CN111006761B - 一种面向双通道光谱***的简易光学定标方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双通道光谱***的简易光学定标方法，所述的双通道光谱***包括辐照度探头和辐亮度探头；所述光学定标方法包括：在布放前用所述双通道光谱***测定既定反射率为ρw的标准反射板的反射率ρws，并将ρws相对于ρw的偏差比例ε的合格标准定为5％以内；同时基于所述标准反射板的光谱值计算出定标系数k用于定标；使用完成观测后的所述双通道光谱***再次测定既定反射率为ρw的标准反射板的反射率ρws′，并检验ρws′相对于ρw的偏差比例ε′，以ε与ε′的差距是否大于3％为标准评判所述双通道光谱***的数据测量一致性。本发明的定标方法能有效实现在一般大气环境下得到较好的定标系数，且能在无辅助设备的情况下，完成简单标定。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱测定方法，具体涉及一种面向双通道光谱***的简易光学定标方法。
背景技术
传感器定标是遥感信息定量化的前提,遥感数据的可靠性及应用的深度和广度在很大程度上取决于传感器的定标精度。如今,光谱仪在定量化遥感中得到了广泛的应用：光谱仪测量水体光学参数；验证卫星遥感器的定量化产品；光谱仪测量大气气溶胶光学厚度；研究大气水汽对太阳辐射的吸收。这就使得现场光谱设备的定标显得尤为重要。
一般地,为了保证现场测量辐射率的精度，光谱***在出厂使用前都经过了严格的实验室绝对辐射定标。由于现场试验环境复杂，野外长期实验需要随时检测光谱仪器的工作状态是否稳定；长时间地使用光谱设备,或者仪器设备长时间的闲置，都可能产生仪器原件老化、结构不稳定、灵敏度改变等***问题。因此为了保证现场测量结果的可靠性，在使用光谱仪器现场测量过程中检测仪器的工作状态是否稳定是非常有必要的。
光谱仪在出厂前必不可少的要进行严格的实验室绝对辐射定标过程，辐射定标是建立辐射量与探测器输出量的数值联系的过程。实验室绝对辐射定标分为绝对辐照度定标和绝对辐亮度定标：
1.绝对辐照度定标。光谱辐照度定标***如图1a所示，辐射定标***由标准灯和待定标探头组成。标准灯在距离其l0处的辐照度
是稳定的而且已知的，待定标的传感器在距离标准灯ln处，我们可以利用光的辐照度变化关系来计算该点理论上的辐照度值，记为
将在ln处仪器的实测入射辐照度值
和理论计算值
建立关系,就可实现辐照度定标。
2.绝对辐射亮度定标***如图1b所示,辐射定标***由标准灯、光栏、标准反射板和待定标仪器探头组成。标准灯垂直入射,传感器在45°方向进行测量。标准灯和标准反射板中心相距为Ln，可以计算理论上经过标准板反射后的辐射亮度L1。
式中：Z为标准反射板的反射率；将理论计算值L1和仪器实测数值L1′建立关系，就可实现辐射亮度定标。注意这里需要考虑待定探头的视场角,需要让反射板充满仪器的视场。
国内使用的光谱仪大多是国外的仪器产品，定期将仪器返厂定标耗时太长、费用太高。且大多数情况下仪器还不需要返厂进行实验室定标，可能只存在较小的问题或者仪器能正常稳定的工作却被返厂定标了。这种现状不仅浪费了研究人员的宝贵研究时间，还可能浪费大量的人力物力。国内学者最新研发的双通道漂浮式光学浮标光谱***(例如专利文献CN208270412U、CN208076381U、CN208076379U等公开的测量***)在出厂前会进行一次上行辐照度和下行辐亮度探头严格的实验室绝对定标。在实际的使用中，由于该浮标***是漂浮在水表上的光谱测量***，现场的风浪、水质等因素都会对光谱***造成一定的影响，如果长期处于这种复杂的环境，精密光谱测量***在***稳定性上会收到一定的影响，会直接影响光谱测量结果的准确性。因此这种现场光谱测量的现场定标的问题亟待解决。
