专利名称：一种比辐射率二维分布及其尺度转换的测量仪器和测量方法
技术领域：
本发明涉及热红外遥感应用技术和基础研究领域，特别是涉及比辐射率二 维分布及其尺度转换测定的测量方法和仪器。
背景技术：
地物的表面温度测定在许多科学研究和应用领域有着十分重要的作用。在 气象领域里，精确的地表温度是提高数值天气预报准确度的关键参数；在农业 领域里，精确地测定地表温度直接关系提高遥感作物产量预报的精度以及提高 旱灾估算精度；在国防领域里，精确地测定地表地物温度可提高军事目标的识 别和反伪装的能力；在森林安全防护中，精确地测定地表温度可提高火灾灾情 的准确监控能力等等。但是各种遥感的方法只能获取物体表面的红外辐射温度， 而物体表面的真实温度需要间接计算获得，这种间接计算主要取决于以下三个 重要参数，即表面辐射温度、环境辐照度和比辐射率。其中表面辐射温度和环 境辐照度在现有技术中都是不难解决的，唯独比辐射率的测定还没有达到实际 应用的突破，特别是比辐射率的二维分布测定和尺度转换量值的测定和反演还 没有解决解决。
物体比辐射率就是物体发射热辐射的本领。物体比辐射率的精确测定是远 距离精确反演真实地表温度的关键信息。在定量热红外遥感应用技术中，物体 比辐射率的测量更具有重要意义，可以说没有比辐射率就不可能正确获取地表、
地物的真实温度信息。
目前，国内外对物体比辐射率测量技术的研究主要集中在两个类型上，一 种是准直热辐射源式，其测量原理是根据二氧化碳激光照射物体后的反射辐射和散射辐射计算来测量比辐射率。另一种是漫射热辐射源式，这是一种用于野
外测定地表地物方向比辐射率的技术。比如本申请人于1999年3月30日申请， 2003年2月19日授权的的中国发明专利ZL99103277.2，提供了一种漫射热辐 射源物体方向比辐射率值的测量方法和仪器。其可测量物体(指目标物为相同 的物体或相同状态的物体)比辐射率的方向性，即测定随观测角度变化的比辐 射率。
但是目前物体比辐射率测量技术的研究主要还是集中在单点测量上，而单 点测定不能满足由热红外遥感二维传感器(包括热像仪)测出的热红外辐射温 度二维分布反演为真实地表温度的二维分布。

发明内容
本发明针对现有技术的不足，实现在物体(目标物)表面一次完成测定比 辐射率的二维分布，并可通过这种比辐射率空间分布，揭示在不同尺度测量的 尺度转换规律。
本发明的目的是提供一种测量物体比辐射率的二维分布及其尺度转换测定 的仪器。
本发明的另一目的是提供一种测量物体比辐射率的二维分布及其尺度转换 测定方法。
本发明的比辐射率二维分布及其尺度转换的测量仪器包括热像仪、热像 仪支架和底座。所述底座包括由垂直立柱支撑的上下两层水平板，其下层水平 板上放置有目标物托盘，上层水平板中间幵有观测窗口。在下层水平板和上层 水平板之间水平设置有抽屉式托盘，其上放置有参考板。推拉所述抽屉式托盘 可使参考板水平移入和移出底座。观测窗口边缘的垂直投影均落在抽屉式托盘 及目标物托盘的边缘范围上或边缘范围内。底座上层水平板的观测窗口旁边垂 直设置有热像仪支架，热像仪支架顶端设置有热像仪，热像仪的镜头，即观测 垂直向下正对观测窗口。本发明所述测量仪器包括有黑体布棚，黑体布棚为柱体结构，包括顶面、 底框和可伸縮柱体，其柱体内表面衬有现有技术中可用作黑体的黑色不透光材 料。黑体布棚优选为立方柱体结构，其顶面及其底框的水平形状根据立方柱体 的横截面为矩形。黑体布棚顶面中心开有孔径略大于热像仪镜头外径的通孔； 黑体布棚底框尺寸大于观测窗口。黑体布棚柱体内表面衬的黑色不透光材料优 选为黑色绒布。
以上所述底座上层水平板上垂直设置有升降导轨，其上设置有水平旋转驱 动电机，该电机与黑体布棚底框连接，能够带动黑体布棚围绕升降导轨水平旋 转；升降导轨上设置有垂直升降传动带及垂直升降驱动电机，垂直升降传动带 通过连接臂与黑体布棚的顶面连接，能够带动黑体布棚顶面做垂直升降运动， 从而使黑体布棚的柱体垂直伸缩。由此黑体布棚的第一状态(压縮状态)是通 过水平旋转驱动电机连接臂旋转在底座之外。黑体布棚的第二状态是通过水平 旋转驱动电机的带动旋转到底座上层水平板上，黑体布棚底框将观测窗口罩在 其中；所述黑体布棚底框四周优选设有围裙，当黑体布棚的底框罩在底座上层
