地物光谱辐射计的定标检测研究*

弓　伟，周晋阳，石春花

(长治医学院 生物医学工程系，山西 长治 046012)



地物光谱辐射计的定标检测研究*

弓伟，周晋阳，石春花

(长治医学院 生物医学工程系，山西 长治 046012)

摘要：介绍了地物光谱辐射计的定标检测内容、设备条件和检测方法，对某型号地物光谱辐射计的响应度、稳定性和线性进行了定标检测，并对定标检测结果进行了简要分析。

关键词：光谱辐射；响应度；线性；稳定性；定标

1综述

地面上的各种有形物体，如山川、森林、建筑物等，都具有吸收或反射某些频段电磁波的特性，同时它们又具有辐射某些频段电磁波的能力，甚至有些物体还能够投射电磁波。这些表征物体光谱特性的数据中，包含很多有用的时间特性和空间特性，以供人们在遥感分析等领域的使用。

地物光谱辐射计是获取地物光谱信息的主要手段，而定标检测是保证地物光谱辐射计性能指标的重要环节。

2检测内容

2.1响应度定标

响应度是表征整个光谱辐射计系统，包括光学系统、探测系统及放大系统的一个绝对量。定标也就是建立在给定能量时，光谱辐射计系统所对应的输出关系。

2.2线性定标

线性定标是针对光谱辐射计随着入射能量的变化，对其响应变化所遵循规律的检测。

2.3稳定性定标

稳定性定标是在辐射源和其它外界测试条件不变的情况下，使光谱辐射计对辐射源进行连续的长时间测量，从而获得光谱辐射计在连续开机情况下响应的变化率，亦即仪器响应相对于时间的稳定性参数[1]。

3主要定标检测设备及条件

测试过程需要在辐射定标实验室中完成。为保证实验结果的科学性和有效性，在实验进行中，实验室温度需保持在20°～23°的范围，湿度需保持在60%以下。

3.1辐射标准(标准照度灯F09)

辐射标准灯为国家计量院标定的一级传递标准，其供电电源的稳定度需优于0.05%。

表1　辐射标准灯的不确定度

3.2积分球辐射源

积分球辐射源的技术指标如下所示：

面均匀度优于99.5%；色温约2 600 K；能够分十六档能量输出；供电电源的稳定度需优于0.05%；各档相对输出能量由Trap探测器监视。

3.3标准反射板

工作波段范围为：250 nm～2 500 nm；反射率范围为：95.5%～99.5%；余弦特性：优于1%(～50°)。

3.4Trap探测器

用来监视积分球辐射源在不同档情况下的相对输出[2]。

4定标检测方法及数据处理

4.1响应度定标

响应度的检测是在标准灯漫反射板(距离为1 000 mm)定标系统中进行的。检测时，应当使仪器的入射角不大于45°且漫反射板充满仪器的视场。打开标准灯预热至稳定状态，连续测量40次。

响应度最终可由下式计算：

其中，DN为仪器的显示值，Lλ为漫反射板的亮度值。

其中，Eλd为距离d处的标准灯的在波长λ处的照度值，ρλ为漫反射板在波长为λ处的半球反射率。

4.2线性定标

线性定标是在标准灯漫反射板定标系统中进行的，检测时，应当使仪器的入射角不大于45°且漫反射板充满仪器的视场。打开标准灯预热至稳定状态。通过改变标准灯与漫反射板之间的距离来改变进入仪器的光辐射亮度。检测时，我们取标准灯与漫反射板之间的距离分别为707 mm，1 000 mm，1 414 mm，2 000 mm和2 828 mm这五种情况，每种情况下分别测量三次，并最终取平均值来获取数据。

线性定标的数据根据实际响应情况，选择合适的参数进行线性拟合，并给出线性相关系数。

4.3稳定性定标

线性定标是在标准灯漫反射板定标系统中进行的。检测时，应当使仪器的入射角不大于45°且漫反射板充满仪器的视场。打开标准灯预热至稳定状态。每隔三分钟测量一次，每次测量三组数据，一共测量1.5小时。

对测量的一组数进行数理统计，给出相对标准偏差RSD作为对稳定性的评估。相对标准偏差RSD按照下式计算：

SD为一组测值的标准偏差。

5定标检测结果

5.1响应度定标结果

图1是光谱辐射计的响应度分布曲线。

图1　响应度分布曲线

光谱辐射计主要状态参数：G=4，I=2。

5.2稳定性定标结果

图2给出了在1.5小时内连续进行测量，数值的RSD在不同波长上的分布情况。

图2　稳定性的RSD在不同波长上的分布示意图

光谱辐射计主要状态参数：普通增益，G=4，I=2。

5.3线性响应定标结果

此处，选取了如下几个波长的数值进行分析，鉴于测量值的实际分布情况，我们采用最小二乘法进行线性拟合，并给出相应的线性相关系数R。

图3　线性响应结果示意图

Y499.22=1 851.98X+25.92R=0.999 99

Y599.13=4 955.87X+51.00R=0.999 99

Y698.70=8 020.54X+82.08R=0.999 99

Y801.03=6 476.99X+235.33R=0.999 99

Y900.60=3 790.92X+153.83R=0.999 99

需要说明的是，测量值与测量距离的平方的倒数成正比。

从以上选定的几个波段的拟合分析结果看，该光谱辐射计的传感器具有优良的线性响应特性。

参考文献

[1]李振国，魏青.光辐射测量原理与技术[M].北京：中国建材工业出版社,1998：1-89.

[2]王淑荣，刑进，李福田.利用积分球光源定标空间紫外遥感光谱辐射计[J].光学精密工程，2006(2)：185-188.

收稿日期：2016-01-14

基金项目：山西省高校科技研究开发项目(20091025)

作者简介：弓伟(1983- )，男，山西长治人，工程师，硕士研究生，研究方向：医疗电子设备。

通讯作者：周晋阳(1958- )，男，山西长治人，教授，研究方向：生物医学工程。

文章编号：1674- 4578(2016)02- 0095- 02

中图分类号：TP731；TP274.5

文献标识码：A

Research on Calibration Test of the Spectroradiometer

Gong Wei, Zhou Jinyang, Shi Chunhua

(DepartmentofBiomedicalEngineering,ChangzhiMedicalCollege,ChangzhiShanxi046012,China)

Abstract:The calibration content, equipment condition and detection method are introduced in this paper. The responsivity, stability and linearity of some type spectroradiometer are calibrated. Also the calibration results are analyzed briefly.

Key words:spectral radiation; responsivity; linearity; stability; calibration