地物光譜儀測(cè)量中的溫濕度影響

吳志峰，李 玲，代彩紅，王彥飛，謝一航，程秋桐

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計(jì)量科學(xué)研究所，北京 100029

引 言

光譜輻射計(jì)是光輻射度測(cè)量中最常見(jiàn)的儀器，用于測(cè)量相對(duì)光譜分布、光譜輻射亮度或光譜輻射照度。大型的雙光柵光譜儀和傅里葉光譜儀通常用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)，可以滿足紫外、可見(jiàn)和紅外光譜輻射測(cè)量。自從陣列式光電探測(cè)器CCD和CMOS普及以來(lái)，搭載CCD或CMOS的小型化光譜儀應(yīng)用日益廣泛。陣列式光譜儀便攜、測(cè)量速度快，極易從實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用擴(kuò)展到戶外應(yīng)用，用于土壤、植物和水體等目標(biāo)350～2 500 nm的光譜輻射測(cè)量[1-2]。然而，陣列式光譜儀的性能容易受溫度、雜散光和非線性等眾多因素影響[3-4]。一方面戶外環(huán)境條件并不固定，一天內(nèi)氣溫變化有可能超過(guò)10 ℃。另一方面，光譜儀實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)環(huán)境與戶外使用環(huán)境可能差異極大，會(huì)造成光譜響應(yīng)度的明顯漂移。如果不進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，精確定標(biāo)的結(jié)果將無(wú)法正確應(yīng)用于戶外測(cè)量。20世紀(jì)80年代，國(guó)外的Jackson和Robinson較早研究了多通道輻射計(jì)的溫度穩(wěn)定性。硅光電探測(cè)器在420～900 nm受溫度影響??；硫化鉛探測(cè)器受溫度影響明顯，1 ℃溫度的上升引起響應(yīng)度減小4%～5%[5]。Starks等研究了硅二極管陣列光譜儀的響應(yīng)度隨溫度的變化，對(duì)于波段390～940 nm，當(dāng)環(huán)境溫度從0 ℃升至35 ℃時(shí)響應(yīng)度系數(shù)變化小于5%；對(duì)于1 000 nm，當(dāng)環(huán)境溫度從0 ℃變化至25 ℃響應(yīng)度系數(shù)變化高達(dá)25%，而當(dāng)環(huán)境溫度從25 ℃升至35 ℃時(shí)響應(yīng)度系數(shù)變化降至5%[6]。Salim等采用硅膠管纏繞光譜儀的方法進(jìn)行溫度控制，測(cè)量結(jié)果表明400～700 nm每 ℃響應(yīng)度變化約為0.13%，700～950 nm溫度響應(yīng)度系數(shù)逐漸變小，950 nm以后逐漸變大，1 050 nm增加至0.2% ℃-1 [7]。Price等測(cè)試了6款CCD光譜儀響應(yīng)度隨溫度的變化，測(cè)試結(jié)果表明部分光譜儀波長(zhǎng)位置會(huì)隨溫度發(fā)生漂移；同時(shí)不同型號(hào)光譜儀的熱弛豫時(shí)間不同，采用瞬時(shí)環(huán)境溫度進(jìn)行修正可能帶來(lái)偏差[8]。國(guó)內(nèi)的溫度實(shí)驗(yàn)研究表明當(dāng)環(huán)境溫度從10 ℃升至40 ℃時(shí)，部分地物光譜儀700～1 050 nm的響應(yīng)度變化可能高達(dá)15%以上，采用溫度修正后可以降至1%左右[9]。

地物光譜儀光譜響應(yīng)度的漂移不僅與外界條件有關(guān)，而且實(shí)驗(yàn)室條件下長(zhǎng)時(shí)間工作發(fā)熱也可能帶來(lái)光譜響應(yīng)度的變化。本文對(duì)比了一款地物光譜儀不同條件下的光譜響應(yīng)度變化，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明環(huán)境條件變化帶來(lái)的影響可以通過(guò)監(jiān)測(cè)地物光譜儀內(nèi)部探測(cè)器的溫度變化獲得。通過(guò)建立的光譜響應(yīng)度與探測(cè)器溫度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)修正解決外界環(huán)境條件不同帶來(lái)的影響，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。

