1　引言

植被生态系统的稳定对于维持全球生态系统稳定来说非常重要。一直以来，对植被光合作用的观测都是遥感领域的研究前沿，通过观测数据所实现的光合作用动力研究和精准评估可以帮助研究人员更深入地了解和掌握地球生态系统中各类复杂循环的机理和机制。近年来，日光诱导叶绿素荧光（SIF）的研究得到了快速发展。SIF具有独特的产生机制，相比于植被常用反射光谱所能提供的植被指数（NDVI）参量，SIF可以在叶片、冠层乃至生态系统以上的范围更准确地表征植被的光合生产力以及评估植被的生长状况，因此SIF又被称为植被光合作用的“探针”。这一特点使SIF已经逐渐发展为评估植物光合作用的重要遥感参数，并开始在植被生产力、植被生理、病理与环境压力监测以及全球碳和水循环研究领域中得到广泛应用^［1-3］。

SIF是一种非常微弱的自发辐射光谱，几乎完全混杂在植被上行反射光谱中，很难被传统的植被光谱探测技术所获取，因此需要针对性地研制高精度的SIF探测仪器。SIF探测经历了实验室探测、外场地面探测、高塔探测、航空探测和星载探测等一系列发展，距今已超过50年^［4］。但是直到近10年，高光谱成像观测技术才开始在SIF观测中发挥重要作用，这与相关的技术发展和反演算法的研究是分不开的。研究人员最早使用可对全球进行观测的各类星上光学遥感仪器所获取的数据进行SIF的反演和应用，这些仪器包括：GOSAT（Greenhouse Gases Observing SATellite）、GOSAT-2（Greenhouse Gases Observing SATellite-2）、OCO-2（Orbiting Carbon Observatory-2）、TanSat（Carbon Dioxide Observation Satellite Mission）、GOME-2（Global Ozone Monitoring Experiment 2）、SCIAMACHY（Scanning Imaging Absorption Spectrometer for Atmospheric CHartographY）以及最新的TROPOMI（TROPO-Spheric Monitoring Instrument）^［5-9］。实际上，这些载荷主要用于大气观测，并不专用于SIF观测，只是因为这些仪器的观测波段恰好覆盖了SIF的观测波段，同时它们又具备极高的分辨率和信噪比（SNR），因此，随着反演算法的发展，研究人员将这些仪器获取的较高质量的数据很好地用于SIF的反演。欧洲航天局正在研发的FLEX（Fluorescence Explorer）计划中的载荷FLORIS（Fluorescence Imaging Spectrometer）是第一个针对SIF的专用探测载荷，该仪器可以实现150 km的幅宽、300 m的空间分辨率、0.3 nm的光谱分辨率以及极高的信噪比，但是时至今日该仪器还没有完成研制^［10］。我国已经发射的“句芒号”上搭载了第一个入轨的荧光探测载荷SIFIS（Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer），其光谱分辨率达到了0.3 nm，并具备很好的观测信噪比，但是其幅宽仅为34 km，空间分辨率为2 km × 2 km^［11］。芬兰的Specim公司研发了市面上第一台SIF专用观测仪器AsiaIBIS FI，仪器在670~780 nm波段具备0.3 nm的光谱分辨率，同时在32.3°视场下具备1.5~2.0 mrad的空间角分辨率。该设备售价昂贵，其核心研发技术和知识产权也属于保密范围。

为了在国内实现具有自主知识产权的SIF高光谱成像探测仪的研发，有效解决目前同类产品稀缺的问题，本文针对SIF高光谱成像探测的科学应用需求，通过核心光学系统设计、核心分光器件研发、光机系统设计和整机集成标定等研究，实现了具有高光学性能和自主知识产权的高光谱成像探测仪样机的研制。研制的样机进行了外场应用，获取了很好的数据应用结果，验证了仪器的性能。本研究将为未来我国在植被探测领域的发展提供一条有效的技术路径。

