基于旋转光谱仪的极地海冰多层位光谱辐射测量系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于旋转光谱仪的极地海冰多层位光谱辐射测量系统，测量系统包括均设在密封舱内的辐射信号耦合装置、光谱仪、电源、主控子系统、光电编码器、机械传动装置、伺服电机、光谱仪固定块、光纤接口/固定装置；电源与主控子系统相连，为其提供工作电压；辐射信号耦合装置和光谱仪通过光纤相连，光谱仪和辐射信号耦合装置通过光谱仪固定块安装在机械传动装置的旋转主轴上，光电编码器设在机械传动装置的旋转主轴上，伺服电机与机械传动装置相连，光谱仪、光电编码器和伺服电机均与主控子系统相连。本发明专利技术采用旋转光谱仪的方式，进行极地海冰多层位光谱辐射测量，提高了此类型系统在极地环境下长期、连续、稳定工作的能力。

Polar sea ice multi spectral radiation measurement system based on rotating spectrometer

The invention discloses a multi polar sea ice layer spectral radiation measurement system based on rotating spectrometer, the measurement system includes a radiation signal coupling are located in the sealed cabin device, spectrometer, power supply, main control system, photoelectric encoder, mechanical transmission device, servo motor, spectrometer fixed block, optical fiber interface / fixed device connected power supply; with the main control subsystem provides working voltage; radiation signal coupling device connected through optical fiber spectrometer and spectrometer, and the radiation signal coupling device through the spectrometer fixed block is arranged in the mechanical transmission device of rotary spindle, spindle rotating photoelectric encoder in mechanical transmission device, connected to the servo motor and mechanical transmission device, connected to the spectrometer photoelectric encoder and servo motor with the main control subsystem. The invention adopts the method of rotating spectrometer to measure the multi layer spectral radiation of polar sea ice, and improves the ability of the system to work in a polar environment for a long time, continuous and stable operation.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光谱测量系统，具体涉及一种基于旋转光谱仪的极地海冰多层位光谱辐射测量系统。
技术介绍
