陸地生態系統碳監測衛星日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀設計與驗證

王偉剛 胡斌杜國軍段鵬飛井亞舟李碧岑柯君玉郭永祥夏晨暉安寧崔程光李云飛崔博倫伏瑞敏毛一嵐

陸地生態系統碳監測衛星日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀設計與驗證

王偉剛1胡斌1杜國軍1段鵬飛1井亞舟1李碧岑1柯君玉1郭永祥1夏晨暉1安寧1崔程光1李云飛1崔博倫1伏瑞敏1毛一嵐2

（1北京空間機電研究所，北京 100094）（2中國空間技術研究院，北京 100080）

日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀（簡稱超光譜探測儀）是陸地生態系統碳監測衛星“句（gōu）芒號”四個有效載荷之一。超光譜探測儀是國際上首臺專門設計探測太陽誘導植被熒光載荷，光譜范圍670nm～780nm，光譜分辨率0.3nm，對地觀測幅寬34km。為了保證探測精度，探測儀要求在10mW·m–2·sr–1·nm–1輸入光譜輻亮度下信噪比大于200。針對高精度定量化探測需求，國內首次采用高穩定雙焦距望遠光學系統設計，實現了光學系統的公差比傳統設計低4倍，采用高性能AD量化器件和電路抑制設計實現513.1高信噪比，采用高穩定漫反射板（Quasi Volume Diffuser，QVD），實現在軌高穩定性能監測，采用間接控溫實現0.08℃精密控溫。文章給出了探測儀設計與實驗室驗證情況，并給出了外場試驗結果和在軌初步反演結果。

日光誘導葉綠素熒光 光柵成像光譜儀 設計與驗證 超光譜 陸地生態系統碳監測衛星

0 引言

為了應對氣候變暖的嚴峻形勢，實現綠色低碳發展目標，2020年9月中國首次對外宣布將在2030年前力爭實現CO2排放達到峰值，2060?年前實現碳中和。陸地碳匯精確計量是實現“雙碳”（碳達峰、碳中和）目標的關鍵，但碳匯強度、位置仍存在不確定性。總初級生產力（Gross Primary Production，GPP）是植被光合作用固定的碳量，也是導致全球碳循環預測不確定性的主要因素。通量觀測是最準確的GPP估算方式，但受限于站點數量和分布范圍[1]。衛星在評估景觀、區域和全球尺度生態系統GPP時空變化中具有巨大優勢。

日光誘導葉綠素熒光（Sun/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）是植物在太陽光照條件下，由光合中心發射出的光譜信號（650nm～800nm），具有紅光（690nm左右）和近紅外（740nm左右）兩個波峰，能直接反映植物實際光合作用的動態變化。葉綠素熒光在植被光合生理探測方面具有獨特的技術優勢，是“實際光合作用”的直接探測方法，植被葉綠素熒光遙感是近10年來植被遙感領域最具突破性的研究前沿。隨著研究和技術的發展，SIF遙感最近10幾年來得到了長足的進步，是植物光合探測的顛覆性創新。研究表明，SIF相比傳統經驗統計、過程模型、數據驅動等，能更好地估算全球植被GPP[2]。

2007年，Guanter等首次基于歐航局（ESA）的MERIS衛星數據，在景觀尺度上反演了SIF數據，并利用機載CASI數據進行驗證，證明了星載衛星數據提取SIF的可行性[3]。2011年，Jonier利用GOSAT衛星獲取了首張全球SIF制圖[4]。

圖1 陸地生態系統碳監測衛星（TECIS）模型及載荷

自此之后，多顆衛星利用紅外譜段測量植被的SIF，日本GOSAT-2衛星、美國的OCO-2衛星、OCO-3衛星和歐洲的S5P衛星、中國的碳衛星都獲得了全球SIF數據，見表1。

2015年ESA宣布FLEX（Fluorescence Explorer）為第8個“地球探索者”任務，也是全球首個陸地植被SIF探測任務。FLEX將獲取植物健康和脅迫信息，以支持農業、林業監測應用。FLEX 搭載的熒光成像光譜儀（FLORIS）能夠對整個SIF譜段進行監測，估算冠層生物物理和化學參數[5]。

