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温度变化对海洋光学光谱仪信噪比的影响

2019/08/07

温度变化对海洋光学光谱仪信噪比的影响

摘要:

海洋光学微型光纤光谱仪一般采用阵列式的CCD测量紫外到近红外(1100nm以内)的光谱。由于CCD本身的特性,温漂问题成为了不可忽视的影响因素。温度的变化不仅会影响测量的精确性,还可能会对信噪比、动态范围等指标产生影响。我们对光谱仪业界常用的几款CCD做了温度漂移方面的试验,结果发现温度变化对信噪比基本没有影响,而温度升高只是在积分时间比较长时才会导致动态范围的降低,如果积分时间很短,温度的变化对动态范围也基本没有影响。

概念释疑:

1. 暗电流(Dark current):即使没有光信号照射CCD,CCD也会有一定的暗输出,此输出称为暗电流。暗电流值大小与温度有关,此外还与制造工艺有关。国内有不少客户将光谱仪的暗电流输出,看作为噪声,实际上存在一定误解。暗电流的大小基本为一恒定值,主要与温度有关,通过软件等方法可以校正。

2. 噪声:信号的不确定起伏及抖动,可用信号瞬时值减去信号均值近似衡量。

均方根噪声(RMS noise):噪声的均方根值。定义为:

 
– P_noise是噪声值 ( noise value )

3. 信噪比(SNR):输出信号与噪声之比。一般来讲有两种定义

定义一:



– P 是能量均值 ( average power ) 
– A 是均方根振幅(Root mean square amplitude)


定义二:



– μ 是信号均值(signal mean) 
– σ 是标准偏差( standard deviation)


实际上两种定义是统一的,定义一是一种更直观的物理定义;定义二是一种统计学定义。 

测试条件:

1.测试用CCD

索尼(Sony )2048像元线性阵列CCD
东芝(Toshiba) 3648 像元线性阵列CCD
滨松(Hamamatsu) 1024背照式面阵CCD,自带TEC制冷

2. 光源

LS-1卤钨灯(340nm-2500nm)制冷

3. 制冷

冰箱,滨松CCD自带TEC热电制冷

4.评价指标

RMS S/N------方均根信噪比;实际信号与RMS噪声的比值,反映仪器信噪比表现,评价仪器弱光响应、检测限等。

5. 数据采集方法

海洋光学Spectrasuite软件数据自动保存功能,每隔50ms保存一次数据,连续采集200组数据,然后用Matlab做数据RMS噪声、S/N信噪比处理。

*注意:以下图表Y轴刻度为16位A/D,即饱和值为65536 (单位为:counts)

测试结果:

1. 没有光信号时,温度对噪声的影响

图1,图2可以看到没有光信号输入时,索尼与东芝 的CCD噪声对温度(4℃-30℃)并不敏感,只有大约40counts(counts 为A/D 单位,饱和值为65536counts);而图3滨松的背照式CCD噪声值为2counts左右,制冷对降噪效果更明显一些。

2. 没有光信号时,积分时间对噪声的影响

图5(温度30℃),图6(温度-15℃)索尼CCD在不同积分时间下(10毫秒-1秒)噪声值相近,仍为40count左右;图7(温度30℃)东芝CCD在不同积分时间下噪声值也比较相近,40counts左右;但长积分时间热像素点(hot pixels,尖锐线)会变多,但其并不是噪声。而对图8(温度30℃),图9(温度-21℃)的滨松CCD,对于长积分时间TEC制冷可以明显降噪。

1. 光信号对噪声的影响

当有光输入时,CCD的噪声明显加剧;图10 索尼CCD与图11东芝CCD的噪声值明显要比图12滨松的背照式CCD噪声高出很多。

2. 光信号对信噪比的影响

当有光输入时,从图13,15,17可以看出,索尼,东芝及滨松的CCD噪声都呈现出与光强极大的相关性,光强越强噪声越大(图中不同积分时间的作用为改变CCD接收光量);虽然光强越强导致噪声值越大,但转化为信噪比时,从图14,16,18可以得到增大光强可以显著增大信噪比。这也就是我们建议客户在用光谱仪进行测量时,尽量增大信号光强(通过延长积分时间,改善光源、光纤、狭缝等)来改善信噪比。

结论

1. 没有光信号时,温度对噪声的影响。不同温度下(-20℃至30℃),索尼CCD与东芝CCD的噪声基本一致,通过降温来降低噪声,有点效果但不显著;而TEC热电制冷对滨松背照式CCD,降噪更显著一些。

2. 没有光信号时,积分时间长短对噪声的影响。积分时间长短(10ms至1s)对噪声的影响,同样并不显著;但基本趋势是积分时间越长,噪声会增大。

3. 制冷及缩短积分时间,可以一定程度上降低减少热像素点(hot pixels),但不能显著改善噪声。若天文观测用CCD,曝光时间长达几十分钟,则必须通过制冷来控制热像素点。

4.光信号对噪声、信噪比的影响,显著程度远超过温度及积分时间对噪声的影响;因此若要提高仪器的信噪比表现,着重点应该主要放在增大光信号(如:延长积分时间、增大狭缝尺寸、增加聚光镜、使光谱响应在整个光谱区域内更加平滑一致),以及增加光源的稳定性上。


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