第三章輻射測(cè)量(

1、第三章第三章 輻射測(cè)量輻射測(cè)量（4學(xué)時(shí)） 通過(guò)本章學(xué)習(xí)了解輻射機(jī)理與度量方法，掌握分光輻射儀原理與使用方法。 一. 輻射機(jī)理與度量： 1輻射機(jī)理； 2輻射度量； 3光通量與輻射通量單位之間的換算。 二. 分光輻射儀原理與使用方法： 1光照與輻射敏感元件； 2分光輻射儀工作原理； 3LI一1800分光輻射儀應(yīng)用簡(jiǎn)介。一. 輻射機(jī)理與度量 1輻射機(jī)理 1）電磁輻射2）熱輻射 電磁波中能產(chǎn)生熱效應(yīng)的輻射線。熱射線主要包括紅外線及一部分可視線。紅外線不能直接使空氣加熱,但當(dāng)它被周圍物體吸收后,輻射能就變成熱能,使物體成為二次輻射源。 熱輻射的過(guò)程可以分為三個(gè)階段： 熱物體的表面或接近表面層的熱能變成了

2、電磁波狀的振動(dòng)； 此電磁波的振動(dòng)通過(guò)介質(zhì)空氣傳播； 最后落在接受輻射熱的物體表面，電磁波又能變成熱能 ，被物體吸收 傳播速度 光速 c= 量子的能量E=h頻率普朗克常數(shù)6.6210-34JS波長(zhǎng)化學(xué)發(fā)光化學(xué)發(fā)光：在輻射過(guò)程中物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化的；：在輻射過(guò)程中物質(zhì)內(nèi)部發(fā)生化學(xué)變化的； 比如：燃燒比如：燃燒光致發(fā)光光致發(fā)光：用外來(lái)的光或任何其他輻射不斷地或預(yù)先地：用外來(lái)的光或任何其他輻射不斷地或預(yù)先地照射物質(zhì)而使之發(fā)光的；照射物質(zhì)而使之發(fā)光的； 比如：熒光、磷光比如：熒光、磷光場(chǎng)致發(fā)光場(chǎng)致發(fā)光：由電場(chǎng)作用引起輻射的過(guò)程；：由電場(chǎng)作用引起輻射的過(guò)程； 比如：電弧放電、火花放電、輝光放電比如：電弧

3、放電、火花放電、輝光放電陰極發(fā)光陰極發(fā)光：通過(guò)電子轟擊引起固體產(chǎn)生輻射的過(guò)程；：通過(guò)電子轟擊引起固體產(chǎn)生輻射的過(guò)程； 以上發(fā)光統(tǒng)稱為以上發(fā)光統(tǒng)稱為非熱輻射非熱輻射熱輻射強(qiáng)度按波長(zhǎng)(頻率)的分布和溫度有關(guān)， 高溫物體發(fā)出的是紫外光。熾熱物體發(fā)出的是可見(jiàn)光，低溫物體發(fā)出的是紅外光， 溫度 短波長(zhǎng)的電磁波的比例 。任何物體（氣、液、固）在任何溫度下，都會(huì)有熱輻射。熱輻射波譜是連續(xù)譜，各種波長(zhǎng)(頻率)都有，但是強(qiáng)度不同。 例如加熱鐵塊，隨著溫度的升高: 開(kāi)始不發(fā)光 黃白色橙色暗紅熱輻射紅外照相機(jī)拍攝的人的頭部的紅外照相機(jī)拍攝的人的頭部的熱圖熱圖 熱的地方顯白色，冷的地方顯黑色熱的地方顯白色，冷的地方顯

