|
簡體中文|
English| 發(fā)布日期：2024-09-21 |
太陽輻射是指太陽以電磁波的形式向外傳遞能量，太陽輻射所傳遞的能量，稱太陽輻射能。地球所接受到的太陽輻射能量雖然僅為太陽向宇宙空間放射的總輻射能量的二十二億分之一，但卻是地球大氣運動的主要能量源泉，也是地球光熱能的主要來源。如海光電的光纖光譜儀具有高精度、高靈敏度、寬光譜范圍、快速響應(yīng)、良好的溫度穩(wěn)定性和可靠性等優(yōu)點，在測量太陽輻射時，可以實現(xiàn)準(zhǔn)確捕捉太陽輻射的細(xì)微變化，能夠快速響應(yīng)光信號的變化，實現(xiàn)實時測量，捕捉太陽輻射的瞬時變化。
1. 實驗原理
光纖光譜儀通過光纖將太陽光引入光譜儀內(nèi)部，利用光譜分析器對光信號進行分散，將不同波長的光信號分離出來，并通過探測器測量其光強度。最終得到的光強度隨波長變化的曲線即為太陽輻射的光譜圖。根據(jù)光譜圖，可以分析太陽輻射的波長分布、能量分布等特性。
2. 實驗步驟
（1）選擇一個開闊的地點，避免建筑物、樹木等遮擋物影響測量結(jié)果。將Y型光纖一端連接光譜儀，另一端安裝在支架上，將安有余弦校準(zhǔn)器的一端對準(zhǔn)天空，另一端對準(zhǔn)地面。用USB線將光譜儀與電腦相連。儀器連接如圖1所示。
圖1 光纖光譜儀測量太陽輻射儀器連接圖
（2）打開光譜采集軟件，選擇運行模式為“輻照度模式”。
（3）堵住支架下方的光纖口，點擊“單次采集”，再點擊“輻照度”，即可獲得天空的輻照度光譜；堵住支架上方的光纖口，點擊“單次采集”，再點擊“輻照度”，即可獲得草地的輻照度光譜；
3. 實驗結(jié)果
我們可以通過直接測量天空的太陽輻射和測量照射到草地上反射的二次輻照研究太陽輻射光譜。
我們對著天空測量了太陽的輻射照度光譜，結(jié)果如下圖。
圖2 天空的輻射光譜
太陽光的能量主要集中在可見光波段和短波紅外波段。當(dāng)太陽光從天空照射下來時，大氣中的元素，例如氫、氦、鈉、鐵等會在特定波長處吸收光子，形成吸收峰。同時，氣體分子，如氧氣、二氧化碳、水蒸氣等也會在特定波長吸收太陽輻射。此外，大氣中還會發(fā)生瑞利散射、拉曼散射、地球表面反射等現(xiàn)象，這些現(xiàn)象的存在使得太陽輻射在穿過大氣層到達(dá)地球表面時，某些光譜區(qū)域的輻射能量受到較大的衰減，從而影響地面接收到的太陽輻射的光譜特性，這些反映到輻照度光譜中就是在不同波長處的吸收峰。從圖中可以明顯觀察到在430.774 nm處夫瑯禾費線G-線、486.134 nm處夫瑯禾費線F-線、517.270 nm處夫瑯禾費線b2-線、589.592 nm處夫瑯禾費線D1-線、556.281 nm處夫瑯禾費線C-線的吸收峰；688 nm和760 nm處氧氣的吸收峰；935 nm附近水蒸氣的吸收峰；此外還有一些大氣氣溶膠和顆粒物、二氧化碳、其他有機分子或污染物的影響。通過分析這些吸收峰，我們可以了解大氣中的化學(xué)成分、溫度、壓力等信息，這對于氣候研究、環(huán)境監(jiān)測和天體物理學(xué)等領(lǐng)域都具有重要意義。
草地的太陽輻射光譜測量結(jié)果如圖3所示。
圖3 草地的輻射光譜
從圖中可以看出，在500-600nm之間出現(xiàn)了綠峰，這是由于葉綠素對綠光的強烈反射，草地在這一波段的反射率較高。在700nm附近，輻射亮度較低，這是因為葉綠素對紅光的吸收較強，導(dǎo)致這一波段的反射率較低，形成紅谷。在近紅外波段，由于光在葉片內(nèi)部的多次散射，草地在這一波段的反射率較高，形成近紅外平臺。此外，光譜圖中可以看到在760nm附近大氣對氧氣的吸收峰、在近紅外區(qū)域水分子和二氧化碳的吸收峰等。這些特征峰的存在成為研究植被生理狀態(tài)、生物量和生長狀況的重要工具。通過分析這些特征峰的位置、強度和形狀，可以獲取草地植被的多種信息。
通過天空太陽輻射和草地太陽輻射的數(shù)據(jù)，可以計算出草地的反射率，結(jié)果如下圖所示。
圖4 草地的反射率光譜
從圖中可以看出，在500-600 nm區(qū)域出現(xiàn)了反射峰，這是因為草地中葉綠素和類胡蘿卜素對光的反射。在近紅外區(qū)域，反射率相對較高，這是由于植物內(nèi)部細(xì)胞結(jié)構(gòu)、水分含量、大氣中二氧化碳和土壤背景的影響。草地反射光譜的特征峰是遙感監(jiān)測植被生長狀況、生物量、水分含量和健康狀況的重要依據(jù)。通過分析這些特征峰，可以更好地理解草地生態(tài)系統(tǒng)的功能和狀態(tài)。利用反射率，我們可以了解歸一化植被指數(shù)（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、增強植被指數(shù)（Enhanced Vegetation Index，EVI）、比值植被指數(shù)（Ratio Vegetation Index，RVI）、差值環(huán)境植被指數(shù)（Difference Vegetation Index，DVI）、葉面積指數(shù)（Leaf Area Index，LAI）和植被覆蓋度等多種植被參數(shù)。