水平板的观测窗口上时，围裙覆盖在底座上层水平板上以防止漏光。黑体布棚 的第三状态(拉伸状态)是在第二状态的基础上，通过垂直升降驱动电机的带 动，其顶面的中心通孔套上热像仪，也就是热像仪的镜头通过顶面通孔插入黑 体布棚内。以上所述水平旋转驱动电机带动黑体布棚水平旋转的角度优选为 180。。
本发明所述的测量仪器中所述的抽屉式托盘由一水平移动电机带动，能够 水平推进移出底座。抽屉式托盘上放置的参考板，其上表面间隔覆盖有黑体材 料和准白体材料。所述黑体材料为现有技术中可作为黑体的材料，如黑绒布、
无光黑体漆等；所述准白体材料为现有技术中可作为准白体的材料，如无镜面 反射的亚光铝板等。所述目标物托盘上的目标物可为多种物体，也可为不同状 态的物体，比如固体或液体等。
本发明所述的测量仪器的黑体布棚从状态一到状态三根据观测需要可实现快速转换，从而实现周期性的罩住和离开被测物，快速获取冷、常温(热)两 种环境辐照度信息。
本发明的测量仪器中所述各驱动电机的动作，以及热像仪对数据的采集和 记录均由计算机系统和比辐射率测量模型的需求下控制完成。具体来讲，所述 带动抽屉式托盘水平移动的水平移动电机由计算机系统控制其水平推进与移出 的动作，实现被测目标物和参考板交替进入热像仪的观测视场；垂直升降电机 和水平旋转电机的动作由计算机系统控制，实现黑体布棚的水平转动和垂直伸 缩；所述热像仪由计算机系统控制对数据的采集频率、时间等以及对数据的记
录等动作。
本发明测量仪器中的热像仪可采用现有技术中已有的各种热像仪。 一般可
选用有320 x 240个像元的热像仪。本设计的观测窗口面积为400 mm x 300 mm 时，则此观测面积中包含76800 (即320 x 240)个像元。利用76800个像元的热 红外辐射温度及比辐射率的二维分布值，可以进行多种次级尺度地物组分的组 合，从而能够进行表面温度和比辐射率的尺度转换研究，也为探索各种地表参 数的空间尺度转换，解决这一科学难题提供一种仪器和方法的新的思路
本发明的比辐射率二维分布及尺度转换测量方法，其特征在于
(1) 该方法利用天穹，即天空的平均辐射作为目标物(样品)的冷辐射源；
(2) 该方法利用黑体布棚内表面作为目标物的常温辐射源，即热辐射源；通过 黑体布棚周期性的快速水平转动和垂直伸縮使目标物交替处于常温辐射 源和冷辐射源的环境中，起到为目标物交替提供实现比辐射率测量所需要 的两种环境辐射照度的作用；
(3) 该方法以非制冷的热像仪作为目标物的红外辐射温度二维分布热像图的 测定传感器；
(4) 该方法利用上述热像仪在上述常温和冷辐射源交替变化的环境下，测定黑 体板和准白体板的红外辐射温度的二维分布热像图，根据黑体板和准白体 板的反射辐射及其计算模型分别反演常温辐射源和冷辐射源环境下的辐照度；
(5) 该方法利用上述热像仪在上述常温和冷辐射源交替变化的环境下，测定目 标物红外辐射温度的二维分布信号；
(6) 该方法利用热像仪的测定得到四种数据a.天穹为主体(即冷辐射源)的 辐照度，b.黑体布棚内表面的辐照度，c.以天穹等为冷辐射源环境的目标 物的红外辐射温度的二维分布热像图，d.以黑体布棚为常温辐射源环境的 目标物的红外辐射温度的二维分布热像图；这些数据由计算机记录下来， 再利用相关软件进行计算和反演，得出被测目标物精确的比辐射率二维分 布测定值。
上述的用于计算和反演的软件、计算公式及涉及的比辐射率测量模型，可 以参考科学出版社于1996年4月出版的、由本发明的发明人之一的张仁华教授 所著的《实验遥感模型及地面基础》 一书。该书详细介绍了比辐射率测定和计 算反演的原理、公式和数学模型。
