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      植被SIF地基自動觀測系統硬件集成方法

      植被SIF地基自動觀測系統硬件集成方法

      本文關鍵詞: 生物醫藥熒光
      摘要

      應用背景

      太陽光照射在植物上后,太陽輻射的能量有三個去向:吸收、反射和透射。其中,植物吸收的太陽輻射能量有三個用途:光合作用中的光化學作用、熱耗散和熒光。日光誘導葉綠素熒光是冠層尺度分析植被光合作用狀態的全新手段。

      由于大氣對太陽光譜的吸收,到達地表的太陽光譜中有許多波段寬度為0.1~10nm的暗線,即夫瑯和費吸收暗線。在紅外和近紅外波段范圍,存在三條較明顯的暗線:氫吸收在656nm形成的Hα暗線;大氣中氧分子吸收在760和687nm附近形成的O2-A暗線和O2-B暗線。在夫瑯和費吸收暗線波段,植被的反射光也很微弱,熒光凸顯。全天候植被熒光觀測系統是基于760 nm 和687 nm 附近的O2-A和O2-B 暗線內外的波譜觀測值,通過3FLD、SFM等算法提取日光誘導葉綠素熒光。

      圖1

      全天候植被熒光觀測系統采用高分辨率、高靈敏度、高信噪比的光譜儀為主要傳感器,觀測植被的冠層下行輻照度和上行輻亮度,并實時計算植被日光誘導葉綠素熒光(Solar-Induced Fluorescence, SIF)及反射率。

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      在測試過程中我們需要考慮的因素:

      野外氣候復雜

      日光照射變化快

      有效信號波段范圍窄

      測試系統需連續不斷工作

      野外環境簡陋校準操作不便

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      鳴謝

      本應用方案由南京大學生態遙感實驗室張永光課題組共享。原文方案發表于

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

      感謝張永光老師對海洋光學的信任及其實驗室其他成員的工作。

      ?硬件組成

      植被SIF地基自動觀測系統的硬件包括核心的光纖光譜儀及其配件,再加上外圍控制系統。外圍控制系統用于集成安裝光譜儀及其配件,對其進行溫度和濕度保護控制,并提供電源輸入。其主要結構框圖如下:

      圖2 植被葉綠素熒光SIFprism觀測系統硬件結構示意圖

      光譜測試部分主要由高靈敏度光譜儀,直通光纖、余弦矯正器CC-3、雙通道光路切換器1個、微型控制電腦1個。

      此系統另一核心的部分是恒溫及電源控制箱。確保光譜儀能在野外環境變化惡劣的條件下,保持在恒溫環境下運行,并且保證運行環境濕度在合理范圍內。

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      野外安裝

      野外安裝時,兩根光纖前端安裝在光纖固定裝置上,盡量保證上下豎直,其中朝上的光纖接余弦校正器,測太陽入射光譜,另一個朝下的光纖可使用裸光纖(無余弦)或接余弦校正器,測冠層反射光譜(如圖 3)。為避免塔的陰影對余弦校正器造成影響,水平桿一般朝向南方。集成儀器箱放置于戶外百葉箱內或采用其他遮蓋措施,避免陽光直曬和降雨。為保證系統在野外運行穩定,可配置一部穩壓器 UPS 提供電壓穩定的電源。系統可安裝光纖余弦校正器防塵防鳥裝置,該裝置可避免余弦安裝在野外環境中鳥類活動以及灰塵沉降對余弦校正器進光造成干擾,保證數據質量。

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      圖3 植被葉綠素熒光SIFprism系統野外安裝示意圖

      圖4 植被葉綠素熒光系統野外安裝

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      輻射定標

      由于計算過程中需要獲取系統太陽入射輻照度和地面反射輻亮度,因此需進行輻射定標,以將光譜儀采集的DN值轉化成輻照度(mW/m2/nm)或者輻亮度的單位(mW/m2/nm/sr)。輻射定標需對裸光纖和連接余弦校正器的光路分別定標。

      精準的輻射定標需要在無光的暗室中進行,采用VIS-NIR輻射校準源為裝配有余弦校正器(CC-3)的光路通道進行輻射定標,將余弦校正器裝入光源出光口測光即可。裸光纖的輻射定標宜選用出射光各向同性的均勻光源積分球,在暗室中操作,將裸光纖探頭放置在積分球出光口測光,采集光譜時盡量避免其他光源的干擾。

