光谱仪小百科 | 动态范围和信噪比在光谱仪中的重要性

来源：北京爱蛙科技有限公司分类：商机 2022-12-21 14:41:35 528阅读次数

光谱仪性能标准可能难以解释，但常见词汇可能有所帮助。在本文中，我们考虑了两个重要但经常被误解的术语：动态范围和信噪比。

光谱是一种复杂的技术，需要考虑许多变化和细微差别，通常以用户不熟悉或者可以不同方式解释的术语来表示。在这种背景下，我们提供了一些动态范围和信噪比（SNR）的实际定义，这些标准通常被列为光谱仪性能的常见衡量标准。

动态范围

在光谱学中，动态范围是光谱仪可以检测的最大信号强度与最小信号强度之比。更具体地讲，动态范围是最大可检测信号（即接近饱和）除以最小可检测信号。最小可检测信号定义为具有等于基线噪声的平均值的信号。

对于我们的光谱仪，Ocean Insight 报告了一次采集的动态范围，即最短的积分时间，提供尽量高的动态范围。整个系统的动态范围规格定义为最长积分时间最大信号与最小信号之比以及最大积分时间与最小积分时间之比的乘积。

实际上，用户可以通过设置其参比测量的积分时间来利用我们光谱仪的全动态范围，使光谱在满计数量程的 80% 到 90% 处达到峰值。

信噪比（SNR）

信噪比（SNR）的定义是：信号强度除以特定信号强度时的噪声强度，这意味着，不同测量值之间可能存在差异。由于系统噪声通常随着光子噪声的信号而增加，因此信噪比函数是各个信噪比值与获得它们信号的关系图。Ocean Insight 报告的光谱仪信噪比值为最大可能的信噪比值（在探测器饱和时获取）。假设每个像素的信噪比响应曲线相同。

信噪比测量如下：选择宽带光源，以在最低积分时间或远低于热噪声限值的积分时间（光谱也应具有低计数或几乎为零计数的面积）时，光谱峰值几乎达到饱和。要计算信噪比，请在无光情况下进行 100 次扫描并计算每个像素的平均基线计数值，然后用光进行 100 次扫描，然后计算每个像素输出计数的平均值和标准偏差。然后通过以下公式给出信噪比：

信噪比（SNR）ρ =（S-D）/σ ρ

其中：

SNR = 信噪比

S = 样品光谱平均强度（带光）

D = 暗光谱的平均值（无光）

σ = 样品标准偏差（有光）

ρ = 像素数

要获取完整的信噪比与信号的关系图，请将计算出的信噪比 ρ 值（噪声）与 S ρ - D ρ（信号）绘图。这将涵盖广泛的峰值计数范围（从暗到几乎饱和）。由于所有像素都有相同的响应曲线，所以信噪比与信号图的数据可以来自所有不同的像素。由于光子噪声是大信号值下噪声贡献最大的，理想图形的形状应接近 y = √x。

使用不同类型的信号平均可改善信噪比。对于基于时间的平均值，信噪比会增大所用光谱扫描次数的平方根。例如，如果平均扫描 100 次，则 300:1 的信噪比将变为 3000:1。信噪比会提高平均像素数的平方根。

提高信噪比的其他几种途径

提高光源输出。
使用大直径光纤将光传输至样品，以捕捉来自光源的更多光。
延长探测器的积分时间。
在最重要的区域，使用探测器的全动态范围，将入射光光谱控制在相关的波长范围内。对于通常强度较低的光谱边缘而言，尤其如此。

虽然这些方法对于获取精确的数据很有用，但会使用户在比较不同型号光谱仪时变得困惑。例如，Ocean Insight 在不应用信号平均法的情况下报告其信噪比值。而许多友商利用信号平均法来手动计算低光谱仪的信噪比值。了解动态范围和信噪比等术语只是熟悉光谱仪性能所有参数的一小部分，评估预期系统性能时，了解光谱仪规格通常只是一个起点。

按动态范围和信噪比划分的

光谱仪概览

以下是按探测器类型、动态范围和信噪比（SNR）划分的 Ocean Insight 光谱仪概览。虽然这些标准可以提供特定光谱仪型号适合某种应用的一些见解，但选择光谱仪还有很多其他因素。我们的应用工程师可提供指导。