一種自然地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提出一種自然地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng)可以在野外利用傅里葉紅外光譜儀通過(guò)對(duì)紅外參考板和地面目標(biāo)的交替測(cè)量，完成對(duì)自然地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)的計(jì)算。該自然地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)由傅里葉紅外光譜儀(1)、紅外標(biāo)準(zhǔn)板(2)、黑體(3)、接觸式溫度計(jì)(4)、GPS(5)、光譜儀支架(6)和計(jì)算機(jī)(7)組成。通過(guò)本實(shí)用新型的系統(tǒng)搭配，可以在野外有效的測(cè)量自然地表的紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)。
【專利說(shuō)明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及發(fā)射率測(cè)量【技術(shù)領(lǐng)域】，特別涉及一種自然地表的紅外發(fā)射率光譜 數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)。 一種自然地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)

【背景技術(shù)】
[0002] 地表發(fā)射率是描述地表紅外輻射特性的基本參數(shù)，在航空航天、國(guó)防科技以及工 農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中具有重要價(jià)值。近些年來(lái)，無(wú)論是室內(nèi)還是野外，人們都在努力探索各 種方法來(lái)測(cè)量地表發(fā)射率。但實(shí)驗(yàn)室測(cè)量的發(fā)射率數(shù)據(jù)往往不能滿足實(shí)際遙感應(yīng)用的需 求，因?yàn)榘l(fā)射率不僅依賴于地表物體的組成成分，而且與物體的表面狀態(tài)（表面粗糙度等） 及物理性質(zhì)（介電常數(shù)，含水量、溫度等）有關(guān)，并隨著所測(cè)定的輻射能的波長(zhǎng)（λ)、觀測(cè) 角度（Θ)等條件的變化而變化。因此，適用于遙感應(yīng)用的地表紅外發(fā)射率主要依靠野外 實(shí)地測(cè)量。現(xiàn)有的發(fā)射率野外測(cè)量技術(shù)，比如中國(guó)發(fā)明專利CN1464297和CN2545599提供 了一種利用V字型封閉腔進(jìn)行發(fā)射率野外測(cè)量的方法和便攜式的發(fā)射率測(cè)定儀，利用紅外 測(cè)溫儀來(lái)測(cè)量寬波段的發(fā)射率；中國(guó)發(fā)明專利CN101458123發(fā)明了一種發(fā)射率二維分布 及其尺度轉(zhuǎn)換的測(cè)量?jī)x器和方法，可以在野外利用熱像儀進(jìn)行發(fā)射率測(cè)量；中國(guó)發(fā)明專利 CN102879104發(fā)明了一種三源便攜式發(fā)射率測(cè)量?jī)x器和方法，利用紅外輻射計(jì)完成發(fā)射率 的測(cè)量。
[0003] 上述發(fā)射率野外測(cè)量方法和儀器都是基于通道式紅外輻射計(jì)或熱像儀完成發(fā)射 率的測(cè)量，這類儀器在紅外波段都只設(shè)置一個(gè)或幾個(gè)通道，因此，無(wú)法獲取自然地表的紅外 發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)；并且都是直接以天穹作為冷輻射源，每次測(cè)量都只能將一個(gè)或幾個(gè)角度 的天空下行輻射引入測(cè)量?jī)x器，無(wú)法準(zhǔn)確的獲取整個(gè)半球空間內(nèi)的天空下行輻射，勢(shì)必對(duì) 發(fā)射率測(cè)量結(jié)果造成影響。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0004] 為了適應(yīng)自然地表野外實(shí)地測(cè)量紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)的需求，在近地表無(wú)風(fēng)無(wú)云 的條件下，本實(shí)用新型提出一種自然地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)。該測(cè)量系統(tǒng) 可以在野外利用傅里葉紅外光譜儀通過(guò)對(duì)紅外參考板和地面目標(biāo)的交替測(cè)量，完成對(duì)自然 地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)的計(jì)算。
[0005] 本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案：
