CN103968943B - 一种光纤光谱仪信噪比的精确测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤光谱仪信噪比的精确测量方法，包括以下步骤：步骤101：连接相关设备；步骤102：实现不同光强下的光纤光谱仪的信噪比测量；步骤103：经过N次信号采集测量，计算阵列光电探测器第i个曝光像素所对应信号的校正平均值μ_i与信号偏离平均值的抖动值σ_i的比值。采用上述方案，能够适应光纤光谱仪信噪比的测量需要，不仅能够减小或降低杂散光的影响，而且通过可调光衰减器能够便捷改变光纤光谱仪的入射光强度大小，实现不同入射光强度下其信噪比的精确地测量。

Description

一种光纤光谱仪信噪比的精确测量方法

技术领域

本发明属于光纤光谱仪信噪比的精确测量技术领域，尤其涉及的是一种光纤光谱仪信噪比的精确测量方法。

背景技术

采用阵列光电器件作为探测器件已经广泛应用在小型化的光纤光谱仪器之中，用以对从紫外到近红外波段信号的光谱分析(190nm-1100nm)。光学信噪比作为信号与噪声区分能力的主要判断尺度，是反映该型光谱仪器的重要技术指标，体现了评价仪器的弱光响应、检测容限等特性，目前还没有该型光谱仪器信噪比的规范测试方法，现有技术中仅阐述了针对傅立叶变换光谱仪、成像光谱仪信噪比的理论研究与实验。

论文“Fourier变换光谱仪信噪比测量方法研究”(光子学报，第36卷第6期，第1110～1114页，2007年6月)公开了一种测量计算Fourier变换光谱仪信噪比的方法。该文献中提出使用太阳光、太阳模拟器与积分球结合等谱线尽可能均匀的稳定光源，利用Fourier变换光谱仪对其光谱进行连续测量，通过测量其原始光谱和复原光谱，计算信噪比。通过多次测量得到一组信噪比，其平均值即可作为仪器的信噪比指标。利用该方法计算的信噪比较传统方法计算的信噪比高约1.5倍，并通过计算机模拟和理论分析给予证明。另外针对Fourier变换光谱仪的主要误差源，特别提出为了避免零光程差采样位置的变化引起的复原光谱强度失真，采样频率应适当高于Nyquist频率。

论文“大孔径静态干涉成像光谱仪的信噪比分析”(光子学报，第36卷第10期，第1889～1892页，2007年6月)根据大孔径静态干涉成像光谱仪的原理和特点，分析了光辐射能在光学系统内的传输情况，对探测器上接收到的光辐射能信号和噪音信号做了详细的理论推导，得到了仪器理论信噪比的表达式。在实验上以大口径积分球为辐射源，采集仪器输出的干涉图像，计算得到仪器的实际信噪比曲线，对大孔径静态干涉成像光谱仪的理论信噪比曲线与实际的信噪比曲线做分析比较，结果验证了用推导的理论信噪比表达式来预估仪器信噪比的可行性。

现有技术的缺点：1.现有技术是在固定的光照强度下进行的测量，不能完成不同输入光强度下信噪比的精确测量；2.现有技术在测量过程中，采用积分球作为入射光源，环境背景光会成为杂散光进入光谱仪，不利于光学系统信噪比结果的精确测量；3.阵列光电探测器除曝光像素外，在其边缘还有一些非曝光像素，现有的技术没有将非曝光像素信号作为暗响应来加以有效利用去测量信噪比。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种光纤光谱仪信噪比的精确测量方法。

本发明的技术方案如下：

一种光纤光谱仪信噪比的精确测量方法，其中，包括以下步骤：

步骤101：将驱动电源与光纤光源连接，再将光纤光源通过连接光纤与可调光衰减器连接，将可调光衰减器通过连接光纤与光纤光谱仪连接，同时可调光衰减器及光纤光谱仪分别与主控计算机相连接；

