陆地生态系统碳监测卫星日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪设计与验证

王伟刚 胡斌杜国军段鹏飞井亚舟李碧岑柯君玉郭永祥夏晨晖安宁崔程光李云飞崔博伦伏瑞敏毛一岚

陆地生态系统碳监测卫星日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪设计与验证

王伟刚1胡斌1杜国军1段鹏飞1井亚舟1李碧岑1柯君玉1郭永祥1夏晨晖1安宁1崔程光1李云飞1崔博伦1伏瑞敏1毛一岚2

（1北京空间机电研究所，北京 100094）（2中国空间技术研究院，北京 100080）

日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪（简称超光谱探测仪）是陆地生态系统碳监测卫星“句（gōu）芒号”四个有效载荷之一。超光谱探测仪是国际上首台专门设计探测太阳诱导植被荧光载荷，光谱范围670nm～780nm，光谱分辨率0.3nm，对地观测幅宽34km。为了保证探测精度，探测仪要求在10mW·m–2·sr–1·nm–1输入光谱辐亮度下信噪比大于200。针对高精度定量化探测需求，国内首次采用高稳定双焦距望远光学系统设计，实现了光学系统的公差比传统设计低4倍，采用高性能AD量化器件和电路抑制设计实现513.1高信噪比，采用高稳定漫反射板（Quasi Volume Diffuser，QVD），实现在轨高稳定性能监测，采用间接控温实现0.08℃精密控温。文章给出了探测仪设计与实验室验证情况，并给出了外场试验结果和在轨初步反演结果。

日光诱导叶绿素荧光 光栅成像光谱仪 设计与验证 超光谱 陆地生态系统碳监测卫星

0 引言

为了应对气候变暖的严峻形势，实现绿色低碳发展目标，2020年9月中国首次对外宣布将在2030年前力争实现CO2排放达到峰值，2060 年前实现碳中和。陆地碳汇精确计量是实现“双碳”（碳达峰、碳中和）目标的关键，但碳汇强度、位置仍存在不确定性。总初级生产力（Gross Primary Production，GPP）是植被光合作用固定的碳量，也是导致全球碳循环预测不确定性的主要因素。通量观测是最准确的GPP估算方式，但受限于站点数量和分布范围[1]。卫星在评估景观、区域和全球尺度生态系统GPP时空变化中具有巨大优势。

日光诱导叶绿素荧光（Sun/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）是植物在太阳光照条件下，由光合中心发射出的光谱信号（650nm～800nm），具有红光（690nm左右）和近红外（740nm左右）两个波峰，能直接反映植物实际光合作用的动态变化。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，植被叶绿素荧光遥感是近10年来植被遥感领域最具突破性的研究前沿。随着研究和技术的发展，SIF遥感最近10几年来得到了长足的进步，是植物光合探测的颠覆性创新。研究表明，SIF相比传统经验统计、过程模型、数据驱动等，能更好地估算全球植被GPP[2]。

2007年，Guanter等首次基于欧航局（ESA）的MERIS卫星数据，在景观尺度上反演了SIF数据，并利用机载CASI数据进行验证，证明了星载卫星数据提取SIF的可行性[3]。2011年，Jonier利用GOSAT卫星获取了首张全球SIF制图[4]。

图1 陆地生态系统碳监测卫星（TECIS）模型及载荷

自此之后，多颗卫星利用红外谱段测量植被的SIF，日本GOSAT-2卫星、美国的OCO-2卫星、OCO-3卫星和欧洲的S5P卫星、中国的碳卫星都获得了全球SIF数据，见表1。

2015年ESA宣布FLEX（Fluorescence Explorer）为第8个“地球探索者”任务，也是全球首个陆地植被SIF探测任务。FLEX将获取植物健康和胁迫信息，以支持农业、林业监测应用。FLEX 搭载的荧光成像光谱仪（FLORIS）能够对整个SIF谱段进行监测，估算冠层生物物理和化学参数[5]。

2017年，中国陆地生态系统碳监测卫星（TECIS）的科研星立项，以技术验证和科学目标探索为主，后续业务星也已列入规划。陆地生态系统碳监测卫星是我国首颗以陆地生态系统碳监测、森林资源监测和森林生产力评估为主任务的林业遥感卫星。卫星采用主被动相结合、点面相结合的工作模式，搭载4个载荷，见图1。TECIS搭载日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪（SIFIS）具有空间连续荧光探测能力[6]。2022年8月4日太原卫星发射中心成功发射全球首颗陆地生态系统碳监测卫星“句（gōu）芒号”。

