CN111473868A - 一种远距离红外测温方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种远距离红外测温方法，包括：先通过计算机模拟得到正天顶方向透过率；再得到水平方向透过率与正天顶方向透过率相等时的近地表水平方向大气厚度；由一定数量的近地表水平方向大气厚度与海拔高度值的对应关系，拟合得到近地表水平方向大气厚度和任意海拔高度值之间的映射关系；最后根据当前实际海拔高度x，由拟合得到的映射关系给出当前近地表水平方向大气厚度y，再实测得到正天顶方向透过率，该透过率即为当前水平方向大气厚度对应的透过率，再计算得到当前测量地的大气消光系数，最终获得目标真实温度。本发明的测温方法具有较高时效性及可实现性，有效提高了远距离红外测温的测量精度，解决了远距离测温难题。
Description
技术领域
本发明涉及红外测温技术领域，尤其是涉及一种远距离红外测温方法。
背景技术
目前，测温方法主要分为接触式测温与非接触式测温；其中，非接触式测温具有快速方便，可对较远目标测温的优势，主要以红外测温为主。但由于红外辐射测温是非接触式，故测温结果受到中间介质(大气)的影响比较大，当距离超过一定范围时，红外辐射受大气吸收的影响将变得不可忽略，若不对此做出相应修正，会导致测量值不准确，限制了红外测温法在远距离测量条件下的应用。
大气对红外辐射的吸收，从机理上主要包括大气分子对电磁波的吸收，以及大气分子引起辐射的散射。目标红外辐射在传输过程中同时受大气这两种效应的综合影响，使得辐射强度随传输距离的增加按照指数规律衰减，且红外波段大气透过率随波长变化起伏剧烈，即在相同大气厚度条件下，不同波段的大气透过率有极大差异。
为提高远距离红外辐射测温法的测量精度，需要知道目标与测量仪器间的大气透过率，由仪器接收到的辐射推知目标自身辐射，获得目标真实温度。通常，获得大气透过率的方法可分为计算机数值模拟和实地测量。而计算机数值模拟的计算精度严重依赖于当地大气参数实时精确的测量，由于影响大气透过率的大气参数非常复杂且易变化，测量复杂，耗时较长，使得测量精度难以保证。目前的实地测量法也存在时效性及可实现性差的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种远距离红外测温方法，该方法可将测温距离提高至几公里量级，测量方位角扩展至任意角度，该方法可实现性较强，解决现有技术手段无法实现远距离红外精准测温的技术问题。
为了达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种远距离红外测温方法，包括如下步骤：
S1、在3.9um-4.15um波段内，且同一地理条件下(纬度及季节一致),通过计算机模拟得到多个不同海拔高度时的正天顶方向透过率；
S2、在水平方向透过率与S1中得到的正天顶方向透过率相等时,通过计算机模拟手段对应得到多个近地表水平方向大气厚度；
S3、由多个近地表水平方向大气厚度，及多个对应的海拔高度值，得到近地表水平方向大气厚度和海拔高度值之间的映射关系；再针对多个不同地理条件，对应建立多组所述近地表水平方向大气厚度和海拔高度之间的映射关系，拟合得到方程式：y＝a*exp(-((x+b)/c)2)；
其中，x为海拔高度，y为近地表水平方向大气厚度，a、b、c为针对多个不同地理条件时，由计算机拟合对应给出的参数；
S4、通过实地测量手段得到实测正天顶方向透过率T，该透过率即为当前水平方向大气厚度对应的透过率,结合当前实际海拔高度x；根据当前地理条件，选取对应的S3中的方程式，并通过该方程式，得到当前近地表水平方向大气厚度y；
再由公式：T＝e-β＝e-α·y，计算得到当前测量地的大气消光系数α；
S5、由公式：T目标＝e-β′＝e-α·d，计算得到T目标；T目标为实际的测量系统与测量目标之间的探测方向透过率，d为实际的测量系统与测量目标之间的距离；
S6、由T目标获得目标真实温度t。
基于辐射转移理论，通过望远镜扫描测量(扫天)不同天顶角处大气辐射亮度可推算得到大气透过率，后文称之为扫天法。根据基尔霍夫定律，在大气温度稳定的平衡态下，由于吸收增加，大气在红外波段的热发射也必然随天顶角的增大而增加。吸收率和发射率随天顶角变化所表现出的一致性，使得不需要大气外定标源，仅通过测量不同天顶角处大气辐射亮度即可得到大气透过率。该方法可通过10cm口径级望远镜实现，具备较高的便携性，方便在野外进行测量。云南天文台许方宇团组研制了一台口径7.5cm、测量波段为4.605-4.755um的望远镜实现了野外测量。扫天法比较适合于测量小天顶角范围内的大气透过率。
