CN108680262A - 一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法 - Google Patents

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苏金龙
田岩
程亚运
伍宏飞
胡演
宋梦婷
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    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/52—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using comparison with reference sources, e.g. disappearing-filament pyrometer
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Abstract

本发明公开了一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，属于无源微波遥感与探测技术领域，包括：利用辐射计分别对同一位置的金属目标、待测目标、黑体目标进行测量，得到第一电压、第二电压和第三电压；利用第一电压、第二电压和第三电压进行差值分析，得到待测目标的辐射率。本发明能够非接触、被动、且不需要复杂的定标过程，同时还可消除天线旁瓣以及主波束不完全被目标区域覆盖时所引起的误差，从而获取更为准确的、便易的辐射率测量方法，为目标的检测和识别提供信息。

Description

一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法
技术领域
本发明属于无源微波遥感与探测技术领域，更具体地，涉及一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法。
背景技术
一切自然和人造物质在物理温度高于绝对零度时都会以电磁波的形式自发地向空间辐射电磁能量，微波/毫米波辐射计通过接收这种电磁信号来实现对目标的遥感与探测，这种技术通常被称为无源微波/毫米波辐射测量技术。微波/毫米波辐射测量具有全天时、准全天候工作、隐蔽性和良好的穿透性等优点，因此已应用到诸如大气遥感、海洋监测、土壤和植被遥感、农业检测、安检等领域。
微波/毫米波辐射计通过天线接收感兴趣场景的毫米波辐射，通过输出电压的值的大小来对应其辐射强度，进一步，通过定标过程，再将辐射计的输出电压转化为辐射亮温，实现毫米波辐射测量。影响场景中物质的自发毫米波辐射的因素是多方面的，物质的属性、结构和尺寸等均影响其自发辐射出来的电磁波状态。这些因素的差异导致辐射电磁波的差异，在毫米波辐射亮温中显现出来，从而实现对感兴趣目标的检测与识别。
对于被测物体信息的获取是当前研究的热点也是难点。辐射率是反应物质毫米波辐射的基本参数，也是分辨材料属类的关键参数，通过对辐射率的简单、准确的测量可以准确判断该物质的微波/毫米波辐射能力。
目前，通常通过对目标的亮温进行测量，然后再对目标所反射的背景环境进行测量，再通过复杂的标定过程将输出电压转化为亮温，通过再测量目标的物理温度，结合以上结果进行辐射率计算。其过程复杂，且由于定标和对不同方位(目标和背景)进行测量，不利于构建固定的辐射测量系统，另外，天线方向图旁瓣以及对小目标以及大角度测量时主波束超出目标范围，会引起较大的测量误差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，由此解决现有技术存在测量误差大、测量方法复杂的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，包括：
(1)利用辐射计分别对同一位置的金属目标、待测目标、黑体目标进行测量，得到第一电压、第二电压和第三电压；
(2)利用第一电压、第二电压和第三电压进行差值分析，得到待测目标的辐射率。
进一步地，步骤(2)的具体实现方式为：
将第二电压减去第一电压得到第一差值，将第三电压减去第一电压得到第二差值，将第一差值除以第二差值得到待测目标的辐射率。
进一步地，辐射计的天线与待测目标的夹角改变时，得到待测目标在不同角度下的辐射率。
进一步地，方法还包括：
旋转辐射计后，执行步骤(1)-(2)，得到不同极化下待测目标的辐射率。
进一步地，金属目标的环境背景亮温与黑体目标的物理温度不同。
进一步地，金属目标、待测目标和黑体目标的尺寸相同。
进一步地，辐射计的天线与待测目标的夹角为待测目标所在面的法向量与辐射计的天线所在面的法向量之间的夹角。
进一步地，辐射计的主波束完全投射在金属目标、待测目标或者黑体目标上。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的辐射率测量方法方法通过对金属目标、待测目标、黑体目标分别进行测量，得到所对应的辐射计输出电压；通过各电压间的相互关系，从而求解待测目标的辐射率。本发明可适用于任何微波/毫米波辐射计对目标的辐射率测量，能简便、非接触、被动、消除了由于天线波束不完全投射在目标上所引起的误差，同时不需要定标过程的获取目标辐射率信息。
(2)本发明提供了一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量新方法，通过对标定物(金属、黑体)以及待测目标分别进行测量，从辐射计输出电压中求解出待测目标的辐射率，消除了由于天线波束不完全投射在目标上所引起的误差，省略了传统被动测量方法中的定标以及环境背景直接测量等过程，由此提供一种简便、准确的辐射率测量方法。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法的流程图；
图2是本发明实施例1提供的实验场景示意图；
图3是本发明实施例1提供的实验场景图；
图4(a)是本发明实施例1提供的垂直极化下本发明方法的测量结果与传统方法的对比图；
图4(b)是本发明实施例1提供的水平极化下本发明方法的测量结果与传统方法的对比图；
图5是本发明实施例1提供的本发明方法与传统方法的误差对比图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
