0、 引言
董振國等把冠層溫度定義為作物莖、葉表面溫度的平均值。作物冠層溫度反映了作物和大氣之間的能量交換，與其能量的吸收和釋放有關，因此冠層溫度與作物水分狀況密切相關，對冠層溫度的監測是提高作物產量和質量的重要手段之一。梁銀麗等通過對冬小麥在不同土壤水分條件下拔節期冠層溫度—氣溫差變化規律隨生長發育變化狀況的研究，得出冠氣溫差能合理反映土壤水分變化狀況。Chau-han 等研究表明，土壤水分損失越嚴重，冠層溫度越高。Zhang 等通過對處于開花期的水稻在不同水分條件下的調查發現，當冠層溫度低于空氣溫度時，土壤水分越少，其冠層溫度越高。Thumer 等通過對水分脅迫、冠層溫度、葉片卷曲與生長發育狀況的關系的研究發現，在土表 0 ～ 30cm 的范圍的內，隨著土壤水分的下降，冠層溫度與氣溫差值增大，水稻葉片卷曲度增加。Stavrinides 等評價了作物水分狀況和葉面溫度之間的關系，并且發現環境空氣溫度每升高1℃，朝南的葉子葉面溫度會顯著升高 0． 8℃。李向陽等研究發現，小麥灌漿期的冠層溫度與作物產量呈負相關性，且隨著灌漿的推移該趨勢越顯著。樊廷錄等通過對灌漿中后期冬小麥的研究發現，冠層溫度每升高 1℃，產量減少近 280kg/hm2。
Tanner 第 1 次提出了用紅外測溫儀來測定作為冠層溫度。Wang 等研制了一款具有 53． 2°大視場角的紅外傳感器，用于作物冠層溫度的測量。通過實驗發現:當傳感器距離超過 60cm 后，測量溫度降低了 1． 4℃。O’Shaughnessy 等設計了一個視場角10°的標準無線紅外傳感器，并在 15、25、35、45℃ 等 4個環境溫度下通過標準黑體與被測物體的溫度測量對比，肯定了該傳感器的測溫準確性;但該研究也沒有討論距離對測量結果的影響以及補償方法。為此，本文在 Wang 等研制的傳感器的基礎上開展了距離影響的研究，主要目標是:①明確距離對傳感器的影響機理;②提出一種對距離影響的補償的消減方法。
1 距離影響紅外測溫的理論分析
紅外測溫基礎是普朗克定律，即
其中，Ebλ為黑體光譜輻射能量密度;C1、C2分別為第 1、第 2 輻射常數; λ 為波長。
實際測溫中，紅外探測器接收的輻射包括目標自身的輻射、對周圍環境輻射的反射輻射和大氣固有輻射。因此，探測器接收到的輻射照度可表示為
其中，To為被測物體表面溫度;Tu為環境溫度;Ta為大氣溫度;ελ為表面發射率;αλ為表面吸收率;τaλ為大氣透射率;εaλ為大氣發射率。
根據進入探測器的輻射照度，文獻［14］為推倒出了被測物體表面真實溫度的計算公式為
其中，To為被測物體表面溫度;Tr為被測物體等輻射量的黑體溫度;Tu為環境溫度;Ta為大氣溫度\\(通常情況下可認為 Tu= Ta\\)。
從公式\\(3\\)中可以看出，在目標物體發射率、吸收率一定的情況下，大氣透射率的誤差作為引起測量溫度誤差的主要因素。經過進一步分析可知，大氣吸收和散射引起輻射的衰減可用大氣透過率表達。透過率計算公式為
其中，τ 為大氣透過率; α 和 β 為常數; do是被測物體與紅外探測器之間的距離;dcal是校正距離。顯然，透過率的誤差是由于測量距離的誤差所引起的，因此通過測量距離來體現因透射率誤差而引起的目標溫度的測量誤差?；诖?，對該紅外傳感器設計了距離補償實驗，從而提高其測量精度。Chrzanowski 等在室溫 18℃ 下、0． 5 ～ 20m 范圍內，用 760BB 紅外熱像儀對溫度為 90°C 的黑體溫度測量時發現，隨測量距離的增大，被測物體測量溫度誤差也在增大。魏坦勛等基于某紅外測溫系統，通過測量傳感器和目標之間的距離，根據距離得到一個補償值，測量溫度值與補償值相加得到補償后的溫度值，從而測溫系統精確度得到大幅提高。孫麗等人研究了距離對紅外熱像儀測溫精度的影響，提出了采用數據擬合來校正測量值的方法。
2、 距離補償實驗設計
2． 1 實驗過程
實驗器材:大視場角紅外測溫傳感器，其視場角為53． 2°;圓形橡膠容器;多功能數字風速表\\(MAS-TECH 公司生產，型號 MS6252B，產地:廣東、中國\\); 0～ 50℃ 量程的工業水銀溫度計;含刻度的支架\\( 用來懸掛紅外測溫傳感器和水銀溫度計\\)。
實驗條件: 室溫:18． 1℃ \\(7:00\\)，22． 5℃ \\(12:00\\)。實驗過程中，僅僅考慮了距離的變化造成紅外測溫傳感器測溫誤差，假定每次的測量過程中環境溫度和水溫都是恒定的，沒有對測量造成影響。