步骤102：所述可调光衰减器通过连接光纤接收来自光纤光源的光信号，其工作波长、与连接光纤的接口标准应和光纤光源相互匹配，可调光衰减器根据光信号强度需要在计算机控制下精细调节入射光的光强，再由连接光纤将光信号传输到光谱仪中，从而实现不同光强下的光纤光谱仪的信噪比测量；

步骤103：对采用阵列光电器件的光纤光谱仪经过N次信号采集测量，阵列光电探测器第i个曝光像素所对应信号的校正平均值μ_i与信号偏离平均值的抖动值σ_i的比值即为信噪比为公式一：

${\mathrm{SNR}}_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_i}$

其中，μ_i是曝光像素经过N次测量的平均响应值的校正值，通过直接采集到的原始信号均值μ_iall扣除暗电流响应均值μ_dark得到，公式二：

μ_i＝μ_iall-μ_dark

μ_iall通过第i个曝光像素信号值Q_i通过N次测量经平均计算得出，公式三：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{iall}}=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_N{Q}_i$

μ_dark是通过利用阵列光电探测器非曝光像素信号作为暗响应来获取的，将采集到的多个非曝光像素信号均值作为μ_dark，假设光电探测器的非曝光像素个数是M，则μ_dark表示为，公式四：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{dark}}=\frac{1}{\mathrm{MN}}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^N{\mathrm{\Σ}}_{m=0}^M{P}_m^n$

其中，为第m个非曝光像素的暗响应信号值。

抖动值σ_i为第i个曝光像素信号值Q_i减去其经N次测量信号均值的校正值μ_i，用其均方根值σ_RMS描述为公式五：

${\mathrm{\σ}}_i={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_N{(Q_i-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}{N}}$

则光纤光谱仪第i个曝光像素的信噪比为，公式六：

${\mathrm{SNR}}_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{iall}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{dark}}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_N{(Q_i-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}{N}}}$

或公式七：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{\λ}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\λ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λall}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{dark}}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_N{(Q_{\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}})}^2}{N}}}$

其中，μ_λ、σ_λ、Q_λ分别表示N次测量条件下：波长λ所对应信号的校正值、信号偏离平均值的抖动值和各次测量时原始信号值，μ_λall表示波长λ所对应的原始信号均值。

所述的光纤光谱仪信噪比的精确测量方法，其中，所述步骤101中，所述驱动电源用于控制光纤光源产生稳定的输出；所述光纤光源产生的光信号为紫外、可见光或近红外任意波段；所述可调光衰减器通过连接光纤接收来自光纤光源的光信号，其工作波长、与连接光纤的接口标准应和光纤光源相互匹配，可调光衰减器根据光信号强度需要在计算机控制下精细调节入射光的光强，再由连接光纤将光信号传输到光谱仪中，从而实现不同光强下的光纤光谱仪的信噪比测量；所述连接光纤为FC/UPC、SMA905标准接口；所述主控计算机对可调衰减器进行相应的衰减控制，产生不同强度的入射光信号，并且采集不同光强度下待测像素位置的光谱信号，同时采集阵列光电器件非曝光像素信号作为暗响应，完成不同光强下的信噪比测量。

采用上述方案，能够适应光纤光谱仪信噪比的测量需要，不仅能够减小或降低杂散光的影响，而且通过可调光衰减器能够便捷改变光纤光谱仪的入射光强度大小，实现了不同入射光强度下其信噪比的精确地测量，同时利用阵列光电器件的非曝光像素信号作为暗响应能够更加精确地测量信噪比。

