本发明专利技术公开了一种水体表观光谱二向性自动测量装置及方法，装置包括总控系统、观测几何自动调整系统、全球定位系统、多角度光学测量系统；总控系统分别通过电缆与观测几何自动调整系统、全球定位系统、多角度光学测量系统连接，多角度光学测量系统安装在观测几何自动调整系统上；方法包括安装部署、位置信息输入、实时时间信息输入、太阳方位角计算、观测几何自动调整、多角度光谱采集；本发明专利技术能轻松实现若干个观测方位上的水体表观光谱的自动测量，严格调整观测角度，并行采集光谱数据，保证了观测方位上的光谱数据的同时性、同步性，大大提高了不同观测角度采集的光谱数据的匹配性，为水体表观光谱二向性研究提供高质量、高品质的现场观测数据。
【技术实现步骤摘要】
一种水体表观光谱二向性自动测量装置及方法
本专利技术属于遥感
，具体涉及一种水体表观光谱二向性自动测量装置及方法。
技术介绍
水体光场是不具备各向同性的，在水色遥感反演算法、水色遥感器的水面替代定标实验以及水色遥感数据大气校正算法等研究中，水体光场的二向性是不容忽视的。对其分布规律的研究具有非常重要的科学和现实意义。水体表观光谱多角度测量数据是分析水体光场二向性的重要依据，对于大洋水体光场的二向性研究已经相对比较成熟，而内陆水体光场的二向性研究仍存在许多问题。目前，国际上能够测量水体光场二向性的设备多数是测量水下光场的，而现有的能够测量水面光场二向性的设备自动化程度不高，受人为因素影响较大，且无法满足实际现场作业获取长时间序列样本数据采集的要求。因此，有必要提出一种水体表观光谱二向性自动测量装置及方法，用于在水面光场二向性研究中获取精确的光谱数据。
技术实现思路
为了解决现有技术中的这一难题，本专利技术提供了一种水体表观光谱二向性自动测量装置及方法，能够用于获取现场水面多个角度的光谱数据。本专利技术的装置所采用的技术方案是：一种水体表观光谱二向性自动测量装置，其特征在于：包括总控系统、观测几何自动调整系统、全球定位系统、多角度光学测量系统；所述的总控系统包括控制电路板和第一水密外壳；所述的控制电路板上设置有数据存储卡，用于储存测量的光谱数据；所述的第一水密外壳由第一封盖和第一壳体装配而成，其内为中空结构，所述的控制电路板安装在所述的中空结构内；第一封盖顶部设置有电源接口、第一通讯接口、第二通讯接口和第三通讯接口；所述的电源接口与外部电源连接，所述的第一通讯接口通过电缆与所述的观测几何自动调整系统电气连接，所述的第二通讯接口通过电缆与所述的全球定位系统电气连接，所述的第三通讯接口通过电缆与所述的多角度光学测量系统电气连接；所述的观测几何自动调整系统主要包括控制单元、旋转驱动单元、方位跟踪单元、旋转台和底座；所述的控制单元提供与所述的总控系统通讯的接口，与旋转驱动单元、方位跟踪单元电气连接；所述的旋转驱动单元包括电机驱动板、步进电机、蜗轮传动机构和电机固定板；所述的电机驱动板与所述的步进电机电气连接，所述的步进电机通过螺纹连接件与电机固定板下底面固定连接、其转动轴与安装在所述的电机固定板上表面的蜗轮传动机构固定连接；所述的方位跟踪单元为一姿态传感器，用于实时跟踪所述的旋转台转动的方位；所述的旋转台包括转动盘、支撑转轴和仪器布放支架，所述的支撑转轴固定安装在所述的转动盘下表面上，所述的仪器布放支架固定安装在所述的转动盘上表面；所述的底座由顶盖和底座壳体装配而成，其内为中空结构，中空结构内设有内部安装架；所述的顶盖中央安装有旋转轴承，所述的底座壳体底部设置有与所述的总控系统的第一通讯接口连接的第四通讯接口；所述的控制单元和电机驱动板固定安装在所述的内部安装架上；所述的电机固定板固定安装在所述的顶盖下表面上，使整个旋转驱动单元都处于所述的底座的中空结构内；所述的支撑转轴穿过所述的旋转轴承与所述的蜗轮传动机构固定连接；所述的全球定位系统包括天线、GPS电路板和第二水密外壳；