一种自然地表红外发射率光谱数据野外测量系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提出一种自然地表红外发射率光谱数据野外测量系统。该测量系统可以在野外利用傅里叶红外光谱仪通过对红外参考板和地面目标的交替测量，完成对自然地表红外发射率光谱数据的计算。该自然地表红外发射率光谱数据野外测量系统由傅里叶红外光谱仪(1)、红外标准板(2)、黑体(3)、接触式温度计(4)、GPS(5)、光谱仪支架(6)和计算机(7)组成。通过本实用新型的系统搭配，可以在野外有效的测量自然地表的红外发射率光谱数据。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及发射率测量【技术领域】，特别涉及一种自然地表的红外发射率光谱 数据野外测量系统。 一种自然地表红外发射率光谱数据野外测量系统
【背景技术】
[0002] 地表发射率是描述地表红外辐射特性的基本参数，在航空航天、国防科技以及工 农业生产等领域中具有重要价值。近些年来，无论是室内还是野外，人们都在努力探索各 种方法来测量地表发射率。但实验室测量的发射率数据往往不能满足实际遥感应用的需 求，因为发射率不仅依赖于地表物体的组成成分，而且与物体的表面状态（表面粗糙度等） 及物理性质（介电常数，含水量、温度等）有关，并随着所测定的辐射能的波长（λ)、观测 角度（Θ)等条件的变化而变化。因此，适用于遥感应用的地表红外发射率主要依靠野外 实地测量。现有的发射率野外测量技术，比如中国发明专利CN1464297和CN2545599提供 了一种利用V字型封闭腔进行发射率野外测量的方法和便携式的发射率测定仪，利用红外 测温仪来测量宽波段的发射率；中国发明专利CN101458123发明了一种发射率二维分布 及其尺度转换的测量仪器和方法，可以在野外利用热像仪进行发射率测量；中国发明专利 CN102879104发明了一种三源便携式发射率测量仪器和方法，利用红外辐射计完成发射率 的测量。
[0003] 上述发射率野外测量方法和仪器都是基于通道式红外辐射计或热像仪完成发射 率的测量，这类仪器在红外波段都只设置一个或几个通道，因此，无法获取自然地表的红外 发射率光谱数据；并且都是直接以天穹作为冷辐射源，每次测量都只能将一个或几个角度 的天空下行辐射引入测量仪器，无法准确的获取整个半球空间内的天空下行辐射，势必对 发射率测量结果造成影响。 实用新型内容
[0004] 为了适应自然地表野外实地测量红外发射率光谱数据的需求，在近地表无风无云 的条件下，本实用新型提出一种自然地表红外发射率光谱数据野外测量系统。该测量系统 可以在野外利用傅里叶红外光谱仪通过对红外参考板和地面目标的交替测量，完成对自然 地表红外发射率光谱数据的计算。
[0005] 本实用新型采用如下技术方案：
[0006] 一种自然地表的红外发射率光谱数据野外测量系统，由傅里叶红外光谱仪（1)、红 外标准板（2)、黑体（3)、接触式温度计（4)、GPS(5)、光谱仪支架（6)和计算机（7)组成。选 择待测目标区域（8)，通过GPS定位设备读取待测区域中心的经纬度信息；通过光谱仪支架 将光谱仪架于观测区域上方，用接触式温度计测量待测区地表温度，在该温度点附近选择5 个控温点对黑体进行控温，并使用控温的黑体对光谱仪进行现场标定；同时，将红外标准板 置于自然环境中，使其与周围环境进行充分的热交换；利用标定后的光谱仪依次测量红外 标准板和目标区域，在两次测量之间用接触式温度计测量红外标准板表面温度；并记录测 量过程中天空状态、气象条件和待测区域的实际情况。
