大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比研究

大孔径静态干涉成像光谱仪获取图谱数据立方体的过程包含干涉仪调制、探测器矩形函数卷积采样和光谱反演,其光谱信噪比评估模型复杂。从光谱能量调制、采样、反演的完整传输过程入手,根据探测器矩形卷积采样原理,采用离散傅里叶变换取实部的光谱反演方法,进行信号与噪声的理论推导,建立了大孔径静态干涉成像光谱仪光谱信噪比评估模型。考虑了与波数相关的光学系统透过率、干涉仪分束面效率、探测器量子效率等仪器设计参数和主要电路噪声参数,进行了光谱信噪比仿真计算。利用LASIS仪器进行了光谱信噪比实验测试,测试结果与模型仿真计算结果平均偏差为3.58%,单谱段信噪比趋势基本吻合,验证了评估模型的正确性。评估模型中包含了典型LASIS成像光谱仪由输入光谱辐射到输出光谱数据的各项主要技术环节,在信噪比计算公式中带入干涉仪分束面干涉效率、探测器矩形采样方式等因素对仪器光谱信噪比的影响算子,并利用实际仪器进行了实验验证,对提高LASIS成像光谱仪工程设计水平具有指导意义。     

星载差分吸收光谱仪噪声分析及处理方法

噪声对星载大气痕量气体差分吸收光谱仪信噪比具有重大影响,其是衡量光谱仪成像质量和痕量气体反演能力的标准。为量化并去除光谱仪系统噪声从而提高信噪比,分析了光谱仪噪声来源并给出了相应噪声模型,在此基础上建立了光谱仪信噪比模型。研究了入射光强度、积分时间和系统增益对系统信噪比的影响。通过光谱仪辐射定标试验数据对不同工作模式和不同参数与信噪比的关系进行了对比验证。并提出主要系统噪声的处理方法：利用线性拟合取截距法确定系统偏置噪声;在地面利用暗电流温度相关性获得温度修正因子实现载荷在轨暗电流校正;在探测器响应线性范围内利用两点校正法对PRNU噪声进行修正。结果表明：全幅成像模式下,可见1通道电子学偏置噪声响应DN值2 625,可见2通道电子学偏置噪声响应DN值2 763;暗电流噪声在CCD成像面温度高于0 ℃时占主要部分,温度下降至-20 ℃时其余噪声起主导作用,验证了CCD最佳制冷温度;光谱仪信噪比随着入射光响应和积分时间的增加而增大,系统增益不会影响信噪比;PRNU噪声通过校正得到明显改善,由3.32%下降到0.47%,提高了光谱仪成像质量。该噪声分析和处理方法对后期光谱数据的痕量气体反演提供帮助。     

新型偏振干涉成像光谱仪噪声分析与评价

简要论述了自行设计、研制的新型偏振干涉成像光谱仪的基本原理;对该新型偏振干涉成像光谱仪的噪声进行了全面分析;给出了与系统通量相关的总噪声理论表达式;提出了结合成像光谱仪系统、CCD图像传感器与光谱图像提取噪声的分析方法;辅以信噪比的评价,得知成像光谱仪系统通量虽然对噪声具有巨大贡献,但不会影响系统信噪比;为成像光谱仪信噪比的准确计算与降噪方法的有效采用提供了新的理论指导.     

基于线阵CCD的小型光谱仪光度特性研究

基于线阵电荷耦合器件（CCD）的小型光谱仪具有便于携带和快速探测的优点，故特别适于现场检测应用。介绍一种自行研制的小型光栅光谱仪，它采用Czerny-Turner式光学结构，并用线阵CCD作为探测器。该光谱仪光度特性的实验检测结果证明：实验样机的光度精密度优于±0.04Abs，光度准确度为±0.04Abs（0Abs～1Abs）。实验分析了光谱仪的杂散光、光度噪声和基线平直度等指标对仪器光度准确度的影响。最后针对小型光谱仪的特点提出改善其光度特性的措施。     

基于PowderX软件的拉曼光谱数据处理

将处理 X射线衍射谱的 Powder X软件用于处理拉曼光谱数据 ,可方便地获得谱线中各个拉曼峰的位置、强度和半高宽等信息。经过平滑、去背景后 ,拉曼谱图的变化趋势与原始谱图吻合 ,谱线的信噪比及分辨率也有所提高 ,表明 Powder X软件完全可用于拉曼光谱的数据处理     

