CN104458001B - 一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪及其使用方法，其包括双面镀金主体腔，块状电热组件、102F傅里叶光谱仪、红外辐射计、实时数据传输‑计算‑显示器。其中所述块状电热组件置于双面镀金主体腔上，两者置于托板观测孔上，构成可对主体腔下观测地物形成漫射式热辐射源。主体腔一侧有45°观测圆筒，与红外辐射计或102F傅里叶光谱仪相连，观测数据传输至实时数据传输‑计算‑显示器，计算获取被测物8‑14微米平均比辐射率或随光谱变化的比辐射率曲线，并用延时升降温方程进行实时纠正。本发明能够实时快速测定热红外波段的平均比辐射率、比辐射率随光谱的分布曲线，并提高了测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种定量热红外遥感领域中测定仪器及其测定方法，具体而言，本发明涉及一种快速实时光谱比辐射率测定仪，能测定比辐射率随光谱的分布也能测定热红外波段的平均比辐射率，可以用于基础研究部门实验室测定，也可以用于野外进行军事伪装需要的测定，可以测定所有地物的比辐射率，其中包括可以测定有些比辐射率测定装置和方法不宜测定的比辐射率低于0.9的地物，(探矿识别和军事伪装所需要的测定)。
背景技术
物体表面温度是物体界面分子平均运动的能量值，其主要取决于以下三个参数：表面辐射温度、比辐射率和环境辐照度。物体比辐射率表示物体发射热辐射的能力，地表地物温度在许多科学研究和应用领域具有重要作用，精确测量比辐射率能获取地表地物的真实温度。
目前普遍使用的比辐射率测定仪和方法大多数仅能用红外辐射计测定热红外波段的平均比辐射率，无法测定比辐射率随光谱的分布曲线。并且大多数不能实时获取比辐射率，大多数没有克服在改变环境辐照度时所引起被测物的增温和降温所带来的测量误差。
发明内容
针对目前普遍使用的比辐射率测定仪的上述问题，本发明提供了一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪及其测定方法，所提供的测定仪既能够用红外辐射计测定热红外波段的平均比辐射率又能够用102F傅里叶红外光谱仪测定 比辐射率随光谱的分布曲线。本发明能够在测定现场数秒钟内就能获取被测物体的比辐射率。
本发明能测定比辐射率随光谱的分布，也能测定热红外波段的平均比辐射率，可以用于基础研究部门实验室测定，也可以用于野外进行军事伪装和地物的探矿识别等领域需要的低比辐射率测定。一般水体的比辐射率接近1，全部植被和绝大多数潮湿土壤的比辐射率都在0.90以上，习惯称其为高比辐射率地物。除此以外的地物均小于0.9.而金属的比辐射率，特别是经过加工抛光后的比辐射率很低，抛光金面比辐射率为0.016左右，抛光铝为0.2左右，铝表面氧化以后达到0.5-0.6，还有其他金属的比辐射率虽然比前两者高些，但是仍然比较低，一般小于0.8，矿物的比辐射率通常介于土壤与金属之间。本申请中定义比辐射率低于0.9的地物为低比辐射率地物。地物的比辐射率随着成分和表面粗糙度是千变万化的，就是同一名称的地物由于成分和表面粗糙度的变化其比辐射率也在变化，绝对不是一成不变。而比辐射率相差0.01，定量反演地表温度就可相差0.7-1度。在军事伪装方面，伪装物体和背景相差0.5度就能被识别出来了！为了定量热红外遥感的学科和各种应用的发展，不断研制高精度的比辐射率测定仪器，赴现场直接测定地物的比辐射率有着非常重要的科学意义和应用价值。
本发明提供的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其中包括双面镀金主体腔(优选立方形)，作为交直流两用漫射式热辐射源的块状电热组件、102F傅里叶红外波谱仪、红外辐射计、实时数据传输-计算-显示器。其中所述块状电热组件置于双面镀金主体腔上，两者构成整体并置于托板观测孔上，构成可对主体腔下观测地物形成漫射式热辐射源。主体腔一侧有45°观测圆筒，与传感器(红外辐射计或102F傅里叶光谱仪)镜头相连，观测数据传输至实时数据传输-计算-显示器。由基于理论推导的算法软件包快速计算获取被测物8-14微米平均比辐射率(传感器为红外辐射计)或随光谱变化的比辐射率曲线(传感器为102F傅立叶光谱有)。在比辐射率计算过程中，本发明根据热冷环境的切换所造成被测物的增温和降温时间过程曲线，以发明者在2009年出版专著 (《定量热红外遥感模型及地面实验基础》第3章，3.4节，张仁华著，2009年，科学出版社)中提出的延时升降温方程作出优化，以优化后的方程进行实时纠正，克服了在改变环境辐照度时所引起被测物的增温和降温所带来的测量误差的瓶颈问题，提高了测量精度。延时升降温方程如下：
其中，M0、为传感器响应起始时刻t0的被测对象的实际辐射温度、M1、M3分别为t1和t3瞬间传感器测量到被测对象的辐射温度。
