地物光譜儀測量中的溫濕度影響

吳志峰，李 玲，代彩紅，王彥飛，謝一航，程秋桐

中國計量科學研究院光學與激光計量科學研究所，北京 100029

引 言

光譜輻射計是光輻射度測量中最常見的儀器，用于測量相對光譜分布、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實驗，可以滿足紫外、可見和紅外光譜輻射測量。自從陣列式光電探測器CCD和CMOS普及以來，搭載CCD或CMOS的小型化光譜儀應用日益廣泛。陣列式光譜儀便攜、測量速度快，極易從實驗室應用擴展到戶外應用，用于土壤、植物和水體等目標350～2 500 nm的光譜輻射測量[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]。一方面戶外環境條件并不固定，一天內氣溫變化有可能超過10 ℃。另一方面，光譜儀實驗室定標環境與戶外使用環境可能差異極大，會造成光譜響應度的明顯漂移。如果不進行數據修正，精確定標的結果將無法正確應用于戶外測量。20世紀80年代，國外的Jackson和Robinson較早研究了多通道輻射計的溫度穩定性。硅光電探測器在420～900 nm受溫度影響??；硫化鉛探測器受溫度影響明顯，1 ℃溫度的上升引起響應度減小4%～5%[5]。Starks等研究了硅二極管陣列光譜儀的響應度隨溫度的變化，對于波段390～940 nm，當環境溫度從0 ℃升至35 ℃時響應度系數變化小于5%；對于1 000 nm，當環境溫度從0 ℃變化至25 ℃響應度系數變化高達25%，而當環境溫度從25 ℃升至35 ℃時響應度系數變化降至5%[6]。Salim等采用硅膠管纏繞光譜儀的方法進行溫度控制，測量結果表明400～700 nm每 ℃響應度變化約為0.13%，700～950 nm溫度響應度系數逐漸變小，950 nm以后逐漸變大，1 050 nm增加至0.2% ℃-1 [7]。Price等測試了6款CCD光譜儀響應度隨溫度的變化，測試結果表明部分光譜儀波長位置會隨溫度發生漂移；同時不同型號光譜儀的熱弛豫時間不同，采用瞬時環境溫度進行修正可能帶來偏差[8]。國內的溫度實驗研究表明當環境溫度從10 ℃升至40 ℃時，部分地物光譜儀700～1 050 nm的響應度變化可能高達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度的漂移不僅與外界條件有關，而且實驗室條件下長時間工作發熱也可能帶來光譜響應度的變化。本文對比了一款地物光譜儀不同條件下的光譜響應度變化，實驗結果表明環境條件變化帶來的影響可以通過監測地物光譜儀內部探測器的溫度變化獲得。通過建立的光譜響應度與探測器溫度的對應關系，可以進行數據修正解決外界環境條件不同帶來的影響，保證測量的準確性。

1 實驗部分

地物光譜儀探測器組分別由硅陣列探測器和兩塊銦鎵砷陣列探測器組成。硅陣列探測器波長范圍350～990 nm，未采用制冷控制，探測器芯片的溫度可以實時監測，通過軟件顯示其溫度。兩塊銦鎵砷陣列探測器都采用制冷控制，軟件僅顯示目標制冷溫度。第一塊銦鎵砷探測器波長范圍1 000～1 890 nm，第二塊銦鎵砷探測器波長范圍1 890～2 500 nm。實驗首先采用汞氬燈校準地物光譜儀的波長，持續測量2 h，同時監測硅陣列探測器的溫度。然后采用積分球光源校準地物光譜儀光譜輻射亮度，并采用一個硅光電二極管實時監測積分球光源的信號變化。當不采集信號時，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的溫升。硅光電二極管處于實驗室恒溫環境，響應度漂移幾乎可以忽略。地物光譜儀和積分球光源開機預熱20 min后正式測量。測量過程中，硅光電二極管的示值用于修正積分球光源的信號變化，硅光電二極管前安裝中心波長550 nm、帶寬40 nm濾光片，用于監控特定波長下的積分球信號變化。由于積分球光源是寬譜段光源，測量時同時記錄積分球光源的相對色溫變化。實驗數據表明相對色溫在2 h內變化很小，光源的相對光譜分布可以近似認為不變，硅光電二極管的信號變化可以用于表征積分球光源的穩定性。圖1中給出了積分球光源的相對光譜分布和信號隨時間的變化?？梢钥闯?，積分球光源信號隨著時間呈現下降趨勢，每小時信號變小約0.2%。當光源穩定0.5 h后，光源信號下降變得更為平緩。

