海洋光學(xué)USB2000+光纖光譜儀的系統(tǒng)性偏差分析

楊珂圳 姜亢 張鵬

摘? 要：在眾多研究領(lǐng)域中，海洋光學(xué) USB2000+是一款被廣泛使用的微型光纖光譜儀。然而我們?cè)谑褂迷摴庾V儀進(jìn)行測(cè)量研究中發(fā)現(xiàn)，其在輻射定標(biāo)、線性度等方面存在系統(tǒng)性的偏差?；诖?，我們以行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)儀器 ASD FieldSpec4 光譜儀為基準(zhǔn)，給出了USB2000+系統(tǒng)性偏差的分析方法，并通過(guò)大量對(duì)比研究實(shí)驗(yàn)，對(duì)USB2000+光譜儀關(guān)鍵性能進(jìn)行定量分析。試驗(yàn)結(jié)果表明USB2000+光譜儀在輻射定標(biāo)準(zhǔn)確性、響應(yīng)線性度、暗電流漂移等方面均存在系統(tǒng)性偏差，并最終導(dǎo)致采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生明顯偏差。本文針對(duì)這些問題，進(jìn)一步提出了提高海洋光學(xué)USB2000+測(cè)量精確度的方法，以此提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：海洋光學(xué)USB2000+? ASD FieldSpec4光譜儀? 系統(tǒng)性偏差? 定量分析? 定標(biāo)

中圖分類號(hào)：TH74 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（a）-0121-09

Systematic Deviation Analysis of Ocean Optics USB2000 + Spectrometer

YANG Kezhen1，2，3? JIANG Kang1，2? ZHANG Peng1，2

（1. Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100190 China; 2.Key Laboratory of Technology in Geo-spatial Information Processing and Application System ， Aerospace Information Research Institute， Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100190 China; 3.University of Chinese Academy of Sciences， Beijing， 100049 China）

Abstract： Ocean Optics USB2000+ is a widely used miniature optical fiber spectrometer in many research fields. However， we found that there are systematic deviations in radiation calibration， linearity， etc. in the measurement and research using this spectrometer. Based on this， we used the standard instrument ASD FieldSpec4 spectrometer as a benchmark， gave the analysis method of systematic deviation， and conducted a large number of comparative research experiments to quantitatively analyze the key performance of the USB2000+ spectrometer. The results show that the USB2000+ spectrometer has systematic deviations in radiation calibration accuracy， response linearity， dark current drift， etc.， and eventually leads to obvious deviations in the collected data. In response to these problems， this paper proposes methods to improve the measurement accuracy of Ocean Optics USB2000+ to improve data quality.

Key Words： Ocean Optics USB2000+; ASD FieldSpec4; Systematic deviation; Quantitative analysis; Calibration

根據(jù)光譜來(lái)鑒別物質(zhì)及其相關(guān)性質(zhì)，光譜儀早已成為生產(chǎn)生活中常見的檢測(cè)與分析儀器，其被廣泛的應(yīng)用于環(huán)境、醫(yī)學(xué)、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等眾多領(lǐng)域[1-3]。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各行業(yè)對(duì)于檢測(cè)速度快、小巧便攜光譜儀的需求日益提高。因此以光纖為媒介的光纖光譜儀以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕小、能夠突破應(yīng)用環(huán)境局限的優(yōu)點(diǎn)被眾多行業(yè)廣泛應(yīng)用[4]。

其中，USB2000+是海洋光學(xué)生產(chǎn)的一款廣受歡迎的微型光纖光譜儀，其工作在可見光-近紅外譜段。與工作在這個(gè)譜段的傳統(tǒng)光譜儀如ASD和SVC產(chǎn)品相比，USB2000+憑借著更小的尺寸和重量、更加便宜的價(jià)格的優(yōu)點(diǎn)，使得它迅速在如醫(yī)療光學(xué)[5]、無(wú)損檢測(cè)[6]、熒光檢測(cè)[7]、生物化學(xué)[8]等各研究領(lǐng)域中得到應(yīng)用。圖1統(tǒng)計(jì)了谷歌學(xué)術(shù)自2010—2019年，在各項(xiàng)研究中使用USB2000+的論文/專利數(shù)量?？梢园l(fā)現(xiàn)，近五年來(lái)，平均每年都有1000篇左右的學(xué)術(shù)論文涉及到了這款光譜儀的使用。但在絕大多數(shù)文章中，該光譜儀采集的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性是未曾被質(zhì)疑的。

