光纤光谱仪在太阳辐射光谱测量中的应用

太阳辐射，是指太阳以电磁波的形式向外传递能量，太阳辐射所传递的能量，称太阳辐射能。

地球所接受到的太阳辐射能量虽然仅为太阳向宇宙空间放射的总辐射能量的二十二亿分之一，但却是地球大气运动的主要能量源泉，也是地球光热能的主要来源。的光纤光谱仪具有高精度、高灵敏度、宽光谱范围、快速响应、良好的温度稳定性和可靠性等优点，在测量太阳辐射时，可以实现准确捕捉太阳辐射的细微变化，能够快速响应光信号的变化，实现实时测量，捕捉太阳辐射的瞬时变化。

1.实验原理

光纤光谱仪通过光纤将太阳光引入光谱仪内部，利用光谱分析器对光信号进行分散，将不同波长的光信号分离出来，并通过探测器测量其光强度。最终得到的光强度随波长变化的曲线即为太阳辐射的光谱图。根据光谱图，可以分析太阳辐射的波长分布、能量分布等特性。

2. 实验步骤

（1）选择一个开阔的地点，避免建筑物、树木等遮挡物影响测量结果。将Y型光纤一端连接光谱仪，另一端安装在支架上，将安有余弦校准器的一端对准天空，另一端对准地面。用USB线将光谱仪与电脑相连。仪器连接如图1所示。

（2）打开光谱采集软件，选择运行模式为“辐照度模式”。

（3）堵住支架下方的光纤口，点击“单次采集”，再点击“辐照度”，即可获得天空的辐照度光谱；堵住支架上方的光纤口，点击“单次采集”，再点击“辐照度”，即可获得草地的辐照度光谱；

我们可以通过直接测量天空的太阳辐射和测量照射到草地上反射的二次辐照研究太阳辐射光谱。

我们对着天空测量了太阳的辐射照度光谱，结果如下图。

图2 天空的辐射光谱

太阳光的能量主要集中在可见光波段和短波红外波段。当太阳光从天空照射下来时，大气中的元素，例如氢、氦、钠、铁等会在特定波长处吸收光子，形成吸收峰。

同时，气体分子，如氧气、二氧化碳、水蒸气等也会在特定波长吸收太阳辐射。此外，大气中还会发生瑞利散射、拉曼散射、地球表面反射等现象，这些现象的存在使得太阳辐射在穿过大气层到达地球表面时，某些光谱区域的辐射能量受到较大的衰减，从而影响地面接收到的太阳辐射的光谱特性，这些反映到辐照度光谱中就是在不同波长处的吸收峰。

从图中可以明显观察到在430.774 nm处夫琅禾费线G-线、486.134 nm处夫琅禾费线F-线、517.270 nm处夫琅禾费线b2-线、589.592 nm处夫琅禾费线D1-线、556.281 nm处夫琅禾费线C-线的吸收峰；688 nm和760 nm处氧气的吸收峰；935 nm附近水蒸气的吸收峰；此外还有一些大气气溶胶和颗粒物、二氧化碳、其他有机分子或污染物的影响。

通过分析这些吸收峰，我们可以了解大气中的化学成分、温度、压力等信息，这对于气候研究、环境监测和天体物理学等领域都具有重要意义。

草地的太阳辐射光谱测量结果如图3所示。

图3 草地的辐射光谱

从图中可以看出，在500-600nm之间出现了绿峰，这是由于叶绿素对绿光的强烈反射，草地在这一波段的反射率较高。在700nm附近，辐射亮度较低，这是因为叶绿素对红光的吸收较强，导致这一波段的反射率较低，形成红谷。在近红外波段，由于光在叶片内部的多次散射，草地在这一波段的反射率较高，形成近红外平台。此外，光谱图中可以看到在760nm附近大气对氧气的吸收峰、在近红外区域水分子和二氧化碳的吸收峰等。这些特征峰的存在成为研究植被生理状态、生物量和生长状况的重要工具。通过分析这些特征峰的位置、强度和形状，可以获取草地植被的多种信息。

