叶绿素荧光成像光谱仪系统

1、 叶绿素荧光成像光谱仪系统介绍

基本原理：

日光诱导叶绿素荧光(SIF，Solar-Induced chlorophyll Fluorescence)反演机理：太阳辐射谱线经过太阳大气和地球大气中各成分的吸收，到达传感器时存在宽度不等(0.1nm-10nm)、深度不同的吸收谷，称为夫琅和费暗线(Fraunhofer Lines)。SIF作为地表发射信号，叠加于反射信息之上，改变了夫琅和费暗线的深度，利用SIF对夫琅和费暗线的“井”填充效应，通过比对原始暗线深度及经SIF填充后的暗线深度，可以实现SIF的遥感反演。由于反演SIF至少利用一条夫琅和费暗线，且对于任意一条暗线，传感器的光谱分辨率愈高，观测得到的原始暗线深度愈深，SIF对暗线的填充效应愈明显，则SIF反演的鲁棒性愈强。因此，SIF的遥感反演需要在高光谱分辨率条件下实现，其核心问题为如何准确得到未被荧光填充的原始暗线和被荧光填充后的暗线。

日光诱导叶绿素荧光 SIF(Sun/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence)是植物在太阳光照条件下，由光合中心发射出的光谱信号(650—800 nm)，具有红光(690 nm左右)和近红外(740 nm左右)两个波峰，能直接反映植物实际光合作用的动态变化。

SIF遥感是近年迅速发展起来的植被遥感技术，可弥补当前植被遥感观测的不足，为陆地生态系统碳循环和植被监测等提供了新的思路和技术。

以基于“绿度”观测的植被指数(如NDVI)为代表的植被遥感在过去30年极大地促进了从宏观尺度上来理解和认识地球生物圈，但其只能通过“绿度”来探测植物“潜在光合作用”。

叶绿素荧光在植被光合生理探测方面具有独特的技术优势，是“实际光合作用”的直接探测方法?？梢运抵脖灰堵趟赜庖８惺墙?0年来植被遥感领域*具突破性的研究前沿。随着研究和技术的发展，SIF遥感*近10几年来得到了长足的进步。SIF是光下测量叶绿素荧光的典型代表，通过测量上行辐亮度对下行太阳光谱Fraunhofer暗线的填充来反演植被发出的叶绿素荧光强度，通?；岬玫饺缦碌墓馄浊?。

图1 反演植被发出的叶绿素荧光强度

技术指标：

? 成像光谱范围：670-780nm（650- 800nm）

? 成像传感器：SCMOS（制冷/非制冷）

? 光谱分辨率：0.3~0.4nm

? 光谱采样间隔：0.1nm

? 光谱波段数：100~1000个波段

? SNR：优于1000:1（峰值信噪比）

? 入射狭缝宽度：30μm

? 成像镜头：25mm定焦镜头

? 空间图像分辨率：≥1200*1000

? 帧频：1fps~100fps

? 接口：USB3.0

? 重量：＜2.27Kg;

主要功能：

? 动曝光、自动对焦、自动扫描速度匹配

? Shutter快门

? 辐射度、均匀性、镜头、反射率校准

? 太阳光实时采集（余弦校正器）

? 内置电池

? 内置推扫成像

? 辅助摄像监控

? 红外热成像

? 实时反演输出

图2 系统硬件及软件界面

数据处理分析：

? 反射光谱数据存储及输出

? 高光谱数据立方体图

? 实时太阳光谱采集/校正

? 植被指数：归一化指数N DV I、比值指数SR、改进的叶绿素吸收反射指数MCARI、改进的叶绿素吸收反射指数1MCARI1、*优化土壤调整植被指数OSAVI等，也支持自定义波段计算公式。

反演模型：

技术特点：

参考光源强度信息与待测目标图像的实时同帧并行采集功能

SIF成像光谱仪的入射狭缝区域中，设计有专门为光纤收集实时参考光源强度信息的结构，余弦校正模组会对收集来自各方的光进行匀化后，再经光纤传导到入射狭缝的前端，确保在进行扫描成像时，每一帧频都会记录其独立且与之同步对应的参考光源信息。避免因光强变化而引起的校准误差，确保校准的相对独立性，为定量研究等提供支持。

图3 实时光纤光强采集

波段自定义设定和采样间隔自定义

在软件界面上，可对自定义光谱起始波段、终止波段、采用间隔的参数设置；且支持多个类似的操作，对感兴趣区域和光谱细分精度进行设置，对非感兴趣区域进行波段数量缩减，进而增加有效信号的提取和减少冗余数据量，提升采集效率的同时又保证了数据精度。