一种热红外载荷便携式野外定标及水面温度验证系统装置

摘要

热红外载荷便携式野外定标及水面温度验证系统装置，由铝塑管、硬塑管、篮球和直角三通连接器组成漂浮装置，在漂浮装置顶部设置测量仪器搭载平台，平台上搭载红外辐射计KT15、数据采集器和蓄电池。用锡箔纸包裹搭载平台的底部和KT15，以减少测量平台本身的红外辐射对观测结果的影响。该装置能够在野外自动观测并存储长期的观测数据，且可放置于水面进行测量；将采集到的辐射温度数据和同步探空数据同时输入到配套开发的辐射定标模块中，可计算出定标系数，用于热红外传感器的辐射定标；同时，在水面测量时，由于KT15测得的辐射温度代表一定面积上的水体辐射值，结合配套的温度验证模块即可计算出代表一定面积范围的水面温度，用于遥感反演地表温度的验证。

主权项

热红外载荷便携式野外定标及水面温度验证系统装置，其特征在于包括：漂浮平台、热红外辐射温度测量装置、热红外辐射定标模块和地表温度验证模块；其中：所述漂浮平台：提供整个采集系统的浮力，通过硬塑管、铝塑管和篮球搭建一个稳定的仪器搭载平台，其中由四根硬塑管组成的正方形底盘提供恢复力矩用以抵消水面波动和风产生的干扰力矩；由两根可弯曲的铝塑管组成的交叉拱形框架与正方形底盘组合成一体，并在拱顶设计一个离水的水平装置平台用于搭载测量仪器；所述正方形四角各固定一个篮球用以提供水面上的浮力；所述热红外辐射温度测量装置：负责热红外辐射温度数据的采集和存储；由红外辐射计、数据采集器和蓄电池组成，并搭载在组建的漂浮平台上，其中蓄电池为红外辐射计和数据采集器提供电力支持，红外辐射计负责水面辐射温度的测量，数据采集器则根据采样的频率、积分的时间间隔等设置将红外辐射计测得的红外辐射温度数据进行存储和管理；所述热红外辐射定标模块：负责野外热红外传感器辐射定标，根据采集得到的红外辐射温度数据，计算出最终的红外传感器定标系数；具体过程如下：(1)根据下面的普朗克方程，将红外辐射计测量的热红外辐射温度转换为辐射亮度：$B\left(T_g\right)=\frac{C_1{\lambda }_{cen}^{-5}}{\exp \left(\frac{C_2}{{\lambda }_{cen}{T}_g}\right)-1}---\left(1\right)$式中，C₁为第一辐射常数，等于1.191×10⁸W·(μm)⁴/(Sr·m²)；C₂为第二辐射常数，等于1.439×10⁴μm·K；λ_cen为红外辐射计光谱响应范围的中心波长；T_g为红外辐射计测量的地面上的红外辐射温度；(2)在进一步结合地面探空数据和大气辐射传输模型MODTRAN4计算出大气透过率τ和大气上行辐射亮度的情况下，根据下面的公式模拟计算出星载或机载传感器瞳孔处接收到的辐射亮度B(T)：$B\left(T\right)=B\left(T_g\right)\tau +R_{atm}^{\uparrow }---\left(2\right)$(3)结合星载或机载热红外传感器实际输出的数字影像DN值，即可根据下面的关系式拟合出热红外传感器指定通道的定标系数A和B，从而实现热红外传感器的辐射定标:B(T)＝A*DN+B   (3)；所述地表温度验证模块：负责地表温度验证的实现，根据红外辐射计采集到地面上的红外辐射温度数据，在经过公式(1)换算成辐射亮度数据以后，结合热红外辐射传输方程计算并反演出最终的地表温度T_s，用于遥感反演地表温度的验证；具体实现过程如下：(31)在地势平坦、下垫面均匀的水面上同时放置几个相同的这种辐射温度测定装置，利用公式(1)将测得的辐射温度数据换算成辐射亮度数据以后，再利用下面的公式对所有辐射亮度数据计算平均值即可获取星载或机载像元尺度范围内的辐射亮度值：$\bar{B}\left(T_g\right)=\frac{1}{n}\underset{j=1}{\overset{n}{\Sigma }}{B}_j\left(T_{g\_j}\right)---\left(4\right)$式中，n为在水面上放置的辐射温度测定装置的个数，n要根据待验证传感器像元分辨率的大小而定；(32)在测量区范围内同时放置一个这种辐射温度测定装置对天空垂直观测，并利用公式(1)将测得的辐射温度数据换算成辐射亮度数据，即获得了大气下行辐射亮度(33)在假设均匀下垫面水体的发射率ε已知的情况下，就可结合下面两方程式计算出像元尺度的地表温度T_s，从而实现对遥感反演地表温度算法的验证；$B\left(T_s\right)=\frac{\bar{B}\left(T_g\right)-(1-ϵ)R_{atm}^{\downarrow }}{ϵ}---\left(5\right)$$T_s=\frac{C_2}{{\lambda }_{cen}ln(\frac{C_1{\lambda }_{cen}^{-5}}{B\left(T_s\right)}+1)}---\left(6\right)$式中，B(T_s)代表像元尺度范围内地表温度为T_s时黑体的辐射亮度，是n个红外辐射计测量的辐射温度转为辐射亮度后的平均值，ε为水体的发射率，为大气下行辐射亮度，C₁、C₂和λ_cen与公式(1)中用到的符号相同。