空间外差光谱仪干涉图滤波方法研究

在分析空间外差光谱仪干涉图生成及特点的基础上,提出了基于改进旋滤波的干涉图降噪方法。该方法是在干涉条纹的切线方向进行滤波,能够在不改变干涉图条纹细节的基础上减少干涉图中的随机噪声和暗斑噪声的影响。同时该方法还能有效降低平均光谱的背景噪声,提高特征光谱与背景噪声的信噪比,结果显示旋滤波方法对加入噪声前后干涉图的平均光谱背景噪声信噪比改善分别为47%和240%,能够将一些峰值较小的特征谱从背景噪声中提取出来,提高空间外差光谱技术对一些弱特征光谱的识别率。     

核酸碱基的付立叶变换红外拉曼光谱特征

本文给出了核酸碱基付立叶变换红外（ＦＴ—ＩＲ）激光拉曼光谱特征，并与可见光激光拉曼光谱进行了比较。结果表明，付立叶变换红外激光拉曼获得较可见光激光拉曼光谱波数范围更宽（低波数）的谱带范围，所获谱图荧光干扰小，谱图质量明显高于普通激光拉曼光谱谱图。     

CCD摄像机的输出调制度阈值分析

应用数理统计学的有关内容对CCD输出信号中的随机噪声进行了相关分析。引入了“噪声等效调制度”这一概念 ,利用计算机模拟技术对摄像机成像时所产生的随机噪声进行了模拟与计算。通过计算机模拟 ,推导出了噪声等效调制度与CCD摄像机系统信噪比之间的关系。将信噪比对CCD摄像机成像质量的影响予以量化 ,并对摄像机的输出调制度阈值进行了分析与计算     

机载成像光谱仪CCD制冷系统设计与实现

为减小紫外成像光谱仪中CCD暗电流噪声,提高系统信噪比,需要对CCD进行制冷.为此采用模拟比例-积分-微分电路设计了CCD制冷电路,利用Zregler-Nicholas经验整定方法确定比例-积分-微分参量,以实现降温速率不大于5℃/min、温度稳定度为±0.05℃,满足最大制冷温差.将该制冷系统应用于机载成像光谱仪进行了测试,结果表明:环境温度变化不会影响制冷效果,在达到制冷目标温度-20℃后,CCD探测器暗背景下光谱维噪声平均灰度响应值为1 072,暗背景信号非均匀性下降到0.5%,满足光谱数据反演要求.     

低强度X射线影像系统的噪声分析及图像去噪处理

新型低强度X射线影像系统主要是由平板式单近贴静电聚焦X射线像增强器和CCD数据采集系统构成，根据系统的组成，分析了图像噪声来源，指出了它们的噪声整全为泊松分布规律的随机白噪声，局部也有正负脉冲干扰等特点，以此提出了处理该图像噪声的“多帧平均滤波＋极值中值滤波”的复合算法，即先根据随机噪声互不相关的特点，将多幅图像叠加平均，突出有效信息，压缩噪声。再在改进标准中值滤波基础上，采用极值中值滤波，更好地去除噪声，保留细节。通过对峰值信噪比的计算表明，该方法明优于任何单一算法，取得较好效果。     

Signal-to-noise ratio of Raman signal measured by multichannel detectors

Raman spectroscopy has been widely used to characterize the physical properties of two-dimensional materials(2 DMs). The signal-to-noise ratio(SNR or S/N ratio) of Raman signal usually serves as an important indicator to evaluate the instrumental performance rather than Raman intensity itself. Multichannel detectors with outstanding sensitivity, rapid acquisition speed and low noise level have been widely equipped in Raman instruments for the measurement of Raman signal. In this mini-review, we first introduce the recent advances of Raman spectroscopy of 2 DMs. Then we take the most commonly used CCD detector and IGA array detector as examples to overview the various noise sources in Raman measurements and analyze their potential influences on SNR of Raman signal in experiments. This overview can contribute to a better understanding on the SNR of Raman signal and the performance of multichannel detector for numerous researchers and instrumental design for industry, as well as offer practical strategies for improving spectral quality in routine measurement.     

