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(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬庾V探測儀設(shè)計(jì)與驗(yàn)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(jī)電研究所，北京 100094）（2中國空間技術(shù)研究院，北京 100080）

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬庾V探測儀（簡稱超光譜探測儀）是陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星“句（gōu）芒號”四個(gè)有效載荷之一。超光譜探測儀是國際上首臺專門設(shè)計(jì)探測太陽誘導(dǎo)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(nèi)首次采用高穩(wěn)定雙焦距望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的公差比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)低4倍，采用高性能AD量化器件和電路抑制設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)513.1高信噪比，采用高穩(wěn)定漫反射板（Quasi Volume Diffuser，QVD），實(shí)現(xiàn)在軌高穩(wěn)定性能監(jiān)測，采用間接控溫實(shí)現(xiàn)0.08℃精密控溫。文章給出了探測儀設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證情況，并給出了外場試驗(yàn)結(jié)果和在軌初步反演結(jié)果。

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒?光柵成像光譜儀 設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 超光譜 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星

0 引言

為了應(yīng)對氣候變暖的嚴(yán)峻形勢，實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展目標(biāo)，2020年9月中國首次對外宣布將在2030年前力爭實(shí)現(xiàn)CO2排放達(dá)到峰值，2060?年前實(shí)現(xiàn)碳中和。陸地碳匯精確計(jì)量是實(shí)現(xiàn)“雙碳”（碳達(dá)峰、碳中和）目標(biāo)的關(guān)鍵，但碳匯強(qiáng)度、位置仍存在不確定性?？偝跫壣a(chǎn)力（Gross Primary Production，GPP）是植被光合作用固定的碳量，也是導(dǎo)致全球碳循環(huán)預(yù)測不確定性的主要因素。通量觀測是最準(zhǔn)確的GPP估算方式，但受限于站點(diǎn)數(shù)量和分布范圍[1]。衛(wèi)星在評估景觀、區(qū)域和全球尺度生態(tài)系統(tǒng)GPP時(shí)空變化中具有巨大優(yōu)勢。

日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒猓⊿un/Solar-induced Chlorophyll Fluorescence，SIF）是植物在太陽光照條件下，由光合中心發(fā)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(gè)波峰，能直接反映植物實(shí)際光合作用的動(dòng)態(tài)變化。葉綠素?zé)晒庠谥脖还夂仙硖綔y方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，是“實(shí)際光合作用”的直接探測方法，植被葉綠素?zé)晒膺b感是近10年來植被遙感領(lǐng)域最具突破性的研究前沿。隨著研究和技術(shù)的發(fā)展，SIF遙感最近10幾年來得到了長足的進(jìn)步，是植物光合探測的顛覆性創(chuàng)新。研究表明，SIF相比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)、過程模型、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)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(wèi)星數(shù)據(jù)，在景觀尺度上反演了SIF數(shù)據(jù)，并利用機(jī)載CASI數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，證明了星載衛(wèi)星數(shù)據(jù)提取SIF的可行性[3]。2011年，Jonier利用GOSAT衛(wèi)星獲取了首張全球SIF制圖[4]。

圖1 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星（TECIS）模型及載荷

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

2015年ESA宣布FLEX（Fluorescence Explorer）為第8個(gè)“地球探索者”任務(wù)，也是全球首個(gè)陸地植被SIF探測任務(wù)。FLEX將獲取植物健康和脅迫信息，以支持農(nóng)業(yè)、林業(yè)監(jiān)測應(yīng)用。FLEX 搭載的熒光成像光譜儀（FLORIS）能夠?qū)φ麄€(gè)SIF譜段進(jìn)行監(jiān)測，估算冠層生物物理和化學(xué)參數(shù)[5]。

2017年，中國陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星（TECIS）的科研星立項(xiàng)，以技術(shù)驗(yàn)證和科學(xué)目標(biāo)探索為主，后續(xù)業(yè)務(wù)星也已列入規(guī)劃。陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星是我國首顆以陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測、森林資源監(jiān)測和森林生產(chǎn)力評估為主任務(wù)的林業(yè)遙感衛(wèi)星。衛(wèi)星采用主被動(dòng)相結(jié)合、點(diǎn)面相結(jié)合的工作模式，搭載4個(gè)載荷，見圖1。TECIS搭載日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬庾V探測儀（SIFIS）具有空間連續(xù)熒光探測能力[6]。2022年8月4日太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射全球首顆陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星“句（gōu）芒號”。

