光譜學(xué)術(shù)語(yǔ)和定義詞解析2

Dark Current

暗電流

暗電流是因?yàn)殡S機(jī)熱波動(dòng)提供足夠的能量，提升電子穿過(guò)帶隙，進(jìn)而形成電子空穴對(duì)。電子空穴對(duì)被局部電場(chǎng)分隔開(kāi)，自由電子儲(chǔ)存在像元阱中。光譜儀沒(méi)法從入射光子產(chǎn)生的電子中分辨出熱波動(dòng)產(chǎn)生的電子，因此在它們?cè)诠庾V儀的光譜中表現(xiàn)為噪聲。在給定溫度下，電子空穴對(duì)的產(chǎn)生率被稱(chēng)作暗電流。散粒噪聲導(dǎo)致暗電流的波動(dòng)，從而形成暗噪聲。因?yàn)榘惦娏魇怯蛇B續(xù)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)形成的，所以更長(zhǎng)的積分時(shí)間將導(dǎo)致更多數(shù)量的形成暗電流所需的電子產(chǎn)生。CCD的熱電冷卻能顯著降低暗電流和暗噪聲，在實(shí)踐中，高性能的光譜儀通常將溫度冷卻在暗電流在一次典型積分間隔中是微不足道的程度。用TEC制冷可以大幅度的減低暗電流。

Dark Noise

暗噪聲

暗噪聲是由于CCD的硅結(jié)構(gòu)內(nèi)熱產(chǎn)生的電子 - 空穴對(duì)的數(shù)量的統(tǒng)計(jì)變化形成的。暗噪聲與光子產(chǎn)生的信號(hào)無(wú)關(guān)，但與設(shè)備溫度有很大的關(guān)系。在給定的CCD溫度下，電子的產(chǎn)生率被稱(chēng)作暗電流。暗噪聲是散粒噪聲的一種形式，它與暗電流有直接關(guān)系，它的大小等于積分時(shí)間內(nèi)電子產(chǎn)生的數(shù)量的平方根。CCD的熱電冷卻可以顯著減小暗電流和暗噪聲。在光譜儀中，在光子能是很低且暗噪聲可以輕易掩蓋有效信號(hào)時(shí)，熱電冷卻可以將暗電流減小到在整個(gè)積分間隔時(shí)間內(nèi)可以不計(jì)的程度。

Dark Spectrum

暗光譜

暗光譜是指在沒(méi)有光入射（無(wú)論是從樣品發(fā)出，還是周?chē)沫h(huán)境光源發(fā)出的光都不存在）的情況下，光譜儀在給定積分時(shí)間內(nèi)一系列的光譜的波長(zhǎng)數(shù)值。暗光譜被用來(lái)校正基線(xiàn)回歸和固定圖形噪聲。暗光譜在其他海洋光學(xué)文獻(xiàn)中也被稱(chēng)作“暗信號(hào)”。值得注意的是，暗光譜不同于背景光譜，背景光譜代表了在沒(méi)有參考光源時(shí)光譜儀的信號(hào)。

Diffraction Grating

衍射光柵

在光學(xué)中，衍射光柵是一個(gè)有周期條紋結(jié)構(gòu)的光學(xué)元件，它可以使光發(fā)生衍射并在不同的方向上分成不同的光束。這些光束的方向取決于光柵的條紋間距和光的波長(zhǎng)（對(duì)光譜學(xué)來(lái)說(shuō)最重要）。在光譜儀中，光柵充當(dāng)一個(gè)分光元件?？傊苌涔鈻攀且环N由密集﹑等間距平行刻線(xiàn)構(gòu)成的非常重要的光學(xué)器件，分反射和透射兩大類(lèi)

Diffuse

色散

光進(jìn)入樣品或光譜儀時(shí)可能發(fā)生色散或準(zhǔn)直。色散光包含了多個(gè)方向的光束，而準(zhǔn)直光只包含平行入射的光束。

為了得到自由空間的測(cè)量，在光譜儀上連接一個(gè)海洋光譜色散儀配件。這可以捕捉180°視野范圍的光纖。色散儀同樣可以用來(lái)捕捉平面發(fā)出的光譜。（光譜儀配件，CC-3-UV-S，漫反射塑料片，使光譜儀可以捕捉180°的散射光，收集到的光符合朗博特性）

