引言

地物光譜儀在遙感領(lǐng)域的應(yīng)用日益重要，可用于研究不同地物條件下可見和紅外的光譜輻射特性，從而獲得地表的光譜輻射亮度?光譜輻射照度或方向反射因子等信息。地物光譜特性的準確測量是光學(xué)遙感定量分析的基礎(chǔ)，對于航天傳感器定標?遙感數(shù)據(jù)反演等具有極其重要的意義。地物光譜儀在測量前必須進行光譜輻射定標，一方面定標過程中地物光譜儀的光譜響應(yīng)特性可能發(fā)生漂移，另一方面測量時的環(huán)境與定標環(huán)境可能差異較大，都會影響測量的準確性

國內(nèi)的溫度實驗研究表明當(dāng)環(huán)境溫度從10℃升至40℃時，部分地物光譜儀700~1050nm的響應(yīng)度變化可能高達15%以上，采用溫度修正后可以降至1%左右。地物光譜儀光譜響應(yīng)度的漂移不僅與外界條件有關(guān)，而且實驗室條件下長時間工作發(fā)熱也可能帶來光譜響應(yīng)度的變化。本文對比了一款地物光譜儀不同條件下的光譜響應(yīng)度變化，實驗結(jié)果表明環(huán)境條件變化帶來的影響可以通過監(jiān)測地物光譜儀內(nèi)部探測器的溫度變化獲得。通過建立的光譜響應(yīng)度與探測器溫度的對應(yīng)關(guān)系，可以進行數(shù)據(jù)修正解決外界環(huán)境條件不同帶來的影響，保證測量的準確性。

結(jié)果與討論

2.1 溫度變化曲線

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

圖1探測器溫度變化曲線

2.2 光譜響應(yīng)度隨溫度的漂移

實驗室采用積分球光源考察地物光譜儀的光譜響應(yīng)度變化。對于波長測量，當(dāng)硅陣列探測器從23℃升至35℃，譜線燈峰值對應(yīng)的波長位置并未改變。地物光譜儀臨近波長點的相對光譜響應(yīng)接近，隨溫度的變化趨勢也近似一致，因此溫度變化并未帶來峰值波長的變化。對于光譜輻射亮度測量，圖2給出了(22±1)℃，43%±2%RH時光譜輻射亮度隨硅陣列探測器溫度的變化。

圖2溫度變化帶來的光譜響應(yīng)度變化

圖3鹵鎢燈漫反射板測量時光譜響應(yīng)度變化

作為對比，實驗室還考察了環(huán)境條件30℃，43%RH時光譜響應(yīng)度隨時間的變化。地物光譜儀放置在溫濕度控制箱中，通過側(cè)壁開口瞄準箱體外部的積分球光源。與室溫條件相比，環(huán)境溫度30℃時地物光譜儀硅陣列探測器的溫度上升更為迅速。當(dāng)硅陣列探測器升至28.3℃時，光譜儀采集的信號與室溫22℃下硅陣列探測器升至28.3℃時采集的信號接近，差異在0.1%的水平。實驗還對比了環(huán)境溫度30℃和室溫22℃時當(dāng)硅陣列探測器溫度從28.3℃升至35.2℃時對應(yīng)的光譜響應(yīng)度變化，見圖4。

圖4 環(huán)境溫度22和30℃時的光譜響應(yīng)度變化

2.3 環(huán)境氣流和濕度對響應(yīng)度的影響

戶外測量時空氣氣流和濕度并不固定，可能對光譜響應(yīng)度的變化產(chǎn)生影響。實驗考察了采用風(fēng)機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℃，相對濕度控制在6%，并進行風(fēng)機散熱?？諝鈿饬骱蜐穸鹊淖兓瘜τ诓ㄩL位置幾乎沒有影響。

圖5 (a)探測器溫度變化曲線；(b)兩種模式下的光譜響應(yīng)度差異

結(jié)果和分析

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)部探測器的溫度變化，對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)部探測器的溫度或溫度變化相同，對應(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%。測量結(jié)果表明外界環(huán)境條件對地物光譜儀光譜響應(yīng)度的影響可以近似采用內(nèi)部探測器的溫度變化描述。根據(jù)光譜響應(yīng)度與探測器溫度的函數(shù)曲線關(guān)系和探測器的實時溫度，可以對地物光譜儀環(huán)境影響進行數(shù)據(jù)修正，從而實現(xiàn)準確測量。

推薦：

便攜式地物光譜儀iSpecField-NIR/WNIR

專門用于野外遙感測量、土壤環(huán)境、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新明星產(chǎn)品，由于其操作靈活、便攜方便、光譜測試速度快、光譜數(shù)據(jù)準確是一款真正意義上便攜式地物光譜儀。

無人機機載高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VM100

一款基于小型多旋翼無人機機載高光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)由高光譜成像相機、穩(wěn)定云臺、機載控制與數(shù)據(jù)采集模塊、機載供電模塊等部分組成。無人機機載高光譜成像系統(tǒng)通過獨特的內(nèi)置式或外部掃描和穩(wěn)定控制，有效地解決了在微型無人機搭載推掃式高光譜照相機時，由于振動引起的圖像質(zhì)量較差的問題，并具備較高的光譜分辨率和良好的成像性能。

便攜式高光譜成像系統(tǒng)iSpecHyper-VS1000

專門用于公安刑偵、物證鑒定、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、精準農(nóng)業(yè)、礦物地質(zhì)勘探等領(lǐng)域的最新產(chǎn)品，主要優(yōu)勢具有體積小、幀率高、高光譜分辨率高、高像質(zhì)等性價比特點采用了透射光柵內(nèi)推掃原理高光譜成像，系統(tǒng)集成高性能數(shù)據(jù)采集與分析處理系統(tǒng)，高速USB3.0接口傳輸，全靶面高成像質(zhì)量光學(xué)設(shè)計，物鏡接口為標準C-Mount，可根據(jù)用戶需求更換物鏡。

審核編輯黃宇