[0006] 一種自然地表的紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)，由傅里葉紅外光譜儀（1)、紅 外標(biāo)準(zhǔn)板（2)、黑體（3)、接觸式溫度計(jì)（4)、GPS(5)、光譜儀支架（6)和計(jì)算機(jī)（7)組成。選 擇待測(cè)目標(biāo)區(qū)域（8)，通過(guò)GPS定位設(shè)備讀取待測(cè)區(qū)域中心的經(jīng)緯度信息；通過(guò)光譜儀支架 將光譜儀架于觀測(cè)區(qū)域上方，用接觸式溫度計(jì)測(cè)量待測(cè)區(qū)地表溫度，在該溫度點(diǎn)附近選擇5 個(gè)控溫點(diǎn)對(duì)黑體進(jìn)行控溫，并使用控溫的黑體對(duì)光譜儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定；同時(shí)，將紅外標(biāo)準(zhǔn)板 置于自然環(huán)境中，使其與周圍環(huán)境進(jìn)行充分的熱交換；利用標(biāo)定后的光譜儀依次測(cè)量紅外 標(biāo)準(zhǔn)板和目標(biāo)區(qū)域，在兩次測(cè)量之間用接觸式溫度計(jì)測(cè)量紅外標(biāo)準(zhǔn)板表面溫度；并記錄測(cè) 量過(guò)程中天空狀態(tài)、氣象條件和待測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況。
[0007] 本實(shí)用新型使用的紅外光譜儀是加拿大Β0ΜΕΜ儀器公司生產(chǎn)的MR154傅立葉變換 紅外光譜輻射儀，它的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)Michelson干涉儀。MR154紅外傅立葉變換光譜輻射 儀配備有：一個(gè)中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器（TeCdHg碲鎘汞）（2?20 μ m，500?δΟΟΟαιΓ1)，一個(gè)短 波紅外探測(cè)器（InSb銻化銦）（1. 1?5. 5 μ m，1818?9090CHT1)和一個(gè)近紅外探測(cè)器（Si 硅）（0.7?L 17μπι，8547 ?14285CHT1)。MR154 的光譜分辨率為 1、2、4、8 或 16CHT1。本實(shí) 用新型中使用TeCdHg碲鎘汞探測(cè)器，lcnT1的光譜分辨率。另外，MR154專門(mén)配備了一臺(tái)便 攜式的黑體M340 (美國(guó)Mikron公司生產(chǎn)），用作紅外光譜儀輻射定標(biāo)。通過(guò)針對(duì)待測(cè)區(qū)域 地表溫度的黑體控溫設(shè)置，對(duì)光譜儀進(jìn)行精確標(biāo)定，可以獲取目標(biāo)區(qū)域和紅外參考板中長(zhǎng) 波紅外光譜范圍內(nèi)的連續(xù)光譜輻亮度數(shù)據(jù)。
[0008] 本實(shí)用新型使用的紅外標(biāo)準(zhǔn)板是由Labsphere公司生產(chǎn)，它是在鋁制的底板上面 鍍上漫射金薄膜。紅外標(biāo)準(zhǔn)板在中長(zhǎng)波紅外波段具有92%?96%的反射率。在2. 5? 15. 0 μ m波段每50nm間隔的反射率都進(jìn)行了精確的測(cè)量，可以追溯到美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)研究所 的標(biāo)準(zhǔn)。在天頂角0?45度的范圍內(nèi)每隔5度給出了其反射率變化的方向特性，如圖1所 示。該紅外標(biāo)準(zhǔn)板在2. 5?15 μ m的波段范圍內(nèi)具有很高的反射率，并且整個(gè)板面具很好 的朗伯性。由于野外測(cè)量時(shí)天氣條件并不是穩(wěn)定不變的，所以及時(shí)準(zhǔn)確地測(cè)量天空下行輻 射是至關(guān)重要的；并且在自然條件下天空的下行輻射是各項(xiàng)異性的。利用紅外標(biāo)準(zhǔn)板的反 射進(jìn)行天空下行輻射測(cè)量，可以有效的避免由于在一個(gè)或幾個(gè)角度下對(duì)天空直接測(cè)量，下 行輻射各向異性造成的誤差；同時(shí)，測(cè)量紅外標(biāo)準(zhǔn)板的表面溫度來(lái)扣除其自身發(fā)射的影響， 可以精確的獲得整個(gè)天空背景下的大氣下行輻射信息。
[0009] 本實(shí)用新型中使用的計(jì)算機(jī)、接觸式溫度計(jì)和GPS均為通用設(shè)備。計(jì)算機(jī)主要用 于控制光譜儀和進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理；接觸式溫度計(jì)主要用于測(cè)量紅外標(biāo)準(zhǔn)板溫度，在進(jìn) 行天空下行輻射計(jì)算時(shí)扣除紅外標(biāo)準(zhǔn)板自身輻射的貢獻(xiàn)，并且用于地表溫度初值的獲取， 從而確定光譜儀標(biāo)定的溫度區(qū)間；GPS用于獲取待測(cè)區(qū)域的地理位置信息。通過(guò)本實(shí)用新 型的系統(tǒng)搭配，可以在野外有效的測(cè)量自然地表的紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)。
