光譜儀的重要參數(shù)及其定義，光譜儀的參數(shù)代表的含義是什么

時(shí)間：2023-04-18作者：深圳維爾克斯光電有限公司瀏覽：223

光譜儀的主要參數(shù)包括波長(zhǎng)范圍、波長(zhǎng)分辨率、噪聲等效功率、動(dòng)態(tài)范圍、靈敏度、信噪比、干擾和穩(wěn)定性、采樣速度和時(shí)序精度等。

波長(zhǎng)光譜范圍

指光譜儀適用的波長(zhǎng)的區(qū)間，例如海洋光學(xué)比較常見(jiàn)的的波長(zhǎng)范圍是300nm-700nm可見(jiàn)光光譜儀，200納米-1100納米，900nm-1700nm近紅外光譜儀，也就是可以探測(cè)紫外光、可見(jiàn)光和短波近紅外光。部分光譜儀也可以根據(jù)需要將波長(zhǎng)范圍擴(kuò)展至200-2500nm，覆蓋整個(gè)紫外可見(jiàn)-近紅外波段。光柵及探測(cè)器的類(lèi)型會(huì)影響波長(zhǎng)范圍。一般來(lái)說(shuō)，寬的波長(zhǎng)范圍意味著低的光譜分辨率，所以用戶(hù)需要在波長(zhǎng)范圍和光譜分辨率兩個(gè)參數(shù)間做權(quán)衡。如果同時(shí)需要寬的波長(zhǎng)范圍和高的波長(zhǎng)分辨率，則需要組合使用多個(gè)光譜儀通道（多通道光譜儀)。




波長(zhǎng)分辨率

波長(zhǎng)分辨率也就是波長(zhǎng)分辨率，指衡量光譜儀能夠分辨波長(zhǎng)的能力，美國(guó)StellerNet的**高分辨率光譜儀HR-H型號(hào)能達(dá)到0.05nm (FWHM值），0.05nm的分辨率即可以區(qū)分間隔0.05nm的兩條譜線。需要注意的是，波長(zhǎng)分辨率與光譜采樣間隔不同，光譜采樣區(qū)間是數(shù)據(jù)在x橫坐標(biāo)上的間隔。但是，高光譜分辨率意味著波長(zhǎng)范圍窄，所以在要求高分辨率的同時(shí)，也要考慮到波長(zhǎng)范圍。




光譜儀噪聲等效功率

當(dāng)信號(hào)的強(qiáng)度值與噪聲的強(qiáng)度值相當(dāng)時(shí)，從噪聲中分辨信號(hào)就會(huì)非常困難。一般用與噪聲相當(dāng)?shù)男盘?hào)的值（光譜輻照度或光譜輻亮度）來(lái)表征能一個(gè)光譜儀所能夠測(cè)量的較弱的光強(qiáng)軸的較小值)。光譜儀噪聲等效功率越小，光譜儀就可以測(cè)量較弱的信號(hào)。狹縫的寬度、光柵的類(lèi)型、探測(cè)器的類(lèi)型等參數(shù)都會(huì)影響噪聲等效功率。因?yàn)檫@些參數(shù)也會(huì)影響波長(zhǎng)范圍和波長(zhǎng)分辨率，用戶(hù)需要在這些指標(biāo)間做出取舍。對(duì)探測(cè)器制冷(制冷型光譜儀）有助于減小探測(cè)器的熱噪聲，提高探測(cè)器檢測(cè)弱光的能力。




光譜儀動(dòng)態(tài)范圍

光譜儀動(dòng)態(tài)范圍是指較大可檢信號(hào)（接近飽和時(shí)）值除以較小可檢信號(hào) ，這可以認(rèn)為是被光譜儀分解成的不同強(qiáng)度單元。較小可檢信號(hào)定義為平均值等同于基線噪聲的信號(hào)，這代表了信噪比為1。我們一般認(rèn)為較弱信號(hào)是指3倍于噪聲信號(hào)。海洋光學(xué)通用的USB系列光譜儀的動(dòng)態(tài)范圍為1300：1，STS光譜儀**高動(dòng)態(tài)范圍能到85000：1。