2017年，中國陸地生態系統碳監測衛星（TECIS）的科研星立項，以技術驗證和科學目標探索為主，后續業務星也已列入規劃。陸地生態系統碳監測衛星是我國首顆以陸地生態系統碳監測、森林資源監測和森林生產力評估為主任務的林業遙感衛星。衛星采用主被動相結合、點面相結合的工作模式，搭載4個載荷，見圖1。TECIS搭載日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀（SIFIS）具有空間連續熒光探測能力[6]。2022年8月4日太原衛星發射中心成功發射全球首顆陸地生態系統碳監測衛星“句（gōu）芒號”。

表1 國內外具有熒光探測能力衛星與載荷匯總表

1 超光譜探測儀系統描述

1.1 技術指標

植被在光合作用光反應過程時，葉片中葉綠素分子吸收的太陽能大致用于三個方面：驅動光化學反應的光合作用、以光子重新釋放（即葉綠素熒光）以及用于熱耗散。植物在光合作用釋放熒光，日光誘導葉綠素熒光只有入射能量（0.5～2）%，能量非常弱，見圖2。要實現高精度的探測，超光譜探測儀需要高光譜分辨率、高信噪比、高穩定性等“三高”要求。

圖2 光合作用能量釋放示意圖

針對熒光探測科學需求，提出超光譜探測儀的指標參數[6]，見表2。

1.2 超光譜探測儀工作原理與組成

超光譜探測儀采用推掃成像方式，光軸垂直于飛行方向，沿軌方向為光譜維，穿軌方向為空間維。輸入信號經望遠系統后通過光學狹縫進入光譜儀，由透射式準直系統擴束成平行光照射到光柵上色散成精細光譜，并通過匯聚系統成像在焦平面探測器上，實現光譜的獲取。焦平面探測器的模擬信號經采集放大和A/D轉換成數字信號后進行數據處理和格式編排，通過數據傳輸接口送往衛星數傳系統并下傳至地面，見圖3。

表2 超光譜探測儀主要技術參數

1.3 超光譜探測儀總體技術路線

為了滿足總體研制目標，主要采取如下技術途徑：

圖3 超光譜探測儀工作原理示意圖

1）采用平面光柵分光實現0.3nm的超光譜分辨率，采用單通道實現670nm～780nm寬光譜分光；

2）選用高性能的背照近紅外增強CCD探測器，且探測器針對ETALON效應進行抑制設計；

3）采用全口徑、全光路在軌輻射定標，漫反射選用高精度高穩定漫反射板（Quasi Volume Diffuser，QVD）；

4）采用兩反雙焦距望遠系統，實現高穩定光學 系統；

5）采用遮光罩、光陷阱、帶通濾光片等措施實現低雜散光；

6）采用雙巴比涅實現低偏振抑制；

7）電子學采用主備設計，保證8年的在軌壽命要求；

8）電子學采用低噪聲電路設計，使得噪聲達到極限；

9）采用探測儀熱控采用主動加熱被動散熱，并采用分區控溫，能有效實現在軌高精度控溫，保證在軌高穩定環境。

超光譜探測儀包括光機主體、視頻控制器、二次電源箱三臺單機，系統組成和功能框圖如下圖4所示。

圖4 超光譜探測儀組成原理框圖

1.4 超光譜探測儀關鍵技術及實現

（1）高光譜分辨率設計

光學系統擬采用平面光柵，光柵的線色散率公式為：

表3 光柵參數表

圖5 光學系統光路圖

（2）高穩定雙焦距望遠光學系統設計

光學系統由望遠系統（A）、準直系統（B）、色散元件（C）和成像系統（D）4部分組成，其中準直系統、色散元件和成像系統組成了光譜儀。來自地球的物方光線經過望遠系統（A）匯聚在狹縫處，后經過準直系統（B）出射平行光，再經過色散元件（C）產生光譜色散，最后經成像系統（D）將不同譜段信號成像與焦面器件的不同位置處。望遠系統利用柱面反射鏡實現子午弧矢雙焦距，實現了光學系統的公差比傳統的設計低4倍，保證了系統的穩定性。系統采用場鏡和棱鏡校正光譜畸變，從而保證光譜畸變（Keystone/Smile）畸變小于0.3像元。光學系統光路如圖5所示。

