用微型光譜儀測(cè)量太陽輻照度

作者：海洋光學(xué)

微型光譜儀尤其適合測(cè)量太陽輻照度，因?yàn)樗谋銛y性和靈活性會(huì)減輕研究者的負(fù)擔(dān)。該儀器能測(cè)定和相對(duì)太陽輻照度，在相關(guān)應(yīng)用（諸如測(cè)量上行和下行輻射，以及評(píng)估臭氧濃度）中也能發(fā)揮一定的作用。

輻照度是指發(fā)光樣品發(fā)射的各波長(zhǎng)的能量。輻照度是光的指標(biāo)。相對(duì)輻照度是根據(jù)黑體輻射能量分布得到的樣品發(fā)射的能量和采樣系統(tǒng)采集到的能量之比。

在多個(gè)應(yīng)用中，太陽輻照度的測(cè)量具有一定的意義：監(jiān)控日光，可能出于探討日光和溫室氣體（諸如臭氧）之間關(guān)系的目的；研究太陽輻照度對(duì)生態(tài)學(xué)系統(tǒng)和作物的作用；評(píng)估紫外線對(duì)皮膚和眼睛的作用。在zui近的一項(xiàng)應(yīng)用中，研究者放飛了裝載了海洋光學(xué)USB2000+UV-VIS光譜儀的氣象氣球，隨著氣球飛到大氣層中，檢測(cè)太陽輻照度與不同高度處臭氧水平的關(guān)系（圖1）。

條件

在一項(xiàng)早期實(shí)驗(yàn)中，我們重點(diǎn)測(cè)量了太陽光譜中一系列強(qiáng)吸收譜線，實(shí)驗(yàn)采用了配備了波長(zhǎng)范圍在200-850 nm之間的光柵、以提高采光能力的采集透鏡、50 μm狹縫和便攜式電池模塊的海洋光學(xué)Jaz光譜儀。Jaz光譜儀是功能齊全的光譜儀，通過微處理器和低功率OLED顯示器進(jìn)行操作。 儀器可增加包括電池和以太網(wǎng)功能等模塊。

圖1：搭載氣象氣球的光譜儀測(cè)量不同高度處的太陽輻照度。

要測(cè)量輻照度，我們使用了用輻射校準(zhǔn)的光源和余弦校正器。 余弦校正器采集180°內(nèi)的日光，直接連接Jaz光譜儀的SMA905連接器（圖2）。此外，還有多種配件可供選擇，諸如將Jaz固定在不同位置的緊固件，和攜帶Jaz用的肩帶。

圖2：Jaz光譜儀可安裝在三腳架上，用連接光譜儀的余弦校正器采集180°視野內(nèi)的太陽輻射。

結(jié)果

該測(cè)量的積分時(shí)間為4秒，光譜平均為10，平滑度為2。 得到的光譜顯示了

300-850 nm波段內(nèi)大氣中元素(包括氫、氦和鈉)的多個(gè)強(qiáng)吸收譜線（圖3）。

圖3：在用微型光譜儀采集的太陽光譜上可以鑒別大氣元素。

用配備了同種光具座的不同光譜儀（包括具有范圍較寬（200-1050 nm）的光柵的USB2000+光譜與和具有測(cè)量太陽輻照度所需所有組件的USB2000+RAD）進(jìn)行測(cè)量，得到的結(jié)果大致相同。

結(jié)論

由于微型光譜儀體積小巧、對(duì)功率要求低、操作簡(jiǎn)單，所以其是方便檢測(cè)太陽輻照度的分析工具。 這類光譜儀還具有易于攜帶、穩(wěn)定性強(qiáng)的特點(diǎn)，已被應(yīng)用于有人和無人駕駛飛機(jī)中， 并被放置在珠穆朗瑪峰和其他高要求的地點(diǎn)，以檢測(cè)太陽輻射與大氣氣體（諸如臭氧）之間的相互作用。