相较于单通道测量装置，双通道测量对传感器定标要求更为严格，但目前尚无面向双通道漂浮式光学浮标光谱***的测量的野外现场定标手段，主要由于1)现场缺乏满足实验室定标要求的标准定标装置；2)现场环境复杂，需要一种快速简便的定标手段实现快速定标及数据质量验证。
基于上述光谱***的现状，本发明基于现有的双通道漂浮式光学浮标光谱***，提出了一种简便的传感器定标方法。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种双通道光谱***的简易光学定标方法，该方法能有效实现在一般大气环境下得到较好的定标系数，能在无辅助设备的情况下完成简单自我标定。该方法也能较好的应用于单通道、三通道光谱测量***的仪器定标，提出一种对当前成熟的光谱测量仪器的简易定标方法。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
一种面向双通道光谱***的简易光学定标方法，所述双通道光谱***包括辐照度探头和辐亮度探头，具体标定方法包括如下步骤：
步骤1)***组装和几何调整
组装双通道光谱***，然后基于水准泡或其他水准设备对各探头进行空间上的几何竖直调整，以保证各所述的探头姿态的稳定性和数据测量的一致性；
步骤2)布放前定标
首先对步骤1)调整后的各探头进行暗电流矫正，使用黑色罩子罩住辐照度探头和辐亮度探头，开始测量任务，此时测得暗电流校准的辐照度探头暗电流信号Es0和辐亮度探头的暗电流信号
然后使用双通道光谱***测量反射率为ρw的标准反射板的光谱值，共测量N组，再分别记录测得的辐照度均值
和辐亮度均值
基于所述辐照度探头暗电流信号Es0、辐亮度探头的暗电流信号
辐照度均值
和辐亮度均值
计算实测得到的反射板反射率ρws：
如下式(2)所示，记标准反射板的反射率ρw与实测的反射率ρws二者的偏差比例ε为：
计算得到的ε在a1％以内，则认为光谱***测量功能稳定，然后进行现场观测任务；
通过测得的标准反射板辐亮度
和标准反射板的反射率ρw，计算得到理论的辐照度
然后确定定标系数k(λ)，其中λ为波长，并根据标定系数k(λ)对所述双通道光谱***的辐照度探头进行简单的定标工作；
步骤3)水面测量及回收
将完成步骤2)后双通道光谱***，按照常规方法投放至水面进行观测，并在完成观测后回收；
步骤4)光谱数据测量一致性检验
使用步骤3)中完成观测回收后的双通道光谱***测量标准反射板的反射率，共测量N组，再分别记录测得的辐照度均值
和辐亮度均值
基于所述辐照度探头暗电流信号Es0、辐亮度探头的暗电流信号
辐照度均值
和辐亮度均值
计算得到此时的反射板反射率ρws′以及反射板反射率偏差ε′：
以下式计算观测任务完成前后的测量***误差σ为：
若σ在±a2％以内，则认为光谱***数据测量的一致性很好。
进一步的，所述的辐照度探头观测方向竖直向上，所述的辐亮度探头观测方向竖直向下。
进一步的，所述的水准设备为圆形水准泡，所述的基于水准设备对各探头进行空间上的几何竖直调整是通过将所述圆形水准泡安装在双通道光谱***上，并根据所述圆形水准泡调整各所述探头达到空间上的几何竖直。
进一步的，步骤2)中计算实测得到的反射板反射率ρws的公式如下，
进一步的，步骤2)中计算得到理论的辐照度
的公式如下，
进一步的，步骤2)中确定定标系数k(λ)的方式为，
其中λ为波长。
进一步的，步骤4)中反射板反射率ρws′的公式如下，
进一步的，N的取值大于等于10。
进一步的，a1，a2的取值分别为5和3。