（3）高信噪比設計

信噪比決定了儀器的反演精度。從增大信號和降低噪聲兩個方面來做工作，保證儀器在10mWm–2sr–1nm–1增弱信號下信噪比優于200，同時保證動態范圍350mWm–2sr–1nm–1。增大信號主要通過減少系統數、提高系統透過率、提高光柵的衍射效率和增加探測器像元合并。光學系統的透過率達到99%，達到了鍍膜極限。光柵采用激光全息制作方法，光柵衍射效率到達了設計極限。減小數，可以增大系統能量，但是帶來了動態范圍降低，光學系統加工裝調難度增大，因此綜合優化系統數、動態范圍、像元合并數量、幅寬以及器件響應速度等因素，確定系統數為2.8，通過24個像元合并實現高動態范圍下的信號獲取。

器件的暗電流噪聲由CCD器件決定，本項目選用的高性能CCD探測器暗電流噪聲只有9個電子數。在考核光譜輻亮度10mWm–2sr–1nm–1輸入能量下相應的光子噪聲為227電子數。CCD器件的讀出電路相對成熟，采用相關雙采樣電路，讀出噪聲為42個電子數，達到讀出噪聲極限。因此量化噪聲、電路噪聲抑制是降低噪聲關鍵。本項目采用高性能AD量化器件把量化噪聲降為57個電子數，電路噪聲采用優化電路帶寬、電路濾波等方法，實現電路噪聲為230個電子數，實現電路噪聲接近理論極限。

圖6 在軌定標流程安排

Fig.6 Calibration process of SIFIS on orbit

表4 探測儀工作溫度要求

（4）高精度星上定標設計

熒光信號最大只有2.5mWm–2sr–1nm–1，要實現高精度的熒光探測，儀器在軌穩定性至關重要。超光譜探測儀在軌工作壽命大于8年，在軌空間環境會導致的性能退化。在軌高精度性能監測非常關鍵。采用太陽絕對定標、月球定標、衛星偏航90°定標等多種定標方式實現在軌高精度性能監測。太陽定標利用太陽做為輻射定標源，通過漫射板實現全口徑、全視場、全光路絕對輻射定標，同時設置參考漫射板，用于漫射板主板在軌性能衰減的校正。

漫反射板漫反射板穩定性是實現高精度在軌定標關鍵。超光譜探測儀選擇了QVD漫射板。QVD的材料對空間輻射不敏感，性能的衰減僅由表面污染引起。根據同類型在軌飛行結果，10年的衰減小于3%。

圖6給出了在軌定標流程安排，主板定標為每天1次，備板定標每月1次。

（5）精密熱控設計

在軌溫度變化是引起儀器工作不穩定的重要因素。探測通道采用了平面反射光柵，光柵對溫度梯度、溫度水平和溫度穩定度有極高要求。光柵組件和棱鏡組件既有較高的溫度水平要求，同時又有較高的穩定性要求，表4給出了探測儀工作溫度要求。

針對此種控溫指標，僅通過常規的熱設計方法很難滿足要求。課題組提出了間接輻射控溫的設計思路，在探測儀框架結構上增加了一系列輔助熱罩，見圖7。通過熱罩輻射傳熱實現精密熱控，為關鍵件提供良好的熱環境，形成間接控溫，并達到其溫度穩定性要求。CCD與導熱銅座連接，導熱銅座通過熱管與散熱面連接，從而實現CCD的散熱。

圖7 光機主體熱罩布置圖

2 超光譜探測儀測試與驗證

2.1 高光譜分辨率地面驗證

真空下采用可調諧激光器進行測量儀器線型函數（Instrument Line Shape，ILS），每個譜線附近進行掃描測試，掃描步長0.015nm，對儀器獲取的譜線圖中的譜線進行高斯擬合，得到儀器的ILS。根據ILS函數計算半峰寬（Full Width at Half Maxima，FWHM），結合光譜采樣間隔得到系統的光譜分辨率，ILS見表5，光譜分辨率結果見表6，真空測試現場見圖8。

