楊珂圳 姜亢 張鵬

摘? 要：在眾多研究領域中，海洋光學 USB2000+是一款被廣泛使用的微型光纖光譜儀。然而我們在使用該光譜儀進行測量研究中發(fā)現(xiàn)，其在輻射定標、線性度等方面存在系統(tǒng)性的偏差。基于此，我們以行業(yè)標準儀器 ASD FieldSpec4 光譜儀為基準，給出了USB2000+系統(tǒng)性偏差的分析方法，并通過大量對比研究實驗，對USB2000+光譜儀關鍵性能進行定量分析。試驗結果表明USB2000+光譜儀在輻射定標準確性、響應線性度、暗電流漂移等方面均存在系統(tǒng)性偏差，并最終導致采集到的數(shù)據(jù)發(fā)生明顯偏差。本文針對這些問題，進一步提出了提高海洋光學USB2000+測量精確度的方法，以此提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。

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

中圖分類號：TH74 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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)光譜來鑒別物質(zhì)及其相關性質(zhì)，光譜儀早已成為生產(chǎn)生活中常見的檢測與分析儀器，其被廣泛的應用于環(huán)境、醫(yī)學、農(nóng)業(yè)、工業(yè)等眾多領域[1-3]。隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，各行業(yè)對于檢測速度快、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構簡單輕小、能夠突破應用環(huán)境局限的優(yōu)點被眾多行業(yè)廣泛應用[4]。

其中，USB2000+是海洋光學生產(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、更加便宜的價格的優(yōu)點，使得它迅速在如醫(yī)療光學[5]、無損檢測[6]、熒光檢測[7]、生物化學[8]等各研究領域中得到應用。圖1統(tǒng)計了谷歌學術自2010—2019年，在各項研究中使用USB2000+的論文/專利數(shù)量?？梢园l(fā)現(xiàn)，近五年來，平均每年都有1000篇左右的學術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)的準確性是未曾被質(zhì)疑的。

然而在利用該儀器進行衛(wèi)星輻射定標的外場測量研究中發(fā)現(xiàn)，該儀器的測量結果與行業(yè)標準儀器ASD FieldSpec4的測量結果相距甚遠。圖2所示為兩臺儀器同時測量時的輻照度時間序列曲線。

由于可能對所有使用該儀器的研究產(chǎn)生潛在的不利影響，因此有必要對該光譜儀的各項關鍵性能進行檢查測試，以便能夠理清誤差產(chǎn)生的原因并且找到應對的方法。

ASD FieldSpec4是在遙感領域被廣泛使用的地面測量儀器，從特定目標的頻譜研究[9-10]到遙感器的實驗室/地面定標[11-13]，ASD FieldSpec系列幾乎成為業(yè)內(nèi)的標準儀器，受到了廣泛的認可。我們在試驗中以它為標準，對USB2000+的輻射定標、線性度、暗電流漂移、噪聲水平和光譜位置進行了比較。試驗中參與比較的光譜儀均為新購買的產(chǎn)品，并且經(jīng)過了廠家的定標。二者的技術參數(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[16]。本文使用噪聲等效輻亮度這個指標來評價儀器的噪聲水平。

測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)設置為1，在原始數(shù)據(jù)模式下采集50條光譜，然后計算每個通道的標準差，并將標準差轉(zhuǎn)換為輻射亮度值[12]。所得的結果即為噪聲等效輻亮度。根據(jù)FieldSpec4的測量步驟，將積分時間從8ms增加到1s，對USB2000+和FieldSpec4的噪聲等效輻亮度進行測量。結果如圖3所示，隨著積分時間增加，其噪聲等效輻亮度逐漸減小。為了更加清晰的進行比較，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），并且測試結果與表1中FieldSpec4的標稱值一致。當波長大于700nm時，由于波長接近傳感器邊界，兩臺光譜儀的噪聲水平均迅速上升。但海洋光學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，兩臺儀器噪聲水平都隨著積分時間的增加而降低，這意味著更長積分時間，測量得到的數(shù)據(jù)的質(zhì)量也會更好。

因此，USB2000+使用者應該特別注意波長超過700nm的數(shù)據(jù)，特別是在測量對噪聲更敏感的反射率數(shù)據(jù)時，可通過使用盡可能長的積分時間來抑制噪聲。