Dynamic Range (Single Acquisition/System)

動(dòng)態(tài)范圍

動(dòng)態(tài)范圍是指最大可檢信號(hào)（接近飽和時(shí)）值除以最小可檢信號(hào) ，這可以認(rèn)為是被光譜儀分解成的不同強(qiáng)度單元。最小可檢信號(hào)定義為平均值等同于基線(xiàn)噪聲的信號(hào)，這代表了信噪比為1。我們一般認(rèn)為最弱信號(hào)是指3倍于噪聲信號(hào)

單次信號(hào)采集的動(dòng)態(tài)范圍是指在最短的積分時(shí)間內(nèi)得到最大可能的動(dòng)態(tài)范圍。整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍是指在最長(zhǎng)的積分時(shí)間下最大信號(hào)與最小信號(hào)的比，乘以最長(zhǎng)積分時(shí)間與最短積分時(shí)間的比

信號(hào)采集的動(dòng)態(tài)范圍=飽和狀態(tài)下信號(hào)強(qiáng)度/最短積分時(shí)間下的基線(xiàn)噪聲

系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)范圍=（飽和狀態(tài)下的信號(hào)強(qiáng)度/最長(zhǎng)積分時(shí)間下的基線(xiàn)噪聲）x（最長(zhǎng)積分時(shí)間/最短積分時(shí)間）

Electric Dark Correction

電子暗噪聲校正（電子暗噪聲扣除）

電子暗噪聲：由于不需要的像元素產(chǎn)生的噪聲

光譜噪聲：包含：電子暗噪聲、由于光的不穩(wěn)定性造成的噪聲，

為了補(bǔ)償隨時(shí)間變化的回歸基線(xiàn)產(chǎn)生的變化，海洋光學(xué)光譜儀都有一組有不參加光譜圖的像元（這些像元接收不到光）。將這些暗像元的輸出值作平均，并在電子暗噪聲校正激活狀態(tài)下從檢測(cè)器中所有像元的輸出值中減去。這會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)器所有像元總數(shù)的基線(xiàn)回歸（沒(méi)有光入射）讀數(shù)下降到零左右，更重要的是，整個(gè)試驗(yàn)中任何可能產(chǎn)生的基線(xiàn)回歸的變化都會(huì)被自動(dòng)補(bǔ)償。強(qiáng)烈推薦用電子暗噪聲校正。

Electronic Noise

電子噪聲

組成電子噪聲的其中一種噪聲是在A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)通道中產(chǎn)生的。這可能是由于設(shè)備中其他電子元件耦合的噪聲，放大器噪聲或A/D轉(zhuǎn)換錯(cuò)誤的結(jié)果導(dǎo)致的。這些早生轉(zhuǎn)換完全相同的電荷并不一定得到完全相同的A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。量化誤差也是產(chǎn)生電子噪聲的原因之一。

Fixed Pattern Noise

固定圖形噪聲（FPN ）（固定型譜噪聲）

每一個(gè)像元相當(dāng)于一個(gè)單獨(dú)的檢測(cè)器，在相鄰像元之間的基線(xiàn)回歸和靈敏度可能稍有不同。這里靈敏度的不同被稱(chēng)作圖片響應(yīng)的非一致性（PRNU）。這會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)的非隨機(jī)結(jié)構(gòu)。它的影響可以通過(guò)在軟件中減去暗光譜和進(jìn)行照度定標(biāo)來(lái)補(bǔ)償。

Fluorescence

熒光

熒光是指吸收光和后來(lái)的發(fā)射光是兩個(gè)不同的頻率或波長(zhǎng)。這通常出現(xiàn)在一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置中，一種低波長(zhǎng)帶的入射光在一個(gè)方向上被吸收，另一種更高波長(zhǎng)帶的光在所有方向被發(fā)射出。在樣品吸收紫外光（人眼不可見(jiàn)），發(fā)射可見(jiàn)光的時(shí)候，這種情況更加明顯。