表1 國內(nèi)外具有熒光探測能力衛(wèi)星與載荷匯總表

1 超光譜探測儀系統(tǒng)描述

1.1 技術(shù)指標(biāo)

植被在光合作用光反應(yīng)過程時(shí)，葉片中葉綠素分子吸收的太陽能大致用于三個(gè)方面：驅(qū)動(dòng)光化學(xué)反應(yīng)的光合作用、以光子重新釋放（即葉綠素?zé)晒猓┮约坝糜跓岷纳?。植物在光合作用釋放熒光，日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒庵挥腥肷淠芰浚?.5～2）%，能量非常弱，見圖2。要實(shí)現(xiàn)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(wěn)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(xué)需求，提出超光譜探測儀的指標(biāo)參數(shù)[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?yàn)楣庾V維，穿軌方向?yàn)榭臻g維。輸入信號經(jīng)望遠(yuǎn)系統(tǒng)后通過光學(xué)狹縫進(jìn)入光譜儀，由透射式準(zhǔn)直系統(tǒng)擴(kuò)束成平行光照射到光柵上色散成精細(xì)光譜，并通過匯聚系統(tǒng)成像在焦平面探測器上，實(shí)現(xiàn)光譜的獲取。焦平面探測器的模擬信號經(jīng)采集放大和A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和格式編排，通過數(shù)據(jù)傳輸接口送往衛(wèi)星數(shù)傳系統(tǒng)并下傳至地面，見圖3。

表2 超光譜探測儀主要技術(shù)參數(shù)

1.3 超光譜探測儀總體技術(shù)路線

為了滿足總體研制目標(biāo)，主要采取如下技術(shù)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(shí)現(xiàn)0.3nm的超光譜分辨率，采用單通道實(shí)現(xiàn)670nm～780nm寬光譜分光；

2）選用高性能的背照近紅外增強(qiáng)CCD探測器，且探測器針對ETALON效應(yīng)進(jìn)行抑制設(shè)計(jì)；

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

4）采用兩反雙焦距望遠(yuǎn)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定光學(xué) 系統(tǒng)；

5）采用遮光罩、光陷阱、帶通濾光片等措施實(shí)現(xiàn)低雜散光；

6）采用雙巴比涅實(shí)現(xiàn)低偏振抑制；

7）電子學(xué)采用主備設(shè)計(jì)，保證8年的在軌壽命要求；

8）電子學(xué)采用低噪聲電路設(shè)計(jì)，使得噪聲達(dá)到極限；

9）采用探測儀熱控采用主動(dòng)加熱被動(dòng)散熱，并采用分區(qū)控溫，能有效實(shí)現(xiàn)在軌高精度控溫，保證在軌高穩(wěn)定環(huán)境。

超光譜探測儀包括光機(jī)主體、視頻控制器、二次電源箱三臺單機(jī)，系統(tǒng)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(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)

（1）高光譜分辨率設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)擬采用平面光柵，光柵的線色散率公式為：

表3 光柵參數(shù)表

圖5 光學(xué)系統(tǒng)光路圖

（2）高穩(wěn)定雙焦距望遠(yuǎn)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光學(xué)系統(tǒng)由望遠(yuǎn)系統(tǒng)（A）、準(zhǔn)直系統(tǒng)（B）、色散元件（C）和成像系統(tǒng)（D）4部分組成，其中準(zhǔn)直系統(tǒng)、色散元件和成像系統(tǒng)組成了光譜儀。來自地球的物方光線經(jīng)過望遠(yuǎn)系統(tǒng)（A）匯聚在狹縫處，后經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)（B）出射平行光，再經(jīng)過色散元件（C）產(chǎn)生光譜色散，最后經(jīng)成像系統(tǒng)（D）將不同譜段信號成像與焦面器件的不同位置處。望遠(yuǎn)系統(tǒng)利用柱面反射鏡實(shí)現(xiàn)子午弧矢雙焦距，實(shí)現(xiàn)了光學(xué)系統(tǒng)的公差比傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)低4倍，保證了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。系統(tǒng)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(xué)系統(tǒng)光路如圖5所示。