现有的现场观测方法一般是直接将从实验室或设备处拿出来的光谱***组装完成后直接开始观测任务，这样的现场观测方法默认了光谱测量仪器的***稳定性，没有验证光谱测量仪器测量***稳定性的过程。但是实际的光谱测量仪器在保管、运输、组装等过程中可能会发生仪器原件老化、磕碰、坠落等情况，导致光谱仪器的***稳定性发生改变。如果在光谱仪器的***不稳定性的情况下展开了现场测量，并且在整个野外现场观测过程中都没有发现测量仪器***不稳定的问题，那么整个观测周期测量的光谱仪数据都没有实际的应用价值，更没有研究价值。为了保证测量的光谱数据的一致性及其可用性，本发明提出了所述的双通道光谱***的简易光学定标方法，包括在光谱现场观测开始前及结束后的***稳定性标定过程，该方法通过比较双通道光谱测量***的辐照度和辐亮度探头测量的光谱数据，来确定双通道测量***在现场观测前后的***稳定性，同时也可验证仪器设备在观测周期的一致性，以及评价观测周期测得数据的一致性。本发明的定标方法能有效实现在一般大气环境下得到较好的定标系数，且能在无辅助设备的情况下，完成简单自我标定。
附图说明
图1为定标***，其中(a)为绝对辐照度定标***；(b)绝对辐照度定标***。
图2为双通道光谱***的简易光学定标。
具体实施方式
以下通过列举和描述实施例的方式对本发明所述的定标方法及其在双通道光谱***观测中的应用做出详细阐述。其中所涉及的双通道光谱***，包括辐照度探头和辐亮度探头，其结构可以是专利文献CN208270412U、CN208076381U、CN208076379U等公开的任意一种测量***。
本发明提出水体光谱现场观测现场简易定标方法，提出了水体现场观测光谱数据的数据筛选方法，提出了光谱测量***定标新的思路，从而解决了现场观测不具备实验室定标条件下为仪器进行定标的问题，解决了低成本保证光谱测量仪器的精度问题，提供了一种实验室定标的新思路。
如图2所示，一种针对水体光谱测量定标的方法，基本流程如下：
1.仪器组装和几何调整
组装好漂浮式光学浮标，然后基于水准泡或其他水准设备对辐照度和辐亮度光学探头进行空间上的几何竖直调整，以保证传感器姿态的稳定性和数据测量的一致性。
其中，辐照度探头观测方向竖直向上，所述的辐亮度探头观测方向竖直向下。
其中，水准设备为满足光学浮标结构设计的圆形水准泡，所述的基于水准设备对各探头进行空间上的几何竖直调整是通过将所述圆形水准泡安装在双通道光谱***上，并根据所述圆形水准泡调整气泡至分化线中心，此时梁光学探头可保证竖直状态，精度在10′以内。。
2.仪器布放前定标
首先对仪器进行暗电流矫正，在分光光度计中，光电检测器在没有受到任何光照的情况下所输出的电流信号称之为暗电流，暗电流是光电检测器的一中特殊产物，一般情况是只要通电就会产生暗电流，且暗电流的强弱受电池情况、电线状态、线路稳定性等因素的影响。使用黑色罩子罩住FOBY的Es(辐照度探头)和Lw(辐亮度探头)探头，开始测量任务，此时测得暗电流校准的辐照度探头暗电流Es0和辐亮度探头的暗电流信号
为后续数据精度处理提供辅助数据。
然后使用双通道光谱***测量标准反射板(反射率为ρw)，测量十组标准反射板的光谱数据，分别记录测得的辐照度、辐亮度均值：
和
实测得到的标准反射板反射率：
记标准反射板的反射率ρw与实测的反射率ρws二者的偏差为：
计算得到的ε在5％以内，则可以认为光谱测量***功能稳定，可以进行现场观测任务。通过测得的标准反射板辐亮度
和标准反射板的反射率ρw，我们可以计算得到理论的辐照度
双通道光谱***在实际的现场观测中会受到水表风浪、水面异物水生动植物等的影响。由于辐亮度探头是由黑色遮光罩罩着进行测量，环境的变化对其测量结果的影响较小，而上行辐照度探头是暴露在水表之上，较容易受附体姿态、风浪等的影响，故这里我们以辐亮度探头的测量值为实测值，来模拟计算理论对应的辐照度探头的测量值。
其中λ为波长，k为定标系数，可以根据标定系数k(λ)对光谱***的辐照度测量数据推算辐照度实际值，即完成了现场观测前的定标。
3.现场光谱测量
将仪器缓慢布放至船体的向阳面，现场观测实验中保证光谱***与船体保持15m以上的距离，以避免船体阴影和船体制造的波浪影响，在仪器姿态稳定后开始观测任务。
4.仪器回收
测量任务完成后，缓慢回收设备，避免仪器颠覆，避免异物干扰回收路线，尽量避开船尾螺旋桨，保证仪器在回收过程中的安全性。
5.光谱数据测量一致性检验