樣品分子可以是激發(fā)電子，由于入射光子的影響而振動(dòng)，通過(guò)加熱周?chē)鷺悠范兂筛偷恼駝?dòng)狀態(tài)，然后電子返回基態(tài)，發(fā)射比吸收的光子更低能量（更高波長(zhǎng)）的光子。

熒光可以用于研究一些樣品，因?yàn)闊晒夥肿訒?huì)吸收特定波長(zhǎng)的光，發(fā)射另一種光。通過(guò)已知的入射光波長(zhǎng)，根據(jù)樣品發(fā)出的光譜可以鑒定出樣品的組成。因?yàn)闊晒獍l(fā)生在分子范疇（通常一種光子入射，一種光子發(fā)出），這是唯一一種可以鑒定單分子的光譜技術(shù)。另請(qǐng)參閱熒光測(cè)量技術(shù)。

Fluorophore Coating

熒光涂層

熒光粉涂層是應(yīng)用在檢測(cè)器上用來(lái)提高紫外波段的靈敏性。這種涂層能夠發(fā)射出被檢測(cè)器紫外末端的像元識(shí)別的更低頻率的光子。參考紫外涂層。

F-number

F-number是光學(xué)組件的直徑和它的焦距之間的比值，這和數(shù)值孔徑是有關(guān)系的。比如：在很多海洋的光譜儀上，準(zhǔn)直鏡是F/4（有時(shí)候會(huì)寫(xiě)成?:4或者?-4）。這意味著焦距是準(zhǔn)直鏡的直徑的4倍。一個(gè)光學(xué)組件的F-number越小，它越容易收集到光，但是比F-number大的部件更容易收到像差的影響。在所有光學(xué)系統(tǒng)中，有效F-number是光學(xué)系統(tǒng)的最大F-number決定的。

Full Width at Half Maximum (FWHM)

半峰寬

在分析圖表中的光譜峰時(shí)，半峰寬（FWHM）是一個(gè)描述波峰的形狀和總值的有效方式。半峰寬是由波峰強(qiáng)度為峰值最大值一半處的兩邊兩個(gè)最大值的波長(zhǎng)差計(jì)算得到的。它不但能測(cè)量波峰高度，也可以測(cè)量波峰寬度。同樣的，四分鐘一峰寬（FWQM）也可以用來(lái)描述波峰的傳播。

此外半峰寬也可以用來(lái)表示光譜儀的分辨率，它與光柵的波長(zhǎng)范圍、檢測(cè)器的像素?cái)?shù)、狹縫寬度都有關(guān)系。

半峰寬是值強(qiáng)度為峰值最大值一半處的波長(zhǎng)差，同時(shí)半峰寬也是光譜儀分辨率的表征，它跟光柵的光譜范圍、檢測(cè)器的像素?cái)?shù)量以及狹縫的寬度都有關(guān)系。詳細(xì)可參考光譜分辨率

Integration Time

積分時(shí)間

積分時(shí)間是檢測(cè)器在將累積的電荷通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器加工之前，被允許收集光子的時(shí)間長(zhǎng)度。最小積分時(shí)間是設(shè)備支持的最短積分時(shí)間，它取決于檢測(cè)器讀出所有像素信息的快慢，積分時(shí)間與數(shù)據(jù)傳輸速度是不同的概念。

Absolute (Spectral) Irradiance Calibration

（絕對(duì)輻射校準(zhǔn)）

絕對(duì)輻照度校準(zhǔn)是指用一臺(tái)已知光譜輸出功率的燈來(lái)校準(zhǔn)光譜儀每個(gè)像元下的響應(yīng)強(qiáng)度。絕對(duì)輻射校準(zhǔn)改變了整個(gè)光譜的形狀和大小，校正了儀器的單個(gè)儀器響應(yīng)函數(shù)（IRF）。通過(guò)絕對(duì)輻射校準(zhǔn)后的光譜的單位是單位面積單位波長(zhǎng)的功率輸出，通常單位表達(dá)為μW/cm2*nm。請(qǐng)注意，絕對(duì)輻照度不是這個(gè)量值的技術(shù)性的正確術(shù)語(yǔ)，這個(gè)量值是依賴(lài)波長(zhǎng)的，它的正確術(shù)語(yǔ)應(yīng)該是絕對(duì)光譜輻照度。