通过天空太阳辐射和草地太阳辐射的数据，可以计算出草地的反射率，结果如下图所示。

图4 草地的反射率光谱

从图中可以看出，在500-600 nm区域出现了反射峰，这是因为草地中叶绿素和类胡萝卜素对光的反射。在近红外区域，反射率相对较高，这是由于植物内部细胞结构、水分含量、大气中二氧化碳和土壤背景的影响。草地反射光谱的特征峰是遥感监测植被生长状况、生物量、水分含量和健康状况的重要依据。通过分析这些特征峰，可以更好地理解草地生态系统的功能和状态。利用反射率，我们可以了解归一化植被指数（Normalized Difference Vegetation Index，NDVI）、增强植被指数（Enhanced Vegetation Index，EVI）、比值植被指数（Ratio Vegetation Index，RVI）、差值环境植被指数（Difference Vegetation Index，DVI）、叶面积指数（Leaf Area Index，LAI）和植被覆盖度等多种植被参数。植被参数NDVI是反映土地覆盖植被状况的一种遥感指标。其定义为近红外通道与可见光通道反射率之差与之和的商，具体计算公式为NDVI=(NIR-R)/(NIR+R)，其中NIR为近红外波段的反射值，R为红光波段的反射值。NDVI能够反映植被的生长状态、植被覆盖度以及消除部分辐射误差等。它是评估植被健康状况和生长情况的重要指标。通过测量作物地区的NDVI值，农民和农业科学家可以了解作物的健康状态和生长潜力，从而及时采取措施，如施肥、灌溉和病虫害防治，以保证作物的产量和质量。

我们使用HS2048光纤光谱仪测量了叶绿素诱导荧光（Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）的光谱信号。叶绿素诱导荧光是植物叶绿体在光照条件下，吸收光能后部分能量以荧光形式释放出来的现象。这种荧光信号与植物的光合作用过程紧密相关。通过监测叶绿素诱导荧光的强度和变化，可以深入了解植物光合作用的动态过程和效率。我们在同一天内每隔一个小时采集这段时间内SIF的平均值，一天中不同时间的SIF平均值的测试结果如下图所示。

图5 一天中不同时间的SIF变化情况

从图中可以看出，随着时间的变化，由于太阳位置的移动，光照强度会发生变化，植物的光合作用速率也随之发生变化，造成了SIF的变化。中午时光照最强，植被组织中的叶绿素分子会吸收更多的光能，产生更强的荧光发射，从而使SIF值较高。而傍晚时日照条件较差，因此SIF值较低。

叶绿素诱导荧光在作物测量中的应用具有广泛的前景和重要的价值。叶绿素荧光与叶绿素含量密切相关，通过测量叶绿素诱导荧光可以间接评估作物的叶绿素含量，从而了解作物的生长状态和营养状况。叶绿素含量的多少直接反映了作物的光合作用能力和生长潜力。作物在遭受干旱、盐碱、高温等非生物胁迫时，其叶绿素荧光特性会发生变化。通过测量叶绿素诱导荧光可以评估作物对非生物胁迫的响应和耐受性，为制定逆境应对措施提供科学依据。叶绿素诱导荧光还与作物的光合作用效率密切相关，而光合作用效率是影响作物产量的关键因素之一。因此，通过监测叶绿素诱导荧光可以预测作物的产量潜力，为农业生产规划提供参考。此外，绿素荧光可以反映作物对养分的吸收和利用情况。通过测量叶绿素诱导荧光可以诊断作物的养分需求状况，为精准施肥提供依据。例如，当作物缺乏某种营养元素时，其叶绿素荧光特性会发生变化，从而提示种植者需要补充相应的养分。

使用HS2048高分辨光纤光谱仪可以准确简单、快速方便地测量出太阳辐射光谱。在测量光谱辐射强度分布、光合有效辐照度（PAR）、光质比、光合速率、蒸腾速率、气孔导度、作物生长和发育指标等方面具有重要应用。通过这些测量数据，可以深入了解太阳辐射对作物生长和发育的影响机制，为农业生产提供科学依据。