多功能地物样品光谱全向测量系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种用于地物样品光谱测量的多功能全向测量系统。该系统包括宽光谱太阳模拟光源，地物光谱仪，电源系统，地物样品自转装置以及探测器公转装置，可在室内野外、有源无源的情况下工作，实现多功能全向测量。本专利所述的用于地物样品光谱测量的多功能全向测量系统主要用于固体地物样品光谱测量，用宽光谱太阳模拟光源模拟太阳光照射地物样品表面，通过地物样品自转装置和探测器公转装置控制地物样品与入射光束以及探测器与地物样品的相对位置，达到探测器接收地物样品表面反射光的目的，从而得出地物样品光谱信息。此外，该系统也可对其他物体进行光谱测量或者作为多维自由度电控平台使用等。
【专利说明】多功能地物样品光谱全向测量系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及光谱测量领域，主要涉及地物样品光谱测量系统，具体涉及多功能地 物样品光谱全向测量系统。
【背景技术】
[0002] 随着物理学、信息学以及对地观测技术的不断进步和发展，新兴学科遥感勘查学 逐渐形成，遥感勘查技术（特别是高光谱遥感勘查技术）已经成为定位定标新技术新方 法的一个重要方面，服务领域涵盖了区域地质调查、矿产资源勘查、水文、环境、航天航空定 标、地质灾害预测等。
[0003] 地物遥感勘查主要通过各种探测手段来获取、分析和提取不同类型地物的波谱在 波长、时间和空间上的波谱特性，以达到地物信息提取的目的。光谱数据是遥感分析应用的 基础，对航天航空传感器定标、遥感数据解译、遥感应用潜力研究具有重要意义。
[0004] 地物样品光谱数据测量工作是一项受多种复杂因素制约的工作，地物样品光谱特 征分析是遥感地物信息提取的关键环节，测量方法的选择是光谱数据测量过程中极为关键 的一步。而地物样品光谱在野外采集受到光照、大气、测量装置、测量方法等多方面的影响， 进行准确测量需考虑多方面的因素。目前对于土壤、岩石、植物等进行光谱探测多用探头手 持测量法，探头手持测量法自动化程度低，探头与较高物体的距离、探头三轴倾角等调控困 难，重复性差，离物体过近，人与装置反射光对于光谱测量也有较大影响。目前的测量装置 能实现一定的自动化，但是可测量的角度范围有限，测量精度不高，且探头距离目标物体的 距离难以调整等，功能十分有限。
【发明内容】
[0005] 本发明提供一种野外室内两用的多功能地物样品光谱全向测量系统，它能解决背 景技术中的问题。利用宽光谱太阳模拟光源在暗室内测量，排除了背景因素和其他因素对 目标光谱特征的影响，不仅可以消除背景噪声，而且可以有效地控制观测和光线照射的几 何角度。同时利用控制旋转台对装置进行多维度、高精度调节，可实现以被探测物为中心的 半球体内任意位置测量，实现全向测量，具有易拆卸、精度高、操作简洁、稳定等优点。
[0006] 多功能地物样品光谱全向测量系统组成如图1所示，具体为：
[0007] (1)宽光谱太阳模拟光源：采用光谱接近于太阳光谱的大功率卤钨灯源，通过保 持光源温度稳定，以达到输出稳定。通过准直光学学系统对光束进行准直，成为一束平行 光，以模拟自然光出射。通过光阑，可以改变出光光斑的大小，适于不同尺寸待测物应用。
[0008] (2)地物光谱仪：测量系统利用宽光谱太阳模拟光源作为照明源，利用地物光谱 仪测量并获取地物样品的光谱辐亮度，利用漫反射参考版对比测量，获得地物样品的反射 率光谱信息，通过对经过标定的漫反射参考板的测量，获得照明源的总照度以及直射和漫 射照度的光谱信息，配合设计的机械装置，可获得地物样品的方向反射因子光谱信息参数。
[0009] (3)地物样品自转装置：通过可控步进电机，可实现被测物两维自由度旋转，包括 地物样品的俯仰和水平转动，待测地物样品样本被固定于固定架上，通过USB 口通讯电路， 与控制电脑相连。
[0010] ⑷旋转台控制箱：内置USB 口通讯电路，步进电机控制电路。控制电脑通过USB 口通讯电路可实时监测自转装置运行，并控制自转装置的动作。