然而在利用該儀器進(jìn)行衛(wèi)星輻射定標(biāo)的外場(chǎng)測(cè)量研究中發(fā)現(xiàn)，該儀器的測(cè)量結(jié)果與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)儀器ASD FieldSpec4的測(cè)量結(jié)果相距甚遠(yuǎn)。圖2所示為兩臺(tái)儀器同時(shí)測(cè)量時(shí)的輻照度時(shí)間序列曲線。

由于可能對(duì)所有使用該儀器的研究產(chǎn)生潛在的不利影響，因此有必要對(duì)該光譜儀的各項(xiàng)關(guān)鍵性能進(jìn)行檢查測(cè)試，以便能夠理清誤差產(chǎn)生的原因并且找到應(yīng)對(duì)的方法。

ASD FieldSpec4是在遙感領(lǐng)域被廣泛使用的地面測(cè)量?jī)x器，從特定目標(biāo)的頻譜研究[9-10]到遙感器的實(shí)驗(yàn)室/地面定標(biāo)[11-13]，ASD FieldSpec系列幾乎成為業(yè)內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)儀器，受到了廣泛的認(rèn)可。我們?cè)谠囼?yàn)中以它為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)USB2000+的輻射定標(biāo)、線性度、暗電流漂移、噪聲水平和光譜位置進(jìn)行了比較。試驗(yàn)中參與比較的光譜儀均為新購(gòu)買的產(chǎn)品，并且經(jīng)過(guò)了廠家的定標(biāo)。二者的技術(shù)參數(shù)[14-15]如表1所示。

1? 光譜儀性能分析

1.1 噪聲水平

噪聲水平是影響光譜質(zhì)量的重要因素，是反映儀器性能的重要指標(biāo)[16]。本文使用噪聲等效輻亮度這個(gè)指標(biāo)來(lái)評(píng)價(jià)儀器的噪聲水平。

測(cè)量噪聲等效輻亮度方法如下：在室溫20℃的環(huán)境下，將光譜儀預(yù)熱15min，用儀器自帶的不透明光纖帽將裸光纖頭蓋住，平均次數(shù)設(shè)置為1，在原始數(shù)據(jù)模式下采集50條光譜，然后計(jì)算每個(gè)通道的標(biāo)準(zhǔn)差，并將標(biāo)準(zhǔn)差轉(zhuǎn)換為輻射亮度值[12]。所得的結(jié)果即為噪聲等效輻亮度。根據(jù)FieldSpec4的測(cè)量步驟，將積分時(shí)間從8ms增加到1s，對(duì)USB2000+和FieldSpec4的噪聲等效輻亮度進(jìn)行測(cè)量。結(jié)果如圖3所示，隨著積分時(shí)間增加，其噪聲等效輻亮度逐漸減小。為了更加清晰的進(jìn)行比較，圖3（a）中虛線所框的區(qū)域被放大顯示在圖3（b）中。

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，在350～700nm范圍內(nèi)，USB2000+和FieldSpec4的噪聲等效輻亮度處于同一水平，約為10-5～10-4w/（m2*sr*nm），并且測(cè)試結(jié)果與表1中FieldSpec4的標(biāo)稱值一致。當(dāng)波長(zhǎng)大于700nm時(shí)，由于波長(zhǎng)接近傳感器邊界，兩臺(tái)光譜儀的噪聲水平均迅速上升。但海洋光學(xué)USB2000+上升更快，噪聲等效輻亮度從5×10-4上升至5×10-3W/（m2*sr*nm），幾乎是ASD FieldSpec4的10倍。

雖然兩種光譜儀的噪聲等效輻亮度光譜形狀不同，但這在不同的器件之間是正常情況。此外，兩臺(tái)儀器噪聲水平都隨著積分時(shí)間的增加而降低，這意味著更長(zhǎng)積分時(shí)間，測(cè)量得到的數(shù)據(jù)的質(zhì)量也會(huì)更好。