本发明是一种基于扫天法的远距离测温方法，原理是将扫天法测得的正天顶透过率换算为其它测量方位的大气消光系数，修正远距离红外测温过程中目标信号的衰减量。可将测温距离提高至几公里量级，提高测量精度，该方法可实现性较强。
本发明的测温方法基于以下分析推导：
大气的发射与吸收特性随波长变化，导致积分辐亮度和透过率随波长起伏。值得指出的是，大气测量仪器都有一定的响应波段，在响应波段内仪器无法识别出这种起伏，故实测辐亮度和拟合得到的透过率均反应的是仪器响应波段内的平均结果。为保证测量精度，要求在观测波段内大气吸收和发射特性没有太过于明显的起伏，即没有强烈的吸收峰和发射线，否则个别波长位置的强烈吸收峰或发射线会极大影响整个波段内透过率的测量。同时，由于该方法基于数值拟合，为保证拟合精度，要求仪器在适当天顶角范围测到积分辐亮度的可观变化。这要求大气光学厚度适中，光学厚度除了与大气层厚度相关外，还与所选波段有关。若光学厚度太厚，测量仪器在不同天顶角测到的是接近于一个光深的积分辐亮度，差异较小，透过率解算误差较大；若光学厚度太薄，测量仪器接收到的信号太弱，些许的噪声都可能导致较大的测量误差。
扫天法适于测量正天顶附近大气透过率，若天顶角过大，测量系统易受地表热辐射的干扰，还需要考虑地球表面的弯曲和光的折射效应等影响，此时Beer定律做出的简化将不再适用。为了解决接近地平线方向的大气透过率测量问题，本发明进一步提出由天顶处大气透过率推知近地平线方向大气透过率的方法。
该方法提出通过正天顶方向的大气透过率推知其它天顶角方向(近地平线方向)的大气透过率，这需要研究这两者之间的映射关系。研究表明：水汽作为影响辐射传输最主要的介质，其时空分布不均，不同时刻、不同高度位置处的水汽含量都易随气候(阴晴雨雪、一天内气温变化)发生变化，每一种状态都对应着不同的映射关系，在难以获得不同高度大气分层参数的情况下，这两者之间的关系将无法求解。若是能够排除水汽带来的影响，其它大气成分相对于水汽而言不易受气候变化影响，且对辐射传输影响较弱；以二氧化碳、臭氧等组分为例：二氧化碳含量在空间分布均匀，随着人类社会大量使用化石燃料，二氧化碳在大气中含量近年来逐步增加，但增加趋势较为缓慢；臭氧主要分布于20km高度的同温层，不易受气候影响(气候变化主要发生于10km以下对流层)，臭氧含量会随季节发生变化，不过这样的变化仍然可认为是一种缓慢而微弱的变化。值得指出的是，对于大气组分变化快慢的判据是相对于测量过程周期以及测量需求而言的，具体的，大多数测量过程周期持续时间为小时量级，气候变化速度亦大致为小时量级，若该时间段内大气组分受气候影响发生了较大变化，则认为这种变化是迅速的、不稳定的。故本发明提出的方法，关键在于排除水汽影响，进而排除气候变化带来的干扰，得到稳定的映射关系。
还应注意的是，所选波段应包括大气环境中常见目标物体的主要热辐射波段，具体对应2微米以上波段。
综上所述，本发明对测量仪器观测波段的选取提出如下要求：1、无强烈吸收峰和发射线。2、光学厚度适中。3、排除水汽影响。4、适合测温。同时，为保证测量仪器信噪比，应选取较宽波段以接受更多辐射信号。基于计算机数值模拟结果，图1a、图1b分别为3-5um波段海平面(0km海拔)位置正天顶方向大气层总体透过率和单独考虑水汽影响的透过率；3.9um-4.15um波段具体情况如图2a、图2b所示，该波段无强烈吸收峰和发射线，是较为理想的波段；扫天法适用的最大测量天顶角范围大约是0°-60°，透过率求解适用范围比测量范围要小，大约是0°-30°，超过30°范围即可采用本发明方法解决。关于测量范围，其中0°透过率大致在0.76，60°透过率大致在0.6，如图2a、图2b所示，光学厚度适中，适合采用扫天法；水汽在该波段透过率接近于100％，可忽略水汽带来的影响；该波段亦属于适合进行测温的波段。
在选定了合适的测量波段后，这种映射关系就变得稳定、有规律可循，映射关系可通过理论分析、数值模拟、实测确定。以计算机数值模拟方法为例：具体的，为量化这种对应关系，考虑地表水平方向大气厚度为多少时，其透过率与正天顶方向的透过率相当，即考虑大气水平方向的路径长度为多少时，其光衰与正天顶光衰值相当。研究结果如表1所示，影响映射关系的主要因素是海拔高度和地理条件。为方便研究，表1列出的正天顶透过率是基于特定大气条件(晴朗无云、无降水)计算得到，近地表水平方向大气厚度是基于如下条件经计算机求解得到：1、大气条件与正天顶方向设定一致。2、水平方向透过率与正天顶透过率相等。为验证映射关系的稳定性，改变大气条件模拟一天当中的气候变化，正天顶透过率将随之发生变化，但近地表水平方向大气厚度变化率比透过率变化率小一个数量级，可忽略，如表2所示。
