专利名称：三源便携式比辐射率测定仪及其测定方法
技术领域：
本发明涉及一种定量遥感测定仪及其测定方法，具体而言，本发明涉及一种适合室外测定的便携式比辐射率测定仪及其测定方法。
背景技术：
物体表面温度是物体界面分子平均运动的能量值，其主要取决于以下三个参数表面辐射温度、环境辐照度和比辐射率。物体比辐射率表示物体发射热辐射的能力，地表地物温度的测定在许多科学研究和应用领域具有重要作用，精确测量比辐射率能获取地表地 物的真实温度。现有的比辐射率测量技术主要通过变换辐射源来求解比辐射率。比如中国发明专利CN1464297公开了一种便携式比辐射率测定仪及其测定方法，其具有V字型的半封闭腔体，该腔体两个向上分支的一端通光口上安装一台红外温度测定仪，所述测定仪利用45度天顶角的天空下行辐射(也可称为天空冷辐射)与室温辐射(即V字型腔体热辐射)的切换(详见《定量热红外遥感模型及地面实验基础》第3章，张仁华著，2009年，科学出版社)，在两次环境辐照度下构建一个二元方程组，得出比辐射率。上述比辐射率测定仪根据一个二元方程组的关系计算比辐射率，由于每次测量只有单一的天空下行辐射强度，无法分析下行辐射的强度和角度对其测量精度的影响。此外，由于安装红外辐射计的通光口尺寸需与所插入的红外辐射计透镜尺寸吻合，上述测定仪的V字型腔体难以适应目前多种红外辐射计的透镜尺寸。
发明内容
为了解决现有的比辐射率测定仪的结构不适于目前多种红外辐射计的透镜尺寸的问题，以及现有的比辐射率测定仪，由于每次测量只有单一的天空下行辐射强度，无法分析下行辐射的强度和角度对其测量精度的影响。本发明提供了一种三源便携式比辐射率测定仪及其测定方法，其为利用三个辐射源的多边体腔体结构，测量精度高，其安装红外辐射计的观测孔上设置调节孔尺寸的可拆卸的转接孔，可以适用另种红外测温仪透镜的直径。本发明所利用的辐射源为晴朗天空37度天顶角的下行辐射、O度天顶角的下行辐射以及37度与O度同时的下行辐射。每个辐射源均能构建一个二元方程组，即M1= ε Β+(1-ε )E!M2= ε B+(l_ ε )E2式中ε为比辐射率，M1为大气下行辐射下，指冷环境下，即37度或O度或37度和O度下行辐射下的目标物出辐射度(目标物出辐射度为离开目标物的热辐射的度量单位)。M2为腔体室温下，指热环境的目标物出辐射度。E1为大气下行辐射照度(辐射照度为到达目标物的热辐射的度量单位)，指冷环境辐射照度，即37度O度或37度和O度的辐射照度，E2为腔体室温(塑料片等的)辐射照度，指热环境辐射照度，B为目标物的黑体出辐射度。以上计算式假设在改变环境辐照度时，B没有明显的变化，实践研究多次证明以上假设成立(详见《定量热红外遥感模型及地面实验基础》第3章，张仁华著，2009年，科学出版社)。
多次实验结果以及公式计算结果表明，与晴朗天空45度天顶角的天空下行辐射相比，晴朗天空37度天顶角的下行辐射更能代表半球天空下行辐射的等效值(平均值)，而O度天顶角下行辐射是天空下行辐射半球分布中的最小值，37度、O度以及37度和O度组合成三组天空下行辐射，结合室温辐射构建三个二元方程组，求出在动态天空辐射下的比辐射率，并通过各组比辐射率值得出测量的结果对比，可以分析下行辐射的强度和角度对其测量精度的影响。同时，获得了三组热红外波段大气辐射传输所需要的积分方程的天空下行辐射积分值，也为建立更精确的以近地层空气温度和空气湿度构建的天空下行辐射反演模型打下基础。本发明所提供的一种三源便携式比辐射率测定仪，其包括腔体、观测地物定位板10和红外辐射计，所述观测地物定位板10置于所述腔体及地物之间，所述三源便携式比辐射率测定仪的特征在于所述腔体的顶部由三个呈不同角度的平面组成，位于中间的顶面与底面相平行并与水平面平行，该顶面上开有O度天顶角天空下行辐射入射孔1，与所述顶面相接的两个面的垂直线分别与垂直于顶面的中轴线呈45度和37度，所述与顶面的中轴线呈45度的平面 上开有红外辐射计观测孔8以插入红外辐射计，所述与顶面的中轴线呈37度的平面上开有37度天空下行辐射入射孔5，上述三个入射孔均配有孔盖1、4、7。所述观测地物定位板10上开有地物观测孔11，该观测地物定位板10与腔体之间还设置反射板，所述反射板中心为与地物观测孔11尺寸形状相同的镀金反射圆板。