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

式(1)用于計算t時刻地物光譜儀的光譜響應度。其中，S0(λ)是預熱20 min后地物光譜儀測量的波長λ處的數據，St(λ)是t時刻地物光譜儀測量的波長λ的數據，I0是預熱20 min后硅光電二極管測量的信號，It是t時刻硅光電二極管測量的信號，R0(λ)是預熱20 min后地物光譜儀波長λ處的響應度。

(1)

2 結果與討論

2.1 溫度變化曲線

圖2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，表面未采用風機散熱。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熱有關。

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

2.2 光譜響應度隨溫度的漂移

實驗室采用積分球光源考察地物光譜儀的光譜響應度變化。對于波長測量，當硅陣列探測器從23 ℃升至35 ℃，譜線燈峰值對應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3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3 溫度變化帶來的光譜響應度變化Fig.3 Spectral responsivity variation due to temperature change

預熱20 min后的光譜響應度作為參考值，對應的硅陣列探測器溫度28.3 ℃。圖中用于對比的溫度分別是30.1，31.0，32.6，33.8，34.6和35.2 ℃。圖3(a)給出了相應溫度變化下的光譜響應度變化，圖3(b)給出了每攝氏度溫度變化帶來的光譜響應度變化，即光譜響應度變化與溫度變化之比。圖3(b)中，硅陣列式探測器每攝氏度溫度變化對應的響應度漂移并不相同，響應度隨溫度的變化趨勢與溫度相關，每攝氏度響應度的變化呈現先增大后變小的趨勢。圖3(a)中，當硅探測器溫度上升6.9 ℃時，在波長380～990 nm光譜響應度變化高達1.8%～7.3%，光譜響應度呈現與波長相關的特性，隨著波長變大光譜響應度變化更為劇烈；在波長990～1 800 nm，光譜響應度變化較為平坦，平均變化約3.0%；在波長2 000～2 500 nm，光譜響應度變化約1.9%。盡管兩個銦鎵砷陣列探測器都采用制冷控制，測量結果表明紅外光譜響應度仍然有一定漂移。圖中，990 nm附近響應度的陡降和1 900 nm兩側響應度變化的不同都與探測器更換有關。而1 350，1 900和2 160 nm附近呈現凹陷結構，其中1 350和1 900 nm對應空氣中水分子的吸收峰，可能源于積分球光源內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附近的光譜響應度；波長2 160 nm與積分球光源相對光譜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量時的光譜響應度變化，溫度變化約6 ℃。與圖3對比，波長380～2 000 nm光譜響應度變化趨勢接近，而波長2 000～2 500 nm光譜響應度變化更為平坦，并未出現凹陷，表明圖3中2 160 nm處的凹陷與積分球光源加熱過程中的變化有關。

圖4 鹵鎢燈漫反射板測量時光譜響應度變化Fig.4 Spectral responsivity variation using standard lamp and diffuse plate

作為對比，實驗室還考察了環境條件30 ℃，43%RH時光譜響應度隨時間的變化。地物光譜儀放置在溫濕度控制箱中，通過側壁開口瞄準箱體外部的積分球光源[9]。與室溫條件相比，環境溫度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。實驗還對比了環境溫度30 ℃和室溫22 ℃時當硅陣列探測器溫度從28.3 ℃升至35.2 ℃時對應的光譜響應度變化，見圖5。盡管環境溫度不同，兩種條件下相同的溫度變化對應的光譜響應度變化非常接近，整體偏差在0.2%以內。由于實驗僅以硅陣列探測器作為參考，銦鎵砷陣列探測器的光譜響應度變化略有不同。波長380～990 nm，30 ℃的光譜響應度變化較22 ℃略大；990～1 800 nm，30 ℃的光譜響應度變化較22 ℃略小。環境溫度的變化除了影響探測器溫度的變化，也可能對內部電子元器件和其他光學元器件有一定影響，而測量結果表明其他器件溫度的變化對于光譜響應度變化的貢獻較小?？傮w來看，光譜儀響應度與內部探測器的溫度近似存在一一對應，環境溫度的不同不影響光譜響應度的變化趨勢。當在戶外不同溫度條件下進行輻射亮度測量時，并不需要記錄外界環境的溫度，光譜響應度的變化可以根據內部探測器的溫度變化進行修正，得到近似準確的結果。

