目標(biāo)光源差異對陣列式光譜輻射計測量的影響及紫外雜散輻射修正研究

李 玲, 吳志峰, 王彥飛, 代彩紅

中國計量科學(xué)研究院光學(xué)與激光計量研究所, 北京 100029

引 言

對地觀測技術(shù)作為研究空間環(huán)境生態(tài)系統(tǒng)的重要手段[1]，通過測量地球系統(tǒng)的光譜輻射度、反射率等物理量，反演計算地表碳水循環(huán)和云層覆蓋率等信息[2-4]。無論星上在軌遙感器還是地面同步觀測設(shè)備，全面、高質(zhì)量的光譜輻射度定標(biāo)是獲得有效遙感觀測數(shù)據(jù)的必要前提[5]。陣列式光譜輻射計因機(jī)械結(jié)構(gòu)緊湊，以及全波段數(shù)據(jù)的快速采集，廣泛應(yīng)用于空間對地觀測和遙感技術(shù)等領(lǐng)域[6-7]。然而，陣列式光譜輻射計內(nèi)部元件在設(shè)計加工中，會出現(xiàn)由光柵刻槽精度誤差、光學(xué)元件反射等原因造成的雜散輻射，嚴(yán)重影響光譜輻射度測量的準(zhǔn)確性。

另一方面，外場光譜輻射計的目標(biāo)光源是地表太陽輻射，其光譜分布與實驗室的定標(biāo)光源[8](光譜輻射照度標(biāo)準(zhǔn)燈)存在較大差異。實驗室測的紫外雜散輻射比例不能直接應(yīng)用于外場雜散輻射修正。因此，光譜輻射計的高精度雜散輻射修正，是地基驗證場光譜輻射測量儀器獲得真實可靠遙感數(shù)據(jù)的重要前提。

圖1 實驗室定標(biāo)光源與地基驗證場的光譜輻射亮度測量結(jié)果

Fig.1Theradiancemeasurementresultsofcalibrationlampinlaboratoryandsolarradianceinground-basedsite

1 光譜輻射計紫外雜散輻射測量

1.1 實驗

為研究光譜輻射計紫外雜散輻射性能，本文選取多種典型的光譜輻射計進(jìn)行實驗，包括：AvaSpec-ULS2048(Avantes)，Maya2000 Pro(Ocean Optics)，HAAS-2000(Everfine Corp.)，BLACK-Comet C-50(StellarNet)，CR280(Colorimetry Research)，PSR+3500(Spectral Evolution)，和HR-1024i(SVC)。每臺光譜輻射計定標(biāo)后測量光譜輻射照度(Ec)或光譜輻射亮度(Lc)，再在光路中增加截止濾光片(450 nm前截止)，并保持其他實驗條件和參數(shù)設(shè)置(積分時間、平均次數(shù)等)不變，測量光譜輻照度(Ex)或光譜輻射亮度(Lx)，最后計算不同光譜輻射計在紫外波段的雜散輻射比例σ/%，其中σ=Ex/Ec×100或σ=Lx/Lc×100)。

1.2 結(jié)果分析

如圖2所示，與掃描式光譜輻射計OL756(Gooch & Housego)測量結(jié)果對比，實驗中的陣列式光譜輻射計在紫外波段都存在雜散輻射。尤其在250～260 nm波段雜散輻射比例高達(dá)80%左右。地基驗證場同步觀測設(shè)備中常用的光譜輻射度計CR280，在380 nm的雜散輻射比例為70%左右。

圖2 (a) 光譜輻射計雜散輻射比例；(b) 地物光譜輻射計雜散輻射比例

Fig.2(a)Thestraylightradiosofarrayspectroradiometers；(b)Thestraylightradiosoffieldspectroradiometers

2 光譜輻射計紫外雜散輻射修正方法研究

雜散輻射是限制光譜輻射計高精度測量的重要原因，由于實驗室定標(biāo)光源與太陽輻射光譜分布不同，實驗室測量的紫外雜散輻射比例不能直接應(yīng)用于外場雜散輻射修正。本文針對光源的光譜分布特點，分別基于帶通濾光片和可調(diào)諧激光器，研究光譜輻射計紫外雜散輻射修正方法。

2.1 基于帶通濾光片

利用多組具有特定光譜透過率的帶通濾光片，即420，550，650和800 nm帶通(長波通短波截止)濾光片，分別測量不同濾光片下光譜輻射計CR280的雜散輻射信號比例。如圖3所示，使用420 nm長通濾光片后，儀器測得380, 382, 384, …, 420 nm的信號值Ystray1，實際為420 nm至紅外波段引起的雜散輻射信號。使用550 nm長通濾光片后，儀器測得的380, 382, 384, …, 420 nm的信號值Ystray2，實際為550 nm至紅外波段引起的雜散輻射信號。將Ystray1-Ystray2=Ystray，即可獲得420～550 nm之間光譜輻射信號總和對380, 382, 384, …, 420 nm造成的雜散輻射影響。

圖3 不同帶通濾光片下CR280的雜散輻射信號比例

用Ystray除以420～550 nm內(nèi)光譜輻射總信號，得到雜散輻射比例

Rstray，380, 420～550 nm=(Ystray1，380-Ystray2，380)/Ymeas, 420～550 nm

以此類推，使用550，650和800 nm帶通濾光片可以分別計算出550～650以及650～800 nm對380, 382, …, 420 nm測量值的雜散輻射比例。

