溫度變化對海洋光學(xué)光譜儀信噪比的影響

2019/08/07

溫度變化對海洋光學(xué)光譜儀信噪比的影響

摘要:

海洋光學(xué)微型光纖光譜儀一般采用陣列式的CCD測量紫外到近紅外（1100nm以?xún)龋┑墓庾V。由于CCD本身的特性，溫漂問(wèn)題成為了不可忽視的影響因素。溫度的變化不僅會(huì )影響測量的精確性，還可能會(huì )對信噪比、動(dòng)態(tài)范圍等指標產(chǎn)生影響。我們對光譜儀業(yè)界常用的幾款CCD做了溫度漂移方面的試驗，結果發(fā)現溫度變化對信噪比基本沒(méi)有影響，而溫度升高只是在積分時(shí)間比較長(cháng)時(shí)才會(huì )導致動(dòng)態(tài)范圍的降低，如果積分時(shí)間很短，溫度的變化對動(dòng)態(tài)范圍也基本沒(méi)有影響。

概念釋疑:

1. 暗電流(Dark current)：即使沒(méi)有光信號照射CCD，CCD也會(huì )有一定的暗輸出，此輸出稱(chēng)為暗電流。暗電流值大小與溫度有關(guān)，此外還與制造工藝有關(guān)。國內有不少客戶(hù)將光譜儀的暗電流輸出，看作為噪聲，實(shí)際上存在一定誤解。暗電流的大小基本為一恒定值，主要與溫度有關(guān)，通過(guò)軟件等方法可以校正。

2. 噪聲：信號的不確定起伏及抖動(dòng)，可用信號瞬時(shí)值減去信號均值近似衡量。

均方根噪聲（RMS noise）：噪聲的均方根值。定義為：

 
– P_noise是噪聲值 ( noise value )

3. 信噪比（SNR）：輸出信號與噪聲之比。一般來(lái)講有兩種定義

定義一：

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

定義二：

– μ 是信號均值（signal mean） 
– σ 是標準偏差（ standard deviation）

實(shí)際上兩種定義是統一的，定義一是一種更直觀(guān)的物理定義；定義二是一種統計學(xué)定義。 

測試條件:

1.測試用CCD

索尼（Sony ）2048像元線(xiàn)性陣列CCD
東芝（Toshiba） 3648 像元線(xiàn)性陣列CCD
濱松（Hamamatsu） 1024背照式面陣CCD,自帶TEC制冷

2. 光源

LS-1鹵鎢燈（340nm-2500nm）制冷

3. 制冷

冰箱，濱松CCD自帶TEC熱電制冷

4．評價(jià)指標

RMS S/N------方均根信噪比；實(shí)際信號與RMS噪聲的比值，反映儀器信噪比表現，評價(jià)儀器弱光響應、檢測限等。

5. 數據采集方法

海洋光學(xué)Spectrasuite軟件數據自動(dòng)保存功能，每隔50ms保存一次數據，連續采集200組數據，然后用Matlab做數據RMS噪聲、S/N信噪比處理。

*注意：以下圖表Y軸刻度為16位A/D，即飽和值為65536 (單位為：counts)

測試結果:

1. 沒(méi)有光信號時(shí)，溫度對噪聲的影響

圖1，圖2可以看到?jīng)]有光信號輸入時(shí)，索尼與東芝 的CCD噪聲對溫度（4℃-30℃）并不敏感，只有大約40counts(counts 為A/D 單位，飽和值為65536counts);而圖3濱松的背照式CCD噪聲值為2counts左右，制冷對降噪效果更明顯一些。

2. 沒(méi)有光信號時(shí)，積分時(shí)間對噪聲的影響

圖5（溫度30℃），圖6（溫度-15℃）索尼CCD在不同積分時(shí)間下（10毫秒-1秒）噪聲值相近，仍為40count左右；圖7（溫度30℃）東芝CCD在不同積分時(shí)間下噪聲值也比較相近，40counts左右；但長(cháng)積分時(shí)間熱像素點(diǎn)（hot pixels，尖銳線(xiàn)）會(huì )變多，但其并不是噪聲。而對圖8（溫度30℃），圖9（溫度-21℃）的濱松CCD,對于長(cháng)積分時(shí)間TEC制冷可以明顯降噪。

1. 光信號對噪聲的影響

當有光輸入時(shí)，CCD的噪聲明顯加??；圖10 索尼CCD與圖11東芝CCD的噪聲值明顯要比圖12濱松的背照式CCD噪聲高出很多。

2. 光信號對信噪比的影響

當有光輸入時(shí)，從圖13，15，17可以看出，索尼，東芝及濱松的CCD噪聲都呈現出與光強極大的相關(guān)性，光強越強噪聲越大（圖中不同積分時(shí)間的作用為改變CCD接收光量）；雖然光強越強導致噪聲值越大，但轉化為信噪比時(shí)，從圖14,16,18可以得到增大光強可以顯著(zhù)增大信噪比。這也就是我們建議客戶(hù)在用光譜儀進(jìn)行測量時(shí)，盡量增大信號光強（通過(guò)延長(cháng)積分時(shí)間，改善光源、光纖、狹縫等）來(lái)改善信噪比。

結論

1． 沒(méi)有光信號時(shí)，溫度對噪聲的影響。不同溫度下（-20℃至30℃），索尼CCD與東芝CCD的噪聲基本一致，通過(guò)降溫來(lái)降低噪聲，有點(diǎn)效果但不顯著(zhù)；而TEC熱電制冷對濱松背照式CCD，降噪更顯著(zhù)一些。

2． 沒(méi)有光信號時(shí)，積分時(shí)間長(cháng)短對噪聲的影響。積分時(shí)間長(cháng)短（10ms至1s）對噪聲的影響，同樣并不顯著(zhù)；但基本趨勢是積分時(shí)間越長(cháng)，噪聲會(huì )增大。

3. 制冷及縮短積分時(shí)間，可以一定程度上降低減少熱像素點(diǎn)（hot pixels），但不能顯著(zhù)改善噪聲。若天文觀(guān)測用CCD，曝光時(shí)間長(cháng)達幾十分鐘，則必須通過(guò)制冷來(lái)控制熱像素點(diǎn)。

4．光信號對噪聲、信噪比的影響，顯著(zhù)程度遠超過(guò)溫度及積分時(shí)間對噪聲的影響；因此若要提高儀器的信噪比表現，著(zhù)重點(diǎn)應該主要放在增大光信號（如：延長(cháng)積分時(shí)間、增大狹縫尺寸、增加聚光鏡、使光譜響應在整個(gè)光譜區域內更加平滑一致），以及增加光源的穩定性上。