4、黑色 煉鋼的熱輻射煉鋼的熱輻射 紅外夜視儀拍的照片紅外夜視儀拍的照片關(guān)于熱輻射有4個(gè)重要規(guī)律 1）基爾霍夫（Kirchhoff）輻射定律一個(gè)黑白花盤子的兩張照片（Gustav Robert Kirchhoff,18241887）德國(guó)物理學(xué)家 室溫下，反射光1100K，自身輻射光原來(lái)白底的地方吸收原來(lái)白底的地方吸收的少（反射的多），的少（反射的多），發(fā)射的光強(qiáng)也就弱；發(fā)射的光強(qiáng)也就弱；原來(lái)黑花紋的部分吸收原來(lái)黑花紋的部分吸收的多（反射的少），發(fā)的多（反射的少），發(fā)射的光強(qiáng)也就強(qiáng)；射的光強(qiáng)也就強(qiáng)；當(dāng)熱量平衡情況下，即溫度保持恒定時(shí)，物體的發(fā)射率e ,T和吸收率a ,T與物體的性質(zhì)有關(guān)，但e,T與a

5、,T的比值和物體的性質(zhì)無(wú)關(guān)。對(duì)所有物體而言，此比值只是溫度T與波長(zhǎng)的函數(shù)，用下式表示： 式中e.T和a.T分別為在溫度一定時(shí)物體對(duì)某一波長(zhǎng)的輻射能力和吸收率；f（.T）為一普適函數(shù)。對(duì)于絕對(duì)黑體來(lái)說(shuō)，a,T= 1，所以絕對(duì)黑體的發(fā)射率就等于E,T。顯然，任何物體在某一溫度T時(shí)，對(duì)某一波長(zhǎng)的發(fā)射率與吸收率之比值就等于絕對(duì)黑體在同溫度T時(shí)同一波長(zhǎng)的發(fā)射率。由此可知：),(aT, ,TfET歐航局衛(wèi)星探測(cè)到最清晰宇宙微波背景輻射圖歐航局衛(wèi)星探測(cè)到最清晰宇宙微波背景輻射圖2009年年09月月20日日 01:11 新浪科技新浪科技 “普朗克普朗克”衛(wèi)星探測(cè)到迄今最清晰宇宙微波背景輻射圖，不過(guò)首張觀測(cè)圖只

6、覆蓋了衛(wèi)星探測(cè)到迄今最清晰宇宙微波背景輻射圖，不過(guò)首張觀測(cè)圖只覆蓋了5%的天域。預(yù)計(jì)全天域宇宙微波背景輻射圖將會(huì)在的天域。預(yù)計(jì)全天域宇宙微波背景輻射圖將會(huì)在6個(gè)月后完成。個(gè)月后完成。 2）普朗克輻射分布定律 3）斯蒂芬-玻耳茲曼定律 4）維恩Wien位移定律 Stefan（德）Boltzman（奧） 斯特藩 玻耳茲曼常量428Kw/m1067. 5 斯蒂芬 玻耳茲曼定律和維恩位移定律是測(cè)量高溫、遙感和紅外追蹤等的物理基礎(chǔ)。總輻出度E與黑體溫度的四次方成正比4ETm = C TC = 5.8801010 Hz/Km 峰值波長(zhǎng)2輻射度量 農(nóng)業(yè)生物環(huán)境工程領(lǐng)域中常用到的描述光照的術(shù)語(yǔ)有： 輻射量 光

7、度量 光合作用有效輻射 PAR-photosynthetically active radiation1）輻射量及其單位 輻射能量：以輻射形式發(fā)射、轉(zhuǎn)移，或接收的能量。單位：焦耳，J 。它只與輻射源本身的溫度有關(guān)。 輻射通量單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的輻射能。單位為瓦。其中波長(zhǎng)為的輻射通量與值有關(guān)。在氣象學(xué)文獻(xiàn)中又常被稱為輻射強(qiáng)度（radiant intensity）。 輻射強(qiáng)度（輻射通量密度）： 瓦特/平方米。2）輻射測(cè)量輻射-太陽(yáng)輻射、地球輻射、大氣輻射太陽(yáng)直接輻射：指來(lái)自日盤0.5立體角內(nèi)與該立體角軸垂直的面的太陽(yáng)輻射。短波輻射長(zhǎng)波輻射天空輻射（太陽(yáng)散射輻射）： 指地平面上收到的來(lái)自天穹2立