辐射率是反映目标辐射能力的关键参数，一般而言，辐射计测量光滑金属板的输出电压来自于环境，而黑体的辐射亮温等于其自身的物理温度。因此可利用金属板和黑体分别看作对环境背景辐射以及相同环境下目标自身物理温度的一个等效标定物。本发明提供了一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其目的在于提供一种简易的辐射率测量方法，避免现有测量方法中定标以及对环境单独测量等过程，同时消除由于天线波束不完全投射在目标上所引起的误差，由此提高提高辐射率测量的效率。
如图1所示，本发明提供了一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，包括：
(1)利用辐射计分别对同一位置的金属目标、待测目标、黑体目标进行测量，得到第一电压、第二电压和第三电压；
(2)将第二电压减去第一电压得到第一差值，将第三电压减去第一电压得到第二差值，将第一差值除以第二差值得到待测目标的辐射率。
当辐射计的天线与待测目标的夹角改变时，得到待测目标在不同角度下的辐射率。
旋转辐射计后，执行步骤(1)-(2)，得到不同极化下待测目标的辐射率。
进一步地，金属目标的环境背景亮温与黑体目标的物理温度不同，避免各目标测量输出电压相等。
进一步地，金属目标、待测目标和黑体目标的尺寸相同。
辐射计的天线与待测目标的夹角为待测目标所在面的法向量与辐射计的天线所在面的法向量之间的夹角。辐射计的主波束完全投射在金属目标、待测目标或者黑体目标上。
实施例1
一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，如图2所示和图3所示，将目标置于辐射计观测方向。当前所测量入射角即为目标所在平面法向量与天线口面法向量的夹角为90°-θ。金属板，待测目标以及黑体被依次放置在图中目标所示区域进行测量。
该实施例中，利用实验方法，并与现有测量方法的测量结果进行对比对该方法进行说明。
基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法具体实现步骤如下：
(1)设计辐射计与待测目标的放置位置，如图2所示，为实验场景示意图，目标离辐射计天线口面距离为2800mm，天线半功率波束宽度为E面：4.6°，H面：7.4°，样品的尺寸为500*500(mm)；
(2)以辐射计分别对金属目标、待测目标、黑体目标进行测量，分别记录对应测量的辐射输出电压V1、V2、V3；
(3)将所获得的V2减去V1，V3减去V1，然后将两差值作除运算，得到商值即为所对应测量的待测目标的辐射率，计算结果如附图4(a)、附图4(b)和附图5；
(4)通过调整目标与天线口面的夹角，重复上述步骤，可得到目标在不同角度下的辐射率；
本实施例中，共测量了20°，30°，40°，50°，60°共5个观测角下的待测目标的辐射率。
(5)通过旋转调整辐射计的极化方式，重复上述步骤，可获得目标的不同极化辐射率。
本实施例中，共测量了水平极化、垂直极化共两个极化方式下的待测目标的辐射率。
(6)附图中voltage method即为本发明方法，TB method即为传统被动测量方法，arch method为一种主动测量方法，该方法的测量结果由中国兵器集团山东非金属材料研究所提供。
(7)以arch method测量结果为标准结果，本发明方法在水平和垂直极化下的绝对误差分别为：0.00997，0.00845，而传统TB method在水平和垂直极化下的绝对误差分别为：0.07428，0.06275。实验结果表明，本发明方法的测量精度与传统方法相比有较大的提高。
辐射率是反映目标辐射能力的关键参数，本发明提供了一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其目的在于提供一种简易的辐射率测量方法，避免现有测量方法中定标以及对环境单独测量等过程，消除了测量过程中由于天线波束不完全投射在目标上所引起的误差，由此提高了辐射率测量的精度和降低了测量复杂度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其特征在于，包括：
(1)利用辐射计分别对同一位置的金属目标、待测目标、黑体目标进行测量，得到第一电压、第二电压和第三电压；
(2)利用第一电压、第二电压和第三电压进行差值分析，得到待测目标的辐射率。
2.如权利要求1所述的一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其特征在于，所述步骤(2)的具体实现方式为：
将第二电压减去第一电压得到第一差值，将第三电压减去第一电压得到第二差值，将第一差值除以第二差值得到待测目标的辐射率。
3.如权利要求1或2所述的一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其特征在于，所述辐射计的天线与待测目标的夹角改变时，得到待测目标在不同角度下的辐射率。
4.如权利要求1或2所述的一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
旋转辐射计后，执行步骤(1)-(2)，得到不同极化下待测目标的辐射率。
5.如权利要求1或2所述的一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其特征在于，所述金属目标的环境背景亮温与黑体目标的物理温度不同。
6.如权利要求1或2所述的一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其特征在于，所述金属目标、待测目标和黑体目标的尺寸相同。
7.如权利要求3所述的一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其特征在于，所述辐射计的天线与待测目标的夹角为待测目标所在面的法向量与辐射计的天线所在面的法向量之间的夹角。
8.如权利要求1或2所述的一种基于辐射计输出电压的目标辐射率的测量方法，其特征在于，所述辐射计的主波束完全投射在金属目标、待测目标或者黑体目标上。
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