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。     

850nm高亮度近衍射极限锥形半导体激光器

制备了具有低红暴优势的850 nm大功率高亮度锥形半导体激光器,获得了近衍射极限的激光输出.当连续输功率为200 mW时,光束质量因子M2仅为1.7,亮度高达16.3 MW·cm-2·sr-1;当功率提高到1W时,M2因子和亮度仍分别达到2.8和9.9 MW·cm-2· sr-1.此外,研究了锥形激光器的功率、光谱、远...     

空间调制干涉型和衍射光栅型成像光谱仪信噪比性能的分析比较

以Sagnac空间调制干涉型成像光谱仪和Offner凸面光栅衍射型成像光谱仪为例,着重分析和比较这两类成像光谱仪的信噪比性能。在相同观测条件下,通过推导这两类成像光谱仪所得到的图像像元的光谱辐亮度,指出空间调制干涉型成像光谱仪并不具有高通量和多路复用优势,信噪比也低于衍射光栅成像光谱仪。而且随着光谱谱段数的增加,即光谱分辨率的提高,衍射光栅成像光谱仪的信噪比优势更明显。     

临边成像光谱仪信噪比分析及实验研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。信噪比是定量评价成像光谱仪成像质量和辐射性能的的一项重要指标,信噪比的估算和测量对成像光谱仪的研制至关重要。针对临边成像光谱仪从辐射传输和能量转换角度,建立了信噪比模型,推导了色散型临边成像光谱仪信噪比计算公式,编制了信噪比快速计算程序。利用大气辐射传输软件MODTRAN 4.0模拟计算出在典型观测条件下仪器入瞳光谱辐亮度,从理论上估算了已研制成的临边成像光谱仪原理样机在典型观测条件下的信噪比。结果表明,在典型观测条件下原理样机的信噪比不低于8。作为实验验证,利用内照明积分球光源对临边成像光谱仪原理样机进行了信噪比测量,测量结果证实了理论模型的正确性。     

多TDICCD拼接遥感相机成像串扰分析与抑制

为了解决多时间延迟积分(TDI)电荷耦合器件(CCD)拼接遥感相机不同CCD通道间的成像串扰问题,提高相机信噪比(SNR)和成像质量,利用周期信号的傅里叶级数分析法推导成像串扰的数学模型。根据理论分析结果提出多TDICCD成像串扰的根本原因是CCD工作不同步造成TDICCD成像电路电源的地平面高频扰动影响到了相邻通道CCD有效视频信号的采集。从工程研制实际出发,采取CCD通道之间的工作电源隔离以及共用统一的系统时钟等措施对多TDICCD成像电路系统进行改进,抑制成像串扰的发生。对改进后的多TDICCD成像电路系统进行成像和信噪比测试。实验结果表明,采取的措施有效地去除了CCD通道间成像串扰条纹,相机信噪比得到了显著的提高,在相机入瞳辐亮度为42.6W/(m2·Sr)的条件下,相机信噪比提高18.85dB,达到了50.42dB,且外场成像质量高,满足实际工程的需求。     

基于电子倍增的高光谱成像链模型的系统信噪比分析

高光谱成像的应用效果非常依赖于所获取的图像信噪比(SNR)。在高空间分辨率下,帧速率高、信噪比低,由于光谱成像包含了两维空间-光谱信息,不能使用时间延迟积分(TDI)模式解决光能量弱的问题;目前多采用摆镜降低应用要求,但增加了体积和质量,获取的图像不连续,且运动部件降低了航天的可靠性。基于此,将超高速电子倍增与成像光谱有机结合,构建了基于电子倍增的高分辨率高光谱成像链模型,综合考虑辐射源、地物光谱反射、大气辐射传输、光学系统成像、分光元件特性、探测器光谱响应和相机噪声等各个环节,可用于成像链路信噪比的完整分析。采用LOWTRAN 7软件进行大气辐射传输计算,对不同太阳高度角和地物反射率计算像面的照度,根据电子倍增电荷耦合器件(EMCCD)探测器的噪声模型,计算出不同工作条件下的SNR。对SNR的分析和实验,选择适当的电子倍增增益,可使微弱光谱信号SNR提高6倍。     

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。     

微型光谱仪增益及读出噪声的测量方法

精确地测量增益及读出噪声对微型光谱仪性能评价及光谱数据处理十分重要。基于微型光谱仪的噪声原理,推导出输出信号与噪声的函数关系,从而提出了一种测量微型光谱仪增益及读出噪声的方法,并以此搭建了测量系统。对自主研制的微型光谱仪进行了测量,得到其增益为2.02e-/ADU,读出噪声为68.92e-。与光子转移曲线法和暗光谱法测得的实验数据进行对比,进一步验证了该方法的可行性和有效性。该方法理论推导过程严谨,操作过程简单,可广泛应用于各型号微型光谱仪增益及读出噪声的测量。     

