專利名稱：準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及熱紅外遙感應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種準直熱輻射源比輻射率測量儀器。
地物的表面溫度測定在許多科學(xué)研究和應(yīng)用領(lǐng)域有著十分重要的作用。在氣象領(lǐng)域里，精確的地表溫度是提高數(shù)值天氣預(yù)報準確度的關(guān)鍵參數(shù)；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域里，精確地測定地表溫度直接關(guān)系提高遙感作物產(chǎn)量預(yù)報的精度以及提高旱災(zāi)估算精度；在國防領(lǐng)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(zāi)災(zāi)情監(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(shù)中都是不難解決的。唯獨比輻射率的測定還沒有完全突破。
物體比輻射率就是物體發(fā)射熱輻射的本領(lǐng)。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(guān)鍵信息。在定量熱紅外遙感應(yīng)用技術(shù)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(nèi)外對物體比輻射率測量技術(shù)的研究主要集中在兩個類型上，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(shù)。另一種是準直熱輻射源式，它也是一種用于測定物體比輻射率的技術(shù)。準直熱輻射源式物體比輻射率的測量原理是根據(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。在準直熱輻射源式的比輻射率測量技術(shù)領(lǐng)域里，法國研究中心在《IEEE TRANSACTIONS ON GEOSCIENCE AND REMOTESENSING，VOL.34.NO.4.JULY1996》公開了一種背向散射輻射式比輻射率測量技術(shù)。該技術(shù)應(yīng)用背向散射式方法，需要將被測物體用激光多角度照射加溫以達到熱平衡，由于平衡溫度高于物體自身溫度，物體自身的紅外熱輻射就被忽略了；同時，該測量技術(shù)必須采用兩種輻射計即用于測量照度的耐強功率的照度計、和用于測量被激光照射的被測物散射熱輻射的紅外測溫儀，由于兩種輻射計的時間漂移和零點漂移不一樣，容易造成誤差；因此，背向散射輻射式比輻射率測量技術(shù)不能在遙感平臺上進行比輻射率的直接測定。這是背向散射輻射式比輻射率測量技術(shù)的主要缺點。
本實用新型主要目的，就是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提出一種準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器。本實用新型解決了現(xiàn)有技術(shù)中物體自身的紅外熱輻射被忽略了的問題，解決了必須采用兩種輻射而造成的測量誤差問題，解決了使用單一的紅外測溫儀進行物體方向比輻射率測定問題，為在遙感平臺上大面積地測定比輻射率的二維分布奠定了基礎(chǔ)，為實現(xiàn)快速、大面積、遠距離地獲取被測物體的方向比輻射率的目標鋪平了道路。
本實用新型的準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器包括電源，控制器，機廂及面板，底板，支撐塊，它還包括以下部件(1)激光發(fā)射部分包括二氧化碳激光器、硅凹透鏡；(2)激光遮擋部分包括位于激光發(fā)射部分和激光反射部分之間的擋光葉子板；(3)激光反射部分包括固定在發(fā)射鏡支撐架上的低比輻射率反射板；(4)紅外測溫儀控制調(diào)節(jié)部分包括紅外測溫儀方向測量圓弧形導(dǎo)軌和可以在圓弧形導(dǎo)軌上移動的紅外測溫儀；圓弧形導(dǎo)軌的一端位于方向調(diào)節(jié)旋鈕和被測物框的調(diào)節(jié)軸連接處，圓弧形導(dǎo)軌的另一端通過連桿與大變速輪的轉(zhuǎn)動軸連接；大變速輪通過齒輪帶與小變速輪連接，小變速輪連接在步進電機的轉(zhuǎn)動軸上；(5)被測物體盛放部分包括安裝在被測物框調(diào)節(jié)軸和大變速輪的轉(zhuǎn)動軸之間的被測物框；被測物框調(diào)節(jié)軸外端有一帶有固定螺母方向調(diào)節(jié)旋鈕；上述的激光反射部分、紅外測溫儀控制調(diào)節(jié)部分和被測物體盛放部分組裝在一個裝置上。
以下結(jié)合附圖進一步詳細敘述本實用新型的技術(shù)方案。
附

