專利名稱：漫射熱輻射源物體方向比輻射率測量方法和儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及熱紅外遙感應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種漫射熱輻射源地表地物比輻射率測量方法和儀器。
地物的表面溫度測定在許多科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域有著十分重要的作用。在氣象領(lǐng)域里，精確的地表溫度是提高數(shù)值天氣預(yù)報(bào)準(zhǔn)確度的關(guān)鍵參數(shù)；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里，精確地測定地表溫度直接關(guān)系提高遙感作物產(chǎn)量預(yù)報(bào)的精度以及提高旱災(zāi)估算精度；在國防領(lǐng)域里，精確地測定地表地物溫度可提高軍事目標(biāo)的識別和反偽裝的能力；在森林安全防護(hù)中，精確地測定地表溫度也可提高火災(zāi)災(zāi)情的準(zhǔn)確監(jiān)控的準(zhǔn)確度……。物體表面的溫度反映的是物體界面分子平均運(yùn)動的能量值。物體的表面溫度取決于以下三個重要參數(shù)，即表面輻射溫度、環(huán)境輻照度和比輻射率。其中表面輻射溫度和環(huán)境輻照度在現(xiàn)有技術(shù)中都是不難解決的。唯獨(dú)比輻射率的測定還沒有突破。
物體比輻射率就是物體發(fā)射熱輻射的本領(lǐng)。物體比輻射率的精確測定是遠(yuǎn)距離精確遙感和反演真實(shí)地表溫度的關(guān)鍵信息。在定量熱紅外遙感應(yīng)用技術(shù)中，物體比輻射率的測量更具有重要意義。換言之，沒有比輻射率就不可能正確獲取地表地物的真實(shí)溫度信息。
目前，國內(nèi)外對物體比輻射率測量技術(shù)的研究主要集中在兩個類型上，一種是準(zhǔn)直熱輻射源式，其測量原理是根據(jù)二氧化碳激光照射物體后的反射輻射和散射輻射計(jì)算而得的。另一種是漫射熱輻射源式，這是一種用于野外測定地表地物方向比輻射率的技術(shù)。
在漫射熱輻射源方式中，又分波譜式和平均波段式兩種方式。用波譜式進(jìn)行物體比輻射率測定時，必須同時用兩臺熱紅外波譜儀；該波譜儀價格十分昂貴、每臺價格在20萬美元以上；該波譜儀采用碲鎘汞元件，需要用液氮制冷；同時該波譜儀重量重，體積大，不適合野外測定；最要害的是，該波譜儀不能測定比輻射率的方向性。這種熱紅外波譜儀已問世了數(shù)十年，至今幾乎沒有什么重大進(jìn)展。就另一種平均波段式的方法而言，目前的平均波段式的方法只能測定物體表面法線方向上的比輻射率，而實(shí)際被測物體的真實(shí)比輻射率是有方向性的。所以，在精確定量反演地表真實(shí)溫度的時候，僅垂直方向的方法就不能滿足需要。換言之，目前國內(nèi)外還沒有能夠在野外測定地物方向比輻射率的技術(shù)。
本發(fā)明的目的，就是要為了克服了現(xiàn)有技術(shù)不能測定方向比輻射率值的缺陷，提供了一種漫射熱輻射源物體方向比輻射率值的測量方法和儀器。本發(fā)明的比輻射率測量方法和儀器較好地解決了精確反演野外地物表面真實(shí)溫度的關(guān)鍵問題。
本發(fā)明的漫射熱輻射源比輻射率測量方法是這樣實(shí)現(xiàn)的1.該方法利用天穹作為冷輻射源；2.該方法用折疊式的黑體半球面棚作為常溫輻射源，并且通過折疊式的黑體(實(shí)際上是灰體，即比輻射率近似于1的物體)半球面棚周期性的開啟和關(guān)閉起到交替改變環(huán)境輻射照度的作用；3.該方法以高精度的紅外測溫儀作為紅外輻射溫度信號測定部件；4.該方法用上述紅外測溫儀對上述兩種輻射源分別進(jìn)行半球式的掃描，測量出它們紅外輻射溫度信號的半球分布；5.該方法用上述紅外測溫儀在上述兩種輻射源交替變化的環(huán)境下、在一個主平面的180°范圍內(nèi)分別測定被測物體各個方向的的紅外輻射溫度信號；6.該方法既可以穿過承物框直接測量地物表面，又可以測定放置在承物框里內(nèi)容器里的物體，所述的物體包括固體和液體；7.該方法采用可升降并可平行旋轉(zhuǎn)的測量平臺，以便貼近地表地物進(jìn)行測定，同時可以在多個主平面上測定物體的紅外輻射信號；8.該方法將紅外測溫儀的輸出的如下4種紅外輻射溫度數(shù)值信號a.天穹的、b.黑體半球棚內(nèi)表面的、c.以天穹為環(huán)境的被測物的、d.以黑體半球面棚為環(huán)境的被測物的，輸入計(jì)算機(jī)記錄下來，再利用各種軟件進(jìn)行計(jì)算和反演，得出被測物體精確的方向比輻射率測定值。
