CN110617887B - 一种目标辐射率测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种目标辐射率测量方法及装置，方法包括：将板状吸波材料一端固定、另一端绕该端旋转，调整辐射计天线口面中轴线与吸波材料表面间的夹角，测得吸波材料辐射电压；将金属和待测目标先后设置在吸波材料表面相同位置，测得一一对应的辐射电压；将吸波材料作为环境背景对三个辐射电压差值分析，得到待测目标的辐射率；其中吸波材料辐射率为0.999～1，金属和待测目标表面积相等且不大于吸波材料。本发明在测量时吸波材料不动，将金属和待测目标先后放在吸波材料相同位置得三者辐射电压，操作简单。另外吸波材料辐射率近乎1，但这会导致吸波材料较厚，将吸波材料作为环境背景进行差值分析，可完全消除厚度对测量带来的误差，极大提高测量精度。

Description

一种目标辐射率测量方法及装置

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，涉及一种目标辐射率测量方法及装置。

背景技术

一切物质当其物理温度大于绝对0度时都会以电磁波的形式自发地向外辐射电磁能。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，就辐射计而言，发射源就是目标本身，而辐射计仅仅是一部被动式的接收机。辐射计接收到的能量是被天线收集起来的辐射，这些辐射则来自场景的自发辐射和反射，因此这种技术通常被称为无源微波/毫米波(对辐射计来说的，微波辐射计和毫米波辐射计)辐射测量技术。同时微波/毫米波辐射测量还具有全天时、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。

目前，通常通过对目标的亮温(辐射电压)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。另一种基于差值分析的测量方法，虽然测量相对简单，也易于构建固定的辐射测量系统，但在实际测量过程中仍存在许多误差项来源(如吸波材料厚度)及较严格的实际操作条件的问题。

发明内容

本发明提供一种目标辐射率测量方法及装置，用以解决现有目标辐射率测量方法中因吸波材料厚度导致实际测量误差较大的技术问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种目标辐射率测量方法，包括：

将板状吸波材料一端固定、另一端绕该端旋转，以调整辐射计的天线口面中轴线与所述板状吸波材料表面之间的夹角，测得所述板状吸波材料的辐射电压；

将片状金属和片状待测目标先后设置在所述板状吸波材料表面的相同位置，测得一一对应的辐射电压；

将所述板状吸波材料作为环境背景，对三个所述辐射电压进行差值计算，得到所述片状待测目标的辐射率；

其中，所述板状吸波材料的辐射率为0.999～1，所述片状金属和所述片状待测目标的表面积相等且不大于所述板状吸波材料表面积。

本发明的有益效果是：本发明先将吸波材料一端固定，另一端可以绕该端旋转，已调整辐射计的天线口面的中轴线与板状吸波材料表面之间的所需测量夹角，此时测得板状吸波材料在该角度的辐射电压。不改变板状吸波材料位置，先后将表面积相同的片状金属和待测目标放在板状吸波材料的相同位置，以分别测得它们的辐射电压，这种测量方法，操作简单，只需要在板状吸波材料的相同位置放置不同材料，测得三个辐射电压。最后，将三个辐射电压进行差值分析，得到待测目标的辐射率。特别的，板状吸波材料的辐射率近乎1，以保证差值分析计算的精确度，但这种辐射率条件会导致板状吸波材料比较厚，但将该板状吸波材料与上述测量方法结合，并将吸波材料作为环境背景进行差值分析，能够完全消除吸波材料的厚度对测量结果带来的较大误差，有效提高了测量精度。另外，该种测量方法可以使得金属和待测目标的表面积大小只要在板状吸波材料的表面积大小范围内即可，可以根据实际需要任意改变，不需要三者的表面积大小严格相同，灵活，在保证高精确度的同时，应用范围广且测量成本低，在测量过程中只需要在板状吸波材料上更换测量目标，省时省力。