本发明的克服现有技术不能测定比辐射率二维分布值的缺陷，所提供一种 的测量比辐射率二维分布及其尺度转换的测量方法和测量仪器，利用热像图反 演的比辐射率二维分布测定值取代红外测温仪的单点测定和计算的比辐射率 值，创新地提出了精确反演地物比辐射率二维分布的思路，其科学价值体现在
(1) 为航空和卫星平台直接大面积测定地物比辐射率提供测量原理和思
路；
(2) 为高难度的地物比辐射率尺度转换模型方法提供测量平台和验证实 例，并为从地物比辐射率的尺度转换方法和规律，扩展到其他定量遥感参数的 尺度转换普适规律奠定科学基础。
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图1是本发明的比辐射率二维分布及尺度转换测量仪器的结构示意图，图 中黑体布棚处于第一状态，即压縮状态。
9图2是本发明的比辐射率二维分布及尺度转换测量仪器的结构示意图，图中黑体布棚处于第三状态，即拉伸状态。
具体实施例方式
如图1及图2所示，本发明的比辐射率二维分布及其尺度转换测量仪器包括热像仪l、热像仪支架2和底座3。所述底座3包括由垂直立柱9支撑的上下两层水平板，其下层水平板上放置有目标物托盘5，上层水平板中间开有观测窗口 12。在下层水平板和上层水平板之间水平设置有抽屉式托盘4，其上放置有参考板。参考板上表面以方块间隔的方式覆盖有黑体材料和准白体材料，其中黑体材料选用黑色绒布；准白体材料选用无镜面反射的亚光铝板。观测窗口12边缘的垂直投影均落在抽屉式托盘4及目标物托盘5的边缘范围上。抽屉式托盘4由一水平移动电机14带动，能够水平推进移出底座3，从而可使参考板水平移入和移出底座3。底座3上层水平板的观测窗口 12旁边垂直设置有热像仪支架2，热像仪支架2顶端设置有热像仪1，热像仪1的镜头垂直向下正对观测窗口 12。
本发明所述测量仪器包括有黑体布棚8，黑体布棚8为长方柱体结构，包括顶面、底框和可伸縮柱体，其柱体内表面衬有黑色绒布。黑体布棚8顶面及其底框的水平形状为长方形。黑体布棚8顶面中心开有孔径略大于热像仪1镜头外径的通孔；黑体布棚8底框尺寸大于观测窗口 12。
以上所述底座3上层水平板上垂直设置有升降导轨10，其上设置有水平旋转驱动电机7，该电机与黑体布棚8底框连接，能够带动黑体布棚8围绕升降导轨IO水平旋转。升降导轨IO上还设置有垂直升降传动带13及垂直升降驱动电机6，垂直升降传动带13通过连接臂与黑体布棚8的顶面连接，能够带动黑体布棚8顶面做垂直升降运动，从而使黑体布棚8的柱体垂直伸縮。
由此，如图1所示黑体布棚8的第一状态(压縮状态)是通过与升降导轨10的连接旋转在底座3之外。黑体布棚8的第二状态是通过水平旋转驱动电机7的带动旋转180°到底座3上层水平板上，黑体布棚8底部框体将底座3的上层水平板的观测窗口 12罩在其中，黑体布棚8底框四周设有围裙，围裙覆盖在上层水平板上以防止漏光。黑体布棚8的第三状态(拉伸状态)是在第二状态的基础上，通过垂直升降驱动电机6的带动，其顶面的中心通孔套上热像仪，也就是热像仪的镜头通过顶面通孔插入黑体布棚内，如图2所示。
本发明所述的测量仪器的黑体布棚8从状态一到状态三需要快速转换，在0.7秒时间内迅速完成第一状态至第三状态的动作，从而实现周期性的罩住和离开被测目标物，快速获取冷、常温(热)两种环境辐照度信息。
本发明的测量仪器中所述各驱动电机的动作，以及热像仪1对数据的采集和记录均由计算机系统11在比辐射率测量模型的需求下控制完成。具体来讲，所述带动抽屉式托盘4水平移动的水平移动电机14由计算机系统11控制其水平推进与移出的动作，实现被测目标物和参考板交替进入热像仪1的观测视场；垂直升降电机6和水平旋转电机7的动作由计算机系统11控制，实现黑体布棚8的水平转动和伸縮；所述热像仪1由计算机系统11控制对数据的采集频率、时间等以及对数据的记录等动作。
