红外热成像基本原理

民用领域各应用场景的红外热图

红外遥感的“校正”

虽然红外遥感测量温度有许多优点，如快速、高精度、非接触等，但也存在一些局限性，尤其是测量结果受到环境温度、物体表面的反射率、遮挡物等因素的影响，需要根据具体情况进行校正。

以红外温度反演中的大气校正技术为例。卫星是红外遥感器的重要平台，即将红外探测仪器安装在卫星上用来观测地球。卫星在几百公里的高度飞行，与地球表面隔着厚厚的大气层。在卫星设计的时候，通常选择大气透过率较高的波段，这些波段被称为大气窗口。但即使在大气窗口波段，大气的透过率依然不是100%，大气中的水汽分子、臭氧分子等成分对红外辐射有吸收作用，这样仪器测量的红外辐射就被大气衰减了；随着大气水汽和其他气体浓度的变化，这个透过率也是变化的。

大气窗口示意图

为了消除大气对红外辐射的影响，科研人员提出了红外温度反演中的大气校正技术，从而提高地表温度反演精度。该技术通常包括以下步骤：

第一步：通过气象观测数据或模型计算大气垂直温度和水汽廓线信息。

第二步：通过大气辐射传输模型计算大气对红外辐射的衰减和发射影响。

第三步：将大气辐射传输模型计算的大气辐射影响和气象观测数据或模型计算的大气垂直温度和水汽廓线信息结合起来，计算大气校正系数；

第四步：使用大气校正系数将反演的亮温转换为地表温度。

这种计算的方法在理论上是可行的，但在实际应用中，如何得到大气垂直的温度和水汽廓线常常也是无法满足的难题。为此，科学家发明了特殊的算法，巧妙地利用了相邻的两个观测波段之间大气吸收的相关性，通过组合多个通道观测结果，来实现大气自动校正。算法的基本思想是这样的：在10-12微米波段的两个相邻的波段，大气透过率与这两个波段的透过率之差相关。而透过率的差异与两个波段亮度温度的差异相关。因此使用两个波段亮度温度的线性组合，就可以实现大气校正。这个算法需要将10-12微米连续的大气窗口分为两个窗口（波段），所以叫做分裂窗算法。

全球陆面温度反演结果图

来源：中国科学院空天信息创新研究院

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