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距离对冠层温度传感器测量结果的影响及补偿方法,农业工程论文董振国等把冠层温度定义为作物茎、叶外表温度的平均值。作物冠层温度反映了作物和大气之间的能量交换，与其能量的吸收和释放有关，因而冠层温度与作物水分状况密切相关，对冠层温度的监测是提高作物产量和质量的重要手段之一。梁银丽等通过对冬小麦在不同土壤水分条件下拔节期冠层温度 气温差变化规律随生长发育变化状况的研究，得出冠气温差能合理反映土壤水分变化状况。Chau-han 等研究表示清楚，土壤水分损失越严重，冠层温度越高。Zhang 等通过对处于开花期的水稻在不同水分条件下的调查发现，当冠层温度低于空气温度时，土壤水分越少，其冠层温度越高。Thumer 等通过对水分胁迫、冠层温度、叶片卷曲与生长发育状况的关系的研究发现，在土表 0 30cm 的范围的内，随着土壤水分的下降，冠层温度与气温差值增大，水稻叶片卷曲度增加。Stavrinides 等评价了作物水分状况和叶面温度之间的关系，并且发现环境空气温度每升高1，朝南的叶子叶面温度会显著升高 0 8。李向阳等研究发现，小麦灌浆期的冠层温度与作物产量呈负相关性，且随着灌浆的推移该趋势越显著。樊廷录等通过对灌浆中后期冬小麦的研究发现，冠层温度每升高 1，产量减少近 280kg/hm2。 Tanner 第 1 次提出了用红外测温仪来测定作为冠层温度。Wang 等研制了一款具有 53 2 大视场角的红外传感器，用于作物冠层温度的测量。通过实验发现:当传感器距离超过 60cm 后，测量温度降低了 1 4。O Shaughnessy 等设计了一个视场角10 的标准无线红外传感器，并在 15、25、35、45 等 4个环境温度下通过标准黑体与被测物体的温度测量比照，肯定了该传感器的测温准确性;但该研究也没有讨论距离对测量结果的影响以及补偿方式方法。为此，本文在 Wang 等研制的传感器的基础上开展了距离影响的研究，主要目的是:明确距离对传感器的影响机理;提出一种对距离影响的补偿的消减方式方法。 1 距离影响红外测温的理论分析 红外测温基础是普朗克定律，即 华而不实，Eb 为黑体光谱辐射能量密度;C1、C2分别为第 1、第 2 辐射常数; 为波长。 实际测温中，红外探测器接收的辐射包括目的本身的辐射、对周围环境辐射的反射辐射和大气固有辐射。因而，探测器接收到的辐射照度可表示为 华而不实，To为被测物体外表温度;Tu为环境温度;Ta为大气温度;ε 为外表发射率; 为外表吸收率; a 为大气透射率;εa 为大气发射率。 根据进入探测器的辐射照度，文献14为推倒出了被测物体外表真实温度的计算公式为 华而不实，To为被测物体外表温度;Tr为被测物体等辐射量的黑体温度;Tu为环境温度;Ta为大气温度(通常情况下可以为 Tu= Ta)。 从公式(3)中能够看出，在目的物体发射率、吸收率一定的情况下，大气透射率的误差作为引起测量温度误差的主要因素。经过进一步分析可知，大气吸收和散射引起辐射的衰减可用大气透过率表示出。透过率计算公式为 华而不实， 为大气透过率; 和 为常数; do是被测物体与红外探测器之间的距离;dcal是校正距离。显然，透过率的误差是由于测量距离的误差所引起的，因而通过测量距离来具体表现出因透射率误差而引起的目的温度的测量误差。基于此，对该红外传感器设计了距离补偿实验，进而提高其测量精度。Chrzanowski 等在室温 18 下、0 5 20m 范围内，用 760BB 红外热像仪对温度为 90 C 的黑体温度测量时发现，随测量距离的增大，被测物体测量温度误差也在增大。魏坦勋等基于某红外测温系统，通过测量传感器和目的之间的距离，根据距离得到一个补偿值，测量温度值与补偿值相加得到补偿后的温度值，进而测温系统精到准确度得到大幅提高。孙丽等人研究了距离对红外热像仪测温精度的影响，提出了采用数据拟合来校正测量值的方式方法。 2、 距离补偿实验设计 2 1 实验经过 实验器材:大视场角红外测温传感器，其视场角为53 2 圆形橡胶容器;多功能数字风速表(MAS-TECH 公司生产，型号 MS6252B，产地:广东、中国); 0 50 量程的工业水银温度计;含刻度的支架( 用来悬挂红外测温传感器和水银温度计)。 实验条件: 室温:18 1 (7:00)，22 5 (12:00)。