk，可选择低导热率的PVC。这里所述的低导热率是指热稳定性S≥20、导热率≤0.030W/mk。
所述小截黑体筒1包括筒体11和端帽12；所述端帽12通过螺纹或者卡扣方式与所述筒体11连接；所述端帽12为中空结构，102F傅立叶光谱仪物镜连接在所述端帽12处，物镜的轴线与所述大、小截黑体筒的轴线均在一条直线上。
由于本发明是通过上下拉动小截黑体筒1来调节观测距离的，所以小截黑体筒1的高度的确定是为了方便调节、适配102傅立叶光谱仪透镜的观测高度；小截黑体筒1下端的直径要大于102F傅里叶光谱仪的物镜在与小截黑体筒1下端同高度时的视场角的直径；
所述小截黑体筒1与大截黑体筒2的高度之和的范围为600毫米~900毫米，优选720毫米~840毫米；
所述大截黑体筒2的筒体径向横截面直径为150毫米或140毫米；所述小截黑体筒1的筒体径向横截面必须与所用光谱仪物镜匹配，直径为33毫米；
所述小截黑体筒1为黑色PVC材质制成，内壁喷涂中性黑体漆。
本发明目的之二为使用本发明的这种102F傅立叶光谱仪的适配器进行测试的方法，依次包括如下步骤：
步骤一，预处理：将所述小截黑体筒1与所述大截黑体筒2进行匹配，而无丝毫漏光；
待观测物体预处理：将所述适配器罩上待观测物体15分钟后进行试验；并遮挡适配器上太阳光，防止直射；
步骤二，实验步骤：开启装置并初始化后设置实验参数，进行预备性观测和高低温黑体的定标观测，在适配器下观测被测物体的黑体温度，被测物体采样观测，天空下行辐射测量，测定适配器的环境辐射，数据保存。
其中，被测物体采样观测与天空下行辐射测量相隔时间越短越好；
所述在适配器下观测被测物体的黑体温度的步骤为：
将102F傅立叶光谱仪物镜置于适配器上方，与小截黑体筒1一端进行匹配固定，固定连接而无丝毫漏光；套上大截黑体筒（2）以调节被测地物与102F物镜之间的测量距离；连接102F傅立叶光谱仪，进行测试；被测物与102F傅立叶光谱仪物镜之间的测距与所述大截黑体筒2的径向横截面直径之比大于6；所述测定适配器的环境辐射的步骤为：在被测物的位置放置金板，将适配器罩住金板，采样，保存数据文件对应于上面观测结果。
其中，所述采样即调整光谱仪的模式为F1-SAMPLE，再进行采样。
更具体地，本发明目的之二的使用本发明的这种102F傅立叶光谱仪的适配器进行测试的方法，依次包括如下步骤：
1.预处理：将所述小截黑体筒1与所述大截黑体筒2进行匹配，而无丝毫漏光；至少在观测之前15分钟，用所述适配器大截黑体筒2下端的尺寸扩展罩3罩上待观测物体；并用遮阳伞挡住太阳光，防止直射到所述适配器上；
2.开启装置并初始化：打开仪器，在102F傅里叶光谱仪的计算机部件中建立工作目录；启动批处理软件，设置工作路径；
3.设置实验参数：在102F傅里叶光谱仪显示屏的Instrument菜单下进行设置：Coadds(每次采样次数，用于计算平均值)，Resolution(分辨率设置)，Set ZeroFill(空值填充方法)，FFT（快速傅里叶转换）：默认设置为HANNING（平滑处理），Temperature control（温度控制设置）：人工设置黑体温度（环境温度）、冷黑体温度（低于环境温度15度）、热黑体温度（高于环境温度20度），仪器温度设置（设置为环境温度）；选择观测的参量：比辐射率，在102F傅里叶光谱仪显示屏的Process菜单下，选择emissivity（比辐射率）。
4.预备性观测：F1-Aquire功能中点开sample菜单，移开被测物上的适配器，进行一次被测物预备性观测。注意，防止先标定观测所出现的日期错误问题）。测量结束后，仪器会提示进行保存。这次观测仅是程序适应要求的预备性观测，观测后迅速将适配器罩在被测物的原来位置。
5.高低温黑体的定标观测:预备性观测结束后，开进行傅里叶光谱仪配置的高低温黑体的定标观测，旨在确定仪器的灵敏度。镜头向天顶方向旋转，在镜头上安装仪器配置的黑体源。打开Process菜单中calibriate instrument选项.进行黑体标定。首先标定冷黑体，等到状态栏显示温度和冷黑体温度差距很小且稳定时，进行冷黑体采样。然后，让黑体加热，等温度和拟定热黑体温度差距很小且不变化时。进行热黑体的采样。