植被參數(shù)NDVI是反映土地覆蓋植被狀況的一種遙感指標(biāo)。其定義為近紅外通道與可見光通道反射率之差與之和的商，具體計算公式為NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中NIR為近紅外波段的反射值，R為紅光波段的反射值。NDVI能夠反映植被的生長狀態(tài)、植被覆蓋度以及消除部分輻射誤差等。它是評估植被健康狀況和生長情況的重要指標(biāo)。通過測量作物地區(qū)的NDVI值，農(nóng)民和農(nóng)業(yè)科學(xué)家可以了解作物的健康狀態(tài)和生長潛力，從而及時采取措施，如施肥、灌溉和病蟲害防治，以保證作物的產(chǎn)量和質(zhì)量。
我們使用HS2048光纖光譜儀測量了葉綠素誘導(dǎo)熒光（Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）的光譜信號。葉綠素誘導(dǎo)熒光是植物葉綠體在光照條件下，吸收光能后部分能量以熒光形式釋放出來的現(xiàn)象。這種熒光信號與植物的光合作用過程緊密相關(guān)。通過監(jiān)測葉綠素誘導(dǎo)熒光的強度和變化，可以深入了解植物光合作用的動態(tài)過程和效率。我們在同一天內(nèi)每隔一個小時采集這段時間內(nèi)SIF的平均值，一天中不同時間的SIF平均值的測試結(jié)果如下圖所示。
圖5 一天中不同時間的SIF變化情況
從圖中可以看出，隨著時間的變化，由于太陽位置的移動，光照強度會發(fā)生變化，植物的光合作用速率也隨之發(fā)生變化，造成了SIF的變化。中午時光照最強，植被組織中的葉綠素分子會吸收更多的光能，產(chǎn)生更強的熒光發(fā)射，從而使SIF值較高。而傍晚時日照條件較差，因此SIF值較低。
葉綠素誘導(dǎo)熒光在作物測量中的應(yīng)用具有廣泛的前景和重要的價值。葉綠素?zé)晒馀c葉綠素含量密切相關(guān)，通過測量葉綠素誘導(dǎo)熒光可以間接評估作物的葉綠素含量，從而了解作物的生長狀態(tài)和營養(yǎng)狀況。葉綠素含量的多少直接反映了作物的光合作用能力和生長潛力。作物在遭受干旱、鹽堿、高溫等非生物脅迫時，其葉綠素?zé)晒馓匦詴l(fā)生變化。通過測量葉綠素誘導(dǎo)熒光可以評估作物對非生物脅迫的響應(yīng)和耐受性，為制定逆境應(yīng)對措施提供科學(xué)依據(jù)。葉綠素誘導(dǎo)熒光還與作物的光合作用效率密切相關(guān)，而光合作用效率是影響作物產(chǎn)量的關(guān)鍵因素之一。因此，通過監(jiān)測葉綠素誘導(dǎo)熒光可以預(yù)測作物的產(chǎn)量潛力，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃提供參考。此外，綠素?zé)晒饪梢苑从匙魑飳︷B(yǎng)分的吸收和利用情況。通過測量葉綠素誘導(dǎo)熒光可以診斷作物的養(yǎng)分需求狀況，為精準(zhǔn)施肥提供依據(jù)。例如，當(dāng)作物缺乏某種營養(yǎng)元素時，其葉綠素?zé)晒馓匦詴l(fā)生變化，從而提示種植者需要補充相應(yīng)的養(yǎng)分。
使用HS2048高分辨光纖光譜儀可以準(zhǔn)確簡單、快速方便地測量出太陽輻射光譜。在測量光譜輻射強度分布、光合有效輻照度（PAR）、光質(zhì)比、光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度、作物生長和發(fā)育指標(biāo)等方面具有重要應(yīng)用。通過這些測量數(shù)據(jù)，可以深入了解太陽輻射對作物生長和發(fā)育的影響機制，為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供科學(xué)依據(jù)。
HS2048高分辨光纖光譜儀
1. 產(chǎn)品簡介
HS2048是一款微型光纖光譜儀，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計小巧，光譜范圍可配置；分辨率高，最佳可達(dá)0.07 nm；雜散光低，~2‰；溫度漂移小，波長溫漂~0.1pixel/℃。適用于激光測量、等離子體發(fā)射光譜測量、顏色測量、吸光度測量和拉曼測量等多個工業(yè)現(xiàn)場測量。是一款高性價的工業(yè)級光纖光譜儀。
2. 產(chǎn)品特點
? 雜散光~2‰；
? 分辨率高，最佳可達(dá)0.07 nm；
? 波長溫漂~0.1pixel/℃；
? 可適配如海帶銷多芯密排集束光纖，光纖插拔強度一致性≦7%；
? 紫外光譜響應(yīng)強；
? CCD量化背景噪聲≦30RMS（100ms積分時間）；
? 配置USB、串口多種通訊接口，配置24PIN交互接口，配置專有DAC和ADC，可實現(xiàn)配套光源的使能、強度控制和功率反饋。