2　光学系统设计

2.1　SIF高光谱成像探测仪性能分析

SIF的探测原理比较特殊：由于大气的吸收，到达地表的太阳辐照度光谱存在许多带宽在0.1~10.0 nm范围内的夫琅禾费谱线，其中部分谱线的中心强度比其相邻谱区低10%以上。受日光激发的叶绿素产生的荧光辐射量会将夫琅禾费谱线的吸收阱进行一定程度的填充。通过比较太阳入射标准光谱和探测获得的植被反射光谱中某个夫琅禾费谱线与其相邻谱区的相对强度，便可以定量测量这些荧光信号的强度。研究表明，只要能够测定夫琅禾费谱线波段的光谱反射率、太阳辐照度和冠层反射辐照度，就可以测算出SIF。只要探测器的光谱分辨率和信噪比足够高，探测到的荧光光谱辐射特性和线宽特性就与夫琅禾费谱线的宽度、深度、形状无关。SIF光谱观测原理如图1所示。

图 1. SIF光谱观测原理

Fig. 1. Principle of SIF spectral observation

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根据以上原理分析，SIF高光谱成像探测仪需要具备以下性能：

1）可用于SIF观测的窗口主要为O₂-A（740~780 nm）和O₂-B（677~697 nm）两个波段，因此在观测波段上需要覆盖以上两个窗口，同时最好可以有一定的延伸，设置仪器的工作波段为670~780 nm。

2）目前研究表明，当仪器的光谱分辨率优于1 nm时，观测数据就可用于荧光反演，且光谱分辨率越高越好。但是高光谱分辨率同时又与信噪比和观测波段紧密相关并呈反比关系，因此光谱分辨率并不能无限制取高。综合考虑设定观测仪器的光谱分辨率为0.3 nm，以保证与其他指标同时达到最优。

3）由于SIF仅占植物受照射光辐射能量的0.5%~2.0%，在植被反射光谱能量中占比极低，比如在O₂-A窗口波段，SIF的辐射强度仅为0.5~3.0 mW/（m²·nm·Sr），为了良好地提取这种微弱信号，需要观测仪器具备极高的信噪比（≥100）。

4）仪器同时需要具备大观测视场和高空间分辨率，以帮助研究人员在进行广域遥感观测时对不同植被的分布和特性作良好区分。

2.2　SIF高光谱成像仪光学系统设计

所设计的仪器使用推扫观测模式，采用望远镜-成像光谱系统的组成形式，其中，成像光谱系统由狭缝、准直镜组、光栅分光器件、聚焦镜组和探测器组成。选用面阵互补金属氧化物半导体（CMOS）作为探测器，其像元尺寸为11 μm×11 μm，面阵大小为2048×2048。根据前述分析得到所设计仪器系统的性能参数，如表1所示。

2.2.1　望远镜系统设计

仪器的前置望远镜采用像方远心设计，可对无穷远处的物体进行成像。在材料上尽量选用力、热性能较好的常用玻璃。设计的望远镜系统的光学结构如图2所示。

图 2. 望远镜系统光学结构

Fig. 2. Optical structure of the telescope system

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望远镜光学系统共由8片球面镜组成，F数为2，视场为20°。优化设计良好地消除了系统的各类像差。图3给出了望远镜成像像面处在全波段和全视场下的MTF（modulation transfer function）曲线。可以看到，在探测器奈奎斯特频率（45 lp/mm）下，望远镜的MTF值高于0.8，接近衍射极限，具有优越的光学成像质量。

