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光谱测量小问题

已有 3300 次阅读 2012-11-25 01:06 |系统分类:科研笔记| 测量, 光谱

孙刚在他的博文“光谱测量小问题 ”中讨论了光谱测量和环境的关系。

http://blog.sciencenet.cn/blog-226361-635515.html

他的回答算是可以得60分,但是没有切中要害。这个博客应该理解为孙刚博文的补充,而非纠正。我不是做工程的,我只是希望从物理学角度阐述光谱测量中的物理问题。


探测器测量的是波长或者频率发布,在不好的天气下(可能是雨雪雾天气), 空气中的水珠、水汽、尘埃等会反射/折射光子,但是不会改变它的频率 (不排除少数物理吸收光子并发射发光的可能性,假设很小)。所以天气会影响探测器收集到的信号的强度,但是不会影响它的有无。反射率和折射率和光子的频率有关,所以得到的光谱和晴天的光谱肯定有很大的不同。

用数学来说,测量到的光谱为


$I(\omega) = S_0(\omega)  \times \epsilon(\omega) \times D(\omega)$


其中,$S_0(\omega)$为理想光源发光,$\epsilon(\omega)$为天气的透射系数,$D(\omega)$为探测器量子效率。$\epsilon(\omega)$可能和大气的温度,湿度,压强等参数有关系。如果需要用光谱方法监控环境的参数,那么$\epsilon(\omega)$是需要考虑进去的。在实际工程应用中是有方法考虑这个问题的。


那么环境的涨落起伏对光谱测量有什么影响? 我不认为这种涨落的影响会很大,大气的局部变化确实很复杂,但是它的总体影响在平均以后就小了,所以这应该是一个很好的近似。探测器接收到光子到转化成电子的时间为纳秒($10^{-9}$秒)量级,但是大气的变化率应该为0.1秒量级。尽管我们在测量的时候要对一段时间做积分,比如10秒,所收集的信号是这10秒的平均值,应该是当时环境很好的描述。但是需要注意,在恶劣天气下,不同时刻测量到的信号都是不一样的,这不能归结于光谱仪的不准确,相反,应该理解为光谱仪对环境忠实描述的结果。


散射和波产有很大的关系,比如短波容易被散射,但是长波则不会。这是为什么在通讯的时候用长波而不用短波。2004年,美国政府将THz科技评为“改变未来世界的十大技术”之一,现在这种技术也对中国完全限制,它的很多优点都和它的长波长有关。在实际操作中,选择合适的波段也很重要, 不同的应用所需要的波长也不一样。如果需要用光谱测量空气中有害物质的浓度,必须选择和这种有害物质匹配的波长。



https://blog.sciencenet.cn/blog-709494-635930.html

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