專利名稱：一種比輻射率二維分布及其尺度轉換的測量儀器和測量方法
技術領域：
本發(fā)明涉及熱紅外遙感應用技術和基礎研究領域，特別是涉及比輻射率二 維分布及其尺度轉換測定的測量方法和儀器。
背景技術：
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值天氣預報準確度的關鍵參數；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可提高火災災情 的準確監(jiān)控能力等等。但是各種遙感的方法只能獲取物體表面的紅外輻射溫度， 而物體表面的真實溫度需要間接計算獲得，這種間接計算主要取決于以下三個 重要參數，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) 境輻照度在現有技術中都是不難解決的，唯獨比輻射率的測定還沒有達到實際 應用的突破，特別是比輻射率的二維分布測定和尺度轉換量值的測定和反演還 沒有解決解決。
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，可以說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，其測量原理是根據二氧化碳激光照射物體后的反射輻射和散射輻射計算來測量比輻射率。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。比如本申請人于1999年3月30日申請， 2003年2月19日授權的的中國發(fā)明專利ZL99103277.2，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。其可測量物體(指目標物為相同 的物體或相同狀態(tài)的物體)比輻射率的方向性，即測定隨觀測角度變化的比輻 射率。
但是目前物體比輻射率測量技術的研究主要還是集中在單點測量上，而單 點測定不能滿足由熱紅外遙感二維傳感器(包括熱像儀)測出的熱紅外輻射溫 度二維分布反演為真實地表溫度的二維分布。

發(fā)明內容
本發(fā)明針對現有技術的不足，實現在物體(目標物)表面一次完成測定比 輻射率的二維分布，并可通過這種比輻射率空間分布，揭示在不同尺度測量的 尺度轉換規(guī)律。
本發(fā)明的目的是提供一種測量物體比輻射率的二維分布及其尺度轉換測定 的儀器。
本發(fā)明的另一目的是提供一種測量物體比輻射率的二維分布及其尺度轉換 測定方法。
本發(fā)明的比輻射率二維分布及其尺度轉換的測量儀器包括熱像儀、熱像 儀支架和底座。所述底座包括由垂直立柱支撐的上下兩層水平板，其下層水平 板上放置有目標物托盤，上層水平板中間幵有觀測窗口。在下層水平板和上層 水平板之間水平設置有抽屜式托盤，其上放置有參考板。推拉所述抽屜式托盤 可使參考板水平移入和移出底座。觀測窗口邊緣的垂直投影均落在抽屜式托盤 及目標物托盤的邊緣范圍上或邊緣范圍內。底座上層水平板的觀測窗口旁邊垂 直設置有熱像儀支架，熱像儀支架頂端設置有熱像儀，熱像儀的鏡頭，即觀測 垂直向下正對觀測窗口。本發(fā)明所述測量儀器包括有黑體布棚，黑體布棚為柱體結構，包括頂面、 底框和可伸縮柱體，其柱體內表面襯有現有技術中可用作黑體的黑色不透光材 料。黑體布棚優(yōu)選為立方柱體結構，其頂面及其底框的水平形狀根據立方柱體 的橫截面為矩形。黑體布棚頂面中心開有孔徑略大于熱像儀鏡頭外徑的通孔； 黑體布棚底框尺寸大于觀測窗口。黑體布棚柱體內表面襯的黑色不透光材料優(yōu) 選為黑色絨布。
以上所述底座上層水平板上垂直設置有升降導軌，其上設置有水平旋轉驅 動電機，該電機與黑體布棚底框連接，能夠帶動黑體布棚圍繞升降導軌水平旋 轉；升降導軌上設置有垂直升降傳動帶及垂直升降驅動電機，垂直升降傳動帶 通過連接臂與黑體布棚的頂面連接，能夠帶動黑體布棚頂面做垂直升降運動， 從而使黑體布棚的柱體垂直伸縮。由此黑體布棚的第一狀態(tài)(壓縮狀態(tài))是通 過水平旋轉驅動電機連接臂旋轉在底座之外。黑體布棚的第二狀態(tài)是通過水平 旋轉驅動電機的帶動旋轉到底座上層水平板上，黑體布棚底框將觀測窗口罩在 其中；所述黑體布棚底框四周優(yōu)選設有圍裙，當黑體布棚的底框罩在底座上層