具体而言，本发明提供的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其特征在于：
所述主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪包括主体腔1、传感器、托板8、数据传输-计算-显示器9；
其中所述主体腔1是由表面喷砂镀金的铁板形成的正方体筒状结构，所述主体腔1的顶部设置上翻板2，底部设置下翻板3，所述上翻板2以及下翻板3的表面喷砂镀金并通过连接部件4与主体腔1筒壁连接；
所述上翻板2顶部设置块状电热组件5作为交直流两用漫射式热辐射源，所述块状电热组件5与所述上翻板2之间留有距离，所述块状电热组件5连接电源控件组6以通电，所述块状电热组件5内设置底面喷涂无光黑漆的铝板5-3；
所述主体腔1的筒壁设置45°观测圆筒1-1，其与竖直方向的倾角为45°，所述45°观测圆筒1-1连接所述传感器，所述传感器与所述数据传输-计算-显示器9连接；
所述主体腔1底部由托板8支撑。
所述传感器为102F傅里叶光谱仪7-1；
所述102F傅里叶光谱仪7-1的物镜通过102F傅里叶光谱仪接头1-2与所述45°观测圆筒1-1连接固定；
所述托板8上设置支架8-1，其位于102F傅里叶光谱仪7-1底部以将其固定。
所述传感器为红外辐射计7-2；
所述红外辐射计7-2的物镜通过红外辐射计接头1-3与所述45°观测圆筒1-1连接固定；
所述托板8上设置支架8-1，位于红外辐射计7-2底部以将其固定。
块状电热组件5包括绝热盒5-1、并联电热板组合5-2以及铝板5-3；
主体腔1的喷砂镀金的铁板四壁垂直对接的边缘被镀黑角铝框架包围，所述绝热盒5-1位于所述镀黑角铝框架上顶以与所述上翻板2之间留有距离，所述观测孔8-2的边框与所述镀黑角框架围成的内框重合；
所述绝热盒5-1的下表面大于所述镀黑角铝框架内边围成的水平空间；
所述绝热盒5-1为由绝热尼龙块材料铣成的扁形盒，盒壁内有绝热隔层，盒内底部有并联电热板组合5-2，其由至少4块铝片电热块并联而成，所述并联电热板组合5-2的各铝片电热块下表面与所述铝板5-3固定连接；
所述铝板5-3板面小于所述绝热盒5-1的下表面以使该铝板5-3的四周不接触所述绝热盒5-1四周壁内壁，所述铝板5-3板面大于所述镀黑角框架围成的内框组成面。
所述铝片电热块只为测量提供热辐射源，并不是驱动测定仪。4块铝片电热块提供24V的直流电，24V为电热块内部的电池充电，或者利用220V的交流电源。
所述铝板5-3的厚度为1mm，所述绝热盒5-1壁厚为2.5mm。
所述绝热盒5-1的上部放置电源控件组6，其包括电池、转接开关、电热板接线、电池充电插孔、外界直流电源插孔以及上述部件之间的连接电线。
上翻板2以及下翻板3连接主体腔1筒壁的连接部件4包括转动轴使上翻 板2以及下翻板3能够转动90°形成水平方向和垂直方向，主体腔1内侧有吸铁石块使以将所述上翻板2以及下翻板3在水平方向或垂直方向上固定位置。
托板8的两侧设置折边，其厚度大于托板8厚度；
观测孔8-2的四周设置定位片；
托板8的四角连接调节螺杆8-4以调节托板的高度；
主体腔1为立方形筒体，观测孔8-2为方形孔，块状电热组件5包括绝热盒5-1、并联电热板组合5-2以及铝板5-3，所述绝热盒5-1的横截面为正方形，所述铝板5-3的横截面为正方形。
本发明还公开了所述主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪的使用方法，其包括以下步骤：
步骤1)将被测物10放置于观测孔8-2以下，将上翻板2以及下翻板3都固定于水平位置，通过传感器测定冷环境下，下翻板3的辐射温度MEl(λ,t)
MEl(λ,t)＝εg(λ)Bg(λ,t)+(1-εg)[εl(λ)Bl(λ,t)+εj(λ)Bj(λ,t)+εk(λ)Bk(λ,t)] (1)
其中εg(λ)为下翻板比辐射率、Bg(λ,t)为下翻板的黑体温度、εl(λ)为冷环境下的上翻板的比辐射率、Bl(λ,t)为冷环境下的上翻板的黑体温度、εj(λ)为传感器物镜的比辐射率、Bj(λ,t)为传感器物镜的黑体温度、εk(λ)为腔体内壁的比辐射率、Bk(λ,t)为腔体内壁的黑体温度，El(λ,t)为腔体环境辐照度，所述黑体温度即为真实温度；
步骤2)将下翻板3固定于垂直位置，通过传感器测定冷环境下目标物的辐射温度Ml(λ,t)
其中Ml(λ,t)、εm(λ)、Bml(λ,t)、分别为传感器测量到的被测目标物在冷环境辐射下的辐射温度、被测目标物的比辐射率和被测目标物在冷环境下的黑体温度，其 他符号同上；
步骤3)将上翻板2、下翻板3都固定于垂直位置，通过传感器测定热环境下目标物的辐射温度Mh(λ,t)