极地气候和极地海冰环境近几十年来正发生着巨大变化，其中海冰由于其对于极地海洋生态系统、极地上层海洋过程、大气-海冰-海洋相互作用以及全球气候变化等方面均具有重要意义，因此成为极地研究的热点。有研究表明在过去的几十年中北极海冰正发生着显著的变化，其原因是由几十年来北极地区发生的热力学变化和海冰循环变化共同作用的结果，这其中太阳辐射占据了举足轻重的作用。北极冰雪的大量融化、表面融池的增加造成了整体反照率的降低，加速海冰的融化以及海冰组成结构的变化。海冰覆盖范围的减少造成更多的太阳辐射能够被海洋吸收和利用，对上层海洋过程也会造成显著影响。同时，海冰内部太阳辐射对冰藻的生长、繁殖和分布也会造成重要影响，进而影响以冰藻为食的浮游动物的丰度和群落结构。综上，对海冰环境太阳辐射，尤其是不同层位太阳辐射变化情况进行长期原位测量，对于帮助解决上述物理、生物、生态等科学问题具有重要意义。长久以来，由于受到现有观测方法和观测设备的限制，极地海冰环境多层位太阳辐射数据非常缺乏，长期连续数据更是没有。国内外研究学者对极地海冰环境中光学参数的测量绝大部分是围绕着冰上以及冰下太阳辐射强度展开，采用的方式以人工短期测量为主。随着科学技术的进步，近年来也有少量研究采用自动化装备进行测量，仅有为数不多的研究测量了海冰内部太阳辐射强度剖面，不过这些研究采用的技术往往对海冰的原位环境破坏较大，并且不能对同一地点进行长期原位测量，因此本专利技术有望填补这一技术空白，从而推进我国极地海洋装备技术的发展和进步。
技术实现思路
本专利技术克服了现有技术中的缺点，目的在于提出了一种基于旋转光谱仪的极地海冰多层位光谱辐射测量系统，其体型较小，工作稳定，可以实现长期、原位、动态监测多层位太阳辐射，并且监测效果好。为了解决上述技术问题，本专利技术通过以下技术方案实现的：一种基于旋转光谱仪的极地海冰多层位光谱辐射测量系统，所述测量系统包括均设在密封舱内的辐射信号耦合装置、光谱仪、电源、主控子系统、光电编码器、机械传动装置、伺服电机、光谱仪固定块、光纤接口/固定装置；所述电源与主控子系统相连，为其提供工作电压；所述辐射信号耦合装置和光谱仪通过光纤相连，所述光谱仪和辐射信号耦合装置通过光谱仪固定块安装在机械传动装置的旋转主轴上，所述光电编码器设在机械传动装置的旋转主轴上，所述伺服电机与机械传动装置相连，所述光谱仪、光电编码器和伺服电机均与主控子系统相连。进一步地，所述光纤接口/固定装置上开有12个呈均匀圆周阵列分布的标准光纤接口，用于与外部光纤相连。进一步地，所述辐射信号耦合装置为一面消色差双合透镜，所述消色差双合透镜的焦点与光谱仪的入口光纤端面圆心重合；当所述光谱仪指向一根固定于光纤接口/固定装置上的一根外部光纤时，消色差双合透镜的另一侧焦点与该外接光纤端面圆心重合。进一步地，所述机械传动装置包括旋转主轴和传动轴，所述旋转主轴和传动轴均通过轴承支承在密封舱内，所述旋转主轴上固定安装有从动锥齿轮，所述传动轴上固定安装有主动锥齿轮，所述从动锥齿轮和主动锥齿轮啮合传动，所述传动轴通过联轴器与伺服电机相连。进一步地，所述光谱仪固定块上开有一个通孔，直径与主旋转轴直径相同，光谱仪固定块固定套设在主旋转轴上。进一步地，所述主控子系统包括微处理器模块、数据存储模块、光谱仪控制模块和伺服电机控制模块；其中，所述数据存储模块、光谱仪控制模块和伺服电机控制模块均与微处理器模块相连；所述伺服电机控制模块分别与光电编码器和伺服电机相连，用于自动接收并判断光电编码器所产生的脉冲，并根据脉冲数量来发出指令，控制伺服电机正转或反转，使得辐射信号耦合装置和光谱仪能够转到预先设定的测量位置；所述光谱仪控制模块与光谱仪相连，控制并接收光谱仪进行光谱数据测量；所述数据存储模块用于存储光谱仪控制模块接收到的光谱数据测量。进一步地，所述微处理器模块包括单片机芯片IC2，晶振X1，编程口插座PL1，电容C2、C3、C4、C5、C8、C9、C10、C11、C12、C14；晶振X1的一端和电容C4的一端均与单片机芯片IC2的第一内部时钟输入端口连接，晶振X1的另一端和电容C3的一端均与单片机芯片U1的第二内部时钟输入端口连接，电容C3的另一端和电容C4的另一端相连；编程口插座PL1用于扩展服务，通过IO端口与单片机芯片IC2相连；单片机芯片IC2的电源端口均与电源相连；所述电容C2、C9、C5、C12、C14、C11、C8、C10的一端均与电源相连，另一端均接地；单片机芯片IC2的接地端口均接地。