杨珂圳 姜亢 张鹏

摘  要：在众多研究领域中，海洋光学 USB2000+是一款被广泛使用的微型光纤光谱仪。然而我们在使用该光谱仪进行测量研究中发现，其在辐射定标、线性度等方面存在系统性的偏差。基于此，我们以行业标准仪器 ASD FieldSpec4 光谱仪为基准，给出了USB2000+系统性偏差的分析方法，并通过大量对比研究实验，对USB2000+光谱仪关键性能进行定量分析。试验结果表明USB2000+光谱仪在辐射定标准确性、响应线性度、暗电流漂移等方面均存在系统性偏差，并最终导致采集到的数据发生明显偏差。本文针对这些问题，进一步提出了提高海洋光学USB2000+测量精确度的方法，以此提高数据质量。

关键词：海洋光学USB2000+  ASD FieldSpec4光谱仪  系统性偏差  定量分析  定标

中图分类号：TH74          文献标识码：A                   文章编号：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

根據光谱来鉴别物质及其相关性质，光谱仪早已成为生产生活中常见的检测与分析仪器，其被广泛的应用于环境、医学、农业、工业等众多领域[1-3]。随着现代科学技术的快速发展，各行业对于检测速度快、小巧便携光谱仪的需求日益提高。因此以光纤为媒介的光纤光谱仪以其结构简单轻小、能够突破应用环境局限的优点被众多行业广泛应用[4]。

其中，USB2000+是海洋光学生产的一款广受欢迎的微型光纤光谱仪，其工作在可见光-近红外谱段。与工作在这个谱段的传统光谱仪如ASD和SVC产品相比，USB2000+凭借着更小的尺寸和重量、更加便宜的价格的优点，使得它迅速在如医疗光学[5]、无损检测[6]、荧光检测[7]、生物化学[8]等各研究领域中得到应用。图1统计了谷歌学术自2010—2019年，在各项研究中使用USB2000+的论文/专利数量。可以发现，近五年来，平均每年都有1000篇左右的学术论文涉及到了这款光谱仪的使用。但在绝大多数文章中，该光谱仪采集的数据的准确性是未曾被质疑的。

然而在利用该仪器进行卫星辐射定标的外场测量研究中发现，该仪器的测量结果与行业标准仪器ASD FieldSpec4的测量结果相距甚远。图2所示为两台仪器同时测量时的辐照度时间序列曲线。

由于可能对所有使用该仪器的研究产生潜在的不利影响，因此有必要对该光谱仪的各项关键性能进行检查测试，以便能够理清误差产生的原因并且找到应对的方法。

ASD FieldSpec4是在遥感领域被广泛使用的地面测量仪器，从特定目标的频谱研究[9-10]到遥感器的实验室/地面定标[11-13]，ASD FieldSpec系列几乎成为业内的标准仪器，受到了广泛的认可。我们在试验中以它为标准，对USB2000+的辐射定标、线性度、暗电流漂移、噪声水平和光谱位置进行了比较。试验中参与比较的光谱仪均为新购买的产品，并且经过了厂家的定标。二者的技术参数[14-15]如表1所示。

1  光谱仪性能分析

1.1 噪声水平

噪声水平是影响光谱质量的重要因素，是反映仪器性能的重要指标[16]。本文使用噪声等效辐亮度这个指标来评价仪器的噪声水平。

测量噪声等效辐亮度方法如下：在室温20℃的环境下，将光谱仪预热15min，用仪器自带的不透明光纤帽将裸光纤头盖住，平均次数设置为1，在原始数据模式下采集50条光谱，然后计算每个通道的标准差，并将标准差转换为辐射亮度值[12]。所得的结果即为噪声等效辐亮度。根据FieldSpec4的测量步骤，将积分时间从8ms增加到1s，对USB2000+和FieldSpec4的噪声等效辐亮度进行测量。结果如图3所示，随着积分时间增加，其噪声等效辐亮度逐渐减小。为了更加清晰的进行比较，图3（a）中虚线所框的区域被放大显示在图3（b）中。

