一种适用于地面目标温度的高精度估算方法
技术领域
本发明属于地面目标温度信息提取
技术领域
，具体涉及一种适用于地面目标温度的高精度估算方法。背景技术
红外辐射是自然界中存在最为广泛的热辐射，且可以被热红外探测仪器所获取。只要物体的表皮温度高于绝对零度，他就会不断地向外辐射能量。现今，可用于直接获取地面目标温度信息的仪器有热像仪、测温仪等，该类设备虽然可以直接显示地面目标的温度信息，但初始测量的信息并非温度信息而是热辐亮度数据，然后通过假设目标发射率值推算出温度信息。然而，地面目标发射率值往往很难准确估计，当发射率假设值相差0.02时，则温度估算值将相差1.5℃。此外，该类仪器光谱分辨率低，在热红外谱带仅有一个波段，大大限制了目标温度信息估算的精度。因此，该类仪器无法应用于高精度温度信息提取。
除上述直接测温的热红外设备外，便携式傅立叶变换热红外光谱仪(简称“102F热红外光谱仪”)和BOMEN高精度光谱辐射计等地面红外探测设备亦可获取地面目标热辐亮度数据，尤其是102F热红外光谱仪光谱分辨率可达1纳米，可以精确测量地面目标在不同热红外波段的热辐亮度值。但测量的目标热辐亮度值是其发射率与温度耦合的结果，一个方程两个未知数，这就需要研发相应的技术方法来估算目标温度值。而且，日常应用中通过检测是否存在微小温度异常来作为判断仪器设备等器材是否正常运行的重要标志。因此，开发一种适用于地面目标温度高精度估算方法十分必要，该方法对于准确获取地面目标的高精度温度信息，用于开展目标温度弱异常检测具有十分重要的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术方法不足，提供一种适用于地面目标温度的高精度估算方法，该方法能够准确获取地面目标的温度信息。
为解决上述技术难题，本发明一种适用于地面目标温度的高精度估算方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)选取热辐亮度测量仪器和地面目标选取；
步骤(2)选择热辐亮度数据测量时间和环境；
步骤(3)、计算大气下行辐射热辐亮度函数Latm↓(λ)；
步骤(4)测量地面目标热红外辐亮度函数Ls(λ,T)；
步骤(5)确定地面目标温度估计范围值；
步骤(6)计算上述步骤(5)得到的地面目标温度估计值对应波长的绝对黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)；
步骤(7)根据上述步骤(3)中得到的大气下行热红外辐亮度函数Latm↓(λ)、步骤(4)中得到的地面目标热红外辐亮度数据Ls(λ，T)、步骤(6)中得到的地面目标温度估计值对应波长的绝对黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)，计算得到地面目标在不同温度估计值下的发射率ε(λ，T)；
步骤(8)计算上述步骤(7)中得到的地面目标在不同温度估计值下的发射率ε(λ，T)曲线的平滑度函数WJH(εi,T)；
步骤(9)计算上述步骤(8)中得到的地面目标在不同温度估计下发射率曲线平滑度函数WJH(εj,T)的对数，并获取样本在不同温度估计下的发射率曲线平滑度图；
步骤(10)根据上述步骤(9)中得到的样本在不同温度估计下的发射率曲线平滑度图，确定地面目标最佳温度值。
所述步骤(1)中的热辐亮度测量仪器选取热红外光谱仪；选取高度小于1米、直径大于2厘米的地面目标物体。
所述的步骤(3)具体包括以下步骤：
步骤(3.1)计算绝对黑体的热红外辐亮度函数B(λ，Tg)；
步骤(3.2)根据上述步骤(3.1)计算得到的热红外辐亮度函数B(λ，Tg)，计算大气下行热红外辐亮度函数Latm↓(λ)。
所述的步骤(3.1)中的绝对黑体的热红外辐亮度函数
所述的步骤(3.2)中的大气下行热红外辐亮度函数Latm↓(λ)＝(Lg(λ，Tg)-(1-R)×B(λ，Tg))/R。
所述的步骤(4)中使用热红外光谱仪测量得到地面目标热红外辐亮度函数Ls(λ,T)，具体测量步骤如下：使用接触式点温仪测量样本的温度值Ts，将样本放置在热红外光谱仪测量漫反射金板热红外辐亮度数据时的同等高度位置，即测量得到样本在温度T时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数Ls(λ,T)。
所述的步骤(5)的具体步骤如下：以上述步骤(4)中接触式点温仪测量的样本的温度值Ts为样本温度初值，以该初值为基础，以0.01℃温差间隔产生一个温度分布范围Ts-10℃～Ts+10℃，为地面目标温度估计值范围。