所述腔体内外抛光镀金，所述O度天顶角天空下行辐射入射孔所配的孔盖I和所述37度天顶角天空下行辐射入射孔所配的孔盖7内均贴有比辐射率为I的圆形塑料片，该圆形塑料片的内径与其孔盖相同，每个圆形塑料片上嵌有可拆卸的镀金板，该镀金板的比辐射率接近0，其反射率接近I ;所述观测地物定位板及反射板之间采用可拆卸方式固定使地物观测孔对准镀金反射圆板。所述腔体包括互相连通的主腔体3和侧腔体6、9，所述侧腔体6、9位于所述主腔体两侧，开有O度天顶角天空下行辐射入射孔的顶面对应的腔体为主腔体3，开有红外辐射计观测孔的顶面和开有37度天空下行辐射入射孔的顶面对应的腔体为侧腔体6、9，所述侧腔体6、9侧壁上设置凹槽，以便于手提。所述比辐射率测定仪中红外辐射计观测孔8上套有可拆卸的转接孔。使用上述三源便携式比辐射率测定仪测定比辐射率的方法，其特征在于包括如下第一部分、第二部分和第三部分第一部分，以37度天顶角天空下行辐射为大气下行辐射源，得出地物比辐射率测定ε i值A、将观测地物定位板10盖在待测地物上，再将中心为镀金反射圆板的反射板固定在所述观测地物定位板10上，将主腔体3置于反射板上，将红外测温仪镜头插入红外辐射计观测孔8，分别盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5的孔盖7和O度天顶角天空下行辐射入射孔2的孔盖1，两个孔盖内嵌有可拆卸的镀金板，测定仪进入待测状态；B、打开37度天顶角天空下行辐射入射孔5的孔盖7，此时将O度天顶角天空下行辐射入射孔2的孔盖I内的镀金板嵌入孔盖1，读取红外测温仪显示的等效天空温度读数，即大气下行辐射照度E1 ；
C、将37度天顶角天空下行辐射入射孔5的孔盖7内顶的镀金板取出，露出塑料片，将该孔盖7盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5，读取红外测温仪显示的等效主腔体3的温度读数，即主腔体3室温(塑料片温度)的辐射照度E2 ；D、抽出被测地物位置的镀金反射圆板，露出被测地物，读取红外测温仪显示的地物表面温度读数，即主腔体3室温下的目标物出辐射度M2 ；E、再打开37度天顶角天空下行辐射入射孔5的孔盖7，读取红外测温仪显示的地物表面温度读数，即大气下行辐射下的目标物出辐射度M1 ；F、将37度天顶角天空下行辐射入射孔5的孔盖7内顶的镀金板嵌入孔盖7，将该孔盖7盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5，完成第一部分的4次测定，根据这4次读数构成的方程组，求解出地物比辐射率测定^值；第二部分，以O度天顶角天空下行辐射为大气下行辐射源，得出地物比辐射率测
定ε 2值将第一部分B-F步骤中的打开或盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5改为打开或盖上O度天顶角天空下行辐射入射孔2，并在步骤B中将37度天顶角天空下行辐射入射孔5的孔盖7内的镀金板嵌入孔盖7，在步骤C中将O度天顶角天空下行辐射入射孔2的孔盖I内顶的镀金板取出，露出塑料片。在步骤F中将O度天顶角天空下行辐射入射孔2的孔盖I内顶的镀金板嵌入孔盖1，求解出地物比辐射率测定ε 2值；第三部分，以37度天顶角天空下行辐射和O度天顶角天空下行辐射同时为大气下行辐射源，得出地物比辐射率测定ε 3值将第一部分B-F步骤中的打开或盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5改为同时打开或盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5和O度天顶角天空下行辐射入射孔2，并在步骤C中同时将O度天顶角天空下行辐射入射孔2的孔盖1、37度天顶角天空下行辐射入射孔5的孔盖7内顶的镀金板同时取出，同时露出塑料片，在步骤F中同时将O度天顶角天空下行辐射入射孔2的孔盖1、37度天顶角天空下行辐射入射孔5的孔盖7内顶的镀金板嵌入上述孔盖1、7，求解出地物比辐射率测定ε 3值。在所述第一部分步骤A中，将待测地物置于所述观测地物定位板10的地物观测孔11中，所述反射板的镀金反射圆板与所述地物观测孔11重合，即所述镀金反射圆板下表面与待测地物表面保持相同位置；所述反射板的镀金反射圆板还与所述主腔体3的O度天顶角天空下行辐射入射孔2对准。本发明所提供的三源便携式比辐射率测定仪利用37度天顶角天空下行辐射和O度天顶角天空下行辐射组成三个辐射源测定比辐射率，测量内容增加，测量精度高，并在红外辐射计的观测孔上设置调节孔尺寸的可拆卸的转接孔，能适应不同的红外辐射计的透镜尺寸。