从图3中可以发现，在350～700nm范围内，USB2000+和FieldSpec4的噪声等效辐亮度处于同一水平，约为10-5～10-4w/（m2*sr*nm），并且测试结果与表1中FieldSpec4的标称值一致。当波长大于700nm时，由于波长接近传感器边界，两台光谱仪的噪声水平均迅速上升。但海洋光学USB2000+上升更快，噪声等效辐亮度从5×10-4上升至5×10-3W/（m2*sr*nm），几乎是ASD FieldSpec4的10倍。

雖然两种光谱仪的噪声等效辐亮度光谱形状不同，但这在不同的器件之间是正常情况。此外，两台仪器噪声水平都随着积分时间的增加而降低，这意味着更长积分时间，测量得到的数据的质量也会更好。

因此，USB2000+使用者应该特别注意波长超过700nm的数据，特别是在测量对噪声更敏感的反射率数据时，可通过使用尽可能长的积分时间来抑制噪声。

1.2 暗电流特性

暗电流是光谱仪的另一个关键性能指标，它对辐射值和反射率的测量精度都有重要影响。辐射值和反射率测量的基本原理，如式（1）-（2）所示。

（1）

（2）

式（1）中Rad表示辐射亮度或辐射照度，DN为仪器测量的原始计数值，DC为仪器该状态下的暗电流，C为定标系数。式（2）中reflectance表示反射率，DNtarget和DNpanel分别表示测量目标和参考板的原始计数值，DC表示暗电流，Rpanel表示参考板的反射率。

从式（1）-（2）可以看出，要想获得目标辐射值或反射率，首先必须从原始计数值（DN）中去除暗电流（DC），然后使用参考板的定标系数C或参考板反射率进行计算。因此，能否准确、及时地记录暗电流，对辐射值或反射率的计算结果是有影响的，其影响程度由DC和DN的比值决定。同时，暗电流越稳定也有利于暗电流的消除。

暗电流数据采集方法如下：在25℃的室温中冷却光谱仪2h，为防止光进入光纤，用黑色光纤帽盖住光纤，随后将光纤头通过透气孔放入不透光的箱子中。如果没有光进入光纤，则暗电流光谱是一条水平噪声线，如图4所示。然后在原始数据模式下连续采集1h暗电流数据。

图5所示为USB2000+和FieldSpec4在550nm处1h内的暗电流随时间的变化情况。散点是实测暗电流值，图中曲线为拟合趋势线。

可以看出，USB2000+和FieldSpec4的暗电流随时间的变化截然不同。前者随着时间的推移会越来越小，而后者则相反。启动光谱仪10min后，USB2000+的暗电流值下降50%，FieldSpec4的暗电流值上升约1%;20min后，USB2000+暗电流值下降80%，FieldSpec4暗电流值上升约2%;40min后，USB2000+暗电流的拟合趋势线接近0，而FieldSpec4的暗电流值上升约3%。

结果表明，USB2000+的暗电流是很不稳定的，而FieldSpec4的暗电流具有更好的稳定性。如果使用2/3量程（40000DN值）进行测量，那么在1h内的暗电流漂移将给USB2000+的数据产生1%～2%的影响，而对FieldSpec4数据的影响不超过3‰。由于具有良好的暗电流稳定性，FieldSpec4的控制软件已经将实验室定标时测量的暗电流数据内置在配置文件中，测量时无需重新测量暗电流。而USB2000+在使用过程中则需要特别注意记录暗电流的漂移情况。

USB2000+提供了实时扣除电子暗电流功能以改善其暗电流表现。开启该功能后，采用同样的方式测量暗电流，暗电流随时间的变化曲线如图6所示。可以看到，开启该功能后，暗电流值基本恒定保持在一个比未开启该功能时更低的水平。因此，在使用USB2000+时需要开启实时扣除电子暗电流功能，并及时遮蔽光路，测量剩余暗电流，便于在数据中减去暗电流值。若未开启实时扣除电子暗电流功能，则应在测量数据前后各测量一次暗电流，用于估算测量期间暗电流漂移情况，便于从数据中减去暗电流值。

