CN105092046A - 一种自校准地表红外辐射测温系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种自校准地表红外辐射测温系统，其包括：外罩，该外罩具有一容纳空间；光路及信号采集部分，用于对待测目标的信号进行采集分析，该光路及信号采集部分位于所述容纳空间内，在所述容纳空间内进一步包括有定标黑体，所述定标黑体用于对所述光路及信号采集部分进行校准。本发明的红外辐射测温系统，通过交替观测目标源和定标黑体实时修正红外探测系统的光电响应系数，消除红外光学系统透射率变化、环境温度变化和探测器响应系数变化带来的影响，完成系统自动校准。

Description

一种自校准地表红外辐射测温系统
技术领域
本发明涉及一种红外辐射测温系统，尤其的涉及一种自校准地表红外辐射测温系统。
背景技术
海水表面温度(SST)是全球气候观测系统的重要变量之一，是气候变化模型的重要参数，在气候变化、在海洋-气象研究、天气预报等诸多领域中占有非常重要的地位。在大范围获取海水表面温度需要通过卫星数据得到，然而卫星所得数据受到多种因素影响，为了获得较为准确的海水表面温度，通常需要在现场测量海水表面温度，收集大量验证数据来进行对比分析，所得验证数据的很大一部分就要通过现场测量。因此，能够在现场准确测量海水表面温度具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在现场准确测量地表面温度的装置，该装置为一种能够实现自校准的红外辐射测温系统。
本发明的红外辐射测温系统，包括：外罩，该外罩具有一容纳空间；光路及信号采集部分，用于对信号进行采集分析，该光路及信号采集部分位于所述容纳空间内，其特征在于：在所述容纳空间内进一步包括有定标黑体，所述定标黑体用于对所述光路及信号采集部分进行校准。
其中，所述定标黑体的外侧具有黑体保护罩。
其中，所述外罩的底壁上具有开口。
其中，所述定标黑体的光阑孔和黑体腔底部中央位置分别设置有温度测量元件。
其中，所述光路及信号采集部分中包括有红外探测器。
其中，所述待测目标为海洋或地表。
其中，所述光路及信号采集部分被安装在外罩的托架上。
其中，所述黑体保护罩的材料为塑料。
本发明的红外辐射测温系统，通过交替观测目标源和定标黑体实时修正红外探测系统的光电响应系数，消除红外光学系统透射率变化、环境温度变化和探测器响应系数变化带来的影响，完成系统自动校准。
附图说明
图1自校准海水表面(地表)红外辐射测温系统；
图2红外辐射测温系统的自动切换组件的示意图；
图3定标黑体的结构示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。
如图1所示为对海水表面温度的红外辐射测温系统，该红外辐射测温系统包括有外罩1，该外罩1内形成有容纳空间，在该容纳空间内放置所述红外辐射测温系统的各种组件，所述外罩可以为圆筒形，该外罩1具有侧壁、顶壁和底壁，所述顶壁和侧壁可以为一体成型，所述底壁与侧壁之间通过法兰、螺栓或其他的方式进行连接，在所述底壁上具有至少一个开口；在所述侧壁内部靠近顶壁的位置处设置有托架2，在所述托架2上设置有光路及信号采集部分3，该光路及信号采集部分3用于对光学信号进行采集和测量分析，在外罩1的底壁上方设置有自动切换组件，该自动切换组件转动切换观测对象，使得待测目标和定标黑体的信号交替进入光路及信号采集部分3的观察视场，如图1中所示的(a)目标测量状态和(b)系统自校准状态，在目标测量状态下，待测目标发出的红外信号通过底壁的开口以及自动切换组件上的通道4，在该通道4的内表面具有防水刷5，用于防止外界的水汽进入到该红外辐射测温系统的内部；在系统自校准状态下，通过自动切换组件的转动，定标黑体7位于所述底壁的开口的上方，从待测目标发出的红外信号通过底壁的开口后被所述定标黑体6所阻挡，在所述定标黑体6的外侧设置有黑体保护罩7，所述定标黑体6被容纳在所述黑体保护罩7内部。
在目标测量状态时，该黑体保护罩7的设置用于避免该红外辐射测温系统被定标黑体6所影响，所述定标黑体6安装在自动切换组件的旋转移动台上，该黑体保护罩7为塑料保护套。如图3所示为定标黑体的结构示意图，所述定标黑体6优选为圆柱空腔17，在空腔17的底部具有锥形结构16，优选该锥形结构16为圆锥形，在锥形结构的表面上形成有环形凹槽8，该凹槽为V形。空腔内侧壁为V型凹槽表面，空腔内侧壁以及锥形结构的表面上均覆盖高发射率涂层，可以使黑体在热红外波段的发射率e＞0.999。两支温度传感器9分别位于定标黑体的光阑孔15和黑体腔底部中央位置，用于测量定标黑体温度。为了减小黑体腔温度梯度对校准的影响并防止热冲击，定标黑体由铝材加工而成。所述黑体保护罩7环绕所述定标黑体6，该黑体保护罩7具有底部、腔体和顶部，在顶部具有开口，从该开口的边缘具有向上延伸的环形凸缘，该环形凸缘的上部口径大于靠近定标黑体的下部口径的尺寸，如图1(b)的系统自校准状态中所示，略微倾斜的环形凸缘有助于光线更好的进入到光路及信号采集部分3中。
如图2所示为本发明的红外辐射测温系统的自动切换组件的结构示意图，该红外辐射测温系统包括红外探测器11，所述红外探测器11对待测目标12的温度进行探测，在所述红外探测器11和待测目标12之间设置自动切换组件，该自动切换组件优选可以为旋转移动台13，在所述旋转移动台13的第一位置处具有防水通道5，在第二位置处设置有保护隔板14，在第三位置处设置有定标黑体6。通过所述旋转移动台13的切换可以使得本发明的红外辐射测温系统在目标测量状态、自标校准状态以及关闭状态之间进行切换。通过光学系统将红外辐射信号汇聚在探测器上，红外探测器11根据接收到的光学信号强弱转化为与之相对应的电信号(电压值或者电流值)输送给前置放大器预处理后，将微小的电信号放大为与辐射信号大小成正比的电信号值输出，数据采集系统分别接收待测目标12和定标黑体7的电信号值，经过A/D转换获得数值响应数据，通过相关的公式计算出海水表面的温度作为最终的输出结果输出，最后通过RE232C串口通信传送给电脑终端。该系统的温度测量范围为-50℃～+100℃，温度分辨率为0.06℃，测温精度优于0.05℃。此外，对海洋表面的特殊环境，还对该系统设计了密封防护措施，使其可以在海水表面长期工作。
自校准海水表面(地表)红外辐射测温系统的光路切换图，如图2所示。探测器位于图示中最上方的位置，该系统中使用KT15红外测温仪，其输出为辐射亮度温度值。KT15探测器的模拟信号与被测的辐射亮度成一定的比例关系，在其内部自带参考黑体源对进行仪器内部校准，使KT15长期保持良好的稳定性。它的光谱响应范围为9.6μm-11.5μm，辐射测温范围为173k～373k。测量窗口和定标黑体位于旋转移动台上。测量窗口为一个通孔，待测目标的辐射信号经过测量窗口可以直接传递给KT15。其中，测量窗口是系统与外界连接的窗口，为了尽量减少水汽(水滴)进入系统内部，测量窗口向内部延伸形成防水通道。防水通道侧壁上安装防水刷，阻止水滴进入系统。旋转移动台优选由一个小型电机控制。在不利于测量的恶劣外界环境时，旋转移动台的窗口关闭，系统内部进行保护。当探测器瞄准定标黑体时，测量黑体的辐射信号。
本发明的红外测温仪自带参考黑体用于内部校准，但是受到镜头、电路以及探测器长期使用后的性能下降等因素的影响，需要对探测器进行外部校准。自校准地表红外辐射测温系统的测量部分与标定部分使用同一光路，通过交替观测目标源和定标黑体实时修正红外探测系统的光电响应系数，消除红外光学系统透射率变化、环境温度变化和探测器响应系数变化带来的影响，完成系统自动校准。
本发明为了适应海洋变化多样的恶劣环境，海洋表面温度测量系统添加了自动防护装置，避免雨、湿气、喷溅型水花等污染系统内部元件。对于部署在航船上的自动红外辐射温度计来说，最主要的保护功能是使系统内部的光学元件免于受到雨、湿气、水花的污染以及海水盐霜在设备内部的沉积。为了满足该要求，本发明的红外辐射测温系统进一步包括基于雨量计触发装置的保护系统。通过雨量计采集环境湿度信号，当雨量计采集的信号值低于保护系统设定的阈值时，系统保持正常的测量工作；当雨量计采集的信号高于保护系统设定的阈值时，启动保护程序驱动电机关闭测量窗口，停止测量。
可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (8)