圖5 環境溫度22和30 ℃時的光譜響應度變化Fig.5 Spectral responsivity variation at 22 and 30 ℃ environment temperature

2.3 環境氣流和濕度對響應度的影響

戶外測量時空氣氣流和濕度并不固定，可能對光譜響應度的變化產生影響。實驗考察了采用風機散熱和低濕度下的光譜響應度變化。采用溫濕度控制箱將環境溫度控制在22 ℃，相對濕度控制在6%，并進行風機散熱?？諝鈿饬骱蜐穸鹊淖兓瘜τ诓ㄩL位置幾乎沒有影響。圖6(a)給出了硅陣列探測器的溫度上升曲線，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)給出了硅陣列探測器28.3 ℃時的光譜響應度與圖3中28.3 ℃時的光譜響應度差異。除去水的吸收峰附近，全譜段的差異幾乎都位于±0.2%以內?？紤]到測量的重復性，兩種模式下的光譜響應度接近相同。測量數據表明外部空氣流動和濕度變化對于光譜響應度的貢獻可以忽略。同時，波長990 nm兩側的趨勢略有不同，表明銦鎵砷陣列探測器和硅陣列探測器的變化存在差異，理論上應該通過監測兩個銦鎵砷陣列探測器的溫度變化來描述990～2 500 nm的光譜響應度變化。

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

2.4 光譜響應度的溫度修正

實驗將溫濕度控制箱設置在10～30 ℃間的幾個溫度，采用地物光譜儀測量積分球光源信號，得到一組硅陣列探測器溫度下對應的光譜響應度。當溫濕度控制箱設定工作溫度為10和30 ℃時，地物光譜儀開機約1 h的硅陣列探測器溫度約為16和37 ℃。地物光譜儀光譜響應度選用硅陣列探測器28 ℃的信號作為參考，其他溫度下測量的光譜信號與28 ℃的信號比值記作光譜比例系數。圖7給出了不同溫度對應的光譜比例系數。隨著溫度升高，光譜響應度整體呈現增大趨勢。波長450～950 nm范圍，光譜響應度變化隨溫度變化呈現接近線性的趨勢。波長1 050～2 300 nm范圍，光譜響應度變化在16～28 ℃范圍變化更為平緩。這可能由于溫度升高時，光譜儀內部散熱對兩個銦鎵砷探測器的制冷效果有一定影響，而溫度較低時對制冷效果的影響偏小。

圖7 不同溫度對應的光譜比例系數Fig.7 Spectral ratios at different temperature

為了得到其他溫度點的比例系數，可以對圖7中的光譜比例系數進行多項式擬合，根據擬合曲線計算16～37 ℃間其他溫度的比例系數。這里采用最小二乘法，根據式(2)進行二次曲線擬合。

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

(2)

其中，S(T)是光譜儀溫度T時的比例系數，T0對應溫度28 ℃，a，b和c是二次曲線的系數。圖8給出了計算得到的35 ℃時的光譜響應度和直接測量得到的35 ℃時的響應度差異，整體差異幾乎都在0.2%以內。因此，通過監測探測器的工作溫度和數據插值可以得到對應的光譜響應度，用于解決環境條件不同帶來的光譜響應度變化。

圖8 計算和測量得到的光譜響應度差異Fig.8 Spectral responsivity difference between calculation and measurement

3 結 論

考察了一款地物光譜儀光譜響應特性與外界環境條件的關系，測量結果表明光譜響應度的變化主要取決于內部探測器的溫度變化，對于濕度和氣流的影響并不敏感。在兩種環境溫度22和30 ℃下，當地物光譜儀內部探測器的溫度或溫度變化相同，對應的光譜響應度或光譜響應度變化在全譜段非常接近，差異小于0.2%。測量結果表明外界環境條件對地物光譜儀光譜響應度的影響可以近似采用內部探測器的溫度變化描述。根據光譜響應度與探測器溫度的函數曲線關系和探測器的實時溫度，可以對地物光譜儀環境影響進行數據修正，從而實現準確測量。