地物光谱仪在遥感领域的应用日益重要, 可用于研究不同地物条件下可见和红外的光谱辐射特性, 从而获得地表的光谱辐射亮度、 光谱辐射照度或方向反射因子等信息。 地物光谱特性的准确测量是光学遥感定量分析的基础, 对于航天传感器定标、 遥感数据反演等具有极其重要的意义。 地物光谱仪在测量前必须进行光谱辐射定标, 一方面定标过程中地物光谱仪的光谱响应特性可能发生漂移, 另一方面测量时的环境与定标环境可能差异较大, 都会影响测量的准确性。 在恒温恒湿条件下, 实验采用谱线灯光源和积分球光源考察了地物光谱仪波长和光谱响应度随探测器温度的变化。 数据显示当光谱仪内部硅阵列探测器温度上升时, 波长位置并未发生改变; 而光谱仪的光谱响应度随着温度上升明显增大。 当硅探测器温度从28.3 ℃升至35.2 ℃时, 光谱仪在380～990 nm的光谱响应度变化达到1.8%～7.3%; 同时近红外1 000～1 800 nm的平均变化约3.0%, 2 000～2 500 nm的变化约1.9%。 当改变环境温度和湿度时, 测量数据表明湿度影响主要在大气中水分子的吸收峰附近波长, 对其他波长影响很小; 光谱仪光谱响应度与内部探测器的温度近似存在一一对应关系, 环境温度的影响可以近似根据内部探测器温度变化予以表征。 理论上当环境条件改变时, 根据光谱响应度随温度的变化和探测器的监测温度, 可以进行光谱数据修正。 最后, 实验测量了一组探测器温度下对应的光谱响应度, 采用多项式拟合和最小二乘法建立了地物光谱仪光谱响应度与温度的函数关系。 根据函数关系插值得到的光谱响应度修正因子和直接测量得到的数据基本一致, 全谱段的差异几乎都小于0.2%, 表明光谱响应度与温度的对应关系可用于解决不同环境条件下的测量准确性。

探测器的光谱辐射照(亮)度响应度是辐射定标中最重要的参数之一。 传统的光谱辐射定标采用宽谱段光源和单色仪装置测量, 新建的激光辐射测量装置采用激光和探测器测量, 可以大大降低测量的不确定度。 该装置首先将可调谐激光耦合进入积分球生成均匀的朗伯体单色光源, 然后采用低温辐射计量传的标准陷阱探测器和面积已知的光阑, 进行400～900 nm探测器的光谱辐射照度响应度标定。 研究主要集中在四个方面: (1) 低温辐射计仅在某些分立激光波长定标标准探测器, 其他激光波长下的光谱响应度必须进行插值, 通过对比光谱响应度直接测量方法推导的陷阱探测器量子吸收效率, 可以计算插值在其他波长带来的光谱响应度偏差, 结果表明400～900 nm数据插值算法的总体偏差小于0.074%; (2) 实验采用电荷积分法测量标准探测器和被测探测器的电荷信号, 并采用监视探测器消除激光功率起伏以降低激光功率稳定性的影响, 测量重复性优于0.1%; (3) 针对标准探测器在向低温辐射计溯源和进行光谱辐射照度响应度量传时的激光功率差异, 采用激光双光路叠加法测量探测器不同波长下的非线性系数, 分析标准探测器光谱非线性带来的测量不确定度, 在450, 632.8和850 nm波长下, 当探测器电流从0.2 mA变到3 nA时的非线性修正小于1.000 25; (4) 针对标准探测器定标时的功率模式和量传时的辐射照度模式差异, 采用二维电控位移平台测量探测器的均匀性并进行修正, 测量得到的标准探测器中心直径5 mm的非均匀性小于0.03%。 最终采用可调谐激光辐射照度响应度测量装置, 可以实现400～900 nm辐射照度响应度测量不确定度0.14%～0.074%(k=1)。 实验对比了激光辐照度响应度装置和标准灯-单色仪装置两种方法测量的探测器的光谱辐射照度响应度。 测量结果表明两种装置在400～900 nm的响应度标定近似等价, 测量偏差全部位于标准灯-单色仪装置的测量不确定度范围内, 验证了激光辐照度响应度测量装置的实用性。