1.一种自校准地表红外辐射测温系统，其包括：外罩，该外罩具有一容纳空间；光路及信号采集部分，用于对信号进行采集分析，该光路及信号采集部分位于所述容纳空间内，其特征在于：在所述容纳空间内进一步包括有定标黑体，所述定标黑体用于对所述光路及信号采集部分进行校准。
2.如权利要求1所述的自校准地表红外辐射测温系统，其特征在于：所述定标黑体的外侧具有黑体保护罩。
3.如权利要求1所述的自校准地表红外辐射测温系统，其特征在于：所述外罩的底壁上具有开口。
4.如权利要求1所述的自校准地表红外辐射测温系统，其特征在于：所述定标黑体的光阑孔和黑体腔底部中央位置分别设置有温度测量元件。
5.如权利要求1所述的自校准地表红外辐射测温系统，其特征在于：所述光路及信号采集部分中包括有红外探测器。
6.如权利要求1所述的自校准地表红外辐射测温系统，其特征在于：所述待测目标为海洋或地表。
7.如权利要求1所述的自校准地表红外辐射测温系统，其特征在于：所述光路及信号采集部分被安装在外罩的托架上。
8.如权利要求1所述的自校准地表红外辐射测温系统，其特征在于：所述黑体保护罩的材料为塑料。
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