8、體角向下的大氣等的散射和反射太陽(yáng)輻射。太陽(yáng)總輻射：指時(shí)平面接收的太陽(yáng)直接輻射和散射輻射之和。 反射輻射：指地面反射的太陽(yáng)總輻射。 地球輻射：指由地球（包括大氣）放射的輻射。長(zhǎng)波輻射表 凈輻射：指向下和向上（太陽(yáng)和地球）輻射之差。 CNR1凈輻射儀是用來(lái)分析太陽(yáng)輻射和地球輻射平衡的。通常用于觀測(cè)地球表面的凈輻射。 CNR1輸出值的單位是Wm-2，總光譜范圍是0.3-50微米（sun：0.3-3，earth：5-50微米）。 CNR1可以分別觀測(cè)太陽(yáng)輻射和長(zhǎng)波輻射。 太陽(yáng)輻射-兩個(gè)CM3輻射強(qiáng)度計(jì)（來(lái)自天空的，及反射輻射。由這兩個(gè)值可計(jì)算出反射率。 長(zhǎng)波輻射-兩個(gè)CG3輻射強(qiáng)度（來(lái)自天空的，來(lái)自土

9、壤表面的）。 附加的加溫裝置可以使CNR1加熱而不結(jié)露或結(jié)霜。 Sensor sensitivities：四個(gè)傳感器的靈敏度相同。 Pt-100 sensor temperature measurement：A級(jí) Accuracy of the temperature measurement：2K Operating temperature：-40 to 70常見(jiàn)光感測(cè)儀器TES-1300A照度計(jì)照度計(jì) 測(cè)量范圍：測(cè)量范圍：20/200/2000/20000 Lux 靈敏度：0.01 Lux 準(zhǔn)確度：3%（10,000 lux） 4% （10,000 lux）重復(fù)測(cè)試：重復(fù)測(cè)試：2%溫度特性：

10、溫度特性：0.1% /取樣率：取樣率：2 times/sec.照度計(jì) Testo 545多點(diǎn)及時(shí)間均值計(jì)算 記錄功能（3000個(gè)讀數(shù)） 通過(guò)testo打印機(jī)現(xiàn)場(chǎng)打印數(shù)據(jù) 量程：0.0 . 100000.0 Lux分辨率：+/-1.0 Lux （0.0 . 32000.0 Lux） +/-10.0 Lux （0.0 . 100000.0 Lux） 操作溫度：0. +50 C存放溫度：-20. +70 CLI-250A Light Meter The LI-250A Light Meter is a single-channel readout device. Use the LI-250A wi

11、th a LI-190SA Quantum Sensor to measure Photosynthetically Active Radiation (PAR in natural sunlight, under plant canopies, or in growth chambers and greenhouses). Use the LI-250A with a LI-210SA Photometric Sensor to measure visible radiation for lighting studies or architectural modeling. Use the

12、LI-250A with a LI-200SA Pyranometer to make solar irradiance measurements for meteorological, hydrological, or environmental research.LI-190 Quantum Sensor (mmol s-1 m-2). Measure Photosynthetically Active Radiation Photosynthetic Photon Flux Density (PPFD), Typical spectral response of LI-COR Quant

13、um Sensors vs. Wavelength and the Ideal Quantum Response (equal response to all photons in the 400-700 nm waveband). wavelength nanometerPercent relative responseLI-CORQuantum SensorsIdeal quantum responseLI-200 Pyranometer Sensor (W m-2). Measures Total Solar RadiationPyranometer spectral response

14、is illustrated along with the energy distribution in the solar spectrum The LI-200 Pyranometer專為農(nóng)業(yè)，氣象，能源和太陽(yáng)能的研究領(lǐng)域觀測(cè)太陽(yáng)輻射而設(shè)計(jì)。LI-210 Photometric Sensor （lux ） Measures Illuminance as Related to the CIE Standard Observer Curvewavelength nanometerPercent relative response The LI-210 Photometric Sensor采用濾