高精度线偏振辐射计数据采集系统设计

根据高精度线偏振辐射计应用需求,设计了基于电容积分法的可见光至短波红外波段偏振辐射计信号采集系统。简要介绍了高精度线偏振辐射计的工作原理,分析其采集系统具有的探测信号动态范围大、采样频率低和探测精度高的特点;建立了基于跨阻放大法和电容积分法的2种放大电路噪声模型,并推导出信噪比公式,采用DDC112的电容积分法放大电路的数据采集系统能够有效减小系统噪声、简化电路设计、提高系统灵活性和系统信噪比;实验测试了系统的动态范围、等效噪声辐亮度、信噪比、稳定性和线偏振度,并进行了外场试验。实验结果表明:该数据采集系统具有较高的响应动态范围,等效噪声辐亮度比较理想,常规气溶胶探测波段信噪比≥127,典型地表探测波段信噪比≥147,仪器稳定性优越,线偏振度测量精度优于0.5%,达到仪器设计指标。     

星载傅里叶变换红外光谱仪的脉冲噪声抑制方法

在分析星载傅里叶变换红外光谱仪干涉图的噪声特性后,提出一种抑制脉冲噪声的方法。计算以干涉图的采样点、相对零光程差得到的对称点、两侧采样点后,对得到的插值点建立参照值,通过与阈值比较确定脉冲噪声位置。实验表明,所提方法可以将光谱相对偏差由0.24%抑制到0.17%,将噪声等效辐亮度差由0.069 mW·m~(-2)·sr~(-1)·cm抑制到0.056 mW·m~(-2)·sr~(-1)·cm。所提方法在抑制脉冲噪声的同时保留了有效光谱信息,提高了星载傅里叶变换红外光谱仪的探测灵敏度。     

成像光谱仪绝对辐射定标技术研究

为了实现成像光谱仪绝对辐射定标,以高稳定均匀光源为基础,结合单色仪、大口径平行光管和标准辐射计,建立了一套绝对辐射定标系统。在绝对辐射定标系统上采用替代法标准辐射计标定出被测成像光谱仪入瞳面上的光谱辐射照度,通过获得被测成像光谱仪各像元的输出信号,计算得到各像元的光谱辐射照度响应度,从而实现成像光谱仪可见到远红外波段范围内的绝对辐射定标。实验验证成像光谱仪绝对辐射定标的不确定度优于5%。     

Testing technology of vacuum ultraviolet spectral radiance北大核心CSCD

The spectral radiance of vacuum ultraviolet (UV) target is of crucial significance to plenty of researches including deep space exploration and spacecraft damage test. Two types of test systems and methods for vacuum UV light sources were studied. Through the research of test method for vacuum UV spectral radiance, a corresponding test system was developed, which included vacuum UV standard light source, optical imaging system, light splitting module, vacuum UV detector module, vacuum chamber and data processing system. According to the direct measurement method and the comparative method, the spectral radiance of deuterium lamps was tested and analyzed, the influencing factors and the relative index error of vacuum UV spectral radiance were discussed, and the accurate measurement of vacuum UV spectral radiance in the five wavelength ranges of 121.2 nm, 135.6 nm, 160 nm, 180 nm, 200 nm at 0.01 μW/cm2·nm·sr~1 μW/ cm2·nm·sr was realized. The repeatability of the measurement is 0.001 34, which shows that the proposed test system can realize the test of vacuum UV signal. © 2022 Editorial office of Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

SNR and functional sensitivity of BOLD and perfusion-based fMRI using arterial spin labeling with spiral SENSE at 3 T

Blood oxygenation level-dependent (BOLD) functional magnetic resonance imaging (fMRI) studies using parallel imaging to reduce the readout window have reported a loss in temporal signal-to-noise ratio (SNR) that is less than would be expected given a purely thermal noise model. In this study, the impact of parallel imaging on the noise components and functional sensitivity of both BOLD and perfusion-based fMRI data was investigated. Dual-echo arterial spin labeling data were acquired on five subjects using sensitivity encoding (SENSE), at reduction factors (R) of 1, 2 and 3. Direct recording of cardiac and respiratory activity during data acquisition enabled the retrospective removal of physiological noise. The temporal SNR of the perfusion time series closely followed the thermal noise prediction of a √R loss in SNR as the readout window was shortened, with temporal SNR values (relative to the R=1 data) of 0.72 and 0.56 for the R=2 and R=3 data, respectively, after accounting for physiological noise. However, the BOLD temporal SNR decreased more slowly than predicted even after accounting for physiological noise, with relative temporal SNR values of 0.80 and 0.63 for the R=2 and R=3 data, respectively. Spectral analysis revealed that the BOLD trends were dominated by low-frequency fluctuations, which were not dominant in the perfusion data due to signal processing differences. The functional sensitivity, assessed using mean F values over activated regions of interest (ROIs), followed the temporal SNR trends for the BOLD data. However, results for the perfusion data were more dependent on the threshold used for ROI selection, most likely due to the inherently low SNR of functional perfusion data.     