1 實(shí)驗(yàn)部分

地物光譜儀探測(cè)器組分別由硅陣列探測(cè)器和兩塊銦鎵砷陣列探測(cè)器組成。硅陣列探測(cè)器波長(zhǎng)范圍350～990 nm，未采用制冷控制，探測(cè)器芯片的溫度可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)軟件顯示其溫度。兩塊銦鎵砷陣列探測(cè)器都采用制冷控制，軟件僅顯示目標(biāo)制冷溫度。第一塊銦鎵砷探測(cè)器波長(zhǎng)范圍1 000～1 890 nm，第二塊銦鎵砷探測(cè)器波長(zhǎng)范圍1 890～2 500 nm。實(shí)驗(yàn)首先采用汞氬燈校準(zhǔn)地物光譜儀的波長(zhǎng)，持續(xù)測(cè)量2 h，同時(shí)監(jiān)測(cè)硅陣列探測(cè)器的溫度。然后采用積分球光源校準(zhǔn)地物光譜儀光譜輻射亮度，并采用一個(gè)硅光電二極管實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)積分球光源的信號(hào)變化。當(dāng)不采集信號(hào)時(shí)，在地物光譜儀和硅光電二極管前放置擋屏避免光直接照射帶來(lái)的溫升。硅光電二極管處于實(shí)驗(yàn)室恒溫環(huán)境，響應(yīng)度漂移幾乎可以忽略。地物光譜儀和積分球光源開(kāi)機(jī)預(yù)熱20 min后正式測(cè)量。測(cè)量過(guò)程中，硅光電二極管的示值用于修正積分球光源的信號(hào)變化，硅光電二極管前安裝中心波長(zhǎng)550 nm、帶寬40 nm濾光片，用于監(jiān)控特定波長(zhǎng)下的積分球信號(hào)變化。由于積分球光源是寬譜段光源，測(cè)量時(shí)同時(shí)記錄積分球光源的相對(duì)色溫變化。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明相對(duì)色溫在2 h內(nèi)變化很小，光源的相對(duì)光譜分布可以近似認(rèn)為不變，硅光電二極管的信號(hào)變化可以用于表征積分球光源的穩(wěn)定性。圖1中給出了積分球光源的相對(duì)光譜分布和信號(hào)隨時(shí)間的變化?？梢钥闯觯e分球光源信號(hào)隨著時(shí)間呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，每小時(shí)信號(hào)變小約0.2%。當(dāng)光源穩(wěn)定0.5 h后，光源信號(hào)下降變得更為平緩。

圖1 (a)積分球光源相對(duì)光譜分布；(b)積分球光源信號(hào)隨時(shí)間變化Fig.1 (a) Relative spectra of integrating sphere lamp； (b) Signal variation with time

式(1)用于計(jì)算t時(shí)刻地物光譜儀的光譜響應(yīng)度。其中，S0(λ)是預(yù)熱20 min后地物光譜儀測(cè)量的波長(zhǎng)λ處的數(shù)據(jù)，St(λ)是t時(shí)刻地物光譜儀測(cè)量的波長(zhǎng)λ的數(shù)據(jù)，I0是預(yù)熱20 min后硅光電二極管測(cè)量的信號(hào)，It是t時(shí)刻硅光電二極管測(cè)量的信號(hào)，R0(λ)是預(yù)熱20 min后地物光譜儀波長(zhǎng)λ處的響應(yīng)度。

(1)

2 結(jié)果與討論

2.1 溫度變化曲線

圖2給出了實(shí)驗(yàn)室溫度(22±1) ℃、相對(duì)濕度43%±2%時(shí)，地物光譜儀在波長(zhǎng)和光譜輻射亮度測(cè)量時(shí)硅陣列探測(cè)器的溫度變化。測(cè)量過(guò)程中地物光譜儀采用水平放置，表面未采用風(fēng)機(jī)散熱。前20 min溫度上升迅速，變化大于5 ℃，之后溫度曲線上升趨于平緩。2 h內(nèi)硅陣列探測(cè)器的溫升大于12 ℃。在波長(zhǎng)測(cè)量和光譜輻射亮度測(cè)量過(guò)程中溫度上升趨勢(shì)幾乎一致，表明光譜輻射亮度測(cè)量時(shí)積分球光源發(fā)熱帶來(lái)的影響基本可以忽略，溫度上升主要與使用過(guò)程中的儀器發(fā)熱有關(guān)。

