編者按：從古至今，人類從未停止過探索未知世界的腳步，認(rèn)知世界的能力和手段與日俱增。中科院之聲與中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院聯(lián)合開設(shè)“觀天測地”專欄，為大家介紹天上地上探索的那些事兒，帶來空天信息領(lǐng)域最新進(jìn)展，普及科學(xué)知識(shí)。

眼睛是心靈的窗戶，我們用它來看五彩繽紛的世界。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，可以探測到周圍物體發(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，人類物理學(xué)經(jīng)歷了一段曲折的發(fā)展歷史，即黑體輻射問題的研究。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的輻射而無反射或者透射的理想物體。19世紀(jì)末，德國物理學(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，英國物理學(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。德國物理學(xué)家普朗克從1896年開始對(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)的近代物理的開拓者之一。

德國物理學(xué)家普朗克（1858-1947）

普朗克公式計(jì)算出來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光都屬于電磁輻射，只是它的波長要比可見光更長。從普朗克公式可以推導(dǎo)出前面所說的維恩位移定律：

波長=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越短，電磁輻射根據(jù)波長劃分了不同的波段。我們看到的可見光波段是太陽發(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更長，都是在紅外波段。

波段的劃分

紅外遙感，用眼睛“看”溫度

使用紅外輻射探測裝置，通過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，人類不需要可見光，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)境檢測等領(lǐng)域。

例如，在軍事領(lǐng)域，紅外遙感技術(shù)可以用來偵測敵方的隱蔽目標(biāo)，識(shí)別和追蹤導(dǎo)彈等。在工業(yè)中，紅外遙感可用于測量設(shè)備表面溫度，幫助工程師檢測設(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，紅外測溫技術(shù)可以用于測量體表溫度，檢測人體發(fā)熱癥狀，幫助醫(yī)生進(jìn)行初步診斷。在農(nóng)業(yè)中，紅外遙感可用于測量土地表面溫度和作物溫度，分析作物生長狀態(tài)和水分利用情況。在環(huán)境監(jiān)測中，紅外遙感可用于測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)常見到的用來捕捉珍稀野生動(dòng)物蹤跡的紅外相機(jī)，就是利用紅外遙感。

目前市場上也有越來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。首先通過光學(xué)系統(tǒng)接收并聚焦目標(biāo)的紅外輻射；之后，通過紅外探測器將接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；在經(jīng)過一系列的放大、濾波等信號(hào)處理過程后，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)用場景的紅外熱圖

紅外遙感的“校正”

雖然紅外遙感測量溫度有許多優(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)，即將紅外探測儀器安裝在衛(wèi)星上用來觀測地球。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，通常選擇大氣透過率較高的波段，這些波段被稱為大氣窗口。但即使在大氣窗口波段，大氣的透過率依然不是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：通過氣象觀測數(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，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)觀測波段之間大氣吸收的相關(guān)性，通過組合多個(gè)通道觀測結(jié)果，來實(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，大氣透過率與這兩個(gè)波段的透過率之差相關(guān)。而透過率的差異與兩個(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