地物光譜儀測(cè)量中的溫濕度影響-萊森光學(xué)

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(jiàn)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(zhǔn)確測(cè)量是光學(xué)遙感定量分析的基礎(chǔ)，對(duì)于航天傳感器定標(biāo)?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(cè)量前必須進(jìn)行光譜輻射定標(biāo)，一方面定標(biāo)過(guò)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(cè)量時(shí)的環(huán)境與定標(biāo)環(huán)境可能差異較大，都會(huì)影響測(cè)量的準(zhǔn)確性

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700~1050nm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。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。

結(jié)果與討論

2.1 溫度變化曲線

圖1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(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1探測(cè)器溫度變化曲線

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2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2溫度變化帶來(lái)的光譜響應(yīng)度變化

圖3鹵鎢燈漫反射板測(cè)量時(shí)光譜響應(yīng)度變化

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。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4。

圖4 環(huán)境溫度22和30℃時(shí)的光譜響應(yīng)度變化

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5 (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

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(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。

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審核編輯黃宇