輻射度測量

《電氣工程名詞》第一版。 2100433B

1998年，經(jīng)全國科學技術名詞審定委員會審定發(fā)布。

光輻射測量中 ，在光度導軌上用標準光源來標定待測光源、探測器和光輻射測量系統(tǒng)，仍是最常用而且精確、可靠的裝置之一。

光度導軌和一般導軌的主要區(qū)別在于：

有精確的軸向距離刻度和標尺

有精確的軸向距離刻度和標尺；

1）可使部件之間軸向相對位置對準，并在其相對移動時保持對準關系；

2）精確確定測量部件之間的軸向距離。

光度導軌的主要功能

使兩個或多個部件之間軸向的相對位置對準，并在其相對移動時保持對準關系。

光度導軌的特點是其它方法(如加中性密度濾光片改變光闌孔徑等)不能或不能精確實現(xiàn)的。由于在光度導軌上調節(jié)的參數(shù)是距離，不會改變光源的光譜分布(不考慮中間大氣的影響)，而一般加入光闌等很難同時做到精確又連續(xù)可調。

用光源加上相距一定距離的透射-漫射屏，可得到透射、漫射特性近似朗伯的均勻輻亮度源。改變光源至屏的距離，光源的輻亮度值可連續(xù)、精確地變化。

導軌上裝有數(shù)個帶距離精細刻度的滑動架或滑動車，以便和導軌上的距離刻尺對準，提高距離讀數(shù)的精度。為了增加垂直測量平面上輻照度等的變化范圍，減少距離誤差對測量的影響，光度導軌應盡可能長。

輻射通量密度指單位時間內(nèi)，單位面積上所接受的輻射能量。又稱輻照通量密度。符號為E。通常用瓦·米表示。為輻射氣候學和輻射測量學中的一個基本量。在氣象學文獻中又常被稱為輻射強度（radiant intensity），但輻射強度嚴格地說應為輻射源單位立體角上在單位時間內(nèi)所發(fā)射出的輻射通量。兩者有所區(qū)別。

通過單位面積的輻射通量，SI單位為瓦/米的平方。等于包含有考慮的位點在內(nèi)的無限小面積元上照射的輻射通量或輻射功率P除以此面積元的面積。(dP/dS，當在考慮的面積上的輻射功率為常數(shù)時，可簡化成：E=P/S)。其SI制單位為w/㎡。對于不被靶物及其環(huán)境所散射或反射的垂直入射的平行光束而言，它和積分通量功率相當。

輻射通量密度的峰值

維恩位移定律描述輻射能量峰值波長隨溫度升高向短波長的方向偏移，它表明高溫地物發(fā)射波長較短的電磁波，如火山噴溢出的熔巖流發(fā)射紅光（波長介于600―700nm）；低溫地物發(fā)射波長較長的電磁波；而介于兩者之間的常溫地物，如地物在絕對溫度為290K時，則發(fā)射峰值波長為10μm的熱紅外線。因此，維思位移定律將有助于對所要探測的目標，選擇傳感器的最佳工作波段。

斯蒂芬-波爾茲曼定律指出黑體輻射通量與其絕對溫度四次方成正比，M=σT4。

地物的發(fā)射率

上述斯蒂芬濟爾茲曼定律、維恩位移定律只適用于黑體輻射。但是在自然界中黑體輻射是不存在的，我們所見到的是一般地物，而一般地物的輻射要比黑體輻射小。如果利用黑體輻射的有關公式，則需增加一個因子，這個因子就是波譜比輻射率ε_λ。所謂地物的波譜比輻射率是指地物單位面積上輻射通量M1與同一溫度下同面積黑體輻射通量M2之比值。即

ε_λ=(M₁ (λ₁T))/(M₂ (λ₂T))； M=εσT^4。

一般地物波譜比輻射率不僅與地面種類、表面狀態(tài)、溫度等有關，而且還與波長有關。因此，按波譜比輻射率與波長的不同關系，可以把輻射源分成三類。

①黑體或絕對黑體，其ε_λ=1，ε_λ不隨波長變化。

②灰體，其ε_λ=常數(shù)<1，由基爾霍夫輻射定律可知其波譜吸收率α_λ=ε_λ<1為常數(shù)。

③選擇性輻射體，其ε_λ隨波長而變化，而且 ε_λ<1，因而波譜吸收率α_λ也隨波長變化，并且α_λ<1。

表示在同一溫度下，每種輻射體發(fā)射率的情況。其中黑體的發(fā)射率最大（ε=1）。因此，黑體的光譜分布曲線是各種輻射體曲線的包絡線。灰體的發(fā)射率是黑體的幾分之一，為一個不變的分數(shù)，當灰體的發(fā)射率越接近于1時，它就越接近于黑體。選擇性輻射體的發(fā)射率隨波長變化，但是不管在那個波長，其發(fā)射率值都比黑體發(fā)射率小即ε_λ<1。

基爾霍夫定律

在紅外遙感系統(tǒng)設計中，可以把一些紅外輻射體看成灰體（例如人體、噴氣式飛機尾噴管、無動力空間飛行器、地球背景以及空間背景等），也可以在某些波段內(nèi)把選擇性輻射體看成灰體（如果發(fā)射率ε_λ在這些波段內(nèi)近似不變），這樣就簡化了計算工作。

基爾霍夫在研究輻射傳輸過程中發(fā)現(xiàn)：在任一給定的溫度下，地物單位面積上的波譜輻射通量密度和對應波譜吸收率之比，對任何地物都是一個常數(shù)，并等于該溫度下黑體對應的波譜輻射通量密度。這就是基爾霍夫定律。它可寫成如下的數(shù)學形式：M_λ/α_λ=M_λ(黑體)。

這個定律的含義是，好的吸收體也是好的發(fā)射體。

以下簡單地討論地物的吸收率α和發(fā)射率ε之間的關系。

根據(jù)基爾霍夫定律，在一給定的溫度下，任何地物的發(fā)射率，在數(shù)值上等于該溫度下的吸收率。對于不透明地物來說，公式可寫成：ε=1-α。

由上述公式可寫成：M=εM_黑=εσT^4

上面公式對于任何地物的紅外發(fā)射能量都可以采用。該式表明由于紅外輻射能量與溫度四次方成正比，所以只要地物微小的溫度差異，就會引起紅外輻射能量較顯著變化。這種特征構成紅外遙感的理論根據(jù)。該公式還表明地物輻射紅外能量與它的發(fā)射率成正比。