因此，USB2000+使用者應(yīng)該特別注意波長(zhǎng)超過(guò)700nm的數(shù)據(jù)，特別是在測(cè)量對(duì)噪聲更敏感的反射率數(shù)據(jù)時(shí)，可通過(guò)使用盡可能長(zhǎng)的積分時(shí)間來(lái)抑制噪聲。

1.2 暗電流特性

暗電流是光譜儀的另一個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)，它對(duì)輻射值和反射率的測(cè)量精度都有重要影響。輻射值和反射率測(cè)量的基本原理，如式（1）-（2）所示。

（1）

（2）

式（1）中Rad表示輻射亮度或輻射照度，DN為儀器測(cè)量的原始計(jì)數(shù)值，DC為儀器該狀態(tài)下的暗電流，C為定標(biāo)系數(shù)。式（2）中reflectance表示反射率，DNtarget和DNpanel分別表示測(cè)量目標(biāo)和參考板的原始計(jì)數(shù)值，DC表示暗電流，Rpanel表示參考板的反射率。

從式（1）-（2）可以看出，要想獲得目標(biāo)輻射值或反射率，首先必須從原始計(jì)數(shù)值（DN）中去除暗電流（DC），然后使用參考板的定標(biāo)系數(shù)C或參考板反射率進(jìn)行計(jì)算。因此，能否準(zhǔn)確、及時(shí)地記錄暗電流，對(duì)輻射值或反射率的計(jì)算結(jié)果是有影響的，其影響程度由DC和DN的比值決定。同時(shí)，暗電流越穩(wěn)定也有利于暗電流的消除。

暗電流數(shù)據(jù)采集方法如下：在25℃的室溫中冷卻光譜儀2h，為防止光進(jìn)入光纖，用黑色光纖帽蓋住光纖，隨后將光纖頭通過(guò)透氣孔放入不透光的箱子中。如果沒有光進(jìn)入光纖，則暗電流光譜是一條水平噪聲線，如圖4所示。然后在原始數(shù)據(jù)模式下連續(xù)采集1h暗電流數(shù)據(jù)。

圖5所示為USB2000+和FieldSpec4在550nm處1h內(nèi)的暗電流隨時(shí)間的變化情況。散點(diǎn)是實(shí)測(cè)暗電流值，圖中曲線為擬合趨勢(shì)線。

可以看出，USB2000+和FieldSpec4的暗電流隨時(shí)間的變化截然不同。前者隨著時(shí)間的推移會(huì)越來(lái)越小，而后者則相反。啟動(dòng)光譜儀10min后，USB2000+的暗電流值下降50%，F(xiàn)ieldSpec4的暗電流值上升約1%;20min后，USB2000+暗電流值下降80%，F(xiàn)ieldSpec4暗電流值上升約2%;40min后，USB2000+暗電流的擬合趨勢(shì)線接近0，而FieldSpec4的暗電流值上升約3%。

結(jié)果表明，USB2000+的暗電流是很不穩(wěn)定的，而FieldSpec4的暗電流具有更好的穩(wěn)定性。如果使用2/3量程（40000DN值）進(jìn)行測(cè)量，那么在1h內(nèi)的暗電流漂移將給USB2000+的數(shù)據(jù)產(chǎn)生1%～2%的影響，而對(duì)FieldSpec4數(shù)據(jù)的影響不超過(guò)3‰。由于具有良好的暗電流穩(wěn)定性，F(xiàn)ieldSpec4的控制軟件已經(jīng)將實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)時(shí)測(cè)量的暗電流數(shù)據(jù)內(nèi)置在配置文件中，測(cè)量時(shí)無(wú)需重新測(cè)量暗電流。而USB2000+在使用過(guò)程中則需要特別注意記錄暗電流的漂移情況。

USB2000+提供了實(shí)時(shí)扣除電子暗電流功能以改善其暗電流表現(xiàn)。開啟該功能后，采用同樣的方式測(cè)量暗電流，暗電流隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示?？梢钥吹?，開啟該功能后，暗電流值基本恒定保持在一個(gè)比未開啟該功能時(shí)更低的水平。因此，在使用USB2000+時(shí)需要開啟實(shí)時(shí)扣除電子暗電流功能，并及時(shí)遮蔽光路，測(cè)量剩余暗電流，便于在數(shù)據(jù)中減去暗電流值。若未開啟實(shí)時(shí)扣除電子暗電流功能，則應(yīng)在測(cè)量數(shù)據(jù)前后各測(cè)量一次暗電流，用于估算測(cè)量期間暗電流漂移情況，便于從數(shù)據(jù)中減去暗電流值。