1.2 暗電流特性

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

（1）

（2）

式（1）中Rad表示輻射亮度或輻射照度，DN為儀器測量的原始計數(shù)值，DC為儀器該狀態(tài)下的暗電流，C為定標系數(shù)。式（2）中reflectance表示反射率，DNtarget和DNpanel分別表示測量目標和參考板的原始計數(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，要想獲得目標輻射值或反射率，首先必須從原始計數(shù)值（DN）中去除暗電流（DC），然后使用參考板的定標系數(shù)C或參考板反射率進行計算。因此，能否準確、及時地記錄暗電流，對輻射值或反射率的計算結果是有影響的，其影響程度由DC和DN的比值決定。同時，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，為防止光進入光纖，用黑色光纖帽蓋住光纖，隨后將光纖頭通過透氣孔放入不透光的箱子中。如果沒有光進入光纖，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)的暗電流隨時間的變化情況。散點是實測暗電流值，圖中曲線為擬合趨勢線。

可以看出，USB2000+和FieldSpec4的暗電流隨時間的變化截然不同。前者隨著時間的推移會越來越小，而后者則相反。啟動光譜儀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+暗電流的擬合趨勢線接近0，而FieldSpec4的暗電流值上升約3%。

結果表明，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）進行測量，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FieldSpec4數(shù)據(jù)的影響不超過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)將實驗室定標時測量的暗電流數(shù)據(jù)內(nèi)置在配置文件中，測量時無需重新測量暗電流。而USB2000+在使用過程中則需要特別注意記錄暗電流的漂移情況。

USB2000+提供了實時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，采用同樣的方式測量暗電流，暗電流隨時間的變化曲線如圖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比未開啟該功能時更低的水平。因此，在使用USB2000+時需要開啟實時扣除電子暗電流功能，并及時遮蔽光路，測量剩余暗電流，便于在數(shù)據(jù)中減去暗電流值。若未開啟實時扣除電子暗電流功能，則應在測量數(shù)據(jù)前后各測量一次暗電流，用于估算測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，在實際試驗中還發(fā)現(xiàn)，積分時間的變化同樣也會影響暗電流的大小，暗電流隨積分時間的變化關系如圖7所示?？梢钥闯鰞膳_儀器的暗電流與積分時間均呈現(xiàn)高度的線性關系。因此，為保證數(shù)據(jù)精度，若在測量中變動積分時間，則需要重新測量暗電流。若在某些測量場景下無法及時重新測量或者忘記測量暗電流，則可利用該線性關系估算某一積分時間下的暗電流值。

1.3 輻射響應線性度

輻射響應線性度也是反映儀器質(zhì)量的關鍵指標之一。由于光譜儀的定標均采用線性模型，因此響應線性度實際上還關系到儀器的輻射定標精度。以FieldSpec4為基準，對USB2000 +的輻射響應進行現(xiàn)場測量。試驗時，分別測量USB2000+配備裸光纖和余弦接收器時的輻射響應線性度。

測試USB2000+裸光纖時，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一塊反射率為99%的漫反射參考板，如圖8（b）所示。兩個光纖頭均有25°視場角，這樣的觀測幾何使得兩個探頭的視場重合度約為85%，由于參考板表面的均勻性非常好，因此可以認為二者觀測的目標相同。測量場地在樓頂開闊區(qū)域，測量期間天氣晴朗，太陽高度角變化范圍是15°到60°，基本覆蓋野外常規(guī)觀測的輻射動態(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，我們在測量中同時記錄開啟和關閉該功能時采集到的數(shù)據(jù)。所得曲線如圖9所示，黑色點是開啟線性校正功能后的數(shù)據(jù)，灰色點是關閉線性校正功能后的數(shù)據(jù)，紅色和藍色線是兩個數(shù)據(jù)集的線性回歸線。結果表明，USB2000+與FieldSpec4之間具有良好的線性關系。關閉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。

測試配備余弦接收器的USB2000+時，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，余弦接收器通過氣泡調(diào)整水平，對下行輻照度進行持續(xù)測量。如圖8（a）所示。測試在晴朗天氣條件下的屋頂上進行，測量期間，太陽高度角變化范圍是-5°到65°，基本覆蓋野外大部分測量光照條件。USB2000+的DN值數(shù)據(jù)在積分時間歸一化至100ms后與FieldSpec4的輻射照度數(shù)據(jù)的關系如圖10所示。