本发明测量仪器的具体测量操作流程为
1. 当黑体布棚处于第三状态，以其顶面套在热像仪镜头上作为起始状态，此时参考板在位于观测视场内的黑体布棚正下方，计算机系统控制热像仪第一次采集数据；热像仪采集参考板上黑体和准白体发射的热辐射和反射黑体布棚的常温环境辐射(相对于天空的冷辐射也可称其为热环境辐射)，通过模型反演出常温环境的辐射照度；
2. 采集数据完毕后，由计算机系统控制水平移动电机将参考板抽出，被测目标物(样品)处于常温辐照环境下的热像仪观测视场内；
3. 由计算机系统控制热像仪第二次采集数据，热像仪采集目标物的发射热辐射和反射黑体布布棚的常温环境辐射照度的热辐射；
4. 采集数据完毕后，由计算机系统控制垂直升降电机和水平旋转电机，使黑体布棚的柱体收缩下落并黑体布棚旋转180。两个动作顺序进行，动作速度在0.7秒之内完成，此时黑体布棚处于第一状态；被测目标物位于天穹冷辐射环境下的热像仪观测视场内；
5. 由计算机系统控制热像仪第三次采集数据，被测目标物处于天穹冷环境辐照度下，热像仪釆集目标物的热辐射和反射天空冷环境的辐射照度的热辐射;
6. 采集数据完毕后，由计算机系统控制水平移动电机将参考板推进底座，使参考板处于冷辐射环境下的热像仪观测视场内；
7. 由计算机系统控制热像仪第四次采集数据，热像仪再次采集参考板上黑体和准白体的发射热辐射和反射天穹的冷环境辐射，至此完成一个采集周期过程；
8. 之后恢复起始状态由计算机系统控制电机使黑体布棚水平旋转和垂直伸展两个动作顺序进行，这个过程对速度不要求快，但要平稳准确；黑体布棚上顶孔重新套在热像仪镜头上时，黑体布棚由第一状态恢复到第三状态；
9，由计算机系统利用所述反演、模型、公式等完成被测目标物的比辐射率二维分布值计算。
本测量仪器中的热像仪1选用有320 x 240个像元的热像仪。所述观测窗口12面积为400 mm x 300 mm，由此观测面积中包含76800个像元。利用76800个像元的热红外辐射、表面温度及比辐射率的二维分布值，可以进行多种次级尺度物质组分的组合，从而能够进行表面温度和比辐射率的尺度转换研究，为探索各种地表参数的空间尺度转换，解决这一科学难题提供一种高效测试平台和途径。
权利要求
1. 一种比辐射率二维分布及其尺度转换的测量仪器包括热像仪[1]、热像仪支架[2]和底座[3]，其特征在于所述底座[3]包括由垂直立柱[9]支撑的上下两层水平板，其下层水平板上放置有目标物托盘[5]，上层水平板中间开有观测窗口[12]，在下层水平板和上层水平板之间水平设置有抽屉式托盘[4]，其上放置有参考板；底座[3]上层水平板的观测窗口[12]旁边垂直设置有热像仪支架[2]，热像仪支架[2]顶端设置有热像仪[1]，热像仪[1]的镜头垂直向下正对观测窗口[12]；所述测量仪器包括有黑体布棚[8]，黑体布棚[8]为柱体结构，包括顶面、底框和可伸缩柱体，其柱体内表面衬有黑色不透光材料，其顶面中心开有孔径略大于热像仪镜头外径的通孔；黑体布棚[8]底框尺寸大于观测窗口[12]；底座[3]上层水平板上垂直设置有升降导轨[10]，其上设置有水平旋转驱动电机[7]，该电机与黑体布棚[8]底框连接，能够带动黑体布棚[8]围绕升降导轨[10]水平旋转；升降导轨[10]上设置有垂直升降传动带[13]及垂直升降驱动电机[6]，垂直升降传动带[13]通过连接臂与黑体布棚[8]顶面连接，能够带动黑体布棚[8]顶面做垂直升降运动，从而使黑体布棚[8]的柱体能够垂直伸缩；黑体布棚[8]的第一状态是通过与升降导轨[10]的连接旋转在底座[3]之外，黑体布棚[8]的第二状态是通过水平旋转驱动电机[7]的带动旋转到底座[3]上层水平板上，黑体布棚[8]底框将观测窗口[12]罩在其中；黑体布棚[8]的第三状态是在第二状态的基础上，通过垂直升降驱动电机[6]的带动，其顶面上升至热像仪[1]，热像仪[1]的镜头插入黑体布棚[8]顶面的中心孔内。
