CN117664929A - 一种近距离大气透过率的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种近距离大气透过率的测量方法，步骤如下：一：使用标准黑体完成对红外设备的辐射定标；二：将标准黑体的温度设置在低工作温度下，得到此时红外设备探测器的低温输出值；三：将标准黑体的温度设置在高工作温度下得到此时红外设备探测器的高温输出值；四：分别求得红外设备工作波段下标准黑体的低温辐射亮度值和高温辐射亮度值；五：根据高温输出值和高温辐射亮度值与低温输出值和低温辐射亮度值计算大气透过率。本发明还公开了一种近距离大气透过率的测量装置。本发明克服了采用大气辐射传输模型的方法计算大气透过率时，由于计算量较大、存在较多参数导致测量误差大的影响，可以广泛应用于光电测量技术领域。
Description
技术领域
本发明涉及光电测量技术领域，特别是涉及一种近距离大气透过率的测量方法及装置。
背景技术
在测量目标辐射特性时，由于大气中水蒸气和二氧化碳等大气分子的吸收以及气溶胶等物质的散射作用，会导致目标辐射特性在传输路径上发生衰减，通常用大气衰减系数μ(1/km)来表征目标辐射强度在大气中衰减幅度的大小，即大气透过率τ为τ＝e-μ(λ)D，D为目标辐射强度传输距离。
目前大气透过率主要通过大气辐射传输模型进行反演计算，该模型综合考虑了目标辐射与大气相互作用的机理，用于模拟大气各组成部分与地表光谱信息耦合作用的结果。常见的大气辐射传输模型有6S模型、LOWTRAN模型、MODTRAN模型和FASCODE模型。然而以上大气传输模型在计算时需要输入较多的参数，例如大气中各气体分子的含量、环境的温湿度、目标所处的几何位置等，众多参数的测量势必会产生一定的误差，进而直接影响模型的计算精度，同时在采用大气传输模型的方法计算大气透过率时整体的计算量亦较大，且由于在实际使用过程中无法完全匹配以上各模型程序中所设置的代表性的大气和气溶胶模式，以及各模型仅能保证在特定波段和地理环境下的计算精度。因此，采用一种易于计算的、能够准确测量出大气透过率的测试技术，就显得十分重要和迫切。
发明内容
本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种近距离大气透过率的测量方法及装置，使其克服采用大气辐射传输模型的方法计算大气透过率时，由于计算量较大、存在较多参数导致测量误差大的影响以及使用的局限性，提供一种近距离大气透过率的测量技术。
本发明提供的一种近距离大气透过率的测量方法，包括如下步骤：
步骤一：使用标准黑体完成对红外设备的辐射定标，得到红外设备的系统响应度α和红外设备的探测器偏置值DN0；步骤二：将标准黑体的温度设置在低工作温度TL下，使用完成辐射定标的红外设备在一定距离内观测标准黑体，并结合系统响应度α和探测器偏置值DN0得到此时红外设备探测器的低温输出值DNL；步骤三：将标准黑体的温度设置在高工作温度TH下，并结合系统响应度α和探测器偏置值DN0得到此时红外设备探测器的高温输出值DNH；步骤四：利用普朗克公式分别求得红外设备工作波段下标准黑体分别在低工作温度TL时的低温辐射亮度值LL和在高工作温度TH时的高温辐射亮度值Lh；步骤五：根据高温输出值DNh和高温辐射亮度值Lh与低温输出值DNL和低温辐射亮度值LL计算大气透过率τ。
在上述技术方案中，所述步骤一的具体过程如下：步骤1.1：红外设备开机并设定相应的工作参数；步骤1.2：设定标准黑体的工作温度T，待温度稳定后将标准黑体放置在红外设备镜头处；步骤1.3：根据红外设备的工作波段以及标准黑体工作温度T，采用普朗克公式计算得到标准黑体的辐射亮度值L，该值即为红外设备的输入值；步骤1.4：红外设备通过观测标准黑体得到标准黑体的输出图像，利用图像处理软件得到图像的灰度值，该值即为红外设备的输出值；步骤1.5：改变标准黑体的工作温度T，重复步骤1.2、步骤1.3和步骤1.4，得到红外设备若干温度下的输入值与输出值；步骤1.6：将得到的若干输入值与输出值利用最小二乘法进行线性拟合即得到红外设备输入值与输出值的关系，即系统响应度α和红外设备探测器偏置值DN0，完成红外设备的辐射定标。
在上述技术方案中，所述步骤1.1的具体过程如下：步骤1.1.1：红外设备探测器接收到的辐射通量为：/>步骤1.1.2：由于：/>则可得：则红外设备的线性响应模型为：/>其中，DN为红外设备所成图像的灰度值，DN0为由红外设备自身热辐射和背景辐射因素引起的红外设备探测器的偏置值；步骤1.1.3：在工作波段内，光学系统和探测器的光谱响应度Rλ可看作常数R，则对于已知具体参数的红外设备，可将kΩsAfR视为系统响应度α，令由普朗克辐射公式可知其表示系统工作波段范围内目标的光谱辐射亮度值；则红外设备辐射定标模型表示为：DN＝α·L+DN0。