表1 国内外具有荧光探测能力卫星与载荷汇总表

1 超光谱探测仪系统描述

1.1 技术指标

植被在光合作用光反应过程时，叶片中叶绿素分子吸收的太阳能大致用于三个方面：驱动光化学反应的光合作用、以光子重新释放（即叶绿素荧光）以及用于热耗散。植物在光合作用释放荧光，日光诱导叶绿素荧光只有入射能量（0.5～2）%，能量非常弱，见图2。要实现高精度的探测，超光谱探测仪需要高光谱分辨率、高信噪比、高稳定性等“三高”要求。

图2 光合作用能量释放示意图

针对荧光探测科学需求，提出超光谱探测仪的指标参数[6]，见表2。

1.2 超光谱探测仪工作原理与组成

超光谱探测仪采用推扫成像方式，光轴垂直于飞行方向，沿轨方向为光谱维，穿轨方向为空间维。输入信号经望远系统后通过光学狭缝进入光谱仪，由透射式准直系统扩束成平行光照射到光栅上色散成精细光谱，并通过汇聚系统成像在焦平面探测器上，实现光谱的获取。焦平面探测器的模拟信号经采集放大和A/D转换成数字信号后进行数据处理和格式编排，通过数据传输接口送往卫星数传系统并下传至地面，见图3。

表2 超光谱探测仪主要技术参数

1.3 超光谱探测仪总体技术路线

为了满足总体研制目标，主要采取如下技术途径：

图3 超光谱探测仪工作原理示意图

1）采用平面光栅分光实现0.3nm的超光谱分辨率，采用单通道实现670nm～780nm宽光谱分光；

2）选用高性能的背照近红外增强CCD探测器，且探测器针对ETALON效应进行抑制设计；

3）采用全口径、全光路在轨辐射定标，漫反射选用高精度高稳定漫反射板（Quasi Volume Diffuser，QVD）；

4）采用两反双焦距望远系统，实现高稳定光学 系统；

5）采用遮光罩、光陷阱、带通滤光片等措施实现低杂散光；

6）采用双巴比涅实现低偏振抑制；

7）电子学采用主备设计，保证8年的在轨寿命要求；

8）电子学采用低噪声电路设计，使得噪声达到极限；

9）采用探测仪热控采用主动加热被动散热，并采用分区控温，能有效实现在轨高精度控温，保证在轨高稳定环境。

超光谱探测仪包括光机主体、视频控制器、二次电源箱三台单机，系统组成和功能框图如下图4所示。

图4 超光谱探测仪组成原理框图

1.4 超光谱探测仪关键技术及实现

（1）高光谱分辨率设计

光学系统拟采用平面光栅，光栅的线色散率公式为：

表3 光栅参数表

图5 光学系统光路图

（2）高稳定双焦距望远光学系统设计

光学系统由望远系统（A）、准直系统（B）、色散元件（C）和成像系统（D）4部分组成，其中准直系统、色散元件和成像系统组成了光谱仪。来自地球的物方光线经过望远系统（A）汇聚在狭缝处，后经过准直系统（B）出射平行光，再经过色散元件（C）产生光谱色散，最后经成像系统（D）将不同谱段信号成像与焦面器件的不同位置处。望远系统利用柱面反射镜实现子午弧矢双焦距，实现了光学系统的公差比传统的设计低4倍，保证了系统的稳定性。系统采用场镜和棱镜校正光谱畸变，从而保证光谱畸变（Keystone/Smile）畸变小于0.3像元。光学系统光路如图5所示。

（3）高信噪比设计

信噪比决定了仪器的反演精度。从增大信号和降低噪声两个方面来做工作，保证仪器在10mWm–2sr–1nm–1增弱信号下信噪比优于200，同时保证动态范围350mWm–2sr–1nm–1。增大信号主要通过减少系统数、提高系统透过率、提高光栅的衍射效率和增加探测器像元合并。光学系统的透过率达到99%，达到了镀膜极限。光栅采用激光全息制作方法，光栅衍射效率到达了设计极限。减小数，可以增大系统能量，但是带来了动态范围降低，光学系统加工装调难度增大，因此综合优化系统数、动态范围、像元合并数量、幅宽以及器件响应速度等因素，确定系统数为2.8，通过24个像元合并实现高动态范围下的信号获取。

