【微光谱应用】植被SIF地基自动观测系统的搭建

2020-02-26 06:33:48, OIA MKT 海洋光学

背景

太阳光照射在植物上后，太阳辐射的能量有三个去向：吸收、反射和透射。其中，植物吸收的太阳辐射能量有三个用途：光合作用中的光化学作用、热耗散和荧光。日光诱导叶绿素荧光是冠层尺度分析植被光合作用状态的全新手段。

由于大气对太阳光谱的吸收，到达地表的太阳光谱中有许多波段宽度为0.1~10nm的暗线，即夫琅和费吸收暗线。在红外和近红外波段范围，存在三条较明显的暗线：氢吸收在656nm形成的Hα暗线；大气中氧分子吸收在760和687nm附近形成的O2-A暗线和O2-B暗线。在夫琅和费吸收暗线波段，植被的反射光也很微弱，荧光凸显。全天候植被荧光观测系统是基于760 nm 和687 nm 附近的O2-A和O2-B 暗线内外的波谱观测值，通过3FLD、SFM等算法提取日光诱导叶绿素荧光。

图1

全天候植被荧光观测系统采用高分辨率、高灵敏度、高信噪比的光谱仪为主要传感器，观测植被的冠层下行辐照度和上行辐亮度，并实时计算植被日光诱导叶绿素荧光（Solar-Induced Fluorescence, SIF）及反射率。

在测试过程中我们需要考虑的因素：

野外气候复杂

日光照射变化快

有效信号波段范围窄

测试系统需连续不断工作

野外环境简陋校准操作不便

鸣谢

本应用方案由南京大学生态遥感实验室张永光课题组共享。原文方案发表于

https://chinaspec.nju.edu.cn/xxgx/index.html

感谢张永光老师对海洋光学的信任及其实验室其他成员的工作。

硬件组成

植被SIF地基自动观测系统的硬件包括核心的光纤光谱仪及其配件，再加上外围控制系统。外围控制系统用于集成安装光谱仪及其配件，对其进行温度和湿度保护控制，并提供电源输入。其主要结构框图如下：

图2 植被叶绿素荧光SIFprism观测系统硬件结构示意图

光谱测试部分主要由高灵敏度光谱仪，直通光纤、余弦矫正器CC-3、双通道光路切换器1个、微型控制电脑1个。

此系统另一核心的部分是恒温及电源控制箱。确保光谱仪能在野外环境变化恶劣的条件下，保持在恒温环境下运行，并且保证运行环境湿度在合理范围内。

野外安装

野外安装时，两根光纤前端安装在光纤固定装置上，尽量保证上下竖直，其中朝上的光纤接余弦校正器，测太阳入射光谱，另一个朝下的光纤可使用裸光纤（无余弦）或接余弦校正器，测冠层反射光谱（如图 3）。为避免塔的阴影对余弦校正器造成影响，水平杆一般朝向南方。集成仪器箱放置于户外百叶箱内或采用其他遮盖措施，避免阳光直晒和降雨。为保证系统在野外运行稳定，可配置一部稳压器 UPS 提供电压稳定的电源。系统可安装光纤余弦校正器防尘防鸟装置，该装置可避免余弦安装在野外环境中鸟类活动以及灰尘沉降对余弦校正器进光造成干扰，保证数据质量。

图3 植被叶绿素荧光SIFprism系统野外安装示意图

图4 植被叶绿素荧光系统野外安装

辐射定标

由于计算过程中需要获取系统太阳入射辐照度和地面反射辐亮度，因此需进行辐射定标，以将光谱仪采集的DN值转化成辐照度（mW/m2/nm）或者辐亮度的单位（mW/m2/nm/sr）。辐射定标需对裸光纤和连接余弦校正器的光路分别定标。

精准的辐射定标需要在无光的暗室中进行，采用VIS-NIR辐射校准源为装配有余弦校正器（CC-3）的光路通道进行辐射定标，将余弦校正器装入光源出光口测光即可。裸光纤的辐射定标宜选用出射光各向同性的均匀光源积分球，在暗室中操作，将裸光纤探头放置在积分球出光口测光，采集光谱时尽量避免其他光源的干扰。

