光的測(cè)量法

孟 霞 譯自歐盟農(nóng)業(yè)和園藝發(fā)展委員會(huì)資料

萬(wàn)建美 校 羅靜如 制圖

在測(cè)定參數(shù)時(shí)，使用與最終報(bào)告數(shù)值相關(guān)的單位很重要。例如，如果一棟建筑的價(jià)格以元/m2為單位，那么以英尺和英寸計(jì)算面積就可能在單位轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生不準(zhǔn)確的結(jié)果。盡管不同單位可以相互轉(zhuǎn)換，但應(yīng)盡可能避免出現(xiàn)這種情況。對(duì)不同單位的光進(jìn)行轉(zhuǎn)換非常復(fù)雜，因?yàn)樗鼈円蕾?lài)于光譜。單位轉(zhuǎn)換不準(zhǔn)確可能會(huì)產(chǎn)生一些錯(cuò)誤，甚至?xí)?yán)重影響最終的結(jié)果。

1 光的測(cè)量法：流明和勒克斯

大多數(shù)人工照明系統(tǒng)是根據(jù)人類(lèi)的視覺(jué)開(kāi)發(fā)的，因此，大多數(shù)技術(shù)數(shù)據(jù)是用基于人眼的光度學(xué)術(shù)語(yǔ)報(bào)道的。光通量(也稱(chēng)為“光功率”)用流明來(lái)表示，它是指一盞燈(向各個(gè)方向發(fā)出的光) 能被人眼探測(cè)到的總輸出量。燈具的能源效率通常稱(chēng)為“光視效能(luminous efficacy)”，單位為流明/瓦(lm/W)。流明在定義燈具的總輸出量和效率時(shí)非常有用，但在大多數(shù)實(shí)際用途中，使用到達(dá)某一個(gè)物體表面的光量(如豬圈接收到的光強(qiáng)度)更切合，這需要考慮燈反射器的設(shè)計(jì)和效率，以及所安裝燈的數(shù)量和間距。

照明度是光射到某一物體表面的度量標(biāo)準(zhǔn)，單位為勒克斯(Lux)，特指光在每平方米上的流明數(shù)(1 Lux=l lm/m2)。測(cè)量流明或勒克斯的儀器設(shè)計(jì)為對(duì)不同區(qū)段的電磁光譜具有與人眼相同的靈敏度(圖1)，人眼對(duì)綠光(波長(zhǎng)約550 nm)最敏感。

2 輻射光測(cè)量法：輻照明度(W/m2)

人造光源通常以光度學(xué)術(shù)語(yǔ)(流明和勒克斯)來(lái)定義，但太陽(yáng)光通常用輻射度術(shù)語(yǔ)來(lái)表示，用來(lái)衡量太陽(yáng)光所包含的能量。照明度的輻射對(duì)應(yīng)詞是輻照度(有時(shí)稱(chēng)為“輻射通量密度”)。

該值可以估測(cè)射到某一物體表面的光量，單位為瓦特/ 平方米(W/m2) 或瓦特/ 平方厘米(W/cm2)。盡管光度傳感器的光譜靈敏度是按眼睛的光譜響應(yīng)定義的，但并非所有輻射度傳感器都可對(duì)同一波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量。許多常用的傳感器可以測(cè)量太陽(yáng)光的全部光譜(稱(chēng)為“總輻射”)。盡管傳感器可以在自然光層面上提供有用的數(shù)據(jù)，但是在比較日光與人造光源時(shí)，這些傳感器的作用有限。

3 光子計(jì)數(shù)法：光子輻照度[μmol/(m2·s)]

測(cè)量光的第三種方法是計(jì)算到達(dá)某一物體表面的光子數(shù)——在此稱(chēng)為光子輻照度。這測(cè)量以每平方米每秒的微摩爾數(shù)[μmol/(m2·s)]為單位。這種類(lèi)型的可用傳感器通常用于測(cè)量波長(zhǎng)介于400 nm～700 nm 的光，它們通常稱(chēng)為光合有效輻射(Photosynthetically active radiation，PAR) 或光合光子流量密度(Photosynthetic photon flux density，PPFD)傳感器，這些儀器已被用于農(nóng)作物生產(chǎn)。由于波長(zhǎng)范圍與人和豬的視覺(jué)范圍相似，這些測(cè)量設(shè)備可能仍有用。該測(cè)量方法還可以量化每個(gè)波段中提供的光量(即藍(lán)光、綠光和紅光的量)。