      但是,使用積分球進行輻亮度定標需要再實驗室環境下實現,因此野外觀測過程中,需要其他的方式進行待標定系統的系數轉移,因此裸光纖的野外定標方法為:選擇晴天天氣,在光纖探頭下方放置已知反射率的標準反射板進行太陽反射光的觀測,避免反射板存在陰影,同時利用另外一臺已做絕對輻射定標的光譜儀同步測量反射板,計算太陽反射光的輻亮度,以此為標準輻亮度,計算待定標光譜儀裸光纖通道的絕對輻射定標系數。

      圖5 室外標準定標光譜儀與反射板定標裸光纖

      絕對輻射定標視儀器運行環境而定,易積塵環境以每月兩次為標準,清潔環境以每月一次為標準。余弦校正器仍然可以用HL-3-CAL光源進行野外定標,但應對光源進行遮蓋,避免外界雜散光的影響。

      數據采集

      軟件過程主要由光譜儀的初始化、光譜儀積分時間優化、光譜儀掃描、數據采集、數據存儲、反射率和熒光的計算等部分組成。

      由于野外天氣不確定性,以及光譜儀記錄數值范圍有限,為達到光譜儀最佳的探測效果,既不使記錄數據過小,也不使記錄數據飽和,采用自動優化積分時間的方法,通過光強度變化自動調節采集光譜的時間,保證采集到的光譜信號精確有效。

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      具體流程為:

      光路轉至太陽入射光觀測光路,按照初始積分時間采集一條太陽入射光譜,計算優化的積分時間(晴天下低于 2s),然后按照優化的積分時間觀測一條太陽入射光譜并記錄數據,隨后關閉光譜儀內部光路開關,按優化的積分時間記錄一條暗電流,即沒有光進入光譜儀而由光譜儀自身產生的噪聲數據,用于扣除光譜儀本身的噪聲光譜。然后光路切換至冠層反射光觀測光路,重復以上步驟以獲取冠層反射光譜和對應的暗電流。

      圖6 工作流程圖

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      選用設備及選擇原因

      本方案中的光學器件均選用了海洋光學公司的光譜儀及配件:

      本應用中,由于野外日光信號隨大氣,云層的影響,其輻射能量變化很快且隨機行很強,而實際測試的結果必須由上行信號和下行信號共同計算處理獲得,因此想要提升結果質量,則必須有較快的采樣時間,以降低外界日光信號變化對光譜的影響。由于夫瑯禾費暗線線很窄且深度較深,因此對光譜分辨率最好能夠高于0.3nm,且需要較高的動態范圍和低噪聲以保證原始信號的質量。

      本應用中選擇的QEpro光譜儀主要特點:

      • 制冷型探測器
      • 光譜分辨率高:合適應用配置的光譜分辨率高于0.3
      • 高靈敏度低噪聲:信噪比1000:1
      • 高動態范圍:85000:1

      因此QEPro光譜儀能夠非常有效的匹配本應用對光譜儀的各項要求,同時光譜儀可以內置Shutter,方便整套系統進行暗噪聲校正,降低了外置光路的復雜程度,提升了系統的穩定性。

      如之前描述的實際使用環境,設備可能會搭建在不同高度的位置,因此選擇外置光路的兩大原則是,通光量高,安裝和維護方便。

      因此外指外置選擇了一個雙通道光路切換器,用于實現太陽輻照度和地物輻亮度的通道切換,這款光路切換器的特點是同光光學反射的模式進行光路選擇,優勢是通光效率高,且無需分叉光纖,解決了由于分叉光纖引起的光學偏差和能量損耗。

      此外海洋光學也能提供多通道光路切換器,如需單個光譜儀多個上下行通道,可以通過多個通道切換的方式實現。

      余弦校正器和光纖:選用了金屬鎧裝光纖和乳白玻璃材料的余弦校正器,均為標準SMA905接口,耐久性好,拆裝方便,可以滿足野外復雜的自然環境,應對較為不便的維護周期。

      校準光源:用于為連接了余弦校正器的通道進行絕對輻射校準使用,標準燈便攜體積小,并具有NIST溯源的絕對輻射文件,準確且方便野外使用。

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      參考文獻

      Zhang, Q., Zhang, X., Li, Z., Wu, Y., & Zhang, Y*. (2019). Comparison of Bi-Hemispherical and Hemispherical-Conical Configurations for In Situ Measurements of Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence. Remote Sensing, 11, 2642.

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      Shan N., W. Ju, M. Migliavacca, D. Martini, L. Guanter, J.M. Chen, Y. Goulas,?Y. Zhang*. Modeling canopy conductance and transpiration from solar-induced chlorophyll fluorescence.?Agricultural and Forest Meteorology, 2019, 268, 189-201


      章釗穎,王松寒,宋練,邱博,張永光*.日光誘導葉綠素熒光遙感反演及碳循環應用進展. 遙感學報,2019

      光纖光譜儀 {首页主词标题}