图I为本发明三源便携式比辐射率测定仪的剖视图。图2为本发明三源便携式比辐射率测定仪的侧视图附图标记说明1,4,7-孔盖，2-0度天顶角天空下行辐射观测孔，3_主腔体，5-37度天顶角天空下行辐射观测孔，6、9_侧腔体，8-红外辐射计观测孔，10-观测地位定位板11-地物观测孔
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。图I为本发明三源便携式比辐射率测定仪的示意图，其包括腔体、观测地物定位板10和红外辐射计，该腔体包括主腔体3、侧腔体6和9，其中所述侧腔体6和9位于主腔体3两侧，各腔体相连通且每个腔体内外抛光镀金，所述主腔体的顶面与底面相平行并与水平面平行，该顶面上开有天空下行辐射入射孔，该入射孔为O度天顶角天空下行辐射入射孔2，与所述顶面相接的两个面的垂直线分别与垂直于顶面的中轴线呈45度和37度，所述与顶面的中轴线呈45度的平面为侧腔体6的顶面，其上开有红外辐射计观测孔8以插入红外 辐射计，所述与顶面的中轴线呈37度的平面为侧腔体9的顶面，其上开有37度天空下行辐射入射孔5，上述三个入射孔均入配有孔盖，其中所述O度天顶角天空下行辐射入射孔和37度天顶角天空下行辐射入射孔所配的孔盖I和4内均贴有比辐射率为I的圆形塑料片，该圆形塑料片的内径与其孔盖相同，每个圆形塑料片上嵌有可拆卸的镀金板。所述观测地物定位板10置于所述主腔体3及地物之间，其上开有地物观测孔11，该定位板10与主腔体3之间还设置反射板，反射板中心为与地物观测孔尺寸形状相同的镀金反射圆板，所述观测地物定位板及反射板之间采用可拆卸方式固定使地物观测孔与镀金反射圆板重合。所述比辐射率测定仪中安装红外辐射计的观测孔上设置可拆卸的转接孔以调节孔的尺寸。使用上述三源便携式比辐射率测定仪测定比辐射率的方法分为三部分第一部分，以37度天顶角天空下行辐射为大气下行辐射源，得出地物比辐射率测定^值，具体分成以下步骤A、置待测地物于观测地物定位板10的地物观测孔11中，将反射板盖在观测地物定位板上，将镀金反射圆板与地物观测孔11重合后将定位板10与反射板固定，即镀金反射圆板下表面与地物表面保持相同位置，将主腔体3置于反射板上，使主腔体的O度天顶角天空下行辐射入射孔2对准反射板的镀金反射圆板，将红外测温仪镜头插入红外辐射计观测孔8，分别盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔和O度天顶角天空下行辐射入射孔的孔盖I和4，两个孔盖内均贴有比辐射率为I或接近I的圆形塑料片，该圆形塑料片的内径与其孔盖相同，每个圆形塑料片上嵌有可拆卸的镀金板，测定仪进入待测状态；B、打开37度天顶角天空下行辐射入射孔的孔盖4，此时将O度天顶角孔盖I内的镀金板嵌入孔盖，读取红外测温仪显示的等效天空温度读数，即大气下行辐射照度E1 ；C、将37度天顶角孔盖4内顶的镀金板取出，露出塑料片，将该孔盖4盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5，读取红外测温仪显示的等效主腔体温度读数，即主腔体室温辐射照度E2 ；D、抽出被测地物位置的镀金反射圆板，露出被测地物，读取红外测温仪显示的地物表面温度读数，即主腔体室温下的目标物出辐射度M2 ；E、再打开37度天顶角天空下行辐射入射孔的孔盖4，读取红外测温仪显示的地物表面温度读数，即大气下行辐射下的目标物出辐射度M1 ；