[0010] 本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)了一種自然地表的紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)，與現(xiàn)有技 術(shù)相比具有明顯的優(yōu)點(diǎn)和有益效果：
[0011] 1.將傅里葉紅外光譜儀作為主要測(cè)量設(shè)備應(yīng)用于自然地表發(fā)射率測(cè)量領(lǐng)域，改變 了傳統(tǒng)的利用紅外測(cè)溫儀、紅外輻射計(jì)和熱像儀等只能測(cè)量寬通道或有限幾個(gè)通道發(fā)射率 的現(xiàn)狀，實(shí)現(xiàn)了在整個(gè)中長(zhǎng)波紅外波段同時(shí)獲取高光譜發(fā)射率數(shù)據(jù)的光譜測(cè)量方式。
[0012] 2.利用紅外標(biāo)準(zhǔn)板來(lái)輔助完成天空下行輻射的測(cè)量，通過(guò)測(cè)量紅外標(biāo)準(zhǔn)板的反 射，并扣除其自身的發(fā)射，可以精確的獲得整個(gè)天空背景下的大氣下行輻射；而傳統(tǒng)的利用 測(cè)量設(shè)備直接對(duì)著天空，測(cè)量某一個(gè)角度或幾個(gè)角度的天空背景輻射來(lái)代替整個(gè)半球空間 內(nèi)的下行輻射，勢(shì)必會(huì)引入由于天空下行輻射各向異性造成的誤差。
[0013] 3.在野外參照測(cè)量目標(biāo)區(qū)域表面溫度，利用黑體對(duì)光譜儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，可以在 目標(biāo)區(qū)域溫度變化的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)使光譜儀獲得最佳的定標(biāo)數(shù)據(jù)，從而有效提高光譜儀對(duì)待 測(cè)目標(biāo)區(qū)和紅外標(biāo)準(zhǔn)板的出射輻射測(cè)量精度。
[0014] 4.由于野外測(cè)量時(shí)天氣條件并不是穩(wěn)定不變的，如果在測(cè)量地表和紅外標(biāo)準(zhǔn)板輻 射的間隔時(shí)間內(nèi)，大氣條件發(fā)生變化，引起天空下行輻射發(fā)生變化，造成實(shí)際測(cè)量的下行輻 射并不等于測(cè)量地表時(shí)到達(dá)目標(biāo)表面的天空背景輻射，那么計(jì)算出的地表發(fā)射率包含的誤 差將正比于天空下行輻射的變化。通過(guò)標(biāo)定后的光譜儀依次測(cè)量目標(biāo)區(qū)域和紅外標(biāo)準(zhǔn)板， 在兩次測(cè)量之間用接觸式溫度計(jì)測(cè)量紅外標(biāo)準(zhǔn)板表面溫度，可以在短時(shí)間完成一個(gè)周期的 測(cè)量；這種集約化的野外測(cè)量方式，有效的避免由于一個(gè)測(cè)量周期內(nèi)天空下行輻射變化引 入的誤差。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0015] 圖1是紅外標(biāo)準(zhǔn)板的反射率方向特性示意圖。
[0016] 圖2是本實(shí)用新型的測(cè)量系統(tǒng)示意圖。
[0017] 其中，1為傅里葉紅外光譜儀，2是紅外標(biāo)準(zhǔn)板，3是黑體，4是接觸式溫度計(jì)，5是 GPS，6是光譜儀支架，7是計(jì)算機(jī)，8是自然地表待測(cè)區(qū)域。
[0018] 圖3是紅外標(biāo)準(zhǔn)板表面溫度測(cè)量接觸點(diǎn)示意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。
[0020] 如圖2所示，本實(shí)用新型所涉及的自然地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)由 傅里葉紅外光譜儀1、紅外標(biāo)準(zhǔn)板2、黑體3、接觸式溫度計(jì)4、GPS5、光譜儀支架6和計(jì)算機(jī) 7組成。選擇地勢(shì)平坦、地表均勻的區(qū)域作為測(cè)量目標(biāo)8,利用光譜儀支架6將光譜儀1架 于待觀測(cè)區(qū)域8上方，并加注液氮對(duì)光譜儀1進(jìn)行冷卻并開(kāi)機(jī)預(yù)熱，使光譜儀1入瞳對(duì)準(zhǔn)待 測(cè)區(qū)域8中心，保證光譜儀1入瞳垂直于地表且距離1米左右，通過(guò)GPS5讀取待測(cè)區(qū)域中 心的經(jīng)緯度信息；同時(shí)，將紅外標(biāo)準(zhǔn)板2置于自然環(huán)境中，使其與周圍環(huán)境進(jìn)行充分的熱交 換。利用接觸式溫度計(jì)4測(cè)量待測(cè)區(qū)8地表溫度，將黑體3控溫于待測(cè)區(qū)地表溫度正負(fù)20 攝氏度溫度區(qū)間內(nèi)5個(gè)10度等間隔的溫度點(diǎn)，對(duì)光譜儀1進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定。利用標(biāo)定后的光 譜儀1依次測(cè)量紅外標(biāo)準(zhǔn)板2和目標(biāo)區(qū)域8,在兩次測(cè)量之間用接觸式溫度計(jì)4測(cè)量紅外標(biāo) 準(zhǔn)板2表面溫度，測(cè)量時(shí)接觸點(diǎn)分布如圖3所示；并記錄測(cè)量過(guò)程中天空狀態(tài)、氣象條件和 待測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況。
