地物光谱仪测量中的温湿度影响

引 言

  光谱辐射计是光辐射度测量中最常见的仪器，用于测量相对光谱分布、光谱辐射亮度或光谱辐射照度。大型的双光栅光谱仪和傅里叶光谱仪通常用于科学实验，可以满足紫外、可见红外光谱辐射测量。自从阵列式光电探测器CCD和CMOS普及以来，搭载CCD和CMOS的小型化光谱仪应用日益广泛。阵列式光谱仪便携、测量速度快，极易从实验室应用拓展到户外应用，用于土壤、植物和水体等目标350-2500nm的光谱辐射测量[1-2]。然而，阵列式光谱仪的性能容易受温度、杂散光和非线性的众多因素影响[3-4]。一方面户外环境条件并不固定，一天内气温变化有可能超过10℃。另一方面，光谱仪实验室定标环境与户外使用环境可能差异极大，会造成光谱响应度的明显漂移。如果不进行数据修正，精确定标的结果将无法正确应用于户外测量。20世纪80年代，国外的Jackson和Robinson较早研究了多通道辐射计的温度稳定性。硅光电探测器在420-900nm受温度影响小；硫化铅探测器受温度影响明显，1℃温度的上升引起响应度减小4％-5％［5］。Starks等研究了硅二极管阵列光谱仪的响应度随温度的变化，对于波390-940nm，当环境温度从0℃升至35℃时响应度系数变化小于5％；对于1000nm，当环境温度从0℃变化至25℃响应度系数变化高达25％，而当环境温度从25℃升至35℃时响应度系数变化降至5％［6］。Salim等采用硅胶管缠绕光谱仪的方法进行温度控制，测量结果表明400-700nm每℃响应度变化约为0.13％，700-950nm温度响应度系数逐渐变小，950nm以后逐渐变大，1050nm增加至0.2％℃-1［7］。Price等测试了６款CCD光谱仪响应度随温度的变化，测试结果表明部分光谱仪波长位置会随温度发生漂移；同时不同型号光谱仪的热弛豫时间不同，采用瞬时环境温度进行修正可能带来偏差［8］。国内的温度实验研究表明当环境温度从10℃升至40℃时，部分地物光谱仪700-1050nm的响应度变化可能高达15％以上，采用温度修正后可以降至1％左右［9］。

地物光谱仪光谱响应度的漂移不仅与外界条件有关，而且实验室条件下长时间工作发热也可能带来光谱响应度的变化。本文对比了一款地物光谱仪不同条件下的光谱响应度变化，实验结果表明环境条件变化带来的影响可以通过监测地物光谱仪内部探测器的温度变化获得。通过建立的光谱响应度与探测器温度的对应关系，可以进行数据修正解决外界环境条件不同带来的影响，保证测量的准确性。

１ 实验部分

  地物光谱仪探测器组分别由硅阵列探测器和两块铟镓砷阵列探测器组成。硅阵列探测器波长范围350-990nm，未采用制冷控制，探测器芯片的温度可以实时监测，通过软件显示其温度。两块铟镓砷阵列探测器都采用制冷控制，软件仅显示目标制冷温度。第一块铟镓砷探测器波长范围1000-1890nm，第二块铟镓砷探测器波长范围1890-2500nm。实验首先采用汞氩灯校准地物光谱仪的波长，持续测量2h，同时监测硅阵列探测器的温度。然后采用积分球光源校准地物光谱仪光谱辐射亮度，并采用一个硅光电二极管实时监测积分球光源的信号变化。当不采集信号时，在地物光谱仪和硅光电二极管前放置挡屏避免光直接照射带来的温升。硅光电二极管处于实验室恒温环境，响应度漂移几乎可以忽略。

  地物光谱仪和积分球光源开机预热20min后正式测量。测量过程中，硅光电二极管的示值用于修正积分球光源的信号变化，硅光电二极管前安装中心波长550nm、带宽40nm滤光片，用于监控特定波长下的积分球信号变化。由于积分球光源是宽谱段光源，测量时同时记录积分球光源的相对色温变化。实验数据表明相对色温在2h内变化很小，光源的相对光谱分布可以近似认为不变，硅光电二极管的信号变化可以用于表征积分球光源的稳定性。图1中给出了积分球光源的相对光谱分布和信号随时间的变化。可以看出，积分球光源信号随着时间呈现下降趋势，每小时信号变小约0.2％。当光源稳定0.5h后，光源信号下降变得更为平缓。

