一种水上动态高光谱测量仪及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种水上动态高光谱测量仪及测量方法，测量仪集成了辐照度测量单元、第一辐亮度测量单元和第二辐亮度测量单元。辐照度测量单元的信号采集方向向上，用于测量下降辐射；第一辐亮度测量单元的信号采集方向斜向上，用于测量天空辐射，以便于观察天空辐射对水色的影响；第二辐亮度测量单元的信号采集方向斜向下，用于测量水面辐射。本测量仪可以同时测得所需的下降辐射、天空辐射和水面辐射，提高了测量数据的同步性。当进行水上动态测量时，本测量仪可以测量设备当前的UTC、纬度、经度以及地磁朝向，以调节辐照度测量单元、第一辐亮度测量单元和第二辐亮度测量单元的采集角度，来保持测量仪与太阳方位角度的相对关系，从而保证测量结果的准确性。从而保证测量结果的准确性。从而保证测量结果的准确性。

【技术实现步骤摘要】
一种水上动态高光谱测量仪及测量方法


[0001]本专利技术涉及科学观测
，具体涉及一种水上动态高光谱测量仪及测量方法。

技术介绍

[0002]当今，光学技术在海洋科学中的应用不断发展，海洋光学对于海洋物理过程、生物过程、化学过程和地质过程等的研究都具有非常大的价值，发挥着重要的作用。测量及解释海水的光学特性，已经成为并且仍将是海洋科学的一个富有挑战性的研究方向。海水表观的光学性质取决于海水的固有光学性质和海中辐射场的分布，这是因为海水中的浮游植物、悬浮泥沙及溶解物能够吸收和/或散射来自于太阳系统的自然光，因此会对水下光场及穿越水气界面的向上辐亮度光谱产生深刻的影响。获取高精度的水体离水辐亮度或遥感反射率等光学特性，然后通过反演其光谱获得水体的水色要素及关联物的浓度参数，最终为水环境与水生态的监测、分类、评价与预测预警以及气候变化的研究等服务。
[0003]海水表观的光学测量任务的一个重要参数是光谱遥感反射率Rrs(λ)，其中λ为光的波长。所有地球物理产品均衍生自多个光谱波段的Rrs(λ)的各种组合，例如，叶绿素浓度是通过光谱的蓝色和绿色区域的波段比率或差异得出的。在海水表观的光学测量中，Rrs(λ)定义为：
[0004]Rrs(λ,θs,θv,φ)＝Lw(λ,θs,θv,φ)/Es(λ,θs)；
[0005]其中，Es(λ,θs)为太阳天顶角θs的水上向下的辐照度，也即下降辐射；Lw(λ,θs,θv,φ)为太阳天顶角θs、天底角θv和太阳与测量垂直面之间的方位角差φ的离水辐亮度，其与天空辐射Lsky以及水面辐射Lu密切相关。因此，大多数时候，都是通过测量下降辐射Es、天空辐射Lsky以及水面辐射Lu，来获得所需的光谱遥感反射率Rrs。
[0006]现有技术中，测量所需的下降辐射Es、天空辐射Lsky以及水面辐射Lu时，大多是使用地物光谱仪将探头分时测量水面、天空以及标准参考板，极大地依靠测量人员的经验，对测量人员提出了较高的要求，且测量数据的同步性差，由于测量环境的不同步性，引入了较大的测量误差，对测量结果的准确性带来了不利的影响。特别是在船载等因水浪产生抖动的测量场合，测量过程更加难以控制，且引入了不可忽略的人为误差，进一步地降低了测量结果的准确率。