地面长波红外高光谱成像气体探测研究

报道了地面长波红外遥测的新进展 ,具体阐述了窗扫时空调制傅里叶光谱成像技术的实现过程.演示装置基于角锥反射镜M ichelson干涉具 ,构成了空间调制干涉 ;采用了制冷型长波红外焦平面探测器组件 ,通过对数据立方体的采集、重组、基线校正、切趾、相位校正和傅里叶变换等处理 ,实现了长波红外波段高光谱成像.自研的CHIPED-1长波红外高光谱成像原理实验装置的探测灵敏度指标噪声等效辐射通量密度NESR在单次采样时达到了5.6 × 10-8 W · (cm-1 · sr · cm2 )-1 ,与商品化时间调制干涉高光谱成像仪相当 ;反映了技术的先进性 ,并留有较大的改进空间.通过测试聚丙烯薄膜的透过率曲线 ,CHIPED-1红外高光谱成像原理实验装置的光谱响应范围达到了11. 5 μm.文章还以室外高楼和乙醚气体的探测实验为例 ,研究了二维分布化学气体VOC的高光谱成像探测方法.在复杂背景和低试验浓度情况下 ,从同一波数的红外光谱切片上 ,观察不出乙醚蒸气的存在 ,但是进行了差谱处理后 ,可以清楚看到乙醚蒸气的空间分布.高光谱方法应用在有机蒸气VOC的红外探测领域 ,相对于宽波段热成像方法 ,具有灵敏度高、抗干扰能力强和识别种类多等诸多优势.     

近紫外到近红外光谱辐射计及定标方法研究

为实现目标光谱辐射亮度的高精度测量，研制了一种小视场近紫外到近红外光谱辐射计，光谱范围为300 nm~2 000 nm，光谱辐射亮度测量范围为50μW/cm2·nm·sr~1 000μW/cm2·nm·sr。阐述了近紫外到近红外光谱辐射计设计原理及关键部件，使用基于钨带灯的直接定标法实现了光谱辐射计光谱辐射亮度绝对定标，测量了标准积分球光源的光谱辐射亮度，测量值与积分球光源标准值偏差优于0.5%。     

基于极值统计的拉曼光谱信噪比评估方法与应用

随着近年来便携式光谱仪技术的迅速发展,CCD光谱仪相对于传统光谱仪在光谱收集方式上发生了很多变化：（1）采集到的光谱对信号进行叠加积分,传统信噪比评估方法无法通过单次检测获得探测器波动;（2）对于谱图噪声（谱线随机波动）,由探测器响应随机波动和扫描重复误差转变为CCD探测器像素响应差异、探测器随机噪声和与光学系统分辨力有关的模式噪声。噪声类型发生改变,导致原有的光谱质量评价方法适用性变差,基于实测光谱提出更具适应性的光谱质量评价方法具有很强的现实意义。根据拉曼光谱仪检测器的变化,对采集光谱信号的成分进行分析,在该分析的基础上提出了CCD光谱仪的噪声模型假设,根据该假设使用不同的信号极值点频率对不同的噪声进行像素分离,并对噪声频率模式进行了数值模拟,模拟结果与假设相符;在此基础上提出并实验验证了通过谱线极值间距评估谱线噪声的拉曼光谱信噪比评估方法,该方法包括以下两个步骤：（1）通过采集多次实测光谱进行叠加,叠加过程中对对应不同频次的光谱极值点数量进行统计,得到统计结果后基于文中规律分离光谱仪中的环境噪声和暗噪声;（2）应用上述分离结果,对实测光谱中对应暗噪声的谱线极值点作统计平均,再将该值应用于文中公式,计算得到信噪比。该方法在进行了步骤（1）的前期准备后,可以通过单张谱图评估CCD拉曼光谱仪的随机噪声,并用于评估光谱的信噪比。基于光学构架相同、CCD探测器不同的三个拉曼光谱系统进行实验,采用该方法通过设定信噪比阈值对谱图质量进行控制,获得了一致的光谱曲线;基于该方法对同步叠加平均法进行信噪比拟合,拟合优度达到98%。该方法可用于拉曼光谱仪的性能评估和获取拉曼光谱谱图的质量实时控制。理论和实验表明：对于基于CCD探测器的拉曼光谱仪器,当确定样品和特征峰时,可以基于此方法获得信噪比。该方法还可用于比对不同配置的拉曼光谱设备,以及作为控制谱图质量一致性的标准,并对基于拉曼光谱技术的智能鉴别系统的开发具有指导意义。     

A novel wide-dynamic-range logarithmic-response bipolar junction photogate transistor for CMOS imagers

In this paper, a new photodetector, bipolar junction photogate transistor (BJPG), is proposed for CMOS imagers. Due to an injection p+n junction introduced, the photo-charges drift through the p+n junction by the applied electronic field, and on the other hand, the p+n junction injects the carriers into the channel to carry the photo-charges. Therefore this device can increase the readout rate of the pixel signal charges and the photoelectron transferring efficiency. Using this new device, a new type of logarithmic pixel circuit is obtained with a wide dynamic range which makes photo-detector more suitable for imaging the naturally illuminated scenes. The simulations show that the photo current density of BJPG increases logarithmically with the incident light power due to the introduced injection p+n junction. The noise characteristics of BJPG are analyzed in detail and a new gate-induced noise is proposed. Based on the established numerical analytical model of noise, the power spectrum density curves a