但是，使用积分球进行辐亮度定标需要再实验室环境下实现，因此野外观测过程中，需要其他的方式进行待标定系统的系数转移，因此裸光纤的野外定标方法为：选择晴天天气，在光纤探头下方放置已知反射率的标准反射板进行太阳反射光的观测，避免反射板存在阴影，同时利用另外一台已做绝对辐射定标的光谱仪同步测量反射板，计算太阳反射光的辐亮度，以此为标准辐亮度，计算待定标光谱仪裸光纤通道的绝对辐射定标系数。

图5 室外标准定标光谱仪与反射板定标裸光纤

绝对辐射定标视仪器运行环境而定，易积尘环境以每月两次为标准，清洁环境以每月一次为标准。余弦校正器仍然可以用HL-3-CAL光源进行野外定标，但应对光源进行遮盖，避免外界杂散光的影响。

数据采集

软件过程主要由光谱仪的初始化、光谱仪积分时间优化、光谱仪扫描、数据采集、数据存储、反射率和荧光的计算等部分组成。

由于野外天气不确定性，以及光谱仪记录数值范围有限，为达到光谱仪最佳的探测效果，既不使记录数据过小，也不使记录数据饱和，采用自动优化积分时间的方法，通过光强度变化自动调节采集光谱的时间，保证采集到的光谱信号精确有效。

具体流程为：

光路转至太阳入射光观测光路，按照初始积分时间采集一条太阳入射光谱，计算优化的积分时间（晴天下低于 2s），然后按照优化的积分时间观测一条太阳入射光谱并记录数据，随后关闭光谱仪内部光路开关，按优化的积分时间记录一条暗电流，即没有光进入光谱仪而由光谱仪自身产生的噪声数据，用于扣除光谱仪本身的噪声光谱。然后光路切换至冠层反射光观测光路，重复以上步骤以获取冠层反射光谱和对应的暗电流。

图6 工作流程图

设备选用及优势

本方案中的光学器件均选用了海洋光学公司的光谱仪及配件：

本应用中，由于野外日光信号随大气，云层的影响，其辐射能量变化很快且随机行很强，而实际测试的结果必须由上行信号和下行信号共同计算处理获得，因此想要提升结果质量，则必须有较快的采样时间，以降低外界日光信号变化对光谱的影响。由于夫琅禾费暗线线很窄且深度较深，因此对光谱分辨率最好能够高于0.3nm，且需要较高的动态范围和低噪声以保证原始信号的质量。

光谱仪

本应用中选择的QEpro光谱仪主要特点：

制冷型探测器
光谱分辨率:合适应用配置的光谱分辨率高于0.3
高灵敏度低噪声:信噪比1000:1
高动态范围:85000：1

因此QEPro光谱仪能够非常有效的匹配本应用对光谱仪的各项要求，同时光谱仪可以内置Shutter，方便整套系统进行暗噪声校正，降低了外置光路的复杂程度，提升了系统的稳定性。

如之前描述的实际使用环境，设备可能会搭建在不同高度的位置，因此选择外置光路的两大原则是，通光量高，安装和维护方便。

双通道光路切换器

因此外指外置选择了一个双通道光路切换器，用于实现太阳辐照度和地物辐亮度的通道切换，这款光路切换器的特点是同光光学反射的模式进行光路选择，优势是通光效率高，且无需分叉光纤，解决了由于分叉光纤引起的光学偏差和能量损耗。

此外海洋光学也能提供多通道光路切换器，如需单个光谱仪多个上下行通道，可以通过多个通道切换的方式实现。

余弦校正器和光纤：

选用了金属铠装光纤和乳白玻璃材料的余弦校正器，均为标准SMA905接口，耐久性好，拆装方便，可以满足野外复杂的自然环境，应对较为不便的维护周期。

校准光源：

用于为连接了余弦校正器的通道进行绝对辐射校准使用，标准灯便携体积小，并具有NIST溯源的绝对辐射文件，准确且方便野外使用。

参考文献

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Z. Li, Q. Zhang, J. Li, X. Yang, Y. Wu, Z. Zhang, S. Wang, H. Wang, Y. Zhang*. Solar-induced chlorophyll fluorescence and its link to canopy photosynthesis in maize from continuous ground measurements. Remote Sensing of Environment, 2020, 236, 111420.

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章钊颖，王松寒，宋练，邱博，张永光*.日光诱导叶绿素荧光遥感反演及碳循环应用进展. 遥感学报,2019