（3）高信噪比設(shè)計(jì)

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(gè)方面來做工作，保證儀器在10mWm–2sr–1nm–1增弱信號下信噪比優(yōu)于200，同時(shí)保證動(dòng)態(tài)范圍350mWm–2sr–1nm–1。增大信號主要通過減少系統(tǒng)數(shù)、提高系統(tǒng)透過率、提高光柵的衍射效率和增加探測器像元合并。光學(xué)系統(tǒng)的透過率達(dá)到99%，達(dá)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(dá)了設(shè)計(jì)極限。減小數(shù)，可以增大系統(tǒng)能量，但是帶來了動(dòng)態(tài)范圍降低，光學(xué)系統(tǒng)加工裝調(diào)難度增大，因此綜合優(yōu)化系統(tǒng)數(shù)、動(dòng)態(tài)范圍、像元合并數(shù)量、幅寬以及器件響應(yīng)速度等因素，確定系統(tǒng)數(shù)為2.8，通過24個(gè)像元合并實(shí)現(xiàn)高動(dòng)態(tài)范圍下的信號獲取。

器件的暗電流噪聲由CCD器件決定，本項(xiàng)目選用的高性能CCD探測器暗電流噪聲只有9個(gè)電子數(shù)。在考核光譜輻亮度10mWm–2sr–1nm–1輸入能量下相應(yīng)的光子噪聲為227電子數(shù)。CCD器件的讀出電路相對成熟，采用相關(guān)雙采樣電路，讀出噪聲為42個(gè)電子數(shù)，達(dá)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(guān)鍵。本項(xiàng)目采用高性能AD量化器件把量化噪聲降為57個(gè)電子數(shù)，電路噪聲采用優(yōu)化電路帶寬、電路濾波等方法，實(shí)現(xiàn)電路噪聲為230個(gè)電子數(shù)，實(shí)現(xiàn)電路噪聲接近理論極限。

圖6 在軌定標(biāo)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(biāo)設(shè)計(jì)

熒光信號最大只有2.5mWm–2sr–1nm–1，要實(shí)現(xiàn)高精度的熒光探測，儀器在軌穩(wěn)定性至關(guān)重要。超光譜探測儀在軌工作壽命大于8年，在軌空間環(huán)境會導(dǎo)致的性能退化。在軌高精度性能監(jiān)測非常關(guān)鍵。采用太陽絕對定標(biāo)、月球定標(biāo)、衛(wèi)星偏航90°定標(biāo)等多種定標(biāo)方式實(shí)現(xiàn)在軌高精度性能監(jiān)測。太陽定標(biāo)利用太陽做為輻射定標(biāo)源，通過漫射板實(shí)現(xiàn)全口徑、全視場、全光路絕對輻射定標(biāo)，同時(shí)設(shè)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(wěn)定性是實(shí)現(xiàn)高精度在軌定標(biāo)關(guān)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(jù)同類型在軌飛行結(jié)果，10年的衰減小于3%。

圖6給出了在軌定標(biāo)流程安排，主板定標(biāo)為每天1次，備板定標(biāo)每月1次。

（5）精密熱控設(shè)計(jì)

在軌溫度變化是引起儀器工作不穩(wěn)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(wěn)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(shí)又有較高的穩(wěn)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(biāo)，僅通過常規(guī)的熱設(shè)計(jì)方法很難滿足要求。課題組提出了間接輻射控溫的設(shè)計(jì)思路，在探測儀框架結(jié)構(gòu)上增加了一系列輔助熱罩，見圖7。通過熱罩輻射傳熱實(shí)現(xiàn)精密熱控，為關(guān)鍵件提供良好的熱環(huán)境，形成間接控溫，并達(dá)到其溫度穩(wěn)定性要求。CCD與導(dǎo)熱銅座連接，導(dǎo)熱銅座通過熱管與散熱面連接，從而實(shí)現(xiàn)CCD的散熱。

