一種適用于水面光譜遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測的自動化裝置與方法
【專利說明】一種適用于水面光譜遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測的自動化裝置與方法
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于水色遙感光譜測量領(lǐng)域，特別是涉及一種適用于水面光譜遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測的自動化裝置與方法。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]對海洋、湖泊等水體的光學(xué)特征測量與分析是水色遙感的基礎(chǔ)之一，針對不同的水體，野外測試獲取了大量的實(shí)測光譜對水色遙感建模和遙感產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)來說更是必不可少的重要環(huán)節(jié)，對于大洋的I類水體，水下剖面測量法是首選的方法，而對于海洋沿岸以及內(nèi)陸湖泊等高葉綠素和高懸浮物濃度的II類水體的表觀光學(xué)特性的測量相對適合的方法是水面以上測量法，雖然NASA、國際水色SMB1S組織等對此給出了相對合理的測量方法和數(shù)據(jù)處理方案，但是在實(shí)際研宄中，人工操作實(shí)地采樣來獲取現(xiàn)場水體表觀光譜數(shù)據(jù)仍然存在很多問題，這類監(jiān)測方法在精度上有一定的準(zhǔn)確性，但是這類測量得到的數(shù)據(jù)量小、可靠性差，受現(xiàn)場環(huán)境和人為因素影響較大，而且是在點(diǎn)上進(jìn)行，難以全面反映水體生態(tài)環(huán)境的總體時空變化，且費(fèi)時、費(fèi)力、成本高，更重要的是不能進(jìn)行實(shí)時遠(yuǎn)程監(jiān)測。
[0005]因此，有必要提出一種適用于水面光譜遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測的自動化裝置與方法，來獲取精確的現(xiàn)場水體表觀光譜數(shù)據(jù)。
[0006]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種適用于水面光譜遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測的自動化裝置與方法。
[0008]本發(fā)明的裝置所采用的技術(shù)方案是:一種適用于水面光譜遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測的自動化裝置，其特征在于:包括總控系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、觀測幾何自動調(diào)整系統(tǒng)、光譜測量系統(tǒng)、跟隨拍照系統(tǒng)和遠(yuǎn)程服務(wù)器；所述的光譜測量系統(tǒng)安裝在所述的觀測幾何自動調(diào)整系統(tǒng)上，所述的總控系統(tǒng)通過電纜分別與所述的無線通訊系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、觀測幾何自動調(diào)整系統(tǒng)、光譜測量系統(tǒng)、跟隨拍照系統(tǒng)電氣連接，所述的無線通訊系統(tǒng)通過無線網(wǎng)絡(luò)與所述的遠(yuǎn)程服務(wù)器連接通信；所述的總控系統(tǒng)包括控制電路板和第一水密外殼，所述的控制電路板上設(shè)置有數(shù)據(jù)存儲卡，用于儲存測量的光譜數(shù)據(jù)和照片；所述的第一水密外殼包括第一封蓋和第一殼體，所述的第一封蓋頂部設(shè)置有電源接口、第一通訊接口、第二通訊接口、第三通訊接口、第四通訊接口和第五通訊接口 ；所述的第一通訊接口通過電纜與所述的觀測幾何自動調(diào)整系統(tǒng)電氣連接，所述的第二通訊接口通過電纜與所述的無線通訊系統(tǒng)電氣連接，所述的第三通訊接口通過電纜與所述的光譜測量系統(tǒng)電氣連接，所述的第四通訊接口通過電纜與所述的全球定位系統(tǒng)電氣連接，所述的第五通訊接口通過電纜與所述的跟隨拍照系統(tǒng)電氣連接；所述的無線通訊系統(tǒng)包括天線、電路板和第二水密外殼，所述的第二水密外殼由第二封蓋和第二殼體裝配而成，其內(nèi)為中空結(jié)構(gòu)，所述的電路板安裝在所述的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述的第二封蓋頂部設(shè)置有與所述的第二通訊接口連接的第六通訊接口，所述的第二殼體頂部設(shè)置有與天線連接的天線接口 ；所述的無線通訊系統(tǒng)用于在總控系統(tǒng)與所述的遠(yuǎn)程服務(wù)器之間進(jìn)行無線通訊；所述的全球定位系統(tǒng)包括GPS天線、GPS電路板和第三水密外殼，所述的第三水密外殼由第三封蓋和第三殼體裝配而成，其內(nèi)為中空結(jié)構(gòu)，所述的GPS電路板安裝在所述的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述的第三封蓋頂部設(shè)置有與所述的第四通訊接口連接的第七通訊接口和GPS天線接口，所述的GPS天線接口用于將所述的GPS天線連接到所述的GPS電路板上；所述的全球定位系統(tǒng)用于獲取實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的經(jīng)瑋度信息；所述的觀測幾何自動調(diào)整系統(tǒng)主要包括控制單元、旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元、方位跟蹤單元、旋轉(zhuǎn)臺和底座；所述的控制單元設(shè)置有與所述總控系統(tǒng)通訊的接口，所述的控制單元與所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元、方位跟蹤單元電氣連接；所述的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元包括電機(jī)驅(qū)動板、步進(jìn)電機(jī)、蝸輪傳動機(jī)構(gòu)和電機(jī)固定板；所述的電機(jī)驅(qū)動板與步進(jìn)電機(jī)電氣連接，所述的步進(jìn)電機(jī)通過螺紋連接件固定安裝在所述的電機(jī)固定板下底面上、其轉(zhuǎn)動軸與安裝在所述的電機(jī)固定板上的蝸輪傳動機(jī)構(gòu)連接；所述的方位跟蹤單元為一姿態(tài)傳感器，用于實(shí)時跟蹤所述的光譜測量系統(tǒng)的觀測方位；所述的旋轉(zhuǎn)臺包括轉(zhuǎn)動盤、支撐轉(zhuǎn)軸和儀器掛載桿，所述的支撐轉(zhuǎn)軸固定安裝在所述的轉(zhuǎn)動盤下表面中心位置，所述的儀器掛載桿固定安裝在所述的轉(zhuǎn)動盤上表面中心位置；所述的底座由頂蓋和底座殼體裝配而成，其內(nèi)為中空結(jié)構(gòu)，中空結(jié)構(gòu)內(nèi)設(shè)有內(nèi)部安裝架；所述的頂蓋中央安裝有旋轉(zhuǎn)軸承，所述的底座殼體底部設(shè)置有與所述的總控系統(tǒng)的第一通訊接口連接的第八通訊接口 ；所述的控制單元和電機(jī)驅(qū)動板固定安裝在所述的內(nèi)部安裝架上；所述的電機(jī)固定板固定安裝在所述的頂蓋下表面上，使整個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動單元都處于底座的中空結(jié)構(gòu)內(nèi)；所述的支撐轉(zhuǎn)軸穿過所述的旋轉(zhuǎn)軸承與所述的蝸輪傳動機(jī)構(gòu)固定連接；所述的光譜測量系統(tǒng)由光譜儀、光纖探頭、參考板、支撐臂、第一舵機(jī)、直射太陽光遮擋機(jī)構(gòu)、光路切換開關(guān)、探頭固定架組成；所述的光譜儀安裝在所述的底座殼體內(nèi)，通過光纖與所述的光路切換開關(guān)連接；所述的光纖探頭尾部光纖穿過所述的底座殼體下底面設(shè)置的過線孔與所述的光路切換開關(guān)連接；所述的探頭固定架用于將所述的光纖探頭固定到所述的第一舵機(jī)轉(zhuǎn)軸上；所述的參考板固定安裝在所述的轉(zhuǎn)動盤上，位置正好處于所述的光纖探頭下面；所述的支撐臂一端水平固定安裝在所述的儀器掛載桿上，另一端與所述的第一舵機(jī)固定連接；所述的直射太陽光遮擋機(jī)構(gòu)包括第二舵機(jī)、連接臂和遮光板；所述的第二舵機(jī)安裝在所述的參考板一側(cè)，軸向與所述的光纖探頭水平方向成45度夾角；所述的遮光板通過所述的連接臂固定安裝在所述的第二舵機(jī)上；所述的光路切換開關(guān)包括安裝板、固定板、小電機(jī)和一組光纖連接器，所述的安裝板有A、B兩片，均垂直固定安裝在所述的固定板表面上，A、B兩片安裝板與固定板之間構(gòu)成封閉的中空夾層；所述的安裝板上開有透光通孔，使A、B兩片及中空夾層相通；所述的中空夾層內(nèi)設(shè)有遮光片，所述的透光通孔旁邊裝有所述的小電機(jī)，小電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸通過安裝孔伸入所述的中空夾層內(nèi)；所述的遮光片一端緊密套接在所述的小電機(jī)的轉(zhuǎn)動軸上，另一端能在所述的中空夾層平面內(nèi)圍繞所述的轉(zhuǎn)動軸轉(zhuǎn)動，所述的遮光片的寬度大于透光通孔直徑，遮光片轉(zhuǎn)動半徑大于所述的轉(zhuǎn)動軸到透光通孔的距離，使得所述的遮光片轉(zhuǎn)至水平位置時能夠阻斷所述的透光通孔；所述的透光通孔在A片的開口通過光纖連接光譜儀，所述的透光通孔在B片的開口通過光纖連接所述的光纖探頭；所述的小電機(jī)的機(jī)身通過螺紋連接件和固定塊固定安裝在所述的固定板上，所述的固定板表面還開有螺孔，用于將整個光路切換開關(guān)通過螺紋連接件固定安裝在所述的底座殼體內(nèi)；所述的跟隨拍照系統(tǒng)為一小體型攝像頭，通過導(dǎo)線連接到所述的第五通訊接口 ；所述的遠(yuǎn)程服務(wù)器是若干臺外網(wǎng)能訪問得到的計算機(jī)，通過無線網(wǎng)絡(luò)與所述的無線通訊系統(tǒng)通信。
[0009]作為優(yōu)選，所述的蝸輪傳動機(jī)構(gòu)由轉(zhuǎn)動蝸輪、從動蝸輪和傳動帶組成；所述的支撐轉(zhuǎn)軸穿過所述的旋轉(zhuǎn)軸承與所述的從動蝸輪固定連接，所述的轉(zhuǎn)動蝸輪通過所述的傳動帶與所述的從動蝸輪連接。
[0010]作為優(yōu)選，所述的觀測幾何自動調(diào)整系統(tǒng)的內(nèi)部安裝架設(shè)有安裝孔，用于通過螺紋連接件將所述的控制單元和電機(jī)驅(qū)動板固定安裝在其上。
[0011]作為優(yōu)選，所述的觀測幾何自動調(diào)整系統(tǒng)的控制單元為處理器和外圍電路構(gòu)成的電路板.作為優(yōu)選，所述的方位跟蹤單元為一姿態(tài)傳感器，通過螺紋連接件固定安裝在所述的儀器掛載桿頂端，并通過導(dǎo)線與所述的控制單元電氣連接。
[0012]作為優(yōu)選，所述的連接臂為L型結(jié)構(gòu)，用于連接所述的第二舵機(jī)轉(zhuǎn)軸和遮光板，使所述的遮光板在太陽光入射平面上轉(zhuǎn)動。
[0013]作為優(yōu)選，所述的光譜儀和所述的小電機(jī)通過電纜穿過所述的過線孔連接到所述的第三通訊接口，所述的第一舵機(jī)和第二舵機(jī)分別通過電纜連接到所述的第三通訊接口。
[0014]作為優(yōu)選，所述的跟隨拍照系統(tǒng)通過螺紋連接件固定安裝在所述的探頭固定架上與所述的第一舵機(jī)對稱的一側(cè)，使所述的跟隨拍照系統(tǒng)和所述的光纖探頭的觀測方向始終一致。
[0015]本發(fā)明的方法所采用的技術(shù)方案是:一種水面光譜遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測的方法，其特征在于，主要包括:觀測幾何調(diào)整的自動化、光譜測量的自動化、圖像記錄的自動化、遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)測；
所述的觀測幾何調(diào)整的自動化，其具體實(shí)現(xiàn)過程為:通過所述的總控系統(tǒng)將所述的全球定位系統(tǒng)獲取的位置信息和時間傳遞給所述的觀測幾何自動調(diào)整系統(tǒng)，再由所述的控制單元計算出太陽的方位角，通過所述的方位跟蹤單元輸出的結(jié)果跟蹤得到所述的光纖探頭的觀測方位，所述的控制單元通過所述的電機(jī)驅(qū)動板控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動，從而帶動整個選轉(zhuǎn)臺及其上的光譜測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)動，使所述的光纖探頭的觀測方向與太陽入射方向成135度夾角，實(shí)現(xiàn)觀測幾何的自動調(diào)整；
所述的光譜測量的自動化，其具體實(shí)現(xiàn)包括以下步驟:
步驟1:采樣前，所述的總控系統(tǒng)先給所述的光譜儀上電；
步驟2:暗電流測量，所述的總控系統(tǒng)控制所述的光路切換開關(guān)閉合，切斷所述的光纖探頭與光譜儀之間的光路，然后進(jìn)行暗電流測量，讀取光譜儀8-15次；
步驟3:標(biāo)準(zhǔn)板測量，所述的總控系統(tǒng)通過所述的第一舵機(jī)控制所述的光纖探頭垂直向下指向所述的標(biāo)準(zhǔn)參考板，然后控制所述的光譜儀測量8-15條光譜數(shù)據(jù)；
步驟4:遮擋直射陽光的標(biāo)準(zhǔn)板測量，所述的總控系統(tǒng)根據(jù)所述的控制單元計算得出的太陽高度角，控制所述的第二舵機(jī)帶動所述的遮光板轉(zhuǎn)動，使所述的遮光板的影子正好覆蓋了所述的光纖探頭在標(biāo)準(zhǔn)板上的測量區(qū)域，進(jìn)而控制所述的光譜儀測量8-15條光譜數(shù)據(jù)；
步驟5:目標(biāo)水體測量，所述的總控系統(tǒng)通過所述的第一舵機(jī)控制所述的光纖探頭以與水面法線成40度夾角的方向指向目標(biāo)水體，然后控制所述的光譜儀測量8-15條光譜數(shù)據(jù)；<