基于紧凑型日盲光学辐射计的法布里-珀罗干涉仪直接定量太阳诱导叶绿素荧光

《Remote Sensing of Environment》：Direct quantification of solar-induced chlorophyll fluorescence using compact solar-blind optical radiometers

　　

太阳诱导叶绿素荧光（Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）的遥感观测为了解植物在自然环境中的生理状态提供了非侵入性的原位视角。然而，SIF的测量困难限制了其在作物与生态系统监测等领域的广泛应用。测量SIF的根本挑战在于，叶绿素在约650 nm至850 nm波长范围内发射的荧光信号被植被反射的、强度远高得多的太阳光所掩盖。当前将SIF从反射光中分离的方法依赖于高光谱分析，即将植物或冠层反射光谱与无植物的参考光谱（如天空或太阳光谱）进行对比。然而，该方法面临诸多挑战，包括太阳夫琅禾费线（Fraunhofer lines）和大气氧气吸收线光谱分辨率不足、仪器信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR）和光谱稳定性要求极高，以及因顺序测量引入的系统误差等。本研究的目的是提出一种根本不同的近端SIF遥感方法。该方法基于紧凑型日盲辐射计（Solar-Blind Radiometer，SBR）的开发，该辐射计在饱和O₂吸收线内以光谱方式隔离SIF信号，直接定量SIF辐射亮度，无需依赖高光谱反演或笨重的仪器。研究人员阐释了基于SBR的SIF测量（SBR-SIF）原理，定量评估了其实施要求，并证明这些要求可通过法布里-珀罗干涉仪（Fabry-Pérot Interferometers，FPIs）的最新应用进展得以满足。SBR-SIF可在紧凑、坚固且低维护的仪器中实现。研究人员的样机验证了理论考量，并在实际测量中证实了SBR-SIF相较于当前高光谱方法的显著优势。

**论文解读**

**研究背景与问题**

太阳诱导叶绿素荧光（SIF）遥感能够非侵入性地获取植物在自然环境中的生理信息，地面、航空和星载SIF观测有助于将生理过程从单叶或单株尺度扩展至生态系统和全球尺度。尽管过去几十年来SIF观测在生态系统行为和大气-生物圈相互作用研究中做出了重要贡献，但SIF的测量难度限制了观测仅限于特定地点和条件，阻碍了其在作物和生态系统监测等领域的广泛应用。

测量SIF的根本挑战在于：叶绿素在远红光区（约700–850 nm）和红光区（约650–700 nm）发射的荧光信号被植被反射的太阳光所掩盖 — 在远红光区反射强度超出SIF约两个数量级，在红光区约一个数量级。此外，反射光的绝对强度和光谱受云量、太阳几何、观测几何和植物生理特性等多种独立环境参数控制，变异性极强。目前将SIF从反射光中分离的方法依赖高光谱分析，通过比较植物/冠层光谱与无植物参考光谱（天空或太阳光谱）中夫琅禾费线或大气氧气吸收线光学深度的变化来定量SIF。然而，该方法面临多项挑战：夫琅禾费线和氧气线的光谱宽度仅为数个皮米（pm，1 pm = 0.001 nm），目前使用的光栅光谱仪严重欠采样；夫琅禾费线反演中光谱分辨率不足使线的绝对光学深度降低约一个量级，而检测远红光区仅改变线深1–3%的SIF信号需要极高的信噪比和卓越的光谱稳定性；大气氧气带的有效光学深度对太阳位置、气压、温度、气溶胶和云等大气辐射传输效应呈高度非线性依赖；植物/冠层光谱与太阳辐照度光谱需用同一仪器顺序测量，两次测量之间的时间间隙内大气状态或仪器变化可导致显著系统误差。这些挑战使近端SIF遥感仪器变得笨重、难以野外操作，校准程序繁重，信号处理高度复杂，所需成本和专业水平限制了近端SIF观测在研究、农业和生态系统管理中的广泛应用，导致长期、高时间分辨率、地点和生态系统特异性的近端SIF数据极为稀缺。