上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。

进一步，所述板状吸波材料一端的固定平面与所述天线口面的中轴线平行。

本发明的进一步有益效果是：设置板状吸波材料一端的固定平面与天线口面的中轴线平行，可以实现操作简单，保证高测量精确度。

进一步，所述辐射计的天线口面的中轴线经过所述片状金属和所述片状待测目标的中心位置。

进一步，所述板状吸波材料、所述片状金属和所述片状待测目标的物理温度等同，实现方法为：将所述板状吸波材料、所述片状金属和所述片状待测目标设置在相同温度环境下。

本发明的进一步有益效果是：三者物理温度相等，进一步提高后续进行差值分析的精确度，其中，保持三者物理温度相等，只需要将三者放到同一温度环境即可，不需要测量物理温度，简单方便准确。

进一步，所述板状吸波材料为角锥泡沫，厚度为厘米级。

本发明的进一步有益效果是：泡沫材质的吸波材料能达到的辐射率接近1，保证后续进行差值分析的高精确度。

进一步，所述片状金属和所述片状待测目标的厚度为毫米级或其以下。

本发明的进一步有益效果是；将金属和待测目标的厚度设置在毫米级，有效避免两者厚度对辐射计测量结果的影响，进一步保证后续差值分析的精确度。

进一步，所述辐射计的主波束在所述板状黑体表面的投射面积至少完全覆盖所述片状金属或所述片状待测目标。

本发明的进一步有益效果是：只要控制辐射计的主波束在板状吸波材料表面的投影面积至少完全覆盖片状金属或待测目标即可，不要求覆盖整个板状吸波材料的表面，在较高精确度的同时，操作简单，灵活。

进一步，所述差值计算的表达式为：

式中，V_AP、e为所述片状待测目标的辐射电压和辐射率，V_APr、e_r为所述片状金属的辐射电压和辐射率，V_APb、e_b为所述板状吸波材料的辐射电压和辐射率。

本发明的进一步有益效果是：在热力学平衡条件下，基于基尔霍夫定律和能量守恒，分别得到板状吸波材料、片状金属和片状待测目标的亮温函数，再以板状吸波材料为背景，并以金属和待测目标的表面积相同为前提，联立三个亮温函数，得到上述待测目标辐射率表达式。由于金属和待测目标的表面积相同且其他因素带来的面积误差，且是以吸波材料为环境背景进行差值推导，因此采用上述计算得到的待测目标反射率真实可靠，在实际测量中有很好的实用价值。

进一步，所述片状金属的辐射率取值为0，所述板状吸波材料的辐射率取值为1。

本发明的进一步有益效果是：片状金属的辐射率取值为0，板状吸波材料的辐射率取值为1，在接近真实取值的基础上，计算简单。

本发明还提供一种目标辐射率测量装置，包括：固定件，处理器，以及如上所述的任一种目标辐射率测量方法中的辐射计、与所述辐射计间隔设置的板状吸波材料、片状金属；

所述固定件用于先后将所述片状金属和片状待测目标固定在所述板状吸波材料的表面；所述处理器用于基于所述辐射计测得的三个辐射电压进行如上所述的任一种目标辐射率测量方法中的差值分析，得到所述片状待测目标的辐射率。

本发明的有益效果是：辐射率是反映目标辐射能力的关键参数，基于上述目标辐射率测量方法，得到目标辐射率测量装置，用于实际测量中，能够剔除因吸波材料在测量过程中在辐射计中产生的厚度投影导致的测量误差，提高了辐射率测量的精度和降低测量复杂度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种目标辐射率测量方法的流程框图；

图2为本发明实施例提供的目标辐射率测量示意图；

图3为本发明实施例提供的目标辐射率测量误差来源示意图；

图4为本发明实施例提供的一种目标辐射率测量装置示意图。

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。

实施例一

一种目标辐射率测量方法100，如图1所示，包括：

将板状吸波材料一端固定、另一端绕该端旋转，以调整辐射计的天线口面中轴线与板状吸波材料表面之间的夹角，测得板状吸波材料的辐射电压；

将片状金属和片状待测目标先后设置在板状吸波材料表面的相同位置，测得一一对应的辐射电压；

将板状吸波材料作为环境背景，对三个辐射电压进行差值计算，得到片状待测目标的辐射率；其中，板状吸波材料的辐射率为0.999～1，片状金属和片状待测目标的表面积相等且不大于板状吸波材料表面积。

一般而言，投射到物质表面上的辐射一部分被吸收，而其余部分被反射，在所有频率上吸收所有入射的辐射而无反射的理想的完全不透明的材料定义为吸波材料，吸波材料除了是一个完全的吸收体外也是一个完全的发射体。实际的物质通常称为灰体，它的发射少于吸波材料的发射，且未必吸收所有入射到它上面的能量。