其中Mh(λ,t)、εm(λ)、Bmh(λ,t)分别为传感器测量到的被测目标物在热环境辐射下的辐射温度、被测目标物的比辐射率和被测目标物在热环境下的黑体温度；
步骤4)将下翻板3固定于水平位置，上翻板2固定于垂直位置，通过传感器测定热环境下环境的辐射温度MEh(λ,t)
MEh(λ,t)＝εg(λ)Bg(λ,t)+(1-εg)[εh(λ)Bh(λ,t)+εj(λ)Bj(λ,t)+εk(λ)Bk(λ,t)] (4)
其中εh(λ)为热环境下的热辐射源的比辐射率、Bh(λ,t)为热环境下的热辐射源的黑体温度、MEh(λ,t)为在热环境下传感器测量到下翻板的辐射温度、Eh(λ,t)为热环境辐照度，其他符号含义同上。
在上述步骤1)～4)中，各公式中λ既可以表示测量平均比辐射率的很宽的波段，也可以表示比辐射率的曲线中的每一个比辐射率的窄波段。
本发明的主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪主要用于测定比辐射率随光谱的分布曲线以及测定热红外波段的平均比辐射率，在测定比辐射率随光谱的分布曲线的方法中，所述传感器为102F傅里叶光谱仪7-1；
测定比辐射率随光谱的分布曲线的方法，在上述步骤1)～4)之后，还包括步骤5)，该步骤是根据步骤1)～4)测定出的Mh(λ,t)、Ml(λ,t)、MEh(λ,t)、MEl(λ,t)联立公式(1)～(4)求解，有如下解：
由公式(5)得出εm(λ,t)随波长的分布曲线。
在测定热红外波段的平均比辐射率的方法，所述传感器为红外辐射计(7-2)，其每次观测的输出值已经是8-14微米的平均辐射量，即为平均波段，其取决于传感器的滤光片的平均波段；
所述方法包括步骤5)，该步骤是根据步骤1)～4)测定出的 联立公式(1)～(4)中的λ改为求解，有如下解：
通过公式(5’)直接得到平均
在计算公式(5’)之前，对上述步骤1)～4)测量 四个测量值均先通过下式(6)所示的延时降温方程进行传感器的滞后效应的实时纠正，：
其中，M0、为传感器响应起始时刻t0的被测对象的实际辐射温度、M1、M3分别为t1和t3瞬间传感器测量到被测对象的辐射温度。
绝大多数的遥感热红外传感器的滤光波段都是8-14微米，也就是希望传感器具有测量到一个信号最强的波段。本申请的红外辐射计的滤光波段是8-14微米。102F傅立叶光谱仪可以测量0.3-20微米的中红外和热红外的所有波长的信号，本方法用102F测量8-14微米波段的热辐射信号。本测量方法的测量原理适用于所有热红外波段。
本发明的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，可以采用如下具体尺寸结构：
主体腔1的结构是由4块100毫米×100毫米的表面喷砂的镀金铁板，构建 成无上盖和无下底的立方形筒。由于表面喷砂及镀金，能够使得镀金表面达到各向同性的低比辐射率要求，形成均匀各向同性的热辐射源和冷辐射源。
主体腔1的上翻板2以及下翻板3表面喷砂及镀金，能够达到各向同性的低比辐射率要求。
上翻板2通过转动90度形成水平方向和垂直方向，形成水平方向时切断热辐射源，形成垂直方向时敞开热辐射源；下翻板3通过转动90度形成水平方向和垂直方向，形成水平方向时切断目标物热辐射进入传感器，形成垂直方向时敞开目标物热辐射进入传感器。
通过上翻板2以及下翻板3的依次轮流四次顺时针和逆时针90°翻转，传感器(红外辐射计或102F傅里叶光谱仪)可以在数秒钟内观测到冷环境的辐射温度MEl(λ,t)、冷环境的环境辐照度El(λ,t)、冷环境下目标物的辐射温度Ml(λ,t)、热环境下目标物的辐射温度Mh(λ,t)、热环境下环境的辐射温度MEh(λ,t)，从而得到了求解被测物体比辐射率的四个必要关键数据，快速将实时信号传输到计算显示器进行快速计算，显示出被测物的比辐射率。
所述块状电热组件5的结构设计：所述绝热盒5-1是由绝热尼龙块材料铣成100毫米×100毫米×45毫米的扁正方形盒，壁厚2.5毫米，盒壁内有绝热隔层。盒顶部放置24V，1.5安时的电池，以及转接开关、电热板接线、电池充电插孔、外接直流电源插孔和它们的相互连接电线；下层盒内有4块24V的铝片电热块并联合成并联电热板组合5-2，该组合下表面紧贴一块1毫米的铝板5-3，尺度为85毫米×85毫米，四周不与绝热盒5-1盒内壁相接触。铝板5-3下表面喷涂无光黑漆，形成高效率的黑体漫射式热辐射源。有电池(室外)和220V的交流电源(室内)两种方式提供24V直流电，数分钟可以稳定在90℃的表面温度。
所述托板8为330毫米×200毫米的2毫米厚的铝板，两长边折起10毫米长的折边以加强结构强度，在短边一侧有一个80毫米×80毫米的观测孔8-2，观测孔8-2四周有10毫米宽的定位片。在另一短边侧有圆柱形的支架8-1，与主体腔1的圆柱形45°观测圆筒1-1的红外辐射计7-2的红外辐射计接头1-3相对 应，定位红外辐射计7-2。托板四角连接调节托板升降的调节螺杆8-4，根据被测物的厚薄调节托板8的高度。