水平板的觀測窗口上時，圍裙覆蓋在底座上層水平板上以防止漏光。黑體布棚 的第三狀態(tài)(拉伸狀態(tài))是在第二狀態(tài)的基礎上，通過垂直升降驅動電機的帶 動，其頂面的中心通孔套上熱像儀，也就是熱像儀的鏡頭通過頂面通孔插入黑 體布棚內。以上所述水平旋轉驅動電機帶動黑體布棚水平旋轉的角度優(yōu)選為 180。。
本發(fā)明所述的測量儀器中所述的抽屜式托盤由一水平移動電機帶動，能夠 水平推進移出底座。抽屜式托盤上放置的參考板，其上表面間隔覆蓋有黑體材 料和準白體材料。所述黑體材料為現有技術中可作為黑體的材料，如黑絨布、
無光黑體漆等；所述準白體材料為現有技術中可作為準白體的材料，如無鏡面 反射的亞光鋁板等。所述目標物托盤上的目標物可為多種物體，也可為不同狀 態(tài)的物體，比如固體或液體等。
本發(fā)明所述的測量儀器的黑體布棚從狀態(tài)一到狀態(tài)三根據觀測需要可實現快速轉換，從而實現周期性的罩住和離開被測物，快速獲取冷、常溫(熱)兩 種環(huán)境輻照度信息。
本發(fā)明的測量儀器中所述各驅動電機的動作，以及熱像儀對數據的采集和 記錄均由計算機系統(tǒng)和比輻射率測量模型的需求下控制完成。具體來講，所述 帶動抽屜式托盤水平移動的水平移動電機由計算機系統(tǒng)控制其水平推進與移出 的動作，實現被測目標物和參考板交替進入熱像儀的觀測視場；垂直升降電機 和水平旋轉電機的動作由計算機系統(tǒng)控制，實現黑體布棚的水平轉動和垂直伸 縮；所述熱像儀由計算機系統(tǒng)控制對數據的采集頻率、時間等以及對數據的記
錄等動作。
本發(fā)明測量儀器中的熱像儀可采用現有技術中已有的各種熱像儀。 一般可
選用有320 x 240個像元的熱像儀。本設計的觀測窗口面積為400 mm x 300 mm 時，則此觀測面積中包含76800 (即320 x 240)個像元。利用76800個像元的熱 紅外輻射溫度及比輻射率的二維分布值，可以進行多種次級尺度地物組分的組 合，從而能夠進行表面溫度和比輻射率的尺度轉換研究，也為探索各種地表參 數的空間尺度轉換，解決這一科學難題提供一種儀器和方法的新的思路
本發(fā)明的比輻射率二維分布及尺度轉換測量方法，其特征在于
(1) 該方法利用天穹，即天空的平均輻射作為目標物(樣品)的冷輻射源；
(2) 該方法利用黑體布棚內表面作為目標物的常溫輻射源，即熱輻射源；通過 黑體布棚周期性的快速水平轉動和垂直伸縮使目標物交替處于常溫輻射 源和冷輻射源的環(huán)境中，起到為目標物交替提供實現比輻射率測量所需要 的兩種環(huán)境輻射照度的作用；
(3) 該方法以非制冷的熱像儀作為目標物的紅外輻射溫度二維分布熱像圖的 測定傳感器；
(4) 該方法利用上述熱像儀在上述常溫和冷輻射源交替變化的環(huán)境下，測定黑 體板和準白體板的紅外輻射溫度的二維分布熱像圖，根據黑體板和準白體 板的反射輻射及其計算模型分別反演常溫輻射源和冷輻射源環(huán)境下的輻照度；
(5) 該方法利用上述熱像儀在上述常溫和冷輻射源交替變化的環(huán)境下，測定目 標物紅外輻射溫度的二維分布信號；
(6) 該方法利用熱像儀的測定得到四種數據a.天穹為主體(即冷輻射源)的 輻照度，b.黑體布棚內表面的輻照度，c.以天穹等為冷輻射源環(huán)境的目標 物的紅外輻射溫度的二維分布熱像圖，d.以黑體布棚為常溫輻射源環(huán)境的 目標物的紅外輻射溫度的二維分布熱像圖；這些數據由計算機記錄下來， 再利用相關軟件進行計算和反演，得出被測目標物精確的比輻射率二維分 布測定值。
上述的用于計算和反演的軟件、計算公式及涉及的比輻射率測量模型，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、公式和數學模型。