[0011] (5)控制软件：分为上位机和下位机软件。下位机为电机驱动程序，上位机为图形 化人机操作界面，通过人机操作界面，操作人员可轻松实现准确控制。
[0012] (6)探测器公转装置，固定探测器和自转装置：实现探测器的两维自由度探测。采 用带刻度的子午导轨，即半圆形探测器支撑架，上面悬挂可以伸缩并且沿子午导轨滑动的 距离调整装置，其伸缩距离200mm-1000mm，探测器固定于调整装置末端。子午导轨固定于水 平导轨上。水平导轨通过滑动摩擦可人工旋转。距离调整装置通过固定滑块组固定于子午 导轨上，调整固定滑块组，可使距离调整装置沿子午导轨移动，并进行探测器探头和地物样 品的距离调节。
[0013] (7)电源箱：采用可变恒流电源控制光源发光强弱。相对于现有的手持探头测量 法和现有测量装置，地物多功能全向光谱测量系统具有以下优势：
[0014] (a)利用宽光谱太阳模拟光源，可进行室内测量，避免受到野外环境的影响，极大 的提高了测量的稳定性和可靠性。
[0015] (b)多维自由度测量，被测物固定于自转装置，可实现两维自由度旋转，探测器固 定于公转装置，可实现两维自由度探测。与可伸缩距离调整装置配合，可实现以被测物为中 心的上半球任意位置测量。
[0016] (C)系统表面涂有抗反射材料，防止杂散光干扰光谱测量。
[0017] (d)采用步进电机调整被测物角度，控制方便，调整精度高。
[0018] (e)操作简便，通过图形化操作界面控制，可输入任意角度进行调整，控制精确。
[0019] (f)可拆卸，方便携带，位置和角度信息均可量化，克服了测量误差不可控的难题。
【专利附图】
【附图说明】：
[0020] 图1所示为多功能地物样品光谱全向测量系统框架图。
[0021] 图2所示为地物样品自转装置示意图。
[0022] 图3所示为探测器公转装置示意图。
[0023] 图4所示为实施方式一示意图。
[0024] 图5所示为实施方式二示意图。
[0025] 图6所示为实施方式三示意图。
[0026] 图7所示为实施方式四示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面，结合附图以及优选实施例详细描述本发明实施方式。
[0028] 图1所示为多功能地物样品光谱全向测量系统框架示意图。系统包括宽光谱太 阳模拟光源、电源系统、地物光谱仪、地物样品自转装置、探测器公转装置、远程控制系统。 其中，宽光谱太阳模拟光源由电源系统为其提供稳定的电流，经过光学准直后出射平行光， 地物光谱仪用于接收由地物样品表面反射回来的反射光，地物样品自转装置在远程控制系 统的控制下实现两维自由度旋转，探测器公转装置实现探测器水平面和俯仰角的旋转和伸 缩。
[0029] 图2所示为地物样品自转装置。包括水平旋转台，俯仰旋转台以及固定框。固定 框固定在俯仰旋转台上，通过控制两旋转台，实现角度控制。
[0030] 图3所示为探测器公转装置。包括水平导轨，子午导轨，距离调整装置，探测器探 头座，固定滑块组水平导轨为一个大的刻度圆盘，中间滚珠轴承用于圆盘旋转。水平导轨上 的子午导轨为一个带刻度半圆形支撑架，可随水平导轨旋转。距离调整装置通过固定滑块 组固定于半圆形支撑架上，探测器固定座用于固定探测器，保持探测的稳定。可控制距离调 整装置的伸缩，从而控制探测器于被探测物的距离。
[0031] 实施方式一：
[0032] 图4所示为实施方式一各部件位置示意图。在本实施例中，测量系统在室内或暗 环境下完成测量。光源置于支撑架上，电源系统放置于光源旁，探测器公转装置置于支撑平 台上，地物样品自转装置固定于公转装置中心，使公转装置绕其旋转，地物光谱仪置于支撑 平台下，电路控制箱和远程控制系统放于另一平台上，通过接口连线进行远程控制。