6．在适配器下观测被测物体的黑体温度:将102F傅里叶光谱仪镜头下旋，在已经罩住被测物的适配器的小截黑体筒1的上端，将102F傅里叶光谱仪物镜迅速接上，调节小截黑体筒1插入大截黑体筒2中的深度，并作旋转锁定，进行被测物黑体温度的测量，保存结果并命名。
7．被测物体采样观测：移开适配器，对准被测物再进行一次正式测量，保存结果并命名。这次采样方法和第7步相同。此次作为被测物在自然的天空下行辐射下的观测结果。置换在第7步中的预备性测量数据。
8．天空下行辐射测量：在被测物位置放上102F傅里叶光谱仪配置的金板，在F1-aquire采集功能键下的将down welling radiance项打开。然后进行下行辐射采样。下行辐射时观测员不要移动，周围人员不要走动，远离仪器。
9．测定适配器的环境辐射：在被测物的位置放置金板，将适配器罩住金板。选择Process菜单中F1-SAMPLE选项，再进行采样。保存数据文件对应于上面观测结果。数据名需要明确。
10．黑体再次标定（该步骤可选）：再次对黑体进行仪器标定。第一种样品测量完成，重复3-9步骤。完成其他样品测量。
11．数据保存：所有观测完成后，退出软件，把文件复制到软盘里，方便后续处理。
经实际多次反复应用此适配器，可以方便精确获取低比辐射率地物的比辐射率波谱。用本发明的适配器和方法测量的结果，与实际理想（真值）的黑体光谱分布曲线相当一致，解决了现有技术中102F傅立叶光谱仪在测量低比辐射率的场合时误差偏大的问题，从而可以获取科研、地质探矿和军事伪装反伪装等领域所需要的低比辐射率地物的比辐射率。本发明的适配器结构简单、使用方便、造价低廉、便于携带；使用本发明的适配器及方法可以很好地解决现有技术中102F傅立叶光谱仪在测量低比辐射率的场合时误差偏大的问题，效果明显，适于推广运用。
附图说明
图1为本发明的适配器测量的结果与实际理想（真值）的黑体光谱分布曲线对比图；
图2为本发明的适配器的小截黑体筒和大截黑体筒水平放置装配正视图；
图3-1和图3-2分别为本发明的小截黑体筒水平放置时的正视图及俯视图；
图4-1和图4-2分别为本发明的大截黑体筒水平放置时的正视图及俯视图；
其中，1为小截黑体筒，2为大截黑体筒，3为尺寸扩展罩，11为筒体，12为端帽。
具体实施方式
实施例1
分别按现有技术中的102F傅立叶光谱仪的检测方法和本发明的检测方法分别测定铝板；得到的检测结果见图1；
其中，所用检测方法的具体步骤分别为：
现有技术中的102F傅立叶光谱仪的检测方法的具体步骤如下：
1．打开仪器，在其计算机部件中建立工作目录；
2．启动批处理软件；
3．设置工作路径；
4．设置参数：在102F傅里叶光谱仪显示屏的Instrument菜单下进行设置：Coadds(每次采样8次数，用于计算平均值)，Resolution(分辨率设置高)，SetZero Fill(空值填充方法)，设置FFT，（默认设置的是HANNING），温度控制设置Temperature control：人工设置黑体（环境温度），冷黑体（环境温度低15度），热黑体（高20度），仪器温度设置（设置为环境温度）。
5．选择观测的参量：比辐射率。在102F傅里叶光谱仪显示屏的Process菜单下，选择emissivity。
6．F1-Aquire功能中点开sample菜单，移开被测物上的适配器，进行一次被测物预备性观测。（注意，防止先标定观测所出现的日期错误问题）。测量结束后，仪器会提示进行保存。这次观测仅是程序适应要求的预备性观测，观测后迅速将适配器罩在被测物的原来位置。
7．备性观测结束后，进行傅里叶光谱仪配置的高低温黑体的定标观测，旨在确定仪器的灵敏度。镜头向天顶方向旋转，在镜头上安装仪器配置的黑体源。打开Process菜单中calibriate instrument选项.进行黑体标定。首先标定冷黑体，等到状态栏显示温度和冷黑体温度差距很小且稳定时，进行冷黑体采样。然后，让黑体加热，等温度和拟定热黑体温度差距很小且不变化时。进行热黑体的采样。