所述的步骤(6)中的绝对黑体热红外辐亮度函数
所述的步骤(7)中的地面目标在不同温度估计值下的发射率值
所述的步骤(8)中的平滑度函数WJH(εj,T)＝COV(ε(vi+1,T)/ε(vi,T))。
所述的步骤(9)的具体步骤如下：计算样本在步骤(8)中获取的不同温度估计下发射率曲线平滑度函数以2为底的对数log2(WJH(εi,T))，将样本不同温度估计值作为X轴，每个温度估计值对应的发射率曲线平滑度对数值作为Y轴，获取样本在不同温度估计下的发射率曲线平滑度对数图。
所述的步骤(10)的具体步骤如下：从步骤(9)中得到的不同温度估计下发射率平滑度对数图中，获取Y轴发射率曲线平滑度最小值对应的温度值，即为地面目标的最佳温度估算值。
本发明的有益技术效果在于：
(1)本发明提供的一种适用于地面目标的温度高精度估算方法，可获取仪器设备的高精度温度信息，研判仪器在不同运行时间的温度差异，对于分析仪器运行是否存在异常，以便提前进行检测检修，确保设备正常工作具有重要作用。
(2)本发明提供的一种适用于地面目标的温度高精度估算方法，可获取电子线路板的高精度温度信息，为提前研判线路板是否存在断点和短路问题提供重要依据。
(3)本发明提供的一种适用于地面目标的温度高精度估算方法，可获取地面岩石在不同时间的温度信息，进而估算岩石热惯量，识别热惯量异常，为开展铀矿、石油等能源矿产潜力预测提供重要依据。
(4)本发明提供的一种适用于地面目标的温度高精度估算方法，可延伸应用于航空/航天热红外遥感技术大范围快速开展地面温度信息提取中，为开展相关温度估算方法研发提供重要参考。
附图说明
图1为采用本发明提供的一种适用于地面目标的温度高精度估算方法开展的以岩石固体样本为例的高精度温度估算结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的一种适用于地面目标温度的高精度估算方法，该方法包括如下步骤：
步骤(1)热辐亮度测量仪器和地面目标选取。
热辐亮度测量仪器选用102F热红外光谱仪，用于测量地面目标的热辐亮度数据；选取可适用于102F热红外光谱仪测量热辐亮度数据的地面物体作为地面目标实验样本，地面目标物体要求高度小于1米，直径大于2厘米。
如本实施例中，选取的地面目标实验样本为岩石固体样本，岩石固体样本的高度为0.15米，直径为0.10米。
步骤(2)热辐亮度数据测量时间和环境选择。
热辐亮度数据测量时间选取凌晨或者下午偏后至傍晚，热辐亮度数据测量环境选择气象条件稳定、无风雨的室外空旷地带等室外环境温度稳定、周围地物影响小的时间和地点开展测量。
步骤(3)计算大气下行辐射热红外辐亮度函数Latm↓(λ)。
步骤(3.1)计算绝对黑体的热红外辐亮度函数B(λ，Tg)；
使用测量精度高于0.5℃的接触式点温仪测量漫反射金板的温度值Tg，测量时，漫反射金板应保持干净；计算绝对黑体在温度为Tg时随波长λ变化的热红外辐亮度函数B(λ，Tg)，具体计算公式为：(式中，B(λ，Tg)为绝对黑体在温度为Tg时随波长λ变化的热红外辐亮度函数，单位为W·m-2·μm-1·sr-1，Tg为黑体的热力学温度，单位为K，λ为热红外谱段波长，单位为μm；cl＝1.12×10-16W·m2，c2＝14388μm·K。
步骤(3.2)根据上述步骤(3.1)计算得到的热红外辐亮度函数B(λ，Tg)，计算大气下行热红外辐亮度函数Latm↓(λ)
对102F热红外光谱仪进行冷热黑体标定，将测量仪光学镜头调整到距离漫反射金板垂直距离小于1米，测量漫反射金板在温度为Tg时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数Lg(λ，Tg)，计算以λ为变量的大气下行热红外辐亮度函数Latm↓(λ)＝(Lg(λ，Tg)-(1-R)×B(λ，Tg))/R，式中，Latm↓(λ)为以波长λ为变量的大气下行热红外辐亮度函数，Lg(λ，Tg)为漫反射金板在温度为Tg时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数，B(λ，Tg)为绝对黑体在温度为Tg时随波长λ变化的热红外辐亮度函数，R为已知漫反射金板反射率。
步骤(4)测量地面目标热红外辐亮度函数Ls(λ,T)。
使用接触式点温仪测量样本的温度值Ts，将样本放置在102F热红外光谱仪测量漫反射金板热红外辐亮度数据时的同等高度位置(与测量仪光学镜头的垂直距离相同，且小于1米)，即测量得到样本在温度T时，随波长λ变化的热红外辐亮度函数Ls(λ,T)。
步骤(5)确定地面目标温度估计范围值。
以上述步骤(4)中接触式点温仪测量的样本的温度值Ts为样本温度初值，以该初值为基础，以0.01℃温差间隔产生一个温度分布范围(Ts-10℃～Ts+10℃)，该温度分布范围(Ts-10℃～Ts+10℃)即为地面目标温度估计范围值。其中，Ts-10℃为温度最小值，Ts+10℃为温度最大值。例如，温度值Ts为20℃，则以0.01℃温差间隔产生一个温度估计范围为(10℃，10.01℃，10.02℃，10.03℃～29.97℃，29.98℃，29.99℃，30℃)。
步骤(6)计算上述步骤(5)得到的地面目标温度估计范围值对应波长的绝对黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)。
计算样本在以0.01℃为温差间隔，以Ts-10℃为温度最小值，Ts+10℃为温度最大值范围中的每一个温度估计值对应波长的黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)，具体计算公式为：(式中，B(λ，T)为绝对黑体在温度为T时随波长λ变化的热红外辐亮度函数，单位为W·m-2·μm-1·sr-1，T为估计的热力学温度，单位为K，λ为热红外谱段波长，单位为μm；cl＝1.12×10-16W·m2，c2＝14388μm·K。
步骤(7)根据上述步骤(3)中得到的大气下行热红外辐亮度函数Latm↓(λ)、步骤(4)中得到的地面目标热红外辐亮度函数Ls(λ，T)、步骤(6)中得到的地面目标温度估计值对应波长的绝对黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)，计算得到地面目标在不同温度估计值下的发射率ε(λ，T)。
步骤(3)中得到的大气下行热红外辐亮度函数Latm↓(λ)中、步骤(4)中得到的地面目标热红外辐亮度函数Ls(λ，T)、步骤(6)得到的地面目标温度估计值对应波长的绝对黑体热红外辐亮度函数B(λ，T)带入下述公式，计算得到样本在温度分布范围(Ts-10℃～Ts+10℃)内每一个温度估计值对应的发射率ε(λ，T)，计算公式为：
步骤(8)计算上述步骤(7)中得到的地面目标在不同温度估计值下的发射率ε(λ，T)曲线的平滑度函数WJH(εj,T)。
计算样本以0.01℃为温差间隔，以Ts-10℃为温度最小值，Ts+10℃为温度最大值范围中每一个温度值，对应的发射率曲线的平滑度函数WJH(εj,T)公式如下：WJH(εj,T)＝COV(ε(vi+1,T)/ε(vi,T))。
式中，i指发射率曲线的第i个波段，vi+1指第j条发射率曲线第i+1波段，vi指第j条发射率曲线第i波段，ε(vi,T)指样本温度估计值为T时，第j条发射率曲线第i波段的发射率值；ε(vi+1,T)指样本温度估计值为T时，第j条发射率曲线第i+1波段的发射率值；j指第j条发射率曲线，εj指第j条发射率曲线的发射率值，WJH(εj,T)指样本温度估计值为T时，第j条发射率曲线的平滑度值；COV表示协方差计算值。
步骤(9)计算上述步骤(8)中得到的地面目标在不同温度估计下发射率曲线平滑度函数WJH(εj,T)的对数，并获取样本在不同温度估计下的发射率曲线平滑度图。
计算样本在步骤(8)中获取的不同温度估计下发射率曲线平滑度函数以2为底的对数log2(WJH(εi,T))。将样本不同温度估计值作为X轴，每个温度估计值对应的发射率曲线平滑度对数值作为Y轴，获取样本在不同温度估计下的发射率曲线平滑度对数图。
步骤(10)根据上述步骤(9)中得到的样本在不同温度估计下的发射率曲线平滑度图，确定地面目标最佳温度值。
从步骤(9)中得到的不同温度估计下发射率平滑度对数图中，获取Y轴发射率曲线平滑度最小值对应的温度值，即为地面目标样本的最佳温度估算值，本实施中的最佳温度估算值为28.68℃。
采用本发明的方法估算的地面目标温度理论精度可达0.01℃，如图1所示。
综合上述分析，本方法可获取地面目标的高精度温度数据，应用于仪器运行异常检测，电子线路板断点检测，岩石热惯量计算，核电站温排水异常检测等领域，为提高航空/航天热红外遥感大范围、快速识别目标温度精度奠定了重要基础。
上面对本发明的实施例作了详细说明，上述实施方式仅为本发明的最优实施例，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
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