FieldSpechandheld2便携式近红外光谱仪

1、FieldSpec HandHeld 2波谱仪操作与维护张永强北京欧普特科技有限公60415110219878qq:58621725ASD群: 欧普特公司简介n成立于1995年n注册于1998年n目前主要构成及业务：a. 国外光学仪器的代理b. Trioptics (China) 合资公司c.光学元器件出口长春工厂-高精度平面上海工厂-小尺寸球面 昆明工厂-大尺寸球面n人员：约80人光学元器件光学元器件/Optics 仪器仪表仪器仪表/Instruments ASD公司简介n位于美国科罗拉多州的Boulder市n成立于1990年n两个发起人 Dr. Brian Cu

2、rtiss负责公司的开发部门 Dr. Alexander.F.H.Goetza. 光学遥感的创始人之一b. Landsat 卫星第7号通道c. 首创航空多通道光谱成像仪（AIS）、高光谱成像光谱仪（AVIRIS)，卫星搭载高光谱成像光谱仪(HIRIS)以及卫星搭载红外光谱仪（SMIRR)等d. 高光谱的定义: 3nm350-1000nm, 10nm1000-2500nme. 1981-1985年左右在Science杂志发表四篇文章确立光学遥感的科学地位 Sciences 杂志发表的文章n1, Goetz, A.F.H. and L.C. Rowan, 1981, Geologic remote

3、 sensing, Science, vol. 211, 781-791.n2, Goetz, A.F.H., L.C. Rowan and M.J. Kingston, 1982, Mineral identification from orbit: Initial results from the Shuttle Multispectral Infrared Radiometer, Science, vol. 218, 1020-1024. Sciences 杂志发表的文章n3,Kahle, A.B. and A.F.H. Goetz, 1983, Mineralogic informat

4、ion from a new airborne thermal infrared multispectral scanner, Science, vol. 222, 24-27.n4, Goetz, A.F.H., G. Vane, J. Solomon and B.N. Rock, 1985, Imaging spectrometry for Earth remote sensing, Science, vol. 228, 1147-1153. ASD公司主要产品n两大系列LabSpec & QualitySpec: 化学应用FieldSpec Pro:光辐射测量应用a. Field

5、Spec HH 2（350-1050nm)b. FieldSpec Pro VNIR(350-1050nm)c. FieldSpec Dual VNIR(350-1050nm)d. FieldSpec Pro JR(350-2500nm)e. FieldSpec Pro FR(350-2500nm)f. AgriSpec(350-2500nm)g. TerraSpec(350-2500nm)h. FieldSpec 3 (350-2500nm) FieldSpec 3 Hr(350-2500nm)FieldSpec 3（350-2500nm）1996年中国及港澳地区独家总代理年中国及港澳地区独

6、家总代理TerraSpecFieldSpec Pro Dual VNIRAgriaSpecFieldSpec Handheld 2(350-1050nm)FieldSpec HandHeld 2便携式近红外光谱仪便携式近红外光谱仪电磁波-近红外光谱范围光谱差异光谱差异选用高光谱原因选用高光谱原因Source:Bob Agars明矾石高岭石近红外光谱分析应用n高光谱遥感将视域中观测到的各种地物以完整的光谱曲线记录下来，能够应用于多学科的研究和应用中n地质：成分、丰度、分布制图n环境：污染监控、废矿回填、生物量n农业：土壤、作物生长、养分、病虫害、估产n林业：树种鉴别、种群分类、生长状况、营养状况

7、n海洋：近海水深、赤潮、污染、水文、海洋生产力等n大气科学：气溶胶、云、水蒸气等地面遥感学测量的常见配置00.81500100015002000FieldSpecFRSpectroradiometer Reflectance of VegetationReflectanceWavelength (nm)ARTIFICIALILLUMINATION配置构成n照明：a.太阳。最佳照明，70%以上的工作b.室内光源，少量工作n样品a.被测物b.参考板 - 白板n光谱仪n控制计算机和软件样品n农作物，叶片，植被，树冠，水体，矿物，岩石，道路，建筑等等n参考板白板n漫反射体（体、朗伯体

8、），半球形散射nSpectralon材料LabShpere公司专利n比常见的陶瓷材料软，但不褪色、不怕水n怕磕碰、划伤n保养：刷子清洁，蒸馏水内用220-240号水砂纸轻轻擦、阴干。光谱仪内部结构探测器n三个独立的光谱仪构成350-1100nm，512阵元光PDA阵列探测器, 凹面消色差光栅，平场成像。易于波长标定。灵敏度高。1000-1900nm,单元InGaAs探测器，平面旋转扫描光栅，比PbS响应速度快。1700-2500nm，单元InGaAs探测器，平面旋转扫描光栅。InGaAs探测器带有热电制冷，-27+/-0.1C光谱仪光纤n与镜头连接，通过镜头采光后导入光谱仪nhandheld的

