地物光谱仪测量中的温湿度影响-莱森光学

引言

地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要，可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性，从而获得地表的光谱辐射亮度?光谱辐射照度或方向反射因子等信息。地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础，对于航天传感器定标?遥感数据反演等具有极其重要的意义。地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标，一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移，另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大，都会影响测量的准确性

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。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。

结果与讨论

2.1 温度变化曲线

图1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。

图1探测器温度变化曲线

2.2 光谱响应度随温度的漂移

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2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。

图2温度变化带来的光谱响应度变化

图3卤钨灯漫反射板测量时光谱响应度变化

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。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4。

图4 环境温度22和30℃时的光谱响应度变化

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5 (a)探测器温度变化曲线；(b)两种模式下的光谱响应度差异

结果和分析

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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审核编辑黄宇