การทำนายอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสำหรับสเปกโทรเมตรภาพถ่ายจากอวกาศโดยอาศัยมุมเงยของดวงอาทิตย์และการสะท้อนแสงของพื้นผิว

ภูมิหลังและบทนำ

อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) เป็นตัวบ่งชี้ที่สำคัญของประสิทธิภาพการตรวจจับของสเปกโตรมิเตอร์แบบภาพ ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของการได้มาซึ่งข้อมูลสเปกตรัมจากวัตถุบนพื้นดิน ในสเปกโตรมิเตอร์แบบภาพที่ติดตั้งบนอวกาศ SNR จะกำหนดความสามารถในการระบุคุณลักษณะทางสเปกตรัมของเป้าหมายได้อย่างมีประสิทธิภาพ เช่น พืชพรรณ แหล่งน้ำ และแร่ธาตุ เนื่องจากเรขาคณิตการสังเกตและลักษณะการสะท้อนแสงของพื้นผิวมีอิทธิพลอย่างมากต่อความสว่างของรูรับแสงทางเข้า ดังนั้น SNR ของสเปกโตรมิเตอร์แบบภาพจึงแตกต่างกันอย่างมากภายใต้มุมเงยของดวงอาทิตย์และสภาวะการสะท้อนแสงของพื้นผิวที่แตกต่างกัน ด้วยเหตุนี้ จึงจำเป็นต้องคาดการณ์ SNR ในเชิงปริมาณโดยอิงจากสภาวะการสังเกตทั่วไปในระหว่างขั้นตอนการออกแบบเครื่องมือและการประเมินประสิทธิภาพ

หลักการทางเทคนิค

อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน (SNR) ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของจำนวนอิเล็กตรอนสัญญาณ Ns ต่อสัญญาณรบกวนทั้งหมดของระบบ σ

เมื่อทราบมุมเงยของดวงอาทิตย์และการสะท้อนแสงของพื้นผิวแล้ว จำนวนอิเล็กตรอนสัญญาณในแถบสเปกตรัมเดียวของตัวตรวจจับสามารถแสดงได้ดังนี้:

ในสูตร Lλ คือความสว่างสเปกตรัมของรูรับแสงทางเข้า Δλ คือแบนด์วิดท์สเปกตรัม A คือพื้นที่พิกเซล Ω คือมุมตันเทียบเท่า t คือเวลาการรวม τ คือการส่งผ่านของระบบ η คือประสิทธิภาพควอนตัม h คือค่าคงที่ของพลังค์ และ c คือความเร็วแสง เสียงรบกวนทั้งหมดของระบบได้มาจากการซ้อนทับแหล่งกำเนิดเสียงรบกวนหลายแหล่ง:

โดยที่ σ_มืดสำหรับสัญญาณรบกวนกระแสไฟฟ้ามืด σ_อ่านเพื่ออ่านค่าสัญญาณรบกวน σ_ต่อเพื่อแปลงสัญญาณรบกวนให้เป็นค่าเชิงปริมาณ σ²_ยิง=N_สนี่คือสัญญาณรบกวนจากโฟตอน ความสว่างสเปกตรัมของรูรับแสงทางเข้าสามารถจำลองได้โดยใช้แบบจำลองการถ่ายเทรังสีในบรรยากาศ Modtran หรือ 6S และจากนั้นจึงสามารถประเมินอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนเชิงปริมาณสำหรับแต่ละย่านความถี่ได้

การทดลองจำลอง

ยกตัวอย่างเช่น เครื่องวัดสเปกตรัมภาพแบบกระจายแสงชนิดหนึ่งที่ใช้ในอวกาศจากยานซีกวง ได้ทำการจำลองและประเมินประสิทธิภาพอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวน โดยพารามิเตอร์หลักของเครื่องมือแสดงอยู่ในตารางที่ 1

ตารางที่ 2. พารามิเตอร์อินพุตหลักสำหรับซอฟต์แวร์