單次信號(hào)采集的動(dòng)態(tài)范圍是指在較短的積分時(shí)間內(nèi)得到較大可能的動(dòng)態(tài)范圍。整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍是指在較長(zhǎng)的積分時(shí)間下較大信號(hào)與較小信號(hào)的比，乘以較長(zhǎng)積分時(shí)間與較短積分時(shí)間的比。

信號(hào)采集的動(dòng)態(tài)范圍=飽和狀態(tài)下信號(hào)強(qiáng)度/較短積分時(shí)間下的基線噪聲

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍=（飽和狀態(tài)下的信號(hào)強(qiáng)度/較長(zhǎng)積分時(shí)間下的基線噪聲）x（較長(zhǎng)積分時(shí)間/較短積分時(shí)間）




光譜儀靈敏度

光譜儀靈敏度是一個(gè)衡量可見(jiàn)光輸入與光譜輸出關(guān)系的參數(shù)，可以在海洋光學(xué)軟件中看到這個(gè)參數(shù)。

檢測(cè)器靈敏度，不是指光譜儀靈敏度，通常是可以通過(guò)以下兩種方法表示的：

1、單位入射輻射功率（單位：瓦）的輸出電流（單位：安）

靈敏度可以由在給定輻射功率的發(fā)光光源條件下，檢測(cè)器輸出的電流值來(lái)確定。這種方法測(cè)得的單位通常是A/W（這經(jīng)常作為檢測(cè)器的響應(yīng)率，見(jiàn)NEP）。當(dāng)靈敏度被表達(dá)成A/W時(shí)，檢測(cè)器的**效率和靈敏度由以下公式得出：

QE = Sx1240/λ x 100 (%),這里λ是波長(zhǎng)，單位是nm。

2、單位入射曝光量（單位：lux.s）的輸出電壓（單位：V）

靈敏度也可以由在一定大小的曝光量下，檢測(cè)器的輸出電壓值來(lái)確定。通常這種方法測(cè)得的靈敏度單位是V/lux.s。

3、靈敏度可以表示成生成每隔count時(shí)需要的入射光的光子數(shù)量。海洋光學(xué)說(shuō)明書(shū)通常顯示在特定波長(zhǎng)下（通常在400nm和600nm）counts（計(jì)數(shù)值）（在OceanView 或SpectraSuite軟件中y-軸的數(shù)值）與入射光子數(shù)量的比值。這個(gè)定義是較有用的定義，因?yàn)樗苯臃磻?yīng)了用戶(hù)在海洋光學(xué)軟件上看到的結(jié)果。




光譜儀信噪比

光譜儀信噪比（SNR）的定義是，在一個(gè)特定的信號(hào)水平，信號(hào)強(qiáng)度與噪聲強(qiáng)度的比值——因此它會(huì)隨著測(cè)量不同而有所不同。由于光子噪聲的原因，噪聲通常以信號(hào)函數(shù)的形式增長(zhǎng),信噪比函數(shù)實(shí)際上是單個(gè)信噪比值與它們獲得的該信號(hào)的曲線圖。海洋光學(xué)數(shù)據(jù)表中記載的光譜儀信噪比值是較大可能的信噪比值（在檢測(cè)器飽和狀態(tài)下獲得）。假設(shè)每一個(gè)像元的信噪比響應(yīng)曲線都相同。

具體測(cè)量如下：當(dāng)挑選好光源，以便在較低的積分時(shí)間或積分時(shí)間遠(yuǎn)**熱噪聲限制的積分時(shí)間內(nèi)使光譜峰值飽和（光譜仍需要有**0 counts（計(jì)數(shù)值）或其左右的區(qū)域）；想要計(jì)算信噪比，需要取100個(gè)沒(méi)有光入射的掃描，計(jì)算出每個(gè)像元的平均基線值，再取100個(gè)有光入射的掃描，計(jì)算出每個(gè)像元輸出值的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差；然后信噪比由以下公式給出：