圖1是準直熱輻射源物體方向比輻射率測定儀器示意圖附圖2是擋光葉子板示意圖本實用新型的準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器如圖1圖2所示，包括電源16，控制器17，機箱及面板18，底板6，支撐塊11，它還包括以下部件(1)激光發(fā)射部分包括二氧化碳激光器、硅凹透鏡；具體實施時上述的硅凹透鏡可以采用8度的硅凹透鏡，形成的激光斑為直徑8cm的激光斑；(2)激光遮擋部分包括位于激光發(fā)射部分和激光反射部分之間的擋光葉子板19；具體實施時上述的擋光葉子板19的中心連接在步進電機23的轉(zhuǎn)動軸上；步進電機23可以通過托桿22、螺絲21固定在托桿套筒20上。
(3)激光反射部分包括固定在發(fā)射鏡支撐架13上的低比輻射率反射板8，具體實施時上述的低比輻射率反射板可以采用鍍金板；(4)紅外測溫儀控制調(diào)節(jié)部分包括紅外測溫儀方向測量圓弧形導(dǎo)軌2和可以在弧形導(dǎo)軌2上移動的紅外測溫儀7；具體實施時上述的紅外測溫儀方向測量圓弧形導(dǎo)軌2上可以標上0-90度的刻度指示，使紅外測溫儀在由圓弧形導(dǎo)軌形成的平面上對被測物構(gòu)成可以在0～90度范圍變化的測量角；弧形導(dǎo)軌2的一端位于方向調(diào)節(jié)旋鈕1和被測物框4的調(diào)節(jié)軸3連接處，弧形導(dǎo)軌2的另一端通過連桿15與大變速輪9的轉(zhuǎn)動軸連接；大變速輪9通過齒輪帶14與小變速輪10連接，小變速輪10連接在步進電機12的轉(zhuǎn)動軸上；用這樣的齒輪帶變速器和計算機控制的步進電機就可以使得由圓弧形導(dǎo)軌形成的平面在0～180度的范圍內(nèi)變化，從而控制紅外測溫儀在另一個坐標系的測量角；(5)被測物體盛放部分包括安裝在被測物框調(diào)節(jié)軸3和大變速輪9的轉(zhuǎn)動軸之間的被測物框4；被測物框調(diào)節(jié)軸3外端有一帶有固定螺母方向調(diào)節(jié)旋鈕1，具體實施時旋鈕1附近的基板5軸孔周圍可以刻有180°的量角盤，以便于調(diào)整被測物的角度；上述的激光反射部分、紅外測溫儀控制調(diào)節(jié)部分和被測物體盛放部分組裝在一個裝置上。
本實用新型的準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器是這樣使用的1.利用二氧化碳激光器作為準直熱輻射源；1.用擋光葉子板將二氧化碳激光和自然背景光兩種不同強度的環(huán)境輻照度交替照射到被測物體，通過這樣改變對被測物體施加的環(huán)境輻照度，以提取方向比輻射率的信息；2.采用硅凹透鏡將激光束發(fā)散成與紅外測溫儀視場相匹配的激光斑；具體實施時所述的硅凹透鏡可采用8度的硅凹透鏡，所述的激光斑為直徑8cm的激光斑；3.利用低比輻射率反射板，如鍍金反射板控制熱輻射源方向，從而可以測定水平放置的水、土壤等物體的方向比輻射率；5.以高精度的紅外測溫儀作為主信號測定部件；具體實施時，紅外測溫儀安裝在方向測量圓弧形導(dǎo)軌上，并且圓弧形導(dǎo)軌上可以標上在0～90度的刻度指示；這樣，紅外測溫儀就可以沿約四分之一的弧度的圓弧形導(dǎo)軌移動，使得紅外測溫儀在由圓弧形導(dǎo)軌形成的平面上對被測物構(gòu)成可以在0～90度范圍變化的測量角；6.圓弧形導(dǎo)軌的一端位于方向調(diào)節(jié)旋鈕和被測物框的調(diào)節(jié)軸連接處，圓弧形導(dǎo)軌的另一端通過連桿與大變速輪的轉(zhuǎn)動軸連接；大變速輪通過齒輪帶與小變速輪連接，小變速輪連接在步進電機的轉(zhuǎn)動軸上；用這樣的齒輪帶變速器和計算機控制的步進電機就可以使得由圓弧形導(dǎo)軌形成的平面在0～180度的范圍內(nèi)變化，從而控制紅外測溫儀在另一個坐標系的測量角；7.本實用新型所用的二氧化碳激光源可采用標準比輻射率板進行標定；8.最后，將紅外測溫儀測出的數(shù)值信號輸入計算機、并利用各種軟件進行計算和反演，得出被測物體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(xué)出版社于1996年4月出版的、由本實用新型的設(shè)計人之一的張仁華教授所著的《實驗遙感模型及地面基礎(chǔ)》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(xué)模型。
如前所述，應(yīng)用背向散射式方法，需要將被測物體用激光多角度照射加溫以達到熱平衡，由于平衡溫度高于物體自身溫度，物體自身的紅外熱輻射被忽略了；同時，該測量技術(shù)必須采用兩種輻射計即用于測量照度的耐強功率的照度計、和用于測量被激光照射的被測物散射熱輻射的紅外測溫儀，由于兩種輻射計的時間漂移和零點漂移不一樣，容易造成誤差；因此，背向散射輻射式比輻射率測量技術(shù)不能在遙感平臺上進行比輻射率的直接測定。這是背向散射輻射式比輻射率測量技術(shù)的主要缺點。