本發(fā)明的克服現有技術不能測定比輻射率二維分布值的缺陷，所提供一種 的測量比輻射率二維分布及其尺度轉換的測量方法和測量儀器，利用熱像圖反 演的比輻射率二維分布測定值取代紅外測溫儀的單點測定和計算的比輻射率 值，創(chuàng)新地提出了精確反演地物比輻射率二維分布的思路，其科學價值體現在
(1) 為航空和衛(wèi)星平臺直接大面積測定地物比輻射率提供測量原理和思
路；
(2) 為高難度的地物比輻射率尺度轉換模型方法提供測量平臺和驗證實 例，并為從地物比輻射率的尺度轉換方法和規(guī)律，擴展到其他定量遙感參數的 尺度轉換普適規(guī)律奠定科學基礎。
Pf于圖i兌明


圖1是本發(fā)明的比輻射率二維分布及尺度轉換測量儀器的結構示意圖，圖 中黑體布棚處于第一狀態(tài)，即壓縮狀態(tài)。
9圖2是本發(fā)明的比輻射率二維分布及尺度轉換測量儀器的結構示意圖，圖中黑體布棚處于第三狀態(tài)，即拉伸狀態(tài)。
具體實施例方式
如圖1及圖2所示，本發(fā)明的比輻射率二維分布及其尺度轉換測量儀器包括熱像儀l、熱像儀支架2和底座3。所述底座3包括由垂直立柱9支撐的上下兩層水平板，其下層水平板上放置有目標物托盤5，上層水平板中間開有觀測窗口 12。在下層水平板和上層水平板之間水平設置有抽屜式托盤4，其上放置有參考板。參考板上表面以方塊間隔的方式覆蓋有黑體材料和準白體材料，其中黑體材料選用黑色絨布；準白體材料選用無鏡面反射的亞光鋁板。觀測窗口12邊緣的垂直投影均落在抽屜式托盤4及目標物托盤5的邊緣范圍上。抽屜式托盤4由一水平移動電機14帶動，能夠水平推進移出底座3，從而可使參考板水平移入和移出底座3。底座3上層水平板的觀測窗口 12旁邊垂直設置有熱像儀支架2，熱像儀支架2頂端設置有熱像儀1，熱像儀1的鏡頭垂直向下正對觀測窗口 12。
本發(fā)明所述測量儀器包括有黑體布棚8，黑體布棚8為長方柱體結構，包括頂面、底框和可伸縮柱體，其柱體內表面襯有黑色絨布。黑體布棚8頂面及其底框的水平形狀為長方形。黑體布棚8頂面中心開有孔徑略大于熱像儀1鏡頭外徑的通孔；黑體布棚8底框尺寸大于觀測窗口 12。
以上所述底座3上層水平板上垂直設置有升降導軌10，其上設置有水平旋轉驅動電機7，該電機與黑體布棚8底框連接，能夠帶動黑體布棚8圍繞升降導軌IO水平旋轉。升降導軌IO上還設置有垂直升降傳動帶13及垂直升降驅動電機6，垂直升降傳動帶13通過連接臂與黑體布棚8的頂面連接，能夠帶動黑體布棚8頂面做垂直升降運動，從而使黑體布棚8的柱體垂直伸縮。
由此，如圖1所示黑體布棚8的第一狀態(tài)(壓縮狀態(tài))是通過與升降導軌10的連接旋轉在底座3之外。黑體布棚8的第二狀態(tài)是通過水平旋轉驅動電機7的帶動旋轉180°到底座3上層水平板上，黑體布棚8底部框體將底座3的上層水平板的觀測窗口 12罩在其中，黑體布棚8底框四周設有圍裙，圍裙覆蓋在上層水平板上以防止漏光。黑體布棚8的第三狀態(tài)(拉伸狀態(tài))是在第二狀態(tài)的基礎上，通過垂直升降驅動電機6的帶動，其頂面的中心通孔套上熱像儀，也就是熱像儀的鏡頭通過頂面通孔插入黑體布棚內，如圖2所示。
本發(fā)明所述的測量儀器的黑體布棚8從狀態(tài)一到狀態(tài)三需要快速轉換，在0.7秒時間內迅速完成第一狀態(tài)至第三狀態(tài)的動作，從而實現周期性的罩住和離開被測目標物，快速獲取冷、常溫(熱)兩種環(huán)境輻照度信息。
本發(fā)明的測量儀器中所述各驅動電機的動作，以及熱像儀1對數據的采集和記錄均由計算機系統(tǒng)11在比輻射率測量模型的需求下控制完成。具體來講，所述帶動抽屜式托盤4水平移動的水平移動電機14由計算機系統(tǒng)11控制其水平推進與移出的動作，實現被測目標物和參考板交替進入熱像儀1的觀測視場；垂直升降電機6和水平旋轉電機7的動作由計算機系統(tǒng)11控制，實現黑體布棚8的水平轉動和伸縮；所述熱像儀1由計算機系統(tǒng)11控制對數據的采集頻率、時間等以及對數據的記錄等動作。
本發(fā)明測量儀器的具體測量操作流程為
