一种比辐射率二维分布及其尺度转换的测量仪器和测量方法

摘要

本发明提供了一种比辐射率二维分布及尺度转换测量方法和仪器。该方法和仪器利用天穹作为冷辐射源、黑体布棚作为常温辐射源，即相对的热辐射源，利用计算机系统智能控制黑体布棚周期性的罩住目标物和迅速撤离，实现交替改变环境辐射照度的作用；用计算机系统控制参考板的水平移动，实现目标物和参考板交替自动观测；利用热像仪作为测量感应器，由其采集的热像图反演得出比辐射率二维分布信息；利用多像元的热红外辐射、表面温度及比辐射率的二维分布值，可以进行多种次级尺度地物组分的组合，从而能够进行表面温度和比辐射率的尺度转换研究，为探索比辐射率的空间尺度转换，解决这一科学难题提供一种高效测试平台和途径。

说明书

技术领域

本发明涉及热红外遥感应用技术和基础研究领域，特别是涉及比辐射率二维分布及其尺度转换测定的测量方法和仪器。

背景技术

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可提高火灾灾情的准确监控能力等等。但是各种遥感的方法只能获取物体表面的红外辐射温度，而物体表面的真实温度需要间接计算获得，这种间接计算主要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达到实际应用的突破，特别是比辐射率的二维分布测定和尺度转换量值的测定和反演还没有解决解决。

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，可以说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来测量比辐射率。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。比如本申请人于1999年3月30日申请，2003年2月19日授权的的中国发明专利ZL99103277.2，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。其可测量物体(指目标物为相同的物体或相同状态的物体)比辐射率的方向性，即测定随观测角度变化的比辐射率。

但是目前物体比辐射率测量技术的研究主要还是集中在单点测量上，而单点测定不能满足由热红外遥感二维传感器(包括热像仪)测出的热红外辐射温度二维分布反演为真实地表温度的二维分布。

发明内容：

本发明针对现有技术的不足，实现在物体(目标物)表面一次完成测定比辐射率的二维分布，并可通过这种比辐射率空间分布，揭示在不同尺度测量的尺度转换规律。

本发明的目的是提供一种测量物体比辐射率的二维分布及其尺度转换测定的仪器。

本发明的另一目的是提供一种测量物体比辐射率的二维分布及其尺度转换测定方法。

本发明的比辐射率二维分布及其尺度转换的测量仪器包括：热像仪、热像仪支架和底座。所述底座包括由垂直立柱支撑的上下两层水平板，其下层水平板上放置有目标物托盘，上层水平板中间开有观测窗口。在下层水平板和上层水平板之间水平设置有抽屉式托盘，其上放置有参考板。推拉所述抽屉式托盘可使参考板水平移入和移出底座。观测窗口边缘的垂直投影均落在抽屉式托盘及目标物托盘的边缘范围上或边缘范围内。底座上层水平板的观测窗口旁边垂直设置有热像仪支架，热像仪支架顶端设置有热像仪，热像仪的镜头，即观测垂直向下正对观测窗口。

本发明所述测量仪器包括有黑体布棚，黑体布棚为柱体结构，包括顶面、底框和可伸缩柱体，其柱体内表面衬有现有技术中可用作黑体的黑色不透光材料。黑体布棚优选为立方柱体结构，其顶面及其底框的水平形状根据立方柱体的横截面为矩形。黑体布棚顶面中心开有孔径略大于热像仪镜头外径的通孔；黑体布棚底框尺寸大于观测窗口。黑体布棚柱体内表面衬的黑色不透光材料优选为黑色绒布。

以上所述底座上层水平板上垂直设置有升降导轨，其上设置有水平旋转驱动电机，该电机与黑体布棚底框连接，能够带动黑体布棚围绕升降导轨水平旋转；升降导轨上设置有垂直升降传动带及垂直升降驱动电机，垂直升降传动带通过连接臂与黑体布棚的顶面连接，能够带动黑体布棚顶面做垂直升降运动，从而使黑体布棚的柱体垂直伸缩。由此黑体布棚的第一状态(压缩状态)是通过水平旋转驱动电机连接臂旋转在底座之外。黑体布棚的第二状态是通过水平旋转驱动电机的带动旋转到底座上层水平板上，黑体布棚底框将观测窗口罩在其中；所述黑体布棚底框四周优选设有围裙，当黑体布棚的底框罩在底座上层水平板的观测窗口上时，围裙覆盖在底座上层水平板上以防止漏光。黑体布棚的第三状态(拉伸状态)是在第二状态的基础上，通过垂直升降驱动电机的带动，其顶面的中心通孔套上热像仪，也就是热像仪的镜头通过顶面通孔插入黑体布棚内。以上所述水平旋转驱动电机带动黑体布棚水平旋转的角度优选为180°。