附图说明

图1为本发明精确测量方法一实施例的连接结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

本发明提出一种光纤光谱仪信噪比的测量方法，主要由驱动电源、光纤光源、可调光衰减器、连接光纤、主控计算机等组成，其中(1)驱动电源用于控制光纤光源产生稳定的输出，需要符合光纤光源的工作方式与稳定度要求；(2)光纤光源产生的光信号可为紫外、可见光、近红外任意波段，在实际应用中，根据需求选择相应波段的光纤光源；(3)可调光衰减器通过连接光纤接收来自光纤光源的光信号，其工作波长、与连接光纤的接口标准应和光纤光源相互匹配，可调光衰减器根据光信号强度需要在计算机控制下精细调节入射光的光强，再由连接光纤将光信号传输到光谱仪中，从而实现不同光强下的光纤光谱仪的信噪比测量；(4)连接光纤通常为FC/UPC、SMA905标准接口，由于采用连接光纤的形式将光信号从光纤光源传输到可调衰减器再到光纤光谱仪，整个光路拥有良好的屏蔽性，避免外界的背景光进入光学系统中，因此最大限度地抑制了杂散光；(5)主控计算机对可调衰减器进行相应的衰减控制，产生不同强度的入射光信号，采集不同光强度下待测像素位置的光谱信号，并同时采集阵列光电器件非曝光像素信号作为暗响应，通过处理算法完成不同光强下的信噪比测量。

采用阵列光电探测器的光纤光谱仪，每个有效曝光像素的入射光信号表征了不同光波长，其信噪比SNR是每个有效探测像素信噪比的综合表现。经过N次信号采集测量，阵列光电探测器第i个曝光像素所对应信号的校正平均值μ_i与信号偏离平均值的抖动值σ_i的比值即为信噪比，公式一：

${\mathrm{SNR}}_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_i}$

其中，μ_i是曝光像素经过N次测量的平均响应值的校正值，可以通过直接采集到的原始信号均值μ_iall扣除暗电流响应均值μ_dark得到公式二：

μ_i＝μ_iall-μ_dark

μ_iall通过第i个曝光像素信号值Q_i通过N次测量经平均计算得出，公式三：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{iall}}=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_N{Q}_i$

在本发明中，μ_dark是通过利用阵列光电探测器非曝光像素信号作为暗响应来获取的。将采集到的多个非曝光像素信号均值作为μ_dark，假设光电探测器的非曝光像素个数是M，则μ_dark可表示为公式四：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{dark}}=\frac{1}{\mathrm{MN}}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^N{\mathrm{\Σ}}_{m=0}^M{P}_m^n$

为第m个非曝光像素的暗响应信号值。由于非曝光像素不能响应入射的光信号，同时其信号处理电路又与其他曝光像素相同，因此本发明巧妙地利用了非曝光像素的信号值，精确地估算出暗电流μ_dark的大小。

抖动值σ_i为第i个曝光像素信号值Q_i减去其经N次测量信号均值的校正值μ_i，用其均方根值σ_RMS描述为公式五：

${\mathrm{\σ}}_i={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_N{(Q_i-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}{N}}$

则光纤光谱仪第i个曝光像素的信噪比为公式六：

${\mathrm{SNR}}_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{iall}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{dark}}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_N{(Q_i-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}{N}}}$

由于光纤光谱仪中的阵列光电探测器每一个像素都对应着一个波长值，因此单个像素探测点的信噪比也同时表征了对应波长的信噪比。因此，通过上述方法获取的每个曝光像素的信噪比SNR_i也可用于对光纤光谱仪对应波长λ的信噪比SNR_λ评价，处理方法完全相同，上面的信噪比测量公式又可以变换成波长λ对应的信噪比为公式七：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{\λ}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\λ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λall}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{dark}}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_N{(Q_{\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}})}^2}{N}}}$

其中，μ_λ、σ_λ、Q_λ分别表示N次测量条件下：波长λ所对应信号的校正值、信号偏离平均值的抖动值和各次测量时原始信号值，μ_λall表示波长λ所对应的原始信号均值。

