光谱仪性能标准的解释可能具有挑战性，不过常用的词汇会有所帮助。在本技术提示中，我们将讨论两个重要但经常被误解的术语：动态范围和信噪比。
光谱学是一门复杂的技术，有许多变化和细微差别需要考虑，通常使用的术语对用户来说并不熟悉，或者可以有不同的解释。在此背景下，我们提供一些动态范围和信噪比 (SNR) 的实用定义，这些标准通常被用作光谱仪性能的通用衡量标准。
动态范围
在光谱学中，动态范围是光谱仪可检测到的最大和最小信号强度之间的比率。更具体地说，动态范围是最大可检测信号（即接近饱和）除以最小可检测信号。最小检测信号的定义是平均值等于基线噪声的信号。
对于我们的光谱仪，Ocean Insight 以单次采集来报告动态范围，单次采集被定义为提供最高动态范围的最短积分时间。整个系统的动态范围规格定义为最长积分时间下最大信号与最小信号之比，以及最大积分时间与最小积分时间之比。
在实际应用中，用户可以通过设置参考测量的积分时间，使光谱峰值达到计数全量程的 80% 至 90%，从而充分利用我们光谱仪的全动态范围。
信噪比 (SNR)
信噪比（SNR）的定义是信号强度除以一定信号电平下的噪声强度，这意味着每次测量的信噪比都会不同。由于光子噪声的存在，系统噪声通常会随着信号的增加而增加，因此信噪比函数是单个信噪比值与获取信号时的信噪比值的对比图。Ocean Insight 报告的光谱仪信噪比值是可能的最大信噪比值（在探测器饱和时获得）。假设每个像素的信噪比响应曲线相同。
信噪比测量方法如下：选择宽带光源，使光谱峰值在最低积分时间或远低于热噪声极限的积分时间接近饱和（光谱还应有一个低计数或几乎为零的区域）。要计算信噪比，先进行 100 次无光扫描，计算每个像素的平均基线计数值，然后进行 100 次有光扫描，计算每个像素输出计数的平均值和标准偏差。信噪比由以下公式得出：
SNRρ = (S – D)/σρ
在哪里？
SNR = 信噪比
S = 样品的平均强度（有光照时）
D = 黑暗（无光）的平均值
σ = 样品的标准偏差（有光照时）
ρ = 像素数
要获得完整的 SNR 与信号关系图，请绘制计算出的SNRρ值（噪声）与Sρ–Dρ（信号）的关系图。这将涵盖很宽的峰值计数范围（从暗到接近饱和）。由于所有像素都具有相同的响应曲线，因此信噪比与信号图的数据可以来自所有不同的像素。由于光子噪声是大信号值时最大的噪声，因此理想的图形形状应近似于 y = √x。
使用不同类型的信号平均可以提高信噪比。对于基于时间的平均，信噪比将以所用光谱扫描次数的平方根递增。例如，300:1 的信噪比在平均 100 次扫描后将变为 3000:1。对于基于空间的平均（箱式车），信噪比将按平均像素数的平方根增加。
提高信噪比的其他几种途径
- 增加光源输出。
- 使用大直径光纤将光线传输到样品，以便从光源捕捉更多光线。
- 延长探测器的积分时间。
- 将输入的灯光谱限制在感兴趣的波长范围内，在最重要的区域使用探测器的全动态范围。这对光谱的边缘尤为重要，因为边缘的强度通常较低。
虽然这些方法对获取精确数据很有用，但在比较不同光谱仪时可能会造成混淆。例如，Ocean Insight 在报告其信噪比值时并未应用信号平均法。我们的许多竞争对手都利用信号平均法，人为抬高劣质光谱仪的信噪比值。
了解动态范围和信噪比等术语只是熟悉光谱仪性能所有参数的一小部分，了解光谱仪规格往往只是评估预期系统性能的起点。
按动态范围和信噪比划分的光谱仪概览
以下是按探测器类型、动态范围和信噪比划分的 Ocean Insight 光谱仪概览。虽然这些标准可以帮助我们了解特定型号的光谱仪是否适用于某项应用，但光谱仪的选择还有许多其他因素。我们的应用工程师可以提供指导。
联系应用工程师
| 光谱仪 | 类型 | 探测器 | 动态范围 | 信噪比 | 实例 应用 |
| 火焰 | 一般用途 | 线性 CCD 阵列（两种选择） | 1300:1 | 250:1（S 型）300:1（T 型） | 基本实验室测量 |
| Ocean HDX | 高灵敏度 | 背薄式 CCD 图像传感器 | 12000:1 | 400:1 | 等离子体分析弱光应用高外显率液体的吸光率 |
| QEPro | 高灵敏度 | 背薄型 TE 冷却 CCD 阵列 | 85000:1 | 1000:1 | 微光应用包括：荧光 DNA 分析拉曼光谱 |
| Maya2000 专业版 | 高灵敏度 | 背薄式 CCD 图像传感器 | 15000:1 | 450:1 | 低照度荧光和拉曼分析溶液、固体和气体 |
| STS | 微光谱仪 | CMOS | 4600:1 | 1500:1 | 低浓度吸光度高强度激光分析集成到其他设备中 |
| NIRQuest+ | 近红外（900-2500 纳米） | InGaAs 线性阵列（多种选择） | 15000:1（900-1700 纳米版本） | 13000:1 （900-1700 纳米版本） | 水分检测碳氢化合物分析聚合物鉴定 |
| 火焰-近红外+ | 近红外（900-1700 纳米） | 非制冷 InGaAs 线性阵列 | 6000:1 | 6000:1 | 食品成分分析塑料回收制药质量控制 |
| 海洋特效 | 高速 | CMOS | 5000:1 | 290:1 | 照明中的闪烁高速加工应用 |
| 人力资源 | 高分辨率 | 线性 CCD 阵列 | 2000:1 | 250:1 | 激光表征发射线分析 |