9、光纤构成19条200微米芯径光纤石英光纤，数值孔径0.22，因此前视场角25度。外面金属螺纹管铠装。不怕脚踩。避免折死弯！n外接光纤可拆卸(SMA接头）n光纤弯曲对信号的影响一般小于1%-1%-0.5%0%0.5%1%1.5%3507801210164020702500Difference due to Curling FieldSpec FR Fiberoptic Cable 100 percent * (Straight - Curled)/StraightCurled = complete circle of 1.75 inch radiusWavelength (nm)Fiberopt

10、ic cableCurled to 1.75 inch diameterEffect is less than 1%光谱仪探头n不同前视场角的镜头用于反射光谱（Reflectance、Absolute Reflectance)和辐射亮度(Radiance,必须标定)测量n余弦接收器用于辐射照度（Irradiance, 必须标定）测量n内置光源的反射探头用于固体反射光谱测量（适用于地质和矿藏研究）光谱仪探头（2）n不同前视场角的镜头裸光纤：25前视场角可选其他角度的镜头如有脏污，可用镜头布擦拭干净n用于反射率和辐射亮度测量n单位：W/m2/Sr/nmn覆盖的范围大：光谱混合程度高小：光谱混合少，

11、或者接近测量叶片xyFOVzhw光谱仪探头（3）n余弦接收器用于辐射照度测量单位：W/cm2/nmFiberoptic Inputto SpectrometerDiffuserGuard Ring光谱仪内部结构其它nDrift-Lock技术，配合制冷进一步消除噪声；n自动快门-每一次全光谱扫描后采集暗电流；n散热风扇；保证工作环境温度0-40C;n外置充电器、电池工作时间大约为4-9小时n通过RS232转USB口与计算机连接控制计算机n通过RS232转USB口与光谱仪连接n安装有RS3光谱仪操作软件n安装有ViewSpec Pro数据处理软件n另行介绍光谱仪的技术参数n光谱范围350-2500

12、nm，350-1050nmn最快采集速度：100ms, 17msn光谱分辨率：3nm350-1000nm 7nm1000-2500nmn采样间隔：1.4nm350-1000nm, 2nm1000-2500nmn数据间隔：1nmn等效辐射噪声NELn波长精度：+/-1nmn波长重复性：+/-0.02nmn重复性: 优于0.3%n杂散光: 优于0.02%350-1000nm, 优于0.1%1000-2500nmn灵敏度调整：全自动波长精度与重复性n波长精度：+/-1nmn重复性优于0.2%0.380.390.400.410.420.430.440.450.460.470.4821502160217

13、0218021902200221022200 minutes5 minutes10 minutes15 minutes20 minutes25 minutes30 minutesWavelength (nm)Reflectanceusing Kaolinite reflectanceautomatically collectedevery 5 minutes using thesame white referenceand dark currentNo wavelength difference. 0.2% for reflectance.Repeatability test 光谱分辨率与采样

14、间隔nHyperspectral: 3nm350-1000nm足够的采样点才能保证高分辨率WavelengthSampling IntervalSpectralResolution50% of peak heightSpectrometer offset corrected raw DN0.000.000.250.3040060080010001200140016001800200022002400260028003000Solar Radiance W/m2/steradian/nmWavelength (nm)H2O absorptionH2O absorption

15、O2absorptionChappius O3 absorption bandH2O doubletabsorptionFraunhofer linesO3 absorptionCO2 absorption几个光谱示例（1）n地球表面太阳辐射n标准光源的辐射0.000.000.250.3040060080010001200140016001800200022002400260028003000Solar Radiance W/m2/steradian/nmWavelength (nm)H2O absorptionH2O absorptionO2absorptionCha

16、ppius O3 absorption bandH2O doubletabsorptionFraunhofer linesO3 absorptionCO2 absorption00.00.250.35001000150020002500Tungsten-Quartz-HalogenLamp (Gray Body)Irradiance, W/m2/nm/srWavelength (nm)几个光谱示例（2）n自然照明下的植被的反射光谱n人工照明条件下的植被反射光谱0.000.200.400.600.801.00400900140019002400FieldSpec FR Re

17、flectannce of VegetationWavelength (nm)Water band noise(This is right!)ASDFieldSpec FRVegetationReflectanceSolarIlluminationNormalHumidity00.81500100015002000FieldSpecFRSpectroradiometer Reflectance of VegetationReflectanceWavelength (nm)ARTIFICIALILLUMINATIONn铝矿石的反射光谱n几种矿石的光谱比较0.6

