CN113567419B - 一种高温目标光谱发射率实验观测方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高温目标光谱发射率实验观测方法及测量装置，装置包括调光照明系统、样品加热系统、移动暗室系统及辐射测量系统，调光照明系统固定于移动暗室系统的步进式升降导轨上，导轨固定辐射测量观测臂，其上固定暗室的消光黑体布棚和辐射测量系统的ASD光谱仪探头，探头位于暗室顶端中心抽带位置处，调光照明系统的卤素灯光源设置在暗室顶部，调整角度及光斑大小使光束铺满被测目标表面；本发明观测成本低，有效观测可见光‑短波红外波段高温目标发射率，并同步测量其温度；消除温度对发射率测量的影响，并对现有测温仪器进行校准；可得到多个光谱发射率，对测量结果进行平均运算，减小了由反射率引起的测量误差，提高测量精度。
Description
技术领域
本发明属于定量遥感基础实验观测技术领域，具体涉及一种对高温目标可见光-短波红外光谱发射率实验观测方法及测量装置，特别涉及一种基于多辐照度法高温目标光谱发射率实验观测方法及测量装置。
背景技术
高温目标发射率获取方法主要有理论推导和实验观测方法。理论推导法是依据菲涅耳定律进行理论推导反射率，并根据能量守恒定律和基尔霍夫定律进行发射率获取。受原理的限制，该方法适用于晶体发射率的理论推导，无法应用于自然界广泛存在的大量非晶体目标。实验观测法主要分直接法、反射率法。直接法包括量热法、定义法(测温法及黑体参比法的统称)。其中量热法依据斯蒂芬-玻尔兹曼定律对全波段半球发射率进行获取，定义法根据发射率定义通过目标光谱辐射能量与同温黑体光谱辐射能量(普朗克黑体辐射理论值或实际黑体辐射源)的比值计算而获取光谱发射率。反射率法主要利用积分球对目标进行半球反射率测量，并根据能量守恒定律和基尔霍夫定律进行光谱发射率获取。
现有实验观测方法中主要存在以下几个问题：(1)黑体参比法仪器成本较高，在实验条件不具备的情况下，难以进行观测；(2)温度测量存在一定误差，同时测温过程中易与被测目标表面直接接触，从而破坏目标物表面从而引起表面辐射亮度变化，导致观测误差；(3)对于温度相对较低(低于1200K)的高温目标，其在可见光-摄影红外波段的辐射能量较低，故信噪比低，因此难以利用定义法获得其在可见光-短波红外波段的准确发射率；(4)对于温度相对较高(高于1200K)的高温目标，其在短波红外波段的发射能量较高，反射能量相对发射能量比降低，从而降低信噪比，因此单一辐照度条件易引起观测误差。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种基于多辐照度法高温目标可见光-短波红外光谱发射率测量实验测量装置，还提供一种基于多辐照度法高温目标可见光-短波红外光谱发射率测量实验观测方法，以解决发射率测量成本高、温度测量误差大、可见光-摄影红外波段辐射能量信噪比低的问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高温目标光谱发射率实验测量装置，主要由调光照明系统3、样品加热系统、移动暗室系统以及辐射测量系统6构成；
所述调光照明系统3包括卤素灯光源和与其相连的光源控制器，光源控制器能够控制卤素灯光源输出功率并调整光源照射角度；所述样品加热系统包括能够水平旋转的样品加热台8、与其连接的样品加热台控制器、设置于样品加热台8上方的旋转置物台7和放置于旋转置物台7上的标准漫反射板；所述移动暗室系统包括可折叠式柱体暗室和步进式升降导轨1；所述辐射测量系统6包括ASD光谱仪和计算机分析处理系统，ASD光谱仪包括ASD光谱仪探头5和镜头转换器；
所述调光照明系统3固定于步进式升降导轨1上，步进式升降导轨1固定辐射测量观测臂2，其上固定可折叠式柱体暗室的消光黑体布棚4和ASD光谱仪探头5；所述旋转置物台7能够绕升降导轨1下方立柱旋转360°；所述可折叠式柱体暗室顶部中心处还设置抽带，ASD光谱仪探头5位于可折叠式柱体暗室顶端中心抽带位置处，卤素灯光源设置在可折叠式柱体暗室顶部，调整角度及光斑大小使光束铺满被测目标表面。
进一步地，所述可折叠式柱体暗室由消光黑体布棚4与设备底座相连构成。
