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溫度變化對海洋光學光譜儀信噪比的影響

2019/08/07

溫度變化對海洋光學光譜儀信噪比的影響

摘要:

海洋光學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以內)的光譜。由于CCD本身的特性,溫漂問題成為了不可忽視的影響因素。溫度的變化不僅會影響測量的精確性,還可能會對信噪比、動態范圍等指標產生影響。我們對光譜儀業界常用的幾款CCD做了溫度漂移方面的試驗,結果發現溫度變化對信噪比基本沒有影響,而溫度升高只是在積分時間比較長時才會導致動態范圍的降低,如果積分時間很短,溫度的變化對動態范圍也基本沒有影響。

概念釋疑:

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

2. 噪聲:信號的不確定起伏及抖動,可用信號瞬時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)


實際上兩種定義是統一的,定義一是一種更直觀的物理定義;定義二是一種統計學定義。 

測試條件:

1.測試用CCD

索尼(Sony )2048像元線性陣列CCD
東芝(Toshiba) 3648 像元線性陣列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.評價指標

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

5. 數據采集方法

海洋光學Spectrasuite軟件數據自動保存功能,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. 沒有光信號時,溫度對噪聲的影響

圖1,圖2可以看到沒有光信號輸入時,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. 沒有光信號時,積分時間對噪聲的影響

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在不同積分時間下噪聲值也比較相近,40counts左右;但長積分時間熱像素點(hot pixels,尖銳線)會變多,但其并不是噪聲。而對圖8(溫度30℃),圖9(溫度-21℃)的濱松CCD,對于長積分時間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,CCD的噪聲明顯加劇;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,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性,光強越強噪聲越大(圖中不同積分時間的作用為改變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,從圖14,16,18可以得到增大光強可以顯著增大信噪比。這也就是我們建議客戶在用光譜儀進行測量時,盡量增大信號光強(通過延長積分時間,改善光源、光纖、狹縫等)來改善信噪比。

結論

1. 沒有光信號時,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,通過降溫來降低噪聲,有點效果但不顯著;而TEC熱電制冷對濱松背照式CCD,降噪更顯著一些。

2. 沒有光信號時,積分時間長短對噪聲的影響。積分時間長短(10ms至1s)對噪聲的影響,同樣并不顯著;但基本趨勢是積分時間越長,噪聲會增大。

3. 制冷及縮短積分時間,可以一定程度上降低減少熱像素點(hot pixels),但不能顯著改善噪聲。若天文觀測用CCD,曝光時間長達幾十分鐘,則必須通過制冷來控制熱像素點。

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


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