进一步地，数据存储模块包括选通控制芯片D2，SD卡SK1，三极管TR9，非极性电容C31，电阻R27；所述选通控制芯片D2的第一通道和SD卡数据输出端相连后与单片机芯片IC2的数据输入端口相连，第二通道和SD卡时钟信号输入端相连后与单片机芯片IC2的时钟信号输出端口相连，第三通道和SD卡数据输入端相连后与单片机芯片IC2的数据输出端口相连，第四通道和SD卡片选端口相连后与单片机芯片IC2的使能信号输出端口相连，第五通道和非极性电容C31一端相连后分别与三极管TR9的集电极和SD卡的驱动电源端相连；非极性电容C31的另一端接地；三极管TR9的发射极与电源相连；电阻R27的一端与单片机芯片IC2的SD卡使能信号输出端口相连，另一端与三极管TR9的基极相连；选通控制芯片D2的接地端口和SD卡的接地端口均接地。进一步地，所述光谱仪控制模块包括基准电压源芯片IC11，放大芯片IC10A，IC10B，三极管TR11、TR12，非极性电容C28、C35、C36、C38、C39、C40、C41、C42，电阻R33、R34、R35、R38、R39，放大芯片IC9，模数转换芯片IC8，光谱仪输入插座SK3，三极管TR10，TR13，电容C27、C29、C30、C32、C33、C34、C37，电阻R28、R29、R30、R31、R32、R37；基准电压源芯片IC11的电源输入端和电容C39一端相连后与三极管TR11集电极相连；基准电压源芯片IC11的电压调整端与电容C42一端相连；基准电压源芯片IC11的电压补偿端和电阻R41的一端相连；电容C38的一端与电阻R41的另一端相连，另一端和电容C40连接后与基准电压源芯片IC11的电压输出端相连；基准电压源芯片IC11的电压输出端和电容C41的一端相连后与放大芯片IC10A的通道输入A正输入端口相连；放大芯片IC10A的通道增益端口和电容C35一端相连后与三极管TR11的集电极相连；放大芯片IC10A的通道输入A负输入端口、电阻R34的一端以及放大芯片IC10A的通道输出端口相连后作为参考电压输出端口；电阻R34的另一端、电容C36的一端以及电阻R35的一端相连后与放大芯片IC10B的通道输入B正输入端口相连；放大芯片IC10B的通道输入B负输入端口和放大芯片IC10B的输出端口相连后与电源相连；电容C28一端与放大芯片IC10B的输出端口相连，另一端接地；放大芯片IC10A和放大芯片IC10B的接地端口以及基准电压源芯片IC11的接地端口均接地；电阻R39的一端和电阻R38相连后与光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于旋转光谱仪的极地海冰多层位光谱辐射测量系统，其特征在于，所述测量系统包括均设在密封舱(10)内的辐射信号耦合装置(1)、光谱仪(2)、电源(3)、主控子系统(4)、光电编码器(5)、机械传动装置(6)、伺服电机(7)、光谱仪固定块(8)、光纤接口/固定装置(9)等；所述电源(3)与主控子系统(4)相连，为其提供工作电压；所述辐射信号耦合装置(1)和光谱仪(2)通过光纤相连，所述光谱仪(2)和辐射信号耦合装置(1)通过光谱仪固定块(8)安装在机械传动装置(6)的旋转主轴上，所述光电编码器(5)设在机械传动装置(6)的旋转主轴上，所述伺服电机(7)与机械传动装置(6)相连，所述光谱仪(2)、光电编码器(5)和伺服电机(7)均与主控子系统(4)相连。

【技术特征摘要】
1.一种基于旋转光谱仪的极地海冰多层位光谱辐射测量系统，其特征在于，所述测量系统包括均设在密封舱(10)内的辐射信号耦合装置(1)、光谱仪(2)、电源(3)、主控子系统(4)、光电编码器(5)、机械传动装置(6)、伺服电机(7)、光谱仪固定块(8)、光纤接口/固定装置(9)等；所述电源(3)与主控子系统(4)相连，为其提供工作电压；所述辐射信号耦合装置(1)和光谱仪(2)通过光纤相连，所述光谱仪(2)和辐射信号耦合装置(1)通过光谱仪固定块(8)安装在机械传动装置(6)的旋转主轴上，所述光电编码器(5)设在机械传动装置(6)的旋转主轴上，所述伺服电机(7)与机械传动装置(6)相连，所述光谱仪(2)、光电编码器(5)和伺服电机(7)均与主控子系统(4)相连。2.