眼睛是心靈的窗戶，我們用它來(lái)看五彩繽紛的世界。溫度是衡量物體冷熱的指標(biāo)，用眼睛能“看”到溫度嗎？
顯然，人眼只能感知可見(jiàn)光，不能看到溫度。但有些動(dòng)物可以，例如響尾蛇。
從“黑體輻射”到普朗克公式
響尾蛇的眼睛和鼻孔之間有一種叫做“熱敏器”的器官，可以探測(cè)到周?chē)矬w發(fā)出的紅外輻射，并將其轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)傳輸?shù)酱竽X中進(jìn)行處理，這使得它們能夠在黑暗中定位獵物，或者在白天也能夠找到潛藏在草叢中的獵物。
既然響尾蛇能看到溫度，那么人類(lèi)如何能借助儀器設(shè)備也看到溫度呢？在實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)之前，人類(lèi)物理學(xué)經(jīng)歷了一段曲折的發(fā)展歷史，即黑體輻射問(wèn)題的研究。這也是被廣為流傳的物理學(xué)上空的“兩朵烏云”之一。
所謂黑體，指的是可以吸收全部外來(lái)的輻射而無(wú)反射或者透射的理想物體。19世紀(jì)末，德國(guó)物理學(xué)家盧梅爾等人用經(jīng)典物理學(xué)解釋黑體輻射實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，出現(xiàn)了著名的所謂“紫外災(zāi)難”。后來(lái)，英國(guó)物理學(xué)家瑞利等分別提出瑞利-金斯公式、維恩公式，但仍不能解釋清黑體輻射的規(guī)律。德國(guó)物理學(xué)家普朗克從1896年開(kāi)始對(duì)熱輻射進(jìn)行系統(tǒng)研究，最終給出了黑體輻射的普朗克公式，圓滿地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，更精確描述輻射、溫度和波長(zhǎng)的關(guān)系，從此被廣泛應(yīng)用于紅外溫度計(jì)算中。普朗克是公認(rèn)的近代物理的開(kāi)拓者之一。
德國(guó)物理學(xué)家普朗克（1858-1947）
普朗克公式計(jì)算出來(lái)的不同溫度黑體的輻射強(qiáng)度譜線
普朗克公式表明：任何溫度大于絕對(duì)溫度（0K）的物體，都會(huì)發(fā)射電磁輻射（電磁波）。紅外輻射和我們眼睛能看到的可見(jiàn)光都屬于電磁輻射，只是它的波長(zhǎng)要比可見(jiàn)光更長(zhǎng)。從普朗克公式可以推導(dǎo)出前面所說(shuō)的維恩位移定律：
波長(zhǎng)=0.002897/溫度
也就是溫度越高的物體，它發(fā)射電磁波的中心波長(zhǎng)越短，電磁輻射根據(jù)波長(zhǎng)劃分了不同的波段。我們看到的可見(jiàn)光波段是太陽(yáng)發(fā)出的電磁輻射，大概相當(dāng)于溫度為6000K的物體發(fā)出的電磁輻射；而我們地球上大部分的物體溫度在300K左右，發(fā)射出的電磁輻射波長(zhǎng)更長(zhǎng)，都是在紅外波段。
波段的劃分
紅外遙感，用眼睛“看”溫度
使用紅外輻射探測(cè)裝置，通過(guò)非接觸的方式獲取目標(biāo)溫度的技術(shù)是紅外遙感。利用紅外遙感，人類(lèi)不需要可見(jiàn)光，也不需要直接接觸，就能用眼睛“看”溫度，紅外遙感也因此被廣泛應(yīng)用于軍事、醫(yī)療、氣象、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域。
例如，在軍事領(lǐng)域，紅外遙感技術(shù)可以用來(lái)偵測(cè)敵方的隱蔽目標(biāo)，識(shí)別和追蹤導(dǎo)彈等。在工業(yè)中，紅外遙感可用于測(cè)量設(shè)備表面溫度，幫助工程師檢測(cè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，識(shí)別可能存在的故障點(diǎn)。在醫(yī)學(xué)中，紅外測(cè)溫技術(shù)可以用于測(cè)量體表溫度，檢測(cè)人體發(fā)熱癥狀，幫助醫(yī)生進(jìn)行初步診斷。在農(nóng)業(yè)中，紅外遙感可用于測(cè)量土地表面溫度和作物溫度，分析作物生長(zhǎng)狀態(tài)和水分利用情況。在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，紅外遙感可用于測(cè)量大氣溫度和水面溫度等，幫助科學(xué)家了解氣候變化、海洋環(huán)境和陸地表面的變化情況。