Noise

噪聲

噪聲是一個(gè)通用術(shù)語(yǔ)，描述的是所有在光譜儀中不期望出現(xiàn)的信號(hào)。它可能是經(jīng)常隨著光譜信號(hào)出現(xiàn)的信號(hào)，也可能是不經(jīng)常出現(xiàn)的光譜信號(hào)。它的來(lái)源主要有以下幾種：

• 暗噪聲：熱效應(yīng)引起的噪聲。由于檢測(cè)其中的熱效應(yīng)而產(chǎn)生的電子引起的噪聲，而不是因?yàn)槿肷涔猱a(chǎn)生的信號(hào)，一般隨著溫度的上升而增加，可以用TEC計(jì)數(shù)降低。
• 光子噪聲：在既定時(shí)間內(nèi)，光子撞擊到檢測(cè)器時(shí)，由于統(tǒng)計(jì)學(xué)誤差引起的噪聲，當(dāng)入射光增強(qiáng)是，光子噪聲增強(qiáng)。
• 電子噪聲：由A/D轉(zhuǎn)換器和電路板的錯(cuò)誤而產(chǎn)生電子，被光譜儀誤以為是信號(hào)的噪聲。
• 偏差：由于不同光學(xué)器件造成的在不同波長(zhǎng)上的的聚焦偏差。
• 雜散光：光由于反射、衍射、折射而出現(xiàn)在檢測(cè)器上不應(yīng)該出現(xiàn)的位置產(chǎn)生的噪聲。是系統(tǒng)噪聲的一種。
• 硬件的不完善和瑕疵：像素壞點(diǎn)或者在聚焦鏡上的劃痕都可能造成光譜噪聲。
• 讀出噪聲：由于讀出像元的累積電荷而產(chǎn)生的噪聲，這個(gè)噪聲是由于檢測(cè)器的讀出過(guò)程產(chǎn)生的，首要影響因素是前置放大器。

一般情況下，噪聲可以通過(guò)一些光譜學(xué)平均算法和控制設(shè)備溫度來(lái)減弱。

Numerical Aperture (NA)

數(shù)值孔徑

光學(xué)元件（比如透鏡或光纖）的數(shù)值孔徑是一個(gè)無(wú)單位的量，它描述了光學(xué)元件可以發(fā)射和接收光的角度范圍。比如：一個(gè)有很高數(shù)值孔徑的光纖，具有更大的接收入射光的錐形接受角。所有的海洋光學(xué)標(biāo)準(zhǔn)玻璃光纖電纜的數(shù)值孔徑都為0.22，在空氣端產(chǎn)生12.7°的接受角。在任何復(fù)合的光學(xué)系統(tǒng)中有效數(shù)值孔徑都是由光學(xué)系統(tǒng)中最小的數(shù)值孔徑?jīng)Q定的。對(duì)于透鏡和反射鏡，一個(gè)與數(shù)值孔徑有關(guān)的量，稱(chēng)作F數(shù)，也可以用來(lái)描述入射光的錐形接受角。

數(shù)值孔徑=接受角的正弦值

海洋光學(xué)的光纖的數(shù)值孔徑是0.22，跟光譜儀相匹配，發(fā)散角（接受角）是25.2度，可以根據(jù)這個(gè)角度計(jì)算，照射時(shí)光斑的大小，或者被測(cè)物的距離、可觀測(cè)尺寸等信息。

Optical Resolution

光學(xué)分辨率

光譜儀的光學(xué)分辨率是指測(cè)量曲線(xiàn)的半峰寬（FWHM），它是由光柵刻線(xiàn)密度和入射光口徑（光纖或狹縫）決定的。光分辨率隨著光柵刻線(xiàn)密度的增大而增大，但是增加光柵刻線(xiàn)密度的同時(shí)，光譜范圍會(huì)隨之降低。光分辨率同樣隨著狹縫寬度或光纖直徑的減少而增大，但減少狹縫寬度或者光纖芯徑的同時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)降低。光分辨率通過(guò)下面的公式計(jì)算出來(lái)：

