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Vorhersage des Signal-Rausch-Verhältnisses für weltraumgestützte abbildende Spektrometer basierend auf dem Sonnenhöhenwinkel und der Oberflächenreflexion
Hintergrund Einführung
Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist ein entscheidender Indikator für die Detektionsleistung von abbildenden Spektrometern und beeinflusst direkt die Qualität der Spektraldatenerfassung von Objekten am Boden. Bei weltraumgestützten abbildenden Spektrometern bestimmt das SNR die effektive Identifizierung spektraler Merkmale von Zielen wie Vegetation, Gewässern und Mineralien. Da die Beobachtungsgeometrie und die Oberflächenreflexionseigenschaften die Strahlungsintensität der Eintrittspupille maßgeblich beeinflussen, variiert das SNR abbildender Spektrometer erheblich unter verschiedenen Sonnenstandwinkeln und Oberflächenreflexionsbedingungen. Daher ist es notwendig, das SNR während der Instrumentenentwicklung und Leistungsbewertung anhand typischer Beobachtungsbedingungen quantitativ vorherzusagen.
Technische Prinzipien
Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) ist definiert als das Verhältnis der Anzahl der Signalelektronen Ns zum gesamten Systemrauschen σ.
Unter Berücksichtigung des Sonnenhöhenwinkels und des Oberflächenreflexionsvermögens lässt sich die Anzahl der Signalelektronen in einem einzelnen Spektralband des Detektors wie folgt ausdrücken:
In der Formel ist Lλ die spektrale Strahldichte der Eintrittspupille, Δλ die spektrale Bandbreite, A die Pixelfläche, Ω der äquivalente Raumwinkel, t die Integrationszeit, τ die Systemtransmissionsrate, η die Quanteneffizienz, h das Plancksche Wirkungsquantum und c die Lichtgeschwindigkeit. Das Gesamtrauschen des Systems ergibt sich durch Überlagerung mehrerer Rauschquellen.
Wo, σdunkelFür Dunkelstromrauschen, σlesenUm das Rauschen auszulesen, σwasUm Rauschen zu quantisieren, σ2Schuss=NSDies ist Photonenrauschen. Die spektrale Strahldichte der Eintrittspupille kann mithilfe des Modtran- oder 6S-Modells des atmosphärischen Strahlungstransports simuliert werden, und darauf basierend kann eine quantitative Bewertung des Signal-Rausch-Verhältnisses für jedes Band durchgeführt werden.
Simulationsexperiment
Am Beispiel eines bestimmten dispersiven, weltraumgestützten Bildgebungsspektrometers von Xiguang wurde dessen Signal-Rausch-Verhältnis simuliert und bewertet. Die wichtigsten Parameter des Instruments sind in Tabelle 1 dargestellt.
Tabelle 1. Teilparameter eines bestimmten Modells des Xiguang-Bildspektrometers
Unter den Strahlungsbedingungen eines Sonnenhöhenwinkels von 70° und eines Oberflächenreflexionsgrades von 60 % wurde die Eintrittspupillenstrahlung im sichtbaren Lichtbereich mithilfe der Software MODTRAN simuliert. Die wichtigsten Eingangsparameter der Software sowie die invertierte spektrale Eintrittspupillenstrahlung sind in Tabelle 2 und Abbildung 1 dargestellt.
Tabelle 2. Wichtigste Eingabeparameter für die Software
Abbildung 1. Ergebnis der Inversion der Eintrittspupillenstrahlung.
Ergebnisse und Datenanalyse
Die Eintrittspupillen-Strahlungskurve wird durch Resampling der Eintrittspupillen-Strahlungskurve bei der zentralen Wellenlänge der Kamera und Entfernen des atmosphärischen Absorptionspeaks erhalten, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2. Neu berechnete Strahlungskurve der Eintrittspupille
Die Signal-Rausch-Verhältnisse (SNR) wurden für jedes Frequenzband berechnet (siehe Abbildung 3). Die Ergebnisse zeigen eine relativ gleichmäßige SNR-Verteilung über die Spektralbänder mit einem durchschnittlichen SNR von ca. 42,18 dB. In den meisten Bändern ist das System photonenrauschdominiert; Ausleserauschen und Dunkelstromrauschen tragen nur geringfügig zum Gesamtrauschen bei.
Abbildung 3. Berechnungsergebnisse des Signal-Rausch-Verhältnisses für jeden Kanal
In einigen Spektralbändern wurde ein leichter Rückgang des Signal-Rausch-Verhältnisses beobachtet, der hauptsächlich auf die Verringerung der Eintrittspupillenstrahlung an den Spektralkanten oder in der Nähe von Absorptionslinien zurückzuführen ist. Dies ist ein normales physikalisches Phänomen, das durch Änderungen der spektralen Energieverteilung verursacht wird. Insgesamt weist das abbildende Spektrometer unter den vorgegebenen typischen Beobachtungsbedingungen ein gutes Signal-Rausch-Verhältnis auf und erfüllt die Anwendungsanforderungen für die spektrale Detektion und quantitative Inversion von Bodenobjekten im sichtbaren Lichtbereich.