圖7 光機(jī)主體熱罩布置圖

2 超光譜探測儀測試與驗(yàn)證

2.1 高光譜分辨率地面驗(yàn)證

真空下采用可調(diào)諧激光器進(jìn)行測量儀器線型函數(shù)（Instrument Line Shape，ILS），每個(gè)譜線附近進(jìn)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(jìn)行高斯擬合，得到儀器的ILS。根據(jù)ILS函數(shù)計(jì)算半峰寬（Full Width at Half Maxima，F(xiàn)WHM），結(jié)合光譜采樣間隔得到系統(tǒng)的光譜分辨率，ILS見表5，光譜分辨率結(jié)果見表6，真空測試現(xiàn)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(yàn)證

信噪比測試在模擬在軌工作環(huán)境的真空罐中進(jìn)行，產(chǎn)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(nèi)進(jìn)行吹氮，測試現(xiàn)場見圖9。動(dòng)態(tài)范圍測試結(jié)果見表7，檔位I的動(dòng)態(tài)范圍最低351.7 mWm–2sr–1nm–1，滿足大于350環(huán)境要求mWm–2sr–1nm–1。信噪比測試結(jié)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(xiàn)場

圖9 真空信噪比測試現(xiàn)場

表7 探測儀動(dòng)態(tài)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(yàn)證

2020年9月在河北懷來中國科學(xué)院空天院懷來實(shí)驗(yàn)站用鑒定產(chǎn)品進(jìn)行了外場試驗(yàn)，見圖10。鑒定超光譜探測儀對林地等進(jìn)行探測，同時(shí)應(yīng)用了美國海洋光學(xué)的QE Pro光譜儀（0.3nm采樣間隔，波長范圍650nm～800nm進(jìn)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(shí)與QE Pro光譜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，在近紅外譜段相關(guān)度達(dá)到0.7，在紅外譜段相關(guān)系數(shù)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(jié)果，圖12給出了鑒定超光譜探測儀反演結(jié)果與QE Pro對比分析結(jié)果。

3 超光譜探測儀在軌初步驗(yàn)證

2022年8月4日“句芒”號衛(wèi)星成功發(fā)射入軌，8月31日超光譜探測儀正式開機(jī)探測，獲取了大量數(shù)據(jù)，經(jīng)過初步處理，數(shù)據(jù)品質(zhì)良好。圖13給出了1景澳大利亞成像熒光反演結(jié)果，圖14給出了初步反演精度達(dá)到了0.48mWm–2sr–1nm–1。超光譜探測儀正在進(jìn)行在軌測試，并且將基于探測結(jié)果不斷優(yōu)化數(shù)據(jù)處理參數(shù)和反演算法，取得更高精度熒光反演結(jié)果。

圖10 超光譜探測儀外場試驗(yàn)

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(shù)據(jù)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(jié)果

超光譜探測儀在軌溫度控制穩(wěn)定，入軌以來光柵溫度保持不變，滿足±0.08℃穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求。CCD溫度波動(dòng)在0.3℃，滿足±0.5℃穩(wěn)定性設(shè)計(jì)要求，具體結(jié)果見圖15。

圖14 超光譜探測儀在軌初步反演精度

4 結(jié)束語

超光譜探測儀是國際上首臺專門針對日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒馓綔y的光譜儀，超光譜探測儀針對高精度定量化探測需求，國內(nèi)首次采用高穩(wěn)定的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，同時(shí)集成了高精度定標(biāo)、精密熱控、高抑制比消偏、全鏈路噪聲抑制等技術(shù)，確保獲得高質(zhì)量數(shù)據(jù)。

超光譜探測儀入軌后，工作正常，獲取高品質(zhì)的光譜數(shù)據(jù)，光譜性能、信噪比等均滿足或者優(yōu)于指標(biāo)要求。獲得光譜數(shù)據(jù)反演熒光，反演精度滿足設(shè)計(jì)要求。

超光譜探測儀反演熒光數(shù)據(jù)可以支撐GPP、植物狀態(tài)等研究，從而支撐我國的“雙碳”戰(zhàn)略。后續(xù)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)在數(shù)據(jù)處理與反演做工作，特別加強(qiáng)與同平臺其他載荷數(shù)據(jù)聯(lián)合應(yīng)用，提升熒光反演精度，擴(kuò)大熒光應(yīng)用。

圖15 超光譜探測儀關(guān)鍵部位溫度

[1] 仝遲鳴, 鮑云飛, 黃巧林, 等. 太陽誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒庑l(wèi)星遙感技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 航天返回與遙感, 2022, 43(2): 45-55.