F、将孔盖4内顶的镀金板嵌入孔盖，将该孔盖4盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5，完成第一部分的4次测定，根据这4次读数构成的方程组，求解出地物比辐射率测定Eiit；其中第二部分采用以下步骤将第一部分B-F步骤中的打开或盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5改为打开或盖上O度天顶角天空下行辐射入射孔2，此时将37度天顶角孔盖4内的镀金板嵌入孔盖4，求解出地物比辐射率测定ε2值；其中第三部分采用以下步骤将第一部分B-F步骤中的打开或盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5改为同时打开或盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔5和O度天顶角天空下行辐射入射孔2，并同时将0、37度天顶角孔盖I和4内顶的镀金板取出，同时露出塑料片。求解出地物比辐射 率测定ε3值。比较上述步骤计算得出的ε P ε 2、ε 3，可以得出本发明的三源便携式比辐射率测定仪测量的稳定性，通常比辐射率测定值的差异在3%-8%，在外界环境稳定的条件下，测定值的差异在2%-5%。
权利要求
1.一种三源便携式比辐射率测定仪，其包括腔体、观测地物定位板(10)和红外辐射计，所述观测地物定位板(10)置于所述腔体及地物之间，所述三源便携式比辐射率测定仪的特征在于 所述腔体的顶部由三个呈不同角度的平面组成，位于中间的腔体顶面与底面相平行并与水平面平行，在该顶面上开有O度天顶角天空下行辐射入射孔(I)； 在所述中间腔体顶面的左右两侧的平面与所述中间顶面呈角度连接；其中一个平面的垂直线与垂直于中间顶面的中轴线呈45度；另一个平面的垂直线与垂直于中间顶面的中轴线呈和37度； 且在所述与顶面的中轴线呈45度的平面上开有红外辐射计观测孔(8)，用于插入红外辐射计，所述与顶面的中轴线呈37度的平面上开有37度天空下行辐射入射孔(5)，上述三个入射孔均配有孔盖(1、4、7); 所述腔体内外抛光镀金，所述O度天顶角天空下行辐射入射孔所配的孔盖(I)和所述37度天顶角天空下行辐射入射孔所配的孔盖(7)内均贴有比辐射率为I的圆形塑料片，该圆形塑料片的内径与其孔盖相同，每个圆形塑料片上嵌有可拆卸的镀金板，该镀金板的比辐射率为O. 016接近0，其反射率为O. 99接近I ; 所述观测地物定位板(10)上开有地物观测孔(11)，该观测地物定位板(10)与腔体之间还设置反射板，所述反射板中心为与地物观测孔(11)尺寸形状相同的镀金反射圆板。
2.根据权利要求I所述的一种三源便携式比辐射率测定仪，其特征在于 所述观测地物定位板及反射板之间采用可拆卸方式固定使地物观测孔对准镀金反射圆板。
3.根据权利要求I或2所述的一种三源便携式比辐射率测定仪，其特征在于 所述腔体包括互相连通的主腔体(3)和侧腔体(6、9)，所述侧腔体(6、9)位于所述主腔体两侧，开有O度天顶角天空下行辐射入射孔的顶面对应的腔体为主腔体(3)，开有红外辐射计观测孔的顶面和开有37度天空下行辐射入射孔的顶面对应的腔体为侧腔体(6、9)，所述侧腔体(6、9)侧壁上设置凹槽。
4.根据权利要求I至3任一项所述的一种三源便携式比辐射率测定仪，其特征在于 所述比辐射率测定仪中红外辐射计观测孔(8)上套有可拆卸的转接孔。
5.一种使用如权利要求I至4任一项所述的三源便携式比辐射率测定仪测定比辐射率的方法，其特征在于包括如下第一部分、第二部分和第三部分 第一部分，以37度天顶角天空下行辐射为大气下行辐射源，得出地物比辐射率测定ε !值 Α、将观测地物定位板(10)盖在待测地物上，再将中心为镀金反射圆板的反射板固定在所述观测地物定位板(10)上，将主腔体(3)置于镀金反射圆板上，将红外测温仪镜头插入红外辐射计观测孔(8)，分别盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)的孔盖(7)，即同时将该孔盖(7)内的塑料片和镀金板盖上，并同时盖上O度天顶角天空下行辐射入射孔(2)的孔盖(1)，即同时将该孔盖(I)内的塑料片和镀金板盖上，测定仪进入待测状态； B、打开37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)的孔盖(7)，此时将O度天顶角天空下行辐射入射孔(2)的孔盖(I)内的镀金板嵌入孔盖(I )，读取红外测温仪显示的等效天空温度读数，即大气下行辐射照度E1 ；C、将37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)的孔盖(7)内顶的镀金板取出，露出塑料片，将该塑料片孔盖(7)盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)，读取红外测温仪显示的等效主腔体(3)的温度读数，即主腔体(3)室温辐射照度E2 ； D、抽出被测地物位置的镀金反射圆板，露出被测地物，读取红外测温仪显示的地物表面温度读数，即主腔体(3)室温下的目标物出辐射度M2 ； E、再打开37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)的孔盖(7)，读取红外测温仪显示的地物表面温度读数，即大气下行辐射下的目标物出辐射度M1 ； F、将37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)的孔盖(7)内的镀金板嵌入孔盖(7)，将该孔盖(7)盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)，完成第一部分的4次测定，根据这4次读数构成的方程组，求解出地物比辐射率测定ε i值； 第二部分，以O度天顶角天空下行辐射为大气下行辐射源，得出地物比辐射率测定ε 2值 将第一部分B-F步骤中的打开或盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)改为打开或盖上O度天顶角天空下行辐射入射孔(2)，并在步骤B中将37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)的孔盖(7)内的镀金板嵌入孔盖(7)，在步骤C中将O度天顶角天空下行辐射入射孔(2)的孔盖(I)内顶的镀金板取出，露出塑料片，将该塑料片孔盖盖上。在步骤F中将O度天顶角天空下行辐射入射孔(2)的孔盖(I)内顶的镀金板嵌入孔盖(1)，求解出地物比辐射率测定ε 2值； 第三部分，以37度天顶角天空下行辐射和O度天顶角天空下行辐射同时为大气下行辐射源，得出地物比辐射率测定ε 3值 将第一部分B-F步骤中的打开或盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)改为同时打开或盖上37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)和O度天顶角天空下行辐射入射孔(2)，并在步骤C中同时将O度天顶角天空下行辐射入射孔(2)的孔盖(I)和37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)的孔盖(7)内顶的镀金板同时取出，同时露出塑料片，将该塑料片孔盖盖上。在步骤F中同时将O度天顶角天空下行辐射入射孔(2)的孔盖(1)、37度天顶角天空下行辐射入射孔(5)的孔盖(7)内顶的镀金板嵌入上述孔盖(1、7)，求解出地物比辐射率测定ε 3值。
6.根据权利要求5所述的一种测定比辐射率的方法，其特征在于 在所述第一部分步骤A中，将待测地物置于所述观测地物定位板(10)的地物观测孔(11)中，所述反射板的镀金反射圆板与所述地物观测孔(11)重合，即所述镀金反射圆板下表面与待测地物表面保持相同位置；所述反射板的镀金反射圆板还与所述主腔体(3)的O度天顶角天空下行辐射入射孔(2)对准。
全文摘要
本发明公开了一种三源便携式比辐射率测定仪及其测定方法，其包括腔体、观测地物定位板(10)和红外辐射计，所述腔体的顶部由三个呈不同角度的平面组成，即0度天顶角天空下行辐射入射孔(1)、红外辐射计观测孔(8)和37度天空下行辐射入射孔(5)，上述三个入射孔均配有孔盖(1、4、7)；所述观测地物定位板(10)上开有地物观测孔(11)，该观测地物定位板(10)与腔体之间还设置反射板，所述反射板中心为与地物观测孔(11)尺寸形状相同的镀金反射圆板。本发明所公开的测量方法分别以37度、0度以及37度和0度的天顶角天空下行辐射为辐射源，测量比辐射率，其测量内容增加，测量精度高，测定仪的结构能适应不同红外辐射计的透镜尺寸。
文档编号G01J5/00GK102879104SQ20121036368
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者张仁华, 邵全琴, 樊江文, 邴龙飞 申请人:中国科学院地理科学与资源研究所