由于紅外遙感“看”到的是目標(biāo)物自身發(fā)射的電磁輻射，不需要輔助光源，因此可以晝夜成像，實(shí)現(xiàn)夜間偵察。并且，與雷達(dá)或者激光相比，其自發(fā)輻射具有極強(qiáng)的隱蔽性。在野生動(dòng)物保護(hù)工作中，我們經(jīng)常見(jiàn)到的用來(lái)捕捉珍稀野生動(dòng)物蹤跡的紅外相機(jī)，就是利用紅外遙感。
目前市場(chǎng)上也有越來(lái)越多的紅外熱成像產(chǎn)品，就是利用紅外熱像產(chǎn)品，將物體的熱信號(hào)轉(zhuǎn)換為人眼能夠識(shí)別的圖像。首先通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)接收并聚焦目標(biāo)的紅外輻射；之后，通過(guò)紅外探測(cè)器將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；在經(jīng)過(guò)一系列的放大、濾波等信號(hào)處理過(guò)程后，形成視頻數(shù)據(jù)傳輸至顯示器顯示，最終得到與物體表面溫度分布相對(duì)應(yīng)的紅外熱圖像。
紅外熱成像基本原理
民用領(lǐng)域各應(yīng)用場(chǎng)景的紅外熱圖
紅外遙感的“校正”
雖然紅外遙感測(cè)量溫度有許多優(yōu)點(diǎn)，如快速、高精度、非接觸等，但也存在一些局限性，尤其是測(cè)量結(jié)果受到環(huán)境溫度、物體表面的反射率、遮擋物等因素的影響，需要根據(jù)具體情況進(jìn)行校正。
以紅外溫度反演中的大氣校正技術(shù)為例。衛(wèi)星是紅外遙感器的重要平臺(tái)，即將紅外探測(cè)儀器安裝在衛(wèi)星上用來(lái)觀測(cè)地球。衛(wèi)星在幾百公里的高度飛行，與地球表面隔著厚厚的大氣層。在衛(wèi)星設(shè)計(jì)的時(shí)候，通常選擇大氣透過(guò)率較高的波段，這些波段被稱(chēng)為大氣窗口。但即使在大氣窗口波段，大氣的透過(guò)率依然不是100%，大氣中的水汽分子、臭氧分子等成分對(duì)紅外輻射有吸收作用，這樣儀器測(cè)量的紅外輻射就被大氣衰減了；隨著大氣水汽和其他氣體濃度的變化，這個(gè)透過(guò)率也是變化的。
大氣窗口示意圖
為了消除大氣對(duì)紅外輻射的影響，科研人員提出了紅外溫度反演中的大氣校正技術(shù)，從而提高地表溫度反演精度。該技術(shù)通常包括以下步驟：
第一步：通過(guò)氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)或模型計(jì)算大氣垂直溫度和水汽廓線信息。
第二步：通過(guò)大氣輻射傳輸模型計(jì)算大氣對(duì)紅外輻射的衰減和發(fā)射影響。
第三步：將大氣輻射傳輸模型計(jì)算的大氣輻射影響和氣象觀測(cè)數(shù)據(jù)或模型計(jì)算的大氣垂直溫度和水汽廓線信息結(jié)合起來(lái)，計(jì)算大氣校正系數(shù)；
第四步：使用大氣校正系數(shù)將反演的亮溫轉(zhuǎn)換為地表溫度。
這種計(jì)算的方法在理論上是可行的，但在實(shí)際應(yīng)用中，如何得到大氣垂直的溫度和水汽廓線常常也是無(wú)法滿足的難題。為此，科學(xué)家發(fā)明了特殊的算法，巧妙地利用了相鄰的兩個(gè)觀測(cè)波段之間大氣吸收的相關(guān)性，通過(guò)組合多個(gè)通道觀測(cè)結(jié)果，來(lái)實(shí)現(xiàn)大氣自動(dòng)校正。算法的基本思想是這樣的：在10-12微米波段的兩個(gè)相鄰的波段，大氣透過(guò)率與這兩個(gè)波段的透過(guò)率之差相關(guān)。而透過(guò)率的差異與兩個(gè)波段亮度溫度的差異相關(guān)。因此使用兩個(gè)波段亮度溫度的線性組合，就可以實(shí)現(xiàn)大氣校正。這個(gè)算法需要將10-12微米連續(xù)的大氣窗口分為兩個(gè)窗口（波段），所以叫做分裂窗算法。
全球陸面溫度反演結(jié)果圖
來(lái)源：中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院
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