由于引入了可调光衰减器，通过主控计算机调节可调光衰减器的衰减系数，能够便捷精确地测量不同光照强度下光纤光谱仪的信噪比表现。

实施例2

在上述实施例的基础上，如图1所示，一种光纤光谱仪信噪比的精确测量方法，其中，包括以下步骤：

步骤101：将驱动电源与光纤光源连接，再将光纤光源通过连接光纤与可调光衰减器连接，将可调光衰减器通过连接光纤与光纤光谱仪连接，同时可调光衰减器及光纤光谱仪分别与主控计算机相连接；

步骤102：所述可调光衰减器通过连接光纤接收来自光纤光源的光信号，其工作波长、与连接光纤的接口标准应和光纤光源相互匹配，可调光衰减器根据光信号强度需要在计算机控制下精细调节入射光的光强，再由连接光纤将光信号传输到光谱仪中，从而实现不同光强下的光纤光谱仪的信噪比测量；

步骤103：对采用阵列光电器件的光纤光谱仪经过N次信号采集测量，阵列光电探测器第i个曝光像素所对应信号的校正平均值μ_i与信号偏离平均值的抖动值σ_i的比值即为信噪比为公式一：

${\mathrm{SNR}}_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_i}{{\mathrm{\σ}}_i}$

其中，μ_i是曝光像素经过N次测量的平均响应值的校正值，通过直接采集到的原始信号均值μ_iall扣除暗电流响应均值μ_dark得到，公式二：

μ_i＝μ_iall-μ_dark

μ_iall通过第i个曝光像素信号值Q_i通过N次测量经平均计算得出，公式三：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{iall}}=\frac{1}{N}{\mathrm{\Σ}}_N{Q}_i$

μ_dark是通过利用阵列光电探测器非曝光像素信号作为暗响应来获取的，将采集到的多个非曝光像素信号均值作为μ_dark，假设光电探测器的非曝光像素个数是M，则μ_dark表示为，公式四：

${\mathrm{\μ}}_{\mathrm{dark}}=\frac{1}{\mathrm{MN}}{\mathrm{\Σ}}_{n=0}^N{\mathrm{\Σ}}_{m=0}^M{P}_m^n$

其中，为第m个非曝光像素的暗响应信号值。

抖动值σ_i为第i个曝光像素信号值Q_i减去其经N次测量信号均值的校正值μ_i，用其均方根值σ_RMS描述为公式五：

${\mathrm{\σ}}_i={\mathrm{\σ}}_{\mathrm{RMS}}=\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_N{(Q_i-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}{N}}$

则光纤光谱仪第i个曝光像素的信噪比为，公式六：

${\mathrm{SNR}}_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{iall}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{dark}}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_N{(Q_i-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}{N}}}$

或公式七：

${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{\λ}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\λ}}}\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λall}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{dark}}}{\sqrt{\frac{{\mathrm{\Σ}}_N{(Q_{\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}})}^2}{N}}}$

其中，μ_λ、σ_λ、Q_λ分别表示N次测量条件下：波长λ所对应信号的校正值、信号偏离平均值的抖动值和各次测量时原始信号值，μ_λall表示波长λ所对应的原始信号均值。

所述的光纤光谱仪信噪比的精确测量方法，其中，所述步骤101中，所述驱动电源用于控制光纤光源产生稳定的输出；所述光纤光源产生的光信号为紫外、可见光或近红外任意波段；所述可调光衰减器通过连接光纤接收来自光纤光源的光信号，其工作波长、与连接光纤的接口标准应和光纤光源相互匹配，可调光衰减器根据光信号强度需要在计算机控制下精细调节入射光的光强，再由连接光纤将光信号传输到光谱仪中，从而实现不同光强下的光纤光谱仪的信噪比测量；所述连接光纤为FC/UPC、SMA905标准接口；所述主控计算机对可调衰减器进行相应的衰减控制，产生不同强度的入射光信号，并且采集不同光强度下待测像素位置的光谱信号，同时采集阵列光电器件非曝光像素信号作为暗响应，完成不同光强下的信噪比测量。

