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      帶你了解影響光譜儀性能的的一些因素

      發布時間:2018-03-01 點擊次數:3413
        光譜學測量的基礎是測量光輻射與波長的對應關系。一般來說,光譜學測量的直接結果是由很多個離散的點構成曲線,每個點的橫坐標(X軸)是波長,縱坐標(Y軸)是在這個波長處的強度。因此,一個光譜儀的性能,可以粗略地分為下面幾個大類:
       
        1.波長范圍
       
        波長范圍是光譜儀所能測量的波長區間。常見的光纖光譜儀的波長范圍是200-1100nm,也就是可以探測紫外光、可見光和短波近紅外光,可以擴展至200-2500nm,覆蓋整個紫外-可見-近紅外波段。光柵及探測器的類型會影響波長范圍。一般來說,寬的波長范圍意味著低的光譜分辨率,所以用戶需要在波長范圍和光譜分辨率兩個參數間做權衡。如果同時需要寬的波長范圍和高的波長分辨率,則需要組合使用多個光譜儀通道 (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的能力,常用的光譜儀的波長分辨率大約為1nm(FWHM值),即可以區分間隔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(數據在x坐標上的間隔)是兩個不同概念。一般來說,高的光譜分辨率意味著窄的波長范圍  ,所以用戶需要在波長范圍和光譜分辨率兩個參數間做權衡。如果同時需要寬的波長范圍和高的光譜分辨率,則需要組合使用多個光譜儀通道(多通道光譜儀)。
       
        3.噪聲等效功率和動態范圍
       
        當信號的強度值與噪聲的強度值相當時,從噪聲中分辨信號就會非常困難。一般用與噪聲相當的信號的值(光譜輻照度或光譜輻亮度)來表征能一個光譜儀所能夠測量的弱的光強(Y軸的小值)。噪聲等效功率越小,光譜儀就可以測量更弱的信號。狹縫的寬度、光柵的類型、探測器的類型等參數都會影響噪聲等效功率。因為這些參數也會影響波長范圍和波長分辨率,用戶需要在這些指標間做出取舍。對探測器制冷(Avantes公司的制冷型光譜儀)有助于減小探測器的熱噪聲,提高探測器檢測弱光的能力。
       
        動態范圍描述一個光譜儀所能夠測量到的強的信號與弱的信號的比值。強的信號為光譜儀在信號不飽和情況下,測量到的大值;弱的信號用上述的噪聲等效功率衡量。動態范圍主要受制于探測器。動態范圍是影響測量方便性的一個比較關鍵的指標。目前,光纖光譜儀都是通過調整積分時間的方式等效地擴大動態范圍,因此,動態范圍一般不會對用戶的測量帶來困擾。
       
        4.靈敏度與信噪比(S/N)
       
        靈敏度描述了光譜儀把光信號轉換為電信號的能力,高的靈敏度有助于減小電路自身的噪聲對結果的影響。狹縫的寬度、光柵的類型、探測器的類型以及電路板的性能都會影響靈敏度。衍射效率高的光柵和量子效率高的探測器都有利于提高光譜儀的靈敏度。人為地調高前置放大電路的放大倍數(也稱增益)也會提高名義上的靈敏度,但同時也放大了噪聲的影響,并不一定有助于實際的測量。寬的狹縫會改善靈敏度,但也會降低分辨率,因此,需要用戶綜合考慮和權衡。
       
        光譜儀的信噪比定義為:光譜儀在強光照射下,接近飽和時的信號的平均值與信號偏離平均值的抖動(以標準偏差橫向)的比。需要注意的是,因為定義中沒有對光源做任何限制,使用這個定義所測量到的信噪比并不能等同于用戶在實際實驗中所能實現的信噪比。光譜儀的信噪比主要受制于探測器。此外,通過增加測量的平均次數,也可以提高信噪比,它們之間是開方的關系,如平均100次,信噪比提高10倍。
       
        5.干擾與穩定性
       
        實際光譜儀與理想光譜儀的重要區別之一是其內部存在雜散光等干擾。雜散光會影響信號的準確性,并對測量弱信號帶來麻煩。超低雜散光平臺(ULS)能夠降低光路中的雜散光3-5倍。
       
        光譜儀的光路和探測器都不可避免地隨著環境而變化,例如,環境溫度的變化會導致光譜儀波長(X軸)的漂移。對光路和探測器做特殊處理能夠增強光譜儀的長期穩定性。然而,這些特殊處理會增加光譜儀的硬件成本。
       
        6.采樣速度和時序精度
       
        努美科技的地物光譜儀在獲取遙感研究的VNIR光譜數據時,世界各地的科學家已經證明了這一點。地物光譜儀GER 1500提供快速和準確的數據采集,在陸地上,在水里。這個獨立的儀器將分光輻射計和內部CPU和電池集成在一起,這樣就可以只用一只手來測量。整體設計消除了在數據采集過程中需要連接的計算機和電纜。這使得獲取數據更加容易,并加快了收集速度。
       
        光譜儀必須具備好的時序性能方能捕捉到很短的脈沖信號。不同類型的光譜儀的時序精度差別很大,性能好的可以到納秒量級的時間精度,而性能差的只能到毫秒量級的時間精度。

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