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Predicción de la relación señal-ruido para espectrómetros de imágenes espaciales basada en el ángulo de elevación solar y la reflectividad de la superficie.
Introducción a los antecedentes
La relación señal-ruido (SNR) es un indicador crucial del rendimiento de detección de los espectrómetros de imagen, ya que influye directamente en la calidad de la adquisición de información espectral de objetos terrestres. En los espectrómetros de imagen espaciales, la SNR determina la capacidad de identificación efectiva de las características espectrales de objetivos como vegetación, cuerpos de agua y minerales. Debido a que la geometría de observación y las características de reflectancia de la superficie influyen significativamente en la radiancia de la pupila de entrada, la SNR de los espectrómetros de imagen varía considerablemente bajo diferentes ángulos de altitud solar y condiciones de reflectancia de la superficie. Por lo tanto, es necesario predecir cuantitativamente la SNR en función de las condiciones de observación típicas durante las fases de diseño y evaluación del rendimiento del instrumento.
Principios técnicos
La relación señal-ruido (SNR) se define como la relación entre el número de electrones de señal Ns y el ruido total del sistema σ.
Dado el ángulo de elevación solar y la reflectividad de la superficie, el número de electrones de señal en una sola banda espectral del detector se puede expresar como:
En la fórmula, Lλ es la radiancia espectral de la pupila de entrada, Δλ es el ancho de banda espectral, A es el área del píxel, Ω es el ángulo sólido equivalente, t es el tiempo de integración, τ es la transmitancia del sistema, η es la eficiencia cuántica, h es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz. El ruido total del sistema se obtiene superponiendo múltiples fuentes de ruido:
Donde, σoscuroPara el ruido de corriente oscura, σleerPara leer el ruido, σen cuanto aPara cuantificar el ruido, σ2disparo=NsEsto es ruido de fotones. La radiancia espectral de la pupila de entrada se puede simular utilizando el modelo Modtran o 6S de transferencia radiativa atmosférica, y sobre esta base, se puede realizar una evaluación cuantitativa de la relación señal-ruido para cada banda.
Experimento de simulación
Tomando como ejemplo un espectrómetro de imágenes espaciales dispersivo específico de Xi'an Optics & Technology Group Corporation, se simuló y evaluó su relación señal-ruido. Los parámetros principales del instrumento se muestran en la Tabla 1.
Tabla 1. Parámetros parciales de un modelo específico del espectrómetro de imágenes Xiguang.
En condiciones de radiación con un ángulo de elevación solar de 70° y una reflectividad superficial del 60%, se simuló la radiancia de la pupila de entrada en la banda de luz visible utilizando el software MODTRAN. Los principales parámetros de entrada del software y la radiancia espectral de la pupila de entrada invertida se muestran en la Tabla 2 y la Figura 1.
Tabla 2. Principales parámetros de entrada para el software.
Figura 1. Resultado de la inversión de la radiancia de la pupila de entrada.
Resultados y análisis de datos
La curva de radiancia de la pupila de entrada se obtiene remuestreando la curva de radiancia de la pupila de entrada en la longitud de onda central de la cámara y eliminando el pico de absorción atmosférica, como se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Curva de radiancia de la pupila de entrada remuestreada
Se calcularon los resultados de la relación señal-ruido (SNR) para cada banda, como se muestra en la Figura 3. Los resultados indican que la distribución general de la SNR en las bandas espectrales es relativamente uniforme, con una SNR promedio de aproximadamente 42,18 dB. En la mayoría de las bandas, el sistema presenta un estado operativo dominado por el ruido de fotones; el ruido de lectura y el ruido de corriente oscura contribuyen relativamente poco al ruido total.
Figura 3. Resultados del cálculo de la relación señal/ruido para cada canal.
Se observó una ligera disminución en la relación señal-ruido en algunas bandas, principalmente relacionada con la reducción de la radiancia de la pupila de entrada en los bordes espectrales o cerca de las características de absorción, lo cual es un fenómeno físico normal causado por cambios en la distribución de la energía espectral. En general, el espectrómetro de imágenes presenta un buen rendimiento en la relación señal-ruido bajo las condiciones de observación típicas establecidas y puede cumplir con los requisitos de aplicación para la detección espectral y la inversión cuantitativa de objetos terrestres en la banda de luz visible.