处于热力学平衡的物体所发射的功率P是其物理温度T的函数，且在微波波段P正比于T，对于理想吸波材料则被辐射计天线接收的功率为P_bb＝kTB。

式中，k为玻尔兹曼常数，B为辐射计带宽，P_bb为天线接收的理想吸波材料发射功率。更加具体来说，材料的发射特性用辐射测量亮温度T_B这个术语来表征，同样根据上式，有关系式：

其中，P是材料在整个带宽B内所发射的功率。根据以上原理，如果材料具有恒定的物理温度T，则物体的辐射率e有如下定义：

微波/毫米波辐射计通过天线接收目标场景的毫米波辐射，得到相应的电压数据，通过定标，将辐射计的输出电压转化为亮温，实现对目标场景的毫米波辐射测量。影响场景中物质的自发毫米波辐射的因素是多方面的，包括物质的属性、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(如亮温大小)，从而实现对感兴趣目标的检测与识别。

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。一般而言，辐射计测量光滑片状金属的输出电压来自于环境，而板状吸波材料的辐射亮温等于其自身的物理温度。因此可利用片状金属和板状吸波材料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。本实施例提供了一种基于目标辐射率测量的误差改进方法，其目的在于提供一种在实际操作中减少测量误差的方法，避免现有测量方法中因为吸波材料具有不可忽略的形状以及厚度所带来的测量误差，由此提高辐射率测量准确性。

具体的，先将吸波材料一端固定，另一端可以绕该端旋转，已调整辐射计的天线口面的中轴线与板状吸波材料表面之间的所需测量夹角，此时测得板状吸波材料在该角度的辐射电压。之后板状吸波材料不动，如图2所示，分别将片状金属和待测目标(即图中金属/待测目标)先后分别放在板状吸波材料(即图中黑体目标，黑体为吸波材料的理想辐射率为一的名称)的相同位置，以分别测得它们的辐射电压，这种测量方法，操作简单，只需要在板状吸波材料的相同位置放置不同材料，测得三个辐射电压。最后，将三个辐射电压进行差值分析，得到待测目标的辐射率。特别的，板状吸波材料的辐射率近乎1，以保证差值分析计算的精确度，但这种辐射率条件会导致板状吸波材料比较厚，但将该板状吸波材料与上述测量方法结合，并将吸波材料作为环境背景进行差值分析，能够完全消除吸波材料的厚度对测量结果带来的较大误差，有效提高了测量精度。另外，该种测量方法可以使得金属和待测目标的表面积大小只要在板状吸波材料的表面积大小范围内即可，可以根据实际需要任意改变，不需要三者的表面积大小严格相同，灵活，在保证高精确度的同时，应用范围广且测量成本低，在测量过程中只需要在板状吸波材料上更换测量目标，省时省力。

需要说明的是，板状吸波材料的辐射率近乎1，以保证差值分析的精确度，但这种辐射率条件会导致板状吸波材料会比较厚，如图3所示，那么在辐射计的天线口面与板状吸波材料表面呈现一定角度时板状吸波材料在与天线口面平行的平面上的投影面积有一部分是由板状吸波材料的厚度贡献(即厚度在平面上的投影面积，称为边缘效应)，由此导致辐射计测量的板状吸波材料的辐射电压一部分来自其厚度(如图3中，圈2的高度代表吸波材料的实际投影面积，圈1的高度代表有吸波材料厚度贡献的吸波材料投影面积)，而由于吸波材料的面积只要多一点，其对应的辐射电压就会变化很大。因此，如果差值计算的前提是板状吸波材料与金属、待测目标的表面积相等，所以此时板状吸波材料因其厚度导致其与金属和待测目标的表面积不相等，最终导致辐射率测量及计算误差较大。因此，本发明将板状吸波材料作为环境背景，进行测量和计算，在保证板状吸波材料的辐射率接近1的同时，避免其厚度带来的测量副作用，在实际测量应用中，有效保证了辐射率测量可靠性，实用性极强。