圖2 探測(cè)器溫度變化曲線Fig.2 Temperature drift of the detector

2.2 光譜響應(yīng)度隨溫度的漂移

實(shí)驗(yàn)室采用積分球光源考察地物光譜儀的光譜響應(yīng)度變化。對(duì)于波長(zhǎng)測(cè)量，當(dāng)硅陣列探測(cè)器從23 ℃升至35 ℃，譜線燈峰值對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)位置并未改變。地物光譜儀臨近波長(zhǎng)點(diǎn)的相對(duì)光譜響應(yīng)接近，隨溫度的變化趨勢(shì)也近似一致，因此溫度變化并未帶來(lái)峰值波長(zhǎng)的變化。對(duì)于光譜輻射亮度測(cè)量，圖3給出了(22±1) ℃，43%±2%RH時(shí)光譜輻射亮度隨硅陣列探測(cè)器溫度的變化。

圖3 溫度變化帶來(lái)的光譜響應(yīng)度變化Fig.3 Spectral responsivity variation due to temperature change

預(yù)熱20 min后的光譜響應(yīng)度作為參考值，對(duì)應(yīng)的硅陣列探測(cè)器溫度28.3 ℃。圖中用于對(duì)比的溫度分別是30.1，31.0，32.6，33.8，34.6和35.2 ℃。圖3(a)給出了相應(yīng)溫度變化下的光譜響應(yīng)度變化，圖3(b)給出了每攝氏度溫度變化帶來(lái)的光譜響應(yīng)度變化，即光譜響應(yīng)度變化與溫度變化之比。圖3(b)中，硅陣列式探測(cè)器每攝氏度溫度變化對(duì)應(yīng)的響應(yīng)度漂移并不相同，響應(yīng)度隨溫度的變化趨勢(shì)與溫度相關(guān)，每攝氏度響應(yīng)度的變化呈現(xiàn)先增大后變小的趨勢(shì)。圖3(a)中，當(dāng)硅探測(cè)器溫度上升6.9 ℃時(shí)，在波長(zhǎng)380～990 nm光譜響應(yīng)度變化高達(dá)1.8%～7.3%，光譜響應(yīng)度呈現(xiàn)與波長(zhǎng)相關(guān)的特性，隨著波長(zhǎng)變大光譜響應(yīng)度變化更為劇烈；在波長(zhǎng)990～1 800 nm，光譜響應(yīng)度變化較為平坦，平均變化約3.0%；在波長(zhǎng)2 000～2 500 nm，光譜響應(yīng)度變化約1.9%。盡管兩個(gè)銦鎵砷陣列探測(cè)器都采用制冷控制，測(cè)量結(jié)果表明紅外光譜響應(yīng)度仍然有一定漂移。圖中，990 nm附近響應(yīng)度的陡降和1 900 nm兩側(cè)響應(yīng)度變化的不同都與探測(cè)器更換有關(guān)。而1 350，1 900和2 160 nm附近呈現(xiàn)凹陷結(jié)構(gòu)，其中1 350和1 900 nm對(duì)應(yīng)空氣中水分子的吸收峰，可能源于積分球光源內(nèi)部或出光口到地物光譜儀光路中的水蒸氣含量變化，從而影響1 350和1 900 nm附近的光譜響應(yīng)度；波長(zhǎng)2 160 nm與積分球光源相對(duì)光譜2 140 nm處的凹陷接近，可能源自于氫氧基的吸收帶。圖4給出了采用鹵鎢燈和漫反射板測(cè)量時(shí)的光譜響應(yīng)度變化，溫度變化約6 ℃。與圖3對(duì)比，波長(zhǎng)380～2 000 nm光譜響應(yīng)度變化趨勢(shì)接近，而波長(zhǎng)2 000～2 500 nm光譜響應(yīng)度變化更為平坦，并未出現(xiàn)凹陷，表明圖3中2 160 nm處的凹陷與積分球光源加熱過(guò)程中的變化有關(guān)。

圖4 鹵鎢燈漫反射板測(cè)量時(shí)光譜響應(yīng)度變化Fig.4 Spectral responsivity variation using standard lamp and diffuse plate

