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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。 4. 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