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述光纤接口/固定装置(9)上开有12个呈均匀圆周阵列分布的标准光纤接口，用于与外部光纤相连。3.根据权利要求2所述的测量系统，其特征在于，所述辐射信号耦合装置(1)为一面消色差双合透镜，所述消色差双合透镜的一侧焦点与光谱仪(2)的入口光纤端面圆心重合；当所述光谱仪(2)指向一根固定于光纤接口/固定装置(9)上的一根外部光纤时，消色差双合透镜的另一侧焦点与该外接光纤端面圆心重合。4.根据权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述机械传动装置(6)包括旋转主轴和传动轴，所述旋转主轴和传动轴均通过轴承支承在密封舱(10)内，所述旋转主轴上固定安装有从动锥齿轮，所述传动轴上固定安装有主动锥齿轮，所述从动锥齿轮和主动锥齿轮啮合传动，所述传动轴通过联轴器与伺服电机(7)相连。5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述光谱仪固定块(8)上开有一个通孔，直径与主旋转轴直径相同，光谱仪固定块(8)固定套设在主旋转轴上。6.根据权利要求1-5任一项所述的测量系统，其特征在于，所述主控子系统(4)包括微处理器模块、数据存储模块、光谱仪控制模块和伺服电机控制模块；其中，所述数据存储模块、光谱仪控制模块和伺服电机控制模块均与微处理器模块相连；所述伺服电机控制模块分别与光电编码器(5)和伺服电机(7)相连，用于自动接收并判断光电编码器(5)所产生的脉冲，并根据脉冲数量来发出指令，控制伺服电机(7)正转或反转，使得辐射信号耦合装置(1)和光谱仪(2)能够转到预先设定的测量位置；所述光谱仪控制模块与光谱仪(2)相连，控制并接收光谱仪(2)进行光谱数据测量；所述数据存储模块用于存储光谱仪控制模块接收到的光谱数据测量。7.根据权利要求6所述的测量系统，其特征在于，所述微处理器模块包括单片机芯片IC2，晶振X1，编程口插座PL1，电容C2、C3、C4、C5、C8、C9、C10、C11、C12、C14；晶振X1的一端和电容C4的一端均与单片机芯片IC2的第一内部时钟输入端口连接，晶振X1的另一端和电容C3的一端均与单片机芯片U1的第二内部时钟输入端口连接，电容C3的另一端和电容C4的另一端相连；编程口插座PL1用于扩展服务，通过IO端口与单片机芯片IC2相连；单片机芯片IC2的电源端口均与电源(3)相连；所述电容C2、C9、C5、C12、C14、C11、C8、C10的一端均与电源(3)相连，另一端均接地；单片机芯片IC2的接地端口均接地。8.根据权利要求7所述的测量系统，其特征在于，数据存储模块包括选通控制芯片D2，SD卡SK1，三极管TR9，非极性电容C31，电阻R27；所述选通控制芯片D2的第一通道和SD卡数据输出端相连后与单片机芯片IC2的数据输入端口相连，第二通道和SD卡时钟信号输入端相连后与单片机芯片IC2的时钟信号输出端口相连，第三通道和SD卡数据输入端相连后与单片机芯片IC2的数据输出端口相连，第四通道和SD卡片选端口相连后与单片机芯片IC2的使能信号输出端口相连，第五通道和非极性电容C31一端相连后分别与三极管TR9的集电极和SD卡的驱动电源端相连；非极性电容C31的另一端接地；三极管TR9的发射极与电源(3)相连；电阻R27的一端与单片机芯片IC2的SD卡使能信号输出端口相连，另一端与三极管TR9的基极相连；选通控制芯片D2的接地端口和SD卡的接地端口均接地。9.根据权利要求8所述的测量系统，其特征在于，所述光谱仪控制模块包括基准电压源芯片IC11，放大芯片IC10A，IC10B，三极管TR11、TR12，非极性电容C28、C35、C36、C38、C39、C40、C41、C42，电阻R33、R34、R35、R38、R39，放大芯片IC9，模数转换芯片IC8，光谱仪输入插座SK3，三极管TR10，TR13，电容C27、C29、C30、C32、C33、C34、C37，电阻R28、R29、R30、R31、R32、R37；基准电压源芯片IC11的电源输入端和电容C39一端相连后与三极管T...

【专利技术属性】
技术研发人员：王杭州，南立文，宋宏，黄慧，陈鹰，何剑锋，
申请(专利权)人：浙江大学，中国极地研究中心，
类型：发明
国别省市：浙江;33