一种自校准多谱段热红外亮温辐射计

摘要

本发明公开了一种适用于外场应用的自校准多谱段热红外亮温辐射计，其包括：目标切换舱、仪器主体和控制箱，所述目标切换舱搭载的高低温黑体可以对仪器内部的探测器进行实时定标，保证测量结果的准确性，仪器主体和控制箱之间通过防水航插和导线相连，仪器主体内部配备了四个光谱通道，与目前热红外波段载荷所对应的光谱通道更加匹配或接近，具有较强的普适性。本发明所述的仪器具有轻量化的特点，利用无人机搭载进行航飞测试，可方便快捷的实现定标场地大面积、高频次的测量需求。

说明书

技术领域

本发明属于红外测量技术领域，特别是涉及一种可用于外场的自校准多谱段热红外亮温辐射计。

背景技术

在红外发射谱段，卫星载荷的外场定标实验需要通过测量定标场的大气下行辐射和地表光谱辐亮度两个辐射量值，从而得到定标场地的光谱发射率，再结合大气传输模型可以反演得到卫星入瞳处的光谱辐亮度，最终完成对红外发射谱段卫星载荷的定标。

目前国内科研人员针对外场大气下行辐射和地表光谱辐射特性参数的测量，主要通过人工现场测量的方式实现，这种方式耗费高、效率低，且受制于天气因素，难以保障定标频次和有效数据量。

因此，亟需要研制了一种可长时间工作于野外定标实验场地，可用于外场长期观测的能够实现自校准的多谱段热红外亮温辐射计。

发明内容

本发明目的提供一种适用于外场定标环境下的自校准多谱段热红外亮温辐射计，可放置于外场定标场地中长期运行，并且具备远程控制和远程数据传输的能力。

本发明提供了一种自校准多谱段热红外亮温辐射计，其包括：目标切换舱、仪器主体和控制箱；所述目标切换舱与所述仪器主体之间固定连接，仪器主体和控制箱之间具有连接导线；其特征在于：在所述目标切换舱的切换舱主框架的每个侧面上设置安装孔，在第一侧面上安装有加热黑体，在第二侧面上形成天顶观测窗口，在第三侧面上安装有环境温度黑体，在第四侧面上形成地物观测窗口；在仪器主体内设置有主光路系统。

其中，在所述目标切换舱中心处安装第一步进电机，第一步进电机芯轴上固定有45°镀金反射镜，通过步进电机的旋转将不同目标的辐射反射至仪器内部实现不同目标间的探测。

其中，所述仪器主体进一步包括有仪器外壳，在外壳内部安装有金板转轮、第二步进电机、滤光片转轮、第三步进电机和红外探测器。

其中，金板转轮上安装了一片镀金平面反射镜，通过第二步进电机的旋转带动转轮，实现测量系统有/无金板的状态切换。

其中，滤光片转轮包括四个滤光片，通过第三步进电机的旋转带动转轮，实现仪器在不同通道下的测量，对应的四个光谱通道分别为8.2～9.4μm、10.1～11.1μm、11.8～12.8μm和8.0～13.2μm。

其中，所述主光路系统包括有两个透镜，两透镜直径分别为12.7mm和25mm，焦距分别为20mm和50mm，整个光学系统的视场角为12°，所述主光路系统中的光学系统组件已进行发黑处理，便于消除内部杂散光。

其中，热电堆探测器的光敏面尺寸6mm，包含有四个引脚，可获取探测器内部的电压值和电阻值。

其中，所述控制箱包括中央控制器CPU、热电堆探测器电路模块、步进电机控制电路模块，数据传输模块和GPRS通讯模块，所述中央控制器CPU可实现测量仪器在有线和无线两种模式下工作，整体控制电路模块供电电压为24V。

其中，所述GPRS通讯模块包括有通讯SIM卡和SD内存卡，储存后的数据可通过GPRS网络进行远程实时传输。

其中，所述控制箱进一步包括有测温模块和控温模块，测温模块可对加热黑体和环境温度黑体的实时温度进行测量采集，控温模块可实现加热黑体的温控。

本发明的仪器通过测量地表和天顶可以获取地表的红外光谱辐亮度、辐射温度以及大气下行辐射，首次提出将双温区高精度黑体与平面镀金反射镜相结合的定标方式实现仪器的自校准，保障量值的高精度和可溯源性，并且仪器附带了远程通讯模块和无人值守自动化测量，可以实现远程控制和测量数据的远距离传输，可长时间工作于野外定标实验场地，在红外发射谱段卫星遥感器的外场定标中具有重要应用。