本发明所述的测量仪器中所述的抽屉式托盘由一水平移动电机带动，能够水平推进移出底座。抽屉式托盘上放置的参考板，其上表面间隔覆盖有黑体材料和准白体材料。所述黑体材料为现有技术中可作为黑体的材料，如黑绒布、无光黑体漆等；所述准白体材料为现有技术中可作为准白体的材料，如无镜面反射的亚光铝板等。所述目标物托盘上的目标物可为多种物体，也可为不同状态的物体，比如固体或液体等。

本发明所述的测量仪器的黑体布棚从状态一到状态三根据观测需要可实现快速转换，从而实现周期性的罩住和离开被测物，快速获取冷、常温(热)两种环境辐照度信息。

本发明的测量仪器中所述各驱动电机的动作，以及热像仪对数据的采集和记录均由计算机系统和比辐射率测量模型的需求下控制完成。具体来讲，所述带动抽屉式托盘水平移动的水平移动电机由计算机系统控制其水平推进与移出的动作，实现被测目标物和参考板交替进入热像仪的观测视场；垂直升降电机和水平旋转电机的动作由计算机系统控制，实现黑体布棚的水平转动和垂直伸缩；所述热像仪由计算机系统控制对数据的采集频率、时间等以及对数据的记录等动作。

本发明测量仪器中的热像仪可采用现有技术中已有的各种热像仪。一般可选用有320×240个像元的热像仪。本设计的观测窗口面积为400mm×300mm时，则此观测面积中包含76800(即320×240)个像元。利用76800个像元的热红外辐射温度及比辐射率的二维分布值，可以进行多种次级尺度地物组分的组合，从而能够进行表面温度和比辐射率的尺度转换研究，也为探索各种地表参数的空间尺度转换，解决这一科学难题提供一种仪器和方法的新的思路

本发明的比辐射率二维分布及尺度转换测量方法，其特征在于：

(1)该方法利用天穹，即天空的平均辐射作为目标物(样品)的冷辐射源；

(2)该方法利用黑体布棚内表面作为目标物的常温辐射源，即热辐射源；通过黑体布棚周期性的快速水平转动和垂直伸缩使目标物交替处于常温辐射源和冷辐射源的环境中，起到为目标物交替提供实现比辐射率测量所需要的两种环境辐射照度的作用；

(3)该方法以非制冷的热像仪作为目标物的红外辐射温度二维分布热像图的测定传感器；

(4)该方法利用上述热像仪在上述常温和冷辐射源交替变化的环境下，测定黑板和准白体板的红外辐射温度的二维分布热像图，根据黑体板和准白体板的反射辐射及其计算模型分别反演常温辐射源和冷辐射源环境下的辐照度；

(5)该方法利用上述热像仪在上述常温和冷辐射源交替变化的环境下，测定目标物红外辐射温度的二维分布信号；

(6)该方法利用热像仪的测定得到四种数据：a.天穹为主体(即冷辐射源)的辐照度，b.黑体布棚内表面的辐照度，c.以天穹等为冷辐射源环境的目标物的红外辐射温度的二维分布热像图，d.以黑体布棚为常温辐射源环境的目标物的红外辐射温度的二维分布热像图；这些数据由计算机记录下来，再利用相关软件进行计算和反演，得出被测目标物精确的比辐射率二维分布测定值。

上述的用于计算和反演的软件、计算公式及涉及的比辐射率测量模型，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。

本发明的克服现有技术不能测定比辐射率二维分布值的缺陷，所提供一种的测量比辐射率二维分布及其尺度转换的测量方法和测量仪器，利用热像图反演的比辐射率二维分布测定值取代红外测温仪的单点测定和计算的比辐射率值，创新地提出了精确反演地物比辐射率二维分布的思路，其科学价值体现在：

(1)为航空和卫星平台直接大面积测定地物比辐射率提供测量原理和思路；

(2)为高难度的地物比辐射率尺度转换模型方法提供测量平台和验证实例，并为从地物比辐射率的尺度转换方法和规律，扩展到其他定量遥感参数的尺度转换普适规律奠定科学基础。

附图说明：

图1是本发明的比辐射率二维分布及尺度转换测量仪器的结构示意图，图中黑体布棚处于第一状态，即压缩状态。

图2是本发明的比辐射率二维分布及尺度转换测量仪器的结构示意图，图中黑体布棚处于第三状态，即拉伸状态。

具体实施方式：

如图1及图2所示，本发明的比辐射率二维分布及其尺度转换测量仪器包括：热像仪1、热像仪支架2和底座3。所述底座3包括由垂直立柱9支撑的上下两层水平板，其下层水平板上放置有目标物托盘5，上层水平板中间开有观测窗口12。在下层水平板和上层水平板之间水平设置有抽屉式托盘4，其上放置有参考板。参考板上表面以方块间隔的方式覆盖有黑体材料和准白体材料，其中黑体材料选用黑色绒布；准白体材料选用无镜面反射的亚光铝板。观测窗口12边缘的垂直投影均落在抽屉式托盘4及目标物托盘5的边缘范围上。抽屉式托盘4由一水平移动电机14带动，能够水平推进移出底座3，从而可使参考板水平移入和移出底座3。底座3上层水平板的观测窗口12旁边垂直设置有热像仪支架2，热像仪支架2顶端设置有热像仪1，热像仪1的镜头垂直向下正对观测窗口12。