所述的第二水密外壳由第二封盖和第二壳体装配而成，其内为中空结构，所述的GPS电路板安装在所述的中空结构内；所述的第二封盖顶部设置有与所述的总控系统的第二通讯接口连接的第五通讯接口和天线接口，所述的天线接口通过标配连接线连接到所述的天线上；所述的全球定位系统用于获取实验地点的经纬度信息；所述的多角度光学测量系统包括若干套能够独立完成测量同一方位上的水体辐亮度、天空光辐亮度和下行辐照度光谱数据的工作的光谱仪传感器组，所述的光谱仪传感器组分别安装在所述的仪器布放支架的不同方位上，用于测量各自方位上的光谱数据。作为优选，所述的蜗轮传动机构由转动蜗轮、从动蜗轮和传动带组成；所述的支撑转轴穿过所述的旋转轴承与所述的从动蜗轮固定连接，所述的转动蜗轮通过所述的传动带与所述的从动蜗轮连接。作为优选，所述的内部安装架上设置有安装孔，用于通过螺纹连接件将所述的控制单元和电机驱动板固定安装在其上。作为优选，所述的控制单元为处理器和外围电路构成的单板计算机。作为优选，所述的方位跟踪单元为一三轴电子罗盘传感器，通过螺纹连接件固定安装在所述的仪器布放支架顶端。作为优选，所述的每套光谱仪传感器组由三个光谱仪传感器组成，分别是2个辐亮度传感器和1个辐照度传感器。作为优选，所述的仪器布放支架包括主支撑架和若干组结构相同的支撑臂，每一组支撑臂包括2个辐亮度传感器支撑臂和1个辐照度传感器支撑臂；所述的辐亮度传感器支撑臂用于固定2个辐亮度传感器与水面法线成预设夹角分别指向天空和水面；辐照度传感器支撑臂用于固定辐照度传感器垂直指向天空。本专利技术的方法所采用的技术方案是：一种水体表观光谱二向性自动测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：安装部署；首先，在待测水体中安装固定支架，使固定支架露出水面适当的高度，在固定支架上自顶向下依次安装所述的多角度光学测量系统和观测几何自动调整系统、全球定位系统和总控系统，通过电缆将所述的电源接口连接到外部电源；步骤2：位置信息输入；所述的总控系统与所述的全球定位系统通讯，进而获取实验地点的地理坐标信息，然后将坐标信息通过所述的第一通讯接口传送给所述的观测几何自动调整系统的控制单元；步骤3：实时时间信息输入；所述的总控系统将测量时间信息通过所述的第一通讯接口传送给所述的观测几何自动调整系统的控制单元；步骤4：太阳方位角计算；所述的观测几何自动调整系统的控制单元计算此时的太阳方位角，将步骤2和步骤3输入的位置信息和时间信息作为计算太阳方位角γ的输入参数，计算太阳方位角γ的公式如下：其中，h为太阳高度角，为观测地点的地理纬度，δ为太阳赤纬角，观测地点午前太阳方位角γ为360°-A，午后太阳方位角γ为A；步骤5：观测几何自动调整；安装在所述的方位跟踪单元上的三轴电子罗盘传感器，分别获取到X、Y、Z三轴的磁场强度，计算得到水体表观光谱观测仪器方位角，即X轴与正南方向的夹角B：B＝tan-1(Y/X)*(180°/π)+180°；X、Y分别是X轴和Y轴的磁场强度对应的数字量化输出值；所述的控制单元一边下达指令给所述的旋转驱动单元，让所述电机驱动板驱动所述的步进电机，从而通过所述的蜗轮传动机构带动所述的旋转台及承载在旋转台上的多角度光学测量系统进行旋转，一边实时将计算得到的水体表观光谱观测仪器方位角B与步骤4计算得到的太阳方位角γ进行比较，当水体表观光谱观测仪器方向与太阳直射方向夹角达到预设角度时，所述的控制单元下达停止转动的命令给所述的旋转驱动单元，实现了多角度光学测量系统的观测几何的自动调整；步骤6：多角度光谱采集；所述的总控系统通过所述的第三通讯接口分别控制安装在所述的仪器布放支架不同方位上的光谱仪传感器组，同时采集所有观测方位的水体辐亮度、天空光辐亮度及下行辐照度光谱数据。