[发明专利]与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱高频观测系统

说明书

本发明涉及一种与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱高频观测系统，包含：光谱仪、光纤和余弦校正器，光纤的尾端连接光谱仪，光纤的头端与余弦校正器光路连接，其还包含有一个用于直接或间接翻转该余弦校正器使得余弦校正器的受光面在竖直朝上和竖直朝下两个状态间进行切换的电机。本发明具有以下优点：1、通过单光谱仪观测减轻波长漂移影响；2、舍弃光路切换开关采用电机旋转单光纤方式，光路完整性显著提升，光路透过性增大，上下通道观测时间间隔显著缩短，有效减轻上下通道时间不匹配对SIF反演准确度影响；3、采用余弦观测方式以扩大SIF观测footprint，从而提高与通量数据可耦合性。

技术领域

本发明涉及一种与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱观测系统及观测 方法，属于光谱仪观测技术领域。

背景技术

植被总初级生产力(Gross Primary Production,GPP)表征的是生态系统 尺度上陆生植物通过光合作用所固定的有机碳速率，是研究全球碳循环的最大 分量。GPP决定了陆地生态系统物质和能量循环的输入，提供了高等生命形式赖 以生存的氧气、食物，使得高等生命形式成为可能，同时长时间的碳固定和O₂分子的合成也为人类工业社会初始化提供了化石燃料。因此，GPP相关研究一直 是全球碳循环、陆地生态系统生态学等领域的学术前沿。

目前，通用且准确的GPP估算方法是涡度相关通量(eddy covariance,EC) 方法。该方法可以实现在一定范围内(～1km)的陆地生态系统和大气环境之间 CO2净交换量(NetEcosystem Exchange,NEE)的准确测量，然后根据呼吸方程 将NEE拆分为GPP和土壤呼吸(Re)。然而囿于相对小的测量范围，尽管目前全 球已经建立了1000余个通量站点，仍难以实现区域或者全球GPP的估算。

近年来，植物-光相互作用和光合作用过程方面研究取得了重大进展，特别 是日光诱导叶绿素荧光(solar-induced chlorophyll fluorescence,SIF)的 遥感观测为研究光合作用开辟了一个新的视角。SIF是处于自然条件下绿色植物 在进行光合作用时释放的一种波长位于650-800nm的光，可以看做是描述植物 光合作用机理和状态的直接替代。SIF是光合作用的副产品，与光合作用的关系 十分密切，可以提供一种更直接有效的方法来诊断植被的生理化学状况，因此 对叶绿素荧光进行深入的研究将有助于人类对光合作用机制的理解。因此，SIF 观测技术以及如何提升SIF观测准确性逐渐成为发展热点，同时也是难点。

目前，SIF观测尺度主要有卫星、航空、近地面(如，地基)和叶片。虽然 卫星、航空尺度观测SIF对全球、区域光合作用相关研究有重要影响，但SIF 与光合作用耦合的机制研究仍有限，主要限制于SIF时空分辨率较低、与通量 站点尺度(footprint)难匹配等问题。叶片尺度虽然时空分辨率高，但观测 footprint仅～1cm2，难以耦合通量观测数据进行相关分析。近地面SIF观测因 其超高的光谱采集频率和与通量较为一致的footprint逐渐成为光和作用研究 的重要课题。

自然光照条件下测定的植被反射的辐照度光谱既包括SIF的发射光谱，又包 括叶片对入射光的反射光谱。由于SIF发射光谱和植被冠层反射光谱是混合在 一起的，所以从冠层光谱中提取SIF光谱首先需要精准的观测。依据FLD原理 中SIF对暗线填充思想，为了提取微弱的SIF信号，观测需实现高光谱分辨率(亚 纳米)的太阳入射光和冠层反射光近乎同步的观测。同时，为了实现可与通量数 据进行耦合分析，SIF观测footprint也应与通量footprint保持一致。因此， 数据可信赖的SIF观测系统应满足如下要求：

1、光谱通道光路完整性；

2、太阳入射辐射通道和地物反射辐射通道应时间匹配；

3、SIF观测与EC通量的footprint匹配；

4、积分时间设置和暗电流校正。