CN1268663A - 漫射热辐射源物体方向比辐射率测量方法和仪器 - Google Patents

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本发明提供了一种漫射热辐射源物体方向比辐射率值的测量方法和仪器。该方法和仪器利用天穹作为冷辐射源、用折叠式的黑体半球面棚作为常温辐射源,并且通过折叠式的黑体半球面棚周期性的开启和关闭起到交替改变环境辐射照度的作用。本发明的比辐射率测量方法和仪器较好地解决了精确反演野外地物表面真实温度的关键问题。

Description

漫射热辐射源物体方向比辐射率测量方法和仪器
本发明涉及热红外遥感应用技术领域，特别是涉及一种漫射热辐射源地表地物比辐射率测量方法和仪器。
地物的表面温度测定在许多科学研究和应用领域有着十分重要的作用。在气象领域里，精确的地表温度是提高数值天气预报准确度的关键参数；在农业领域里，精确地测定地表温度直接关系提高遥感作物产量预报的精度以及提高旱灾估算精度；在国防领域里，精确地测定地表地物温度可提高军事目标的识别和反伪装的能力；在森林安全防护中，精确地测定地表温度也可提高火灾灾情的准确监控的准确度……。物体表面的温度反映的是物体界面分子平均运动的能量值。物体的表面温度取决于以下三个重要参数，即表面辐射温度、环境辐照度和比辐射率。其中表面辐射温度和环境辐照度在现有技术中都是不难解决的。唯独比辐射率的测定还没有突破。
物体比辐射率就是物体发射热辐射的本领。物体比辐射率的精确测定是远距离精确遥感和反演真实地表温度的关键信息。在定量热红外遥感应用技术中，物体比辐射率的测量更具有重要意义。换言之，没有比辐射率就不可能正确获取地表地物的真实温度信息。
目前，国内外对物体比辐射率测量技术的研究主要集中在两个类型上，一种是准直热辐射源式，其测量原理是根据二氧化碳激光照射物体后的反射辐射和散射辐射计算而得的。另一种是漫射热辐射源式，这是一种用于野外测定地表地物方向比辐射率的技术。
在漫射热辐射源方式中，又分波谱式和平均波段式两种方式。用波谱式进行物体比辐射率测定时，必须同时用两台热红外波谱仪；该波谱仪价格十分昂贵、每台价格在20万美元以上；该波谱仪采用碲镉汞元件，需要用液氮制冷；同时该波谱仪重量重，体积大，不适合野外测定；最要害的是，该波谱仪不能测定比辐射率的方向性。这种热红外波谱仪已问世了数十年，至今几乎没有什么重大进展。就另一种平均波段式的方法而言，目前的平均波段式的方法只能测定物体表面法线方向上的比辐射率，而实际被测物体的真实比辐射率是有方向性的。所以，在精确定量反演地表真实温度的时候，仅垂直方向的方法就不能满足需要。换言之，目前国内外还没有能够在野外测定地物方向比辐射率的技术。
本发明的目的，就是要为了克服了现有技术不能测定方向比辐射率值的缺陷，提供了一种漫射热辐射源物体方向比辐射率值的测量方法和仪器。本发明的比辐射率测量方法和仪器较好地解决了精确反演野外地物表面真实温度的关键问题。
本发明的漫射热辐射源比辐射率测量方法是这样实现的：
1.该方法利用天穹作为冷辐射源；
2.该方法用折叠式的黑体半球面棚作为常温辐射源，并且通过折叠式的黑体(实际上是灰体，即比辐射率近似于1的物体)半球面棚周期性的开启和关闭起到交替改变环境辐射照度的作用；
3.该方法以高精度的红外测温仪作为红外辐射温度信号测定部件；
4.该方法用上述红外测温仪对上述两种辐射源分别进行半球式的扫描，测量出它们红外辐射温度信号的半球分布；
5.该方法用上述红外测温仪在上述两种辐射源交替变化的环境下、在一个主平面的180°范围内分别测定被测物体各个方向的的红外辐射温度信号；
6.该方法既可以穿过承物框直接测量地物表面，又可以测定放置在承物框里内容器里的物体，所述的物体包括固体和液体；
7.该方法采用可升降并可平行旋转的测量平台，以便贴近地表地物进行测定，同时可以在多个主平面上测定物体的红外辐射信号；
8.该方法将红外测温仪的输出的如下4种红外辐射温度数值信号：a.天穹的、b.黑体半球棚内表面的、c.以天穹为环境的被测物的、d.以黑体半球面棚为环境的被测物的，输入计算机记录下来，再利用各种软件进行计算和反演，得出被测物体精确的方向比辐射率测定值。