[0021] 本實(shí)用新型所涉及的自然地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)操作流程為：
[0022] 1.選擇地勢(shì)平坦，地表均勻的區(qū)域進(jìn)行測(cè)量；
[0023] 2.在近地表無(wú)風(fēng)無(wú)云的天氣條件下，測(cè)量時(shí)間應(yīng)選擇在太陽(yáng)高度角變化緩慢，地 表溫度較穩(wěn)定的時(shí)間段；或沒(méi)有太陽(yáng)，且地表已經(jīng)處于熱平衡狀態(tài)下的夜間進(jìn)行觀測(cè)；
[0024] 3.利用GPS獲取觀測(cè)區(qū)域地理位置數(shù)據(jù)；
[0025] 4.利用接觸式溫度計(jì)獲取地表溫度值，然后在該溫度正負(fù)20攝氏度的區(qū)間內(nèi)10 度等間隔的選擇5個(gè)溫度點(diǎn)，將黑體控溫在這幾個(gè)溫度點(diǎn)上對(duì)BOMEM MR154紅外光譜儀進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定；
[0026] 5.利用BOMEM MR154測(cè)量紅外標(biāo)準(zhǔn)板；
[0027] 6.用接觸式點(diǎn)溫計(jì)測(cè)量紅外標(biāo)準(zhǔn)板的表面溫度；
[0028] 7.然后用BOMEM MR154測(cè)量地面目標(biāo)區(qū)域；
[0029] 8.記錄測(cè)量過(guò)程中天空狀態(tài)、氣象條件和待測(cè)區(qū)域的實(shí)際情況；
[0030] 9.將測(cè)量系統(tǒng)移至下一個(gè)測(cè)量目標(biāo)區(qū)域，并重復(fù)步驟1. 8 ;
[0031] 10.利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)野外測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算和處理，獲取測(cè)量目標(biāo)區(qū)域的紅外 發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)。
【權(quán)利要求】
1. 一種自然地表紅外發(fā)射率光譜數(shù)據(jù)野外測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)由傅里葉紅外光譜儀 (1)、紅外標(biāo)準(zhǔn)板（2)、黑體（3)、接觸式溫度計(jì)（4)、GPS(5)、光譜儀支架（6)和計(jì)算機(jī)（7)組 成，其中，傅里葉紅外光譜儀（1)位于光譜儀支架（6)上置于待測(cè)區(qū)域（8)上方，并與計(jì)算 機(jī)（7)相連，紅外標(biāo)準(zhǔn)板（2)、黑體（3)、接觸式溫度計(jì)（4)、GPS(5)均置于待測(cè)區(qū)域內(nèi)。
2. 如權(quán)利要求1所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中紅外傅立葉變換光譜輻射儀的光譜分辨率為1、 2、4、8或16CHT1，其配備有：一個(gè)中長(zhǎng)波紅外探測(cè)器，為T(mén)eCdHg碲鎘汞探測(cè)器，光譜范圍2? 20 μ m，一個(gè)短波紅外探測(cè)器，為InSb銻化銦探測(cè)器，光譜范圍1. 1?5. 5 μ m，和一個(gè)近紅外 探測(cè)器，為Si硅探測(cè)器，光譜范圍0. 7?1. 17 μ m。
3. 如權(quán)利要求2所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中紅外傅立葉變換光譜輻射儀使用TeCdHg碲鎘汞 探測(cè)器，光譜分辨率為lcnT1。
4. 如權(quán)利要求1至3之一所述的測(cè)量系統(tǒng)，其中紅外標(biāo)準(zhǔn)板在中長(zhǎng)波紅外波段具有 92%?96%的反射率。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK203881444SQ201420119500
【公開(kāi)日】2014年10月15日 申請(qǐng)日期:2014年3月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月18日
【發(fā)明者】張勇, 戎志國(guó) 申請(qǐng)人:國(guó)家衛(wèi)星氣象中心