TONG Chiming, BAO Yunfei, HUANG Qiaolin, et al. Progress on Solar-induced Chlorophyll Fluorescence of Satellite Remote Sensing[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2022, 43(2): 45-55. (in Chinese)

[2] MOHAMMEDA G H, COLOMBO R, MIDDLETON E M, et al. Remote Sensing of Solar-induced Chlorophyll Fluorescence (SIF) in Vegetation: 50 Years of Progress[J]. Remote Sensing of Environment, 2019, (231): 111177.

[3] GUANTER L, ALONSO L, GóMEZ-CHOVA L, et al. Estimation of Solar-induced Vegetation Fluorescence from Space Measurements[EB/OL]. [2022-10-15]. https://agupubs.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1029/2007GL029289.

[4] JOINER J, YOSHIDA Y, VASILKOV A P, et al. First Observations of Global and Seasonal Terrestrial Chlorophyll Fluorescence From Space[J]. Biogeosciences, 2011, 8(3): 637-651.

[5] ESA. Report for Mission Selection: An Earth Explorer to Observe Vegetation Fluorescence (ESA SP-1330/2)[EB/OL]. [2022-10-15]. https://esamultimedia.esa.int/docs/EarthObservation/SP1330-2_FLEX.pdf.

[6] DU S, LIU L, LIU X, et al. The Solar-induced Chlorophyll Fluorescence Imaging Spectrometer (SIFIS) Onboard the First Terrestrial Ecosystem Carbon Inventory Satellite (TECIS-1): Specifications and Prospects[J]. Sensors, 2020, 20(3): 815.

[7] DU Shanshan, LIU Xinjie, CHEN Jidai, et al. Prospects for Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Remote Sensing from the SIFIS Onboard the TECIS-1 Satellite[EB/OL]. [2022-10-15]. https://spj.sciencemag.org/journals/remotesensing/2022/ 9845432/.

[8] JOINER J, GUANTER L, LINDSTROT R, et al. Global Monitoring of Terrestrial Chlorophyll Fluorescence from Moderate Spectral Resolution Near-infrared Satellite Measurements: Methodology, Simulations, and Application to GOME-2[J]. Atmospheric Measurement Techniques, 2013, 6(10): 2803-2823.

[9] GUANTER L, BACOUR C, SCHNEIDER A, et al. The TROPOSIF Global Sun-induced Fluorescence Dataset from the Sentinel-5P TROPOMI Mission[J]. Earth System Science Data, 2021, 13(11): 5423-5440.

[10] SUN Y, FRANKENBERG C, WOOD J D, et al. OCO-2 Advances Photosynthesis Observation from Space Via Solar-induced Chlorophyll Fluorescence[J]. Science, 2017, 358(6360): 189-196.

[11] 劉新杰, 劉良云. 葉綠素?zé)晒獾腉OSAT衛(wèi)星遙感反演[J]. 遙感學(xué)報(bào), 2013, 17(6): 1518-1532.

LIU Xinjie, LIU Liangyun. Retrieval of Chlorophyll Fluorescence from GOSAT TANSO-FTS Data Based on Weighted Least Square Fitting[J]. Journal of Remote Sensing, 2013, 17(6): 1518-1532. (in Chinese)

[12] K?HLER P P, FRANKENBERG C, MAGNEY T S P, et al. Global Retrievals of Solar Induced Chlorophyll Fluorescence with TROPOMI: First Results and Inter-sensor Comparison to OCO-2[J]. Geophysical Research Letters, 2018, 45(19): 10456-10463.

[13] DU S, LIU L, LIU X, et al. Retrieval of Global Terrestrial Solar-induced Chlorophyll Fluorescence from TanSat Satellite[J]. Science Bulletin, 2018, 63(22): 1502-1512.

[14] ZHANG Y, GUANTER L, BERRY J A, et al. Model-based Analysis of the Relationship between Sun-induced Chlorophyll Fluorescence and Gross Primary Production for Remote Sensing Applications[J]. Remote Sensing of Environment, 2016(187): 145-155.

