一种热红外地表温度遥感反演测试系统及其控制方法技术方案

本发明专利技术属于热红外成像和测温技术领域，公开了一种热红外地表温度遥感反演测试系统及其控制方法，包括控温玻璃水箱、低发射率基板、条纹靶标、玻璃水箱测温及控温组件、转台、红外滤光片、红外空间遥感相机的等效光学系统、非制冷热红外探测器以及可调节支架；条纹靶标通过玻璃水箱进行控温，从条纹靶标发出的热辐射经过等效光学系统聚焦成像在红外探测器上，如果红外探测器经过面源黑体的辐射定标，则由红外探测器像元级的有效读数反推得到对应目标尺度的温度信息。本发明专利技术可以人为对温度反演的关键要素进行调控，对于开展热红外地表温度遥感反演的机理研究，热红外空间遥感仪器定标以及定量化研究等都具有重要意义。及定量化研究等都具有重要意义。及定量化研究等都具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种热红外地表温度遥感反演测试系统及其控制方法


[0001]本专利技术属于热红外成像和测温
，尤其涉及一种可以在实验室条件下开展的热红外地表温度遥感反演测试系统及其控制方法。

技术介绍

[0002]目前，8～12.5μm的热红外谱段可以用于反演陆表及海表温度，在气候变化、水资源管理、城市热力研究等方面发挥着重要作用。相较于基于地面气象站的温度测量，基于热红外空间遥感仪器的成像数据开展的地表温度遥感反演具有覆盖范围广、工作效率高等优势。
[0003]基于热辐射传输的遥感测温过程复杂，中间环节多，待测量多，如果对反演过程处理不当将会引起较大的反演误差。目前，对热红外地表温度产品的校验主要依赖数量有限的地面校验场以及同类型热红外空间遥感仪器的交叉定标。但是，受制于轨道参数、空间尺度、观测角度以及响应谱段等方面限制，难以做到实时准确的绝对校验。
[0004]另一方面，目前热红外空间遥感仪器的地表温度遥感反演还面临诸多难题，需要依赖实验的方法进行原理和技术验证，其中就包括异质像元效应、临近像元效应、空间尺度变换、观测角度、响应通道以及大气条件等方面的影响。目前，在基于校验场数据的遥感温度反演过程面临诸多因素，而难以开展单一因素的影响分析，同样不利于遥感反演精度的提升和算法改进。
[0005]基于热红外辐射传输的地表温度遥感反演过程复杂，中间环节多，待测量多，反演过程中部分因素作用机制并不明确，如果对反演过程处理不当将会引起较大的反演误差。热红外地表温度遥感反演的精度主要受地物目标物理属性、热辐射传输路径以及空间遥感仪器的系统响应等方面影响。
[0006]目前，对热红外地表温度遥感反演产品的验证主要依赖数量有限的地面校验场和空间遥感仪器间的交叉定标。热红外校验场的类型、数量和位置都非常有限，同时受热红外空间遥感仪器运行轨道、幅宽、分辨率、大气条件以及人为因素等影响，可提供的使用时间和频次等都相对有限，此外对人、环境和时间的一致性要求高，需要开展同步的星地联测。交叉定标采用光谱响应函数归一化的方法，通过与世界公认的经过高精度定标的空间遥感仪器相关联，进行遥感数据反演。但是由于不同空间遥感仪器在轨道参数、幅宽、分辨率和响应谱段等方面的差异，如处理不当，将引入较大校验误差，同时这是一种非独立的相对检验。
[0007]此外，热红外地表温度遥感反演过程中仍然有部分物理机制或作用机理不明确，需要通过实验方法进行验证，其中就包括目前亟待解决的异质像元问题、临近像元效应、空间尺度效应以及热红外观测角度和响应谱段等方面的问题。直接在校验场开展以上问题研究面临诸多不确定因素。因此，从遥感测温机理研究方面也迫切需要实验平台和相关设施。
[0008]热红外空间遥感仪器难以直接应用于实验平台，原因是这类仪器通常将入射光线设计为来自无穷远的平行光线，而对室内有限距离的地物目标难以成像。如果利用平行光
管开展实验，一方面受放大倍率制约难以开展像元级的温度反演验证，另一方面容易引入实验误差。
[0009]通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
[0010](1)现有基于热辐射传输的遥感测温过程复杂，中间环节多，待测量多，反演过程中部分因素作用机制并不明确，如果对反演过程处理不当将会引起较大的反演误差；同时现有技术难以做到实时准确的绝对校验。
[0011](2)目前热红外地表温度遥感反演还面临诸多难题需要依赖实验的方法进行验证，同时在基于校验场数据的温度反演过程中面临诸多因素，而难以开展单一因素的影响分析，同样不利于反演精度的提升和算法改进。
[0012](3)直接在校验场开展以上问题研究面临诸多不确定因素；热红外空间遥感仪器难以直接应用于实验平台，如果利用平行光管开展实验，受放大倍率影响难以开展像元级的温度反演验证，并引入实验误差。