15、光硅光電池二極管為大部分光源提供在 5范圍內(nèi)與CIE曲線匹配的光譜響應(yīng)。這種傳感器提供不同角度入射輻射的適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。 LI-210 Photometric Sensor 用于室內(nèi)和工業(yè)照明，戶外照明，被動(dòng)式太陽(yáng)能，建筑和照明模式，照明工程，需要照度測(cè)量的生物科學(xué) 光譜輻射度：給定波長(zhǎng)在單位波長(zhǎng)間隔內(nèi)的照度，特定波段的照度是指光譜照度在給定波段范圍的積分值。可用LI-1800便攜式分光輻射儀進(jìn)行光譜測(cè)量，單位為W/（m2nm）3光通量與輻射通量單位之間的換算。1.光通量(luminous flux) ：光源所發(fā)出的能量，是以電磁波的形式存在，這種能量稱爲(wèi)輻射能量 (radiant energy)

16、，單位 ( J )光源每秒所發(fā)出的輻射能，則稱爲(wèi)輻射通量(radiant flux)，單位是瓦特（ W ）。就同一光源而言，輻射通量大的越大，人眼就會(huì)覺(jué)的越亮。但輻射通量相同的兩個(gè)光源，如果發(fā)射的是不同波長(zhǎng)的光波，對(duì)人眼睛所能引起的亮暗度感覺(jué)也不一樣，也就是說(shuō)他們有不同的發(fā)光效率，發(fā)光效率越高，人眼也會(huì)覺(jué)的越亮。因此真正影響人眼視覺(jué)明暗感受的是輻射通量與發(fā)光效率的乘積，也就是我們所說(shuō)的光通量，單位是流明（ lm ）。依據(jù)國(guó)際規(guī)定，波長(zhǎng)爲(wèi)555奈米的單色光的發(fā)光效率定爲(wèi)1，這種波長(zhǎng)的單色光每瓦特的輻射通量等于683流明。其他波長(zhǎng)的單色光，其發(fā)光效率採(cǎi)用發(fā)光效率曲線，其光通量可由這個(gè)公式求得 ：光

17、通量（流明）=683x發(fā)光強(qiáng)度x輻射通量（瓦特） 例1:一紅燈發(fā)出100瓦特、波長(zhǎng)爲(wèi)650奈米的紅色光，試求其所發(fā)出之光通量。 解:650奈米紅色光之發(fā)光效率為0.1。故此光波1瓦特的輻射通量等于683X0.1=68.3流明，100瓦特的輻射通量等于100X68.3=6830流明。二. 分光輻射儀原理與使用方法 1、光照與輻射敏感元件 2、分光輻射儀工作原理 3、LI一1800分光輻射儀應(yīng)用簡(jiǎn)介。一. 光 光為植物生長(zhǎng)中重要的環(huán)境因子之一，主要來(lái)自于太陽(yáng)的輻射。太陽(yáng)的輻射自極長(zhǎng)的無(wú)線電波(radio wave)、遠(yuǎn)、中、近紅外線、可見(jiàn)光、紫外光. A、B、C、X射線至極短之宇宙線(cosmic

18、 ray)，為一種連續(xù)光譜(圖1)，其性質(zhì)與電波相同，一般稱為電磁波。在太陽(yáng)輻射電磁波中只有三種輻射對(duì)植物生長(zhǎng)發(fā)育最為重要。除了可見(jiàn)光(visible light, 380780 nm)外，尚有紫外線(ultra violet, UV, 100380 nm)和紅外光(infra-red, IR, 780105 nm)。 波長(zhǎng)在 300 - 400nm的紫外光與 700 - 800 nm 的近紅外線（遠(yuǎn)紅光）會(huì)影響作物的生化反應(yīng)及其外觀。在 400 - 700 nm的光線與光合作用有很密切的關(guān)係，此光帶的光稱為光合作用有效光（Photosynthetically Active Radiation

