地物光譜輻射計(jì)的定標(biāo)檢測(cè)研究*

弓　偉，周晉陽(yáng)，石春花

(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長(zhǎng)治 046012)

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地物光譜輻射計(jì)的定標(biāo)檢測(cè)研究*

弓偉，周晉陽(yáng)，石春花

(長(zhǎng)治醫(yī)學(xué)院 生物醫(yī)學(xué)工程系，山西 長(zhǎng)治 046012)

摘要：介紹了地物光譜輻射計(jì)的定標(biāo)檢測(cè)內(nèi)容、設(shè)備條件和檢測(cè)方法，對(duì)某型號(hào)地物光譜輻射計(jì)的響應(yīng)度、穩(wěn)定性和線性進(jìn)行了定標(biāo)檢測(cè)，并對(duì)定標(biāo)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析。

關(guān)鍵詞：光譜輻射；響應(yīng)度；線性；穩(wěn)定性；定標(biāo)

1綜述

地面上的各種有形物體，如山川、森林、建筑物等，都具有吸收或反射某些頻段電磁波的特性，同時(shí)它們又具有輻射某些頻段電磁波的能力，甚至有些物體還能夠投射電磁波。這些表征物體光譜特性的數(shù)據(jù)中，包含很多有用的時(shí)間特性和空間特性，以供人們?cè)谶b感分析等領(lǐng)域的使用。

地物光譜輻射計(jì)是獲取地物光譜信息的主要手段，而定標(biāo)檢測(cè)是保證地物光譜輻射計(jì)性能指標(biāo)的重要環(huán)節(jié)。

2檢測(cè)內(nèi)容

2.1響應(yīng)度定標(biāo)

響應(yīng)度是表征整個(gè)光譜輻射計(jì)系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)系統(tǒng)及放大系統(tǒng)的一個(gè)絕對(duì)量。定標(biāo)也就是建立在給定能量時(shí)，光譜輻射計(jì)系統(tǒng)所對(duì)應(yīng)的輸出關(guān)系。

2.2線性定標(biāo)

線性定標(biāo)是針對(duì)光譜輻射計(jì)隨著入射能量的變化，對(duì)其響應(yīng)變化所遵循規(guī)律的檢測(cè)。

2.3穩(wěn)定性定標(biāo)

穩(wěn)定性定標(biāo)是在輻射源和其它外界測(cè)試條件不變的情況下，使光譜輻射計(jì)對(duì)輻射源進(jìn)行連續(xù)的長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，從而獲得光譜輻射計(jì)在連續(xù)開機(jī)情況下響應(yīng)的變化率，亦即儀器響應(yīng)相對(duì)于時(shí)間的穩(wěn)定性參數(shù)[1]。

3主要定標(biāo)檢測(cè)設(shè)備及條件

測(cè)試過(guò)程需要在輻射定標(biāo)實(shí)驗(yàn)室中完成。為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的科學(xué)性和有效性，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行中，實(shí)驗(yàn)室溫度需保持在20°～23°的范圍，濕度需保持在60%以下。

3.1輻射標(biāo)準(zhǔn)(標(biāo)準(zhǔn)照度燈F09)

輻射標(biāo)準(zhǔn)燈為國(guó)家計(jì)量院標(biāo)定的一級(jí)傳遞標(biāo)準(zhǔn)，其供電電源的穩(wěn)定度需優(yōu)于0.05%。

表1　輻射標(biāo)準(zhǔn)燈的不確定度

3.2積分球輻射源

積分球輻射源的技術(shù)指標(biāo)如下所示：

面均勻度優(yōu)于99.5%；色溫約2 600 K；能夠分十六檔能量輸出；供電電源的穩(wěn)定度需優(yōu)于0.05%；各檔相對(duì)輸出能量由Trap探測(cè)器監(jiān)視。

3.3標(biāo)準(zhǔn)反射板

工作波段范圍為：250 nm～2 500 nm；反射率范圍為：95.5%～99.5%；余弦特性：優(yōu)于1%(～50°)。

3.4Trap探測(cè)器

用來(lái)監(jiān)視積分球輻射源在不同檔情況下的相對(duì)輸出[2]。

4定標(biāo)檢測(cè)方法及數(shù)據(jù)處理

4.1響應(yīng)度定標(biāo)

響應(yīng)度的檢測(cè)是在標(biāo)準(zhǔn)燈漫反射板(距離為1 000 mm)定標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行的。檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)使儀器的入射角不大于45°且漫反射板充滿儀器的視場(chǎng)。打開標(biāo)準(zhǔn)燈預(yù)熱至穩(wěn)定狀態(tài)，連續(xù)測(cè)量40次。

響應(yīng)度最終可由下式計(jì)算：

其中，DN為儀器的顯示值，Lλ為漫反射板的亮度值。

其中，Eλd為距離d處的標(biāo)準(zhǔn)燈的在波長(zhǎng)λ處的照度值，ρλ為漫反射板在波長(zhǎng)為λ處的半球反射率。

4.2線性定標(biāo)