本发明所述仪器较以往外场定标设备而言更为轻便，可满足航飞实验条件，辐射定标场一般位于戈壁、沙漠或高原湖泊等区域，通过无人机搭载定标仪器可方便快捷的实现大面积、高频次的测量。本发明可满足7×24h的测量条件，可放置于外场定标场地中长期运行，并且具备远程控制和远程数据传输的能力。

附图说明

图1为本发明仪器的整体结构示意图；

图2为本发明仪器的目标切换舱示意图；

图3为本发明的仪器主体的结构示意图；

图4为本发明的控制箱功能组成示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，本领域技术人员应当理解，下述的说明只是为了便于对发明进行解释，而不作为对其范围的具体限定。

如图1所示，自校准多谱段热红外亮温辐射计主要包括：目标切换舱1、仪器主体2和控制箱3，其中，所述目标切换舱1与所述仪器主体2之间固定连接，优选采用4颗M3螺钉将所述目标切换舱1与所述仪器主体2进行固定，仪器主体2和控制箱3之间具有连接导线，具体而言，所述仪器主体2后盖设置有防水航空插头，所述仪器主体2与控制箱3通过导线进行连接，实现仪器内部电路的供电和数据通讯。

如图2所示，所述目标切换舱1包括：切换舱主框架，所述切换舱主框架为中空结构，优选所述切换舱主框架为多面体结构，在所述切换舱主框架的每个侧面上设置安装孔，第一侧面上安装有加热黑体4，在第二侧面上形成天顶观测窗口11，在第三侧面上安装有环境温度黑体5、在第四侧面上形成地物观测窗口，在所述切换舱主框架的内部安装有第一步进电机7，在所述第一步进电机7上设置有45°镀金反射镜6；第一步进电机7芯轴上固定有45°镀金反射镜6，通过第一步进电机7的旋转将不同目标的辐射反射至仪器内部实现不同目标间的探测，目标切换舱1至少配备了加热黑体、环境温度黑体、地物和天顶四个目标，分别对应第一步进电机的角度为0°、60°、120°和180°。

在所述加热黑体4的外表面贴有聚酰亚胺薄膜加热片8，通过聚酰亚胺薄膜加热片8可对所述加热黑体4的温度进行控制；在所述加热黑体4和环境温度黑体5的腔体上均安装有铂电阻温度计9，通过所述铂电阻温度计9对所述加热黑体4和环境温度黑体5的温度进行监测；所述第一步进电机7的转动可实现所述45°镀金反射镜6的旋转，所述第一步进电机7的角度为0°、60°、120°和180°使得所述45°镀金反射镜6分别对应于加热黑体4、环境温度黑体5、地物观测窗口10和天顶观测窗口11，通过所述45°镀金反射镜6的位置调整实现将不同的测量信号导向所述仪器主体2的内部。

通过所述目标切换舱实现了多角度、多目标的测量，至少包括内置的高/低温黑体和地物和天顶四个角度，其中高/低温黑体可实现对内部探测系统的实时校准，更新定标系数，从而保证测量精度，并且通过第一步进电机的旋转可几乎同时获取同一通道下地物跟天顶的光谱辐亮度和辐亮温，进而得到同一时刻的大气上行辐射和下行辐射，保证了测量的时效性。

所述目标切换舱1的一个侧面与所述仪器主体2相连接。如图3所示，所述仪器主体2包括：主光路系统，仪器前盖板13和仪器后盖板20。

所述主光路系统包括：红外窗口12，所述红外窗口12在所述仪器前盖板13上；金板转轮14，所述金板转轮14安装在第二步进电机15上，通过第二步进电机15的步进带动所述金板转轮14进行转动，所述金板转轮14上安装了一片镀金平面反射镜，通过第二步进电机15的旋转带动转轮，实现测量系统有/无金板时的状态切换；滤光片转轮16，所述滤光片转轮16设置在第三步进电机17上，被所述第三步进电机17驱动并进行转动，优选所述滤光片转轮16包括有四个滤光片，通过第三步进电机的旋转带动转轮，实现仪器在不同通道下的测量，对应的四个光谱通道分别为8.2～9.4μm、10.1～11.1μm、11.8～12.8μm和8.0～13.2μm；光学系统组件18，其中，信号在通过所述滤光片转轮16后依次进入到所述光学系统组件18和热电堆探测器19，所述热电堆探测器19的光敏面尺寸

如图4所示，所述控制箱3包括：中央控制器CPU22、步进电机驱动模块23、探测器信号放大采集模块24、温度控制模块25、温度测量模块26、远程控制通讯模块27和电源供电模块28。所述中央控制器CPU22可实现测量仪器在有线和无线两种模式下工作，整体控制电路模块供电电压为24V。

