一种用于外场红外辐射测量校准的黑体球表面温度测量系统

摘要

一种用于外场红外辐射测量校准的黑体球表面温度测量系统，采用普通探空气球下挂特制的黑体目标球，按照一定的升速升到空中。黑体目标球表面装有多个温度传感器，用以探测球体表面温度，经过微处理器初步处理后，通过无线数据发射模块，将测量数据发回地面。地面的无线数据接收模块接到这些数据后，送给数据处理计算机，处理后得到目标球表面的实际温度。根据目标球表面温度、红外发射率、投影面积，即可得到目标球在特定波段的红外辐射数据。目标球同时被红外望远镜跟踪探测，得到目标球的红外辐射数据。将这两种辐射数据进行分析对比，就可以得到校准参数。

说明书

技术领域

本发明提供一种用于外场红外辐射测量校准的黑体球表面温度测量系统，涉及到红外辐射测量技术、GPS应用技术、单片机应用技术和数字通信技术等领域。

背景技术

红外辐射温度测量技术广泛应用于被测物体表面温度的非接触测量和目标识别。

红外测温设备由光学系统、光电传感器、信号放大器、数据处理器及显示输出等部分组成。光学系统汇聚其视场内被测目标的红外辐射能量，视场的大小由测温设备的光学零件及其位置确定。被测目标的红外辐射能量聚焦在光电传感器上并转变为相应的电信号。该信号经过放大器、AD转换等信号处理电路转换成数字量，经过数据处理后转变为被测目标的温度值。由于受测目标表面的红外辐射能量是经大气传输到红外检测仪器里的，这就会受到大气中的水蒸汽、二氧化碳、一氧化碳等气体分子的吸收衰减和空气中悬浮微粒的散射衰减。随着测量距离的增大，大气的影响将会越来越大。要获得被测目标温度的准确值，提高测量精度，必须对温度测量结果进行合理的订正。这种订正在地面比较容易进行，可以采用标准温度测量装置同时测量物体表面温度，与红外辐射测量结果进行对比，从而得到校准参数。而要对空中目标进行红外探测，比如对敌方导弹进行探测预警，这种订正则不易实现。

发明内容

本发明所提供的黑体球表面温度测量系统，采用普通探空气球下挂特制的黑体目标球，按照一定的升速升到空中。黑体目标球表面装有多个温度传感器，用以探测球体表面温度，经过微处理器初步处理后，通过无线数据发射模块，将测量数据发回地面。地面的无线数据接收模块接到这些数据后，送给数据处理计算机，处理后得到目标球表面的实际温度。根据目标球表面温度、红外发射率、投影面积，即可得到目标球在特定波段的红外辐射数据。目标球同时被红外望远镜跟踪探测，得到目标球的红外辐射数据。将这两种辐射数据进行分析对比，就可以得到校准参数。此外，黑体球还携带了GPS模块，可以接收GPS卫星数据，经计算得到目标球位置数据(经纬度、高度)。这些数据同上述温度数据一起发回地面，由地面接收机接收并经计算机进行坐标变换，得到目标的方位角、仰角等数据，引导红外望远镜跟踪目标球。

附图说明

图1是红外辐射校准测量系统组成示意图。

图2是黑体目标球球体和中心立柱结构示意图。

图3是黑体目标球球体内部电子部件位置分布示意图。

图4是黑体目标球球体表面温度传感器位置分布示意图。

图5是黑体目标球表面温度测量系统原理框图。

具体实施方式

实施例采用的红外辐射校准测量系统参见图1。由探空气球1，黑体目标球2，红外望远镜跟踪探测车3，红外探测数据处理及黑体球测量数据接收车4等组成。

探空气球1采用普通1000克乳胶气球，充满氦气后可携带目标球升到30公里以上的高空。黑体目标球的结构参见图2，是一个由16片厚度为4厘米的球面体5拼接而成的空心球。球面体的材料由聚苯乙烯发泡材料切割成型，这样即可保持一定强度，又能减轻黑体球的重量。球体的两极连接着1个用同样材料制成的圆柱体6。球的外径为1米，外部套有一层黑色尼龙布缝接的球衣。组装在一起的黑体球内部结构参见图3。圆柱体6的顶端安装有GPS天线7，圆柱体的侧面从上到下分别安装有电路板组合8、电池组9，数传发射机10。电路板组合8采用积木式结构，便于组装和维护，由主MCU电路板、表面温度测量副MCU1电路板、表面温度测量副MCU2电路板、GPS模块电路板组合而成，其间由接插件形成电路连接。尼龙球衣的表面缝接有16个小布袋，用来安装温度传感器，其位置分布参见图4。

本实施例的电路原理框图请参见图5，分为球上设备和地面设备两部分。

球上设备部分：

球上设备部分的核心部件是主MCU(微型控制器)，它负责协调整个测量系统的工作，工作流程为：

1.接收GPS模块发出的数据，包括GPS时间、星况、定位质量指标、目标经纬度、高度等；

2.接收常规气象参数传感器发出的气压(P)、温度(T)、湿度(U)数据；

3.向表面测温MCU1发数据传送命令，接收测点s1～s8的温度数据；

4.向表面测温MCU2发数据传送命令，接收测点s9～s16的温度数据；

5.将接收到的所有数据进行初步处理并打包后，通过串口(UART)发给数据传送发射机。球上其它部件的功能为：

GPS模块：通过GPS天线7接收卫星组发出的信号，经处理计算得到定位信息；

表面测温MCU1和MCU2模块：通过MCU本身集成的8路10位AD转换器测量温度传感器s1～s16的输出电压，并在接到主MCU命令后，将数据传送给主MCU；

PTU传感器模块：测量大气温压湿参数，传送给主MCU；

数据传输发射机模块：负责将主MCU发来的数据发送到地面。

地面设备部分：

地面设备部分由数据传输接收机和数据处理计算机组成。除安装在接收车(图1-4)上一部外，还有一部安装在地面观测点附近的室内。两部地面设备同时接收球上设备发回的数据，以提高系统的可靠性。

数据接收机接到球上发回的数据后，将数据直接传送给数据处理计算机。数据处理计算机对全部数据进行处理，从而得到黑体球的空中坐标(经纬度、高度)、各测点的温度值、大气温压湿数据、球上设备工作状况(如电池电压、舱内温度)等，并将这些数据直接显示在计算机屏幕上。还根据这些数据绘制各种曲线，在数字地图上标出目标球的航迹。计算机还能自动生成数据文件并将各种数据随时存盘。除此之外，计算机还将目标球的GPS位置数据(经纬度、高度)经坐标变换后得到地面红外望远镜跟踪所需的球坐标(方位角、仰角、斜距)，提供给红外望远镜(图1-3)引导其跟踪目标球。

本实施例已经实践多次验证，证明其性能先进、设计合理、工作可靠，为红外辐射测量校准提供了一种新型的技术手段。