[0033] 电源接通后，自转装置的地物样品固定框架自动调整为坚直状态，上位机软件角 度信息初始化为0°。地物样品置于固定框架上，通过螺钉固定，切面朝外。光源发出的光 经过准直垂直于地物样品切面出射，通过控制光阑调节合适大小的出射光斑，同时调整电 源电流大小，以控制光斑强弱。当光斑照射在被测物上后，自转装置的两维自由度无论怎么 旋转，光斑都照射在被测物中心，可获得不同入射角的模拟自然光。通过设置控制软件水平 角和俯仰角来控制水平旋转台和俯仰旋转台的旋转，达到光束相对被测地物样品从不同角 度入射的目的，从而拥有不同的反射角，满足测量要求。角度控制可连续旋转至设定角度， 也可设定步进角，按照步进角旋转。此时地物样品的水平角和俯仰角可通过图形化界面读 出或者从旋转台刻度上读出。同时，旋转水平导轨，固定于距离调整装置的探测器相对地物 样品旋转，可在不同角度探测反射光。使距离调整装置固定或沿半圆形支撑架移动，距离调 整装置可相对被测物伸缩，调整不同的测量距离，多方位的调节，获得不同的入射天顶角、 探测天顶角和探测方位角等，实现以被测物为中心的上半球任意位置测量。
[0034] 本实例实施方式可减少外界环境因素的影响，配合自转装置和公转装置的精确控 制，克服了误差不可控的难题。
[0035] 实施方式二
[0036] 图5所示为实施方式二的示意图。在本实施例中，将宽光谱太阳模拟光源舍去，直 接应用太阳光照射在地物样品上。
[0037] 自转装置工作方式与实施方式一相同，通过远程控制系统控制地物样品的二维自 由度旋转，使阳光相对于地物样品从不同的角度入射，从而产生不同角度的反射光。公转装 置工作方式与实施方式一相同，在水平面和子午面旋转和伸缩，控制探测器探头从不同位 置接收反射光。同时，装置表面涂有抗反射材料，减少反射光对测量的干扰。
[0038] 本实例实施方式的优点在于不需要宽光谱太阳模拟光源配合，在室外即可应用。
[0039] 实施方式三：
[0040] 图6为实施方式三的示意图。
[0041] 在本例中，将本发明进行精简，使之适应于野外测量。野外测量过程当中有时会遇 到一些地物样品难以采集，此时探测器便由人手持探测，这样各项参数的误差变得不可控 制，同时野外探测机械装置应避免笨重，而应有很高的灵活性。
[0042] 在实施过程中，将本发明的二维旋转台稍作变形，即可实现野外精确测量。将二维 旋转台置于固定座上，原地物样品固定框用来固定一悬臂，悬臂上面固定探测器探头，悬臂 长短可伸缩，外部通过接口与远程控制系统相连接。电源接通后，与实施方式一相同，固定 框初始位置为坚直，悬臂的位置为水平，操作上位机软件，给水平旋转台和俯仰旋转台设定 不同的角度值即可控制悬臂的水平角和俯仰角，从而控制探测器探头的探测角度，此外，根 据距离不同，可以伸缩悬臂，改变探测距离。
[0043] 本实施方式考虑到野外某些特殊情形，舍去模拟光源和公转装置，利用野外自然 光作为光源，通过精确控制探测器对地物样品光谱进行测量，简便易携，此外，该实施方式 也可对其他物体进行光谱采集，实施方式与上述同。
[0044] 实施方式四：
[0045] 图7为实施方式四的示意图。
[0046] 本实施方式考虑到野外环境的多变性，在天空阴暗，阳光较弱或者夜晚时，实施方 式三便难以采集到准确的数据。此时，利用宽光谱太阳模拟光源，即可克服这个困难，使适 应性更强，应用范围更广。
[0047] 如图7将二维旋转台稍作变形，利用电源系统为光源供电，将准直后的光束照射 到待测物上，再按照实施方式三测量被测物即可。
[0048] 在上述四个具体实施中，光谱的测量涉及室内测量，室外测量，自然光条件下测量 以及宽光谱太阳模拟光源下测量，在不同的条件下，本发明根据使用可进行相应的变形。其 中，各个部件功能特点如下：
[0049] >地物样品自转装置：水平与俯仰两维自由度转台，自转俯仰角范围：-10°? 90°，水平角度范围：0°?360°，能够实时获得二维角度信息，精度达到0.Γ ;
[0050] >探测器公转装置：固定探测器和被测物自转装置，通过调节，实现探测器不同 入射天顶角、探测天顶角和探测方位角探测，公转角度范围为0°?90°，水平角度0°? 360°，能够实时获得二维角度信息，精度达到0.5°，测量距离范围：200mm?1000mm，精度 0. Imm ；
[0051] >宽光谱太阳模拟光源：光谱波段0. 4?2. 5 μ m，照射光斑可调，功率可调；
[0052] >地物光谱仪：采集地物样品光谱，携带方便、操作简单、速度快、可靠性高、软件 功能强大，适宜于地物样品光谱数据测量工作，省工、省时且高效。