由表1知，海拔高度是影响映射关系的重要因素。为此，以中纬度夏季为例，将表1中海拔高度与水平方向大气厚度的对应关系，进一步细化为图3所示，其中横坐标为海拔高度(km)，纵坐标为对应水平方向大气厚度(km)，黑点为通过计算机数值模拟得到的对应海拔高度为0km、1km、2km、3km、4km、5km的映射关系，再通过形如y＝a*exp(-((x+b)/c)2)的数学模型拟合，得到曲线方程为：y＝3.77*exp(-((x+0.1433)/8.654)2)；其中x表示海拔高度(km)，y表示近地表水平路径大气厚度(km)。值得指出的是，上述明确的映射关系，是在选取特定波段(3.9um-4.15um)的条件下，才得以存在。
表1：
| 海拔(km) | 地理条件 | 等效水平大气距离(km) |
| 0 | 中纬度夏季 | 3.77 |
| 0 | 中纬度冬季 | 3.78 |
| 0 | 亚北极夏季 | 3.83 |
| 0 | 亚北极冬季 | 3.58 |
| 2 | 中纬度夏季 | 3.47 |
| 2 | 中纬度冬季 | 3.36 |
| 2 | 亚北极夏季 | 3.38 |
| 2 | 亚北极冬季 | 3.27 |
| 5 | 中纬度夏季 | 2.64 |
| 5 | 中纬度冬季 | 2.49 |
| 5 | 亚北极夏季 | 2.51 |
| 5 | 亚北极冬季 | 2.40 |
表2：
进一步地，S6中，由仪器对目标热辐射响应值DN，以及T目标，得到测量目标在探测方向的辐射强度I，最终通过辐射强度I和目标辐射率ε，基于普朗克定律等辐射测温理论，获得目标真实温度t。
具体地，依据辐射测温相关理论，由探测器响应读数DN以及T目标推知目标在探测方向的辐射强度I；此处应将目标源区分为点源和面源：1、点源目标是指目标对探测器张角小于单像元视场角，目标在仪器入瞳处的正入射辐照度与探测距离呈平方反比关系，DN值与探测距离成平方反比规律，即
2、面源目标是指目标对探测器张角大于单像元视场角，由于单像元拍摄到的目标区域面积与探测距离呈平方正比关系，刚好抵消了辐照度与探测距离间的平方反比关系，综合效应表现为DN值只与T目标相关，即DN∝IT目标。获知I以后，根据单像元对应目标面积A,求解得到目标表面辐射出射度
再通过目标辐射率ε求得等效色温度条件对应黑体(3.9-4.15μm)的辐射出射度
最终，根据普朗克定律，
求解得物体真实温度t。其中：λ代表波长，此处对应3.9-4.15μm所选波段，h为普朗克常量，c为光速,k为玻尔兹曼常量。
上述步骤仅以水平方向为例进行说明。事实上，本发明的基于扫天法的远距离测温方法，同理可得到正天顶方向大气透过率与其它天顶角方向大气透过率之间的映射关系，实现其它天顶角方向目标物体的红外测温。值得指出的是，由于映射关系均在数公里量级，故该种测温方法适用于数公里量级距离的测温；相比于现有远距离红外测温方法而言，这可谓是一种超远距离的红外测温方法，极大程度扩展了红外测温方法的测量距离。这尤其适用于石化产业的安全检测，便于在远距离处对石化产业设备进行大范围高效率的监控。若利用该测温方法研制相关设备，可将映射关系及目标辐射率提前存储至设备数据库中，扫天与测量目标过程由电机驱动望远镜完成，相应解算过程由内置计算机完成。整个测量周期耗时约为半分钟，完全可认为在该时间段内大气基本保持稳定，便于实时修正大气消光系数随气象条件的变化。故本发明提到的测温方法具有较高时效性及可实现性，有效提高了远距离红外测温的测量精度，解决了远距离测温难题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为3-5um波段海平面位置大气层总体透过率图谱；
图1b为3-5um波段海平面位置单独考虑水汽影响的透过率图谱；
图2a为3.9-4.15um波段海平面正天顶方向大气透过率图谱；
图2b为3.9-4.15um波段海平面60°天顶角方向大气透过率图谱；
图3为海拔高度与水平路径大气厚度映射关系图；
图4是本发明一种实施方式中，仪器实测天空辐照度随天顶角的变化关系图。
具体实施方式
下面将结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