技术实现思路

[0007]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种水上动态高光谱测量仪，能够便于同步测量所需的下降辐射、天空辐射和水面辐射，并在测量的过程中保持测量仪与太阳方位角度的方位角，以提高测量结果的准确性。
[0008]为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种水上动态高光谱测量仪，包括稳定支架、测量组件、GPS模块、IMU模块、驱动组件以及控制组件，测量组件包括旋转外壳以及安装于所述旋转外壳内的辐照度测量单元、第一辐亮度测量单元和第二辐亮度测量单
元，所述旋转外壳转动并摆动连接所述稳定支架，所述辐照度测量单元的信号采集方向向上，所述第一辐亮度测量单元的信号采集方向斜向上，所述第二辐亮度测量单元的信号采集方向斜向下；所述GPS模块、所述IMU模块、所述驱动组件与所述控制组件均设于所述旋转外壳，所述GPS模块用于提供所述水上动态高光谱测量仪的UTC、纬度和经度；所述IMU模块包括陀螺仪、加速度计以及地磁场传感器，用于测量所述水上动态高光谱测量仪的运动姿态；所述驱动组件用于驱动所述旋转外壳、所述辐照度测量单元、所述第一辐亮度测量单元和所述第二辐亮度测量单元；所述控制组件电性连接所述GPS模块、所述IMU模块和所述驱动组件。
[0009]相比现有技术，本专利技术的有益效果在于：本测量仪集成了辐照度测量单元、第一辐亮度测量单元和第二辐亮度测量单元。辐照度测量单元的信号采集方向向上，用于测量下降辐射；第一辐亮度测量单元的信号采集方向斜向上，用于测量天空辐射，以便于观察天空辐射对水色的影响；第二辐亮度测量单元的信号采集方向斜向下，用于测量水面辐射；因此，本测量仪可以同时测得所需的下降辐射、天空辐射和水面辐射，以确定目标物体的遥感反射率，提高了测量数据的同步性，以提高测量的准确性。当进行水上动态测量时，也即船载等因水浪而产生抖动的测量场合，本测量仪可以通过GPS模块测量设备当前的UTC、纬度和经度，并通过IMU模块测量当前的地磁朝向，并将所测得的UTC、纬度、经度以及地磁朝向发送至控制组件，由控制组件控制驱动组件，并由驱动组件驱动旋转外壳相对稳定支架转动及摆动，以调节辐照度测量单元、第一辐亮度测量单元和第二辐亮度测量单元的采集角度，来保持测量仪与太阳方位角度的相对关系，从而保证测量的准确性。
[0010]上述的水上动态高光谱测量仪，所述稳定支架的第一端转动连接有套环，所述套环的内周沿周向分布有一圈齿牙；所述驱动组件包括用于驱动所述旋转外壳的第一驱动模块，所述第一驱动模块包括驱动电机、第一锥齿轮和第二锥齿轮，所述驱动电机安装于所述旋转外壳内，且所述驱动电机的输出端连接所述第一锥齿轮，所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮转动连接于所述旋转外壳的相对的两侧，且所述第一锥齿轮与所述第二锥齿轮均啮合连接所述套环的所述齿牙；所述套环能够相对所述稳定支架转动，以带动所述旋转外壳相对所述稳定支架摆动，所述驱动电机能够驱动所述第一锥齿轮转动，以使所述旋转外壳相对所述套环和所述稳定支架转动。
[0011]上述的水上动态高光谱测量仪，所述辐照度测量单元包括由外至内安装于所述旋转外壳内的余弦校正器和第一光电转换器，所述第一光电转换器能够接收来自所述余弦校正器的光信号；所述驱动组件还包括第二驱动模块，所述第二驱动模块电性连接所述第一光电转换器和所述控制组件。
[0012]上述的水上动态高光谱测量仪，所述旋转外壳的上端开设有第一阶梯通孔，所述余弦校正器通过第一安装块压紧安装于所述第一阶梯通孔内，且所述余弦校正器的上端面凸出于所述第一安装块的上端面，所述余弦校正器与所述第一阶梯通孔之间安装有第一密封圈。
[0013]上述的水上动态高光谱测量仪，所述第一光电转换器通过第二安装块连接于所述旋转外壳内，所述第二安装块开设有第二阶梯通孔，且所述第二阶梯通孔位于所述第一阶梯通孔的下方，所述第二阶梯通孔内安装有第一滤光片；所述余弦校正器所收集的光信号依次经过所述第一阶梯通孔与所述第一滤光片，并被所述第一光电转换器所接收。