**研究内容与重要意义**

本研究旨在提出一种根本不同的近端SIF遥感方法。该方法基于紧凑型日盲辐射计（SBR）的开发，利用饱和O₂吸收线光谱隔离SIF信号，直接定量SIF辐射亮度，无需高光谱反演。研究人员阐释了SBR-SIF原理，定量评估了实施要求，并证明这些要求可由法布里-珀罗干涉仪（FPI）的最新进展满足。SBR在O₂A带（约762 nm）强饱和O₂线中心约10 pm宽的窄光谱窗口内测量光强，该窗口内所有太阳光均被大气吸收，SIF是唯一光源。研究人员展示了三种SBR实现方案：单色器型SBR、单级次光谱型SBR和多级次光谱型SBR，并基于后者构建了样机。样机测量验证了理论：SBR可完全分辨单个饱和O₂吸收线（分辨能力超过300,000），可直接测量与所有反射光分离的SIF信号，并成功观测到暗-光转换中的SIF考茨基效应（Kautsky effect）。SBR-SIF无需太阳辐照度参考测量，不受大气辐射传输或光照条件变化影响，仪器设计简单、操作便捷。该研究论文发表于《Remote Sensing of Environment》，通过提升可扩展性，SBR-SIF有望填补关键观测空白，推动植物和生态系统过程的理解，扩展在生态系统监测和精准农业中的应用。

**关键技术方法**

研究人员通过理论计算定量评估了饱和大气O₂线的光谱宽度：基于HITRAN数据库（Rothman et al., 2013）和国际标准大气（ISO, 1975），采用比尔定律计算了直接太阳光从大气层顶至地面的强度光谱，确定日盲区域约10 pm宽。基于此，推导了SBR的光谱分辨率和光通量要求，并证明FPI在双通配置下可满足这些要求。样机采用多级次光谱型SBR方案，光学系统由600 μm直径、5 m长的玻璃光纤作为入射光学器件，光束经棱镜导向FPI（SLS Optics Ltd.制造的空气隙标准具），经角锥棱镜实现双通，再经光栅光谱仪（Princeton Instruments SP-2-150i）分光至CCD探测器（Princeton Instruments PIXIS 256B，-50 °C运行），以10 nm带宽滤光片减少杂散光。测量在加州大学洛杉矶分校屋顶实验室进行（2026年2月），观测目标包括Spectralon漫反射板和Gasteraloe beguinii多肉植物及Spathiphyllum spp.白鹤芋叶片，测量距离小于30 cm。

**研究结果**

**光谱性能与高分辨率O₂观测。** 将光纤指向暴露于正午直射阳光的非荧光漫反射板（Spectralon），通过微调FPI测量了两个覆盖不同入射角α范围的区域。实测结果精确再现了样机焦平面上模拟的强度分布，代表分辨能力从超过300,000（α ≈ 0°）到150,000（α ≈ 1.15°）的O₂A带光谱，完全分辨了单个O₂吸收线，证明样机满足SBR-SIF测量的光谱要求。

**日盲探测器区域内SIF的直接测量。** 比较光纤指向非荧光漫反射板和指向多肉植物（Gasteraloe beguinii）两种情形下的日盲区域。漫反射板时日盲区域保持全暗；植物时则观察到清晰的光信号。该光信号仅能由SIF解释，直接证实了SBR-SIF原理。对植物测量图像，在日盲区域内对10×20像素取平均，减去邻近非光照探测器区域的平均值作为暗信号校正，经辐射定标（定标因子15.7 mW m^-2 sr^-1 nm^-1 s DU^-1），得到SIF辐射亮度为3.02 mW m^-2 sr^-1 nm^-1。

**暗-光转换中SIF的考茨基效应。** 使用同一多肉植物，用遮光布完全屏蔽阳光约30分钟使其暗适应，随后进行四阶段实验：阶段I植物和光纤均覆盖；阶段II揭开覆盖，植物突然暴露于强光；阶段III在光纤前放置非荧光漫反射板；阶段IV再次覆盖光纤。CCD曝光时间设为5 s。阶段II开始后，SBR-SIF强度超过6 mW m^-2 sr^-1 nm^-1，随后在数分钟内衰减至约3 mW m^-2 sr^-1 nm^-1的稳定状态，而反射光参考强度I₇₅₉保持稳定或略有上升；阶段III中I₇₅₉增大而SBR-SIF信号消失。该结果与经典的考茨基效应一致，进一步验证了SBR-SIF方法。