应对气候变化预测与灾害天气防范等科学难题, 空间观测领域提出高精度的光谱辐射度定标需求。 阵列式光谱辐射计存在内部结构缺陷和光学元器件不理想等问题, 导致杂散辐射, 严重影响光谱辐射度测量结果的准确性。 测量多种典型阵列式光谱辐射计的杂散辐射特性, 考虑外场目标光源与实验室定标光源不一致对杂散辐射修正的影响, 分别基于带通滤光片和可调谐激光器研究紫外杂散辐射修正方法。 首先, 利用不同光谱透过率的带通滤光片, 测量可见及红外光谱辐射引起的紫外杂散信号。 针对杂散辐射分布特点, 建立数学修正模型, 实现高效快捷的杂散辐射修正。 地基验证场的光谱辐射亮度测量结果修正后, 紫外杂散辐射信号显著降低。 对于连续分布的宽谱段光源, 带通滤光片修正法具有实验简便易行、 测试过程高效等优点。 然而, 实现非连续分布或窄带光源的高精度杂散辐射修正存在困难。 为此, 建立基于可调谐激光器的杂散辐射测量系统, 解决了各个像素点杂散辐射线扩展函数的测量难题。 改变可调谐激光器的输出波长, 精细化测量各个像素点的杂散辐射线扩展函数, 再推导出杂散辐射信号分布函数, 通过MATLAB软件将矩阵反演运算, 得到各像素点的杂散辐射修正结果, 实现杂散辐射的高精度修正。 利用不同类型的阵列式光谱辐射计验证了该修正方法, 对于非连续分布的窄带光源, 测量结果修正后杂散辐射信号降低了一个数量级, 并且谱线两边的杂散宽峰显著消除, 大幅降低了紫外波段的测量偏差。 针对不同光谱分布的光源, 建立了两种优势互补的杂散辐射修正方法, 有效改善了阵列式光谱辐射计的紫外测量结果偏差, 进一步确保我国地球观测数据的准确性和国际等效互认。

相关色温是表征光源光谱特性的重要参量,而国际上并无相关色温测量不确定度的解析公式。本文分别采用不确定度传播律法和蒙特卡罗两种方法分析相关色温的测量不确定度。对于不确定度传播律方法,从相关色温的基本定义推导给出相关色温灵敏度系数公式,进而评价相关色温测量不确定度。数值计算的相关色温随光谱功率的变化验证了相关色温灵敏度系数公式的正确性。对于蒙特卡罗方法,采用蒙特卡罗模拟生成一组光谱数据,然后计算相应的相关色温及其分布,从而得到相关色温的测量不确定度。结果表明两种方法得到的相关色温测量不确定度吻合,在不考虑光源光谱的关联时,相关色温不确定度与波长间隔的平方根近似成正比。

为研究探测器在单色光照射下大动态范围的辐射响应度是否不变，建立了基于激光的线性测量装置，并对该装置的测量不确定度进行评价。实验根据双光路叠加法，分别采用功率和照度两种模式研究了光电探测器的线性。对于功率模式，实验测量了6个数量级光功率变化下探测器的大动态范围非线性系数；对于照度模式，将激光导入积分球输出光辐射，测量了探测器在3个量级变化下的非线性系数。实验结果表明：当激光功率模式下探测器的输出电流从0.2 mA变至0.2 nA，探测器的非线性系数全部小于±0.02%；当激光照度模式下探测器光电流从200 nA变为0.2 nA，探测器非线性系数小于±0.02%。由此可知，激光线性装置可以实现功率和照度两种模式测量，满足至少6个量级以上的测量。

针对我国短波紫外光谱辐射照度测量能力缺失的问题, 基于高温黑体辐射源, 2017年中国计量科学研究院NIM自主研制了200~400 nm光谱辐射照度国家基准装置。 组建氘灯副基准灯组, 实现基准量值的独立复现、 保存和传递。 在国内形成了以氘灯为传递标准的光谱辐射照度计量基标准和量传体系, 为各应用领域提供最高溯源标准。 针对基准系统中温度测量、 带宽、 信噪比、 荧光等主要误差源, 逐一突破关键测量技术, 提升基准的测量准确度: 将高温黑体的温度测量直接溯源至铂-碳Pt-C和铼-碳Re-C固定点黑体, 采用钨碳-碳WC-C高温共晶点测温技术进行验证, 在3 021 K固定点与俄罗斯计量院VNIIOFI的偏差仅0.07 K, 将200 nm的测量不确定度减小0.2%; 针对黑体和氘灯光谱形状显著差异导致的光谱带宽误差, 提出基于微分求积的七点带宽修正法, 在200 nm, 误差减小0.86%; 提出绝对和相对互补型测量原理, 将200 nm的测量重复性误差减小约20倍; 采用选择性滤波技术, 成功消除系统内荧光对测量结果的影响。 3 021 K时黑体温度的测量不确定0.64 K, 腔底不均匀性小于0.17 K, 测量期间黑体温度漂移小于0.2 K, 双光栅单色仪的波长误差不超过±0.01 nm。 氘灯副基准的标准测量不确定度为: 200~250 nm, Urel=4.0%~1.3%; 250~330 nm, Urel=1.3%~1.2%; 330~400 nm, Urel=1.2%~1.9%, 整体技术指标达到国际先进水平。 研究成果填补了200~400 nm基于氘灯的光谱辐射照度国家基准的空白, 使我国具备能力参加国际计量局组织的CCPR-K1.b国际关键比对, 与传统以卤钨灯为传递标准的光谱辐射照度国家基准实现了有效衔接。 在250~400 nm重合波段, 两种传递标准量值的平均相对偏差为0.39%, 在声称的不确定度范围内一致。