本實用新型的測量儀器的使用方法是屬于反射輻射式。反射式的原理是利用準直源輻射和環(huán)境熱輻射源交替照射后而提取物體比輻射率信息的。因此本實用新型的方法既不需要對被測物體加溫、不會忽略物體自身熱輻射，也不需采用耐強功率的照度計、避免了兩種輻射計的時間漂移和零點漂移不一樣造成的誤差。由此可見，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型最大優(yōu)點既考慮了物體自身熱輻射、又可以為實現(xiàn)在遙感平臺上大面積地測定比輻射率的二維分布的科學(xué)目標取得經(jīng)驗。
本實用新型的儀器結(jié)構(gòu)合理、不需采用耐強功率的照度計、避免了兩種輻射計的時間漂移和零點漂移不一樣造成的誤差；同時，本實用新型的儀器避免了由于不考慮物體自身熱輻射帶來的致命缺點，解決了使用單一的紅外測溫儀進行物體方向比輻射率測定，為實現(xiàn)在遙感平臺上大面積地測定比輻射率的二維分布的科學(xué)目標提供了一種測量儀器的雛形。為實現(xiàn)快速、大面積、遠距離地獲取被測物體的方向比輻射率的目標打下基礎(chǔ)和鋪平道路，促使定量熱紅外遙感有一個突破性的進展。
本實用新型的申請人中國科學(xué)院地理研究所熱紅外遙感實驗室，已用本實用新型成功地測量了一批被測物體樣本的比輻射率。
權(quán)利要求1.一種準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器，它包括電源[16]，控制器[17]，機廂及面板[18]，底板[6]，支撐塊[11]，其特征在于它還包括以下部件(1)激光發(fā)射部分包括二氧化碳激光器、硅凹透鏡；(2)激光遮擋部分包括位于激光發(fā)射部分和激光反射部分之間的擋光葉子板[19]；(3)激光反射部分包括固定在發(fā)射鏡支撐架[13]上的低比輻射率反射板[8]；(4)紅外測溫儀控制調(diào)節(jié)部分包括紅外測溫儀方向測量圓弧形導(dǎo)軌[2]和可以在圓弧形導(dǎo)軌[2]上移動的紅外測溫儀[7]；圓弧形導(dǎo)軌[2]的一端位于方向調(diào)節(jié)旋鈕[1和]被測物框[4]的調(diào)節(jié)軸[3]的連接處，圓弧形導(dǎo)軌[2]的另一端通過連桿[15]與大變速輪[9]的轉(zhuǎn)動軸連接；大變速輪[9]通過齒輪帶[14]與小變速輪[10]連接，小變速輪[10]連接在步進電機[12]的轉(zhuǎn)動軸上；(5)被測物體盛放部分包括安裝在被測物框調(diào)節(jié)軸[3]和大變速輪[9]的轉(zhuǎn)動軸之間的被測物框[4]；被測物框調(diào)節(jié)軸[3]外端有一帶有固定螺母的方向調(diào)節(jié)旋鈕[1]；上述的激光反射部分、紅外測溫儀控制調(diào)節(jié)部分和被測物體盛放部分組裝在一個裝置上。
2.一種如權(quán)利要求1所述的準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器，其特征在于所述的硅凹透鏡采用8度的硅凹透鏡。
3.一種如權(quán)利要求1所述的準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器，其特征在于所述的低比輻射率反射板采用鍍金反射板。
4.一種如權(quán)利要求1所述的準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器，其特征在于所述的擋光葉子板[19]的中心連接在步進電機[23]的轉(zhuǎn)動軸上；步進電機[23]通過托桿[22]、螺絲[21]固定在托桿套筒[20]上。
5.一種如權(quán)利要求1所述的準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器，其特征在于所述的紅外測溫儀方向測量圓弧形導(dǎo)軌[2]上標有0-90度的刻度。
6.一種如權(quán)利要求1所述的準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器，其特征在于所述的旋鈕[1]附近基板軸孔[5]周圍刻有180°的量角盤。
專利摘要本實用新型公開了一種準直熱輻射源物體方向比輻射率測量儀器。本實用新型是通過采用準直熱輻射源和環(huán)境熱輻射源交替照射后而提取物體比輻射率信息的。本實用新型解決了使用單一的紅外測溫儀進行物體方向比輻射率測定問題并且為實現(xiàn)快速、大面積、遠距離地獲取被測物體的方向比輻射率的目標打下基礎(chǔ)和鋪平道路。
文檔編號G01N21/00GK2360848SQ9920759
公開日2000年1月26日 申請日期1999年3月30日 優(yōu)先權(quán)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(xué)院地理研究所