进一步地，所述辐射测量观测臂2端头带有固定器，消光黑体布棚4与固定器固定。
进一步地，所述ASD光谱仪探头5固定于辐射测量观测臂2中部。
进一步地，所述旋转置物台7位于样品加热台8正上方，均以升降导轨1下方立柱为旋转轴，二者相互独立，皆可在水平平面360°手动绕轴旋转；旋转置物台7可放置标准漫反射板，也可放置高温目标样品，若样品在观测过程中需持续加热，可将样品放置于样品加热台8上在加热同时进行实验观测。
一种高温目标光谱发射率实验观测方法，包括以下步骤：
A、调整辐射测量观测臂2高度，确定ASD光谱仪观测范围，安置ASD光谱仪探头5，安装可折叠式柱体暗室，调整光源角度使光源光斑均匀照射于观测目标位置处后保持光源角度位置不变；
B、打开样品加热台8，设置加热温度进行样品加热，使空气保持流通，确保可折叠式柱体暗室内环境温度不因样品加热台8加热而升高影响观测，加热到预设温度稳定后，固定可折叠式柱体暗室，在无光条件下首先进行ASD光谱仪仪器校正，再记录高温目标辐射亮度值，测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为Le(λ)；
C、将标准漫反射板置于旋转置物台7上，设置光源输出亮度，在可折叠式柱体暗室条件下，打开光源，在进行ASD光谱仪仪器校正后，记录标准漫反射板的辐射亮度值，测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为L0(λ)；
D、在可折叠式柱体暗室条件下，再次打开光源，进行高温目标反射、发射混合辐射亮度观测，记录辐射能量，测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为Lre(λ)；
E、再次将标准漫反射板置于旋转置物台7上，利用光源控制器调整光源输出亮度，重复C、D步骤，光源输出亮度梯度为n组，测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为
F、假设高温目标为朗伯体，建立多辐照度法温度-发射率反演方程：
其中，ε为光谱发射率，Le为暗室条件下高温目标辐射亮度，
为第i个光照亮度梯度条件下光源光谱辐射亮度值，
为第i个光照亮度梯度条件下光源光谱辐射亮度值；h为普朗克函数，取值为6.626×10-34J·s；k为玻尔兹曼常数，取值为1.3806×10-23J/K；c为光速，取值为2.998×10-8m/s；
G、光谱发射率的获取，由多辐照度法温度-发射率反演方程，可解发射率得：
其中，ε为光谱发射率；
H、由获取光谱发射率利用高温目标发射辐射亮度，对λ1至λm波长分别进行温度反演，获取高温目标温度：
进一步地，步骤E，n由测试者实际情况而定，至少两组。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过搭建了高温目标光谱发射率测量装置，采用多种辐照度照射被测目标的方式，在假设目标为朗伯体条件下，基于能量守恒定律、基尔霍夫定律建立多辐照度法温度-发射率反演方程，获取高温目标光谱发射率；解决了发射率测量成本高、温度测量误差大、可见光-摄影红外波段辐射能量信噪比低的问题，通过对多辐照度法温度-发射率反演方程的发射率结果进行平均运算，减小了由反射率引起的测量误差，提高测量精度；本发明设计的实验装置及方法，可用于室内或室外实验观测场景，具体具有以下优势：
1、在较低观测成本条件下，有效观测可见光-短波红外波段高温目标发射率，并同步测量其温度；
2、不同辐照度条件下，建立发射率-温度反演方程，不受温度测量限制，有效消除温度对发射率测量的影响，也可同时用于对现有测温仪器进行校准；
3、多辐照度法发射率-温度反演方程可得到多个光谱发射率，对测量结果进行平均运算，减小了由反射率引起的测量误差，提高测量精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为高温目标光谱发射率实验测量装置结构示意图。