光谱辐射定标是光学遥感仪器研制中的关键环节。 深入分析实验室定标的光谱辐射测量仪器至户外应用的不确定度来源, 环境温度是限制仪器户外高精度测量的最主要因素之一。 传统的光谱辐射度实验室定标通常在室温（~25 ℃）下进行, 而户外光谱辐射测量处于不同温度环境, 严重影响仪器测量的准确度。 设计搭建实验测量系统, 采用遥感辐射领域常用的光谱辐射测量仪器, 研究环境温度对光谱辐射测量的影响。 实验结果显示: 常用光谱辐射计（CR-280）的测量结果受温度影响明显, 在10～40 ℃之间变化时, 仪器光谱辐射亮度测量值在400～700nm波段内的偏差为±5%左右, 而700～1 050 nm内的偏差高达±15%左右。 这主要由于仪器采用硅探测器, 红外波段恰好与硅的带边接近, 硅探测器易受温度影响, 温度增加硅的带边会向长波方向移动, 光谱辐射计的响应度也随之增加。 基于实验数据统计分析, 提出一种适用于不同类型光谱辐射计的温度修正方法, 相对于传统的斜率/截距（S/B）算法适用性更广, 还可由公式计算出任意温度下的修正结果。 修正后CR-280红外波段的偏差（950 nm左右）由±10%降低为±1%, 明显减小了因户外使用与实验室定标温度不同造成的测量结果偏差。 此外, 利用不同类型光谱辐射测量仪器（Avantes及SVC HR-1024）对温度修正方法进行验证。 环境温度变化时光谱仪Avantes（VIS/NIR）的测量结果存在较大偏差（1 060 nm高达±17%）。 通过温度修正方法运算, 仪器修正值与定标值的偏差在±1%以内。 光谱辐射计（SVC HR-1024）不同波段的测量值, 与定标值的偏差受温度影响不同。 这主要由于: 仪器由Si、 制冷型InGaAs及扩展InGaAs探测器组成, Si探测器受温度影响大, 950～1 000 nm波段测量值与定标值的偏差高达±10%。 而制冷型InGaAs可有效控制探测器温度, 受温度的直接影响相对小。 但随温度增加, InGaAs探测器制冷效果受限（制冷最佳工作温度为20 ℃）, 测量结果产生偏差（1%~3%）。 同样, 利用温度修正公式对不同温度下SVC HR-1024的测量结果进行修正运算, 仪器因温度变化引起的偏差可降低至±1%以内。

针对光谱仪在测量窄带宽光源的光谱分布时出现的光谱变形现象, 提出了一种带宽修正方法—七点修正方法。 首先, 利用泰勒级数和相关的导数公式, 得到了七点修正公式的数学解析式; 其次, 用光谱线型为正弦函数的模拟光谱对七点修正法进行验证, 采用正弦函数来模拟真实光谱, 通过光谱仪的带宽函数计算出测量值, 然后应用七点修正公式, 对测量值进行修正; 最后利用中心波长为365 nm的LED光源对七点修正法进行了实验验证, 用双光栅单色仪来测量LED光源的光谱辐射照度, 光谱仪带宽分别选为5与0.5 nm, 将七点修正公式应用于测量值, 得到修正值。 模拟结果表明: 在选定的模拟条件下, 修正后得到的中心波长处的峰值可以达到真实值的99%以上; 实验结果表明: 修正后中心波长处的峰值可以达到真实值的95%以上。 由模拟结果和实验结果可知, 七点修正法与三点修正法和五点修正法相比, 修正效果有明显提升, 这种带宽修正方法可以广泛应用在光谱测量领域。