除此以外，在實(shí)際試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，積分時(shí)間的變化同樣也會(huì)影響暗電流的大小，暗電流隨積分時(shí)間的變化關(guān)系如圖7所示。可以看出兩臺(tái)儀器的暗電流與積分時(shí)間均呈現(xiàn)高度的線性關(guān)系。因此，為保證數(shù)據(jù)精度，若在測(cè)量中變動(dòng)積分時(shí)間，則需要重新測(cè)量暗電流。若在某些測(cè)量場(chǎng)景下無(wú)法及時(shí)重新測(cè)量或者忘記測(cè)量暗電流，則可利用該線性關(guān)系估算某一積分時(shí)間下的暗電流值。

1.3 輻射響應(yīng)線性度

輻射響應(yīng)線性度也是反映儀器質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)之一。由于光譜儀的定標(biāo)均采用線性模型，因此響應(yīng)線性度實(shí)際上還關(guān)系到儀器的輻射定標(biāo)精度。以FieldSpec4為基準(zhǔn)，對(duì)USB2000 +的輻射響應(yīng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。試驗(yàn)時(shí)，分別測(cè)量USB2000+配備裸光纖和余弦接收器時(shí)的輻射響應(yīng)線性度。

測(cè)試USB2000+裸光纖時(shí)，將USB2000+的光纖與FieldSpec4的光纖并排固定在一起，光纖頭間距為1cm;在40cm的高度上垂直向下觀測(cè)一塊反射率為99%的漫反射參考板，如圖8（b）所示。兩個(gè)光纖頭均有25°視場(chǎng)角，這樣的觀測(cè)幾何使得兩個(gè)探頭的視場(chǎng)重合度約為85%，由于參考板表面的均勻性非常好，因此可以認(rèn)為二者觀測(cè)的目標(biāo)相同。測(cè)量場(chǎng)地在樓頂開闊區(qū)域，測(cè)量期間天氣晴朗，太陽(yáng)高度角變化范圍是15°到60°，基本覆蓋野外常規(guī)觀測(cè)的輻射動(dòng)態(tài)范圍。FieldSpec4記錄輻射亮度，USB2000+同步記錄DN值。USB2000+具有線性度校正的功能，我們?cè)跍y(cè)量中同時(shí)記錄開啟和關(guān)閉該功能時(shí)采集到的數(shù)據(jù)。所得曲線如圖9所示，黑色點(diǎn)是開啟線性校正功能后的數(shù)據(jù)，灰色點(diǎn)是關(guān)閉線性校正功能后的數(shù)據(jù)，紅色和藍(lán)色線是兩個(gè)數(shù)據(jù)集的線性回歸線。結(jié)果表明，USB2000+與FieldSpec4之間具有良好的線性關(guān)系。關(guān)閉USB2000+線性校正功能后，數(shù)據(jù)除了值略微下降外，并沒有出現(xiàn)明顯的非線性效應(yīng)。

測(cè)試配備余弦接收器的USB2000+時(shí)，把FieldSpec4和USB2000+的光纖探頭并排固定，光纖末端均安置余弦接收器，余弦接收器通過(guò)氣泡調(diào)整水平，對(duì)下行輻照度進(jìn)行持續(xù)測(cè)量。如圖8（a）所示。測(cè)試在晴朗天氣條件下的屋頂上進(jìn)行，測(cè)量期間，太陽(yáng)高度角變化范圍是-5°到65°，基本覆蓋野外大部分測(cè)量光照條件。USB2000+的DN值數(shù)據(jù)在積分時(shí)間歸一化至100ms后與FieldSpec4的輻射照度數(shù)據(jù)的關(guān)系如圖10所示。