表5 不同譜段ILS測試擬合曲線

2.2 信噪比地面驗證

信噪比測試在模擬在軌工作環境的真空罐中進行，產品放置在真空罐中，積分球放置在罐外。超光譜探測儀譜段范圍在氧氣吸收譜段，為了減少大氣中氧氣吸收對測試影響，積分球出口與真空罐出口之間用封閉罩連接，積分球和封閉罩內進行吹氮，測試現場見圖9。動態范圍測試結果見表7，檔位I的動態范圍最低351.7 mWm–2sr–1nm–1，滿足大于350環境要求mWm–2sr–1nm–1。信噪比測試結果見表8，檔位I下在10mWm–2sr–1nm–1輸入光譜輻亮度信噪比513.1滿足大于200要求。如果工作在檔位II，探測儀可以獲得更高的信噪比596.1。

表6 典型波長不同視場下光譜分辨率

圖8 真空光譜性能測試現場

圖9 真空信噪比測試現場

表7 探測儀動態范圍上限

表8 探測儀各檔位信噪比@10 mW·m–2sr–1nm–1

2.3 超光譜探測儀外場驗證

2020年9月在河北懷來中國科學院空天院懷來實驗站用鑒定產品進行了外場試驗，見圖10。鑒定超光譜探測儀對林地等進行探測，同時應用了美國海洋光學的QE Pro光譜儀（0.3nm采樣間隔，波長范圍650nm～800nm進行同步觀測[7]。

鑒定超光譜探測儀反演的紅外和近紅外譜段熒光、NDVI和NIRvR等。同時與QE Pro光譜儀數據進行對比，在近紅外譜段相關度達到0.7，在紅外譜段相關系數較低只有0.23。紅外譜段較低，目前主要由于算法還需要更新，圖11給出了反演結果，圖12給出了鑒定超光譜探測儀反演結果與QE Pro對比分析結果。

3 超光譜探測儀在軌初步驗證

2022年8月4日“句芒”號衛星成功發射入軌，8月31日超光譜探測儀正式開機探測，獲取了大量數據，經過初步處理，數據品質良好。圖13給出了1景澳大利亞成像熒光反演結果，圖14給出了初步反演精度達到了0.48mWm–2sr–1nm–1。超光譜探測儀正在進行在軌測試，并且將基于探測結果不斷優化數據處理參數和反演算法，取得更高精度熒光反演結果。

圖10 超光譜探測儀外場試驗

圖11 超光譜探測儀反演的紅外和近紅外譜段熒光、NDVI和NIRvR

圖12 超光譜探測儀與QE-Pro對比（光譜數據和反演熒光）

圖13 超光譜探測儀在軌1景成像位置及熒光反演結果

超光譜探測儀在軌溫度控制穩定，入軌以來光柵溫度保持不變，滿足±0.08℃穩定性設計要求。CCD溫度波動在0.3℃，滿足±0.5℃穩定性設計要求，具體結果見圖15。

圖14 超光譜探測儀在軌初步反演精度

4 結束語

超光譜探測儀是國際上首臺專門針對日光誘導葉綠素熒光探測的光譜儀，超光譜探測儀針對高精度定量化探測需求，國內首次采用高穩定的光學系統設計技術，同時集成了高精度定標、精密熱控、高抑制比消偏、全鏈路噪聲抑制等技術，確保獲得高質量數據。

超光譜探測儀入軌后，工作正常，獲取高品質的光譜數據，光譜性能、信噪比等均滿足或者優于指標要求。獲得光譜數據反演熒光，反演精度滿足設計要求。

超光譜探測儀反演熒光數據可以支撐GPP、植物狀態等研究，從而支撐我國的“雙碳”戰略。后續項目團隊將繼續在數據處理與反演做工作，特別加強與同平臺其他載荷數據聯合應用，提升熒光反演精度，擴大熒光應用。

圖15 超光譜探測儀關鍵部位溫度

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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

國家重大科技專項工程

王偉剛, 胡斌, 杜國軍, 等. 陸地生態系統碳監測衛星日光誘導葉綠素熒光超光譜探測儀設計與驗證[J]. 航天返回與遙感, 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)

王偉剛，男，1977年生，2003年獲中國科學院大學碩士學位，研究員。研究領域為空間光學遙感器系統總體技術。E-mail：wangwg_bisme@163.com。

（編輯：毛建杰）