基于匹配追踪的拉曼光谱信号重构算法

拉曼光谱技术是一种高灵敏度、无损伤、振动分子光谱技术,在医药、生物、分析化学等诸多领域有着重要的作用。然而,由于拉曼散射强度低,实际测得的拉曼信号容易被噪声所污染。特别是在较短的曝光时间,收集到的拉曼光谱的信噪比很低。因此,提出了一种基于匹配追踪算法的信号重构方法,用于提取低信噪比的拉曼信号。该方法首先通过阈值循环迭代的方法在平均谱上找出特征峰的位置、估计峰的区间。根据峰的位置区间等信息,用高斯密度函数生成字典。在噪声谱上,根据特征峰位置和区间,将其区分为有信号区间和无信号区间,在有信号区间上利用匹配追踪算法重构被噪声所掩盖的拉曼信号。该算法不仅能够很好的逼近掩盖在噪声中的拉曼信号,且在重构信号的过程中也会对基线进行扣除,无须作基线校正处理。在仿真和实验中对该算法与常规算法进行了比较,结果证明,该算法在低信噪比条件下能够较好的恢复拉曼信号。该算法不同于传统光谱去噪算法,能同时对拉曼光谱进行了基线扣除以及噪声的处理,且能取得较为理想的结果,不需要使用不同的算法对基线和噪声分别处理。其次,在算法上我们创造性地将匹配追踪算法用于拉曼光谱信号的稀疏逼近求解。     

激光拉曼定量分析氘气方法研究

应用拉曼光谱法对氘气在不同条件下的谱峰信噪比进行了实验研究。采用32 mW功率的Ar+激光器(514 nm),通过石英玻璃管,研究了光栅、激光功率、曝光时间和气体压强对氘气拉曼谱图信噪比的影响,得出了氘气拉曼光谱信噪比与激光功率、曝光时间和气体压强呈正比关系。绘制出适用于本套实验仪器的不同压力与信噪比的标准曲线,并用三组随机样品对关系式SNR(J 2→2)=10.6×10-4p+1.271 34进行验证。当氘气压强为21 280 Pa时,相对误差是4.8%,并且当压强增大到67 235 Pa时,相对误差下降到1.46%。     

基于空间外差的拉曼信号处理方法研究

空间外差拉曼光谱技术是近年兴起的一种超光谱探测技术,它既具有拉曼光谱测量的非接触、快速、简单、可重复、无需样品准备等特点,更具有空间外差的超光谱分辨率、高通量、无运动部件优点,能在被测物质特征波长中心范围探测,实现微弱拉曼光信号的直接测量。由于被测信号微弱、光学元件加工精度、器件封装及仪器安装误差等原因,会导致空间外差拉曼光谱仪(SHRS)接收到的干涉图存在光强分布不均匀、干涉条纹倾斜或扭曲等现象,从而使普通光谱恢复方法得到光谱信号准确度下降或无法识别。根据SHRS探测到的干涉图所存在的误差特点,将二维傅里叶变换应用于SHRS干涉图的光谱复原,提出基于二维频域谱重采样的最强直线方向光谱提取方法,以实现SHRS光谱的获取。提取过程为：将采集的目标干涉图进行二维傅里叶变换,获得二维频谱图,通过使用相同实验系统采集的单波长或多波长光源的二维频谱信号特征峰的位置信息,拟合获取光信息强度最大方向直线方程。然后根据该直线与目标二维频谱图各列交点坐标位置,确定重采样贡献像元及权重。对拟合直线方程经过的所有列像元进行重采样,得到最终的光谱信号。将该方法应用于自行搭建实验系统采集的三叶草干涉图数据,同时与其他方法光谱复原结果进行对比。结果表明：与一维行平均光谱法比较,该方法获取的光谱在探测波段中心区域信号强度更加明显,同时消除了探测器热噪声的影响;与二维频谱中心行直接提取法比较,该方法是该方法的改进版本,两者结果比较接近。但是由于考虑到干涉条纹y分量的影响,沿二维频谱信号最强方向重采样得到的最终光谱,其主峰半峰宽更窄、边频噪声强度更小,且随着y分量的增加,光谱复原效果及优势将越发明显。该方法是空间外差拉曼光谱技术数据处理的一种有益补充与尝试。     