作為對(duì)比，實(shí)驗(yàn)室還考察了環(huán)境條件30 ℃，43%RH時(shí)光譜響應(yīng)度隨時(shí)間的變化。地物光譜儀放置在溫濕度控制箱中，通過(guò)側(cè)壁開(kāi)口瞄準(zhǔn)箱體外部的積分球光源[9]。與室溫條件相比，環(huán)境溫度30 ℃時(shí)地物光譜儀硅陣列探測(cè)器的溫度上升更為迅速。當(dāng)硅陣列探測(cè)器升至28.3 ℃時(shí)，光譜儀采集的信號(hào)與室溫22 ℃下硅陣列探測(cè)器升至28.3 ℃時(shí)采集的信號(hào)接近，差異在0.1%的水平。實(shí)驗(yàn)還對(duì)比了環(huán)境溫度30 ℃和室溫22 ℃時(shí)當(dāng)硅陣列探測(cè)器溫度從28.3 ℃升至35.2 ℃時(shí)對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度變化，見(jiàn)圖5。盡管環(huán)境溫度不同，兩種條件下相同的溫度變化對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度變化非常接近，整體偏差在0.2%以內(nèi)。由于實(shí)驗(yàn)僅以硅陣列探測(cè)器作為參考，銦鎵砷陣列探測(cè)器的光譜響應(yīng)度變化略有不同。波長(zhǎng)380～990 nm，30 ℃的光譜響應(yīng)度變化較22 ℃略大；990～1 800 nm，30 ℃的光譜響應(yīng)度變化較22 ℃略小。環(huán)境溫度的變化除了影響探測(cè)器溫度的變化，也可能對(duì)內(nèi)部電子元器件和其他光學(xué)元器件有一定影響，而測(cè)量結(jié)果表明其他器件溫度的變化對(duì)于光譜響應(yīng)度變化的貢獻(xiàn)較小。總體來(lái)看，光譜儀響應(yīng)度與內(nèi)部探測(cè)器的溫度近似存在一一對(duì)應(yīng)，環(huán)境溫度的不同不影響光譜響應(yīng)度的變化趨勢(shì)。當(dāng)在戶外不同溫度條件下進(jìn)行輻射亮度測(cè)量時(shí)，并不需要記錄外界環(huán)境的溫度，光譜響應(yīng)度的變化可以根據(jù)內(nèi)部探測(cè)器的溫度變化進(jìn)行修正，得到近似準(zhǔn)確的結(jié)果。

圖5 環(huán)境溫度22和30 ℃時(shí)的光譜響應(yīng)度變化Fig.5 Spectral responsivity variation at 22 and 30 ℃ environment temperature

2.3 環(huán)境氣流和濕度對(duì)響應(yīng)度的影響

戶外測(cè)量時(shí)空氣氣流和濕度并不固定，可能對(duì)光譜響應(yīng)度的變化產(chǎn)生影響。實(shí)驗(yàn)考察了采用風(fēng)機(jī)散熱和低濕度下的光譜響應(yīng)度變化。采用溫濕度控制箱將環(huán)境溫度控制在22 ℃，相對(duì)濕度控制在6%，并進(jìn)行風(fēng)機(jī)散熱?？諝鈿饬骱蜐穸鹊淖兓瘜?duì)于波長(zhǎng)位置幾乎沒(méi)有影響。圖6(a)給出了硅陣列探測(cè)器的溫度上升曲線，前30 min上升曲線與圖2相近，后半段趨勢(shì)則很快趨于平坦，50 min后溫度幾乎不變。圖6(b)給出了硅陣列探測(cè)器28.3 ℃時(shí)的光譜響應(yīng)度與圖3中28.3 ℃時(shí)的光譜響應(yīng)度差異。除去水的吸收峰附近，全譜段的差異幾乎都位于±0.2%以內(nèi)?？紤]到測(cè)量的重復(fù)性，兩種模式下的光譜響應(yīng)度接近相同。測(cè)量數(shù)據(jù)表明外部空氣流動(dòng)和濕度變化對(duì)于光譜響應(yīng)度的貢獻(xiàn)可以忽略。同時(shí)，波長(zhǎng)990 nm兩側(cè)的趨勢(shì)略有不同，表明銦鎵砷陣列探測(cè)器和硅陣列探測(cè)器的變化存在差異，理論上應(yīng)該通過(guò)監(jiān)測(cè)兩個(gè)銦鎵砷陣列探測(cè)器的溫度變化來(lái)描述990～2 500 nm的光譜響應(yīng)度變化。