器件的暗电流噪声由CCD器件决定，本项目选用的高性能CCD探测器暗电流噪声只有9个电子数。在考核光谱辐亮度10mWm–2sr–1nm–1输入能量下相应的光子噪声为227电子数。CCD器件的读出电路相对成熟，采用相关双采样电路，读出噪声为42个电子数，达到读出噪声极限。因此量化噪声、电路噪声抑制是降低噪声关键。本项目采用高性能AD量化器件把量化噪声降为57个电子数，电路噪声采用优化电路带宽、电路滤波等方法，实现电路噪声为230个电子数，实现电路噪声接近理论极限。

图6 在轨定标流程安排

Fig.6 Calibration process of SIFIS on orbit

表4 探测仪工作温度要求

（4）高精度星上定标设计

荧光信号最大只有2.5mWm–2sr–1nm–1，要实现高精度的荧光探测，仪器在轨稳定性至关重要。超光谱探测仪在轨工作寿命大于8年，在轨空间环境会导致的性能退化。在轨高精度性能监测非常关键。采用太阳绝对定标、月球定标、卫星偏航90°定标等多种定标方式实现在轨高精度性能监测。太阳定标利用太阳做为辐射定标源，通过漫射板实现全口径、全视场、全光路绝对辐射定标，同时设置参考漫射板，用于漫射板主板在轨性能衰减的校正。

漫反射板漫反射板稳定性是实现高精度在轨定标关键。超光谱探测仪选择了QVD漫射板。QVD的材料对空间辐射不敏感，性能的衰减仅由表面污染引起。根据同类型在轨飞行结果，10年的衰减小于3%。

图6给出了在轨定标流程安排，主板定标为每天1次，备板定标每月1次。

（5）精密热控设计

在轨温度变化是引起仪器工作不稳定的重要因素。探测通道采用了平面反射光栅，光栅对温度梯度、温度水平和温度稳定度有极高要求。光栅组件和棱镜组件既有较高的温度水平要求，同时又有较高的稳定性要求，表4给出了探测仪工作温度要求。

针对此种控温指标，仅通过常规的热设计方法很难满足要求。课题组提出了间接辐射控温的设计思路，在探测仪框架结构上增加了一系列辅助热罩，见图7。通过热罩辐射传热实现精密热控，为关键件提供良好的热环境，形成间接控温，并达到其温度稳定性要求。CCD与导热铜座连接，导热铜座通过热管与散热面连接，从而实现CCD的散热。

图7 光机主体热罩布置图

2 超光谱探测仪测试与验证

2.1 高光谱分辨率地面验证

真空下采用可调谐激光器进行测量仪器线型函数（Instrument Line Shape，ILS），每个谱线附近进行扫描测试，扫描步长0.015nm，对仪器获取的谱线图中的谱线进行高斯拟合，得到仪器的ILS。根据ILS函数计算半峰宽（Full Width at Half Maxima，FWHM），结合光谱采样间隔得到系统的光谱分辨率，ILS见表5，光谱分辨率结果见表6，真空测试现场见图8。

表5 不同谱段ILS测试拟合曲线

2.2 信噪比地面验证

信噪比测试在模拟在轨工作环境的真空罐中进行，产品放置在真空罐中，积分球放置在罐外。超光谱探测仪谱段范围在氧气吸收谱段，为了减少大气中氧气吸收对测试影响，积分球出口与真空罐出口之间用封闭罩连接，积分球和封闭罩内进行吹氮，测试现场见图9。动态范围测试结果见表7，档位I的动态范围最低351.7 mWm–2sr–1nm–1，满足大于350环境要求mWm–2sr–1nm–1。信噪比测试结果见表8，档位I下在10mWm–2sr–1nm–1输入光谱辐亮度信噪比513.1满足大于200要求。如果工作在档位II，探测仪可以获得更高的信噪比596.1。

表6 典型波长不同视场下光谱分辨率

图8 真空光谱性能测试现场

图9 真空信噪比测试现场

表7 探测仪动态范围上限

表8 探测仪各档位信噪比@10 mW·m–2sr–1nm–1

2.3 超光谱探测仪外场验证

2020年9月在河北怀来中国科学院空天院怀来实验站用鉴定产品进行了外场试验，见图10。鉴定超光谱探测仪对林地等进行探测，同时应用了美国海洋光学的QE Pro光谱仪（0.3nm采样间隔，波长范围650nm～800nm进行同步观测[7]。