8．被测物体采样观测：取下102傅里叶光谱仪配置的高低温黑体，放回仪器黑体停放处。102傅里叶光谱仪镜头下旋，对准观测物再采样一次。这次采样方法和6相同。此次作为被测物在自然的天空下行辐射下的观测结果。放弃第6步观测数据。
9．天空下行辐射测量，在被测物位置，放置102傅里叶光谱仪配置的金板，首先采用热电偶点温计测量金板温度。在F1-aquire采集功能键下，将downwelling radiance项打开，输入测量的金板温度。然后进行下行辐射采样。下行辐射时观测员不要移动，周围人员不要走动，远离仪器。
10．黑体再次标定（可选）再次对黑体进行仪器标定。
第一种样品测量完成，重复5-10。完成其他样品测量。
11．所有观测完成后，退出软件，把文件复制到软盘里，方便后续处理。
本发明的使用适配器的102F傅立叶光谱仪的检测方法的具体步骤如下：
1.预处理：将所述小截黑体筒1与所述大截黑体筒2进行匹配，而无丝毫漏光；至少在观测之前15分钟，用所述适配器大截黑体筒2下端的尺寸扩展罩3罩上待观测物体；并用遮阳伞挡住太阳光，防止直射到所述适配器上；
2.开启装置并初始化：打开仪器，在102F傅里叶光谱仪的计算机部件中建立工作目录；启动批处理软件，设置工作路径；
3.设置实验参数：在102F傅里叶光谱仪显示屏的Instrument菜单下进行设置：Coadds(每次采样次数，用于计算平均值)，Resolution(分辨率设置)，Set ZeroFill(空值填充方法)，设置FFT，（默认设置的是HANNING），Temperature control（温度控制设置）：人工设置黑体温度（环境温度）、冷黑体温度低于环境温度15度）、热黑体温度（高于环境温度20度），仪器温度设置（设置为环境温度）；选择观测的参量：比辐射率，在102F傅里叶光谱仪显示屏的Process菜单下，选择emissivity（比辐射率）。
4.预备性观测：F1-Aquire功能中点开sample菜单，移开被测物上的适配器，进行一次被测物预备性观测。注意，防止先标定观测所出现的日期错误问题。测量结束后，仪器会提示进行保存。这次观测仅是程序适应要求的预备性观测，观测后迅速将适配器罩在被测物的原来位置。
5.高低温黑体的定标观测:预备性观测结束后，开进行傅里叶光谱仪配置的高低温黑体的定标观测，旨在确定仪器的灵敏度。镜头向天顶方向旋转，在镜头上安装仪器配置的黑体源。打开Process菜单中calibriate instrument选项.进行黑体标定。首先标定冷黑体，等到状态栏显示温度和冷黑体温度差距很小且稳定时，进行冷黑体采样。然后，让黑体加热，等温度和拟定热黑体温度差距很小且不变化时。进行热黑体的采样。
6．在适配器下观测被测物体的黑体温度:将102F傅里叶光谱仪镜头下旋，在已经罩住被测物的适配器的小截黑体筒1的上端，将102F傅里叶光谱仪物镜迅速接上，调节小截黑体筒1插入大截黑体筒2中的深度，并作旋转锁定，进行被测物黑体温度的测量，保存结果并命名。
7．被测物体采样观测：移开适配器，对准被测物再进行一次正式测量，保存结果并命名。这次采样方法和第7步相同。此次作为被测物在自然的天空下行辐射下的观测结果。置换在第7步中的预备性测量数据。
8．天空下行辐射测量：在被测物位置放上102F傅里叶光谱仪配置的金板，在F1-aquire采集功能键下的将down welling radiance项打开。然后进行下行辐射采样。下行辐射时观测员不要移动，周围人员不要走动，远离仪器。
9．测定适配器的环境辐射：在被测物的位置放置金板，将适配器罩住金板。使用F1-SAMPLE采样。保存数据文件对应于上面观测结果。数据名需要明确。
10．黑体再次标定（该步骤可选）：再次对黑体进行仪器标定。第一种样品测量完成，重复3-9步骤。完成其他样品测量。
11．数据保存：所有观测完成后，退出软件，把文件复制到软盘里，方便后续处理。
实验结果：