本发明所述测量仪器包括有黑体布棚8，黑体布棚8为长方柱体结构，包括顶面、底框和可伸缩柱体，其柱体内表面衬有黑色绒布。黑体布棚8顶面及其底框的水平形状为长方形。黑体布棚8顶面中心开有孔径略大于热像仪1镜头外径的通孔；黑体布棚8底框尺寸大于观测窗口12。

以上所述底座3上层水平板上垂直设置有升降导轨10，其上设置有水平旋转驱动电机7，该电机与黑体布棚8底框连接，能够带动黑体布棚8围绕升降导轨10水平旋转。升降导轨10上还设置有垂直升降传动带13及垂直升降驱动电机6，垂直升降传动带13通过连接臂与黑体布棚8的顶面连接，能够带动黑体布棚8顶面做垂直升降运动，从而使黑体布棚8的柱体垂直伸缩。

由此，如图1所示黑体布棚8的第一状态(压缩状态)是通过与升降导轨10的连接旋转在底座3之外。黑体布棚8的第二状态是通过水平旋转驱动电机7的带动旋转180°到底座3上层水平板上，黑体布棚8底部框体将底座3的上层水平板的观测窗口12罩在其中，黑体布棚8底框四周设有围裙，围裙覆盖在上层水平板上以防止漏光。黑体布棚8的第三状态(拉伸状态)是在第二状态的基础上，通过垂直升降驱动电机6的带动，其顶面的中心通孔套上热像仪，也就是热像仪的镜头通过顶面通孔插入黑体布棚内，如图2所示。

本发明所述的测量仪器的黑体布棚8从状态一到状态三需要快速转换，在0.7秒时间内迅速完成第一状态至第三状态的动作，从而实现周期性的罩住和离开被测目标物，快速获取冷、常温(热)两种环境辐照度信息。

本发明的测量仪器中所述各驱动电机的动作，以及热像仪1对数据的采集和记录均由计算机系统11在比辐射率测量模型的需求下控制完成。具体来讲，所述带动抽屉式托盘4水平移动的水平移动电机14由计算机系统11控制其水平推进与移出的动作，实现被测目标物和参考板交替进入热像仪1的观测视场；垂直升降电机6和水平旋转电机7的动作由计算机系统11控制，实现黑体布棚8的水平转动和伸缩；所述热像仪1由计算机系统11控制对数据的采集频率、时间等以及对数据的记录等动作。

本发明测量仪器的具体测量操作流程为：

1.当黑体布棚处于第三状态，以其顶面套在热像仪镜头上作为起始状态，此时参考板在位于观测视场内的黑体布棚正下方，计算机系统控制热像仪第一次采集数据；热像仪采集参考板上黑体和准白体发射的热辐射和反射黑体布棚的常温环境辐射(相对于天空的冷辐射也可称其为热环境辐射)，通过模型反演出常温环境的辐射照度；

2.采集数据完毕后，由计算机系统控制水平移动电机将参考板抽出，被测目标物(样品)处于常温辐照环境下的热像仪观测视场内；

3.由计算机系统控制热像仪第二次采集数据，热像仪采集目标物的发射热辐射和反射黑体布布棚的常温环境辐射照度的热辐射；

4.采集数据完毕后，由计算机系统控制垂直升降电机和水平旋转电机，使黑体布棚的柱体收缩下落并黑体布棚旋转180°两个动作顺序进行，动作速度在0.7秒之内完成，此时黑体布棚处于第一状态；被测目标物位于天穹冷辐射环境下的热像仪观测视场内；

5.由计算机系统控制热像仪第三次采集数据，被测目标物处于天穹冷环境辐照度下，热像仪采集目标物的热辐射和反射天空冷环境的辐射照度的热辐射；

6.采集数据完毕后，由计算机系统控制水平移动电机将参考板推进底座，使参考板处于冷辐射环境下的热像仪观测视场内；

7.由计算机系统控制热像仪第四次采集数据，热像仪再次采集参考板上黑体和准白体的发射热辐射和反射天穹的冷环境辐射，至此完成一个采集周期过程；

8.之后恢复起始状态：由计算机系统控制电机使黑体布棚水平旋转和垂直伸展两个动作顺序进行，这个过程对速度不要求快，但要平稳准确；黑体布棚上顶孔重新套在热像仪镜头上时，黑体布棚由第一状态恢复到第三状态；

9，由计算机系统利用所述反演、模型、公式等完成被测目标物的比辐射率二维分布值计算。

本测量仪器中的热像仪1选用有320×240个像元的热像仪。所述观测窗口12面积为400mm×300mm，由此观测面积中包含76800个像元。利用76800个像元的热红外辐射、表面温度及比辐射率的二维分布值，可以进行多种次级尺度物质组分的组合，从而能够进行表面温度和比辐射率的尺度转换研究，为探索各种地表参数的空间尺度转换，解决这一科学难题提供一种高效测试平台和途径。