本发明提出的测量方法能够适应光纤光谱仪信噪比的测量需要，不仅能够减小或降低杂散光的影响，而且通过可调光衰减器能够便捷改变光纤光谱仪的入射光强度大小，实现不同入射光强度下其信噪比的精确地测量，同时利用阵列光电器件的非曝光像素信号作为暗响应能够更加精确地测量信噪比。

在本发明中，可以根据实际需求，通过改变光纤光源、连接光纤和可调光衰减器的类型，能够实现紫外波段、可见波段、近红外波段的光纤光谱仪信噪比的测量。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种光纤光谱仪信噪比的精确测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤101：将驱动电源与光纤光源连接，再将光纤光源通过连接光纤与可调光衰减器连接，将可调光衰减器通过连接光纤与光纤光谱仪连接，同时可调光衰减器及光纤光谱仪分别与主控计算机相连接；步骤102：所述可调光衰减器通过连接光纤接收来自光纤光源的光信号，其工作波长、与连接光纤的接口标准应和光纤光源相互匹配，可调光衰减器根据光信号强度需要在计算机控制下精细调节入射光的光强，再由连接光纤将光信号传输到光谱仪中，从而实现不同光强下的光纤光谱仪的信噪比测量；步骤103：对采用阵列光电器件的光纤光谱仪经过N次信号采集测量，阵列光电探测器第i个曝光像素所对应信号的校正平均值μ_i与信号偏离平均值的抖动值σ_i的比值即为信噪比为公式一：其中，μ_i是曝光像素经过N次测量的平均响应值的校正值，通过直接采集到的原始信号均值μ_iall扣除暗电流响应均值μ_dark得到，公式二：μ_i＝μ_iall-μ_dark，μ_iall通过第i个曝光像素信号值Q_i通过N次测量经平均计算得出，公式三：μ_dark是通过利用阵列光电探测器非曝光像素信号作为暗响应来获取的，将采集到的多个非曝光像素信号均值作为μ_dark，假设光电探测器的非曝光像素个数是M，则μ_dark表示为，公式四：其中，为第m个非曝光像素的暗响应信号值，抖动值σ_i为第i个曝光像素信号值Q_i减去其经N次测量信号均值的校正值μ_i，用其均方根值σ_RMS描述为公式五：则光纤光谱仪第i个曝光像素的信噪比为，公式六： ${\mathrm{SNR}}_i=\frac{{\mathrm{\μ}}_{iall}-{\mathrm{\μ}}_{dark}}{\sqrt{\frac{{\Σ}_N{(Q_i-{\mathrm{\μ}}_i)}^2}{N}}},$ 或公式七： ${\mathrm{SNR}}_{\mathrm{\λ}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}}}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{\λ}}}=\frac{{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}all}-{\mathrm{\μ}}_{dark}}{\sqrt{\frac{{\Σ}_N{(Q_{\mathrm{\λ}}-{\mathrm{\μ}}_{\mathrm{\λ}})}^2}{N}}},$ 其中，μ_λ、σ_λ、σ_λ分别表示N次测量条件下：波长λ所对应信号的校正值、信号偏离平均值的抖动值和各次测量时原始信号值，μ_λall表示波长λ所对应的原始信号均值，所述步骤101中，所述驱动电源用于控制光纤光源产生稳定的输出；所述光纤光源产生的光信号为紫外、可见光或近红外任意波段；所述可调光衰减器通过连接光纤接收来自光纤光源的光信号，其工作波长、与连接光纤的接口标准应和光纤光源相互匹配，可调光衰减器根据光信号强度需要在计算机控制下精细调节入射光的光强，再由连接光纤将光信号传输到光谱仪中，从而实现不同光强下的光纤光谱仪的信噪比测量；所述连接光纤为FC/UPC、SMA905标准接口；所述主控计算机对可调衰减器进行相应的衰减控制，产生不同强度的入射光信号，并且采集不同光强度下待测像素位置的光谱信号，同时采集阵列光电器件非曝光像素信号作为暗响应，完成不同光强下的信噪比测量。