本实施例可适用于任何微波/毫米波辐射计对目标的辐射率测量，简便、非接触、被动，消除了由于实际吸波材料具有一定的高度在辐射计测量方向上产生的投影面积所引起的误差。

另外，通过对标定物(金属、吸波材料)以及待测目标分别进行相对位置固定，消除了由于背景的不相同而在辐射计上所引起的误差，省略了在多次测量辐射率时频繁换板状吸波材料的过程，是一种简便、准确的辐射率测量实操方法。

本实施例通过对测量背景的设计，能够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的基础上，进一步实现对吸波材料厚度所带来的表面误差的消除。

另外，需要说明的是，测量投影面积不单单是天线口面面积大小的区域，根据实际需要调整天线口面的主波束投影面在片状金属或待测目标表面积的中心位置即可。其次，当板状吸波材料的表面与辐射计的天线口面的中轴线方向垂直时，板状吸波材料厚度对测量结果无影响，但是在实际测量中板状吸波材料是需要沿着其固定一端旋转，以得到各夹角对应的辐射率，所以在实际应用中，该种方法简单、精确度高、实用性强。

优选的，板状吸波材料一端的固定平面与天线口面的中轴线平行。

设置板状吸波材料一端的固定平面与天线口面的中轴线平行，可以实现操作简单，保证高测量精确度。

优选的，辐射计的天线口面的中轴线经过片状金属和片状待测目标的中心位置。

优选的，板状吸波材料、片状金属和片状待测目标的物理温度等同，实现方法为：将板状吸波材料、片状金属和片状待测目标设置在相同温度环境下。

三者物理温度相等，进一步提高后续进行差值分析的精确度，其中，保持三者物理温度相等，只需要将三者放到同一温度环境即可，不需要测量物理温度，简单方便准确。

优选的，板状吸波材料的材料为角锥泡沫，厚度为厘米级。

泡沫材质的吸波材料能达到的辐射率接近1，且其厚度厘米级，保证后续进行差值分析的高精确度，需要注意的是，板状吸波材料的表面是劈状，板状吸波材料的厚度为劈状顶端到吸波材料背面之间的距离。

优选的，片状金属和片状待测目标的厚度为毫米级或其以下。

将金属和待测目标的厚度设置在毫米级，有效避免两者厚度对辐射计测量结果的影响，进一步保证后续差值分析的精确度。

优选的，辐射计的主波束在板状吸波材料表面的投射面积至少完全覆盖片状金属或所述片状待测目标。

只要控制辐射计的主波束在板状吸波材料表面的投影面积至少完全覆盖片状金属或待测目标即可，不要求覆盖整个板状吸波材料的表面，在较高精确度的同时，操作简单，灵活。

优选的，差值分析具体为：在热力学平衡条件下，基于基尔霍夫定律和能量守恒，分别得到所述板状吸波材料、所述片状金属和所述片状待测目标的亮温函数。三者的物理温度相同，均为T_ph为三者的物理温度(三者物理温度相同)，T_g表示环境亮温，具体如下：

待测目标的亮温函数：

板状吸波材料的亮温函数；

片状金属的亮温函数：

板状吸波材料的亮温函数分别减去片状金属和片状待测目标的亮温函数，得到第一差值函数和第二差值函数；

将第一差值函数和第二差值函数相除，得到片状待测目标的辐射率

函数，如下：

其中，

为待测目标的亮温，

为片状金属的亮温，

为板状吸波材料的亮温。另外，任一亮温T与辐射计得到的辐射电压V满足：V＝kT+b，k、b均为常数。

因此，基于上述辐射率函数和三个辐射电压，得到片状待测目标的辐射率。

在热力学平衡条件下，基于基尔霍夫定律和能量守恒，分别得到板状吸波材料、片状金属和片状待测目标的亮温函数，再以板状吸波材料为背景，并以金属和待测目标的表面积相同为前提，联立三个亮温函数，得到上述待测目标辐射率表达式。由于金属和待测目标的表面积相同且其他因素带来的面积误差，且是以吸波材料为环境背景进行差值推导，因此采用上述计算得到的待测目标辐射率真实可靠，在实际测量中有很好的实用价值。