[15] SUN Y, FRANKENBERG C, WOOD J D, et al. OCO-2 Advances Photosynthesis Observation from Space via Solar-induced Chlorophyll Fluorescence[J]. Science 2017, 358: eaam5747.

[16] FRANKENBERG C, FISHER J B, WORDEN J, et al. New Global Observations of the Terrestrial Carbon Cycle from GOSAT: Patterns of Plant Fluorescence with Gross Primary Productivity[J]. Geophysical Research Letters 2011, 38(17): 117706

[17] DAMM A, GUANTER L, PAUL-LIMOGES E, et al. Far-red sun-induced Chlorophyll Fluorescence Shows Ecosystem-specific Relationships to Gross Primary Production: An Assessment Based on Observational and Modeling Approaches[J]. Remote Sensing of Environment 2015(166): 91-105.

[18] JOINER J, GUANTER L, LINDSTROT R, et al. Global Monitoring of Terrestrial Chlorophyll Fluorescence from Moderate-spectral-resolution Near-infrared Satellite Measurements: Methodology, Simulations, and Application to GOME-2[J]. Atmospheric Measurement Techniques 2013, 6(10): 2803-2823.

[19] DU S, LIU L, LIU, X, et al. Retrieval of Global Terrestrial Solar-induced Chlorophyll Fluorescence from TanSat Satellite[J]. Science Bulletin 2018, 63(22): 1502-1512.

[20] COPPO P, TAITI A, PETTINATO L, et al. Fluorescence Imaging Spectrometer (FLORIS) for ESA FLEX Mission[EB/OL]. [2022-10-15]. https://www.doc88.com/p-4071312483721.html

[21] DRUSCH M, MORENO J, BELLO U D, et al. The FLuorescence EXplorer Mission Concept-ESA's Earth Explorer 8[J]. IEEE Transactions on Geoscience & Remote Sensing, 2017, 55(3): 1273-1284.

[22] GUANTER L, ALONSO L, GóMEZ-CHOVA L, et al. Developments for Vegetation Fluorescence Retrieval from Spaceborne High-resolution Spectrometry in the O2-A and O2-B Absorption Bands[EB/OL]. [2022-10-15]. https://agupubs. onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1029/2009JD013716.

[23] MA Y, LIU L, CHEN R, et al. Generation of a Global Spatially Continuous TanSat Solar-Induced Chlorophyll Fluorescence Product by Considering the Impact of the Solar Radiation Intensity[J]. Remote Sensing, 2020, 12(13): 2167. https://doi.org/10.3390/rs12132167

[24] COPPO P, PETTINATO L, NUZZI D, et al. Instrument Predevelopment Activities for FLEX Mission[J].Optical Engineering, 2019, 58(7): 075102-1-075102-25

[25] ABDON S, ARMAND D, LAURENT F, et al. Digital Correction of Residual Straylight in FLEX Images[J]. Proceedings Volume 11180, International Conference on Space Optics–ICSO 2018; 111804G (2019). https://doi.org/10.1117/ 12.2536079

[26] TAITI A, COPPO P, BATTISTELLI E. Fluorescence Imaging Spectrometer Optical Design[J]. Proceedings Volume 9626, Optical Systems Design 2015: Optical Design and Engineering VI; 96261N (September 23 2015). https://doi.org/10.1117/ 12.2191290

[27] MERONI M, ROSSINI M, GUANTER L, et al. Remote Sensing of Solar-induced Chlorophyll Fluorescence: Review of Methods and Applications[J]. Remote Sensing of Environment: An Interdisciplinary Journal, 2009, 113(10): 2037-2051.

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(xiàng)工程

王偉剛, 胡斌, 杜國軍, 等. 陸地生態(tài)系統(tǒng)碳監(jiān)測衛(wèi)星日光誘導(dǎo)葉綠素?zé)晒獬庾V探測儀設(shè)計(jì)與驗(yàn)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(xué)院大學(xué)碩士學(xué)位，研究員。研究領(lǐng)域?yàn)榭臻g光學(xué)遙感器系統(tǒng)總體技術(shù)。E-mail：wangwg_bisme@163.com。

（編輯：毛建杰）