本發(fā)明的漫射熱輻射源比輻射率測量儀器是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的漫射熱輻射源物體方向比輻射率測量儀，包括紅外測溫儀，支撐架，可升降式測量平臺，承物框，其中所述的紅外測溫儀包括高精度傳感器；該紅外測溫儀通過步進(jìn)電機(jī)固定在測桿的一端，測桿的另一端與位于可升降式測量平臺中部的步進(jìn)電機(jī)連接；所述的比輻射率測量儀還包括折疊式的黑體半球面棚；折疊式的黑體半球面棚與位于可升降測量平臺上的步進(jìn)電機(jī)連接。
下面結(jié)合附圖進(jìn)一步詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。
附

圖1漫射熱輻射源物體方向比輻射率測量儀正視圖附圖2漫射熱輻射源物體方向比輻射率測量儀俯視圖本發(fā)明的漫射熱輻射源物體方向比輻射率測量方法具體可以這樣實(shí)施該方法以現(xiàn)有的高精度紅外測溫儀作為紅外輻射溫度信號測定部件。本發(fā)明巧妙地利用天穹作為冷輻射源，用折疊式的黑體(實(shí)際上是灰體，即比輻射率近似于1的物體)半球面棚作為常溫輻射源，并且通過折疊式的黑體半球面棚周期性的開啟和關(guān)閉起到交替改變環(huán)境輻射照度的作用。因此在操作時，首先要將高精度的紅外測溫儀朝向天空對上述兩種輻射源分別進(jìn)行半球式的掃描，測量出它們紅外輻射溫度信號的半球分布。然后，將紅外測溫儀對準(zhǔn)被測物體，在一個主平面(即通過被測物體的一個平面)的180°范圍內(nèi)，并且在折疊式的黑體半球面棚周期性的開啟和關(guān)閉條件下分別測取被測物體各個方向(角度)上的紅外輻射溫度信號。最后，將紅外測溫儀測出的所有各個主平面及每一個主平面上各個方向上的4種互相對應(yīng)的紅外輻射溫度數(shù)值信號a.天穹的、b.黑體半球棚內(nèi)表面的、c.以天穹為環(huán)境的被測物的、d.以黑體半球面棚為環(huán)境的被測物的，輸入計(jì)算機(jī)記錄下來，再利用各種軟件進(jìn)行計(jì)算和反演，得出被測物體精確的方向比輻射率測定值。上述的用于計(jì)算和反演的軟件及其涉及的計(jì)算公式，可以參考科學(xué)出版社于1996年4月出版的、由本發(fā)明的發(fā)明人之一的張仁華教授所著的《實(shí)驗(yàn)遙感模型及地面基礎(chǔ)》一書。該書詳細(xì)介紹了比輻射率測定和計(jì)算反演的原理、公式和數(shù)學(xué)模型。
應(yīng)用該方法既可以穿過承物框直接測量地物表面，又可以測定放置在承物框里內(nèi)容器里的物體，所述的物體包括固體和液體。該方法采用可升降并可平行旋轉(zhuǎn)的測量平臺，以便貼近地表地物進(jìn)行測定。
本發(fā)明的漫射熱輻射源物體方向比輻射率測量儀，包括紅外測溫儀5，支撐架4，可升降式測量平臺7，承物框8，其特征在于所述的紅外測溫儀包括高精度傳感器；該紅外測溫儀5通過步進(jìn)電機(jī)1、2固定在測桿9的一端，測桿9的另一端與位于可升降式測量平臺7中部的步進(jìn)電機(jī)3連接；所述的比輻射率測量儀還包括折疊式的黑體半球面棚6；折疊式的黑體半球面棚6與位于可升降測量平臺7上的步進(jìn)電機(jī)10連接。
在具體實(shí)施的時候，本發(fā)明的比輻射率測量儀的紅外測溫儀固定在可旋轉(zhuǎn)360°的步進(jìn)電機(jī)1上，而步進(jìn)電機(jī)1又連接在可轉(zhuǎn)動傾角360°的另一個步進(jìn)電機(jī)2上；步進(jìn)電機(jī)2連接在測桿9的一端；測桿9的另一端與第三個步進(jìn)電機(jī)3的驅(qū)動軸銜接。因此，本發(fā)明的步進(jìn)電機(jī)1、2互相垂直并各自可旋轉(zhuǎn)360°；測桿9與步進(jìn)電機(jī)3驅(qū)動軸銜接可轉(zhuǎn)動范圍是180°；步進(jìn)電機(jī)1、2、3、10分別由相應(yīng)的智能化控制器控制。測桿9支點(diǎn)的另一端可以配上適當(dāng)重量的鐵塊，與紅外測溫儀保持力矩平衡。
本發(fā)明的折疊式的黑體半球面棚6棚內(nèi)表面的用料可以選自黑絨布料或者涂上黑色無光漆的材料等等；其外表面可以采用高反射率材質(zhì)的白色紡織物或者銀色涂布或者塑料膜等等。
