用眼“看”温度——红外遥感丨观天测地

眼睛是心灵的窗户，我们用它来看五彩缤纷的世界。温度是衡量物体冷热的指标，用眼睛能“看”到温度吗？

显然，人眼只能感知可见光，不能看到温度。但有些动物可以，例如响尾蛇。

从“黑体辐射”到普朗克公式

响尾蛇的眼睛和鼻孔之间有一种叫做“热敏器”的器官，可以探测到周围物体发出的红外辐射，并将其转化为神经信号传输到大脑中进行处理，这使得它们能够在黑暗中定位猎物，或者在白天也能够找到潜藏在草丛中的猎物。

既然响尾蛇能看到温度，那么人类如何能借助仪器设备也看到温度呢？在实现这个目标之前，人类物理学经历了一段曲折的发展历史，即黑体辐射问题的研究。这也是被广为流传的物理学上空的“两朵乌云”之一。

所谓黑体，指的是可以吸收全部外来的辐射而无反射或者透射的理想物体。19世纪末，德国物理学家卢梅尔等人用经典物理学解释黑体辐射实验的时候，出现了著名的所谓“紫外灾难”。后来，英国物理学家瑞利等分别提出瑞利-金斯公式、维恩公式，但仍不能解释清黑体辐射的规律。德国物理学家普朗克从1896年开始对热辐射进行系统研究，最终给出了黑体辐射的普朗克公式，圆满地解释了实验现象，更精确描述辐射、温度和波长的关系，从此被广泛应用于红外温度计算中。普朗克是公认的近代物理的开拓者之一。

德国物理学家普朗克（1858-1947）

普朗克公式计算出来的不同温度黑体的辐射强度谱线

普朗克公式表明：任何温度大于绝对温度（0K）的物体，都会发射电磁辐射（电磁波）。红外辐射和我们眼睛能看到的可见光都属于电磁辐射，只是它的波长要比可见光更长。从普朗克公式可以推导出前面所说的维恩位移定律：

波长=0.002897/温度

也就是温度越高的物体，它发射电磁波的中心波长越短，电磁辐射根据波长划分了不同的波段。我们看到的可见光波段是太阳发出的电磁辐射，大概相当于温度为6000K的物体发出的电磁辐射；而我们地球上大部分的物体温度在300K左右，发射出的电磁辐射波长更长，都是在红外波段。

波段的划分

红外遥感，用眼睛“看”温度

使用红外辐射探测装置，通过非接触的方式获取目标温度的技术是红外遥感。利用红外遥感，人类不需要可见光，也不需要直接接触，就能用眼睛“看”温度，红外遥感也因此被广泛应用于军事、医疗、气象、环境检测等领域。

例如，在军事领域，红外遥感技术可以用来侦测敌方的隐蔽目标，识别和追踪导弹等。在工业中，红外遥感可用于测量设备表面温度，帮助工程师检测设备的运行状态，识别可能存在的故障点。在医学中，红外测温技术可以用于测量体表温度，检测人体发热症状，帮助医生进行初步诊断。在农业中，红外遥感可用于测量土地表面温度和作物温度，分析作物生长状态和水分利用情况。在环境监测中，红外遥感可用于测量大气温度和水面温度等，帮助科学家了解气候变化、海洋环境和陆地表面的变化情况。

由于红外遥感“看”到的是目标物自身发射的电磁辐射，不需要辅助光源，因此可以昼夜成像，实现夜间侦察。并且，与雷达或者激光相比，其自发辐射具有极强的隐蔽性。在野生动物保护工作中，我们经常见到的用来捕捉珍稀野生动物踪迹的红外相机，就是利用红外遥感。

目前市场上也有越来越多的红外热成像产品，就是利用红外热像产品，将物体的热信号转换为人眼能够识别的图像。首先通过光学系统接收并聚焦目标的红外辐射；之后，通过红外探测器将接收到的红外辐射转换为电信号；在经过一系列的放大、滤波等信号处理过程后，形成视频数据传输至显示器显示，最终得到与物体表面温度分布相对应的红外热图像。

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

发展到今天，卫星上红外遥感技术测量的海面温度精度可以达到0.3K，陆面温度的精度也可以达到2K。人类的眼睛虽然不能像响尾蛇那样直接“看”到温度，但借助科学技术的发展，我们却可以看到更准确的温度、更大区域的温度以及更多精彩的世界。

来源：中国科学院空天信息创新研究院