进一步，所述片状金属的辐射率取值为0，所述板状吸波材料的辐射率取值为1。

由于金属的辐射率

吸波材料的辐射率

在接近真实取值的基础上，计算简单，因此上述发射率函数简化为：

任一亮温T与辐射计得到的辐射电压V满足：V＝kT+b，k、b均为常数。因此，差值分析可直接为：将片状待测目标对应的辐射电压减去片状金属对应的辐射电压，得到第一差值；将板状吸波材料对应的辐射电压减去片状金属对应的辐射电压，得到第二差值；将第一差值除以第二差值，得到片状待测目标的辐射率。

实施例二

一种目标辐射率测量装置，如图4所示，包括：固定件，处理器，以及如上实施例一所述的任一种目标辐射率测量方法中的辐射计、与辐射计间隔设置的板状吸波材料、片状金属。其中，

固定件用于先后将片状金属和片状待测目标固定在板状吸波材料的表面；处理器用于基于辐射计测得的三个辐射电压进行如上实施例一所述的任一种目标辐射率测量方法中的差值分析，得到片状待测目标的辐射率。

需要说明的是，板状吸波材料是软泡沫，为了在测量过程中测量装置的稳固，在吸波材料后面放一个大金属板起支撑作用，再在这个金属板上面焊两个钉子，把吸波材料扎过钉子靠在金属板上，而两个钉子又因为穿过吸波材料，可以在上面放置片状金属和待测目标。

辐射率是反映目标辐射能力的关键参数，目标辐射率测量装置，用于实际测量中，能够剔除因吸波材料在测量过程中在辐射计中产生的厚度投影导致的测量误差。提高了辐射率测量的精度和降低测量复杂度。

相关技术方案同实施例一，在此不再赘述。

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)

1.一种目标辐射率测量方法，其特征在于，包括：

将板状吸波材料一端固定、另一端绕该端旋转，以调整辐射计的天线口面中轴线与所述板状吸波材料表面之间的夹角，测得所述板状吸波材料的辐射电压；

将片状金属和片状待测目标先后设置在所述板状吸波材料表面的相同位置，测得一一对应的辐射电压；

将所述板状吸波材料作为环境背景，对三个所述辐射电压进行差值计算，得到所述片状待测目标的辐射率；

其中，所述板状吸波材料的辐射率为0.999～1，所述片状金属和所述片状待测目标的表面积相等且小于所述板状吸波材料表面积；所述辐射计的主波束在所述板状吸波材料表面的投射面积至少完全覆盖所述片状金属或所述片状待测目标；

所述差值计算的表达式为：

式中，V_AP、e为所述片状待测目标的辐射电压和辐射率，V_APr、e_r为所述片状金属的辐射电压和辐射率，V_APb、e_b为所述板状吸波材料的辐射电压和辐射率。

2.根据权利要求1所述的一种目标辐射率测量方法，其特征在于，所述板状吸波材料一端的固定平面与所述天线口面的中轴线平行。

3.根据权利要求1所述的一种目标辐射率测量方法，其特征在于，所述辐射计的天线口面的中轴线经过所述片状金属和所述片状待测目标的中心位置。

4.根据权利要求1所述的一种目标辐射率测量方法，其特征在于，所述板状吸波材料、所述片状金属和所述片状待测目标的物理温度等同，实现方法为：将所述板状吸波材料、所述片状金属和所述片状待测目标设置在相同温度环境下。

5.根据权利要求1所述的一种目标辐射率测量方法，其特征在于，所述板状吸波材料为角锥泡沫，厚度为厘米级。

6.根据权利要求1所述的一种目标辐射率测量方法，其特征在于，所述片状金属和所述片状待测目标的厚度为毫米级或其以下。

7.根据权利要求1至6任一项所述的一种目标辐射率测量方法，其特征在于，所述片状金属的辐射率取值为0，所述板状吸波材料的辐射率取值为1。

8.一种目标辐射率测量装置，其特征在于，包括：固定件，处理器，以及如权利要求1至7任一项所述的一种目标辐射率测量方法中的辐射计、与所述辐射计间隔设置的板状吸波材料、片状金属；

所述固定件用于先后将所述片状金属和片状待测目标固定在所述板状吸波材料的表面；所述处理器用于基于所述辐射计测得的三个辐射电压进行如权利要求1至7任一项所述的一种目标辐射率测量方法中的差值分析，得到所述片状待测目标的辐射率。

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