窄带傅里叶变换光谱仪中平稳高斯噪声的理论分析

在本文所研究的空间调制型傅里叶变换光谱仪中, 在窄的光谱带宽内进行探测可以有效提高光谱的分辨率. 为了研究光源辐射噪声对系统的影响, 本文将辐射噪声归纳为一种高斯窄带的平稳随机过程, 利用线性系统分析方法, 根据统计学原理推导了辐射噪声作为随机变量通过干涉系统前后的输入信噪比与输出信噪比. 然后, 对于一个具有窄带矩形光谱的系统进行了计算仿真, 得出了信噪比增益随着光程差在不同自相关度和互相关度取值时的变化情况. 仿真结果表明, 不同光程差下的信噪比增益在相关度空间是一单调的平滑曲面, 增益极值始终沿着相关度圆的半径和周线移动, 并且经过一个光程差又回到初始的位置. 根据对信噪比增益的分析, 可以将噪声的相关度取值控制在某一范围之内, 并作为系统光源设计与测试的依据.     

Upgrade of a Raman Spectrometer

Abstract

Improvement of a conventional JEOL Raman spectrometer with a single channel photo multiplier detector is described. New optical components [fibers, mirror, lens, and charge coupled device detector (CCD)] have been chosen to design a high quality and easy‐to‐use instrument. Tests have shown that with this modified spectrometer, Raman spectra can be acquired of a quality comparable to the spectra obtained previously, but the time needed to obtain a spectrum is markedly reduced. Selected test spectra and a simple calibration procedure to obtain the wavenumber values from the band CCD pixel position are presented.     

Implementation of a novel low‐noise InGaAs detector enabling rapid near‐infrared multichannel Raman spectroscopy of pigmented biological samples

Pigmented tissues are inaccessible to Raman spectroscopy using visible laser light because of the high level of laser‐induced tissue fluorescence. The fluorescence contribution to the acquired Raman signal can be reduced by using an excitation wavelength in the near infrared range around 1000 nm. This will shift the Raman spectrum above 1100 nm, which is the principal upper detection limit for silicon‐based CCD detectors. For wavelengths above 1100 nm indium gallium arsenide detectors can be used. However, InGaAs detectors have not yet demonstrated satisfactory noise level characteristics for demanding Raman applications. We have tested and implemented for the first time a novel sensitive InGaAs imaging camera with extremely low readout noise for multichannel Raman spectroscopy in the short‐wave infrared (SWIR) region. The effective readout noise of two electrons is comparable to that of high quality CCDs and two orders of magnitude lower than that of other commercially available InGaAs detector arrays. With an in‐house built Raman system we demonstrate detection of shot‐noise limited high quality Raman spectra of pigmented samples in the high wavenumber region, whereas a more traditional excitation laser wavelength (671 nm) could not generate a useful Raman signal because of high fluorescence. Our Raman instrument makes it possible to substantially decrease fluorescence background and to obtain high quality Raman spectra from pigmented biological samples in integration times well below 20 s. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

多道激光Raman光谱检测系统

设计了一种多道激光Ｒａｍａｎ光谱检测系统,由Ａｒ＾＋激光器、外光路、多色仪和光学多道分析仪（ＯＭＡⅡ）组成,通过对ＣＣｌ４、Ｃ６Ｈ６、Ｃ６Ｈ１２的Ｒａｍａｎ光谱的检测表明,与单道激光Ｒａｍａｎ光谱检测系统相比,多道系统大大缩短记录Ｒａｍａｎ光谱的时间,但每道的积分时间可延长至１０－５０ｓ,将多道探测器的工作温度降低到５℃,可获得信噪比高、灵敏度高、质量好的Ｒａｍａｎ光谱。采用微分软件处理Ｒａｍａｎ     

基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析与信噪比研究

声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪是一种新型高光谱成像系统。针对系统存在的波段间辐射灵敏度差异较大,低照度条件下部分波段信噪较低的问题,引入了电子倍增CCD(EMCCD)作为感光器件。对该原理仪器在普通和电子倍增两种工作模式下的噪声进行了分析,推导了信噪比模型,并利用研制的原理样机进行了实验验证。在此基础上,提出了电子倍增模式下系统动态范围的评价方法,给出了以入瞳光谱辐亮度为判据的工作模式选择方法。结果表明,信噪比模型与实测结果吻合,电子倍增模式的合理选择有效提高了低照度条件下的信噪比,改善波段间辐射灵敏度的非一致性。