图中：1.步进式升降导轨 2.辐射测量观测臂 3.调光照明系统 4.消光黑体布棚5.ASD光谱仪探头 6.辐射测量系统 7.旋转置物台 8.样品加热台。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明作进一步的说明，本实施案例在以本发明技术为前提下进行实施，给出了详细的实施方式，但本发明的保护范围不限于以下的实施例。
为实现高温目标短波红外光谱发射率测量，搭建了高温目标光谱发射率测量装置，采用多种辐照度照射被测目标的方式，在假设目标为朗伯体条件下，基于能量守恒定律、基尔霍夫定律建立多辐照度法温度-发射率反演方程，获取高温目标光谱发射率。本发明通过对多种辐照度条件下的测量发射率结果进行平均运算，减小了由反射率引起的测量误差，提高测量精度。
如图1所示，本发明高温目标光谱发射率实验测量装置，主要由调光照明系统3、样品加热系统、移动暗室系统以及辐射测量系统6构成；
所述调光照明系统3包括一组可升降大功率卤素灯光源和光源控制器；
所述样品加热系统包括样品加热台8、样品加热台控制器、旋转置物台7和标准漫反射板；
所述移动暗室系统包括可折叠式柱体暗室和步进式升降导轨1；所述暗室由消光黑体布棚4与设备底座相连构成折叠式柱体暗室；
所述辐射测量系统6包括ASD光谱仪和计算机分析处理系统，ASD光谱仪包括ASD光谱仪探头5和镜头转换器。
所述调光照明系统3固定于步进式升降导轨1上，并由光源控制器控制大功率卤素灯光源输出功率，光源照射角度可调；所述步进式升降导轨1固定了辐射测量观测臂2，端头带有固定器，用于固定可折叠式柱体暗室的消光黑体布棚4，中心固定ASD光谱仪探头5。
所述样品加热台8可水平旋转，样品可直接置于样品加热台8上进行加热；标准漫反射板根据需要放置于样品加热台8下方旋转置物台7上，若不需样品加热台8，直接对地面高温目标进行观测，可将旋转置物台7绕升降导轨1下方立柱轴旋转360°至观测视域范围以外。
当需要可折叠式柱体暗室遮盖时，将可折叠式柱体暗室抬起，中心由抽带收紧，ASD光谱仪探头5位于可折叠式柱体暗室顶端中心抽带位置处，照明系统灯头在可折叠式柱体暗室顶部，调整角度及光斑大小使光束铺满被测目标表面。
高温目标光谱发射率实验观测方法，包括以下步骤：
A、实验准备。调整辐射测量观测臂2高度，确定ASD光谱仪观测范围，安置ASD光谱仪探头5，安装可折叠式柱体暗室。调整光源角度使光源光斑均匀照射于观测目标位置处后保持光源角度位置不变。
B、打开样品加热台8，设置加热温度进行样品加热，使空气保持流通，确保可折叠式柱体暗室内环境温度不因样品加热台8加热而升高影响观测。加热到预设温度稳定后，固定可折叠式柱体暗室，在无光条件下首先进行ASD光谱仪仪器校正，再记录高温目标辐射亮度值。测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为Le(λ)；
C、将标准漫反射板置于旋转置物台7上，设置光源输出亮度。在可折叠式柱体暗室条件下，打开光源，在进行ASD光谱仪仪器校正后，记录标准漫反射板的辐射亮度值。测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为L0(λ)；
D、在可折叠式柱体暗室条件下，再次打开光源，进行高温目标反射、发射混合辐射亮度观测，记录辐射能量，辐射亮度记为Lre(λ)；
E、再次将标准漫反射板置于旋转置物台7上，利用光源控制器调整光源输出亮度，重复C、D步骤，光源输出亮度梯度为n组，由测试者实际情况而定，至少两组，辐射亮度记为
F、假设高温目标为朗伯体，建立多辐照度法温度-发射率反演方程：
G、光谱发射率的获取。由多辐照度法温度-发射率反演方程，可解发射率得：
H、由获取光谱发射率利用高温目标发射辐射亮度，对λ1至λm波长分别进行温度反演，获取高温目标温度：
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (6)
1.一种高温目标光谱发射率实验观测方法，采用以下装置进行，该装置主要由调光照明系统(3)、样品加热系统、移动暗室系统以及辐射测量系统(6)构成；