技术实现思路

[0013]针对现有技术存在的问题，本专利技术提供了一种热红外地表温度遥感反演测试系统及其控制方法。
[0014]本专利技术是这样实现的，一种热红外地表温度遥感反演测试的控制方法，所述热红外地表温度遥感反演测试的控制方法包括以下步骤：
[0015]步骤一，在保持热红外空间遥感仪器视场角不变的前提下，采用等比例缩放方法构建实验室内的等效模型，包括设计和确定等效光学系统参数、热红外探测器选型以及像元级条纹靶标的设计；
[0016]步骤二，设计和制作条纹靶标，采用高发射率的薄片材料制作条纹靶标，条纹靶标的间隔宽度与探测器像元尺寸成正比，体现地物目标的细节特征；采用低发射率材料制作条纹基板，并将条纹薄片粘贴在条纹基板上，正对光学系统，条纹与条纹基板由于发射率的差异形成热成像所需的对比度；
[0017]步骤三，采用至少两种不同的高发射率材料制作条纹薄片，基于反演算法开展地物目标温度反演；同时设计多种规格线宽的条纹，分别对应于探测器的单个像元或多个像元，便于开展单一像元和多像元融合的实验对照；
[0018]步骤四，将条纹靶标基板粘贴在玻璃水箱安装面上，通过水箱实现对条纹靶标的控温；同时水箱安装在高精密的一维转台上，实现方位方向
±
90
°
的角度调节，方便设置观测角度；
[0019]步骤五，采用非制冷热红外探测器完成热红外图像的采集，并通过在热辐射传输路径中设置红外滤光片实现对系统光谱响应的调控。
[0020]进一步，所述步骤一中，根据热红外空间遥感仪器的光学参数，采用等比例缩放的方法完成实验室内等效光学系统的设计，给出对视场、焦距、像元尺寸、规模以及响应谱段的要求；其中，所述光学参数包括轨道高度、有效视场以及像元分辨率，所述等比例缩放方法依据下式进行设计：
[0021][0022]其中，fov是热红外空间遥感仪器的有效视场，单位是
°
；W是有效幅宽，单位km；H是轨道高度，单位km；L是条纹靶标的基板宽度，单位mm；D是等效光学系统的工作距离，单位mm；a是热红外探测器的像元尺寸，单位mm；N是探测器的单边像元数；f是等效光学系统的焦距，单位mm。
[0023]根据光学系统视场和像元分辨率要求选用非制冷热红外探测器，完成等效光学系统与非制冷探测器的耦合。
[0024]进一步，所述步骤二和步骤三中，根据光学系统视场和工作距离要求，计算条纹靶标的基板尺寸及基础线宽；采用至少两种高发射率材料制作条纹薄片，设计多种线宽的条纹组，包括基础线宽、2倍线宽、3倍线宽、4倍线宽以及5倍线宽；所述条纹薄片的发射率需要事先标定，作为已知量参与反演；条纹基板背面覆有粘贴胶，用于粘贴在玻璃水箱的安装面，水箱需要具备测温和控温组件，实现对靶标温度调节和稳定。
[0025]采用至少两种高发射率薄片材料制作条纹靶标，所述条纹靶标采用镂空设计，其中空白部分与线条部分等宽，基础线宽对应于等效系统的像元分辨率；设计多种线宽的条纹，分别对应于探测器的单个像元或多个像元。
[0026]其中，单个像元对应的基础线宽通过下式计算：
[0027][0本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热红外地表温度遥感反演测试的控制方法，其特征在于，所述热红外地表温度遥感反演测试的控制方法包括以下步骤：步骤一，在保持热红外空间遥感仪器视场角不变的前提下，采用等比例缩放方法构建实验室内的等效模型，包括设计和确定等效光学系统参数、热红外探测器选型以及像元级条纹靶标的设计；步骤二，设计和制作条纹靶标，采用高发射率的薄片材料制作条纹靶标，条纹靶标的间隔宽度与探测器像元尺寸成正比，体现地物目标的细节特征；采用低发射率材料制作条纹基板，并将条纹薄片粘贴在条纹基板上，正对光学系统，条纹与条纹基板由于发射率的差异形成热成像所需的对比度；步骤三，采用至少两种不同的高发射率材料制作条纹薄片，基于反演算法开展地物目标温度反演；同时设计多种规格线宽的条纹，分别对应于探测器的单个像元或多个像元，便于开展单一像元和多像元融合的实验对照；步骤四，将条纹靶标基板粘贴在玻璃水箱安装面上，通过水箱实现对条纹靶标的控温；同时水箱安装在高精密的一维转台上，实现方位方向
