光谱仪的重要参数及其定义，光谱仪的参数代表的含义是什么

时间：2023-04-18

光谱仪的主要参数包括波长范围、波长分辨率、噪声等效功率、动态范围、灵敏度、信噪比、干扰和稳定性、采样速度和时序精度等。

波长光谱范围

指光谱仪适用的波长的区间，例如海洋光学比较常见的的波长范围是300nm-700nm可见光光谱仪，200纳米-1100纳米，900nm-1700nm近红外光谱仪，也就是可以探测紫外光、可见光和短波近红外光。部分光谱仪也可以根据需要将波长范围扩展至200-2500nm，覆盖整个紫外可见-近红外波段。光栅及探测器的类型会影响波长范围。一般来说，宽的波长范围意味着低的光谱分辨率，所以用户需要在波长范围和光谱分辨率两个参数间做权衡。如果同时需要宽的波长范围和高的波长分辨率，则需要组合使用多个光谱仪通道（多通道光谱仪)。

波长分辨率

波长分辨率也就是波长分辨率，指衡量光谱仪能够分辨波长的能力，美国StellerNet的**高分辨率光谱仪HR-H型号能达到0.05nm (FWHM值），0.05nm的分辨率即可以区分间隔0.05nm的两条谱线。需要注意的是，波长分辨率与光谱采样间隔不同，光谱采样区间是数据在x横坐标上的间隔。但是，高光谱分辨率意味着波长范围窄，所以在要求高分辨率的同时，也要考虑到波长范围。

光谱仪噪声等效功率

当信号的强度值与噪声的强度值相当时，从噪声中分辨信号就会非常困难。一般用与噪声相当的信号的值（光谱辐照度或光谱辐亮度）来表征能一个光谱仪所能够测量的较弱的光强轴的较小值)。光谱仪噪声等效功率越小，光谱仪就可以测量更弱的信号。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型等参数都会影响噪声等效功率。因为这些参数也会影响波长范围和波长分辨率，用户需要在这些指标间做出取舍。对探测器制冷(制冷型光谱仪）有助于减小探测器的热噪声，提高探测器检测弱光的能力。

光谱仪动态范围

光谱仪动态范围是指较大可检信号（接近饱和时）值除以较小可检信号，这可以认为是被光谱仪分解成的不同强度单元。较小可检信号定义为平均值等同于基线噪声的信号，这代表了信噪比为1。我们一般认为较弱信号是指3倍于噪声信号。海洋光学通用的USB系列光谱仪的动态范围为1300：1，STS光谱仪**高动态范围能到85000：1。

单次信号采集的动态范围是指在较短的积分时间内得到较大可能的动态范围。整个系统的动态范围是指在较长的积分时间下较大信号与较小信号的比，乘以较长积分时间与较短积分时间的比。

信号采集的动态范围=饱和状态下信号强度/较短积分时间下的基线噪声

系统的动态范围=（饱和状态下的信号强度/较长积分时间下的基线噪声）x（较长积分时间/较短积分时间）

光谱仪灵敏度

光谱仪灵敏度是一个衡量可见光输入与光谱输出关系的参数，可以在海洋光学软件中看到这个参数。

检测器灵敏度，不是指光谱仪灵敏度，通常是可以通过以下两种方法表示的：

1、单位入射辐射功率（单位：瓦）的输出电流（单位：安）

灵敏度可以由在给定辐射功率的发光光源条件下，检测器输出的电流值来确定。这种方法测得的单位通常是A/W（这经常作为检测器的响应率，见NEP）。当灵敏度被表达成A/W时，检测器的**效率和灵敏度由以下公式得出：