OR = SR/n x PR

OR=光譜儀的光分辨率（單位：nm）

SR=光柵分光范圍（單位：nm）

n=檢測(cè)器原件的數(shù)量（單位：像素）

PR=光譜儀和狹縫的像素分辨率（單位：像素）

這個(gè)比值海洋光學(xué)稱(chēng)之為色散，單位是：納米/像素。這個(gè)數(shù)值對(duì)檢測(cè)器和光柵的結(jié)合是很重要的。

Order Sorting Filters

消高階衍射濾光片

這類(lèi)濾光片用于檢測(cè)器的窗口上，其作用是消除二級(jí)和三級(jí)衍射效應(yīng)。這種設(shè)計(jì)可以消除較低波長(zhǎng)的光撞擊到應(yīng)該接受較高波長(zhǎng)光的檢測(cè)器的位置。比如，如果沒(méi)有這種濾光片，253.652nm波長(zhǎng)的汞燈光源的光將會(huì)同時(shí)出現(xiàn)在檢測(cè)器的253.653nm和507.304nm波長(zhǎng)處。

**PAR **光合有效輻射

光合有效輻射是測(cè)量被一偏平原吸收、并且作用于光合作用的入射光的總量。因此在農(nóng)業(yè)研究中，它是一個(gè)非常有用的參數(shù)。

光合作用是一個(gè)量子過(guò)程：被葉綠素吸收的光子的數(shù)量（不是能量）決定光合作用化學(xué)反應(yīng)的速率（被吸收的400nm波長(zhǎng)的光子與500nm的光子具有相同的效率，多余的能量被當(dāng)做熱量散發(fā)）

PAR是指在單位時(shí)間內(nèi)射入單位面積的，在400-700nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光子的總數(shù)。因此，我們假設(shè)在這個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)所有光子具有相同的效率，在這個(gè)范圍外的光子沒(méi)有效率。更重要的似乎PAR不會(huì)提供任何有關(guān)吸收效率的問(wèn)題，僅僅是潛在的，有用的光子的數(shù)量。它是一個(gè)“寬帶數(shù)量”而不是光譜。一個(gè)PAR度數(shù)將會(huì)提供經(jīng)過(guò)計(jì)算的落在給定地點(diǎn)的光譜圖內(nèi)的所有有效光子的數(shù)量。

PAR的單位是μmol.s ^-1^ .m ^-2^ 。在各個(gè)波長(zhǎng)的光子數(shù)量是通過(guò)分隔在各個(gè)波長(zhǎng)的光的能量計(jì)算的。

Photometry

光度測(cè)量(包含：絕對(duì)輻射、相對(duì)輻射)

光度測(cè)量是通過(guò)人眼來(lái)詮釋對(duì)光的研究和分析。因此它是輻射測(cè)量的范疇?？梢?jiàn)光譜不同部分的亮度根據(jù)人眼的感知亮度（響應(yīng)功能）來(lái)校準(zhǔn)匹配。測(cè)量方式分為絕對(duì)輻射測(cè)量和相對(duì)輻射測(cè)量。

Photon Noise

光子噪聲

光子噪聲是散粒噪聲的一種類(lèi)型，它是由于CCD中光子到達(dá)率的固有統(tǒng)計(jì)變化引起的。光子到達(dá)檢測(cè)器的時(shí)間間隔符合柏松分布，因此光子噪聲等于入射光子數(shù)的平方根。當(dāng)光子信號(hào)很小時(shí)，光子噪聲相較于光子信號(hào)是很大的，導(dǎo)致系統(tǒng)的信噪比降低。由于它們不同的增長(zhǎng)速率，然而，當(dāng)光子信號(hào)數(shù)量變得很大時(shí)光子噪聲相對(duì)于光子信號(hào)就變得不那么重要了。盡管隨著更多的光撞擊檢測(cè)器時(shí)，光子噪聲的數(shù)量在增多，光子信號(hào)會(huì)以更大的比率增加，從而導(dǎo)致信噪比增大。要注意很重要的一點(diǎn)，在小信號(hào)水平時(shí)，暗噪聲是主要的噪聲源，但在大信號(hào)水平時(shí)，光子噪聲占主導(dǎo)。通常，術(shù)語(yǔ)“散粒噪聲”經(jīng)常被用來(lái)代替光子噪聲。