本专利技术可以在水体表观光谱二向性研究实验中轻松实现若干个观测方位上的水体表观光谱的自动测量，能够严格调整观测角度，并行采集光谱数据，保证了若干个观测方位上的光谱数据的同时性、同步性，大大提高了不同观测角度采集的光谱数据的匹配性，为水体表观光谱二向性研究提供高质量、高品质的现场观测数据。附本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种水体表观光谱二向性自动测量装置，其特征在于：包括总控系统(1)、观测几何自动调整系统(2)、全球定位系统(3)、多角度光学测量系统(4)；所述的总控系统(1)包括控制电路板(11)和第一水密外壳；所述的控制电路板(11)上设置有数据存储卡(111)，用于储存测量的光谱数据；所述的第一水密外壳由第一封盖(121)和第一壳体(122)装配而成，其内为中空结构，所述的控制电路板(11)安装在所述的中空结构内；第一封盖(121)顶部设置有电源接口(1211)、第一通讯接口(1212)、第二通讯接口(1213)和第三通讯接口(1214)；所述的电源接口(1211)与外部电源连接，所述的第一通讯接口(1212)通过电缆与所述的观测几何自动调整系统(2)电气连接，所述的第二通讯接口(1213)通过电缆与所述的全球定位系统(3)电气连接，所述的第三通讯接口(1214)通过电缆与所述的多角度光学测量系统(4)电气连接；所述的观测几何自动调整系统(2)主要包括控制单元(21)、旋转驱动单元、方位跟踪单元(23)、旋转台(24)和底座(25)；所述的控制单元(21)提供与所述的总控系统(1)通讯的接口，与旋转驱动单元、方位跟踪单元(23)电气连接；所述的旋转驱动单元包括电机驱动板(221)、步进电机(222)、蜗轮传动机构和电机固定板(224)；所述的电机驱动板(221)与所述的步进电机(222)电气连接，所述的步进电机(222)通过螺纹连接件与电机固定板(224)下底面固定连接、其转动轴与安装在所述的电机固定板(224)上表面的蜗轮传动机构固定连接；所述的方位跟踪单元(23)为一姿态传感器，用于实时跟踪所述的旋转台(24)转动的方位；所述的旋转台(24)包括转动盘(241)、支撑转轴(242)和仪器布放支架，所述的支撑转轴(242)固定安装在所述的转动盘(241)下表面上，所述的仪器布放支架固定安装在所述的转动盘(241)上表面；所述的底座(25)由顶盖(251)和底座壳体(252)装配而成，其内为中空结构，中空结构内设有内部安装架(253)；所述的顶盖(251)中央安装有旋转轴承(254)，所述的底座壳体(252)底部设置有与所述的总控系统(1)的第一通讯接口(1212)连接的第四通讯接口(2521)；所述的控制单元(21)和电机驱动板(221)固定安装在所述的内部安装架(253)上；所述的电机固定板(224)固定安装在所述的顶盖(251)下表面上，使整个旋转驱动单元都处于所述的底座(25)的中空结构内；所述的支撑转轴(242)穿过所述的旋转轴承(254)与所述的蜗轮传动机构固定连接；所述的全球定位系统(3)包括天线(31)、GPS电路板(32)和第二水密外壳；所述的第二水密外壳由第二封盖(331)和第二壳体(332)装配而成，其内为中空结构，所述的GPS电路板(32)安装在所述的中空结构内；所述的第二封盖(331)顶部设置有与所述的总控系统(1)的第二通讯接口(1213)连接的第五通讯接口(3311)和天线接口(3312)，所述的天线接口(3312)通过标配连接线连接到所述的天线(31)上；所述的全球定位系统(3)用于获取实验地点的经纬度信息；所述的多角度光学测量系统(4)包括若干套能够独立完成测量同一方位上的水体辐亮度、天空光辐亮度和下行辐照度光谱数据的工作的光谱仪传感器组，所述的光谱仪传感器组分别安装在所述的仪器布放支架的不同方位上，用于测量各自方位上的光谱数据。...