Ytrue, 380=Ymeas, 380-Ystray, 380=Ymeas, 380-[Ystray，380, 420～550 nm+Ystray，380，550～650 nm+Ystray，380, 650～800 nm+

Ystray，380, 800～1 080 nm]=Ymeas, 380-[Rstray，380, 420～550 nm·

Y420～550 nm+Rstray，380, 550～650 nm·Y550～650 nm+

Rstray，380, 650～800 nm·Y650～800 nm+Rstray，380, 800～1 080 nm·

Y800～1 080 nm]

對于連續(xù)分布的寬譜段光源，相鄰波長的雜散輻射影響接近，可利用上述數(shù)學(xué)模型近似計算出紫外各波長下的雜散輻射修正結(jié)果。如圖4所示，對地基驗證場地表太陽輻射的光譜輻射亮度測量結(jié)果進(jìn)行修正后，可見光對紫外380～400 nm的雜散輻射影響明顯減少。

圖4 地基驗證場的光譜輻射亮度測量結(jié)果和雜散輻射修正結(jié)果

由于短波(紫外)通長波截止的濾光片工藝非常困難，實驗中無法使用。上述修正模型中只考慮了長波對短波的雜散輻射影響。另一方面，修正模型中對相鄰波長的雜散輻射作了近似，因此，基于帶通濾光片的修正方法受光源光譜分布的影響，很難實現(xiàn)雜散輻射的高精度修正。

2.2 基于可調(diào)諧激光器

任意波長的單色光入射到光譜輻射計時都會引起雜散輻射，光譜輻射計在某像素點(波長)下光譜輻射測量結(jié)果等于真實信號與雜散輻射信號之和。本文利用可調(diào)諧激光器(EKSPLA公司NL242-SH/SFG)，改變輸出波長，獲得光譜輻射計各個像素點(波長)對不同波長入射光的雜散輻射線擴(kuò)展函數(shù)(LSF)，實驗中光譜輻射計(AvaSpec-ULS2048, UV/Vis)的輻射信號由激光器的輸出功率做歸一化處理，如圖5所示，光譜輻射計的雜散信號在5×10-3～5×10-4量級。

圖5 光譜輻射計Avantes(UV/Vis)的LSF分布

入射波長為400 nm的雜散輻射線擴(kuò)展函數(shù)LSF如圖6所示，將帶通內(nèi)(IB)的輻射信號設(shè)置為零，再利用式(1)[9-10]，計算出該波長LSF對應(yīng)的雜散輻射比例di, J，得到光譜雜散輻射信號分布函數(shù)(SDF)。

(1)

由此，各個像素點(波長)對不同入射波長的雜散輻射比例di, J可寫為矩陣D

(2)

儀器光譜輻射度測量值及真實值用矩陣形式表示為

Ym=[I+D]YIB=AYIB

(3)

YIB=A-1YIB=CYIB

(4)

根據(jù)雜散輻射修正式(1)—式(4)，用MATLAB軟件反演計算出光譜輻射計的真實值YIB。

圖6 400 nm的線擴(kuò)展函數(shù)LSF(黑色實線)及雜散輻射分布函數(shù)(SDF)(紅色實線)

圖7 Avantes光譜輻射計(UV/Vis)測量405 nm窄帶光源的雜散輻射修正結(jié)果

Fig.7Themeasuredsignalandstraylight-correctedresultfor405nmnarrow-bandlightsourceofAvantes(UV/Vis)

為了驗證雜散輻射修正方法，用Avantes光譜輻射計(UV/Vis)測量了405 nm窄帶光源的光譜輻射信號，如圖7所示，利用式(1)—式(4)進(jìn)行雜散輻射修正后，雜散輻射信號由1×10-4左右降低到1×10-5左右，并且譜線兩邊的雜散寬峰也被消除。

圖8 光譜輻射計CR280測量405 nm窄帶光源的雜散輻射修正結(jié)果

Fig.8Themeasuredsignalandstraylight-correctedresultfor405nmnarrow-bandlightsourceofCR208

此外，利用可調(diào)諧激光器修正方法，對地基驗證場光譜輻射計CR280進(jìn)行了紫外雜散輻射修正，如圖8所示，修正后測量結(jié)果在窄帶光源兩側(cè)的雜散信號降低了1個數(shù)量級。

3 結(jié) 論

針對不同光譜分布的光源研究了紫外雜散輻射修正方法，結(jié)論如下：

(1)利用帶通濾光片獲得可見及紅外光譜輻射引起的紫外雜散輻射比例，建立了紫外雜散輻射數(shù)學(xué)修正模型。對于連續(xù)分布的寬譜段光源，帶通濾光片修正法具有實驗簡便易行、測試過程高效等優(yōu)點；

(2)基于可調(diào)諧激光器建立了高精度雜散輻射測量系統(tǒng)，解決了各個像素點雜散輻射線擴(kuò)展函數(shù)的測量難題，實現(xiàn)了光譜輻射計單像素點的高精度修正。適用于陣列式光譜輻射計對不同光源紫外測量結(jié)果的修正，修正后雜散輻射信號均降低了一個數(shù)量級，譜線兩邊的雜散寬峰也被顯著消除。