輻射度測(cè)量

《電氣工程名詞》第一版。 2100433B

1998年，經(jīng)全國(guó)科學(xué)技術(shù)名詞審定委員會(huì)審定發(fā)布。

光輻射測(cè)量中 ，在光度導(dǎo)軌上用標(biāo)準(zhǔn)光源來(lái)標(biāo)定待測(cè)光源、探測(cè)器和光輻射測(cè)量系統(tǒng)，仍是最常用而且精確、可靠的裝置之一。

光度導(dǎo)軌和一般導(dǎo)軌的主要區(qū)別在于：

有精確的軸向距離刻度和標(biāo)尺

有精確的軸向距離刻度和標(biāo)尺；

1）可使部件之間軸向相對(duì)位置對(duì)準(zhǔn)，并在其相對(duì)移動(dòng)時(shí)保持對(duì)準(zhǔn)關(guān)系；

2）精確確定測(cè)量部件之間的軸向距離。

光度導(dǎo)軌的主要功能

使兩個(gè)或多個(gè)部件之間軸向的相對(duì)位置對(duì)準(zhǔn)，并在其相對(duì)移動(dòng)時(shí)保持對(duì)準(zhǔn)關(guān)系。

光度導(dǎo)軌的特點(diǎn)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(shí)現(xiàn)的。由于在光度導(dǎo)軌上調(diào)節(jié)的參數(shù)是距離，不會(huì)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(shí)做到精確又連續(xù)可調(diào)。

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(dǎo)軌上裝有數(shù)個(gè)帶距離精細(xì)刻度的滑動(dòng)架或滑動(dòng)車，以便和導(dǎo)軌上的距離刻尺對(duì)準(zhǔn)，提高距離讀數(shù)的精度。為了增加垂直測(cè)量平面上輻照度等的變化范圍，減少距離誤差對(duì)測(cè)量的影響，光度導(dǎo)軌應(yīng)盡可能長(zhǎng)。

輻射通量密度指單位時(shí)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(hào)為E。通常用瓦·米表示。為輻射氣候?qū)W和輻射測(cè)量學(xué)中的一個(gè)基本量。在氣象學(xué)文獻(xiàn)中又常被稱為輻射強(qiáng)度（radiant intensity），但輻射強(qiáng)度嚴(yán)格地說(shuō)應(yīng)為輻射源單位立體角上在單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)射出的輻射通量。兩者有所區(qū)別。

通過(guò)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(diǎn)在內(nèi)的無(wú)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(dāng)在考慮的面積上的輻射功率為常數(shù)時(shí)，可簡(jiǎn)化成：E=P/S)。其SI制單位為w/㎡。對(duì)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(dāng)。

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(zhǎng)隨溫度升高向短波長(zhǎng)的方向偏移，它表明高溫地物發(fā)射波長(zhǎng)較短的電磁波，如火山噴溢出的熔巖流發(fā)射紅光（波長(zhǎng)介于600―700nm）；低溫地物發(fā)射波長(zhǎng)較長(zhǎng)的電磁波；而介于兩者之間的常溫地物，如地物在絕對(duì)溫度為290K時(shí)，則發(fā)射峰值波長(zhǎng)為10μm的熱紅外線。因此，維思位移定律將有助于對(duì)所要探測(cè)的目標(biāo)，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(duì)溫度四次方成正比，M=σT4。

地物的發(fā)射率

上述斯蒂芬濟(jì)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(guān)公式，則需增加一個(gè)因子，這個(gè)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(guān)，而且還與波長(zhǎng)有關(guān)。因此，按波譜比輻射率與波長(zhǎng)的不同關(guān)系，可以把輻射源分成三類。

①黑體或絕對(duì)黑體，其ε_λ=1，ε_λ不隨波長(zhǎng)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(zhǎng)而變化，而且 ε_λ<1，因而波譜吸收率α_λ也隨波長(zhǎng)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(luò)線?；殷w的發(fā)射率是黑體的幾分之一，為一個(gè)不變的分?jǐn)?shù)，當(dāng)灰體的發(fā)射率越接近于1時(shí)，它就越接近于黑體。選擇性輻射體的發(fā)射率隨波長(zhǎng)變化，但是不管在那個(gè)波長(zhǎng)，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(shè)計(jì)中，可以把一些紅外輻射體看成灰體（例如人體、噴氣式飛機(jī)尾噴管、無(wú)動(dòng)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(jiǎn)化了計(jì)算工作。

基爾霍夫在研究輻射傳輸過(guò)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(duì)應(yīng)波譜吸收率之比，對(duì)任何地物都是一個(gè)常數(shù)，并等于該溫度下黑體對(duì)應(yīng)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(xué)形式：M_λ/α_λ=M_λ(黑體)。

這個(gè)定律的含義是，好的吸收體也是好的發(fā)射體。

以下簡(jiǎn)單地討論地物的吸收率α和發(fā)射率ε之間的關(guān)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(duì)于不透明地物來(lái)說(shuō)，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(duì)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(huì)引起紅外輻射能量較顯著變化。這種特征構(gòu)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。