**样机检测限与稳定性。** 在约5小时内将光纤指向面向天空的非荧光漫反射板，涵盖晴空和碎云条件，天空辐射亮度变化超过一个量级。SBR-SIF信号在整个测量期间不受快速光变化影响，保持稳定，呈近似理想的随机噪声行为，与CCD读出噪声密切相关。微量正偏移（对应0.08 mW m^-2 sr^-1 nm^-1）可能源自样机中的残余杂散光。Allan图确认了统计噪声特征且无漂移。约3分钟积分时间的噪声等效信号（Noise-Equivalent Signal，NES）为0.1 mW m^-2 sr^-1 nm^-1，与最先进技术在理想条件下可达到的精度相当。

**SIF日变化周期。** 对白鹤芋（Spathiphyllum spp.）叶片进行全天监测，光纤从上方约10 cm处指向叶片。上午阴天遮荫时SBR-SIF仅为0.7–1 mW m^-2 sr^-1 nm^-1；正午前后阳光直射时升至2–2.5 mW m^-2 sr^-1 nm^-1，碎云引起的入射太阳辐射变化被I₇₅₉和SBR-SIF同步跟踪；约13:30的漫反射板测量确认了SBR-SIF零信号；15:00后晴空下I₇₅₉平滑下降至日落。相对SIF（SBR-SIF/I₇₅₉）在全天呈下降趋势，从早上的约0.025到中午约0.02再到17:00前后约0.015，可能由叶片对光照、温度和水分胁迫的反应所致。该测试证明SBR-SIF样机可提供实际科学的SIF监测数据。

**讨论总结与研究结论**

SBR-SIF是一种直接测量SIF的方法，通过光学装置将SIF辐射亮度与所有反射、散射或直射太阳辐射相隔离，所测光强与SIF辐射亮度直接成正比。其优势包括：（1）除探测器暗信号校正、距离校正和辐射定标外，无需任何信号/数据处理，避免了复杂的高光谱反演及其系统误差；（2）无需太阳辐照度参考测量，这意味着仪器无需主动精密温控、可连续测量，且可从冠层内部或下方进行测量；（3）对大气辐射传输或光照条件变化不敏感，消除了云和霾等条件下的不确定性；（4）仪器设计简单、紧凑、坚固、低功耗，便于野外部署和操作。SBR-SIF的局限性在于光谱上受限于强O₂线，不适合航空器和卫星平台运行，观测距离因SIF在大气O₂中的重吸收而限制在约100 m量级。

**研究结论**（原文翻译）：研究人员提出了一种基于与当前传感器根本不同概念的近端SIF遥感技术。SBR-SIF方法依赖以下事实：太阳光在饱和氧气线内到达地表植物时已被地球大气完全衰减，因此植物在这些饱和线内无反射光。SIF在大气O₂A带内发射平滑光谱，因而是饱和线中心唯一显著的光源。理论计算表明，在760.65 nm O₂线内10 pm宽的波长窗口中测量光辐射亮度，可在地球表面任何位置的所有条件下直接定量SIF。微弱的SIF辐射亮度、饱和带外高反射光强度以及极窄的波长区间，对SBR-SIF系统的光谱分辨率、对比度和光通量提出了严格要求。研究人员证明，以双通配置使用的FPI结合窄带预滤波器可满足这些要求，并提出了三种SBR实现方案：单色器型SBR、单级次光谱型SBR和多级次光谱型SBR，各方案在性能、实用性和附加光谱信息方面具有不同的权衡。研究人员基于多级次光谱型SBR方案开发了样机，测量结果与理论预测高度一致，证明了五种能力：完全分辨单个饱和O₂吸收线、直接测量与反射光分离的SIF信号、观测SIF考茨基效应、证明测量独立于大气辐射传输和仪器效应、以及可应用于典型近端SIF监测任务。虽然SBR-SIF测量限于O₂A带（可能也适用于O₂B带）且观测范围约100 m，但其直接定量SIF辐射亮度，无需记录太阳总辐照度参考或进行光谱反演和大气辐射传输模拟，从而实现了紧凑、坚固、低功耗的仪器。该样机仍基于实验室现有的预滤波器和探测器。鉴于系统处于早期开发阶段，未来的研发（如使用干涉预滤波器和雪崩光电二极管构建单色器型SBR）将进一步提升仪器性能并减小体积和功耗。由于SBR-SIF系统设置更简单，FPI成本低于5000美元，SBR-SIF仪器的工业化生产成本可能远低于当前商业近端SIF遥感系统。通过提升可扩展性，SBR-SIF将促进SIF测量更广泛的应用，有助于弥补关键观测空白，推进对植物和生态系统过程的理解，并扩展其在生态系统监测和精准农业中的应用。