±
90
°
的角度调节，方便设置观测角度；步骤五，采用非制冷热红外探测器完成热红外图像的采集，并通过在热辐射传输路径中设置红外滤光片实现对系统光谱响应的调控。2.如权利要求1所述的热红外地表温度遥感反演测试的控制方法，其特征在于，所述步骤一中，根据热红外空间遥感仪器的光学参数，采用等比例缩放的方法完成实验室内等效光学系统参数的计算，给出对视场、焦距、像元尺寸及规模、响应谱段的要求；其中，所述光学参数包括轨道高度、有效视场以及像元分辨率，所述等比例缩放方法依据下式进行设计：其中，fov是热红外空间遥感仪器的有效视场，单位
°
；W是有效幅宽，单位km；H是轨道高度，单位km；L是条纹靶标的基板宽度，单位mm；D是等效光学系统的工作距离，单位mm；a是热红外探测器的像元尺寸，单位mm；N是探测器长边的像元数；f是等效光学系统的焦距，单位mm；根据光学系统视场和像元分辨率要求选用非制冷热红外探测器，完成等效光学系统与非制冷探测器的耦合。3.如权利要求1所述的热红外地表温度遥感反演测试的控制方法，其特征在于，所述步骤二和步骤三中，根据光学系统视场和工作距离要求，计算条纹靶标的基板尺寸及基础线宽；采用至少两种高发射率材料制作条纹薄片，设计多种线宽的条纹组，包括基础线宽、2倍线宽、3倍线宽、4倍线宽以及5倍线宽；所述条纹薄片的发射率事先标定，作为已知量参与反演；条纹基板背面覆有粘贴胶，用于粘贴在玻璃水箱外侧，利用水箱实现温度调节和稳定；采用至少两种高发射率薄片材料制作条纹靶标，所述条纹靶标采用镂空设计，其中空白部分与线条部分等宽，基础线宽对应于等效系统的像元分辨率；设计多种线宽的条纹，分别对应于探测器的单个像元或多个像元；其中，单个像元对应的基础线宽通过下式计算：
其中，d是条纹板的基础线宽；a是热红外探测器的像元尺寸，D是等效光学系统的工作距离，f是等效光学系统的有效焦距，单位mm。4.如权利要求1所述的热红外地表温度遥感反演测试的控制方法，其特征在于，所述步骤四中，选用尺寸适合的玻璃水箱，水箱包括完整的平面用于粘贴条纹靶标基板，水箱内的水覆盖基板；利用温度计和电加热棒组件实现对水箱的实时测温和控温，并具备10～70℃的调温能力；所述步骤五中，根据系统响应谱段选用红外滤光片，所述滤光片设置在光学系统入瞳或热红外探测器前方，覆盖全部光学口径；同时包括滤光片支架和替换机构的辅助组件，通过更换滤光片实现对系统光谱响应的调控；所述非制冷探测器的参数与等效光学系统匹配，用于通过像元尺寸和面阵规模体现空间遥感仪器的分辨率和幅宽。5.如权利要求1所述的热红外地表温度遥感反演测试的控制方法，其特征在于，所述热红外地表温度遥感反演测试的控制方法还包括：根据如下方法开展基于实验平台的地表温度反演实验，当地物目标及传输路径对热辐射具有朗伯体性质，在实验室条件下的热辐射传输方程简化为：(ε1B(T
o
)+(1
‑
ε1)L
En
)τ＝L1；其中，T0是条纹靶标的温度，是待反演量；B()是普朗克函数；ε1是条纹靶标的发射率，作为已知量参与反演；L
En
是周围环境引起的热辐射；τ是实验平台热辐射传输路径的效率，包括传输路径的透过率η
a
、滤光片的透过率η
f
、光学系统的透过率η
o
以及热红外探测器的响应效率η
dec
，透过率事先标定，作为已知量参与反演；L1为光学系统的入瞳辐亮度，通过开展基于面源...

【专利技术属性】
技术研发人员：李亚冉，陈凡胜，陆强，马焕臻，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：