[0007] 本实用新型使用的红外光谱仪是加拿大Β0ΜΕΜ仪器公司生产的MR154傅立叶变换 红外光谱辐射仪，它的光学系统是一个Michelson干涉仪。MR154红外傅立叶变换光谱辐射 仪配备有：一个中长波红外探测器（TeCdHg碲镉汞）（2?20 μ m，500?δΟΟΟαιΓ1)，一个短 波红外探测器（InSb锑化铟）（1. 1?5. 5 μ m，1818?9090CHT1)和一个近红外探测器（Si 硅）（0.7?L 17μπι，8547 ?14285CHT1)。MR154 的光谱分辨率为 1、2、4、8 或 16CHT1。本实 用新型中使用TeCdHg碲镉汞探测器，lcnT1的光谱分辨率。另外，MR154专门配备了一台便 携式的黑体M340 (美国Mikron公司生产），用作红外光谱仪辐射定标。通过针对待测区域 地表温度的黑体控温设置，对光谱仪进行精确标定，可以获取目标区域和红外参考板中长 波红外光谱范围内的连续光谱辐亮度数据。
[0008] 本实用新型使用的红外标准板是由Labsphere公司生产，它是在铝制的底板上面 镀上漫射金薄膜。红外标准板在中长波红外波段具有92%?96%的反射率。在2. 5? 15. 0 μ m波段每50nm间隔的反射率都进行了精确的测量，可以追溯到美国国家标准研究所 的标准。在天顶角0?45度的范围内每隔5度给出了其反射率变化的方向特性，如图1所 示。该红外标准板在2. 5?15 μ m的波段范围内具有很高的反射率，并且整个板面具很好 的朗伯性。由于野外测量时天气条件并不是稳定不变的，所以及时准确地测量天空下行辐 射是至关重要的；并且在自然条件下天空的下行辐射是各项异性的。利用红外标准板的反 射进行天空下行辐射测量，可以有效的避免由于在一个或几个角度下对天空直接测量，下 行辐射各向异性造成的误差；同时，测量红外标准板的表面温度来扣除其自身发射的影响， 可以精确的获得整个天空背景下的大气下行辐射信息。
[0009] 本实用新型中使用的计算机、接触式温度计和GPS均为通用设备。计算机主要用 于控制光谱仪和进行数据采集与处理；接触式温度计主要用于测量红外标准板温度，在进 行天空下行辐射计算时扣除红外标准板自身辐射的贡献，并且用于地表温度初值的获取， 从而确定光谱仪标定的温度区间；GPS用于获取待测区域的地理位置信息。通过本实用新 型的系统搭配，可以在野外有效的测量自然地表的红外发射率光谱数据。
[0010] 本实用新型实现了一种自然地表的红外发射率光谱数据野外测量系统，与现有技 术相比具有明显的优点和有益效果：
[0011] 1.将傅里叶红外光谱仪作为主要测量设备应用于自然地表发射率测量领域，改变 了传统的利用红外测温仪、红外辐射计和热像仪等只能测量宽通道或有限几个通道发射率 的现状，实现了在整个中长波红外波段同时获取高光谱发射率数据的光谱测量方式。
[0012] 2.利用红外标准板来辅助完成天空下行辐射的测量，通过测量红外标准板的反 射，并扣除其自身的发射，可以精确的获得整个天空背景下的大气下行辐射；而传统的利用 测量设备直接对着天空，测量某一个角度或几个角度的天空背景辐射来代替整个半球空间 内的下行辐射，势必会引入由于天空下行辐射各向异性造成的误差。
[0013] 3.在野外参照测量目标区域表面温度，利用黑体对光谱仪进行现场标定，可以在 目标区域温度变化的动态范围内使光谱仪获得最佳的定标数据，从而有效提高光谱仪对待 测目标区和红外标准板的出射辐射测量精度。
[0014] 4.由于野外测量时天气条件并不是稳定不变的，如果在测量地表和红外标准板辐 射的间隔时间内，大气条件发生变化，引起天空下行辐射发生变化，造成实际测量的下行辐 射并不等于测量地表时到达目标表面的天空背景辐射，那么计算出的地表发射率包含的误 差将正比于天空下行辐射的变化。通过标定后的光谱仪依次测量目标区域和红外标准板， 在两次测量之间用接触式温度计测量红外标准板表面温度，可以在短时间完成一个周期的 测量；这种集约化的野外测量方式，有效的避免由于一个测量周期内天空下行辐射变化引 入的误差。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是红外标准板的反射率方向特性示意图。
[0016] 图2是本实用新型的测量系统示意图。