图 3. 望远镜MTF曲线

Fig. 3. MTF curves of the telescope

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2.2.2　高通量成像光谱仪光学系统设计

设计可用于SIF探测的高光谱成像探测仪光学系统的核心难点在于如何令成像光谱仪良好地平衡探测所需的高信噪比和高光学性能。在一般光学系统的设计过程中，为了保证高信噪比，通常需要提高系统的数值孔径，并尽可能地提升光学镜片的传输效率。但是高数值孔径同时又限制了系统的像差校正能力，使得高光学性能的实现变得困难。为了匹配前端望远镜高达2的F数，成像光谱仪光学系统需要达到0.25左右的数值孔径。在各类已有的成像光谱系统中，仅有Offner和Dyson成像光谱系统结构可以实现较高的数值孔径^［12］。但是Offner结构在数值孔径超过0.2时就已很难满足研究所需的光学成像质量，而Dyson结构由于光栅刻线的限制也难以实现所需的光谱分辨率。另一方面，在这两种结构中所用到的光栅的一阶衍射效率通常只有40%，最高也不超过70%，这也影响了仪器的有效传输效率。

为了解决这一问题，选择基于体相位全息透射光栅的透射式光谱仪形式。首先，体相位全息透射光栅具备极高的一阶衍射效率（≥70%）、多种刻线密度、低偏振敏感度和较低的杂光。其次，多个透镜组成的准直系统和聚焦系统具备更多变量，可以消除各类像差，使系统获得更好的光学性能。

根据体相位全息透射光栅的衍射光栅方程分析经聚焦镜出射后的各波长在像面上的均匀分布情况，再根据所需的光谱分辨率要求即可推算出光栅所需具备的刻线密度。当聚焦镜焦距固定、光谱分辨率固定时，光栅刻线密度表示为

式中：a=L2ff/1+L2ff2；b=1/1+L2ff2，其中，L为像面处两个波长聚焦时沿光栅色散方向的距离（可根据光谱分辨率进行计算），ff为聚焦镜焦距；λ₁为任意波长；λc为工作波段中心波长。将已知参数代入式（1），计算得到光栅刻线密度为1087 line/mm。留有一定余量，并考虑光栅制作情况，最终选取光栅刻线密度为1200 line/mm。

基于体相位透射光栅的透射式成像光谱仪存在着固有的光谱弯曲现象，一定程度上会影响其高性能的光谱表现。为解决这一问题，利用棱镜-光栅（P-G结构）作为成像光谱系统的核心分光器件。其组成结构如图4所示，其中，O为狭缝中心，S为狭缝长度边缘点。

图 4. P-G核心分光器件

Fig. 4. P-G dispersive component

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由棱镜带来的光谱弯曲（smile）可表示为

式中：n为棱镜材料折射率；fc为准直镜焦距；x为狭缝高度；α为棱镜楔角；i3'=arcsinsini3/nλ0，其中，nλ0为棱镜材料对选定波长光束的折射率，i3为光线在棱镜上的入射角；i3'''=arcsinnλ0sinγ-β-i3'=i+γ+w，其中，γ为棱镜底边法线与出射面的夹角，β为棱镜底边法线与入射面的夹角，w为棱镜光线出射面与光栅之间的夹角，i为光线在光栅上的入射角。

由光栅带来的光谱弯曲可表示为

式中：m为光栅衍射级数；λ为选择波长；θ0为对应选择波长的光栅衍射角。从式（2）和式（3）可以看出，由棱镜带来的光谱弯曲与由光栅带来的光谱弯曲的弯曲方向相反，因此，通过合理选择参数对组合器件进行优化即可完全消除光谱弯曲。

光谱弯曲的另一种形式是keystone，它与狭缝的长度成正比，同时与不同波长的衍射角之差成正比。在工作波段不是非常宽、狭缝不是特别长的情况下，这一弯曲量是可以忽略不计的。

最终设计的成像光谱系统如图5所示，系统为物方远心光路，孔径光阑位于光栅上。

图 5. 成像光谱仪光路

Fig. 5. Imaging spectrometer light path

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2.2.3　高光谱成像仪光学系统设计结果

将望远镜与成像光谱仪以狭缝为基准进行对接，即可获得仪器的整体光路，如图6所示。

图 6. 仪器光学系统

Fig. 6. Optical system of the instrument

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完整仪器光学系统的模拟仿真分析结果如图7所示。边缘波长（670 nm和780 nm）与中心波长（725 nm）处的全视场MTF值在探测器奈奎斯特频率（45 lp/mm）下均高于0.6，全视场全波段点列图中均方根（RMS）光斑半径值小于5 μm，像面聚焦所成像斑可完全被探测器像元（11 μm × 11 μm）包围。因此仪器光学系统具有极佳的光学成像质量。