圖10中，圖中散點(diǎn)為實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分段曲線為分段擬合趨勢(shì)線，直線為USB2000+定標(biāo)系數(shù)對(duì)應(yīng)的直線?？梢钥吹?，在整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)，配備余弦接收器的USB2000+的輻射響應(yīng)與FieldSpec4相比呈現(xiàn)出明顯的非線性特征：整個(gè)動(dòng)態(tài)范圍按輻照度值可分為[0，0.4]，[0.4，0.9]和[0.9，1.5]w/m2nm三段。在第一段中，使用三階多項(xiàng)式來(lái)擬合數(shù)據(jù)，為非線性區(qū)間;后兩段呈現(xiàn)線性區(qū)間，但有不同的斜率。這三段的太陽(yáng)高度角范圍分別約為[-5，20]、[20，30]和[30，65]。

上述兩項(xiàng)測(cè)試結(jié)果表明，USB2000+光譜儀本身與FieldSpec4的輻射響應(yīng)線性度比較一致;但配備余弦接收器后，兩者的輻射響應(yīng)有較明顯的差別。在同時(shí)使用配備余弦接收器后的兩種儀器獲取數(shù)據(jù)時(shí)，需通過(guò)相對(duì)定標(biāo)消除這種差別。此外，曲線明顯偏離USB2000+定標(biāo)系數(shù)對(duì)應(yīng)的黑色直線，這反映出USB2000+的絕對(duì)輻射定標(biāo)與FieldSpec4之間存在系統(tǒng)性偏差，這點(diǎn)將在下一節(jié)中討論。

1.4 輻射定標(biāo)

在野外測(cè)量輻射光譜時(shí)，輻射定標(biāo)精度是一項(xiàng)核心指標(biāo)。輻亮度、輻照度測(cè)量乃至反射率測(cè)量的準(zhǔn)確性都受到光譜儀的輻射定標(biāo)精度（包括一致性）的影響。

ASD的實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)可溯源到一個(gè)不確定度為0.3%～1.1%（350～2400nm）的美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（National Institute of Standards Technology， NIST）定標(biāo)燈，定標(biāo)方法介紹可以參考[17]。在本實(shí)驗(yàn)中使用的FieldSpec4的輻射照度定標(biāo)不確定度約為2.29%～3.55%（350～2400nm），輻射亮度定標(biāo)不確定度約為2.35%～3.58%（350～2400nm）。海洋光學(xué)的實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)采用的是DH-3PLUS定標(biāo)光源，該光源設(shè)備也可溯源到NIST。采用DH-3PLUS，USB2000+的余弦接收器定標(biāo)不確定度約為3.8%～6%（400～1000nm），裸光纖定標(biāo)不確定度約為6.7%～8.1%（400～1000nm）[18]。需要注意的是，USB2000+對(duì)裸光纖的定標(biāo)結(jié)果的官方定標(biāo)單位是光譜輻射照度，而不是光譜輻射亮度，這不同于一般光譜儀裸光纖的定標(biāo)單位。上述不確定度表明，ASD在實(shí)驗(yàn)室輻射定標(biāo)不確定度控制方面是明顯優(yōu)于海洋光學(xué)的。

然而，在野外光譜測(cè)量中，相比于輻射定標(biāo)不確定度而言，輻射定標(biāo)準(zhǔn)確度（測(cè)量均值與真實(shí)值的偏差）則更為重要。各儀器廠商并不提供定標(biāo)準(zhǔn)確度的信息，顯然廠商們都認(rèn)為自己的定標(biāo)結(jié)果沒有系統(tǒng)偏差。但實(shí)際上，利用從NIST經(jīng)過(guò)多層傳遞過(guò)來(lái)的不同定標(biāo)源，經(jīng)過(guò)不同廠家的定標(biāo)處理，在每個(gè)轉(zhuǎn)移步驟中輕微偏差的積累便會(huì)導(dǎo)致各光譜儀的輻射定標(biāo)結(jié)果可能存在明顯差異。而這在野外測(cè)量中，尤其是多臺(tái)設(shè)備的數(shù)據(jù)需要協(xié)同處理時(shí)或者利用地面設(shè)備給衛(wèi)星載荷進(jìn)行場(chǎng)地定標(biāo)時(shí)，各儀器輻射定標(biāo)的不一致性所導(dǎo)致的誤差是必須消除的。