除此以外，在实际试验中还发现，积分时间的变化同样也会影响暗电流的大小，暗电流随积分时间的变化关系如图7所示。可以看出两台仪器的暗电流与积分时间均呈现高度的线性关系。因此，为保证数据精度，若在测量中变动积分时间，则需要重新测量暗电流。若在某些测量场景下无法及时重新测量或者忘记测量暗电流，则可利用该线性关系估算某一积分时间下的暗电流值。

1.3 辐射响应线性度

辐射响应线性度也是反映仪器质量的关键指标之一。由于光谱仪的定标均采用线性模型，因此响应线性度实际上还关系到仪器的辐射定标精度。以FieldSpec4为基准，对USB2000 +的辐射响应进行现场测量。试验时，分别测量USB2000+配备裸光纤和余弦接收器时的辐射响应线性度。

测试USB2000+裸光纤时，将USB2000+的光纤与FieldSpec4的光纤并排固定在一起，光纤头间距为1cm;在40cm的高度上垂直向下观测一块反射率为99%的漫反射参考板，如图8（b）所示。两个光纤头均有25°视场角，这样的观测几何使得两个探头的视场重合度约为85%，由于参考板表面的均匀性非常好，因此可以认为二者观测的目标相同。测量场地在楼顶开阔区域，测量期间天气晴朗，太阳高度角变化范围是15°到60°，基本覆盖野外常规观测的辐射动态范围。FieldSpec4记录辐射亮度，USB2000+同步记录DN值。USB2000+具有线性度校正的功能，我们在测量中同时记录开启和关闭该功能时采集到的数据。所得曲线如图9所示，黑色点是开启线性校正功能后的数据，灰色点是关闭线性校正功能后的数据，红色和蓝色线是两个数据集的线性回归线。结果表明，USB2000+与FieldSpec4之间具有良好的线性关系。关闭USB2000+线性校正功能后，数据除了值略微下降外，并没有出现明显的非线性效应。

测试配备余弦接收器的USB2000+时，把FieldSpec4和USB2000+的光纤探头并排固定，光纤末端均安置余弦接收器，余弦接收器通过气泡调整水平，对下行辐照度进行持续测量。如图8（a）所示。测试在晴朗天气条件下的屋顶上进行，测量期间，太阳高度角变化范围是-5°到65°，基本覆盖野外大部分测量光照条件。USB2000+的DN值数据在积分时间归一化至100ms后与FieldSpec4的辐射照度数据的关系如图10所示。

图10中，图中散点为实测数据，分段曲线为分段拟合趋势线，直线为USB2000+定标系数对应的直线。可以看到，在整个动态范围内，配备余弦接收器的USB2000+的辐射响应与FieldSpec4相比呈现出明显的非线性特征：整个动态范围按辐照度值可分为[0，0.4]，[0.4，0.9]和[0.9，1.5]w/m2nm三段。在第一段中，使用三阶多项式来拟合数据，为非线性区间;后两段呈现线性区间，但有不同的斜率。这三段的太阳高度角范围分别约为[-5，20]、[20，30]和[30，65]。

上述两项测试结果表明，USB2000+光谱仪本身与FieldSpec4的辐射响应线性度比较一致;但配备余弦接收器后，两者的辐射响应有较明显的差别。在同时使用配备余弦接收器后的两种仪器获取数据时，需通过相对定标消除这种差别。此外，曲线明显偏离USB2000+定标系数对应的黑色直线，这反映出USB2000+的绝对辐射定标与FieldSpec4之间存在系统性偏差，这点将在下一节中讨论。