圖10中，圖中散點為實測數(shù)據(jù)，分段曲線為分段擬合趨勢線，直線為USB2000+定標系數(shù)對應的直線。可以看到，在整個動態(tài)范圍內(nèi)，配備余弦接收器的USB2000+的輻射響應與FieldSpec4相比呈現(xiàn)出明顯的非線性特征：整個動態(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，使用三階多項式來擬合數(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。這三段的太陽高度角范圍分別約為[-5，20]、[20，30]和[30，65]。

上述兩項測試結果表明，USB2000+光譜儀本身與FieldSpec4的輻射響應線性度比較一致;但配備余弦接收器后，兩者的輻射響應有較明顯的差別。在同時使用配備余弦接收器后的兩種儀器獲取數(shù)據(jù)時，需通過相對定標消除這種差別。此外，曲線明顯偏離USB2000+定標系數(shù)對應的黑色直線，這反映出USB2000+的絕對輻射定標與FieldSpec4之間存在系統(tǒng)性偏差，這點將在下一節(jié)中討論。

1.4 輻射定標

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

ASD的實驗室輻射定標可溯源到一個不確定度為0.3%～1.1%（350～2400nm）的美國國家標準局（National Institute of Standards Technology， NIST）定標燈，定標方法介紹可以參考[17]。在本實驗中使用的FieldSpec4的輻射照度定標不確定度約為2.29%～3.55%（350～2400nm），輻射亮度定標不確定度約為2.35%～3.58%（350～2400nm）。海洋光學的實驗室定標采用的是DH-3PLUS定標光源，該光源設備也可溯源到NIST。采用DH-3PLUS，USB2000+的余弦接收器定標不確定度約為3.8%～6%（400～1000nm），裸光纖定標不確定度約為6.7%～8.1%（400～1000nm）[18]。需要注意的是，USB2000+對裸光纖的定標結果的官方定標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單位。上述不確定度表明，ASD在實驗室輻射定標不確定度控制方面是明顯優(yōu)于海洋光學的。

然而，在野外光譜測量中，相比于輻射定標不確定度而言，輻射定標準確度（測量均值與真實值的偏差）則更為重要。各儀器廠商并不提供定標準確度的信息，顯然廠商們都認為自己的定標結果沒有系統(tǒng)偏差。但實際上，利用從NIST經(jīng)過多層傳遞過來的不同定標源，經(jīng)過不同廠家的定標處理，在每個轉(zhuǎn)移步驟中輕微偏差的積累便會導致各光譜儀的輻射定標結果可能存在明顯差異。而這在野外測量中，尤其是多臺設備的數(shù)據(jù)需要協(xié)同處理時或者利用地面設備給衛(wèi)星載荷進行場地定標時，各儀器輻射定標的不一致性所導致的誤差是必須消除的。

為此，需要對USB2000+和FieldSpec4的定標一致性進行了檢測。一臺USB2000+接光纖和余弦接收器，用于輻照度定標檢驗，測量方法與圖 8（a）所示相同;另一臺USB2000+接裸光纖，用于輻亮度定標檢驗，測量方法與圖8（b）所示相同。由于帶有裸光纖的USB2000+的官方定標單位是輻射照度單位，而不是輻射亮度單位，因此通過將以輻射照度為單位的定標結果除以π，轉(zhuǎn)化得到輻射亮度結果。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)部測量結構是否符合這一前提，然而USB2000+接裸光纖輻射照度的定標結果與FieldSpec4的入射亮度定標結果相距甚遠，而轉(zhuǎn)換的輻射亮度結果則相對更接近。因此，對于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進行比較。

配備余弦接收器后的USB2000+和FieldSpec4在500nm處的輻射照度關系如圖11（a）所示，配備裸光纖后的輻射亮度關系如圖10（b）所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，USB2000+的輻射定標結果與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給地面輻射測量結果造成巨大的誤差。

圖12所示為同時測量的USB2000+和FieldSpec4的輻照度和輻亮度光譜，以及它們之間的相對誤差?？梢钥闯?，兩臺光譜儀在不同波長的相對誤差明顯不同。

測試結果表明FieldSpec4和USB2000+的輻射定標存在明顯不同。通過國家標準技術研究所或中國國家計量研究所等專業(yè)機構的光譜儀進行檢驗，可以得出更準確的光譜儀的相關結論。但應該從測試中可以看到，針對使用不同光譜儀的研究人員，對于不同光譜儀之間的相對輻射標定是至關重要的。