[0014]上述的水上动态高光谱测量仪，所述第一辐亮度测量单元包括安装于所述旋转外壳内的第一辐亮度头以及由外至内安装于所述第一辐亮度头内的第一窗口玻璃、第一凸透镜和第二光电转换器；所述驱动组件还包括第三驱动模块，所述第三驱动模块电性连接所述第二光电转换器和所述控制组件；所述第二辐亮度测量单元包括安装于所述旋转外壳内的第二辐亮度头以及由内至外安装于所述第二辐亮度头内的第二窗口玻璃、第二凸透镜和第三光电转换器；所述驱动组件还包括第四驱动模块，所述第四驱动模块电性连接所述第三光电转换器和所述控制组件。
[0015]上述的水上动态高光谱测量仪，所述第一辐亮度头开设有第三阶梯通孔，所述第一窗口玻璃通过第一卡环安装于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种水上动态高光谱测量仪，其特征在于，包括：稳定支架(100)；测量组件，包括旋转外壳(200)以及安装于所述旋转外壳(200)内的辐照度测量单元(300)、第一辐亮度测量单元(400)和第二辐亮度测量单元(500)，所述旋转外壳(200)转动并摆动连接所述稳定支架(100)，所述辐照度测量单元(300)的信号采集方向向上，所述第一辐亮度测量单元(400)的信号采集方向斜向上，所述第二辐亮度测量单元(500)的信号采集方向斜向下；以及设于所述旋转外壳(200)的：GPS模块，用于提供所述水上动态高光谱测量仪的UTC、纬度和经度；IMU模块，包括陀螺仪、加速度计以及地磁场传感器，用于测量所述水上动态高光谱测量仪的运动姿态；驱动组件，用于驱动所述旋转外壳(200)、所述辐照度测量单元(300)、所述第一辐亮度测量单元(400)和所述第二辐亮度测量单元(500)；以及控制组件，电性连接所述GPS模块、所述IMU模块和所述驱动组件。2.根据权利要求1所述的水上动态高光谱测量仪，其特征在于，所述稳定支架(100)的第一端转动连接有套环(600)，所述套环(600)的内周沿周向分布有一圈齿牙(610)；所述驱动组件包括用于驱动所述旋转外壳(200)的第一驱动模块，所述第一驱动模块包括驱动电机(710)、第一锥齿轮(720)和第二锥齿轮(730)，所述驱动电机(710)安装于所述旋转外壳(200)内，且所述驱动电机(710)的输出端连接所述第一锥齿轮(720)，所述第一锥齿轮(720)与所述第二锥齿轮(730)转动连接于所述旋转外壳(200)的相对的两侧，且所述第一锥齿轮(720)与所述第二锥齿轮(730)均啮合连接所述套环(600)的所述齿牙(610)；所述套环(600)能够相对所述稳定支架(100)转动，以带动所述旋转外壳(200)相对所述稳定支架(100)摆动，所述驱动电机(710)能够驱动所述第一锥齿轮(720)转动，以使所述旋转外壳(200)相对所述套环(600)和所述稳定支架(100)转动。3.根据权利要求1所述的水上动态高光谱测量仪，其特征在于，所述辐照度测量单元(300)包括由外至内安装于所述旋转外壳(200)内的余弦校正器(310)和第一光电转换器(320)，所述第一光电转换器(320)能够接收来自所述余弦校正器(310)的光信号；所述驱动组件还包括第二驱动模块，所述第二驱动模块电性连接所述第一光电转换器(320)和所述控制组件。4.根据权利要求3所述的水上动态高光谱测量仪，其特征在于，所述旋转外壳(200)的上端开设有第一阶梯通孔(211)，所述余弦校正器(310)通过第一安装块(330)压紧安装于所述第一阶梯通孔(211)内，且所述余弦校正器(310)的上端面凸出于所述第一安装块(330)的上端面，所述余弦校正器(310)与所述第一阶梯通孔(211)之间安装有第一密封圈(340)。5.根据权利要求4所述的水上动态高光谱测量仪，其特征在于，所述第一光电转换器(320)通过第二安装块(350)连接于所述旋转外壳(200)内，所述第二安装块(350)开设有第二阶梯通孔(351)，且所述第二阶梯通孔(351)位于所述第一阶梯通孔(211)的下方，所述第二阶梯通孔(351)内安装有第一滤光片(360)；所述余弦校正器(310)所收集的光信号依次经过所述第一阶梯通孔(211)与所述第一
滤光片(360)，并被所述第一光电转换器(320)所接收。6.根据权利要求1所述的水上动态高光谱测量仪，其特征在于，所述第一辐亮度测量单元(400)包括安装于所述旋转外壳(200)内的第一辐亮度头(410)以及由外至内安装于所述第一辐亮度头(410)内的第...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓伟，
申请(专利权)人：广州耀海科技有限公司，
类型：发明
国别省市：