使用完成测量任务后的双通道光谱***测量标准反射板的反射率，测量数十组标准反射板的光谱数据，辐照度、辐亮度均值分别记为：
和
则可计算得到此时的反射板反射率为：
计算此时的测量的反射板反射率偏差：
记仪器开始现场观测和现场观测任务完成前后的测量***误差为σ:
σ＝ε-ε′ (7)
若σ在±3％以内，则可以认为光谱***数据测量的一致性很好。
若σ在±3％以外，则可以认为光谱测量***需要进行定标调整。
通过以上分析，本发明采用如下方法验证光谱***的一致性：
仪器开始现场观测和现场观测任务完成前后的测量***误差为σ，标准反射板的反射率ρw，暗电流校准的辐照度探头暗电流Es0和辐亮度探头的暗电流信号
实测反射板时的辐照度为
辐亮度为
标准反射板的实测与理论反射率间的偏差为ε。测得的辐照度、辐亮度均值：
和
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种面向双通道光谱***光学定标方法，其特征在于：所述双通道光谱***包括辐照度探头和辐亮度探头，具体定标方法包括如下步骤：
步骤1)***组装和几何调整
组装双通道光谱***，然后基于水准泡对各探头进行空间上的几何竖直调整，以保证各探头姿态的稳定性和数据测量的一致性；
步骤2)布放前定标
首先对步骤1)调整后的各探头进行暗电流校正，使用黑色罩子罩住辐照度探头和辐亮度探头，开始测量任务，此时测得暗电流校准的辐照度探头暗电流信号Es0和辐亮度探头的暗电流信号
然后使用双通道光谱***测量反射率为ρw的标准反射板的光谱值，共测量N组，再分别记录测得的辐照度均值
和辐亮度均值
基于所述辐照度探头暗电流信号Es0、辐亮度探头的暗电流信号
辐照度均值
和辐亮度均值
计算实测得到的反射板反射率ρws，公式如下，
如下式(2)所示，记标准反射板的反射率ρw与实测的反射率ρws二者的偏差比例ε为：
计算得到的ε在a1％以内，则认为光谱***测量功能稳定，然后进行现场观测任务；
通过测得的辐亮度均值
和标准反射板的反射率ρw，计算得到理论的辐照度
然后确定定标系数k(λ)，其中λ为波长，并根据标定系数k(λ)对所述双通道光谱***的辐照度探头进行简单的定标工作；
步骤3)水面测量及回收
将完成步骤2)后双通道光谱***，按照常规方法投放至水面进行观测，并在完成观测后回收；
步骤4)光谱数据测量一致性检验
使用步骤3)中完成观测回收后的双通道光谱***测量标准反射板的反射率，共测量N组，再分别记录测得的辐照度均值
和辐亮度均值
基于所述辐照度探头暗电流信号Es0、辐亮度探头的暗电流信号
辐照度均值
和辐亮度均值
计算得到此时的反射板反射率ρws′以及反射板反射率偏差ε′：
以下式计算观测任务完成前后的测量***误差σ为：
若σ在±a2％以内，则认为光谱***数据测量的一致性很好。
2.如权利要求1所述的一种面向双通道光谱***光学定标方法，其特征在于：所述的辐照度探头观测方向竖直向上，所述的辐亮度探头观测方向竖直向下。
3.如权利要求1所述的一种面向双通道光谱***光学定标方法，其特征在于：所述的基于水准泡对各探头进行空间上的几何竖直调整是通过将所述水准泡安装在双通道光谱***上，并根据所述水准泡调整各探头达到空间上的几何竖直。
4.如权利要求1所述的一种面向双通道光谱***光学定标方法，其特征在于：步骤2)中计算得到理论的辐照度
的公式如下，
5.如权利要求1所述的一种面向双通道光谱***光学定标方法，其特征在于：步骤2)中确定定标系数k(λ)的方式为，
其中λ为波长。
6.如权利要求1所述的一种面向双通道光谱***光学定标方法，其特征在于：N的取值大于等于10。
7.如权利要求1所述的一种面向双通道光谱***光学定标方法，其特征在于：a1，a2的取值分别为5和3。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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