線性定標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)燈漫反射板定標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行的，檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)使儀器的入射角不大于45°且漫反射板充滿儀器的視場(chǎng)。打開標(biāo)準(zhǔn)燈預(yù)熱至穩(wěn)定狀態(tài)。通過(guò)改變標(biāo)準(zhǔn)燈與漫反射板之間的距離來(lái)改變進(jìn)入儀器的光輻射亮度。檢測(cè)時(shí)，我們?nèi)?biāo)準(zhǔn)燈與漫反射板之間的距離分別為707 mm，1 000 mm，1 414 mm，2 000 mm和2 828 mm這五種情況，每種情況下分別測(cè)量三次，并最終取平均值來(lái)獲取數(shù)據(jù)。

線性定標(biāo)的數(shù)據(jù)根據(jù)實(shí)際響應(yīng)情況，選擇合適的參數(shù)進(jìn)行線性擬合，并給出線性相關(guān)系數(shù)。

4.3穩(wěn)定性定標(biāo)

線性定標(biāo)是在標(biāo)準(zhǔn)燈漫反射板定標(biāo)系統(tǒng)中進(jìn)行的。檢測(cè)時(shí)，應(yīng)當(dāng)使儀器的入射角不大于45°且漫反射板充滿儀器的視場(chǎng)。打開標(biāo)準(zhǔn)燈預(yù)熱至穩(wěn)定狀態(tài)。每隔三分鐘測(cè)量一次，每次測(cè)量三組數(shù)據(jù)，一共測(cè)量1.5小時(shí)。

對(duì)測(cè)量的一組數(shù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)，給出相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD作為對(duì)穩(wěn)定性的評(píng)估。相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差RSD按照下式計(jì)算：

SD為一組測(cè)值的標(biāo)準(zhǔn)偏差。

5定標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

5.1響應(yīng)度定標(biāo)結(jié)果

圖1是光譜輻射計(jì)的響應(yīng)度分布曲線。

圖1　響應(yīng)度分布曲線

光譜輻射計(jì)主要狀態(tài)參數(shù)：G=4，I=2。

5.2穩(wěn)定性定標(biāo)結(jié)果

圖2給出了在1.5小時(shí)內(nèi)連續(xù)進(jìn)行測(cè)量，數(shù)值的RSD在不同波長(zhǎng)上的分布情況。

圖2　穩(wěn)定性的RSD在不同波長(zhǎng)上的分布示意圖

光譜輻射計(jì)主要狀態(tài)參數(shù)：普通增益，G=4，I=2。

5.3線性響應(yīng)定標(biāo)結(jié)果

此處，選取了如下幾個(gè)波長(zhǎng)的數(shù)值進(jìn)行分析，鑒于測(cè)量值的實(shí)際分布情況，我們采用最小二乘法進(jìn)行線性擬合，并給出相應(yīng)的線性相關(guān)系數(shù)R。

圖3　線性響應(yīng)結(jié)果示意圖

Y499.22=1 851.98X+25.92R=0.999 99

Y599.13=4 955.87X+51.00R=0.999 99

Y698.70=8 020.54X+82.08R=0.999 99

Y801.03=6 476.99X+235.33R=0.999 99

Y900.60=3 790.92X+153.83R=0.999 99

需要說(shuō)明的是，測(cè)量值與測(cè)量距離的平方的倒數(shù)成正比。

從以上選定的幾個(gè)波段的擬合分析結(jié)果看，該光譜輻射計(jì)的傳感器具有優(yōu)良的線性響應(yīng)特性。

參考文獻(xiàn)

[1]李振國(guó)，魏青.光輻射測(cè)量原理與技術(shù)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社,1998：1-89.

[2]王淑榮，刑進(jìn)，李福田.利用積分球光源定標(biāo)空間紫外遙感光譜輻射計(jì)[J].光學(xué)精密工程，2006(2)：185-188.

收稿日期：2016-01-14

基金項(xiàng)目：山西省高?？萍佳芯块_發(fā)項(xiàng)目(20091025)

作者簡(jiǎn)介：弓偉(1983- )，男，山西長(zhǎng)治人，工程師，碩士研究生，研究方向：醫(yī)療電子設(shè)備。

通訊作者：周晉陽(yáng)(1958- )，男，山西長(zhǎng)治人，教授，研究方向：生物醫(yī)學(xué)工程。

文章編號(hào)：1674- 4578(2016)02- 0095- 02

中圖分類號(hào)：TP731；TP274.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Research on Calibration Test of the Spectroradiometer

Gong Wei, Zhou Jinyang, Shi Chunhua

(DepartmentofBiomedicalEngineering,ChangzhiMedicalCollege,ChangzhiShanxi046012,China)

Abstract:The calibration content, equipment condition and detection method are introduced in this paper. The responsivity, stability and linearity of some type spectroradiometer are calibrated. Also the calibration results are analyzed briefly.

Key words:spectral radiation; responsivity; linearity; stability; calibration