本發(fā)明的與步進(jìn)電機(jī)10連接的折疊式的黑體半球面棚6可在180°范圍內(nèi)周期性的開啟和關(guān)閉。
本發(fā)明采用升降式的測量平臺，可以方便地貼近土壤表面和作物活動面進(jìn)行測定。
本發(fā)明既可以穿過承物框測量地物，又可以在承物框里放置盛液體的容器，對液體樣品進(jìn)行測定。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)不能測定方向比輻射率值的缺陷，提供了一種漫射熱輻射源物體方向比輻射率值的測量方法和儀器。本發(fā)明的比輻射率測量方法和儀器較好地解決了精確反演野外地物表面真實(shí)溫度的關(guān)鍵問題。
實(shí)施例中科院地理所熱紅外遙感實(shí)驗(yàn)室，已用本發(fā)明成功地在野外條件下獲取到被測地物樣本的方向比輻射率。
權(quán)利要求
1.一種漫射熱輻射源物體方向比輻射率測量方法，其特征在于(1)該方法利用天穹作為冷輻射源；(2)該方法用折疊式的黑體半球面棚作為常溫輻射源，并且通過折疊式的黑體半球面棚周期性的開啟和關(guān)閉起到交替改變環(huán)境輻射照度的作用；(3)該方法以高精度的紅外測溫儀作為紅外輻射溫度信號測定部件；(4)該方法用上述紅外測溫儀對上述兩種輻射源分別進(jìn)行半球式的掃描，測量出它們紅外輻射溫度信號的半球分布；(5)該方法用上述紅外測溫儀在上述兩種輻射源交替變化的環(huán)境下、在一個主平面的180°范圍內(nèi)分別測定被測物體各個方向的的紅外輻射溫度信號；(6)該方法既可以穿過承物框直接測量地物表面，又可以測定放置在承物框里內(nèi)容器里的物體，所述的物體包括固體和液體；(7)該方法采用可升降并可平行旋轉(zhuǎn)的測量平臺，以便貼近地表地物進(jìn)行測定，同時可以在多個主平面上測定物體的紅外輻射信號；(8)該方法將紅外測溫儀的輸出的如下4種紅外輻射溫度數(shù)值信號a.天穹的、b.黑體半球棚內(nèi)表面的、c.以天穹為環(huán)境的被測物的、d.以黑體半球面棚為環(huán)境的被測物的，輸入計(jì)算機(jī)記錄下來，再利用各種軟件進(jìn)行計(jì)算和反演，得出被測物體精確的方向比輻射率測定值。
2.一種漫射熱輻射源物體方向比輻射率測量儀，包括紅外測溫儀[5]，支撐架[4]，測量平臺[7]，承物框[8]，其特征在于所述的紅外測溫儀包括高精度傳感器；該紅外測溫儀[5]通過步進(jìn)電機(jī)[1]、[2]固定在測桿[9]的一端，測桿[9]的另一端與位于測量平臺[7]中部的步進(jìn)電機(jī)[3]連接；所述的比輻射率測量儀還包括折疊式的黑體半球面棚[6]；折疊式的黑體半球面棚[6]與位于測量平臺[7]上的步進(jìn)電機(jī)[10]連接。
3.如權(quán)利要求2所述的比輻射率測量儀，其特征在于所述的折疊式的黑體半球面棚[6]棚內(nèi)表面的用料選自黑絨布料或者涂上黑色無光漆的材料；其外表面采用高反射率材質(zhì)的白色紡織物或者銀色涂布或者塑料膜。
4.如權(quán)利要求2所述的比輻射率測量儀，其特征在于所述的與步進(jìn)電機(jī)[10]連接的折疊式的黑體半球面棚[6]可在180°范圍內(nèi)周期性的開啟和關(guān)閉。
5.如權(quán)利要求2所述的比輻射率測量儀，其特征在于所述的步進(jìn)電機(jī)[1]、[2]互相垂直并各自可旋轉(zhuǎn)360°；所述的測桿[9]與步進(jìn)電機(jī)[3]驅(qū)動軸銜接可轉(zhuǎn)動范圍是180°；步進(jìn)電機(jī)[1][2][3][10]分別由相應(yīng)的智能化控制器控制。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種漫射熱輻射源物體方向比輻射率值的測量方法和儀器。該方法和儀器利用天穹作為冷輻射源、用折疊式的黑體半球面棚作為常溫輻射源,并且通過折疊式的黑體半球面棚周期性的開啟和關(guān)閉起到交替改變環(huán)境輻射照度的作用。本發(fā)明的比輻射率測量方法和儀器較好地解決了精確反演野外地物表面真實(shí)溫度的關(guān)鍵問題。
文檔編號G01N21/00GK1268663SQ9910327
公開日2000年10月4日 申請日期1999年3月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年3月30日
發(fā)明者張仁華, 孫曉敏, 唐新齋, 蘇紅波 申請人:中國科學(xué)院地理研究所