本发明中，为了红外辐射计7-2和102F傅里叶光谱仪7-1与主体腔1的45°观测圆筒1-1精密相连接，特别设计红外辐射计接头1-3和102F傅里叶光谱仪接头1-2两种不同尺寸和结构的物镜转接头。
在根据上述公式(1)～(4)计算时，由于快速切换变化的两次环境辐照度，Bgl(λ,t)和Bgh(λ,t)之间的差值以及Bml(λ,t)和Bmh(λ,t)之间的差值均小于测量误差。公式(1)、(2)、(3)、(4)联立求解，有如下解：
Mh(λ,t)、Ml(λ,t)、MEh(λ,t)、MEl(λ,t)值，需要传感器的灵敏度，才可通过传感器的电信号转换为热辐射信号。例如，在用102F光谱仪的原方法中有一个主要步骤是用高低温黑体定标绝对灵敏度。然而，从公式(5)可知，Mh(λ,t)、Ml(λ,t)、MEh(λ,t)、MEl(λ,t)的灵敏度均可在计算中消掉，因此，在本方法的测量过程中，102F光谱仪不需要用高低温黑体定标灵敏度。当然，红外辐射计也不需要进行绝对定标。从而大大简化了步骤观测，并能提高测量精度。这是本方法的优势之一。
由基尔霍夫定律可知，热冷环境与被测物的温差必定造成被测物的增温和降温，从而引起求解比辐射率的不确定性。因此，在比辐射率计算过程中，本发明根据热冷环境的切换所造成被测物的增温和降温时间过程曲线，并根据发明者在2009年出版专著中提出的延时升降温差分法，进行了理论上的优化，提出如式6的积分方程，进行了实时纠正，提高了测量精度。具体公式如下：
其中，M0为传感器响应起始时刻t0的被测对象的实际辐射温度、M1、M3分别为t1和t3瞬间传感器测量到被测对象的辐射温度。由于传感器有响应时间△t，起始时刻t0的温度不能正确感应到，而是测量到△t之前的温度，也就是说任何传感器均有△t时间的滞后效应。根据基尔霍夫定律，t0时刻的环境辐射照度已经改变，但是地物的温度还未开始增温或降温。在上述1-5式方程的被测物辐射温度均应该是t0时刻的，利用如上方程，即可获取t0的被测对象的实际辐射温度M0。
本发明提供的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，轻便小巧，便于携带，在装置中设置45°观测圆筒结构作为传感器转接，能够通过变换传感器类型快速测量平均比辐射率、分布曲线的装置(用红外辐射计测定热红外波段的平均比辐射率，用102F傅里叶红外光谱仪测定比辐射率随光谱的分布曲线)，并且测量精度较高。此外，本发明还能够快速切换传感器，快速测定比辐射率，尤其在用红外辐射计时，可以在数秒中内完成比辐射率测量。
对于固定的被测地物，在一个波段下的比辐射率是固定的。本领域严谨的提法，通常指测量的平均比辐射率是很宽的波段下的平均测定值(例如8-14微米)，而比辐射率的曲线中的每一个比辐射率均也是在一定的波段下的平均测定值，只不过是此波段非常非常窄，一般只有几个纳米。可以近似看做在一定波长下测定值。而比辐射率分布曲线的信息等级高于平均比辐射率，因为能够测量比辐射率分布曲线的仪器，可以通过简单的算数平均求得某波段平均比辐射率。反之，能够测量平均比辐射率的仪器不能得到比辐射率分布曲线，现有的装置中测量比辐射率分布曲线的传感器(红外傅里叶光谱仪)的价格是测量平均比辐射率的传感器(红外辐射计)的60-100倍。而本发明测定仪既能够用红外辐射计测定热红外波段的平均比辐射率又能够用102F傅里叶红外光谱仪测定比辐射率随光谱的分布曲线，适应了多种用户的经济实力和需求。
附图说明
图1为实施例1的主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪的结构示意图，其中测定仪中45°观测圆筒连接102F傅里叶光谱仪接头以及102F傅里叶光谱仪。
图2为实施例2的主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪的结构示意图，其将测定仪中45°观测圆筒连接红外辐射计接头以及红外辐射计。
图3为电热块示意图。
附图标记说明：
1：主体腔、1-1：45°观测圆筒、1-2：102F傅里叶光谱仪接头、1-3：红外辐射计接头、2：上翻板、3：下翻板、4：连接部件、5：块状电热组件、5-1：绝热盒、5-2：并联电热板组合、5-3：铝板、6：电源控件组、7-1：102F傅里叶光谱仪、7-2：红外辐射计、8：托板、8-1：支架、8-2：观测孔、8-4：调节螺杆、9：数据传输-计算-显示器、10-被测物。
具体实施方式
下面结合实施例，进一步说明本发明。
实施例1连接红外辐射计装置的测定仪
如图1所示，一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其特征在于：