式（1）用于计算t时刻地物光谱仪的光谱响应度。其中，S0（λ）是预热20min后地物光谱仪测量的波长λ处的数据，St（λ）是t时刻地物光谱仪测量的波长λ的数据，I0是预 热20min后硅光电二极管测量的信号，It是t时刻硅光电二极管测量的信号，R0（λ）是预热20min后地物光谱仪波长λ处的响应度。

２ 结果与讨论

2 .1 温度变化曲线

图2给出了实验室温度（22±1）℃、相对湿度43％±2％时，地物光谱仪在波长和光谱辐射亮度测量时硅阵列探测器的温度变化。测量过程中地物光谱仪采用水平放置，表面未采用风机散热。前20min温度上升迅速，变化大于5℃，之后温度曲线上升趋于平缓。2h内硅阵列探测器的温升大于12℃。在波长测量和光谱辐射亮度测量过程中温度上升趋势几乎一致，表明光谱辐射亮度测量时积分球光源发热带来的影响基本可以忽略，温度上升主要与使用过程中的仪器发热有关。

2 .2   光 谱 响 应 度 对 温 度 的 漂 移

实验室采用积分球光源考察地物光谱仪的光谱响应度变化。对于波长测量，当硅阵列探测器从23℃升至35℃，谱线灯峰值对应的波长位置并未改变。地物光谱仪临近波长点的相对光谱响应接近，随温度的变化趋势也近似一致，因此温度变化并未带来峰值波长的变化。对于光谱辐射亮度测量，图3给出了（22±1）℃，43％±2％RH时光谱辐射亮度随硅阵列探测器温度的变化。

预热20min后的光谱响应度作为参考值，对应的硅阵列探测器温度28.3℃。图中用于对比的温度分别是30.1，31.0，32.6，33.8，34.6和35.2℃。图3（a）给出了相应温度变化下的光谱响应度变化，图3（b）给出了每摄氏度温度变化带来的光谱响应度变化，即光谱响应度变化与温度变化之比。图3（b）中，硅阵列式探测器每摄氏度温度变化对应的响应度漂移并不相同，响应度随温度的变化趋势与温度相关，每摄氏度响应度的变化呈现先增大后变小的趋势。图3（a）中，当硅探测器温度上升6.9℃时，在波长380-990nm光谱响应度变化高达1.8％-7.3％，光谱响应度呈现与波长相关的特性，随着波长变大光谱响应度变化更为剧烈；在波长990-1800nm，光谱响应度变化较为平坦，平均变化约3.0％；在波长2000-2500nm，光谱响应度变化约1.9％。尽管两个铟镓砷阵列探测器都采用制冷控制，测量结果表明红外光谱响应度仍然有一定漂移。图4中，990nm附近响应度的陡降和1900nm两侧响应度变化的不同都与探测器更换有关。而1350，1900和2160nm附近呈现凹陷结构，其中1350和1900nm对应空气中水分子的吸收峰，可能源于积分球光源内部或出光口到地物光谱仪光路中的水蒸气含量变化，从而影响1350和1900nm附近的光谱响应度；波长2160nm与积分球光源相对光谱2140nm处的凹陷接近，可能源自于氢氧基的吸收带。图4给出了采用卤钨灯和漫反射板测量时的光谱响应度变化，温度变化约6℃。与图3对比，波长380-2000nm光谱响应度变化趋势接近，而波长2000-2500nm光谱响应度变化更为平坦，并未出现凹陷，表明图3中2160nm处的凹陷与积分球光源加热过程中的变化有关。

   作为对比，实验室还考察了环境条件30℃，43％RH时光谱响应度随时间的变化。地物光谱仪放置在温湿度控制箱中，通过侧壁开口瞄准箱体外部的积分球光源［9］。与室温条件相比，环境温度30℃时地物光谱仪硅阵列探测器的温度上升更为迅速。当硅阵列探测器升至28.3℃时，光谱仪采集的信号与室温22℃下硅阵列探测器升至28.3℃时采集的信号接近，差异在0.1％的水平。实验还对比了环境温度30℃和室温22℃时当硅阵列探测器温度从28.3℃升至35.2℃时对应的光谱响应度变化，见图5。尽管环境温度不同，两种条件下相同的温度变化对应的光谱响应度变化非常接近，整体偏差在0.2％以内。由于实验仅以硅阵列探测器作为参考，铟镓砷阵列探测器的光谱响应度变化略有不同。波长380-990nm，30℃的光谱响应度变化较22℃略大；990-1800nm，30℃的光谱响应度变化较22℃略小。环境温度的变化除了影响探测器温度的变化，也可能对内部电子元器件和其他光学元器件有一定影响，而测量结果表明其他器件温度的变化对于光谱响应度变化的贡献较小。总体来看，光谱仪响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应，环境温度的不同不影响光谱响应度的变化趋势。当在户外不同温度条件下进行辐射亮度测量时，并不需要记录外界环境的温度，光谱响应度的变化可以根据内部探测器的温度变化进行修正，得到近似准确的结果。

