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。

5. 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CCD的噪声基本一致，通过降温来降低噪声，有点效果但不显著；而TEC热电制冷对滨松背照式CCD，降噪更显著一些。

2． 没有光信号时，积分时间长短对噪声的影响。积分时间长短（10ms至1s）对噪声的影响，同样并不显著；但基本趋势是积分时间越长，噪声会增大。

3. 制冷及缩短积分时间，可以一定程度上降低减少热像素点（hot pixels），但不能显著改善噪声。若天文观测用CCD，曝光时间长达几十分钟，则必须通过制冷来控制热像素点。

4．光信号对噪声、信噪比的影响，显著程度远超过温度及积分时间对噪声的影响；因此若要提高仪器的信噪比表现，着重点应该主要放在增大光信号（如：延长积分时间、增大狭缝尺寸、增加聚光镜、使光谱响应在整个光谱区域内更加平滑一致），以及增加光源的稳定性上。