SNRρ = (S – D)/σρ

這里SNRρ=信噪比

S=光照條件下樣品信號(hào)強(qiáng)度平均值

D=黑暗條件下信號(hào)強(qiáng)度平均值

σ=光照條件下樣品信號(hào)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)偏差

ρ=像素序號(hào)

想要獲得完整的信噪比與信號(hào)圖，畫(huà)出計(jì)算得到的SNRρ值（噪聲）和Sρ – Dρ值（信號(hào)）。這將涵蓋了一個(gè)很寬的峰值范圍（從光譜暗狀態(tài)到近乎飽和）。因?yàn)樗械南裨加邢嗤捻憫?yīng)曲線，所以信噪比和信號(hào)圖的數(shù)據(jù)可以來(lái)自不同的像元。因?yàn)樵谛盘?hào)大值的時(shí)候，光子噪聲是主要的噪聲來(lái)源，故理想的光譜圖應(yīng)該與y = √x的圖形相似。

請(qǐng)注意，應(yīng)用不同類(lèi)型的信號(hào)平均方法可以提高信噪比。在基于時(shí)間的信號(hào)平均時(shí)，信噪比將以光譜掃描次數(shù)的平方根增加。舉例說(shuō)明，信噪比為300:1,如果將100次掃描取平均時(shí)，信噪比會(huì)變成3000：1。在基于空間的信號(hào)平均時(shí)，信噪比將以取平均的像元數(shù)量的平方根增加。

雖然這些方法對(duì)于獲得精確數(shù)據(jù)是有用的，但它會(huì)混淆不同光譜儀的比較。海洋光學(xué)給出了所有光譜儀的沒(méi)有通過(guò)信號(hào)平均方法獲得提升的信噪比值。我們的一些競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手利用信號(hào)平均的方法，人為的提高一些質(zhì)量較差的光譜儀的信噪比。




干擾與穩(wěn)定性

實(shí)際光譜儀與理想光譜儀的重要區(qū)別之一是其內(nèi)部存在雜散光等干擾。雜散光會(huì)影響信號(hào)的準(zhǔn)確性并對(duì)測(cè)量弱信號(hào)帶來(lái)干擾。**低雜散光平臺(tái)能夠降低光路中的雜散光3-5倍。光譜儀的光路和探測(cè)器都不可避免地隨著環(huán)境而變化，例如，環(huán)境溫度的變化會(huì)導(dǎo)致光譜儀波長(zhǎng)(軸）的漂移。對(duì)光路和探測(cè)器做特殊處理能夠增強(qiáng)光譜儀的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。然而，這些特殊處理會(huì)增加光譜儀的硬件成本。




光譜儀采樣速度和時(shí)序精度

光譜儀采樣速度可以用每秒鐘光譜儀采集的完整光譜的數(shù)量來(lái)表示?，F(xiàn)在市面上的很多光譜儀一秒鐘內(nèi)可以采集幾百幅完整的光譜。當(dāng)需要研究在較短時(shí)間內(nèi)的光譜變化時(shí)，光譜儀采樣速度較高產(chǎn)品可以在一秒鐘內(nèi)采集高達(dá)8000幅光譜。然而，這些光譜儀往往在光譜分辨率等指標(biāo)上不能與標(biāo)準(zhǔn)光譜儀媲美，用戶(hù)也需綜合考慮各項(xiàng)指標(biāo)。

光譜儀必須具備好的時(shí)序性能方能捕捉到很短的脈沖信號(hào)。不同類(lèi)型的光譜儀的時(shí)序精度差別很大，性能好的可以到納秒量級(jí)的時(shí)序精度，而性能差的只能到毫秒量級(jí)的時(shí)序精度。




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