所述主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪包括主体腔1、传感器、托板8、数据传输-计算-显示器9；
其中所述主体腔1是由表面喷砂镀金的铁板形成的正方体筒状结构，所述主体腔1的顶部设置上翻板2，底部设置下翻板3，所述上翻板2以及下翻板3的表面喷砂镀金并通过连接部件4与主体腔1筒壁连接；
所述上翻板2顶部设置块状电热组件5作为交直流两用漫射式热辐射源，所述块状电热组件5与所述上翻板2之间留有距离，所述块状电热组件5连接电源控件组6以通电，所述块状电热组件5内设置底面喷涂无光黑漆的铝板5-3；
所述主体腔1的筒壁设置45°观测圆筒1-1，其与竖直方向的倾角为45°，所述45°观测圆筒1-1连接所述传感器，所述传感器与所述数据传输-计算-显示器9连接；
所述主体腔1底部由托板8支撑。
所述传感器为红外辐射计7-2；
所述红外辐射计7-2的物镜通过红外辐射计接头1-3与所述45°观测圆筒1-1连接固定；
所述托板8上设置支架8-1，位于红外辐射计7-2底部以将其固定。
块状电热组件5包括绝热盒5-1、并联电热板组合5-2以及铝板5-3；
主体腔1的喷砂镀金的铁板四壁垂直对接的边缘被镀黑角铝框架包围，所述绝热盒5-1位于所述镀黑角铝框架上顶以与所述上翻板2之间留有距离，所述观测孔8-2的边框与所述镀黑角框架围成的内框重合；
所述绝热盒5-1的下表面大于所述镀黑角铝框架内边围成的水平空间；
所述绝热盒5-1为由绝热尼龙块材料铣成的扁形盒，盒壁内有绝热隔层，盒内底部有并联电热板组合5-2，其由至少4块铝片电热块并联而成，所述并联电热板组合5-2的各铝片电热块下表面与所述铝板5-3固定连接；
所述铝板5-3板面小于所述绝热盒5-1的下表面以使该铝板5-3的四周不接触所述绝热盒5-1四周壁内壁，所述铝板5-3板面大于所述镀黑角框架围成的内框组成面。
所述铝片电热块只为测量提供热辐射源，并不是驱动测定仪。4块铝片电热块提供24V的直流电，24V为电热块内部的电池充电，或者利用220V的交流电源。
所述铝板5-3的厚度为1mm，所述绝热盒5-1壁厚为2.5mm。
所述绝热盒5-1的上部放置电源控件组6，其包括电池、转接开关、电热板接线、电池充电插孔、外界直流电源插孔以及上述部件之间的连接电线。
上翻板2以及下翻板3连接主体腔1筒壁的连接部件4包括转动轴使上翻 板2以及下翻板3能够转动90°形成水平方向和垂直方向，主体腔1内侧有吸铁石块使以将所述上翻板2以及下翻板3在水平方向或垂直方向上固定位置。
托板8的两侧设置折边，其厚度大于托板8厚度；
观测孔8-2的四周设置定位片；
托板8的四角连接调节螺杆8-4以调节托板的高度；
主体腔1为立方形筒体，观测孔8-2为方形孔，块状电热组件5包括绝热盒5-1、并联电热板组合5-2以及铝板5-3，所述绝热盒5-1的横截面为正方形，所述铝板5-3的横截面为正方形。
实施例1中各部件采用以下尺寸的结构
主体腔1的结构是由4块100毫米×100毫米的表面喷砂的镀金铁板。
所述块状电热组件5的结构设计：所述绝热盒5-1是由绝热尼龙块材料铣成100毫米×100毫米×45毫米的扁正方形盒，壁厚2.5毫米，盒壁内有绝热隔层。盒顶部放置24V，1.5安时的电池，以及转接开关、电热板接线、电池充电插孔、外接直流电源插孔和它们的相互连接电线；盒内有4块24V的铝片电热块并联合成并联电热板组合5-2，该组合下表面紧贴一块1毫米的铝板5-3，尺度为85毫米×85毫米，四周不与绝热盒5-1盒内壁相接触。铝板5-3下表面喷涂无光黑漆，形成高效率的黑体漫射式热辐射源。有电池(室外)和220V的交流电源(室内)两种方式提供24V直流电，数分钟可以稳定在90℃的表面温度。
所述托板8为330毫米×200毫米的的2毫米厚的铝板，两长边折起10毫米长的折边以加强结构强度，在短边一侧有一个80毫米×80毫米的观测孔8-2，观测孔8-2四周有10毫米宽的定位片。
本实施例采用所述主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪测定热红外波段的平均比辐射率，所述传感器为红外辐射计7-2，本实施例测量8-14微米波段的平均比辐射率，其包括以下步骤：
步骤1)将被测物10放置于观测孔8-2以下，将上翻板2以及下翻板3都 固定于水平位置，通过传感器测定冷环境下，下翻板3的辐射温度MEl(λ,t)
MEl(λ,t)＝εg(λ)Bg(λ,t)+(1-εg)[εl(λ)Bl(λ,t)+εj(λ)Bj(λ,t)+εk(λ)Bk(λ,t)] (1)
其中εg(λ)为下翻板比辐射率、Bg(λ,t)为下翻板的黑体温度、εl(λ)为冷环境下的上翻板的比辐射率、Bl(λ,t)为冷环境下的上翻板的黑体温度、εj(λ)为传感器物镜的比辐射率、Bj(λ,t)为传感器物镜的黑体温度、εk(λ)为腔体内壁的比辐射率、Bk(λ,t)为腔体内壁的黑体温度，El(λ,t)为腔体环境辐照度，所述黑体温度即为真实温度；