1. 當黑體布棚處于第三狀態(tài)，以其頂面套在熱像儀鏡頭上作為起始狀態(tài)，此時參考板在位于觀測視場內的黑體布棚正下方，計算機系統(tǒng)控制熱像儀第一次采集數據；熱像儀采集參考板上黑體和準白體發(fā)射的熱輻射和反射黑體布棚的常溫環(huán)境輻射(相對于天空的冷輻射也可稱其為熱環(huán)境輻射)，通過模型反演出常溫環(huán)境的輻射照度；
2. 采集數據完畢后，由計算機系統(tǒng)控制水平移動電機將參考板抽出，被測目標物(樣品)處于常溫輻照環(huán)境下的熱像儀觀測視場內；
3. 由計算機系統(tǒng)控制熱像儀第二次采集數據，熱像儀采集目標物的發(fā)射熱輻射和反射黑體布布棚的常溫環(huán)境輻射照度的熱輻射；
4. 采集數據完畢后，由計算機系統(tǒng)控制垂直升降電機和水平旋轉電機，使黑體布棚的柱體收縮下落并黑體布棚旋轉180。兩個動作順序進行，動作速度在0.7秒之內完成，此時黑體布棚處于第一狀態(tài)；被測目標物位于天穹冷輻射環(huán)境下的熱像儀觀測視場內；
5. 由計算機系統(tǒng)控制熱像儀第三次采集數據，被測目標物處于天穹冷環(huán)境輻照度下，熱像儀釆集目標物的熱輻射和反射天空冷環(huán)境的輻射照度的熱輻射;
6. 采集數據完畢后，由計算機系統(tǒng)控制水平移動電機將參考板推進底座，使參考板處于冷輻射環(huán)境下的熱像儀觀測視場內；
7. 由計算機系統(tǒng)控制熱像儀第四次采集數據，熱像儀再次采集參考板上黑體和準白體的發(fā)射熱輻射和反射天穹的冷環(huán)境輻射，至此完成一個采集周期過程；
8. 之后恢復起始狀態(tài)由計算機系統(tǒng)控制電機使黑體布棚水平旋轉和垂直伸展兩個動作順序進行，這個過程對速度不要求快，但要平穩(wěn)準確；黑體布棚上頂孔重新套在熱像儀鏡頭上時，黑體布棚由第一狀態(tài)恢復到第三狀態(tài)；
9，由計算機系統(tǒng)利用所述反演、模型、公式等完成被測目標物的比輻射率二維分布值計算。
本測量儀器中的熱像儀1選用有320 x 240個像元的熱像儀。所述觀測窗口12面積為400 mm x 300 mm，由此觀測面積中包含76800個像元。利用76800個像元的熱紅外輻射、表面溫度及比輻射率的二維分布值，可以進行多種次級尺度物質組分的組合，從而能夠進行表面溫度和比輻射率的尺度轉換研究，為探索各種地表參數的空間尺度轉換，解決這一科學難題提供一種高效測試平臺和途徑。
權利要求
1. 一種比輻射率二維分布及其尺度轉換的測量儀器包括熱像儀[1]、熱像儀支架[2]和底座[3]，其特征在于所述底座[3]包括由垂直立柱[9]支撐的上下兩層水平板，其下層水平板上放置有目標物托盤[5]，上層水平板中間開有觀測窗口[12]，在下層水平板和上層水平板之間水平設置有抽屜式托盤[4]，其上放置有參考板；底座[3]上層水平板的觀測窗口[12]旁邊垂直設置有熱像儀支架[2]，熱像儀支架[2]頂端設置有熱像儀[1]，熱像儀[1]的鏡頭垂直向下正對觀測窗口[12]；所述測量儀器包括有黑體布棚[8]，黑體布棚[8]為柱體結構，包括頂面、底框和可伸縮柱體，其柱體內表面襯有黑色不透光材料，其頂面中心開有孔徑略大于熱像儀鏡頭外徑的通孔；黑體布棚[8]底框尺寸大于觀測窗口[12]；底座[3]上層水平板上垂直設置有升降導軌[10]，其上設置有水平旋轉驅動電機[7]，該電機與黑體布棚[8]底框連接，能夠帶動黑體布棚[8]圍繞升降導軌[10]水平旋轉；升降導軌[10]上設置有垂直升降傳動帶[13]及垂直升降驅動電機[6]，垂直升降傳動帶[13]通過連接臂與黑體布棚[8]頂面連接，能夠帶動黑體布棚[8]頂面做垂直升降運動，從而使黑體布棚[8]的柱體能夠垂直伸縮；黑體布棚[8]的第一狀態(tài)是通過與升降導軌[10]的連接旋轉在底座[3]之外，黑體布棚[8]的第二狀態(tài)是通過水平旋轉驅動電機[7]的帶動旋轉到底座[3]上層水平板上，黑體布棚[8]底框將觀測窗口[12]罩在其中；黑體布棚[8]的第三狀態(tài)是在第二狀態(tài)的基礎上，通過垂直升降驅動電機[6]的帶動，其頂面上升至熱像儀[1]，熱像儀[1]的鏡頭插入黑體布棚[8]頂面的中心孔內。