实验经过中，仅仅考虑了距离的变化造成红外测温传感器测温误差，假定每次的测量经过中环境温度和水温都是恒定的，没有对测量造成影响。 实验步骤:用数字风速表 MS6252B 和工业水银温度计记录下测量时刻的环境温度和水温;将红外测温传感器调节到距液面高为 5cm 处开场记录读数，以 5cm 为间隔调节红外测温传感器距离液面的高度，每改变 1 次高度，记录 1 次读数，每次测量时间不超过 10s，测量高度一直到距离液面 100cm;分别在7:00、12:00 两个时间段重复该实验经过，得到两组不同环境温度下的测量数据。 2 2 补偿模型的建立 通过对该红外测温传感器在 7:00、12:00 两个时间段进行实验，每个时间段内的环境温度(18 1、22 5)和水温(15 7、19 7)都没发生变化，仅仅仅是改变测量距离。实验发现，在每个环境温度下，随着距离的增加，测量温度都逐步减小。如理论部分所分析，这主要是由于随着距离的增加，探测器和冠层之间的大气透过率在增加，进而使接收到的辐射量减少导致的。由于实验是在两个不同的环境温度下进行的，为了能够排除不同环境温度的影响，找到一个统一的变量(温度差 T)建立了与测量距离之间的关系，同时分别分析了两个时间段内每个测量点处红外传感器测量温度差与测量距离之间的关系。 如表 1 所示，在 0 100cm 的测量范围内，随着测量距离的增加，测量温度误差也呈增大的趋势，并且两个测量时刻趋势一样。对此，采用直接对测量温度进行补偿的方式方法，将修正和的温度定义为传感器测得的温度 To与温度误差 T 之和。 如此图 1 所示，得到了距离 误差拟合曲线，也就得到了测量距离与测量温度误差之间的关系，即距离 误差拟合公式 y = 1 005 104x2+ 0 024x 0 096，y 则为补偿的温度值 T 。根据不同的测量距离得到相应的测量温度误差，将该误差值补偿到红外测温传感器所测得的温度值。 2 3 经模型修正后的测量值比拟 如此图 2 所示，分别为 7:00、12:00 两个不同环境温度点下距离 误差拟合公式补偿前后温度测量值比照。从图 2 中看出，在距离从 5cm 增加到 100cm 的经过中，不经校正的温度误差到达了 1 3。Wang 等人的研究同样得到了这一结论，但他们的研究中在60cm 以内对测温结果的影响不大。这主要是由于他们的实验在田间进行，冠层温度有不稳定的可能。同样可见，经过补偿后的温度测量值都比拟稳定，其测量误差在整个测量距离内都保持在 0 2 以内，很大程度上降低了距离增大对红外测温传感器测温精度造成的影响，提高了该红外测温传感器测温的准确性与稳定性。 3、 田间实验验证 3 1 验证实验整体设计 将距离补偿模型植入该测温系统控制芯片(实验中假定冠层温度是恒定的)，选取大面积的作物冠层，将传感器置于冠层之上，在 5 100cm 的测量范围内任意选取了 10 个不同的测量距离，对作物冠层温度进行测量，记录每次的测量数据。测温系统整体框图如此图 3 所示。 3 2 验证实验的结果分析 测量结果如此图 4 所示。由图 4 能够看出，在任意的 10 个测量距离下，红外测温传感器对作物冠层温度的测量误差都保持在 0 2 内，讲明该补偿方式方法有效，减弱了测量距离对该大视场角红外测温传感器测温精度的影响;同时可见，60cm 以内的温度变化较大。其主要的原因是:当距离较小时，测温的范围也比拟小，所以局部的空气流动等原因会造成局部温度的变化;而当距离较大时，局部温度的变化在平均温度中占的比重会比拟小。 4、 结束语 从表 1 中能够看出，随着探测距离的增大，红外测温传感器测量温度的误差逐步增大。针对该问题，本文进行了作物冠层温度传感器的距离补偿方式方法的研究，并提出了误差修正模型。随后，通过田间对作物冠层温度的实际测量，经距离补偿后，整个探测距离的测量温度误差都保持在 0 2 C 内，故利用该方式方法能够很大程度地提高冠层红外测温传感器的测温精度。本研究仅仅选择了两种不同的环境温度，在实际应用中有必要尽可能多地在不同的环境温度下进行测量，采集更多的数据样本，进而更大程度上提高误差修正模型的准确性，进一步提高测温精度。 以下为参考文献: 1 董振国 农田作物层温度初步研究 以冬小麦、夏玉米为例J 生态学报，1984，4(2):141 2 梁银丽，张成娥 冠层温度 气温差与作物水分亏缺关系的研究J 生态农业研究，2000，8(1):24 26