所述调光照明系统(3)包括卤素灯光源和与其相连的光源控制器，光源控制器能够控制卤素灯光源输出功率并调整光源照射角度；所述样品加热系统包括能够水平旋转的样品加热台(8)、与其连接的样品加热台控制器、设置于样品加热台(8)上方的旋转置物台(7)和放置于旋转置物台(7)上的标准漫反射板；所述移动暗室系统包括可折叠式柱体暗室和步进式升降导轨(1)；所述辐射测量系统(6)包括ASD光谱仪和计算机分析处理系统，ASD光谱仪包括ASD光谱仪探头(5)和镜头转换器；
所述调光照明系统(3)固定于步进式升降导轨(1)上，步进式升降导轨(1)固定辐射测量观测臂(2)，其上固定可折叠式柱体暗室的消光黑体布棚(4)和ASD光谱仪探头(5)；所述旋转置物台(7)能够绕升降导轨(1)下方立柱轴旋转360°；所述可折叠式柱体暗室顶部中心处还设置抽带，ASD光谱仪探头(5)位于可折叠式柱体暗室顶端中心抽带位置处，卤素灯光源设置在可折叠式柱体暗室顶部，调整角度及光斑大小使光束铺满被测目标表面；
其特征在于，实验方法以以下步骤进行检测：
A、调整辐射测量观测臂(2)高度，确定ASD光谱仪观测范围，安置ASD光谱仪探头(5)，安装可折叠式柱体暗室，调整光源角度使光源光斑均匀照射于观测目标位置处后保持光源角度位置不变；
B、打开样品加热台(8)，设置加热温度进行样品加热，使空气保持流通，确保可折叠式柱体暗室内环境温度不因样品加热台(8)加热而升高影响观测，加热到预设温度稳定后，固定可折叠式柱体暗室，在无光条件下首先进行ASD光谱仪仪器校正，再记录高温目标辐射亮度值，测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为Le(λ)；
C、将标准漫反射板置于旋转置物台(7)上，设置光源输出亮度，在可折叠式柱体暗室条件下，打开光源，在进行ASD光谱仪仪器校正后，记录标准漫反射板的辐射亮度值，测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为L0(λ)；
D、在可折叠式柱体暗室条件下，再次打开光源，进行高温目标反射、发射混合辐射亮度观测，记录辐射能量，测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为Lre(λ)；
E、再次将标准漫反射板置于旋转置物台(7)上，利用光源控制器调整光源输出亮度，重复C、D步骤，光源输出亮度梯度为n组，测量波长由λ1至λm，辐射亮度记为
F、假设高温目标为朗伯体，建立多辐照度法温度-发射率反演方程：
其中，ε为光谱发射率，Le为暗室条件下高温目标辐射亮度，
为第i个光照亮度梯度条件下光源光谱辐射亮度值，
为第i个光照亮度梯度条件下光源光谱辐射亮度值；h为普朗克函数，取值为6.626×10-34J·s；k为玻尔兹曼常数，取值为1.3806×10-23J/K；c为光速，取值为2.998×10-8m/s；
G、光谱发射率的获取，由多辐照度法温度-发射率反演方程，可解发射率得：
其中，ε为光谱发射率；H、由获取光谱发射率利用高温目标发射辐射亮度，对λ1至λm波长分别进行温度反演，获取高温目标温度：
其中，T为高温目标温度。
2.根据权利要求1所述的一种高温目标光谱发射率实验观测方法，其特征在于：步骤E，n由测试者实际情况而定，至少两组。
3.根据权利要求1所述的一种高温目标光谱发射率实验观测方法，其特征在于：所述可折叠式柱体暗室由消光黑体布棚(4)与设备底座相连构成。
4.根据权利要求1所述的一种高温目标光谱发射率实验观测方法，其特征在于：所述辐射测量观测臂(2)端头带有固定器，消光黑体布棚(4)与固定器固定。
5.根据权利要求1所述的一种高温目标光谱发射率实验观测方法，其特征在于：所述ASD光谱仪探头(5)固定于辐射测量观测臂(2)中部。
6.根据权利要求1所述的一种种高温目标光谱发射率实验观测方法，其特征在于：所述旋转置物台(7)位于样品加热台(8)正上方，均以升降导轨(1)下方立柱为旋转轴，二者相互独立，皆可在水平平面360°手动绕轴旋转；旋转置物台(7)可放置标准漫反射板，也可放置高温目标样品，若样品在观测过程中需持续加热，可将样品放置于样品加热台(8)上在加热同时进行实验观测。
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