FieldSpec 波谱仪使用过程中的问题与解答

FieldSpec 波谱仪使用过程中的问题与解答

北京欧普特科技有限公司

2008年9月

美国ASD公司设计制造的FieldSpec®系列波谱仪在中国的遥感应用已经相对普及。应用范围已经扩展到包括精准农业、林业、海洋与内陆水体、冰雪、环境污染监控、气象、地质与矿产、地面定标、教学等等领域。所使用的仪器型号包括了FieldSpec HandHeld, FieldSpec VNIR, FieldSpec Dual VNIR, FieldSpec Pro FR, FieldSpec Pro JR和FieldSpec 3等等。

随着FieldSpec仪器的普及应用，通过我们与客户的交流沟通，发现在仪器的使用上出现了各种各样的问题，造成了测量数据精度不够，甚至耽误了工作时间。

总结归纳曾经出现的问题，并考虑到不同的应用。我们认为，波谱仪的使用技巧，在关乎测量成败上，起到了比较关键的作用。

此文从仪器的原理为出发点，讨论了仪器型号和配件的选择原则以及操作使用技巧，希望不同的用户可以从中借鉴。但是，本文未涉及国内外可能的测量规范。因此，在使用此仪器进行不同的测量时，需要参考各种测量规范或者规程。也未涉及光谱数据的前期和后期处理方法。

一、ASD fieldSpec波谱仪结构介绍

ASD公司从成立之初就一直专注于可见-近红外遥感光谱测量。因此，在仪器硬件设计中充分考虑了遥感专业队仪器的要求，例如：高光谱分辨率、快速、足够的信噪比、供电时间和方便性、工作现场对光谱数据的初步判别以及测量视场、轻便性等等，也充分吸收了不同的用户在使用过程中所反馈的意见和建议。这里仅仅以FieldSpec 3为例作出介绍。

图1，ASD FieldSpec 3波谱仪

采用三个光谱仪构成的全光谱光谱仪称为Goetz光谱仪。这是以著名遥感学家、ASD 公司的发起人之一Goetz博士的名字命名的。

其中，近紫外到近红外短波（350-1000nm ）光谱仪，使用如图1所示的固定光栅结构。近红外短波第一波段（SWIR1,1000-1700nm ）和第二波段(SWIR2,1700-2500nm)采用如图2所示的旋转光栅结构。

这样的结构保证了能够测量到全光谱范围内的目标反射光谱。所谓全光谱是指能够到达地球表面的绝大部分太阳辐射能量（如图3所示）。

图2. 固定光栅结构 图3. 旋转光栅结构

图4.

地球表

面测量得到的太阳辐射光谱

不同光谱仪所采集的光谱数据，通过软件连接起来，构成所测量目标的完整光

谱曲线。一般来讲，可以通过察看ASD.INI 文件确定连接点的波长。 二，测量操作中可能出现的问题及解决

问题1，测量绝对辐射亮度或者辐射照度时在光谱连接处出现台阶跳跃，如图1红色曲线部分。

0.00

0.05

0.100.15

0.20

0.25

0.30

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

2400

2600

2800

3000

S o l a r R a d i a n c e W /m 2

/s t e r a d i a n /n m

Wavelength (nm)

H 2

O absorption

H 2

O absorption

O

2

absorption

Chappius O 3

absorption band H 2

O doublet

absorption

Fraunhofer lines

O 3

absorption

CO 2

absorption

图5.测量辐射度时可能出现的跳跃

（图中蓝色曲线是经过80分钟预热后测得的，红色曲线是经过10分钟预热后测得的）

解答：

ASD公司的所有仪器光度标定都是在实验室内，仪器经过80-90分钟预热后作出的。

ASD公司经过大量实验发现，仪器所使用的三个传感器在不同的环境功能温度以及预热时间下具有变化的响应度。但是在SWIR1(1000-1800nm)波段传感器的响应度不受影响。并且，如果仪器经过足够长时间的预热，则这个问题不会出现。

但是野外测量时几乎不可能使用如此长的预热时间。

于是，ASD公司开发出了利用SWIR1的稳定特性，对问题数据进行修正的方法，即抛物线修正（Parabolic Correction）。

详细物理原理及必要计算等见附件I。

这个问题的解决方法就是：

A,仪器经过足够长时间的预热；这是最可靠的方法。

B，或者在测量辐射度时点击RS3软件界面上的PC图标。如图6所示。

C，回到实验室后，使用ViewSpec软件中的抛物线修正功能对数据进行修正。

抛物线修正图标

图6，PC图标

问题2，测量反射率时在光谱连接处出现于上述类似的问题。如图7所示。

连接点跳跃

图7.反射率测量时出现的光谱连接点跳跃

解答：

出现这样的光谱连接点跳跃的原因是不同的光纤采集到不同位置的样品光谱。

由于光纤输入端口是由57条光纤构成的，在某些部位可能会出现上述问题，特别是测量距离比较小的时候。

这个问题不会影响所采集到的数据质量。

这个问题的解决方法是：

A, 稍微旋转光纤，能够看到连接点的跳跃消失；或者

B，回到实验室后，使用ViewSpec软件中的Splice Correction修正功能对数据进行修正。

问题3：不能通过OPT快捷键对仪器进行优化

解答：

通常这是由于电池供电不足造成的。

仪器优化过程中需要启动电子快门。这是一个耗电相对较大的动作。如果电池不足，比如，仪器界面的电量显示已经到达黄线。尽管仍然可以采集光谱，但是电子快门不动作。因此，无法完成优化。

只需要更换电池即可解决此问题。

问题4：近紫外到近红外（350-1000nm）波段没有信号或者信号很弱。如图8。

图8. 短波段异常