步骤2)将下翻板3固定于垂直位置，通过传感器测定冷环境下目标物的辐射温度Ml(λ,t)
其中Ml(λ,t)、εm(λ)、Bml(λ,t)、分别为传感器测量到的被测目标物在冷环境辐射下的辐射温度、被测目标物的比辐射率和被测目标物在冷环境下的黑体温度，其他符号同上；
步骤3)将上翻板2、下翻板3都固定于垂直位置，通过传感器测定热环境下目标物的辐射温度Mh(λ,t)
其中Mh(λ,t)、εm(λ)、Bmh(λ,t)分别为传感器测量到的被测目标物在热环境辐射下的辐射温度、被测目标物的比辐射率和被测目标物在热环境下的黑体温度；
步骤4)将下翻板3固定于水平位置，上翻板2固定于垂直位置，通过传感器测定热环境下环境的辐射温度MEh(λ,t)
MEh(λ,t)＝εg(λ)Bg(λ,t)+(1-εg)[εh(λ)Bh(λ,t)+εj(λ)Bj(λ,t)+εk(λ)Bk(λ,t)] (4)
其中εh(λ)为热环境下的热辐射源的比辐射率、Bh(λ,t)为热环境下的热辐射源的黑体温度、MEh(λ,t)为在热环境下传感器测量到下翻板的辐射温度、Eh(λ,t)为热环境辐照度，其他符号含义同上；
步骤5)，传感器为红外辐射计(7-2)，其每次观测的输出值已经是8-14微米的平均辐射量，即为平均波段，其取决于传感器的滤光片的平均波段；
该步骤是根据步骤1)～4)测定出的联立公式(1)～(4)中的λ改为求解，有如下解：
通过公式(5’)直接得到平均
在计算公式(5’)之前，对上述步骤1)～4)测量 四个测量值均先通过下式(6)所示的延时降温方程进行传感器的滞后效应的实时纠正，：
其中，M0、为传感器响应起始时刻t0的被测对象的实际辐射温度、M1、M3分别为t1和t3瞬间传感器测量到被测对象的辐射温度。
实施例2连接102F傅里叶光谱仪装置的测定仪
如图2所示，与实施例1相比，实施例2中所述主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪与实施例1的区别在于，所述传感器为102F傅里叶光谱仪7-1；所述102F傅里叶光谱仪7-1的物镜通过102F傅里叶光谱仪接头1-2与所述45°观测圆筒1-1连接固定；所述托板8上设置支架8-1，其位于102F傅里叶光谱 仪7-1底部以将其固定。
本实施例采用所述主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪测定比辐射率随光谱的分布曲线的方法，测定比辐射率随光谱的分布曲线的传感器为102F傅里叶光谱仪7-1，本实施例测定8-14微米波段εm(λ,t)随波长的分布曲线，其包括以下步骤：
步骤1)将被测物10放置于观测孔8-2以下，将上翻板2以及下翻板3都固定于水平位置，通过传感器测定冷环境下，下翻板3的辐射温度MEl(λ,t)
MEl(λ,t)＝εg(λ)Bg(λ,t)+(1-εg)[εl(λ)Bl(λ,t)+εj(λ)Bj(λ,t)+εk(λ)Bk(λ,t)] (1)
其中εg(λ)为下翻板比辐射率、Bg(λ,t)为下翻板的黑体温度、εl(λ)为冷环境下的上翻板的比辐射率、Bl(λ,t)为冷环境下的上翻板的黑体温度、εj(λ)为传感器物镜的比辐射率、Bj(λ,t)为传感器物镜的黑体温度、εk(λ)为腔体内壁的比辐射率、Bk(λ,t)为腔体内壁的黑体温度，El(λ,t)为腔体环境辐照度，所述黑体温度即为真实温度；
步骤2)将下翻板3固定于垂直位置，通过传感器测定冷环境下目标物的辐射温度Ml(λ,t)
其中Ml(λ,t)、εm(λ)、Bml(λ,t)、分别为传感器测量到的被测目标物在冷环境辐射下的辐射温度、被测目标物的比辐射率和被测目标物在冷环境下的黑体温度，其他符号同上；
步骤3)将上翻板2、下翻板3都固定于垂直位置，通过传感器测定热环境下目标物的辐射温度Mh(λ,t)
其中Mh(λ,t)、εm(λ)、Bmh(λ,t)分别为传感器测量到的被测目标物在热环境辐射下的辐射温度、被测目标物的比辐射率和被测目标物在热环境下的黑体温度；
步骤4)将下翻板3固定于水平位置，上翻板2固定于垂直位置，通过传感器测定热环境下环境的辐射温度MEh(λ,t)
MEh(λ,t)＝εg(λ)Bg(λ,t)+(1-εg)[εh(λ)Bh(λ,t)+εj(λ)Bj(λ,t)+εk(λ)Bk(λ,t)] (4)
其中εh(λ)为热环境下的热辐射源的比辐射率、Bh(λ,t)为热环境下的热辐射源的黑体温度、MEh(λ,t)为在热环境下传感器测量到下翻板的辐射温度、Eh(λ,t)为热环境辐照度，其他符号含义同上；