在上述技术方案中，所述步骤五中，大气透过率τ的计算公式如下：
在上述技术方案中，所述步骤五中，大气透过率τ计算公式的计算过程如下：步骤5.1：当标准黑体与红外设备之间存在一定距离时，根据步骤1.1、步骤二和步骤三可得红外设备在高工作温度TH和低工作温度TL下的辐射定标模型分别为：DNH＝α(τLH+LR)+DN0，DNL＝α(τLL+LR)+DN0，步骤5.2：联立以上两式即可得近距离大气透过率τ：
在上述技术方案中，所述步骤二和/或步骤三中，所述红外设备和标准黑体的观测距离为0～5km。
本发明还提供了一种近距离大气透过率的测量装置，包括标准黑体、红外设备和计算机，所述标准黑体、红外设备和计算机能够执行近距离大气透过率的测量方法。
本发明近距离大气透过率的测量方法及装置，具有以下有益效果：
本发明通过直接测量红外设备的输出数据，并根据标准黑体的辐射特性以及红外设备输入与输出之间的关系来实现近距离大气透过率的计算，操作简单，计算方便；通过对红外设备辐射定标，提高了近距离大气透过率的测量精度；提出的测量方法不受红外设备工作波段的限制亦不受地理环境因素的限制，工程上具有很强的实用性。
附图说明
图1为本发明近距离大气透过率的测量装置的结构示意图；
图2为本发明近距离大气透过率的测量方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，但该实施例不应理解为对本发明的限制。
如图1所示为本发明所提出的近距离大气透过率测量装置的结构原理图，主要包括标准黑体、红外设备和计算机。其中标准黑体作为热源提供热辐射即输入，红外设备接收热辐射并成像，通过计算机处理所得红外图像得到图像灰度值即输出，以此计算近距离大气透过率。以某型号探测器为例，图1中Ad为红外设备的入瞳直径，r为观测距离，At为探测器单个象元对应目标面积。所述标准黑体、红外设备和计算机能够按照本发明近距离大气透过率的测量方法的具体流程相互配合，以达到本发明的技术目的。
如图2所示为本发明近距离大气透过率的测量方法流程图，针对现有技术暴露出的问题，本发明提出一种近距离大气透过率的测量方法，步骤如下：
步骤一：使用标准黑体完成对红外设备的辐射定标，得到红外设备的系统响应度α和红外设备的探测器偏置值DN0；
其中，所述步骤一进一步包括：
步骤1.1：红外设备开机并设定相应的工作参数；
步骤1.2：设定标准黑体的工作温度T，待温度稳定后将标准黑体放置在红外设备镜头处；
步骤1.3：根据红外设备的工作波段以及标准黑体工作温度T，采用普朗克公式计算得到标准黑体的辐射亮度值L，该值即为红外设备的输入值；
步骤1.4：红外设备通过观测标准黑体得到相应的输出图像，利用图像处理软件得到图像的灰度值，该值即为红外设备的输出值；
步骤1.5：改变标准黑体的工作温度T，重复步骤1.2、步骤1.3和步骤1.4，得到红外设备不同温度下的输入数据与输出数据；
步骤1.6：将得到的若干输入值与输出值利用最小二乘法进行线性拟合即可得到红外设备输入值与输出值的关系，即得到系统响应度α和探测器偏置值DN0，进而完成红外设备的辐射定标；
步骤二：将标准黑体的温度设置在低工作温度TL下，使用步骤一中完成辐射定标的红外设备在距离标准黑体0-5km的范围内观测标准黑体，并得到此时红外探测器的输出值DNL；
步骤三：将标准黑体的温度设置在高工作温度TH下，使用步骤一中完成辐射定标的红外设备在步骤二所披露的距离标准黑体相同位置观测标准黑体，并得到此时红外探测器的输出值DNH；
步骤四：利用普朗克公式分别求得红外设备工作波段下标准黑体分别在低工作温度TL时的低温辐射亮度值LL和在高工作温度TH时的高温辐射亮度值LH；
步骤五：根据标准黑体高温输出值DNH和高温辐射亮度值LH与低温输出值DNL和低温辐射亮度值LL计算大气透过率τ，计算公式如下：
实施例
针对图1和图2的基本思想，本发明根据某一型号的红外设备提出了在具体应用场景下的实施例，具体方法和步骤如下：
步骤一：推导某型红外设备辐射定标模型。
当标准黑体放置在红外设备入瞳处时，标准黑体辐射特性传输不受大气的影响，红外设备探测器接收到的辐射通量为：
由于：
则可得：
则红外设备的线性响应模型为：
式中DN为红外设备所成图像的灰度值，DN0为由红外设备自身热辐射和背景辐射等因素引起的红外设备探测器的偏置值。在工作波段内，光学系统和探测器的光谱响应度Rλ可看作常数R，则对于已知具体参数的红外设备，可将kΩsAdR视为固定常数α。令由普朗克辐射公式可知其表示系统工作波段范围内目标的光谱辐亮度。
则红外设备辐射定标模型可表示为：
DN＝α·L+DN0