為此，需要對(duì)USB2000+和FieldSpec4的定標(biāo)一致性進(jìn)行了檢測(cè)。一臺(tái)USB2000+接光纖和余弦接收器，用于輻照度定標(biāo)檢驗(yàn)，測(cè)量方法與圖 8（a）所示相同;另一臺(tái)USB2000+接裸光纖，用于輻亮度定標(biāo)檢驗(yàn)，測(cè)量方法與圖8（b）所示相同。由于帶有裸光纖的USB2000+的官方定標(biāo)單位是輻射照度單位，而不是輻射亮度單位，因此通過(guò)將以輻射照度為單位的定標(biāo)結(jié)果除以π，轉(zhuǎn)化得到輻射亮度結(jié)果。這種轉(zhuǎn)換是基于特定的理論前提[17]。雖然不確定DH-3PLUS的內(nèi)部測(cè)量結(jié)構(gòu)是否符合這一前提，然而USB2000+接裸光纖輻射照度的定標(biāo)結(jié)果與FieldSpec4的入射亮度定標(biāo)結(jié)果相距甚遠(yuǎn)，而轉(zhuǎn)換的輻射亮度結(jié)果則相對(duì)更接近。因此，對(duì)于USB2000+，將轉(zhuǎn)換后的輻射亮度用于裸光纖，將輻射照度用于余弦接收器，并與FieldSpec4進(jìn)行比較。

配備余弦接收器后的USB2000+和FieldSpec4在500nm處的輻射照度關(guān)系如圖11（a）所示，配備裸光纖后的輻射亮度關(guān)系如圖10（b）所示。可以發(fā)現(xiàn)，USB2000+的輻射定標(biāo)結(jié)果與FieldSpec4有明顯的系統(tǒng)性偏差：輻射照度偏差可接近20%，輻射亮度偏差可接近50%，這種程度的不一致性顯然會(huì)給地面輻射測(cè)量結(jié)果造成巨大的誤差。

圖12所示為同時(shí)測(cè)量的USB2000+和FieldSpec4的輻照度和輻亮度光譜，以及它們之間的相對(duì)誤差?？梢钥闯觯瑑膳_(tái)光譜儀在不同波長(zhǎng)的相對(duì)誤差明顯不同。

測(cè)試結(jié)果表明FieldSpec4和USB2000+的輻射定標(biāo)存在明顯不同。通過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所或中國(guó)國(guó)家計(jì)量研究所等專業(yè)機(jī)構(gòu)的光譜儀進(jìn)行檢驗(yàn)，可以得出更準(zhǔn)確的光譜儀的相關(guān)結(jié)論。但應(yīng)該從測(cè)試中可以看到，針對(duì)使用不同光譜儀的研究人員，對(duì)于不同光譜儀之間的相對(duì)輻射標(biāo)定是至關(guān)重要的。

1.5 光譜位置正確性

光譜位置是光譜特征的關(guān)鍵信息，其準(zhǔn)確性對(duì)于反射率測(cè)量和輻射測(cè)量都至關(guān)重要。在實(shí)驗(yàn)中采用大氣特征吸收峰的位置來(lái)檢查光譜位置，同時(shí)使用MODTRAN的大氣計(jì)算結(jié)果作為光譜位置的基準(zhǔn)位置，從而研究USB2000+和FieldSpec4的光譜位置準(zhǔn)確性。

測(cè)量時(shí)，將ASD FieldSpec4和USB2000+的光纖探頭對(duì)準(zhǔn)天空，并將MODTRAN的輸出光譜分辨率設(shè)定為0.1nm，其分辨率遠(yuǎn)高于USB2000+和ASD FieldSpec4的光譜分辨率。計(jì)算得到的大氣透過(guò)率及兩臺(tái)光譜儀的天空光測(cè)量光譜如圖13所示。

采用687.1nm和760.6nm的O2吸收峰和823.0nm的H2O吸收峰為基準(zhǔn)進(jìn)行檢查。光譜位置偏差如表2所示。

從上述結(jié)果可以看出，USB2000+的偏差平均大于1個(gè)光譜采樣間隔（0.3nm），其光譜標(biāo)定位置比實(shí)際位置偏小1個(gè)像素。FieldSpec4的光譜位置偏差小于1個(gè)光譜采樣間隔（1nm）。USB2000+在3個(gè)吸收位置的平均偏差為0.33nm，略小于FieldSpec4平均0.43nm的偏差。