實驗步驟:①用數字風速表 MS6252B 和工業水銀溫度計記錄下測量時刻的環境溫度和水溫;②將紅外測溫傳感器調節到距液面高為 5cm 處開始記錄讀數，以 5cm 為間隔調節紅外測溫傳感器距離液面的高度，每改變 1 次高度，記錄 1 次讀數，每次測量時間不超過 10s，測量高度一直到距離液面 100cm;③分別在7:00、12:00 兩個時間段重復該實驗過程，得到兩組不同環境溫度下的測量數據。
2． 2 補償模型的建立
通過對該紅外測溫傳感器在 7:00、12:00 兩個時間段進行實驗，每個時間段內的環境溫度\\(18． 1℃、22． 5℃\\)和水溫\\(15． 7℃、19． 7℃\\)都沒發生變化，僅僅是改變測量距離。實驗發現，在每個環境溫度下，隨著距離的增加，測量溫度都逐漸減小。如理論部分所分析，這主要是由于隨著距離的增加，探測器和冠層之間的大氣透過率在增加，從而使接收到的輻射量減少導致的。由于實驗是在兩個不同的環境溫度下進行的，為了能夠排除不同環境溫度的影響，找到一個統一的變量\\(溫度差ΔT\\)建立了與測量距離之間的關系，同時分別分析了兩個時間段內每個測量點處紅外傳感器測量溫度差與測量距離之間的關系。
如表 1 所示，在 0 ～100cm 的測量范圍內，隨著測量距離的增加，測量溫度誤差也呈增大的趨勢，并且兩個測量時刻趨勢相同。對此，采用直接對測量溫度進行補償的方法，將修正和的溫度定義為傳感器測得的溫度 To與溫度誤差 ΔT 之和。
如圖 1 所示，得到了距離 － 誤差擬合曲線，也就得到了測量距離與測量溫度誤差之間的關系，即距離－ 誤差擬合公式 y = － 1． 005 × 10－4x2+ 0． 024x － 0． 096，y 則為補償的溫度值 ΔT 。根據不同的測量距離得到相應的測量溫度誤差，將該誤差值補償到紅外測溫傳感器所測得的溫度值。
2． 3 經模型修正后的測量值比較
如圖 2 所示，分別為 7:00、12:00 兩個不同環境溫度點下距離 － 誤差擬合公式補償前后溫度測量值對比。從圖 2 中看出，在距離從 5cm 增加到 100cm 的過程中，不經校正的溫度誤差達到了 1． 3℃。Wang 等人的研究同樣得到了這一結論，但他們的研究中在60cm 以內對測溫結果的影響不大。這主要是由于他們的實驗在田間進行，冠層溫度有不穩定的可能。同樣可見，經過補償后的溫度測量值都比較穩定，其測量誤差在整個測量距離內都保持在 ± 0． 2℃ 以內，很大程度上降低了距離增大對紅外測溫傳感器測溫精度造成的影響，提高了該紅外測溫傳感器測溫的準確性與穩定性。
3、 田間實驗驗證
3． 1 驗證實驗整體設計
將距離補償模型植入該測溫系統控制芯片\\(實驗中假定冠層溫度是恒定的\\)，選取大面積的作物冠層，將傳感器置于冠層之上，在 5 ～ 100cm 的測量范圍內任意選取了 10 個不同的測量距離，對作物冠層溫度進行測量，記錄每次的測量數據。測溫系統整體框圖如圖 3 所示。
3． 2 驗證實驗的結果分析
測量結果如圖 4 所示。由圖 4 可以看出，在任意的 10 個測量距離下，紅外測溫傳感器對作物冠層溫度的測量誤差都保持在 ± 0． 2℃ 內，說明該補償方法有效，減弱了測量距離對該大視場角紅外測溫傳感器測溫精度的影響;同時可見，60cm 以內的溫度變化較大。其主要的原因是:當距離較小時，測溫的范圍也比較小，所以局部的空氣流動等原因會造成局部溫度的變化;而當距離較大時，局部溫度的變化在平均溫度中占的比重會比較小。
4、 結語
從表 1 中可以看出，隨著探測距離的增大，紅外測溫傳感器測量溫度的誤差逐漸增大。針對該問題，本文進行了作物冠層溫度傳感器的距離補償方法的研究，并提出了誤差修正模型。隨后，通過田間對作物冠層溫度的實際測量，經距離補償后，整個探測距離的測量溫度誤差都保持在 ± 0． 2°C 內，故利用該方法可以很大程度地提高冠層紅外測溫傳感器的測溫精度。本研究僅僅選擇了兩種不同的環境溫度，在實際應用中有必要盡可能多地在不同的環境溫度下進行測量，采集更多的數據樣本，從而更大程度上提高誤差修正模型的準確性，進一步提高測溫精度。
參考文獻:
［1］ 董振國． 農田作物層溫度初步研究—以冬小麥、夏玉米為例［J］． 生態學報，1984，4\\(2\\):141．
［2］ 梁銀麗，張成娥． 冠層溫度—氣溫差與作物水分虧缺關系的研究［J］． 生態農業研究，2000，8\\(1\\):24 －26．