18、15001000150020002500Wavelength (nm)ReflectanceKaolinite Reflectance Spectra, March 16th, 1996ASD FieldSpec FR, instrument #644, 5 sec avg.Calcium Phosphate TribasicOxtriphyllineDiphenehydra-mine HClSugarMagnesium CarbonateProcainamide HClQuinapril1000120014001600180020002200Reflectance (10%

19、 intervals). Spectra are offset for clarity.Wavelength (nm)FieldSpecFR几个光谱示例（3）n同样材料不同含量的光谱0.0000.400.500.600.705001000150020002500Oil Sand 5.1% BitumenOil Sand 10.4% BitumenOil Sand 14.5% BitumenReflectanceWavelength (nm)FieldSpecFR几个光谱示例（4）几个应用示例（1）几个应用示例（2）HIGH SULFIDATION SYSTEM DRILL

20、 HOLE : GOLD vs MINERALOGYDEPTHWaveAuKl Dik Alk Ill Sm Sil Jar Ch ALTMinerals4022060.005xx1Jarosite, trace gyp, illite?6822060.005xx1Illite + silica7422060.009trxx1Illite, silica tr gyp tr kaolinite8022060.024xxx1Illite - kaolinite, gyp, silica8122040.024xx1Illite, gypsum - - jarosite?9422100.007x1I

21、llite100a22060.013xx1Illite, jarosite11722060.008x1Illite12422040.025xx1Illite jarosite14022120.005xx1Illite, jarosite, gypsum?14621920.011xx1Illite, silica15021640.011x1Kaolinite16421660.099x1Kaolinite, well x/n17021680.099x1Kaolinite, MW17321801.473xxx4Dickite, alunite, kaolinite17521801.473xx4Alu

22、nite + dickite17821701.473xx5Alunite + silica18121770.133xxx4Dickite and alunite silica18221810.133xtr3Dickite, trace alunite18321800.133x3Dickite18621660.035x1Best kaolinite19621670.013xx1Kaolinite + silica20421670.005x1Kaolinite21421770.099xtr1Kaolinite tr dickite21821660.099xx1Kaolinite - poor il

23、lite22421660.016trx1Smectite + minor kaolinite22921670.016x1Kaolinite23521640.196x1Kaolinite - still wet23821640.196x1Kaolinite24421640.007x1Kaolinite影响测量的几个因素n野外测量时需要考虑的因素n选择无云或少云的天气n风带来的氧气浓度的差异n周围目标的光极化干扰n白板完全覆盖视场n几何布置n注意选择适当的时间n室内测量时需要考虑的因素n暗室操作n几何布置n用黑天鹅绒布作背景n白板完全覆盖视场FieldSpec HH2能够测量的参数n绝对测量n辐射

24、亮度（radiance)n辐射照度（Irradiance)n相对测量n反射比n绝对反射比绝对测量方法 - 辐射亮度(Radiance)n使用不同视场角的镜头n需要光度标定*n首先对准白板优化(OPT)n点击RAD图标n按空格键存储或者自动存储 211ELWm srmLE绝对测量方法 - 辐射照度(Irradiance)n辐射照度n使用余弦接收器或者反射式余弦接收器或者积分球n对准目标优化(OPT)n点击RAD图标n空格键存储或者自动存储相对测量 反射率n使用不同视场角的镜头n首先对准白班优化(OPT)n对准白板点击WR图标n移到被测目标上方n按空格键存储或者自动存储R = L地物/L参比相对测

25、量 绝对反射率n使用不同视场角的镜头n在contral/configuration下选择absolute Refelceancen首先对准白板优化(OPT)n对准白板点击WR图标n移到被测目标上方n按空格键存储或者自动存储软件功能（实际操作中熟悉）nRs 3 操作软件nViewSpec 数据后处理软件数字化的光谱数据库数字化的光谱数据库nJPL 实验室已经有了在实验室已经有了在0.4-14微米范围内微米范围内2000种自种自然和人造物质的反射光谱数据库然和人造物质的反射光谱数据库n联系人联系人: Dr. Simon HookJPL, MS 183-5014800 Oak Grove DrivePasadena, CA 91109Phone: 818-354-0974Fax: 818-354-0966E-mail: Simon.J.H Web: /数字化的光谱数据库数字化的光谱数据库nCSIRO 光谱库光谱库 联系人联系人:Dr. Jon HuntingtonCSIRODivision of Exploration & MiningP.O. Box 136North Ryde, N.S.W