2. 根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于黑體布棚[8]為立方柱體結構， 其頂面和底框的水平形狀為矩形。
3. 根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于所述黑體布棚[8]柱體內表 面襯的黑色不透光材料為黑色絨布。
4. 根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于所述黑體布棚[8]底框四周設有圍裙，當黑體布棚[8]的底框罩在底座[3]上層水平板的觀測窗口[12]上時，圍 裙覆蓋在底座[3]上層水平板上以防止漏光。
5. 根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于所述參考板上表面間隔覆蓋 有黑體材料和準白體材料。
6. 根據權利要求4所述的測量儀器，其特征在于所述黑體材料為無光黑體漆 或黑絨布；所述準白體材料為無鏡面反射的亞光鋁板。
7. 根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于所述抽屜式托盤由一水平移 動電機帶動，能夠水平推進和移出底座。
8. 根據權利要求1所述的測量儀器，其特征在于所述水平旋轉驅動電機[6]帶動黑體布棚[8]水平旋轉的角度為180°。
9. 根據權利要求1 8之任一項所述的測量儀器，其特征在于所述各驅動電機的動作、熱像儀[l]對數據的采集和記錄均由計算機系統(tǒng)[ll]控制完成。
10. —種比輻射率二維分布及其尺度轉換的測量方法，其特征在于(1) 該方法利用天穹平均輻射作為目標物的冷輻射源；(2) 該方法利用黑體布棚內表面作為觀測目標的常溫輻射源，通過黑體布棚周期性的快速水平轉動和垂直伸縮使目標物交替處于常溫輻射源和冷輻射源的環(huán)境中；(3) 該方法以非制冷的熱像儀作為目標物的紅外輻射溫度二維分布熱像圖的 測定傳感器；(4) 該方法利用上述熱像儀在上述常溫和冷輻射源交替變化的環(huán)境下，測定黑 體板和準白體板的紅外輻射溫度的二維分布的熱像圖，根據黑體板和準白 體板的反射輻射及其計算模型分別反演常溫輻射源和冷輻射源環(huán)境下的 輻照度；(5) 該方法利用上述熱像儀在上述常溫和冷輻射源交替變化的環(huán)境下，測定目 標物紅外輻射溫度的二維分布的熱像圖；(6)該方法利用熱像儀的測定得到四種數據a.天穹為主體，即冷輻射源的輻 照度，b.黑體布棚內表面的輻照度，C.以天穹為冷輻射源環(huán)境的目標物的 紅外輻射溫度的二維分布的熱像圖，d.以黑體布棚為常溫輻射源環(huán)境的目 標物的紅外輻射溫度的二維分布的熱像圖；這些數據由計算機記錄下來，再利用相關軟件進行計算和反演，得出被測目標物精確的比輻射率二維分 布測定值。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種比輻射率二維分布及尺度轉換測量方法和儀器。該方法和儀器利用天穹作為冷輻射源、黑體布棚作為常溫輻射源，即相對的熱輻射源，利用計算機系統(tǒng)智能控制黑體布棚周期性的罩住目標物和迅速撤離，實現交替改變環(huán)境輻射照度的作用；用計算機系統(tǒng)控制參考板的水平移動，實現目標物和參考板交替自動觀測；利用熱像儀作為測量感應器，由其采集的熱像圖反演得出比輻射率二維分布信息；利用多像元的熱紅外輻射、表面溫度及比輻射率的二維分布值，可以進行多種次級尺度地物組分的組合，從而能夠進行表面溫度和比輻射率的尺度轉換研究，為探索比輻射率的空間尺度轉換，解決這一科學難題提供一種高效測試平臺和途徑。
文檔編號G01J5/00GK101458123SQ20081024109
公開日2009年6月17日 申請日期2008年12月30日 優(yōu)先權日2008年12月30日
發(fā)明者孫曉敏, 張仁華, 朱治林, 靜 田, 蘇紅波 申請人:中國科學院地理科學與資源研究所