与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱高频观测系统技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术具有以下优点：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。

【技术实现步骤摘要】
与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱高频观测系统
本专利技术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

技术介绍
植被总初级生产力(GrossPrimaryProduction,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(eddycovariance,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(NetEcosystemExchange,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-inducedchlorophyllfluorescence,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。为了实现上述目标，目前已发展了一系列SIF观测系统模式(如，双光谱仪、单光谱仪+光路切换开关等)，但仍不能完全满足上述要求，存在以下问题：1)、波长漂移。双光谱仪系统中两个光谱仪光谱响应特征不完全一致，太阳入射光谱和冠层反射光谱可能存在光谱漂移问题且难以校正，因此可能导致较大SIF反演不确定性。2)、时间匹配。采用单光谱仪可以有效解决波长漂移问题，但单光谱仪结合光路切换开关方式只能以顺序测量方式获取太阳入射光谱和冠层反射光谱，且光路损失较大，光路完整性不足，上下通道之间较大时间间隔，在多云等快速光照条件变化天气下，获取时间不同的太阳入射光谱和冠层反射光谱可能增大SIF反演误差。3)、footprint较小，难以与通量数据做耦合分析。已有系统主要以裸光纤观测为主，SIF观测footprint远小于通量观测footprint。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术的上述缺点，提供了一种与涡度通量高度耦合的单通道高光谱观测系统，有效解决了光谱漂移、时间匹配和footprint较小问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是: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：一个植被荧光光谱仪和第一光纤，所述第一光纤的尾端与植被荧光光谱仪的光信号输入端光路连接，其特征在于：还包括一个与第一光纤头端光路连接的余弦校正器，和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。进一步，所述观测系统还具有一台植被指数光谱仪和分叉光纤，分叉光纤的尾端与植被指数光谱仪光路连接，其头端为分叉端，分叉的两端分别通过光开关连接有两根光纤，这两根光线的头端分别竖直朝上和竖直朝下用于接收光线。上述与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱高频观测系统的观测方法，其特征在于包含以下步骤：步骤A、测量前进行定标处理，获取第一光纤所对应的定标系数；步骤B、根据当地经纬度以及当前时间计算当前的太阳天顶角，太阳天顶角≤90°时进行观测，执行步骤C，否则不观测；步骤C、通过电机转动使得余弦校正器的受光面竖直朝上，根据第一光纤所对应的定标系数测量太阳辐照度；阻断植被荧光光谱仪内部开关，测量相应暗噪声，实现太阳光谱信息的获取；步骤D、通过电机转动使得余弦校正器竖直朝下，根据第一光纤所对应的定标系数测量地物辐亮度；阻断植被荧光光谱仪内部开关，测量相应暗噪声，实现地物光谱信息的获取。本专利技术与涡度通量高度耦合的单通道高光谱观测系统可用于植被SIF观测和植被指数计算。该系统有效地解决了上述三大问题：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。因此，相比于其他SIF观测系统，本专利技术系统显著提升了SIF观测频率和反演准确性，更重要的是本集成系统实现了长期、自动化的与通量footprint的最大匹配，确保了SIF-通量数据的可耦合性。附图说明构成本申请的一部分的说明书附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，本专利技术的示意性实施例及其说明用于解释本专利技术，并不构成对本专利技术的不当限定。图1是本专利技术单通道高光谱观测系统示意图。图2是本专利技术单通道高光谱观测系统的结构示意图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。系统组成如图1所示，本专利技术实施例的与本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一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：一个植被荧光光谱仪和第一光纤，所述第一光纤的尾端与植被荧光光谱仪的光信号输入端光路连接，其特征在于：还包括一个与第一光纤头端光路连接的余弦校正器，和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。/n

【技术特征摘要】
1.一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：一个植被荧光光谱仪和第一光纤，所述第一光纤的尾端与植被荧光光谱仪的光信号输入端光路连接，其特征在于：还包括一个与第一光纤头端光路连接的余弦校正器，和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。


2.根据权利要求1所述的与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱高频观测系统，其特征在于：所述余弦校正器的受光面竖直朝上时，所述观测系统测量太阳辐照度；所述余弦校正器的受光面竖直朝下时，所述观测系统测量地物辐亮度。


3.根据权利要求1所述的与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱高频观测系统，其特征在于：具有支架、固定于支架的支撑臂和用于控制电机转动的控制器，所述电机固定于支撑臂，所述余弦校正器直接或间接地受电机的输出头驱动。


4.根据权利要求1所述的与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱高频观测系统，其特征在于：还具有一个植被指数光谱仪和分叉光纤，分叉光纤的尾端与植被指数光谱仪光路连接，其头端为分叉端，分叉的两端分别通过光开关连接有两根光纤，这两根光线的头端分别竖直朝上和竖直朝下用于接收光线。


5.权利要求1所述的与涡度通量高度耦合的单通道植被高光谱高频观测系统的观测方法，其特征在于包含以下步骤：
步骤A、测量前进行定标处理，获取第一光纤所对应的定标系数；
步骤B、根据当地经纬度以及当前时间计算当前的太阳天顶角，太阳天顶角≤90°时进行观测，执行步骤C，否则不观测；
步骤C、通过电机转动使得余弦校正器的受光面竖直朝上，根据第一光纤所对应的定标系数测量太阳辐照度；阻断植被荧光光谱仪内部开关，测量相应暗噪声，实现太阳光谱信息的获取；
步骤D、通过电机转动使得余弦校正器竖直朝下，根据第一光纤所对应的定标系数测量地物辐亮度；阻断植被荧光光谱仪内部开关，测量相应暗噪声，实现地物光谱信息的获取。


6.权利要求5所述的与涡度通量高度耦合的...

【专利技术属性】
技术研发人员：不公告发明人，
申请(专利权)人：南京艾格赛弗环境科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32