1.5 光譜位置正確性

光譜位置是光譜特征的關鍵信息，其準確性對于反射率測量和輻射測量都至關重要。在實驗中采用大氣特征吸收峰的位置來檢查光譜位置，同時使用MODTRAN的大氣計算結果作為光譜位置的基準位置，從而研究USB2000+和FieldSpec4的光譜位置準確性。

測量時，將ASD FieldSpec4和USB2000+的光纖探頭對準天空，并將MODTRAN的輸出光譜分辨率設定為0.1nm，其分辨率遠高于USB2000+和ASD FieldSpec4的光譜分辨率。計算得到的大氣透過率及兩臺光譜儀的天空光測量光譜如圖13所示。

采用687.1nm和760.6nm的O2吸收峰和823.0nm的H2O吸收峰為基準進行檢查。光譜位置偏差如表2所示。

從上述結果可以看出，USB2000+的偏差平均大于1個光譜采樣間隔（0.3nm），其光譜標定位置比實際位置偏小1個像素。FieldSpec4的光譜位置偏差小于1個光譜采樣間隔（1nm）。USB2000+在3個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+野外測量使用建議

根據(jù)測試結果，USB2000+的特點可以概括為：（1）噪聲水平在波長小于700nm時與FieldSpec4相當，在波長大于700nm時顯著上升一個數(shù)量級;（2）暗電流隨工作時間推移而降低，且變化幅度大;（3）光譜儀本身的輻射響應線性度與FieldSpec4基本一致，呈線性關系;但二者配備余弦接收器后，輻射響應線性度有明顯的差異;（4）USB2000+的定標結果與FieldSpec4相比有顯著的差異，不同波段差異變化很大;（5）USB2000+的波長位置偏差<0.5nm，優(yōu)于FieldSpec4。

USB2000+的上述特性會對測量數(shù)據(jù)的準確性產(chǎn)生不利影響，基于此，給出以下建議。

針對特點1：使用者無法改變設備本身的噪聲水平，但通過設置更長的積分時間、更多的平均次數(shù)將有助于抑制噪聲的影響。如果特別關注700nm以后的數(shù)據(jù)質(zhì)量，則應該使用適合測量的最長積分時間和最大平均次數(shù)。

針對特點2：確保對暗電流狀態(tài)的把控。因此，在測量前，首先開啟扣除電子暗電流功能開關，用光纖帽遮蔽光纖口，觀察暗電流狀態(tài)，預熱至暗電流穩(wěn)定時（至少5min），才可繼續(xù)進行。對于短時間的測量，可利用控制軟件的存儲暗光譜/扣除暗光譜功能消除剩余暗電流;對于長時間測量，需在開始測量前和結束測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量期間的變化，并予以消除。測量暗電流時，需注意USB2000+光纖配備的光纖帽是透光的，最好另外準備黑色的光纖帽，并在測量暗電流時將光纖探頭放在不透光的容器中。

針對特點3和特點4：注意檢查絕對輻射定標結果的準確性。在對絕對光譜輻射量有較高要求或者多臺設備需要協(xié)同工作時，可能需要重新定標。一個更為保險的解決方案是將設備送到輻射計量單位重新定標。另一種選擇可以使用本文介紹的測量方法，基于一臺標準設備，通過在全輻射動態(tài)范圍內(nèi)同時測量同一目標，完成對USB2000+的標定。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行標定，在配備余弦接收器的條件下可采用分段線性模型進行標定。

針對特點5：注意定期利用天空、熒光燈等具有固定光譜特征的目標來檢查設備光譜位置的準確性。若偏離不可接收，則需要重新進行光譜標定。

3? 結語

海洋光學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，具有很好的應用價值。但在將其用于測量系統(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備的一些核心性能的分析，并詳細討論了USB2000+光譜儀的這些性能特點對數(shù)據(jù)的影響。除此以外，為了消除這些性能特點帶來的不利影響，從而提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，文中還詳細討論了測量過程中應采取的正確操作和數(shù)據(jù)處理方式。

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