QE = Sx1240/λ x 100 (%),这里λ是波长，单位是nm。

2、单位入射曝光量（单位：lux.s）的输出电压（单位：V）

灵敏度也可以由在一定大小的曝光量下，检测器的输出电压值来确定。通常这种方法测得的灵敏度单位是V/lux.s。

3、灵敏度可以表示成生成每隔count时需要的入射光的光子数量。海洋光学说明书通常显示在特定波长下（通常在400nm和600nm）counts（计数值）（在OceanView 或SpectraSuite软件中y-轴的数值）与入射光子数量的比值。这个定义是较有用的定义，因为它直接反应了用户在海洋光学软件上看到的结果。

光谱仪信噪比

光谱仪信噪比（SNR）的定义是，在一个特定的信号水平，信号强度与噪声强度的比值——因此它会随着测量不同而有所不同。由于光子噪声的原因，噪声通常以信号函数的形式增长,信噪比函数实际上是单个信噪比值与它们获得的该信号的曲线图。海洋光学数据表中记载的光谱仪信噪比值是较大可能的信噪比值（在检测器饱和状态下获得）。假设每一个像元的信噪比响应曲线都相同。

具体测量如下：当挑选好光源，以便在较低的积分时间或积分时间远低于热噪声限制的积分时间内使光谱峰值饱和（光谱仍需要有低于0 counts（计数值）或其左右的区域）；想要计算信噪比，需要取100个没有光入射的扫描，计算出每个像元的平均基线值，再取100个有光入射的扫描，计算出每个像元输出值的平均值和标准差；然后信噪比由以下公式给出：

SNRρ = (S – D)/σρ

这里SNRρ=信噪比

S=光照条件下样品信号强度平均值

D=黑暗条件下信号强度平均值

σ=光照条件下样品信号强度标准偏差

ρ=像素序号

想要获得完整的信噪比与信号图，画出计算得到的SNRρ值（噪声）和Sρ – Dρ值（信号）。这将涵盖了一个很宽的峰值范围（从光谱暗状态到近乎饱和）。因为所有的像元都有相同的响应曲线，所以信噪比和信号图的数据可以来自不同的像元。因为在信号大值的时候，光子噪声是主要的噪声来源，故理想的光谱图应该与y = √x的图形相似。

请注意，应用不同类型的信号平均方法可以提高信噪比。在基于时间的信号平均时，信噪比将以光谱扫描次数的平方根增加。举例说明，信噪比为300:1,如果将100次扫描取平均时，信噪比会变成3000：1。在基于空间的信号平均时，信噪比将以取平均的像元数量的平方根增加。

虽然这些方法对于获得精确数据是有用的，但它会混淆不同光谱仪的比较。海洋光学给出了所有光谱仪的没有通过信号平均方法获得提升的信噪比值。我们的一些竞争对手利用信号平均的方法，人为的提高一些质量较差的光谱仪的信噪比。

干扰与稳定性

实际光谱仪与理想光谱仪的重要区别之一是其内部存在杂散光等干扰。杂散光会影响信号的准确性并对测量弱信号带来干扰。**低杂散光平台能够降低光路中的杂散光3-5倍。光谱仪的光路和探测器都不可避免地随着环境而变化，例如，环境温度的变化会导致光谱仪波长(轴）的漂移。对光路和探测器做特殊处理能够增强光谱仪的长期稳定性。然而，这些特殊处理会增加光谱仪的硬件成本。

光谱仪采样速度和时序精度

光谱仪采样速度可以用每秒钟光谱仪采集的完整光谱的数量来表示。现在市面上的很多光谱仪一秒钟内可以采集几百幅完整的光谱。当需要研究在更短时间内的光谱变化时，光谱仪采样速度更高产品可以在一秒钟内采集高达8000幅光谱。然而，这些光谱仪往往在光谱分辨率等指标上不能与标准光谱仪媲美，用户也需综合考虑各项指标。

光谱仪必须具备好的时序性能方能捕捉到很短的脉冲信号。不同类型的光谱仪的时序精度差别很大，性能好的可以到纳秒量级的时序精度，而性能差的只能到毫秒量级的时序精度。

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词条
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