【技术特征摘要】
1.一种水体表观光谱二向性自动测量装置，其特征在于：包括总控系统(1)、观测几何自动调整系统(2)、全球定位系统(3)、多角度光学测量系统(4)；所述的总控系统(1)包括控制电路板(11)和第一水密外壳；所述的控制电路板(11)上设置有数据存储卡(111)，用于储存测量的光谱数据；所述的第一水密外壳由第一封盖(121)和第一壳体(122)装配而成，其内为中空结构，所述的控制电路板(11)安装在所述的中空结构内；第一封盖(121)顶部设置有电源接口(1211)、第一通讯接口(1212)、第二通讯接口(1213)和第三通讯接口(1214)；所述的电源接口(1211)与外部电源连接，所述的第一通讯接口(1212)通过电缆与所述的观测几何自动调整系统(2)电气连接，所述的第二通讯接口(1213)通过电缆与所述的全球定位系统(3)电气连接，所述的第三通讯接口(1214)通过电缆与所述的多角度光学测量系统(4)电气连接；所述的观测几何自动调整系统(2)主要包括控制单元(21)、旋转驱动单元、方位跟踪单元(23)、旋转台(24)和底座(25)；所述的控制单元(21)提供与所述的总控系统(1)通讯的接口，与旋转驱动单元、方位跟踪单元(23)电气连接；所述的旋转驱动单元包括电机驱动板(221)、步进电机(222)、蜗轮传动机构和电机固定板(224)；所述的电机驱动板(221)与所述的步进电机(222)电气连接，所述的步进电机(222)通过螺纹连接件与电机固定板(224)下底面固定连接、其转动轴与安装在所述的电机固定板(224)上表面的蜗轮传动机构固定连接；所述的方位跟踪单元(23)为一姿态传感器，用于实时跟踪所述的旋转台(24)转动的方位；所述的旋转台(24)包括转动盘(241)、支撑转轴(242)和仪器布放支架，所述的支撑转轴(242)固定安装在所述的转动盘(241)下表面上，所述的仪器布放支架固定安装在所述的转动盘(241)上表面；所述的底座(25)由顶盖(251)和底座壳体(252)装配而成，其内为中空结构，中空结构内设有内部安装架(253)；所述的顶盖(251)中央安装有旋转轴承(254)，所述的底座壳体(252)底部设置有与所述的总控系统(1)的第一通讯接口(1212)连接的第四通讯接口(2521)；所述的控制单元(21)和电机驱动板(221)固定安装在所述的内部安装架(253)上；所述的电机固定板(224)固定安装在所述的顶盖(251)下表面上，使整个旋转驱动单元都处于所述的底座(25)的中空结构内；所述的支撑转轴(242)穿过所述的旋转轴承(254)与所述的蜗轮传动机构固定连接；所述的全球定位系统(3)包括天线(31)、GPS电路板(32)和第二水密外壳；所述的第二水密外壳由第二封盖(331)和第二壳体(332)装配而成，其内为中空结构，所述的GPS电路板(32)安装在所述的中空结构内；所述的第二封盖(331)顶部设置有与所述的总控系统(1)的第二通讯接口(1213)连接的第五通讯接口(3311)和天线接口(3312)，所述的天线接口(3312)通过标配连接线连接到所述的天线(31)上；所述的全球定位系统(3)用于获取实验地点的经纬度信息；所述的多角度光学测量系统(4)包括若干套能够独立完成测量同一方位上的水体辐亮度、天空光辐亮度和下行辐照度光谱数据的工作的光谱仪传感器组，所述的光谱仪传感器组分别安装在所述的仪器布放支架的不同方位上，用于测量各自方位上的光谱数据。2.根据权利要求1所述的水体表观光谱二向性自动测量装置，其特征在于：所述的蜗轮传动机构由转动蜗轮(2231)、从动蜗轮(2232)和传动带(2233)组成；所述的支撑转轴(242)穿过所述的旋转轴承(254)与所述的从动蜗轮(2232)固定连接，所述的转动蜗轮(2231)通过所述的传动带(2233)与所述的从动蜗轮(2232)连接...
【专利技术属性】
技术研发人员：田礼乔，陈晓玲，黄锐，
申请(专利权)人：武汉大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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