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
技術領域：
本發(fā)明涉及熱紅外遙感應用技術領域，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研究和應用領域有著十分重要的作用。在氣象領域里，精確的地表溫度是提高數(shù)值天氣預報準確度的關鍵參數(shù)；在農業(yè)領域里，精確地測定地表溫度直接關系提高遙感作物產量預報的精度以及提高旱災估算精度；在國防領域里，精確地測定地表地物溫度可提高軍事目標的識別和反偽裝的能力；在森林安全防護中，精確地測定地表溫度也可提高火災災情的準確監(jiān)控的準確度……。物體表面的溫度反映的是物體界面分子平均運動的能量值。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)有技術中都是不難解決的。唯獨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。物體比輻射率的精確測定是遠距離精確遙感和反演真實地表溫度的關鍵信息。在定量熱紅外遙感應用技術中，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溫度信息。
目前，國內外對物體比輻射率測量技術的研究主要集中在兩個類型上，一種是準直熱輻射源式，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。
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，而實際被測物體的真實比輻射率是有方向性的。所以，在精確定量反演地表真實溫度的時候，僅垂直方向的方法就不能滿足需要。換言之，目前國內外還沒有能夠在野外測定地物方向比輻射率的技術。
本發(fā)明的目的，就是要為了克服了現(xiàn)有技術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溫度的關鍵問題。
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的測量平臺，以便貼近地表地物進行測定，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，輸入計算機記錄下來，再利用各種軟件進行計算和反演，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電機固定在測桿的一端，測桿的另一端與位于可升降式測量平臺中部的步進電機連接；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電機連接。
下面結合附圖進一步詳述本發(fā)明的技術方案。
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，并且在折疊式的黑體半球面棚周期性的開啟和關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種互相對應的紅外輻射溫度數(shù)值信號a.天穹的、b.黑體半球棚內表面的、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，輸入計算機記錄下來，再利用各種軟件進行計算和反演，得出被測物體精確的方向比輻射率測定值。上述的用于計算和反演的軟件及其涉及的計算公式，可以參考科學出版社于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《實驗遙感模型及地面基礎》一書。該書詳細介紹了比輻射率測定和計算反演的原理、公式和數(shù)學模型。
應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的測量平臺，以便貼近地表地物進行測定。
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通過步進電機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中部的步進電機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上的步進電機10連接。
在具體實施的時候，本發(fā)明的比輻射率測量儀的紅外測溫儀固定在可旋轉360°的步進電機1上，而步進電機1又連接在可轉動傾角360°的另一個步進電機2上；步進電機2連接在測桿9的一端；測桿9的另一端與第三個步進電機3的驅動軸銜接。因此，本發(fā)明的步進電機1、2互相垂直并各自可旋轉360°；測桿9與步進電機3驅動軸銜接可轉動范圍是180°；步進電機1、2、3、10分別由相應的智能化控制器控制。測桿9支點的另一端可以配上適當重量的鐵塊，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)明的與步進電機10連接的折疊式的黑體半球面棚6可在180°范圍內周期性的開啟和關閉。
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，對液體樣品進行測定。
本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術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溫度的關鍵問題。
實施例中科院地理所熱紅外遙感實驗室，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的測量平臺，以便貼近地表地物進行測定，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，輸入計算機記錄下來，再利用各種軟件進行計算和反演，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]通過步進電機[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]中部的步進電機[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]上的步進電機[10]連接。
3.如權利要求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的白色紡織物或者銀色涂布或者塑料膜。
4.如權利要求2所述的比輻射率測量儀，其特征在于所述的與步進電機[10]連接的折疊式的黑體半球面棚[6]可在180°范圍內周期性的開啟和關閉。
5.如權利要求2所述的比輻射率測量儀，其特征在于所述的步進電機[1]、[2]互相垂直并各自可旋轉360°；所述的測桿[9]與步進電機[3]驅動軸銜接可轉動范圍是180°；步進電機[1][2][3][10]分別由相應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溫度的關鍵問題。
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:中國科學院地理研究所