1.4 辐射定标

在野外测量辐射光谱时，辐射定标精度是一项核心指标。辐亮度、辐照度测量乃至反射率测量的准确性都受到光谱仪的辐射定标精度（包括一致性）的影响。

ASD的实验室辐射定标可溯源到一个不确定度为0.3%～1.1%（350～2400nm）的美国国家标准局（National Institute of Standards Technology， NIST）定标灯，定标方法介绍可以参考[17]。在本实验中使用的FieldSpec4的辐射照度定标不确定度约为2.29%～3.55%（350～2400nm），辐射亮度定标不确定度约为2.35%～3.58%（350～2400nm）。海洋光学的实验室定标采用的是DH-3PLUS定标光源，该光源设备也可溯源到NIST。采用DH-3PLUS，USB2000+的余弦接收器定标不确定度约为3.8%～6%（400～1000nm），裸光纤定标不确定度约为6.7%～8.1%（400～1000nm）[18]。需要注意的是，USB2000+对裸光纤的定标结果的官方定标单位是光谱辐射照度，而不是光谱辐射亮度，这不同于一般光谱仪裸光纤的定标单位。上述不确定度表明，ASD在实验室辐射定標不确定度控制方面是明显优于海洋光学的。

然而，在野外光谱测量中，相比于辐射定标不确定度而言，辐射定标准确度（测量均值与真实值的偏差）则更为重要。各仪器厂商并不提供定标准确度的信息，显然厂商们都认为自己的定标结果没有系统偏差。但实际上，利用从NIST经过多层传递过来的不同定标源，经过不同厂家的定标处理，在每个转移步骤中轻微偏差的积累便会导致各光谱仪的辐射定标结果可能存在明显差异。而这在野外测量中，尤其是多台设备的数据需要协同处理时或者利用地面设备给卫星载荷进行场地定标时，各仪器辐射定标的不一致性所导致的误差是必须消除的。

为此，需要对USB2000+和FieldSpec4的定标一致性进行了检测。一台USB2000+接光纤和余弦接收器，用于辐照度定标检验，测量方法与图 8（a）所示相同;另一台USB2000+接裸光纤，用于辐亮度定标检验，测量方法与图8（b）所示相同。由于带有裸光纤的USB2000+的官方定标单位是辐射照度单位，而不是辐射亮度单位，因此通过将以辐射照度为单位的定标结果除以π，转化得到辐射亮度结果。这种转换是基于特定的理论前提[17]。虽然不确定DH-3PLUS的内部测量结构是否符合这一前提，然而USB2000+接裸光纤辐射照度的定标结果与FieldSpec4的入射亮度定标结果相距甚远，而转换的辐射亮度结果则相对更接近。因此，对于USB2000+，将转换后的辐射亮度用于裸光纤，将辐射照度用于余弦接收器，并与FieldSpec4进行比较。

配备余弦接收器后的USB2000+和FieldSpec4在500nm处的辐射照度关系如图11（a）所示，配备裸光纤后的辐射亮度关系如图10（b）所示。可以发现，USB2000+的辐射定标结果与FieldSpec4有明显的系统性偏差：辐射照度偏差可接近20%，辐射亮度偏差可接近50%，这种程度的不一致性显然会给地面辐射测量结果造成巨大的误差。

图12所示为同时测量的USB2000+和FieldSpec4的辐照度和辐亮度光谱，以及它们之间的相对误差。可以看出，两台光谱仪在不同波长的相对误差明显不同。

测试结果表明FieldSpec4和USB2000+的辐射定标存在明显不同。通过国家标准技术研究所或中国国家计量研究所等专业机构的光谱仪进行检验，可以得出更准确的光谱仪的相关结论。但应该从测试中可以看到，针对使用不同光谱仪的研究人员，对于不同光谱仪之间的相对辐射标定是至关重要的。

1.5 光谱位置正确性

光谱位置是光谱特征的关键信息，其准确性对于反射率测量和辐射测量都至关重要。在实验中采用大气特征吸收峰的位置来检查光谱位置，同时使用MODTRAN的大气计算结果作为光谱位置的基准位置，从而研究USB2000+和FieldSpec4的光谱位置准确性。