云南天文台许方宇团组基于已有扫天设备进行改装，主要是把之前设备上4.605-4.755um滤光片更换为适用于该方法使用的3.9-4.15um滤光片。实验地点在青海省德令哈市，该地海拔2980米，北纬37.22°属中纬度，皆是在夏季晴朗无云的夜间进行，用扫天法测量了不同天顶角处的大气红外辐射亮度。扫天过程要求测量尽可能在短的时间里进行，因为大气条件变化很快，测量时间如果跨度过长，在这期间大气环境发生变化将导致测量不准确。
具体实验过程如下，待望远镜制冷稳定后，开始扫天法测量。一般在十秒内可完成0°-60°天顶角的扫描，扫描步长3°，共有21组测量数据。大气辐照度测量值随天顶角的变化为图4中圆圈所示，将测量数据以特定数学模型进行最小二乘拟合，拟合结果为图4中曲线所示，由图知曲线与数据点的重合程度很高，这说明测量误差较小，数学模型与实际情况也比较吻合，由此拟合得到β的值为-0.12。由T＝e-β得到该地实测透过率T为0.8869，对比软件仿真透过率0.8658，还是有些许差异，所以用实测手段进行修正是有必要的。
进一步的，德令哈地理条件符合中纬度大气模型标准，将海拔高度2.98km带入y＝3.77*exp(-((x+0.1433)/8.654)2)式求得当地正天顶透过率对应地表水平路径3.31km厚度大气的透过率。则当地近地表大气情况为：3.31km厚度的大气层对应透过率为T＝0.8869。根据T＝e-β＝e-α·y，求得该地的大气消光系数α＝0.03626。
进一步的，在得知该地大气消光系数后，进行测温实验。实测时选择可设定温度的标准辐射源进行测量，本次实验辐射源温度设定为60℃，仪器与辐射源间距2km，所选辐射源足够大，保证在测量距离范围内满足面源测量规律。根据T目标＝e-β′＝e-α·d＝0.9300，说明目标辐射经2km厚度大气传输后，衰减了7％，剩余93％。在对目标辐射经大气传输的衰减做出修正后，就可得到目标在探测方向的辐射强度I，在得知标准辐射源辐射率ε＝0.7情况下，依据辐射测温相关理论可求得目标温度为59.3℃。若是不对大气衰减带来的影响做出修正，则测温结果为54℃。由此知本发明可有效提高远距离红外测温精度。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种远距离红外测温方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、在3.9um-4.15um波段内，且同一地理条件下，通过计算机模拟得到多个不同海拔高度时的正天顶方向透过率；
S2、在水平方向透过率与S1中得到的正天顶方向透过率相等时,通过计算机模拟手段对应得到多个近地表水平方向大气厚度；
S3、由多个近地表水平方向大气厚度，及多个对应的海拔高度值，得到近地表水平方向大气厚度和海拔高度值之间的映射关系；再针对多种不同地理条件，对应建立多组所述近地表水平方向大气厚度和海拔高度之间的映射关系，拟合得到方程式：y＝a*exp(-((x+b)/c)2)；
其中，x为海拔高度，y为近地表水平方向大气厚度，a、b、c为针对多个不同地理条件时，由计算机拟合对应给出的参数；
S4、通过实地测量手段得到实测正天顶方向透过率T，该透过率即为当前水平方向大气厚度对应的透过率，结合当前实际海拔高度x；根据当前地理条件，选取对应的S3中的方程式，并通过该方程式，得到当前近地表水平方向大气厚度y；
再由公式：T＝e-β＝e-α·y，计算得到当前测量地的大气消光系数α，β为光学深度；
S5、由公式：T目标＝e-β′＝e-α·d，计算得到T目标；T目标为实际的测量系统与测量目标之间的探测方向透过率，d为实际的测量系统与测量目标之间的距离；
S6、由T目标获得目标真实温度t。
2.根据权利要求1所述的远距离红外测温方法，其特征在于：S3中，当地理条件为中纬度夏季时，通过计算机数值模拟得到所述近地表水平方向大气厚度和海拔高度之间的映射关系，再通过数学模型拟合后得到方程式：y＝3.77*exp(-((x+0.1433)/8.654)2)。
3.根据权利要求1所述的远距离红外测温方法，其特征在于：S6中，由仪器对目标热辐射响应值DN，以及T目标，得到测量目标在探测方向的辐射强度I，最终通过辐射强度I和目标辐射率ε，基于普朗克定律等辐射测温理论，获得目标真实温度t。
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- 2020-04-27 CN CN202010344498.9A patent/CN111473868B/zh active Active
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