第32卷，第12期 2012年12月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.32,No.12,pp3422-3428
December，2012
基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析与信噪比研究
宣，张颖，李冲冲
赵慧洁，程
北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，精密光机电一体化技术教育部重点实验室，北京100191
要声光可调谐滤波器（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预
灵敏度差异较大，低照度条件下部分波段信噪较低的问题，引人了电子倍增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圈的评价方法，给出了以入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明合，电子倍增模式的合理选择有效
提高了低照度条件下的信操比，改善波段间辐射灵敏度的非一致性。关键调AOTF成像光谱仪；EMCCD；噪声；信噪比；电子倍增模式
中图分类号：TH74
引言
文献标识码：A
DOI; 10. 3964/j. issn, 1000-0593(2012)12-3422-07
BosoonPark等采用带EMCCD的AOTF显微成像系统进行食品致病菌的检测[8)；挪成科技大学的Hernandez-Palacios 等[9利用EMCCD进行了低照度高光谱成像实验，对
成像光谱仪能够对地物成像的同时，得到同一地物的光谱特征信息，在遥感探测领域正发挥越来越重要的作用。按照分光原理的不同，成像光谱仪可分为色散型、干涉型和滤光片型。声光可调谐滤波器（AOTF)成像光谱仪是近年来新兴的一类成像光谐仪器，属于滤波片型，相对于色型和干涉型系统，具有快速电控波长可编程调谐的特点"，日前，美国、洲以及日本等发达国家在AOTF光谱成像系统方面的研究已取得了一定的研究成果。在我国，中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院西安光学精密机械研究所$]以及北京航空航天大学等[6研究单位也开展了AOTF 成像光谐仪原理样机的研制。
光谱成像系统的应用效果非费依赖获取的图像信哦比3。但在低照度条件下，特别是高光谱成像领域，受人射光能量、光谱分解率以及分光元件透过率的影响，仪器的信噪比受到较大的制约。对于AOTF成像光谱仪而言，其分光原理导致不同波长的带宽差别较大，加上衍射效率、光学系统透过率及探测器光谱响应等非均勾性因素的影响，不同波段间的辐射灵敏度存在较大差异，部分波段的信号很弱。为提高系统的探测灵数度，将用于微光成像的电子倍增CCD 探测器(EMCCD)引人高光谱成像系统是一种有益的尝试。近年来，国外开始将EMCCD用于高光谱成研究。2011年
收稿日期：2012-05-04，修订日期：2012-08-20
基金项目：国家自然科学基金项目(61177008，61107013)资助
EMCCD的增益和积分时间对数据质量的影响进行了定性分析。但目前尚未见定量化研究EMCCD对光谱成像系统信噪比影响的相关报道。如何最大化的发挥EMCCD技术的优势，对低照度成像光谱探测有着十分重要的现实意义。
本文分析了基于EMCCD的AOTF成像光谱仪的系统噪声，推导了普通模式和电子倍增模式下的信噪比模型，并利用已研制的原理样机进行了信噪比计算和验证。在此基础上，提出了电子倍增模式下系统动态范围的计算方法和最佳工作模式的定量化选择方法。
基于EMCCD的AOTF成像光谱仪噪声分析
信噪比(SNR)是成像光谱仪的一个重要参数，信噪比的计算一般采用两种方式：比探测率法和等效电子数法。由于后者更适合面阵CCD系统，本文采用等效电子数法分析系
统噪声，建立AOTF成像光谱仪的信噪比计算模型。 1.1系统噪声的相关性
一般认为成像光谱信号中的噪声是不相关的，但Roger 发现AVIRIS中的噪声在像素间存在相关性(10]。由于系统噪声眼成像原理和器件类型息息相关，不同类型系统的噪声相
作者简介：赵慧洁，女，1966年生，北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院教授
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