[0017] 其中，1为傅里叶红外光谱仪，2是红外标准板，3是黑体，4是接触式温度计，5是 GPS，6是光谱仪支架，7是计算机，8是自然地表待测区域。
[0018] 图3是红外标准板表面温度测量接触点示意图。
【具体实施方式】
[0019] 下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明。
[0020] 如图2所示，本实用新型所涉及的自然地表红外发射率光谱数据野外测量系统由 傅里叶红外光谱仪1、红外标准板2、黑体3、接触式温度计4、GPS5、光谱仪支架6和计算机 7组成。选择地势平坦、地表均匀的区域作为测量目标8,利用光谱仪支架6将光谱仪1架 于待观测区域8上方，并加注液氮对光谱仪1进行冷却并开机预热，使光谱仪1入瞳对准待 测区域8中心，保证光谱仪1入瞳垂直于地表且距离1米左右，通过GPS5读取待测区域中 心的经纬度信息；同时，将红外标准板2置于自然环境中，使其与周围环境进行充分的热交 换。利用接触式温度计4测量待测区8地表温度，将黑体3控温于待测区地表温度正负20 摄氏度温度区间内5个10度等间隔的温度点，对光谱仪1进行现场标定。利用标定后的光 谱仪1依次测量红外标准板2和目标区域8,在两次测量之间用接触式温度计4测量红外标 准板2表面温度，测量时接触点分布如图3所示；并记录测量过程中天空状态、气象条件和 待测区域的实际情况。
[0021] 本实用新型所涉及的自然地表红外发射率光谱数据野外测量系统操作流程为：
[0022] 1.选择地势平坦，地表均匀的区域进行测量；
[0023] 2.在近地表无风无云的天气条件下，测量时间应选择在太阳高度角变化缓慢，地 表温度较稳定的时间段；或没有太阳，且地表已经处于热平衡状态下的夜间进行观测；
[0024] 3.利用GPS获取观测区域地理位置数据；
[0025] 4.利用接触式温度计获取地表温度值，然后在该温度正负20摄氏度的区间内10 度等间隔的选择5个温度点，将黑体控温在这几个温度点上对BOMEM MR154红外光谱仪进行 现场标定；
[0026] 5.利用BOMEM MR154测量红外标准板；
[0027] 6.用接触式点温计测量红外标准板的表面温度；
[0028] 7.然后用BOMEM MR154测量地面目标区域；
[0029] 8.记录测量过程中天空状态、气象条件和待测区域的实际情况；
[0030] 9.将测量系统移至下一个测量目标区域，并重复步骤1. 8 ;
[0031] 10.利用计算机系统对野外测量数据进行计算和处理，获取测量目标区域的红外 发射率光谱数据。
【权利要求】
1. 一种自然地表红外发射率光谱数据野外测量系统，该系统由傅里叶红外光谱仪 (1)、红外标准板（2)、黑体（3)、接触式温度计（4)、GPS(5)、光谱仪支架（6)和计算机（7)组 成，其中，傅里叶红外光谱仪（1)位于光谱仪支架（6)上置于待测区域（8)上方，并与计算 机（7)相连，红外标准板（2)、黑体（3)、接触式温度计（4)、GPS(5)均置于待测区域内。
2. 如权利要求1所述的测量系统，其中红外傅立叶变换光谱辐射仪的光谱分辨率为1、 2、4、8或16CHT1，其配备有：一个中长波红外探测器，为TeCdHg碲镉汞探测器，光谱范围2? 20 μ m，一个短波红外探测器，为InSb锑化铟探测器，光谱范围1. 1?5. 5 μ m，和一个近红外 探测器，为Si硅探测器，光谱范围0. 7?1. 17 μ m。
3. 如权利要求2所述的测量系统，其中红外傅立叶变换光谱辐射仪使用TeCdHg碲镉汞 探测器，光谱分辨率为lcnT1。
4. 如权利要求1至3之一所述的测量系统，其中红外标准板在中长波红外波段具有 92%?96%的反射率。
【文档编号】G01J3/28GK203881444SQ201420119500
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2014年3月18日
【发明者】张勇, 戎志国 申请人:国家卫星气象中心