步骤5)，该步骤是根据步骤1)～4)测定出的Mh(λ,t)、Ml(λ,t)、MEh(λ,t)、MEl(λ,t)联立公式(1)～(4)求解，有如下解：
由公式(5)得出8-14微米波段εm(λ,t)随波长的分布曲线。
Claims (10)
1.一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其特征在于：
所述主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪包括主体腔(1)、传感器、托板(8)、数据传输-计算-显示器(9)；
其中所述主体腔(1)是由表面喷砂镀金的铁板形成的正方体筒状结构，所述主体腔(1)的顶部设置上翻板(2)，底部设置下翻板(3)，所述上翻板(2)以及下翻板(3)的表面喷砂镀金并通过连接部件(4)与主体腔(1)筒壁连接；
所述上翻板(2)顶部设置块状电热组件(5)作为交直流两用漫射式热辐射源，所述块状电热组件(5)与所述上翻板(2)之间留有距离，所述块状电热组件(5)连接电源控件组(6)以通电，所述块状电热组件(5)内设置底面喷涂无光黑漆的铝板(5-3)；
所述主体腔(1)的筒壁设置45°观测圆筒(1-1)，其与竖直方向的倾角为45°，所述45°观测圆筒(1-1)连接所述传感器，所述传感器与所述数据传输-计算-显示器(9)连接；
所述主体腔(1)底部由托板(8)支撑。
2.根据权利要求1所述的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其特征在于：
所述传感器为102F傅里叶光谱仪(7-1)；
所述102F傅里叶光谱仪(7-1)的物镜通过102F傅里叶光谱仪接头(1-2)与所述45°观测圆筒(1-1)连接固定；
所述托板(8)上设置支架(8-1)，其位于102F傅里叶光谱仪(7-1)底部以将其固定。
3.根据权利要求1所述的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其特征在于：
所述传感器为红外辐射计(7-2)；
所述红外辐射计(7-2)的物镜通过红外辐射计接头(1-3)与所述45°观测圆筒(1-1)连接固定；
所述托板(8)上设置支架(8-1)，其位于红外辐射计(7-2)底部以将其固定。
4.根据权利要求2或3所述的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其特征在于：
块状电热组件(5)包括绝热盒(5-1)、并联电热板组合(5-2)以及铝板(5-3)；
主体腔(1)的喷砂镀金的铁板四壁垂直对接的边缘被镀黑角铝框架包围，所述绝热盒(5-1)位于所述镀黑角铝框架上顶以与所述上翻板(2)之间留有距离，所述观测孔(8-2)的边框与所述镀黑角框架围成的内框重合；
所述绝热盒(5-1)的下表面大于所述镀黑角铝框架内边围成的水平空间；
所述绝热盒(5-1)为由绝热尼龙块材料铣成的扁形盒，盒壁内有绝热隔层，盒内底部有并联电热板组合(5-2)，其由至少4块铝片电热块并联而成，所述并联电热板组合(5-2)的各铝片电热块下表面与所述铝板(5-3)固定连接；
所述铝板(5-3)板面小于所述绝热盒(5-1)的下表面以使该铝板(5-3)的四周不接触所述绝热盒(5-1)四周壁内壁，所述铝板(5-3)板面大于所述镀黑角框架围成的内框组成面。
5.根据权利要求4所述的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其特征在于：
所述铝板(5-3)的厚度为1mm，所述绝热盒(5-1)壁厚为2.5mm；
所述绝热盒(5-1)的上部放置电源控件组(6)，其包括电池、转接开关、电热板接线、电池充电插孔、外界直流电源插孔以及上述部件之间的连接电线。
6.根据权利要求2或3所述的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其特征在于：
上翻板(2)以及下翻板(3)连接主体腔(1)筒壁的连接部件(4)包括转动轴使上翻板(2)以及下翻板(3)能够转动90°形成水平方向和垂直方向，主体腔(1)内侧有吸铁石块使以将所述上翻板(2)以及下翻板(3)在水平方向或垂直方向上固定位置。
7.根据权利要求2或3所述的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪，其特征在于：
托板(8)的两侧设置折边，其厚度大于托板(8)厚度；
观测孔(8-2)的四周设置定位片；
托板(8)的四角连接调节螺杆(8-4)以调节托板的高度；
主体腔(1)为立方形筒体，观测孔(8-2)为方形孔，块状电热组件(5)包括绝热盒(5-1)、并联电热板组合(5-2)以及铝板(5-3)，所述绝热盒(5-1)的横截面为正方形，所述铝板(5-3)的横截面为正方形。