本发明的漫射热辐射源比辐射率测量仪器是这样实现的：
本发明的漫射热辐射源物体方向比辐射率测量仪，包括红外测温仪，支撑架，可升降式测量平台，承物框，其中：所述的红外测温仪包括高精度传感器；该红外测温仪通过步进电机固定在测杆的一端，测杆的另一端与位于可升降式测量平台中部的步进电机连接；所述的比辐射率测量仪还包括折叠式的黑体半球面棚；折叠式的黑体半球面棚与位于可升降测量平台上的步进电机连接。
下面结合附图进一步详述本发明的技术方案。
附图1漫射热辐射源物体方向比辐射率测量仪正视图
附图2漫射热辐射源物体方向比辐射率测量仪俯视图
本发明的漫射热辐射源物体方向比辐射率测量方法具体可以这样实施：
该方法以现有的高精度红外测温仪作为红外辐射温度信号测定部件。本发明巧妙地利用天穹作为冷辐射源，用折叠式的黑体(实际上是灰体，即比辐射率近似于1的物体)半球面棚作为常温辐射源，并且通过折叠式的黑体半球面棚周期性的开启和关闭起到交替改变环境辐射照度的作用。因此在操作时，首先要将高精度的红外测温仪朝向天空对上述两种辐射源分别进行半球式的扫描，测量出它们红外辐射温度信号的半球分布。然后，将红外测温仪对准被测物体，在一个主平面(即通过被测物体的一个平面)的180°范围内，并且在折叠式的黑体半球面棚周期性的开启和关闭条件下分别测取被测物体各个方向(角度)上的红外辐射温度信号。最后，将红外测温仪测出的所有各个主平面及每一个主平面上各个方向上的4种互相对应的红外辐射温度数值信号：a.天穹的、b.黑体半球棚内表面的、c.以天穹为环境的被测物的、d.以黑体半球面棚为环境的被测物的，输入计算机记录下来，再利用各种软件进行计算和反演，得出被测物体精确的方向比辐射率测定值。上述的用于计算和反演的软件及其涉及的计算公式，可以参考科学出版社于1996年4月出版的、由本发明的发明人之一的张仁华教授所著的《实验遥感模型及地面基础》一书。该书详细介绍了比辐射率测定和计算反演的原理、公式和数学模型。
应用该方法既可以穿过承物框直接测量地物表面，又可以测定放置在承物框里内容器里的物体，所述的物体包括固体和液体。该方法采用可升降并可平行旋转的测量平台，以便贴近地表地物进行测定。
本发明的漫射热辐射源物体方向比辐射率测量仪，包括红外测温仪5，支撑架4，可升降式测量平台7，承物框8，其特征在于：所述的红外测温仪包括高精度传感器；该红外测温仪5通过步进电机1、2固定在测杆9的一端，测杆9的另一端与位于可升降式测量平台7中部的步进电机3连接；所述的比辐射率测量仪还包括折叠式的黑体半球面棚6；折叠式的黑体半球面棚6与位于可升降测量平台7上的步进电机10连接。
在具体实施的时候，本发明的比辐射率测量仪的红外测温仪固定在可旋转360°的步进电机1上，而步进电机1又连接在可转动倾角360°的另一个步进电机2上；步进电机2连接在测杆9的一端；测杆9的另一端与第三个步进电机3的驱动轴衔接。因此，本发明的步进电机1、2互相垂直并各自可旋转360°；测杆9与步进电机3驱动轴衔接可转动范围是180°；步进电机1、2、3、10分别由相应的智能化控制器控制。测杆9支点的另一端可以配上适当重量的铁块，与红外测温仪保持力矩平衡。
本发明的折叠式的黑体半球面棚6棚内表面的用料可以选自黑绒布料或者涂上黑色无光漆的材料等等；其外表面可以采用高反射率材质的白色纺织物或者银色涂布或者塑料膜等等。
本发明的与步进电机10连接的折叠式的黑体半球面棚6可在180°范围内周期性的开启和关闭。
本发明采用升降式的测量平台，可以方便地贴近土壤表面和作物活动面进行测定。
本发明既可以穿过承物框测量地物，又可以在承物框里放置盛液体的容器，对液体样品进行测定。
本发明克服了现有技术不能测定方向比辐射率值的缺陷，提供了一种漫射热辐射源物体方向比辐射率值的测量方法和仪器。本发明的比辐射率测量方法和仪器较好地解决了精确反演野外地物表面真实温度的关键问题。
实施例
中科院地理所热红外遥感实验室，已用本发明成功地在野外条件下获取到被测地物样本的方向比辐射率。