２．３  环 境 气 流 和 湿 度 对 响 应 度 的 影 响

户外测量时空气气流和湿度并不固定，可能对光谱响应度的变化产生影响。实验考察了采用风机散热和低湿度下的光谱响应度变化。采用温湿度控制箱将环境温度控制在22℃，相对湿度控制在6％，并进行风机散热。空气气流和湿度的变化对于波长位置几乎没有影响。图6（a）给出了硅阵列探测器的温度上升曲线，前30min上升曲线与图2相近，后半段趋势则很快趋于平坦，50min后温度几乎不变。图6（b）给出了硅阵列探测器28.3℃时的光谱响应度与图3中28.3℃时的光谱响应度差异。除去水的吸收峰附近，全谱段的差异几乎都位于±0.2％以内。考虑到测量的重复性，两种模式下的光谱响应度接近相同。测量数据表明外部空气流动和湿度变化对于光谱响应度的贡献可以忽略。同时，波长990nm两侧的趋势略有不同，表明铟镓砷阵列探测器和硅阵列探测器的变化存在差异，理论上应该通过监测两个铟镓砷阵列探测器的温度变化来描述990-2500nm的光谱响应度变化。

２．４  光 谱 响 应 度 的 温 度 修 正

实验将温湿度控制箱设置在10-30℃间的几个温度，采用地物光谱仪测量积分球光源信号，得到一组硅阵列探测器温度下对应的光谱响应度。当温湿度控制箱设定工作温度为10和30℃时，地物光谱仪开机约1h的硅阵列探测器温度约为16和37℃。地物光谱仪光谱响应度选用硅阵列探测器28℃的信号作为参考，其他温度下测量的光谱信号与28℃的信号比值记作光谱比例系数。图7给出了不同温度对应的光谱比例系数。随着温度升高，光谱响应度整体呈现增大趋势。波长450-950nm范围，光谱响应度变化随温度变化呈现接近线性的趋势。波长1050-2300nm范围，光谱响应度变化在16-28℃范围变化更为平缓。这可能由于温度升高时，光谱仪内部散热对两个铟镓砷探测器的制冷效果有一定影响，而温度较低时对制冷效果的影响偏小。

为了得到其他温度点的比例系数，可以对图７中的光谱比例系数进行多项式拟合，根据拟合曲线计算16-37℃间其他温度的比例系数。这里采用最小二乘法，根据式（２）进行二次曲线拟合。

S（T）＝a（T－T0）２＋b（T－T0）＋c         （2）

其中，S（T）是光谱仪温度T时的比例系数，T0对应温度28℃，a,b和c是二次曲线的系数。图８给出了计算得到的35℃时的光谱响应度和直接测量得到的35℃时的响应度差异，整体差异几乎都在0.2％以内。因此，通过监测探测器的工作温度和数据插值可以得到对应的光谱响应度，用于解决环境条件不同带来的光谱响应度变化。

３ 结论

考察了一款地物光谱仪光谱响应特性与外界环境条件的关系，测量结果表明光谱响应度的变化主要取决于内部探测器的温度变化，对于湿度和气流的影响并不敏感。在两种环境温度22和30℃下，当地物光谱仪内部探测器的温度或温度变化相同，对应的光谱响应度或光谱响应度变化在全谱段非常接近，差异小于0.2％。测量结果表明外界环境条件对地物光谱仪光谱响应度的影响可以近似采用内部探测器的温度变化描述。根据光谱响应度与探测器温度的函数曲线关系和探测器的实时温度，可以对地物光谱仪环境影响进行数据修正，从而实现准确测量。

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典型地物光谱

植被

硫磺

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应用案例

主要技术指标