ASD光谱仪间相对定标方法介绍

董毅 吕佳彦 宋青涛

摘 要：双光谱仪法测量场地反射率过程中需要使用多台ASD光谱仪，这就引入了光谱仪间的相对差异，这些差异会对场地反射率的测量精度造成影响，因此需要组织试验进行仪器间的相对辐射校正。本文介绍了试验方法并给出了试验结果，可见ASD光谱仪间相对定标的必要性。

关键词：双光谱仪法；ASD光谱仪；相对定标

双光谱仪法测量场地反射率过程中需要使用多台ASD光谱仪，这就引入了光谱仪间的相对差异，这些差异会对场地反射率的测量精度造成影响，因此需要组织试验进行ASD光谱仪间的相对辐射校正。

1 方法介绍

由于多台光谱仪间辐射响应不一致，在卫星同步定标试验中，多台光谱仪采集的数据需要进行协同计算，因此必须对各光谱仪的辐射响应进行相对标定，否则ASD FR光谱仪定标系数的漂移将会给地面反射率的测量引入误差。

在光谱仪之间相对定标时，将试验用到的多台光谱仪的探头并排放置，固定于三脚架，调整角度使之垂直向下观测同一参考板（标准参考板），连续进行数据测量，从正午持续到傍晚太阳落山，获得各波段连续不同辐射条件下的反射辐亮度数据序列，以某一ASD FR光谱仪为标准，通过比值计算光谱仪间相对定标系数，计算方法如下：

式中，R标准参考板为标准参考板反射率；

L标准光谱仪，L光谱仪1，L光谱仪2分别为标准光谱仪和校正光谱仪的反射辐亮度；

C1，C2分别为校正光谱仪的校正系数；

E为参考板的入射辐照度，以上各参量均为波长的函数。

2 ASD光谱仪间相对定标试验

1）试验目的：减少多台光谱仪间辐射响应不一致造成的影响，测量计算得到光谱仪间相对定标系数；

2）试验时间：2013年6月20日12：00-19：30；

3）试验地点：敦煌光伏电站对面戈壁滩；

4）试验仪器：ASD FR光谱仪4台：ASD16563、ASD16582、ASD16479、ASD18053；参考板1块：MFB99-48-09；

5）试验步骤：测量方法如图1所示：将4台光谱仪的探头并排放置，固定于三脚架，调整角度使之垂直向下观测参考板MFB99-48-09，连续进行数据测量，获得不同辐射条件下的反射辐亮度数据。

以ASD FR光谱仪16563为标准光谱仪，进行其他光谱仪相对系数的计算。

同时，在测量过程中，会定时对4台ASD FR光谱仪镜头进行遮挡，目的是对4台ASD FR光谱仪时间进行校正。

3 数据处理及分析

测量数据包含ASD FR光谱仪相对定标试验、参考板相对定标试验和反射率同步测量试验三个试验的测量结果，其中反射率同步测量试验中心区和高反区均采用双光谱仪法进行。

3.1 试验数据

在ASD FR光谱仪间相对定标试验中，其试验数据主要包括4台ASD FR光谱仪测量参考板的DN序列DNi（λ，ti），数据是包含光谱维和时间维的二维数据，其中i为ASD FR光谱仪编号，i∈[16563，16582，16479，18053]；ti为ASD FR光谱仪测量的时间序列；λ为波长，λ∈[350，351，...，1050nm]。

3.2 预处理

预处理过程主要包括以下几个部分：

1）使用各仪器配套的绝对定标系数，将所有的DN值DNi（λ，ti）转化为辐亮度值，得到不同ASD FR光谱仪测量参考板的反射辐亮度值Li（λ，ti），其中为ASD FR光谱仪编号，i∈[16563，16582，16479，18053]；ti为ASD FR光谱仪测量的时间序列；λ为波长，λ∈[350，351，...，1050nm]。此过程是采用中科院电子所赵永超博士开发的zyc_spec_prepro软件进行，可进行批处理。

2）测量过程中，由于要对4台ASD FR光谱仪间测量时间进行统一，在测量过程中部分时间点对镜头做了遮挡处理，由于遮挡时间较短，将遮挡部分数据通过遮挡前后数据插值得到，一般采用线性插值进行处理。

3）在时间维度对辐亮度进行重采样，由于4台ASD FR光谱仪测量光谱的时刻和间隔都不完全一样，需要将辐亮度时间序列进行重采样。采用将时间间隔短的时间序列重新采样到时间间隔长的序列上，一般采用线性采样即可，最后将4台ASD FR光谱仪的时间序列重新采样到相同的时间序列上。

3.3 结果及分析

将原始数据经过预处理，对时间维度进行重采样，可得4台ASD FR光谱仪测量同一参考板的反射辐亮度值。

从中统一截取其中1000个时间点，如图2-图5所示，右侧图例代表反射辐亮度值，单位是W/（m2·sr），其中sr为球面度。每个时间间隔为1s，持续时间从16：27-16：43共计1000s。

从图2-图5可以看出，4台ASD FR光谱仪测量参考板时，不同波长测量的反射辐亮度存在差异，在可见光近红外波段，峰值在450-550nm出现，最低值则出现在950nm左右。随着时间的推移，反射辐亮度值有减小趋势，不同光谱仪测量参考板反射辐亮度也存在差异。

在16：27-16：43共计1000s时间内，ASD FR光谱仪测量参考板反射辐亮度值便发生变化，单光谱仪法交替测量过程中，不可避免出现测量场地和参考板的时间差异，可见双光谱仪法测量场地反射率的优越性。

对经过预处理后的4台ASD FR光谱仪测量参考板反射辐亮度值进行处理，可得到4台ASD FR光谱仪的反射辐亮度值Li（λ，ti），其中i为ASD FR光谱仪编号，i∈[16563，16582，16479，18053]；t为重采样后的时间范围，t∈[1，2，...，1000]；λ为波长，λ∈[350，351，...，1050nm]。

每台ASD FR光谱仪的测量值均有1000个时间点反射辐亮度曲线，将1000个时间点的辐亮度值进行平均，可得到不同光谱仪间整体的响应差异。

根据公式（4）计算可得时间序列的ASD FR光谱仪间相对定标系数Ci（λ，t），再对时间取平均后可得光谱仪间相对定标系数。

如图7所示，在可见光近红外波段，3台光谱仪与标准光谱仪间各波段间测量辐亮度值存在差异，相对定标系数基本在1附近，在个别波长处有较大的波动，各光谱仪间部分波段光谱响应有较大差异，可见光谱仪间相对校正的必要性。

4 总结

本文介绍了ASD光谱仪间相对定标试验和试验流程，通过试验可得光谱仪间相对定标系数，在可见光近红外波段，3台光谱仪与标准光谱仪间各波段间测量辐亮度值存在差异，相对定标系数基本在1附近，在个别波长处有较大的波动，各光谱仪间部分波段光谱响应有较大差异，可见光谱仪间相对校正的必要性。

参考文献：

[1] 董毅，何明元等.基于野外地物光谱时间序列的反射率测量方法[J]. 红外，2016，37（1）：31-35.

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