19、,簡(jiǎn)稱 PAR）。吾人有興趣的是 PAR 范圍內(nèi)光子的數(shù)量而非 PAR 范圍內(nèi)光之照度；是以較佳之測(cè)量應(yīng)是量測(cè)光合作用光子通量（簡(jiǎn)稱 PPF），此為單位時(shí)間內(nèi)落到單位面積的平面上波長(zhǎng)范圍在400-700 nm 的光子的數(shù)量，其常用單位為mol/(s ) 或/(s )；使用的感測(cè)器為光量子感測(cè)器(Quantum Sensor)。光量的多寡除了以光量子數(shù)(mol/m2/s)表示之外，尚有照度 (lux)與光能. (W/m2)。感測(cè)器亦分為此三大類。照度感測(cè)器 (Photometric Sensor) 用來(lái)量可見(jiàn)光(380-780 nm)，使用單位為L(zhǎng)ux (=lumen/), 或燭光 (fc =l

20、umen/ft 2)。照度感測(cè)器一般并不在溫室中使用，因?yàn)閭S依據(jù)人眼對(duì)光線的比視感度曲線而設(shè)計(jì)出來(lái)(圖2a，波峰為555 nm)，植物體對(duì)光線的敏感度則有另一曲線(圖2b，波峰為675 nm)，兩者不同。圖人類眼睛之比視感度曲線 圖.植物體對(duì)光線之敏感度曲線 輻射感測(cè)器 (Pyranometer，或稱日射計(jì)， Solar meter)，可用以量測(cè)來(lái)自太陽(yáng)與其它所有來(lái)自天空之輻射，其量測(cè)之波長(zhǎng)范圍較廣，視廠牌不同，常見(jiàn)的有 400 -1100nm， 320-4200 nm 及 280-2800 nm ，其量測(cè)的為此波長(zhǎng)范圍內(nèi)的能量，單位為 W/ 。日射計(jì)之主要感測(cè)元件為熱電堆(Thermopil

21、e) 或光電池（Photo Cell）。熱電堆由特殊之熱偶線堆積製成，藉溫差產(chǎn)生電壓差；準(zhǔn)確度高，但非常昂貴； Eppley 公司之. Pyranometer 為熱電堆應(yīng)用之代表，其量測(cè)之波長(zhǎng)范圍為 280-2800 nm 。光電池係藉光電效應(yīng)引起之電流產(chǎn)生電場(chǎng)，以電流輸出；光電池之反應(yīng)光譜為400-1100 nm ， LI-COR 公司之 Pyranometer為光電池應(yīng)用之代表。以上三種感測(cè)器的誤差范圍一般在 5%。 光強(qiáng)度部分可量測(cè)直射、散射(加光追蹤擋光器)、全輻射、淨(jìng)輻射(含上下兩側(cè))的光量。常見(jiàn)光感測(cè)儀器如圖. 3所示： Sunshine Sensor Measures globa

22、l and diffuse radiation, and sunshine duration PAR reference sensor for SunScan System Outputs can be PAR (mmol.m-2.s-1), Energy (W.m-2) or Lux Designed for use with Data Loggers or the SunScan Canopy Analysis System 較進(jìn)階的設(shè)備內(nèi)含光柵可量測(cè)光譜中各小波段，并允許透過(guò)軟體進(jìn)行運(yùn) 算，求出各不同波段，譬如：藍(lán)光B (400-500 nm)，紅光R (600-700 nm)，遠(yuǎn) 紅光FR(700-800 nm)，PAR(400- 700 nm)等的累積光量子數(shù)或輻射能或照度值。 圖. 4所示. LI-COR 公司之可攜式光譜量測(cè)儀器(Portable Spetroradiometer)為 此類設(shè)備之代表。 The LI-1800 Portable Spectroradiomet