步进电机驱动模块23可对上述目标切换舱的第一步进电机7、第二步进电机15和第三步进电机17进行程序化控制，实现不同测量目标之间的切换。

探测器信号放大采集模块24将热电堆探测器19输出的模拟信号转换成数字信号，进行信号的放大和采集。

温度控制模块25对加热黑体4进行温控，将温度稳定在设定温度值。

温度测量模块26可实现加热黑体4和环境温度黑体5当前温度的实时测量，并将数据返回至中央控制器CPU22。

远程控制通讯模块27可利用虚拟串口设置实现电脑端和仪器之间的通讯，同时内置GPRS通讯模块，可将测量数据进行远程发送。所述的GPRS通讯模块包括有通讯SIM卡和SD内存卡，储存后的数据可通过GPRS网络进行远程实时传输。

电源供电模块28可为所述控制箱3提供24V的直流供电，解决各模块间的供电需求，满足外场实验的实验条件。

控制电路模块、黑体温控模块、GPRS数据通讯模块和保护装置，控制电路和GPRS数据通讯模块均安装在仪器主体内部的支架上，通过仪器主体后盖的防水航空插头将导线连接，实现仪器主体内部电路的供电和通讯。

本发明的四个光谱通道8.2～9.4μm、10.1～11.1μm、11.8～12.8μm和8.0～13.2μm能够与目前热红外波段载荷所对应的光谱通道更加匹配或接近，从而提高了所述仪器在外场定标中的普适性。

所述自校准多谱段热红外亮温辐射计在外场进行测试实验时需提前把仪器固定在安装支架上，对仪器提供DC—24V电源，仪器控制和通讯可适用USB串口线和远程控虚拟串口控制两种模式进行，所有操作都是通过上位机程序实现的。仪器上电后打开上位机程序，选择串口连接对仪器进行通讯，在正常工作模式下设置仪器的参数，如地理位置信息(海拔高度、经纬度信息)、热电堆探测器19采集参数设置(包括探测器测量时间间隔、测量次数的设置)、加热黑体4温度的设置测量光谱通道的选择以及测量目标的选择，设置完成后点击开始测量。

开始测量后，中央控制器CPU22对仪器发出指令，第一步进电机7将45°镀金反射镜6正对加热黑体4，第二步进电机15切换至无镀金平面反射镜状态，第三步进电机17切换至第一通道，待加热黑体4温度稳定后，测量第一通道在加热黑体4、环境温度黑体5两个目标下的红外辐射信号值，从而完成仪器第一通道下的自校准，得到定标系数；然后将45°镀金反射镜6依次旋转至地物观测窗口10和天顶观测窗口11，测量两者在有无镀金平面反射镜下的电压信号值，利用第一通道下的定标系数和转换关系得到地物和天顶目标的光谱辐亮度和辐亮温，测量的所有数据按照固定的格式存储在控制箱3内部的存储卡中，测量数据可通过USB串口线将仪器连接到PC端进行导出，也可通过GPRS发送到PC端，进行数据的显示及存储。第一通道测量完毕后将第三步进电机17切换至第二通道，重复上述步骤，依次测量第三通道和第四通道完成测量流程的一个循环。

所述热红外亮温测量仪器进一步附带有雨水传感器和保护装置，当外部的雨水传感器感应到测量环境中有降雨出现，仪器自动断电停止工作并立即触发保护装置，保护装置可将仪器外部的地物观测窗口10和天顶观测窗口11进行遮挡，防止雨水进入仪器内部。待天气恢复晴朗后保护装置关闭，仪器重新启动开始测试工作。

所述热红外亮温测量仪器对背景辐射比较敏感，工作环境的变化及仪器内部零器件性能的衰变都会影响测量结果，为此仪器内置了加热黑体4和环境温度黑体5两个定标黑体源，用于实时对内部探测器进行两点法定标，保障仪器的测温精度。

所述加热黑体4和环境温度黑体5为圆柱-圆锥型结构，两个黑体空腔的发射率在0.99以上，黑体的测温误差小于0.01K。

本发明的自校准多谱段热红外亮温辐射计通过测量地表和天顶可以获取地表的红外光谱辐亮度和辐亮温以及大气下行辐射，同时仪器自带的两个高低温黑体能够实现仪器的自校准，有效解决了仪器长时间内自身性能衰变的问题，并且仪器附带了远程通讯模块和无人值守自动化测量，可以实现远程控制和测量数据的远距离传输，可长时间工作于野外定标实验场地。

本发明所述仪器较以往外场定标设备而言更为轻便，可满足航飞实验条件，辐射定标场一般位于戈壁、沙漠或高原湖泊等区域，通过无人机搭载定标仪器可方便快捷的实现大面积、高频次的测量。

本发明可满足7×24h的测量条件，可放置于外场定标场地中长期运行，并且具备远程控制和远程数据传输的能力。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。