葉綠素熒光成像光譜儀系統(tǒng)

1、 葉綠素熒光成像光譜儀系統(tǒng)介紹

基本原理：

日光誘導葉綠素熒光(SIF，Solar-Induced chlorophyll Fluorescence)反演機理：太陽輻射譜線經(jīng)過太陽大氣和地球大氣中各成分的吸收，到達傳感器時存在寬度不等(0.1nm-10nm)、深度不同的吸收谷，稱為夫瑯和費暗線(Fraunhofer Lines)。SIF作為地表發(fā)射信號，疊加于反射信息之上，改變了夫瑯和費暗線的深度，利用SIF對夫瑯和費暗線的“井”填充效應，通過比對原始暗線深度及經(jīng)SIF填充后的暗線深度，可以實現(xiàn)SIF的遙感反演。由于反演SIF至少利用一條夫瑯和費暗線，且對于任意一條暗線，傳感器的光譜分辨率愈高，觀測得到的原始暗線深度愈深，SIF對暗線的填充效應愈明顯，則SIF反演的魯棒性愈強。因此，SIF的遙感反演需要在高光譜分辨率條件下實現(xiàn)，其核心問題為如何準確得到未被熒光填充的原始暗線和被熒光填充后的暗線。

日光誘導葉綠素熒光 SIF(Sun/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence)是植物在太陽光照條件下，由光合中心發(fā)射出的光譜信號(650—800 nm)，具有紅光(690 nm左右)和近紅外(740 nm左右)兩個波峰，能直接反映植物實際光合作用的動態(tài)變化。

SIF遙感是近年迅速發(fā)展起來的植被遙感技術，可彌補當前植被遙感觀測的不足，為陸地生態(tài)系統(tǒng)碳循環(huán)和植被監(jiān)測等提供了新的思路和技術。

以基于“綠度”觀測的植被指數(shù)(如NDVI)為代表的植被遙感在過去30年極大地促進了從宏觀尺度上來理解和認識地球生物圈，但其只能通過“綠度”來探測植物“潛在光合作用”。

葉綠素熒光在植被光合生理探測方面具有獨特的技術優(yōu)勢，是“實際光合作用”的直接探測方法?？梢哉f植被葉綠素熒光遙感是近10年來植被遙感領域*具突破性的研究前沿。隨著研究和技術的發(fā)展，SIF遙感*近10幾年來得到了長足的進步。SIF是光下測量葉綠素熒光的典型代表，通過測量上行輻亮度對下行太陽光譜Fraunhofer暗線的填充來反演植被發(fā)出的葉綠素熒光強度，通常會得到如下的光譜曲線。

圖1 反演植被發(fā)出的葉綠素熒光強度

技術指標：

? 成像光譜范圍：670-780nm（650- 800nm）

? 成像傳感器：SCMOS（制冷/非制冷）

? 光譜分辨率：0.3~0.4nm

? 光譜采樣間隔：0.1nm

? 光譜波段數(shù)：100~1000個波段

? SNR：優(yōu)于1000:1（峰值信噪比）

? 入射狹縫寬度：30μm

? 成像鏡頭：25mm定焦鏡頭

? 空間圖像分辨率：≥1200*1000

? 幀頻：1fps~100fps

? 接口：USB3.0

? 重量：＜2.27Kg;

主要功能：

? 動曝光、自動對焦、自動掃描速度匹配

? Shutter快門

? 輻射度、均勻性、鏡頭、反射率校準

? 太陽光實時采集（余弦校正器）

? 內(nèi)置電池

? 內(nèi)置推掃成像

? 輔助攝像監(jiān)控

? 紅外熱成像

? 實時反演輸出

圖2 系統(tǒng)硬件及軟件界面

數(shù)據(jù)處理分析：

? 反射光譜數(shù)據(jù)存儲及輸出

? 高光譜數(shù)據(jù)立方體圖

? 實時太陽光譜采集/校正

? 植被指數(shù)：歸一化指數(shù)N DV I、比值指數(shù)SR、改進的葉綠素吸收反射指數(shù)MCARI、改進的葉綠素吸收反射指數(shù)1MCARI1、*優(yōu)化土壤調(diào)整植被指數(shù)OSAVI等，也支持自定義波段計算公式。

反演模型：

技術特點：

參考光源強度信息與待測目標圖像的實時同幀并行采集功能

SIF成像光譜儀的入射狹縫區(qū)域中，設計有專門為光纖收集實時參考光源強度信息的結構，余弦校正模組會對收集來自各方的光進行勻化后，再經(jīng)光纖傳導到入射狹縫的前端，確保在進行掃描成像時，每一幀頻都會記錄其獨立且與之同步對應的參考光源信息。避免因光強變化而引起的校準誤差，確保校準的相對獨立性，為定量研究等提供支持。

圖3 實時光纖光強采集

波段自定義設定和采樣間隔自定義

在軟件界面上，可對自定義光譜起始波段、終止波段、采用間隔的參數(shù)設置；且支持多個類似的操作，對感興趣區(qū)域和光譜細分精度進行設置，對非感興趣區(qū)域進行波段數(shù)量縮減，進而增加有效信號的提取和減少冗余數(shù)據(jù)量，提升采集效率的同時又保證了數(shù)據(jù)精度。