CN103344645A

CN103344645A - 多通道窄波段波谱反照率测量装置

Info

Publication number: CN103344645A
Application number: CN2013102855813A
Authority: CN
Inventors: 周红敏; 王锦地; 梁顺林; 屈永华; 张开
Original assignee: Beijing Normal University
Current assignee: Beijing Normal University
Priority date: 2013-07-09
Filing date: 2013-07-09
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2033-07-09
Also published as: CN103344645B

Abstract

本发明公开了一种多通道窄波段设置的波谱反照率测量装置。所述波谱反照率测量装置包括一壳体和分别设置于所述壳体的顶部和底部上的向上观测传感器和向下观测传感器；所述向上观测传感器和所述向下观测传感器均包括余弦矫正器、滤光片和探测器；所述向上观测传感器中，所述余弦矫正器、所述滤光片和所述探测器由上至下依次设置；所述向下观测传感器中，所述余弦矫正器、所述滤光片和所述探测器由下至上依次设置。本发明可以精确测定与卫星传感器波谱响应一致的窄波段波谱反照率，为卫星产品的验证提供直接的验证设备和数据；本发明采用的余弦校正器可以有效降低传感器的余弦误差；本发明为一体式的上下两个传感器，可以简化设备，便于防水和安装。

Description

多通道窄波段波谱反照率测量装置

技术领域

本发明涉及一种多通道窄波段波谱反照率测量装置，属于气象观测与辐射能量平衡领域。

背景技术

地表反照率是地表向各个方向反射的太阳短波辐射与太阳总辐射的比值，决定着地球表面与大气之间辐射能量的分配过程，进而影响生态系统中如地表温度、蒸腾、能量平衡、光合及呼吸作用等一系列物理、生理和生物化学过程，是准确估计其他陆面参数的先决条件。

现有的反照率地面测量设备主要是短波宽波段辐射计，利用一个向上和一个向下共两个水平安装的短波宽波段辐射计分别测量宽波段太阳和环境下行辐射以及上行辐射，通过比值α=I_上行辐射/I_下行辐射确定地表宽波段反照率。比如目前广泛使用的荷兰Kipp&Zonen公司生产的CMP6/CMP11辐射计的波段范围是285～2800nm；美国CAMPBELL公司生产的EPPLY PSP精密辐射传感器的波段范围是285～2800nm，这些只能测量得到宽波段地表反照率。另有一些针对光合有效辐射的日射计和光量子仪波段范围主要集中在紫外波段250～400nm、可见光波段400～700nm和可见光近红外波段400～1000nm。也有辐射计组装形成可同时进行下行辐射和上行辐射测量的地表反照率表，如荷兰Kipp&Zonen公司将两个CMP6/CMP11辐射计组装后形成CMA6/CMA11反照率表，美国CAMPBELL生产的CNR4净辐射传感器，具备两个上下安装波段范围为305～2800nm的辐射计，可以得到地表短波宽波段反照率。

而在利用卫星观测数据估算地表反照率时，由于卫星传感器一般为多个几十至上百纳米宽的波段范围相对较窄的窄通道、多波段设置，根据卫星反照率算法只能估算得到相应波段的窄波段的波谱地表反照率，与地面实际测量得到的宽波段地表反照率不能直接比较。因此，在遥感产品验证中，需要把利用卫星传感器估算得到的波谱反照率经过窄波段到宽波段的转换之后，才能与地面实测的宽波段反照率进行比对，这个转换过程会引入误差，从而对验证结果产生影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种多通道窄波段波谱反照率测量装置，本发明可直接测量得到与卫星传感器波段设置一致的窄波段波谱反照率，减小遥感产品地面验证中因为波段不匹配所产生的误差，本发明可与卫星遥感传感器波段完全吻合，具有精度高、体积小、成本低的特点，能够实现地表波谱反照率的准确测量。

本发明所提供的一种多通道窄波段波谱反照率测量装置，包括一壳体和分别设置于所述壳体的顶部和底部的向上观测传感器和向下观测传感器；

所述向上观测传感器和所述向下观测传感器均包括余弦矫正器、滤光片和探测器；所述向上观测传感器中，所述余弦矫正器、所述滤光片和所述探测器由上至下依次设置；所述向下观测传感器中，所述余弦矫正器、所述滤光片和所述探测器由下至上依次设置。