步骤二：设定标准黑体工作温度T，将标准黑体放置于红外设备入瞳处(镜头前)，调整红外设备参数获得标准黑体红外图像；
步骤三：计算标准黑体辐射亮度值L；
步骤四：在计算机上通过红外图像处理软件得到图像灰度值DN；
步骤五：重复步骤二、三、四若干次，使用最小二乘法拟合得到α和DN0；
步骤六：将标准黑体的温度设置在低工作温度TL下，重复步骤三、四，得到该温度下的标准黑体辐射亮度值LL和低温红外图像灰度值即低温输出值DNL；
步骤七：将标准黑体的温度设置在高工作温度TH下，重复步骤三、四，得到该温度下的标准黑体辐射亮度值LH和高温红外图像灰度值即高温输出值DNH；
步骤八：计算近距离大气透过率的值。计算公式如下：
当标准黑体与红外设备之间存在一定距离时，同理步骤一可得红外设备在高工作温度TH和低工作温度TL下的线性响应模型为：
DNG＝α(τLH+LR)+DN0
DNL＝α(τLL+LR)+DN0
联立以上两式即可得近距离大气透过率τ：
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种近距离大气透过率的测量方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：使用标准黑体完成对红外设备的辐射定标，得到红外设备的系统响应度α和红外设备的探测器偏置值DN0；
步骤二：将标准黑体的温度设置在低工作温度TL下，使用完成辐射定标的红外设备在一定距离内观测标准黑体，并结合系统响应度α和探测器偏置值DN0得到此时红外设备探测器的低温输出值DNL；
步骤三：将标准黑体的温度设置在高工作温度TH下，并结合系统响应度α和探测器偏置值DN0得到此时红外设备探测器的高温输出值DNH；
步骤四：利用普朗克公式分别求得红外设备工作波段下标准黑体分别在低工作温度TL时的低温辐射亮度值LL和在高工作温度TH时的高温辐射亮度值LH；
步骤五：根据高温输出值DNH和高温辐射亮度值LH与低温输出值DNL和低温辐射亮度值LL计算大气透过率τ。
2.根据权利要求1所述的近距离大气透过率的测量方法，其特征在于：所述步骤一的具体过程如下：
步骤1.1：红外设备开机并设定相应的工作参数；
步骤1.2：设定标准黑体的工作温度T，待温度稳定后将标准黑体放置在红外设备镜头处；
步骤1.3：根据红外设备的工作波段以及标准黑体工作温度T，采用普朗克公式计算得到标准黑体的辐射亮度值L，该值即为红外设备的输入值；
步骤1.4：红外设备通过观测标准黑体得到标准黑体的输出图像，利用图像处理软件得到图像的灰度值，该值即为红外设备的输出值；
步骤1.5：改变标准黑体的工作温度T，重复步骤1.2、步骤1.3和步骤1.4，得到红外设备若干温度下的输入值与输出值；
步骤1.6：将得到的若干输入值与输出值利用最小二乘法进行线性拟合即得到红外设备输入值与输出值的关系，即系统响应度α和红外设备探测器偏置值DN0，完成红外设备的辐射定标。
3.根据权利要求2所述的近距离大气透过率的测量方法，其特征在于：所述步骤1.1的具体过程如下：
步骤1.1.1：红外设备探测器接收到的辐射通量为：
步骤1.1.2：由于：
则可得：
则红外设备的线性响应模型为：
其中，DN为红外设备所成图像的灰度值，DN0为由红外设备自身热辐射和背景辐射因素引起的红外设备探测器的偏置值；
步骤1.1.3：在工作波段内，光学系统和探测器的光谱响应度Rλ可看作常数R，则对于已知具体参数的红外设备，可将kΩsAdR视为系统响应度α，令由普朗克辐射公式可知其表示系统工作波段范围内目标的光谱辐射亮度值；
则红外设备辐射定标模型表示为：
DN＝α·L+DN0。
4.根据权利要求3所述的近距离大气透过率的测量方法，其特征在于：所述步骤五中，大气透过率τ的计算公式如下：
5.根据权利要求4所述的近距离大气透过率的测量方法，其特征在于：所述步骤五中，大气透过率τ计算公式的计算过程如下：
步骤5.1：当标准黑体与红外设备之间存在一定距离时，根据步骤1.1、步骤二和步骤三可得红外设备在高工作温度TH和低工作温度TL下的辐射定标模型分别为：
DNH＝α(τLH+LR)+DN0，
DNL＝α(τLL+LR)+DN0，
步骤5.2：联立以上两式即可得近距离大气透过率τ：
6.根据权利要求5所述的近距离大气透过率的测量方法，其特征在于：所述步骤二和/或步骤三中，所述红外设备和标准黑体的观测距离为0～5km。
7.一种近距离大气透过率的测量装置，包括标准黑体、红外设备和计算机，其特征在于：所述标准黑体、红外设备和计算机能够执行如权利要求1～6中任一项所述的近距离大气透过率的测量方法。
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