圖6 (a)探測(cè)器溫度變化曲線；(b)兩種模式下的光譜響應(yīng)度差異Fig.6 (a) Temperature drift of the detector； (b) Spectral responsivity difference between two modes

2.4 光譜響應(yīng)度的溫度修正

實(shí)驗(yàn)將溫濕度控制箱設(shè)置在10～30 ℃間的幾個(gè)溫度，采用地物光譜儀測(cè)量積分球光源信號(hào)，得到一組硅陣列探測(cè)器溫度下對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度。當(dāng)溫濕度控制箱設(shè)定工作溫度為10和30 ℃時(shí)，地物光譜儀開(kāi)機(jī)約1 h的硅陣列探測(cè)器溫度約為16和37 ℃。地物光譜儀光譜響應(yīng)度選用硅陣列探測(cè)器28 ℃的信號(hào)作為參考，其他溫度下測(cè)量的光譜信號(hào)與28 ℃的信號(hào)比值記作光譜比例系數(shù)。圖7給出了不同溫度對(duì)應(yīng)的光譜比例系數(shù)。隨著溫度升高，光譜響應(yīng)度整體呈現(xiàn)增大趨勢(shì)。波長(zhǎng)450～950 nm范圍，光譜響應(yīng)度變化隨溫度變化呈現(xiàn)接近線性的趨勢(shì)。波長(zhǎng)1 050～2 300 nm范圍，光譜響應(yīng)度變化在16～28 ℃范圍變化更為平緩。這可能由于溫度升高時(shí)，光譜儀內(nèi)部散熱對(duì)兩個(gè)銦鎵砷探測(cè)器的制冷效果有一定影響，而溫度較低時(shí)對(duì)制冷效果的影響偏小。

圖7 不同溫度對(duì)應(yīng)的光譜比例系數(shù)Fig.7 Spectral ratios at different temperature

為了得到其他溫度點(diǎn)的比例系數(shù)，可以對(duì)圖7中的光譜比例系數(shù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，根據(jù)擬合曲線計(jì)算16～37 ℃間其他溫度的比例系數(shù)。這里采用最小二乘法，根據(jù)式(2)進(jìn)行二次曲線擬合。

S(T)=a(T-T0)2+b(T-T0)+c

(2)

其中，S(T)是光譜儀溫度T時(shí)的比例系數(shù)，T0對(duì)應(yīng)溫度28 ℃，a，b和c是二次曲線的系數(shù)。圖8給出了計(jì)算得到的35 ℃時(shí)的光譜響應(yīng)度和直接測(cè)量得到的35 ℃時(shí)的響應(yīng)度差異，整體差異幾乎都在0.2%以內(nèi)。因此，通過(guò)監(jiān)測(cè)探測(cè)器的工作溫度和數(shù)據(jù)插值可以得到對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度，用于解決環(huán)境條件不同帶來(lái)的光譜響應(yīng)度變化。

圖8 計(jì)算和測(cè)量得到的光譜響應(yīng)度差異Fig.8 Spectral responsivity difference between calculation and measurement

3 結(jié) 論

考察了一款地物光譜儀光譜響應(yīng)特性與外界環(huán)境條件的關(guān)系，測(cè)量結(jié)果表明光譜響應(yīng)度的變化主要取決于內(nèi)部探測(cè)器的溫度變化，對(duì)于濕度和氣流的影響并不敏感。在兩種環(huán)境溫度22和30 ℃下，當(dāng)?shù)匚锕庾V儀內(nèi)部探測(cè)器的溫度或溫度變化相同，對(duì)應(yīng)的光譜響應(yīng)度或光譜響應(yīng)度變化在全譜段非常接近，差異小于0.2%。測(cè)量結(jié)果表明外界環(huán)境條件對(duì)地物光譜儀光譜響應(yīng)度的影響可以近似采用內(nèi)部探測(cè)器的溫度變化描述。根據(jù)光譜響應(yīng)度與探測(cè)器溫度的函數(shù)曲線關(guān)系和探測(cè)器的實(shí)時(shí)溫度，可以對(duì)地物光譜儀環(huán)境影響進(jìn)行數(shù)據(jù)修正，從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確測(cè)量。