上述的波谱反照率测量装置中，所述余弦矫正器上套设有外罩，其可由石英材料制成，其可使整个太阳光谱和地面反射光谱打到所述向上观测传感器和所述向下观测传感器上，它还可以保护传感器不受外部因素影响；内径可为34mm，厚度可为1.5mm；

所述外罩通过螺丝固定在所述壳体上。

上述的波谱反照率测量装置中，所述壳体的上下表面均为圆弧形，其可由铝合金机加件制成。

上述的波谱反照率测量装置中，所述探测器可为硅敏探测器或热电堆探测器，所述硅敏探测器的波谱响应范围为300～1100nm，所述热电堆探测器的波谱响应范围为300～3000nm。根据滤光片光学特性选用合适的光电探测器，一般在1100nm以内的波段选用硅敏探测器，1100nm以外的波段选用热电堆探测器。

上述的波谱反照率测量装置中，所述壳体可为圆柱体形，其直径可为68mm。

上述的波谱反照率测量装置中，所述壳体的侧壁上设有水平仪，其可为圆柱体形，长25mm，直径9mm，且所述水平仪可更换。

上述的波谱反照率测量装置中，所述壳体的侧壁上设有安装杆，且所述安装杆可从所述壳体上拆卸下来，以便运输，其长可为300mm，直径可为10mm。

上述的波谱反照率测量装置中，所述壳体的侧壁上设有信号输出口。

上述的波谱反照率测量装置中，所述探测器通过焊接针脚固定在一平板上；所述平板固定在所述壳体上；所述平板起固定传感器的作用，上面有螺孔，可以用螺丝直接固定在外壳的腔内，固定好的传感器各部件之间接触紧密。

上述的波谱反照率测量装置中，所述余弦矫正器的材质可为聚四氟乙烯，直径可为14mm，厚度可为4mm。

本发明提供的波谱反照率测量装置中，所述滤光片为定制的与卫星传感器波谱响应一致的窄波段光学干涉滤光片。以MODIS卫星反照率验证为例，波谱反照率表的波段设置应该与MODIS第1，2，3，4，5，7波段的波谱范围一致，一组测量需要6组探头，每个探头需要的滤光片的参数为：第一个探头滤光片中心波长645nm，半波宽50nm；第二个探头滤光片中心波长858.5nm，半波宽35nm；第三个探头滤光片中心波长469nm，半波宽20nm；第四个探头滤光片中心波长555nm，半波宽20nm；第五个探头滤光片中心波长1240nm，半波宽20nm；第六个探头滤光片中心波长2130nm，半波宽50nm。如需要与其他卫星反照率产品进行验证的话，则需要选用或定制与待验证卫星波谱响应一致的滤光片。

本发明具有如下有益效果：与现有技术相比，本发明可以精确测定与卫星传感器波谱响应一致的窄波段波谱反照率，为卫星产品的验证提供直接的验证设备和数据；本发明采用的余弦校正器可以有效降低传感器的余弦误差；本发明为一体式的上下两个传感器，可以简化设备，便于防水和安装。本发明具有通道多、与卫星传感器波段匹配好、精度高、稳定性高、体积小、成本低的特点。

附图说明

图1为本发明波谱反照率测量装置的结构示意图。

图2为本发明波谱反照率测量装置中向上观测传感器的分解图。

图中各标记如下：1壳体、2向上观测传感器、3向下观测传感器、4余弦矫正器、5滤光片、6光电探测器、7外罩、8水平仪、9安装杆、10信号输出口、11平板、12螺圈。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。

如图1和图2所示，本发明提供的波谱反照率测量装置包括一个圆柱体形的壳体1和分别设置于该壳体1的顶部和底部上的向上观测传感器2和向下观测传感器3，其中向上观测传感器2和向下观测传感器3均包括余弦矫正器4、滤光片5和光电探测器6；在向上观测传感器2中，余弦矫正器4、滤光片5和光电探测器6由上至下依次设置，主要探测太阳和环境下行辐射；在向下观测传感器3中，余弦矫正器4、滤光片5和光电探测器6由下至上依次设置，主要探测地表的反射辐射。本发明中，滤光片5的透过率与卫星传感器波谱响应函数一致，保证获取的信号与卫星传感器对应波段获取的值一致。