图 7. 仪器光学系统优化设计仿真结果。（a）670 nm波长处的MTF值；（b）725 nm波长处的MTF值；（c）780 nm波长处的MTF值；（d）全波段全视场的RMS光斑半径分布

Fig. 7. Optimized design results of optical system of the instrument. (a) MTF value at the wavelength of 670 nm; (b) MTF value at the wavelength of 725 nm; (c) MTF value at the wavelength of 780 nm; (d) RMS spot radius distribution in all waveband and all fields of view

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根据光学系统像面聚焦成像光斑分析，系统的谱线弯曲（smile）小于2.5 μm，keystone小于1个像元，具有很好的光谱性能。像面上最终成像的光谱宽度为12.935 mm，计算出的光谱采样间隔为0.0935 nm/pixel，整个成像光谱系统的放大倍率为1∶1，狭缝在像面上成像宽度约覆盖3个像元，计算得到光谱的半高宽即光谱分辨率为0.28 nm，满足设计要求。

3　样机研制与应用结果分析

3.1　SIF高光谱成像仪样机研制与标定

3.1.1　研制样机整体结构

SIF高光谱成像仪样机的整体结构如图8所示。

图 8. 仪器样机

Fig. 8. Prototype instrument

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3.1.2　望远镜测试结果

使用定心仪对望远镜进行装调，通过传递函数测试仪测试了望远镜参数，获得其MTF值，如图9所示。

图 9. 望远镜MTF测试曲线

Fig. 9. Tested MTF curves of the telescope

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可以看到，在探测器奈奎斯特频率45 lp/mm处望远镜的MTF值高于0.65。探测器像元尺寸为11 μm ×11 μm，成像时采用3像元合并，望远镜焦距为32.5 mm，计算得到其空间角分辨率为1 mrad。测试结果表明，望远镜的空间角分辨率完全满足设计指标要求。

3.1.3　样机光谱定标结果

使用汞-氩灯对仪器进行光谱定标，获得如图10（a）所示的数据。使用带宽为0.001 nm的可调谐激光器以步长为0.1 nm扫描全部光谱，并对数据进行拟合标定，获得的696.1 nm波长处的光谱定标数据如图10（b）所示。

图 10. 光谱定标结果。（a）CMOS第1000行的光谱测试数据；（b）696.1 nm波长处的光谱响应拟合曲线

Fig. 10. Spectral calibration results. (a) Spectral data in the 1000^th line of CMOS; (b) Gaussian fit curve of spectral response at 696.1 nm wavelength

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根据以上分析可知，仪器在696.1 nm波长处的光谱分辨率达到了0.27 nm，满足设计应用需求。工作波段内其他波长处的光谱分辨率与此值近似，同样满足应用需求，此处不再赘述。

3.1.4　信噪比测试结果

在实验室使用标准辐射计和积分球对仪器样机完成了辐射定标，实验室辐射定标精度达到4%。在完成辐射定标后，使用样机对外场植被进行了观测，获取的样机信噪比曲线如图11所示。其中，CMOS积分时间为5 ms，探测目标一般辐亮度为100 mW/（m²·nm·Sr）。可以看到，在最弱辐射下单像元的最小信噪比仍然超过了110，完全满足SIF的探测需求。

