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Prédiction du rapport signal/bruit pour les spectromètres imageurs spatiaux basée sur l'angle d'élévation solaire et la réflectivité de surface
Introduction générale
Le rapport signal/bruit (RSB) est un indicateur crucial des performances de détection des spectromètres imageurs, car il influe directement sur la qualité de l'acquisition d'informations spectrales provenant d'objets terrestres. Dans les spectromètres imageurs spatiaux, le RSB détermine la capacité d'identification efficace des caractéristiques spectrales de cibles telles que la végétation, les étendues d'eau et les minéraux. Étant donné que la géométrie d'observation et les caractéristiques de réflectance de surface influencent significativement la luminance de la pupille d'entrée, le RSB des spectromètres imageurs varie considérablement en fonction de l'angle d'élévation solaire et des conditions de réflectance de surface. Il est donc nécessaire de prédire quantitativement le RSB en fonction des conditions d'observation typiques lors des phases de conception et d'évaluation des performances de l'instrument.
Principes techniques
Le rapport signal/bruit (SNR) est défini comme le rapport du nombre d'électrons de signal Ns au bruit total du système σ.
Étant donné l'angle d'élévation solaire et la réflectivité de surface, le nombre d'électrons de signal dans une seule bande spectrale du détecteur peut être exprimé comme suit :
Dans la formule, Lλ représente la luminance spectrale de la pupille d'entrée, Δλ la largeur de bande spectrale, A la surface du pixel, Ω l'angle solide équivalent, t le temps d'intégration, τ la transmittance du système, η le rendement quantique, h la constante de Planck et c la vitesse de la lumière. Le bruit total du système est obtenu par superposition de plusieurs sources de bruit.
Où, σsombrePour le bruit de courant d'obscurité, σlirePour lire le bruit, σquantPour quantifier le bruit, σ2tir=NsIl s'agit du bruit photonique. La luminance spectrale de la pupille d'entrée peut être simulée à l'aide du modèle Modtran ou 6S de transfert radiatif atmosphérique, et sur cette base, une évaluation quantitative du rapport signal/bruit pour chaque bande peut être réalisée.
Expérience de simulation
Prenons comme exemple un spectromètre imageur spatial dispersif de type Xiguang ; ses performances en termes de rapport signal/bruit ont été simulées et évaluées. Les principaux paramètres de l’instrument sont présentés dans le tableau 1.
Tableau 1. Paramètres partiels d'un modèle donné de spectromètre imageur Xiguang
Sous un angle d'élévation solaire de 70° et une réflectivité de surface de 60 %, la luminance de la pupille d'entrée dans le spectre visible a été simulée à l'aide du logiciel MODTRAN. Les principaux paramètres d'entrée du logiciel et la luminance spectrale inversée de la pupille d'entrée sont présentés dans le tableau 2 et la figure 1.
Tableau 2. Principaux paramètres d'entrée du logiciel
Figure 1. Résultat de l'inversion de la luminance de la pupille d'entrée
Résultats et analyse des données
La courbe de luminance de la pupille d'entrée est obtenue en rééchantillonnant la courbe de luminance de la pupille d'entrée à la longueur d'onde centrale de la caméra et en supprimant le pic d'absorption atmosphérique, comme illustré sur la figure 2.
Figure 2. Courbe de radiance de la pupille d'entrée rééchantillonnée
Le rapport signal/bruit (RSB) a été calculé pour chaque bande, comme illustré sur la figure 3. Les résultats indiquent une distribution relativement homogène du RSB sur l'ensemble des bandes spectrales, avec un RSB moyen d'environ 42,18 dB. Dans la plupart des bandes, le système fonctionne principalement sous l'effet du bruit photonique ; le bruit de lecture et le bruit de courant d'obscurité contribuent peu au bruit total.
Figure 3. Résultats du calcul du rapport signal/bruit pour chaque canal
Une légère diminution du rapport signal/bruit a été observée dans certaines bandes, principalement liée à la réduction de la luminance de la pupille d'entrée aux limites spectrales ou à proximité des bandes d'absorption. Ce phénomène physique normal est dû aux variations de la distribution spectrale de l'énergie. Globalement, le spectromètre imageur présente un bon rapport signal/bruit dans les conditions d'observation typiques définies et répond aux exigences d'application pour la détection spectrale et l'inversion quantitative d'objets terrestres dans le spectre visible.