从图1可看到，用本发明的适配器及方法得到的铝板黑体辐射度分布曲线与真值非常接近，而用原仪器自带软件得到的铝板黑体辐射度分布曲线偏离真值。可见，利用本发明的适配器及方法解决了现有技术中102F傅立叶光谱仪在测量低比辐射率的场合时误差偏大的问题，从而可以获取更准确的低比辐射率地物的比辐射率。
Claims (10)
1.一种102F傅立叶光谱仪的适配器，其特征在于：包括双截嵌套黑体筒：为小截黑体筒(1)和大截黑体筒(2)；小截黑体筒(1)与大截黑体筒(2)均为中空筒体；
所述小截黑体筒(1)一端与102F傅立叶光谱仪物镜匹配连接，另一端与大截黑体筒(2)一端匹配连接；小截黑体筒(1)的轴线与大截黑体筒(2)的轴线位于同一直线上。
2.如权利要求1所述的一种102F傅立叶光谱仪的适配器，其特征在于：
所述大截黑体筒(2)另一端设有尺寸扩展罩(3)，所述尺寸扩展罩(3)内放置被测物。
3.如权利要求1或2所述的一种102F傅立叶光谱仪的适配器，其特征在于：
被测物与102F傅立叶光谱仪物镜之间的测距与所述小截黑体筒(1)的径向横截面直径之比大于6。
4.如权利要求1或2所述的一种102F傅立叶光谱仪的适配器，其特征在于：
所述小截黑体筒(1)和大截黑体筒(2)的筒体高度之和的范围为600毫米～900毫米；所述大截黑体筒(2)的筒体径向横截面直径为150毫米或140毫米；所述小截黑体筒(1)的筒体径向横截面直径为33毫米。
5.如权利要求1或2所述的一种102F傅立叶光谱仪的适配器，其特征在于：
所述小截黑体筒(1)包括筒体(11)和端帽(12)；所述端帽(12)通过螺纹或者卡扣方式与所述筒体(11)连接；所述端帽(12)为中空结构，102F傅立叶光谱仪物镜连接在所述端帽(12)处，所述物镜的轴线与所述小截黑体筒(1)、大截黑体筒(2)的轴线位在一条直线上。
6.如权利要求1或2所述的一种102F傅立叶光谱仪的适配器，其特征在于：
所述小截黑体筒(1)和大截黑体筒(2)的筒体高度之和的范围为720毫米～840毫米；所述大截黑体筒(2)的筒体径向横截面直径为150毫米或140毫米，所述小截黑体筒(2)的筒体径向横截面直径为33毫米。
7.如权利要求1所述的一种102F傅立叶光谱仪的适配器，其特征在于：
所述大截黑体筒(2)和小截黑体筒(1)的筒体内壁设置为无光黑体，黑体筒等效比辐射率大于0.99。
8.如权利要求1或7所述的一种102F傅立叶光谱仪的适配器，其特征在于：
所述大截黑体筒(2)内壁覆盖均匀涂覆有无光黑体漆；且在所述大截黑体筒(2)的筒体外壁覆盖有高反射率的银光漆；所述大截黑体筒(2)的筒体的材质选用低导热率的PVC；
所述低导热率是指热稳定性S≥20，导热率≤0.030W／mk；
所述小截黑体筒(1)为黑色PVC材质制成，内壁喷涂中性黑体漆。
9.如权利要求1所述的一种102F傅立叶光谱仪的适配器，其特征在于：
所述小截黑体筒(1)与102F傅立叶光谱仪物镜的匹配固定方式为转式锁定。
10.如权利要求1～9之一所述的适配器的使用方法，其特征在于：依次包括如下步骤：
步骤一，预处理：将所述小截黑体筒(1)与所述大截黑体筒(2)进行匹配，而无丝毫漏光；
被测物预处理：将所述适配器罩上被测物至少15分钟后再进行试验；并遮挡适配器上太阳光，防止太阳直接辐射；
步骤二，实验步骤：开启装置并初始化后设置实验参数，进行预备性观测和高低温黑体的定标观测，在适配器下观测被测物的黑体温度、被测物采样观测、天空下行辐射测量、测定适配器的环境辐射、数据保存；
在所述实验步骤里，在适配器下观测被测物的黑体温度的步骤为：
将102F傅立叶光谱仪物镜置于适配器上方，与小截黑体筒(1)一端进行匹配固定，固定连接而无丝毫漏光；套上大截黑体筒(2)以调节被测物与102F物镜之间的测量距离；连接102F傅立叶光谱仪，进行测试；被测物与102F傅立叶光谱仪物镜之间的测距与所述小截黑体筒(2)的径向横截面直径之比大于6；所述测定适配器的环境辐射的步骤为：在被测物的位置放置金板，将适配器罩住金板，采样，保存数据文件对应于上面观测结果。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |