高精度海表皮溫紅外輻射測(cè)量系統(tǒng)?

張凱臨， 楊銘倫， 曲利芹， 管 磊

(中國(guó)海洋大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院海洋技術(shù)系， 山東 青島 266100)

海水可以存貯、傳輸大量熱量，海表溫度是一個(gè)緩慢變化量，所以是探測(cè)氣候變化趨勢(shì)的指征量之一。海表皮溫對(duì)海-氣交接面熱輻射交換的研究具有重要意義，國(guó)際上一致認(rèn)為，利用衛(wèi)星紅外輻射計(jì)測(cè)得的海表皮溫，便利性是傳統(tǒng)測(cè)量手段無(wú)法比擬的[1]。衛(wèi)星業(yè)務(wù)化運(yùn)行已有30多年。這些數(shù)據(jù)對(duì)氣候環(huán)境變化、海洋預(yù)測(cè)、大氣模型、生態(tài)評(píng)估、海洋漁業(yè)、防災(zāi)減災(zāi)等的研究具有非常重要的作用。

雖然上述數(shù)據(jù)如此重要，但在印證衛(wèi)星遙感方法獲得的海表皮溫方面，獲得實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)仍然非常困難。現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的收集和分析是任何一個(gè)地球觀測(cè)衛(wèi)星計(jì)劃中的重要部分[2-3]，決定了衛(wèi)星任務(wù)成功與否[4]。利用浮標(biāo)為主的接觸式測(cè)量方法來(lái)印證衛(wèi)星遙感獲得的海表皮溫必然引入海表皮溫與水體體溫的差別，因此誤差較大。利用非接觸式的船載紅外輻射計(jì)，來(lái)獲取印證紅外衛(wèi)星海表溫度測(cè)量結(jié)果的定點(diǎn)測(cè)量值，是高精度印證衛(wèi)星數(shù)據(jù)的唯一方法[5]。近年來(lái)多家科研單位進(jìn)行了海表紅外測(cè)溫輻射計(jì)方面的研究，有代表性的是全自動(dòng)船載紅外輻射計(jì)ISAR(Infrared Sea Surface Temperature Autonomous Radiometer，ISAR)[6]等。

(左前側(cè)為FIRST，右后側(cè)為ISAR。 FIRST on the left and ISAR on the right.)

為了獲取高精度海表溫度數(shù)據(jù)，并發(fā)展自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的海表測(cè)溫設(shè)備，中國(guó)海洋大學(xué)研制了高精度海表紅外測(cè)溫輻射測(cè)量系統(tǒng)OUCFIRST(The First Infrared Radiometer for measurements of Skin SST made by OUC，以下簡(jiǎn)稱(chēng)FIRST系統(tǒng))，設(shè)備在科考船的安裝如圖1所示。該系統(tǒng)使用熱釋電輻射傳感器，內(nèi)置掃描裝置，分別測(cè)量海表、天空、以及內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射量，對(duì)測(cè)量的海表輻射進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，從而得到精確的海表輻射值，最終反演計(jì)算得到高精度的海表皮溫。

1 系統(tǒng)介紹

本文介紹的海表紅外測(cè)溫輻射測(cè)量系統(tǒng)[7-8]，使用熱釋電輻射傳感器KT15，測(cè)量海表、天空、以及內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻射量，對(duì)測(cè)量的海表輻射進(jìn)行實(shí)時(shí)校正，從而得到精確的海表輻射值，最終反演計(jì)算得到高精度的海表皮溫[7]。FIRST系統(tǒng)的測(cè)量原理是和國(guó)際通行的輻射計(jì)測(cè)量原理近似，但設(shè)計(jì)上有所創(chuàng)新。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)模塊圖見(jiàn)圖2，系統(tǒng)內(nèi)部創(chuàng)新性地使用了可溯源的測(cè)溫儀測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)黑體的溫度，在海上測(cè)量時(shí)，運(yùn)用了干燥氣體吹掃技術(shù)，并采用了自容式的儀器設(shè)計(jì)，整體測(cè)溫精度高且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，容易部署。本文介紹的FIRST系統(tǒng)，與進(jìn)口設(shè)備ISAR同步測(cè)量了近2年的時(shí)間，獲取了超過(guò)20個(gè)月的同步測(cè)量數(shù)據(jù)[8]，并參加了2016年在英國(guó)舉行的聯(lián)合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明該系統(tǒng)具有較好的測(cè)量精度。此系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)報(bào)道的首臺(tái)達(dá)到0.1 K測(cè)量精度的船載海表皮溫測(cè)量?jī)x器。

圖2 總體結(jié)構(gòu)模塊圖Fig.2 General structure block diagram

1.1 設(shè)計(jì)原理

利用紅外輻射測(cè)量海表皮溫，運(yùn)用的是黑體輻射原理。普朗克提出了基于量子理論的黑體輻射定律，黑體的絕對(duì)溫度和自發(fā)輻射強(qiáng)度的關(guān)系是：

(1)

式中：B(λ,T)是光學(xué)輻射強(qiáng)度，λ是電磁波波長(zhǎng)，T是黑體的絕對(duì)溫度，真空光速c=2.998×108m·s-1，普朗克常量h=6.626×10-34J·s，波爾茲曼常量k=1.381×10-23J·K-1。

由式(1)可知，黑體輻射越強(qiáng)，說(shuō)明黑體溫度越高。將紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的熱釋電傳感器，前端安裝有帶通濾色片，濾色片的特性決定了哪部分的紅外輻射會(huì)被探測(cè)到。FIRST系統(tǒng)采用濾色片是9.6～11.5 μm的光譜范圍，適合常溫范圍的測(cè)溫。在對(duì)海表進(jìn)行測(cè)溫時(shí)，按探測(cè)器的光譜響應(yīng)范圍并疊加帶通濾色片的透過(guò)率曲線(xiàn)，結(jié)合海表與角度相關(guān)的輻射特性，以天頂角40°左右范圍為探測(cè)角時(shí)，海表的發(fā)射率大約為0.98，因此有部分天空輻射會(huì)被輻射計(jì)探測(cè)到，引起測(cè)量誤差[8-9]。在9.6～11.5 μm的光譜范圍內(nèi)和40°左右的探測(cè)角度內(nèi)，將發(fā)射率[10-11]隨角度的關(guān)系簡(jiǎn)化為平均值，并將黑體輻射公式內(nèi)的波長(zhǎng)范圍和溫度范圍簡(jiǎn)化為平均值，可得[6]：

(2)

式中：ζB是在探測(cè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)簡(jiǎn)化的探測(cè)器的響應(yīng)函數(shù)，BB(SSTskin)是海表自身的輻射強(qiáng)度，Ssea是觀測(cè)海表時(shí)的信號(hào)，ζB(θ)是發(fā)射率隨測(cè)量角度的函數(shù)，Ssky是觀測(cè)天空時(shí)的信號(hào)。這就是FIRST系統(tǒng)的測(cè)量原理。

1.2 設(shè)計(jì)需求分析

作為外場(chǎng)測(cè)量?jī)x器，是必須要在精度、功耗、體積和重量、造價(jià)等幾方面進(jìn)行折衷，最后確定合理的設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行實(shí)施。船載的海表紅外測(cè)溫輻射計(jì)，需求分析如下：

(1)精度必須滿(mǎn)足衛(wèi)星SST對(duì)比、校準(zhǔn)的需求。Ohring提出需要保證15～20年數(shù)據(jù)的一致性并且誤差小于0.3 K[12]，結(jié)合市場(chǎng)容易購(gòu)買(mǎi)的輻射量傳感器的技術(shù)指標(biāo)，能達(dá)到0.1 K的非制冷輻射傳感器，是比較理想的選擇。而儀器內(nèi)部校準(zhǔn)黑體的測(cè)溫精度，應(yīng)提高一個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到0.01 K。實(shí)驗(yàn)室對(duì)輻射計(jì)整體校準(zhǔn)驗(yàn)證用的標(biāo)準(zhǔn)黑體，也應(yīng)達(dá)到0.01 K的精度。以上精度都是可溯源至美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院NIST的測(cè)溫精度。

(2)如果是船載測(cè)量，對(duì)于功耗參數(shù)一般容易滿(mǎn)足。如果是應(yīng)用在風(fēng)力、太陽(yáng)能的場(chǎng)合(比如浮標(biāo)的應(yīng)用)，低功耗就顯得更為重要了。所以，F(xiàn)IRST系統(tǒng)的功耗定義為峰值功率100 W，平均功率低于50 W。

(3)體積和重量決定了安裝、調(diào)試的難易程度。在船只或者浮標(biāo)平臺(tái)上，拆裝設(shè)備是有一定的難度和危險(xiǎn)的。因此將尺寸、重量、外形設(shè)計(jì)的輕巧便于運(yùn)輸。造價(jià)是在保證運(yùn)轉(zhuǎn)可靠的前提下，盡量降低造價(jià)。

1.3 FIRST系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)

1.3.1 內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)黑體的設(shè)計(jì)和測(cè)溫子系統(tǒng)的選擇 黑體選擇了無(wú)氧銅材質(zhì)，采用了內(nèi)部突起錐形的形狀，并涂覆有高發(fā)射率的黑體漆。突起部分的內(nèi)部，有一個(gè)用于安裝傳感器的細(xì)長(zhǎng)孔，孔徑2.0 mm，小直徑的孔對(duì)于黑體的溫度均勻性影響較小，測(cè)溫會(huì)比較準(zhǔn)確。黑體外部有發(fā)泡EVA隔熱材料做成的保溫層，可以降低環(huán)境對(duì)黑體的溫度影響，并且可以降低黑體恒溫控制器的功耗。黑體溫度的讀取采用了FLUKE1524作為溫度測(cè)量子系統(tǒng)的核心。這種成品測(cè)溫儀，出廠時(shí)即可達(dá)到可溯源的0.01 K精度，配以可溯源的低溫漂、高精度、小體積的熱敏電阻溫度傳感器，可以把內(nèi)部校準(zhǔn)黑體的溫度測(cè)得更為準(zhǔn)確，并可減少溯源過(guò)程的傳遞次數(shù)，減少誤差等級(jí)。在0～50 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)，經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)的FLUKE1524在一年內(nèi)可以做到±0.006 K的準(zhǔn)確度，按年數(shù)據(jù)漂移小于±0.01 K/a。

1.3.2 內(nèi)部通訊方式 采用了模塊化的設(shè)計(jì)和串行口總線(xiàn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。由于各個(gè)主要子模塊，均使用了串行口進(jìn)行通訊，所以電路結(jié)構(gòu)采用了以可切換的多路串行總線(xiàn)為主要的數(shù)據(jù)傳輸方式。掛接的主要器件有：輻射測(cè)量傳感器模塊、高精度測(cè)溫儀FLUKE1524、姿態(tài)傳感器、電機(jī)位置傳感器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。這些模塊受微控制器的管理，接受指令、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.3.3 防潮措施 設(shè)備內(nèi)采用了干燥氣體加壓法的防潮措施。由于海面應(yīng)用，較大的濕度會(huì)引起設(shè)備的受潮，導(dǎo)致電子器件腐蝕、絕緣電阻降低，從而降低了測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。FIRST系統(tǒng)使用了氣泵、硅膠干燥劑、空氣過(guò)濾器、導(dǎo)氣管為主體的結(jié)構(gòu)，把干燥氣體打入到設(shè)備內(nèi)部，形成了一種始終保持正壓力的干燥環(huán)境(見(jiàn)圖3)。設(shè)備未發(fā)生過(guò)受潮、腐蝕的情況。在“東方紅2”科考船搭載實(shí)驗(yàn)時(shí)，包括雨量監(jiān)測(cè)器、監(jiān)控海表的攝像頭，也都進(jìn)行了干燥氣體加壓保護(hù)。

圖3 干燥氣體加壓防潮方案設(shè)計(jì)圖Fig.3 Damp proof scheme using pressured dry air

1.3.4 光路設(shè)計(jì) 光路設(shè)計(jì)采用了掃描鼓的方案。掃描鼓上安裝有硒化鋅的窗口和鍍金反射鏡，將入射光路轉(zhuǎn)折90°后，進(jìn)入到熱釋電輻射傳感器的鏡頭內(nèi),設(shè)計(jì)圖如圖4a和4b所示。這樣設(shè)計(jì)的好處是，系統(tǒng)對(duì)外部只有一個(gè)光學(xué)窗口，該窗口保護(hù)了內(nèi)部的鍍金反射鏡和傳感器，不容易隨著潮濕空氣的侵蝕而引起反射率等光學(xué)參數(shù)的變化。另外，硒化鋅窗口是可以方便快速更換的，不需要很復(fù)雜的拆卸就可以更換。這個(gè)方案的缺點(diǎn)是，每個(gè)航次都需要更換硒化鋅窗口，增加了維護(hù)的費(fèi)用。

圖4a 掃描鼓的設(shè)計(jì)圖Fig.4a Design of Scanning Drum

圖4b 掃描鼓探測(cè)海表的視場(chǎng)Fig.4b The scanning drum’s field of view of the sea surface measurement

1.3.5 防雨門(mén) 防雨門(mén)采用了單側(cè)可拆裝的結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖5)，這樣的優(yōu)點(diǎn)是可以方便快速更換保護(hù)窗口。外部的整體防雨門(mén)，在降雨或其它惡劣天氣時(shí)，會(huì)由雨量計(jì)觸發(fā)關(guān)閉，保護(hù)內(nèi)部設(shè)備不受污染。

2 測(cè)量數(shù)據(jù)

2.1 出海測(cè)量結(jié)果

對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果，以2017年8月28日～9月24日的數(shù)據(jù)為例。這期間FIRST系統(tǒng)與進(jìn)口設(shè)備ISAR掛載與東方紅2號(hào)科考船，進(jìn)行了25天的海上同步實(shí)驗(yàn)。儀器安裝在羅經(jīng)甲板上，具體安裝位置可以參看圖1。實(shí)驗(yàn)取得的除降雨天氣以外的所有數(shù)據(jù)的對(duì)比如圖6所示。數(shù)據(jù)平均偏差是 -0.139 K (FIRST-ISAR)，測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差是0.166 K。使用FIRST系統(tǒng)測(cè)得的數(shù)據(jù)低于ISAR。使用用于校準(zhǔn)的LR Tech Inc的標(biāo)準(zhǔn)黑體來(lái)標(biāo)定2臺(tái)設(shè)備，F(xiàn)IRST系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果稍低于標(biāo)準(zhǔn)黑體，但與標(biāo)準(zhǔn)黑體很接近，平均誤差大約在-0.05 K，這也是FRIST系統(tǒng)的系統(tǒng)偏差，數(shù)據(jù)結(jié)果需要減去這個(gè)偏差。而ISAR的測(cè)量結(jié)果高于標(biāo)準(zhǔn)黑體，平均誤差約為+0.11 K。這個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)黑體的測(cè)試，是在經(jīng)歷出海返回時(shí)，窗口片有污染時(shí)測(cè)得的。

圖5a 防雨門(mén)關(guān)閉狀態(tài)Fig.5a Closing state of rainfall door

圖5b 防雨門(mén)打開(kāi)狀態(tài)Fig.5b Opening state of rainfall door

圖6 FIRST系統(tǒng)與ISAR出海實(shí)驗(yàn)測(cè)量SST結(jié)果對(duì)比Fig.6 Comparison of SST results measured by FIRST and ISAR

2臺(tái)設(shè)備由于受安裝位置、海風(fēng)海浪、測(cè)量角度、測(cè)量時(shí)間周期等等的影響，有些在合理范圍內(nèi)的差異。進(jìn)口設(shè)備是5 min一個(gè)測(cè)量循環(huán)，F(xiàn)IRST系統(tǒng)是3.5 min左右一個(gè)測(cè)量循環(huán)。

由數(shù)據(jù)可以得到結(jié)論，隨著出海的日期的增加，數(shù)據(jù)誤差有增大的趨勢(shì)。經(jīng)過(guò)分析得出的結(jié)論是，硒化鋅的光學(xué)窗口由于受鹽霧、潮氣、灰塵等環(huán)境的影響，窗口鏡片的透過(guò)率有所降低，導(dǎo)致光路的總透過(guò)率發(fā)生了變化，對(duì)測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生了影響所致。本設(shè)備每次出海前、出?；馗鄱紩?huì)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)黑體定標(biāo)測(cè)試，如果誤差都在設(shè)定的允許范圍之內(nèi)，那即認(rèn)為出海的數(shù)據(jù)是可靠的。如果回港后數(shù)據(jù)誤差明顯偏大，那經(jīng)過(guò)分析后，要舍棄部分或全部航次的出海數(shù)據(jù)。

后期2臺(tái)儀器進(jìn)行了約2年的同步觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。從外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，本系統(tǒng)在環(huán)境自容式測(cè)量和數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度等方面，均達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

2.2 英國(guó)NPL對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

歐空局ESA組織了一項(xiàng)名為“衛(wèi)星地面溫度基準(zhǔn)參考測(cè)量”的計(jì)劃。這個(gè)計(jì)劃安排了13家單位各自研制或者購(gòu)買(mǎi)的紅外輻射測(cè)量?jī)x器的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，2016年6和7月期間在NPL(National Physical Laboratory)完成了這項(xiàng)名為FRM4STS (Fiducial Reference Measurements for Thermal Infrared Satellite Validation)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)[13-15]。

FIRST輻射測(cè)量系統(tǒng)參加了實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)黑體比對(duì)實(shí)驗(yàn)和外場(chǎng)水面實(shí)測(cè)對(duì)比實(shí)驗(yàn)。如圖7a 所示,NPL標(biāo)準(zhǔn)黑體設(shè)置于283 K附近時(shí)，F(xiàn)IRST系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，平均誤差是高于標(biāo)準(zhǔn)黑體6 mK；如圖7b所示,標(biāo)準(zhǔn)黑體設(shè)置于293 K附近時(shí)，F(xiàn)IRST系統(tǒng)的測(cè)量結(jié)果，測(cè)量結(jié)果平均誤差是低于標(biāo)準(zhǔn)黑體27 mK，橫軸為測(cè)量時(shí)間。數(shù)據(jù)上下的誤差帶是經(jīng)理論計(jì)算得到的不確定度范圍[13-14]。

在外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，由于水表皮溫?zé)o法用更精確的方法測(cè)得，因此采用了與所有參與的輻射系統(tǒng)測(cè)量的平均數(shù)據(jù)比對(duì)的驗(yàn)證方式[13-14]，各儀器與此均值進(jìn)行對(duì)比。圖8是實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，表1顯示的是FIRST系統(tǒng)與10臺(tái)參加對(duì)比輻射計(jì)的平均測(cè)量值的誤差平均值[15]。外場(chǎng)水面測(cè)量結(jié)果在參測(cè)的10家單位中，F(xiàn)IRST系統(tǒng)測(cè)得的日間數(shù)據(jù)平均偏差為4 mK，是所有參測(cè)單位的最接近均值的儀器；夜間數(shù)據(jù)平均偏差為65 mK，日夜誤差平均值為33 mK，在參測(cè)單位中名列第2[15]。

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室比對(duì)和FRM4STS外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)對(duì)比可知，F(xiàn)IRST輻射測(cè)量系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的研發(fā)目標(biāo)，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)黑體的測(cè)溫精度，優(yōu)于0.1 K，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

圖7a 283 K時(shí)NPL黑體與輻射計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比[13-14]Fig.7a External calibration of the FIRST radiometer using the NPL blackbody at 283 K [13-14]

圖7b 293 K時(shí)NPL黑體與輻射計(jì)數(shù)據(jù)的對(duì)比[13-14]Fig.7b External calibration of the FIRST radiometer using the NPL blackbody at 293 K [13-14]

圖8 5天外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)的8臺(tái)不同輻射計(jì)的數(shù)據(jù)對(duì)比[15]Fig.8 Plot of the difference of the WST measurements of eight participants from their arithmetic mean, over the five-day comparison period [15]

表1 10臺(tái)參加對(duì)比輻射計(jì)的平均測(cè)量值的誤差平均值[15]Table 1 Difference of the mean of the average of the 10 radiometers averaged from the mean of the measurements of each radiometer averaged [15]

3 結(jié)語(yǔ)

本研究開(kāi)發(fā)了海表紅外測(cè)溫輻射測(cè)量系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)部創(chuàng)新性地使用了可溯源的測(cè)溫儀測(cè)量?jī)?nèi)部標(biāo)準(zhǔn)黑體溫度，海上測(cè)量時(shí)，運(yùn)用了干燥氣體吹掃技術(shù)，并采用了自容式儀器設(shè)計(jì)，整體測(cè)溫精度高且環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，容易部署。海表紅外測(cè)溫輻射測(cè)量系統(tǒng)掛載于東方紅2號(hào)科考船進(jìn)行長(zhǎng)期測(cè)試實(shí)驗(yàn)，且該系統(tǒng)參加了2016年在英國(guó)舉行的全球聯(lián)合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)，海上觀測(cè)實(shí)驗(yàn)和聯(lián)合觀測(cè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有較好的測(cè)量精度。為優(yōu)化該系統(tǒng)，降低溫度測(cè)量值的不確定度范圍，下一步將開(kāi)展不同海表皮溫測(cè)量方法、系統(tǒng)測(cè)量速度的提高、設(shè)備體積小型化等方面的研究。