8.一种根据权利要求1所述的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪的使用方法，其包括以下步骤：
步骤1)将被测物(10)放置于观测孔(8-2)以下，将上翻板(2)以及下翻板(3)都固定于水平位置，通过传感器测定冷环境下，下翻板(3)的辐射温度MEl(λ,t)
MEl(λ,t)＝εg(λ)Bg(λ,t)+(1-εg)[εl(λ)Bl(λ,t)+εj(λ)Bj(λ,t)+εk(λ)Bk(λ,t)] (1)
其中εg(λ)为下翻板比辐射率、Bg(λ,t)为下翻板的黑体温度、εl(λ)为冷环境下的上翻板的比辐射率、Bl(λ,t)为冷环境下的上翻板的黑体温度、εj(λ)为传感器物镜的比辐射率、Bj(λ,t)为传感器物镜的黑体温度、εk(λ)为腔体内壁的比辐射率、Bk(λ,t)为腔体内壁的黑体温度，El(λ,t)为腔体环境辐照度，所述黑体温度即为真实温度，Bgl(λ,t)等同于Bg(λ,t)；
步骤2)将下翻板(3)固定于垂直位置，通过传感器测定冷环境下目标物的辐射温度Ml(λ,t)
其中Ml(λ,t)、εm(λ)、Bml(λ,t)、分别为传感器测量到的被测目标物在冷环境辐射下的辐射温度、被测目标物的比辐射率和被测目标物在冷环境下的黑体温度，其他符号同上；
步骤3)将上翻板(2)、下翻板(3)都固定于垂直位置，通过传感器测定热环境下目标物的辐射温度Mh(λ,t)
其中Mh(λ,t)、εm(λ)、Bmh(λ,t)分别为传感器测量到的被测目标物在热环境辐射下的辐射温度、被测目标物的比辐射率和被测目标物在热环境下的黑体温度；
步骤4)将下翻板(3)固定于水平位置，上翻板(2)固定于垂直位置，通过传感器测定热环境下环境的辐射温度MEh(λ,t)
MEh(λ,t)＝εg(λ)Bg(λ,t)+(1-εg)[εh(λ)Bh(λ,t)+εj(λ)Bj(λ,t)+εk(λ)Bk(λ,t)] (4)
其中εh(λ)为热环境下的热辐射源的比辐射率、Bh(λ,t)为热环境下的热辐射源的黑体温度、MEh(λ,t)为在热环境下传感器测量到下翻板的辐射温度、Eh(λ,t)为热环境辐照度，Bgh(λ,t)等同于Bg(λ,t)，其他符号含义同上。
9.根据权利要求8所述的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪的使用方法，其特征在于：
所述传感器为102F傅里叶光谱仪(7-1)；
所述方法包括步骤5)，该步骤是根据步骤1)～4)测定出的Mh(λ,t)、Ml(λ,t)、MEh(λ,t)、MEl(λ,t)联立公式(1)～(4)求解，有如下解：
由公式(5)得出εm(λ,t)随波长的分布曲线。
10.根据权利要求8所述的一种主被动漫射式实时光谱比辐射率测定仪的使用方法，其特征在于：
所述传感器为红外辐射计(7-2)，其每次观测的输出值是8-14微米的平均辐射量，即 为平均波段，其取决于传感器的滤光片的平均波段；
所述方法包括步骤5)，该步骤是根据步骤1)～4)测定出的 联立公式(1)～(4)中的λ改为求解，有如下解：
通过公式(5’)直接得到平均
在计算公式(5’)之前，对上述步骤1)～4)测量 四个测量值均先通过下式(6)所示的延时降温方程进行传感器的滞后效应的实时纠正，：
其中，M0、为传感器响应起始时刻t0的被测对象的实际辐射温度、M1、M3分别为t1和t3瞬间传感器测量到被测对象的辐射温度。
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2013
- 2013-09-13 CN CN201310416792.6A patent/CN104458001B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1268663A (zh) * | 1999-03-30 | 2000-10-04 | 中国科学院地理研究所 | 漫射热辐射源物体方向比辐射率测量方法和仪器 |
| CN102879107A (zh) * | 2012-09-25 | 2013-01-16 | 中国科学院地理科学与资源研究所 | 热红外下行辐射测定装置及其测定方法 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 地表波谱比辐射率便携式测量的三种改进方法;杨永民等;《红外与毫米波学报》;20130831;第32卷(第4期);第366-371页 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN104458001A (zh) | 2015-03-25 |
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