测量时，将ASD FieldSpec4和USB2000+的光纤探头对准天空，并将MODTRAN的输出光谱分辨率设定为0.1nm，其分辨率远高于USB2000+和ASD FieldSpec4的光谱分辨率。计算得到的大气透过率及两台光谱仪的天空光测量光谱如图13所示。

采用687.1nm和760.6nm的O2吸收峰和823.0nm的H2O吸收峰为基准进行检查。光谱位置偏差如表2所示。

从上述结果可以看出，USB2000+的偏差平均大于1个光谱采样间隔（0.3nm），其光谱标定位置比实际位置偏小1个像素。FieldSpec4的光谱位置偏差小于1个光谱采样间隔（1nm）。USB2000+在3个吸收位置的平均偏差为0.33nm，略小于FieldSpec4平均0.43nm的偏差。

2  USB2000+野外测量使用建议

根据测试结果，USB2000+的特点可以概括为：（1）噪声水平在波长小于700nm时与FieldSpec4相当，在波长大于700nm时显著上升一个数量级;（2）暗电流随工作时间推移而降低，且变化幅度大;（3）光谱仪本身的辐射响应线性度与FieldSpec4基本一致，呈线性关系;但二者配备余弦接收器后，辐射响应线性度有明显的差异;（4）USB2000+的定标结果与FieldSpec4相比有显著的差异，不同波段差异变化很大;（5）USB2000+的波长位置偏差<0.5nm，优于FieldSpec4。

USB2000+的上述特性会对测量数据的准确性产生不利影响，基于此，给出以下建议。

针对特点1：使用者无法改变设备本身的噪声水平，但通过设置更长的积分时间、更多的平均次数将有助于抑制噪声的影响。如果特别关注700nm以后的数据质量，则应该使用适合测量的最长积分时间和最大平均次数。

针对特点2：确保对暗电流状态的把控。因此，在测量前，首先开启扣除电子暗电流功能开关，用光纤帽遮蔽光纤口，观察暗电流状态，预热至暗电流稳定时（至少5min），才可继续进行。对于短时间的测量，可利用控制软件的存储暗光谱/扣除暗光谱功能消除剩余暗电流;对于长时间测量，需在开始测量前和结束测量后分别记录剩余暗电流的数据，用于估算剩余暗电流在测量期间的变化，并予以消除。测量暗电流时，需注意USB2000+光纤配备的光纤帽是透光的，最好另外准备黑色的光纤帽，并在测量暗电流时将光纤探头放在不透光的容器中。

針对特点3和特点4：注意检查绝对辐射定标结果的准确性。在对绝对光谱辐射量有较高要求或者多台设备需要协同工作时，可能需要重新定标。一个更为保险的解决方案是将设备送到辐射计量单位重新定标。另一种选择可以使用本文介绍的测量方法，基于一台标准设备，通过在全辐射动态范围内同时测量同一目标，完成对USB2000+的标定。需要注意的是，USB2000+光谱仪在配备裸光纤的条件下可采用线性模型进行标定，在配备余弦接收器的条件下可采用分段线性模型进行标定。

针对特点5：注意定期利用天空、荧光灯等具有固定光谱特征的目标来检查设备光谱位置的准确性。若偏离不可接收，则需要重新进行光谱标定。

3  结语

海洋光学USB2000+光谱仪是一款尺寸小、重量轻、易于二次开发集成的微型光谱仪，具有很好的应用价值。但在将其用于测量系统之前，深入了解该光谱仪的核心性能是非常必要的。本文的工作给出了该设备的一些核心性能的分析，并详细讨论了USB2000+光谱仪的这些性能特点对数据的影响。除此以外，为了消除这些性能特点带来的不利影响，从而提高数据质量，文中还详细讨论了测量过程中应采取的正确操作和数据处理方式。

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