2? USB2000+野外測(cè)量使用建議

根據(jù)測(cè)試結(jié)果，USB2000+的特點(diǎn)可以概括為：（1）噪聲水平在波長(zhǎng)小于700nm時(shí)與FieldSpec4相當(dāng)，在波長(zhǎng)大于700nm時(shí)顯著上升一個(gè)數(shù)量級(jí);（2）暗電流隨工作時(shí)間推移而降低，且變化幅度大;（3）光譜儀本身的輻射響應(yīng)線性度與FieldSpec4基本一致，呈線性關(guān)系;但二者配備余弦接收器后，輻射響應(yīng)線性度有明顯的差異;（4）USB2000+的定標(biāo)結(jié)果與FieldSpec4相比有顯著的差異，不同波段差異變化很大;（5）USB2000+的波長(zhǎng)位置偏差<0.5nm，優(yōu)于FieldSpec4。

USB2000+的上述特性會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性產(chǎn)生不利影響，基于此，給出以下建議。

針對(duì)特點(diǎn)1：使用者無(wú)法改變?cè)O(shè)備本身的噪聲水平，但通過(guò)設(shè)置更長(zhǎng)的積分時(shí)間、更多的平均次數(shù)將有助于抑制噪聲的影響。如果特別關(guān)注700nm以后的數(shù)據(jù)質(zhì)量，則應(yīng)該使用適合測(cè)量的最長(zhǎng)積分時(shí)間和最大平均次數(shù)。

針對(duì)特點(diǎn)2：確保對(duì)暗電流狀態(tài)的把控。因此，在測(cè)量前，首先開啟扣除電子暗電流功能開關(guān)，用光纖帽遮蔽光纖口，觀察暗電流狀態(tài)，預(yù)熱至暗電流穩(wěn)定時(shí)（至少5min），才可繼續(xù)進(jìn)行。對(duì)于短時(shí)間的測(cè)量，可利用控制軟件的存儲(chǔ)暗光譜/扣除暗光譜功能消除剩余暗電流;對(duì)于長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量，需在開始測(cè)量前和結(jié)束測(cè)量后分別記錄剩余暗電流的數(shù)據(jù)，用于估算剩余暗電流在測(cè)量期間的變化，并予以消除。測(cè)量暗電流時(shí)，需注意USB2000+光纖配備的光纖帽是透光的，最好另外準(zhǔn)備黑色的光纖帽，并在測(cè)量暗電流時(shí)將光纖探頭放在不透光的容器中。

針對(duì)特點(diǎn)3和特點(diǎn)4：注意檢查絕對(duì)輻射定標(biāo)結(jié)果的準(zhǔn)確性。在對(duì)絕對(duì)光譜輻射量有較高要求或者多臺(tái)設(shè)備需要協(xié)同工作時(shí)，可能需要重新定標(biāo)。一個(gè)更為保險(xiǎn)的解決方案是將設(shè)備送到輻射計(jì)量單位重新定標(biāo)。另一種選擇可以使用本文介紹的測(cè)量方法，基于一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，通過(guò)在全輻射動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)同時(shí)測(cè)量同一目標(biāo)，完成對(duì)USB2000+的標(biāo)定。需要注意的是，USB2000+光譜儀在配備裸光纖的條件下可采用線性模型進(jìn)行標(biāo)定，在配備余弦接收器的條件下可采用分段線性模型進(jìn)行標(biāo)定。

針對(duì)特點(diǎn)5：注意定期利用天空、熒光燈等具有固定光譜特征的目標(biāo)來(lái)檢查設(shè)備光譜位置的準(zhǔn)確性。若偏離不可接收，則需要重新進(jìn)行光譜標(biāo)定。

3? 結(jié)語(yǔ)

海洋光學(xué)USB2000+光譜儀是一款尺寸小、重量輕、易于二次開發(fā)集成的微型光譜儀，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。但在將其用于測(cè)量系統(tǒng)之前，深入了解該光譜儀的核心性能是非常必要的。本文的工作給出了該設(shè)備的一些核心性能的分析，并詳細(xì)討論了USB2000+光譜儀的這些性能特點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)的影響。除此以外，為了消除這些性能特點(diǎn)帶來(lái)的不利影響，從而提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，文中還詳細(xì)討論了測(cè)量過(guò)程中應(yīng)采取的正確操作和數(shù)據(jù)處理方式。

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