Claims (5)

1.一种漫射热辐射源物体方向比辐射率测量方法，其特征在于：
(1)该方法利用天穹作为冷辐射源；
(2)该方法用折叠式的黑体半球面棚作为常温辐射源，并且通过折叠式的黑体半球面棚周期性的开启和关闭起到交替改变环境辐射照度的作用；
(3)该方法以高精度的红外测温仪作为红外辐射温度信号测定部件；
(4)该方法用上述红外测温仪对上述两种辐射源分别进行半球式的扫描，测量出它们红外辐射温度信号的半球分布；
(5)该方法用上述红外测温仪在上述两种辐射源交替变化的环境下、在一个主平面的180°范围内分别测定被测物体各个方向的的红外辐射温度信号；
(6)该方法既可以穿过承物框直接测量地物表面，又可以测定放置在承物框里内容器里的物体，所述的物体包括固体和液体；
(7)该方法采用可升降并可平行旋转的测量平台，以便贴近地表地物进行测定，同时可以在多个主平面上测定物体的红外辐射信号；
(8)该方法将红外测温仪的输出的如下4种红外辐射温度数值信号：a.天穹的、b.黑体半球棚内表面的、c.以天穹为环境的被测物的、d.以黑体半球面棚为环境的被测物的，输入计算机记录下来，再利用各种软件进行计算和反演，得出被测物体精确的方向比辐射率测定值。
2.一种漫射热辐射源物体方向比辐射率测量仪，包括红外测温仪[5]，支撑架[4]，测量平台[7]，承物框[8]，其特征在于：所述的红外测温仪包括高精度传感器；该红外测温仪[5]通过步进电机[1]、[2]固定在测杆[9]的一端，测杆[9]的另一端与位于测量平台[7]中部的步进电机[3]连接；所述的比辐射率测量仪还包括折叠式的黑体半球面棚[6]；折叠式的黑体半球面棚[6]与位于测量平台[7]上的步进电机[10]连接。
3.如权利要求2所述的比辐射率测量仪，其特征在于：所述的折叠式的黑体半球面棚[6]棚内表面的用料选自黑绒布料或者涂上黑色无光漆的材料；其外表面采用高反射率材质的白色纺织物或者银色涂布或者塑料膜。
4.如权利要求2所述的比辐射率测量仪，其特征在于：所述的与步进电机[10]连接的折叠式的黑体半球面棚[6]可在180°范围内周期性的开启和关闭。
5.如权利要求2所述的比辐射率测量仪，其特征在于：所述的步进电机[1]、[2]互相垂直并各自可旋转360°；所述的测杆[9]与步进电机[3]驱动轴衔接可转动范围是180°；步进电机[1][2][3][10]分别由相应的智能化控制器控制。
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