鉴定超光谱探测仪反演的红外和近红外谱段荧光、NDVI和NIRvR等。同时与QE Pro光谱仪数据进行对比，在近红外谱段相关度达到0.7，在红外谱段相关系数较低只有0.23。红外谱段较低，目前主要由于算法还需要更新，图11给出了反演结果，图12给出了鉴定超光谱探测仪反演结果与QE Pro对比分析结果。

3 超光谱探测仪在轨初步验证

2022年8月4日“句芒”号卫星成功发射入轨，8月31日超光谱探测仪正式开机探测，获取了大量数据，经过初步处理，数据品质良好。图13给出了1景澳大利亚成像荧光反演结果，图14给出了初步反演精度达到了0.48mWm–2sr–1nm–1。超光谱探测仪正在进行在轨测试，并且将基于探测结果不断优化数据处理参数和反演算法，取得更高精度荧光反演结果。

图10 超光谱探测仪外场试验

图11 超光谱探测仪反演的红外和近红外谱段荧光、NDVI和NIRvR

图12 超光谱探测仪与QE-Pro对比（光谱数据和反演荧光）

图13 超光谱探测仪在轨1景成像位置及荧光反演结果

超光谱探测仪在轨温度控制稳定，入轨以来光栅温度保持不变，满足±0.08℃稳定性设计要求。CCD温度波动在0.3℃，满足±0.5℃稳定性设计要求，具体结果见图15。

图14 超光谱探测仪在轨初步反演精度

4 结束语

超光谱探测仪是国际上首台专门针对日光诱导叶绿素荧光探测的光谱仪，超光谱探测仪针对高精度定量化探测需求，国内首次采用高稳定的光学系统设计技术，同时集成了高精度定标、精密热控、高抑制比消偏、全链路噪声抑制等技术，确保获得高质量数据。

超光谱探测仪入轨后，工作正常，获取高品质的光谱数据，光谱性能、信噪比等均满足或者优于指标要求。获得光谱数据反演荧光，反演精度满足设计要求。

超光谱探测仪反演荧光数据可以支撑GPP、植物状态等研究，从而支撑我国的“双碳”战略。后续项目团队将继续在数据处理与反演做工作，特别加强与同平台其他载荷数据联合应用，提升荧光反演精度，扩大荧光应用。

图15 超光谱探测仪关键部位温度

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The Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer (SIFIS) onboard the Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite: Design and Verification

WANG Weigang1HU Bin1DU Guojun1DUAN Pengfei1AN Ning1JING Yazhou1LI Bicen1KE Junyu1GUO Yongxiang1XIA Chenhui1LIU Yuxiang1CUI Chengguang1LI Yunfei1CUI Bolun1FU Ruimin1MAO Yilan2

（1 Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）（2 China Academy of Space Technology, Beijing 100080, China）

The Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer (SIFIS) is one of the four payloads of the first terrestrial ecosystem carbon inventory satellite (TECIS-1),Gou Mang. SIFIS is the first payload to launch in orbit specifically designed to detect solar-induced chlorophyll fluorescence in the word. The SIFIS has a spectral range of 670～780nm, a spectral resolution of 0.3nm, and a swath of 34km. In order to assure the detection accuracy, the requirement of SNR is more than 200 at the level of 10W/m2/sr/nm. The SIFIS is the first in China to adopt a highly stable optical system design technology, which realizes the tolerances up to 4 times lower than conventional designs. The SIFIS adopts high performance AD device and circuit suppression design to get a high SNR of 513.1, a highly stable QVD diffuser to monitor stability in orbit, indirect temperature control to realize 0.08℃ temperature stability. This report presents a summary of design and verification, as well as the results of the outfield tests and the initial in-orbit test and application.

solar-induced chlorophyll fluorescence (SIF); imaging spectrometer; design and verification; hypersepctral; terrestrial ecosystem carbon inventory satellite (TECIS-1)

TP73

A

1009-8518(2022)06-0068-11

10.3969/j.issn.1009-8518.2022.06.007

2022-10-09

国家重大科技专项工程

王伟刚, 胡斌, 杜国军, 等. 陆地生态系统碳监测卫星日光诱导叶绿素荧光超光谱探测仪设计与验证[J]. 航天返回与遥感, 2022, 43(6): 68-78.

WANG Weigang, HU Bin, DU Guojun, et al. The Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer (SIFIS) onboard the Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite：Design and Verification[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(6s): 68-78. (in Chinese)

王伟刚，男，1977年生，2003年获中国科学院大学硕士学位，研究员。研究领域为空间光学遥感器系统总体技术。E-mail：wangwg_bisme@163.com。

（编辑：毛建杰）