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帶你了解影響光譜儀性能的的一些因素

更新時(shí)間:2018-03-01 點(diǎn)擊次數(shù):5691
  光譜學(xué)測(cè)量的基礎(chǔ)是測(cè)量光輻射與波長(zhǎng)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般來說,光譜學(xué)測(cè)量的直接結(jié)果是由很多個(gè)離散的點(diǎn)構(gòu)成曲線,每個(gè)點(diǎn)的橫坐標(biāo)(X軸)是波長(zhǎng),縱坐標(biāo)(Y軸)是在這個(gè)波長(zhǎng)處的強(qiáng)度。因此,一個(gè)光譜儀的性能,可以粗略地分為下面幾個(gè)大類:
 
  1.波長(zhǎng)范圍
 
  波長(zhǎng)范圍是光譜儀所能測(cè)量的波長(zhǎng)區(qū)間。常見的光纖光譜儀的波長(zhǎng)范圍是200-1100nm,也就是可以探測(cè)紫外光、可見光和短波近紅外光,可以擴(kuò)展至200-2500nm,覆蓋整個(gè)紫外-可見-近紅外波段。光柵及探測(cè)器的類型會(huì)影響波長(zhǎng)范圍。一般來說,寬的波長(zhǎng)范圍意味著低的光譜分辨率,所以用戶需要在波長(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)。
 
  2.光譜分辨率
 
  顧名思義,光譜分辨率描述了光譜儀能夠分辨波長(zhǎng)的能力,常用的光譜儀的波長(zhǎng)分辨率大約為1nm(FWHM值),即可以區(qū)分間隔1nm的兩條譜線。Avantes公司可以提供的高光譜分辨率為0.04nm。光譜分辨率與光譜采樣間隔(數(shù)據(jù)在x坐標(biāo)上的間隔)是兩個(gè)不同概念。一般來說,高的光譜分辨率意味著窄的波長(zhǎng)范圍  ,所以用戶需要在波長(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)范圍和高的光譜分辨率,則需要組合使用多個(gè)光譜儀通道(多通道光譜儀)。
 
  3.噪聲等效功率和動(dòng)態(tài)范圍
 
  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)來表征能一個(gè)光譜儀所能夠測(cè)量的弱的光強(qiáng)(Y軸的小值)。噪聲等效功率越小,光譜儀就可以測(cè)量更弱的信號(hào)。狹縫的寬度、光柵的類型、探測(cè)器的類型等參數(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,用戶需要在這些指標(biāo)間做出取舍。對(duì)探測(cè)器制冷(Avantes公司的制冷型光譜儀)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。
 
  動(dòng)態(tài)范圍描述一個(gè)光譜儀所能夠測(cè)量到的強(qiáng)的信號(hào)與弱的信號(hào)的比值。強(qiáng)的信號(hào)為光譜儀在信號(hào)不飽和情況下,測(cè)量到的大值;弱的信號(hào)用上述的噪聲等效功率衡量。動(dòng)態(tài)范圍主要受制于探測(cè)器。動(dòng)態(tài)范圍是影響測(cè)量方便性的一個(gè)比較關(guān)鍵的指標(biāo)。目前,光纖光譜儀都是通過調(diào)整積分時(shí)間的方式等效地?cái)U(kuò)大動(dòng)態(tài)范圍,因此,動(dòng)態(tài)范圍一般不會(huì)對(duì)用戶的測(cè)量帶來困擾。
 
  4.靈敏度與信噪比(S/N)
 
  靈敏度描述了光譜儀把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的能力,高的靈敏度有助于減小電路自身的噪聲對(duì)結(jié)果的影響。狹縫的寬度、光柵的類型、探測(cè)器的類型以及電路板的性能都會(huì)影響靈敏度。衍射效率高的光柵和量子效率高的探測(cè)器都有利于提高光譜儀的靈敏度。人為地調(diào)高前置放大電路的放大倍數(shù)(也稱增益)也會(huì)提高名義上的靈敏度,但同時(shí)也放大了噪聲的影響,并不一定有助于實(shí)際的測(cè)量。寬的狹縫會(huì)改善靈敏度,但也會(huì)降低分辨率,因此,需要用戶綜合考慮和權(quán)衡。
 
  光譜儀的信噪比定義為:光譜儀在強(qiáng)光照射下,接近飽和時(shí)的信號(hào)的平均值與信號(hào)偏離平均值的抖動(dòng)(以標(biāo)準(zhǔn)偏差橫向)的比。需要注意的是,因?yàn)槎x中沒有對(duì)光源做任何限制,使用這個(gè)定義所測(cè)量到的信噪比并不能等同于用戶在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中所能實(shí)現(xiàn)的信噪比。光譜儀的信噪比主要受制于探測(cè)器。此外,通過增加測(cè)量的平均次數(shù),也可以提高信噪比,它們之間是開方的關(guān)系,如平均100次,信噪比提高10倍。
 
  5.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)的性,并對(duì)測(cè)量弱信號(hào)帶來麻煩。超低雜散光平臺(tái)(ULS)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)(X軸)的漂移。對(duì)光路和探測(cè)器做特殊處理能夠增強(qiáng)光譜儀的穩(wěn)定性。然而,這些特殊處理會(huì)增加光譜儀的硬件成本。
 
  6.采樣速度和時(shí)序精度
 
  努美科技的地物光譜儀在獲取遙感研究的VNIR光譜數(shù)據(jù)時(shí),世界各地的科學(xué)家已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。地物光譜儀GER 1500提供快速和的數(shù)據(jù)采集,在陸地上,在水里。這個(gè)獨(dú)立的儀器將分光輻射計(jì)和內(nèi)部CPU和電池集成在一起,這樣就可以只用一只手來測(cè)量。整體設(shè)計(jì)消除了在數(shù)據(jù)采集過程中需要連接的計(jì)算機(jī)和電纜。這使得獲取數(shù)據(jù)更加容易,并加快了收集速度。
 
  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)間精度,而性能差的只能到毫秒量級(jí)的時(shí)間精度。

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