2. 根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于黑体布棚[8]为立方柱体结构， 其顶面和底框的水平形状为矩形。
3. 根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于所述黑体布棚[8]柱体内表 面衬的黑色不透光材料为黑色绒布。
4. 根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于所述黑体布棚[8]底框四周设有围裙，当黑体布棚[8]的底框罩在底座[3]上层水平板的观测窗口[12]上时，围 裙覆盖在底座[3]上层水平板上以防止漏光。
5. 根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于所述参考板上表面间隔覆盖 有黑体材料和准白体材料。
6. 根据权利要求4所述的测量仪器，其特征在于所述黑体材料为无光黑体漆 或黑绒布；所述准白体材料为无镜面反射的亚光铝板。
7. 根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于所述抽屉式托盘由一水平移 动电机带动，能够水平推进和移出底座。
8. 根据权利要求1所述的测量仪器，其特征在于所述水平旋转驱动电机[6]带动黑体布棚[8]水平旋转的角度为180°。
9. 根据权利要求1 8之任一项所述的测量仪器，其特征在于所述各驱动电机的动作、热像仪[l]对数据的采集和记录均由计算机系统[ll]控制完成。
10. —种比辐射率二维分布及其尺度转换的测量方法，其特征在于(1) 该方法利用天穹平均辐射作为目标物的冷辐射源；(2) 该方法利用黑体布棚内表面作为观测目标的常温辐射源，通过黑体布棚周期性的快速水平转动和垂直伸縮使目标物交替处于常温辐射源和冷辐射源的环境中；(3) 该方法以非制冷的热像仪作为目标物的红外辐射温度二维分布热像图的 测定传感器；(4) 该方法利用上述热像仪在上述常温和冷辐射源交替变化的环境下，测定黑 体板和准白体板的红外辐射温度的二维分布的热像图，根据黑体板和准白 体板的反射辐射及其计算模型分别反演常温辐射源和冷輻射源环境下的 辐照度；(5) 该方法利用上述热像仪在上述常温和冷辐射源交替变化的环境下，测定目 标物红外辐射温度的二维分布的热像图；(6)该方法利用热像仪的测定得到四种数据a.天穹为主体，即冷辐射源的辐 照度，b.黑体布棚内表面的辐照度，C.以天穹为冷辐射源环境的目标物的 红外辐射温度的二维分布的热像图，d.以黑体布棚为常温辐射源环境的目 标物的红外辐射温度的二维分布的热像图；这些数据由计算机记录下来，再利用相关软件进行计算和反演，得出被测目标物精确的比辐射率二维分 布测定值。
全文摘要
本发明提供了一种比辐射率二维分布及尺度转换测量方法和仪器。该方法和仪器利用天穹作为冷辐射源、黑体布棚作为常温辐射源，即相对的热辐射源，利用计算机系统智能控制黑体布棚周期性的罩住目标物和迅速撤离，实现交替改变环境辐射照度的作用；用计算机系统控制参考板的水平移动，实现目标物和参考板交替自动观测；利用热像仪作为测量感应器，由其采集的热像图反演得出比辐射率二维分布信息；利用多像元的热红外辐射、表面温度及比辐射率的二维分布值，可以进行多种次级尺度地物组分的组合，从而能够进行表面温度和比辐射率的尺度转换研究，为探索比辐射率的空间尺度转换，解决这一科学难题提供一种高效测试平台和途径。
文档编号G01J5/00GK101458123SQ20081024109
公开日2009年6月17日 申请日期2008年12月30日 优先权日2008年12月30日
发明者孙晓敏, 张仁华, 朱治林, 静 田, 苏红波 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所