图 11. 信噪比测试结果

Fig. 11. Test result of SNR

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3.2　SIF高光谱成像仪样机外场探测反演应用

3.2.1　SIF反演方法

植被SIF辐射强度的基本计算公式表示为

式中：λ为波长；SSIF(λ)为对应波长λ的SIF辐射；R（λ）为植被的反射光谱辐射；E↓（λ）为下行太阳辐照度；L↑（λ）为上行反射辐亮度。利用3FLD方法对SIF进行反演处理^［13］，该方法的原理如图12所示。

图 12. 3FLD方法原理图

Fig. 12. Schematic diagram of the 3FLD method

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根据3FLD方法，选择3个波长对SIF进行反演。当这些选取的波长相距足够近时，可以认为在光谱反演窗口内的各波长反射变化是线性的。因此，左右两端的权重w可以表示为

由式（5）可以计算得到

综合式（4）~（6）即可获得SSIF和反射率R：

3.2.2　SIF高光谱成像仪应用

使用研制的仪器样机开展外场实验研究。将样机放置于转台之上，对20 m远的植物进行扫描观测，获取其在近红外波段的辐射观测数据，并对归一化植被指数（NDVI）进行分析。NDVI参数可以增强近红外波段和红辐射远端之间的比对，因此可以用于植被冠层和非植被冠层覆盖区域的区分。图13为这一观测结果数据，可以看到，样机具有非常优越的成像质量。

图 13. 仪器在外场实地观测的高光谱成像数据与NDVI分析结果。（a）仪器观测的高光谱伪彩色合成图：（b）近红外750 nm波长窗口处的红外反射图像；（c）NDVI图像；（d）SIF图像；（e）冠层反射光谱和NDVI分析结果

Fig. 13. Hyper-spectral images observed by the instrument in the outfield and analysis results of NDVI. (a) Pseudo colors hyper-spectral image observed by the instrument; (b) infrared reflected radiation mapping image at the wavelength of 750 nm; (c) NDVI mapping image; (d) SIF mapping image; (e) canopy reflected spectrum and NDVI analysis result

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由图13可以看出：从近红外反射辐射来看，右侧树木的光照条件优于左侧被云层遮挡的树木，但是这一特征是无法通过NDVI图像看出的。这是由于NDVI参量仅反映了红边反射之比，而无法反映近红外辐射。在植被未完全覆盖的地面区域，NDVI产生了明显的变化，这可以帮助研究人员有效识别植被丰度的变化，并探索裸露的土壤区域。但是在植被完全覆盖的区域（NDVI>0.7），这一变化将不再明显，这就意味着在植被覆盖率高的地区NDVI的敏感性会大大降低。但是SIF的观测结果可以弥补这一问题，这是由于SIF仅仅与植被的光合作用状态相关，根据提取的SIF成像结果，研究人员可以很容易地获得植被的光合信息。可以看到：右边的植物顶部因为获得了更好的光照条件，其光合作用很快达到最大值，因此这种光化学淬灭机制允许叶绿体吸收更多的光能用于产生荧光；而左边的植物被云层遮挡，几乎所有的能量都用于光合作用，因此只有极少数的能量能激发叶绿体产生荧光。这一观测结果表明，与NDVI参量相比，SIF信号能够更好地实时反映和跟踪植被的生长状况，因此SIF在植物生理生态学研究中具有更大的应用潜力。

4　结论

本文提出并研制了一种可用于植被SIF探测的高光谱成像仪。该仪器的核心成像光谱系统形式为基于棱镜-体相位全息透射光栅的透射式光谱仪形式，这种结构可以很好地平衡系统的光通量和光学性能之间的矛盾，在0.25的高数值孔径下实现0.3 nm的光谱分辨率和极其优越的成像质量。最终研制的样机在670~780 nm波段具备优于0.3 nm的光谱分辨率，在20°视场下具有1 mrad的空间分辨率，在最小信号下具有高于100的信噪比。通过样机的标定和外场应用验证了仪器的性能，同时获得了极佳的SIF实验结果。后续将使用该样机进行长期的外场实验应用，通过大量的数据采集和分析进一步提升仪器的可应用性。