在余弦矫正器4上套设有外罩7，其为石英材质，可使整个太阳光谱和地面反射光谱打到向上观测传感器2和向下观测传感器3上，它还可以保护传感器不受外部因素影响。在壳体1的侧壁上设有水平仪8，以保证光电探测器6的水平安装，为圆柱体形，长25mm，直径9mm，且可更换。

同时在壳体1的侧壁上还设有安装杆9，以便于测量过程中固定该波谱反照率测量装置。在壳体1的侧壁上还设有信号输出口10，将电缆接在信号输出口10上，电缆的另一端连接数据采集器，这样就能把数据采集器就能把信号采集记录下来了。

上述的波谱反照率测量装置中，其中的光电探测器具体可选择为硅敏探测器或热电堆探测器，且其通过焊接针脚固定在一平板11上，该平板11固定在壳体1上。平板11起固定传感器的作用，上面有螺孔，可以用螺丝直接固定在外壳的腔内，固定好的传感器各部件之间接触紧密。

本发明中壳体的安装过程如下：

1.将外罩由外密封圈用螺丝固定在壳体的上下表面，并用螺丝拧紧。

2.将左右水平器和前后水平器放入水平器卡槽，并用塞子塞紧。

3.将安装杆用螺丝固定在壳体侧面，固定的位置在左右水平器对面，与前后水平器成90°角。

本发明中传感器的安装过程如下：

1.将余弦校正器放入壳体上下表面预留的孔中，余弦校正器外表面与壳体上下表面在一个水平面上。

2.将滤光片放置在余弦校正片后方，用螺圈拧紧。

3.将固定在平板上的光电探测器安装在滤光片后面，用螺丝固定好。

4.用电缆将光电探测器的正负极与电缆信号连接器连接，电缆信号连接器为四芯电缆防水接头，四芯分别接上下传感器的正负极。信号可通过外接电缆连接到数据采集器。

使用本发明波谱反照率测量装置时，入射光或地面反射光穿过外罩到达余弦校正器，经过角度校正后到达滤光片，特定带宽的入射光经光电探测器进行光电转换后形成电流信号，电流信号经电缆信号连接器可向外输出到数据采集器中被记录下来。该电流信号与传感器所接收到的入射辐射强度成正比，但是不同的传感器电流信号与辐射信号的转换因子不同，需要将电流信号重新标定为辐射强度信号，即获取电流强度与光照强度的转换因子，标定后的传感器可得到相应的辐射能量大小。向上的传感器主要探测太阳和环境下行辐射，向下的传感器主要探测地表的反射辐射，两者的比值（α=I_上行辐射/I_下行辐射）即为相应的波谱反照率，两者的差（α=I_下行辐射-I_上行辐射）即为地表的波谱短波净辐射。这些参量与遥感传感器获取的信号具有波谱一致性，可以作为直接验证数据。

Claims

1.一种多通道窄波段设置的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述波谱反照率测量装置包括一壳体和分别设置于所述壳体的顶部和底部上的向上观测传感器和向下观测传感器；

所述向上观测传感器和所述向下观测传感器均包括余弦矫正器、滤光片和探测器；

所述向上观测传感器中，所述余弦矫正器、所述滤光片和所述探测器由上至下依次设置；所述向下观测传感器中，所述余弦矫正器、所述滤光片和所述探测器由下至上依次设置。

2.根据权利要求1所述的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述余弦矫正器上套设有外罩；

所述外罩通过螺丝固定在所述壳体上。

3.根据权利要求1或2所述的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述壳体的上下表面均为圆弧形。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述探测器为硅敏探测器或热电堆探测器。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述壳体为圆柱体形。

6.根据权利要求1-5中任一项所述的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述壳体的侧壁上设有水平仪；

所述水平仪为圆柱体形。

7.根据权利要求1-6中任一项所述的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述壳体的侧壁上设有安装杆。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述壳体的侧壁上设有信号输出口。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述探测器通过焊接针脚固定在一平板上；

所述平板固定在所述壳体上。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的波谱反照率测量装置，其特征在于：所述余弦矫正器的材质为聚四氟乙烯。