4 測(cè)量豬的可視光時(shí)使用的單位

如果測(cè)量豬的可視光的目的是為養(yǎng)豬生產(chǎn)創(chuàng)造一個(gè)均勻的光照環(huán)境，那么所有種類(lèi)的傳感器都非常有用。勒克斯(Lux)表的價(jià)格通常較低，因此在沒(méi)有更理想的測(cè)定設(shè)備的情況下，該設(shè)備可能最具成本效益。然而，這些測(cè)量系統(tǒng)不是根據(jù)豬的視覺(jué)設(shè)計(jì)的，因此無(wú)法提供理想的解決方案，每一種測(cè)量方法都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

勒克斯(Lux)測(cè)量法根據(jù)人眼察覺(jué)光的方式，應(yīng)用生物學(xué)加權(quán)函數(shù)和可視光譜綠色區(qū)域中的最大靈敏度實(shí)現(xiàn)測(cè)量。與人眼相比，豬的眼睛對(duì)可視光譜的藍(lán)色區(qū)域更敏感，這表明以勒克斯為單位的測(cè)量法可能會(huì)低估豬可察覺(jué)的光。

輻照度測(cè)量法和光子輻照度測(cè)量法根據(jù)的是光的物理特性，兩者都沒(méi)有向測(cè)定值提供以豬為中心的有傾向性的觀點(diǎn)。這些傳感器可以探測(cè)人或豬看不到的光線，所以在購(gòu)買(mǎi)前應(yīng)該檢查一下光譜范圍。能夠測(cè)量波長(zhǎng)介于400 nm～700 nm 的光的傳感器最合適。

對(duì)于光子輻照度測(cè)量法，可見(jiàn)光譜所有區(qū)域的比重是完全相同的(紅色光子的計(jì)數(shù)與藍(lán)色光子的計(jì)數(shù)相同)，因此可以為燈的總發(fā)光量提供一個(gè)有用的估測(cè)值。然而，這種方法很可能會(huì)高估用于視覺(jué)的紅光和藍(lán)光的數(shù)量。

進(jìn)一步的研究可能有助于確定一個(gè)最適合豬視覺(jué)的光譜，屆時(shí)有可能創(chuàng)建出一種新的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)，暫時(shí)將其稱(chēng)為“pig-lux”。利用可以測(cè)量PPFD 的設(shè)備，并在藍(lán)光、綠光和紅外線波段之間“分割”測(cè)量結(jié)果，可能提供一種確定有多少可用光到達(dá)豬眼的過(guò)渡方法。

5 如何測(cè)量光

在測(cè)量光時(shí)，所有光探測(cè)器應(yīng)與地板平行放置——請(qǐng)勿將光探測(cè)器指向光源，因?yàn)檫@會(huì)高估所測(cè)光的強(qiáng)度。理想情況下，應(yīng)測(cè)量與豬的頭部等高水平的光。測(cè)量時(shí)要避免遮擋光探測(cè)器，應(yīng)該將光探測(cè)器安裝在三腳架上，檢測(cè)員遠(yuǎn)離光探測(cè)器或低于光探測(cè)器的高度，以使光探測(cè)器能夠檢測(cè)到所有向下的光線。測(cè)量時(shí)應(yīng)考慮整個(gè)生產(chǎn)區(qū)光強(qiáng)度的空間變異性和燈光位置。測(cè)量應(yīng)該在整個(gè)感興趣區(qū)域上以網(wǎng)格圖形方式進(jìn)行，或者沿著橫穿整個(gè)感興趣區(qū)域的樣線進(jìn)行。通常情況下，測(cè)量的區(qū)域和次數(shù)越多，對(duì)光的均勻性/可變性的描述越詳細(xì)。作為一個(gè)粗略的估計(jì)，要評(píng)估兩個(gè)相鄰燈之間的光強(qiáng)度演變情況，應(yīng)在兩個(gè)燈之間的一條線上按等距離方式選擇5 個(gè)測(cè)量點(diǎn)測(cè)定，第一個(gè)和最后一個(gè)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)直接位于燈下方(圖2)。