[0053] 以上是对本发明所提供的用于地物样品光谱测量的系统进行的详细介绍，本文中 应用了具体实施例对本发明原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助 理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想， 在【具体实施方式】及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本 发明的限制，凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以 得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。
【权利要求】
1. 一种用于光谱测量的多功能地物样品光谱全向测量系统，包括宽光谱太阳模拟光 源，地物光谱仪，电源系统，地物样品自转装置，探测器公转装置以及远程控制系统，其特征 在于既可室内也可室外进行多自由度控制的光谱测量。
2. 根据权利要求1所述的用于光谱测量的多功能地物样品光谱全向测量系统，其特征 在于宽光谱太阳模拟光源由照明光源和光学准直部分组成。
3. 根据权利要求1所述的用于光谱测量的多功能地物样品光谱全向测量系统，其特征 在于电源系统为稳流可调电源。
4. 根据权利要求1所述的用于光谱测量的多功能地物样品光谱全向测量系统，其特征 在于地物样品自转装置由二维旋转台，旋转台控制电路，USB通讯电路，主控电路，电机控制 电源,上位机软件和下位机软件组成。
5. 根据权利要求1所述的用于光谱测量的多功能地物样品光谱全向测量系统，其特征 在于探测器公转装置由水平面旋转装置和子午面探测装置组成。
6. 根据权利要求1所述的用于光谱测量的多功能地物样品光谱全向测量系统，其特征 在于远程控制系统由上位机软件和工业电脑组成。
7. 根据权利要求2所述的宽光谱太阳模拟光源，其特征在于光源在足够宽的光谱上与 太阳光光谱近似，利用光学准直装置将光源光束准直，以模拟平行自然光照射。
8. 根据权利要求3所述的电源系统，其特征在于电压一定时，电流大小可进行调节并 稳定输出。
9. 根据权利要求4所述的地物样品自转装置，其特征在于： (1) .二维旋转台由水平旋转台和俯仰旋转台组成，将地物样品固定于旋转台上实现精 确控制，控制精度可达0.01°。 (2) .旋转台控制电路通过电机控制芯片控制，利用外部接口与旋转台相连，通过外部 远程控制系统发送指令控制旋转台工作。 (3) . USB通讯电路通过外部接口将整个控制电路与远程系统相连，用于传输远程控制 系统的控制指令给主控电路。 (4) .主控电路为以单片机为主的控制电路，一面接收远程控制系统发送的指令并进行 处理发送给电机控制电路，一面时时监测旋转台运转并时时传送给远程控制系统。 (5) .电机控制电源主要为电路进行供电，将市电转换为稳定的直流电压。 (6) .上位机软件为编写的图形化操作界面，用于远程控制，下位机软件用于主控电路 控制旋转台工作。
10. 根据权利要求5所述的探测器公转测量装置，其特征在于水平面旋转装置由环形 水平导轨和圆盘组成，子午面探测装置由子午导轨及伸缩装置组成。
11. 根据权利要求6所述的远程控制系统，其特征在于用工业电脑安装上位机软件，通 过接口连接外部控制电路即可实现控制。
12. 根据权利要求1、2、7所述的宽光谱太阳模拟光源，其光谱范围为200nm?2500nm， 功率大于l〇〇W，光学准直部分采用K9平凸透镜。
13. 根据权利要求1、4、9所述地物样品自转装置，可调俯仰角范围-10°?90°，水平 角0°?360°，精度达到0.01°。
14. 根据权利要求1、5、10所述探测器公转装置，测量距离范围为200mm?1000mm，精
【文档编号】G01N21/25GK104316468SQ201410546684
【公开日】2015年1月28日 申请日期:2014年10月16日 优先权日:2014年10月16日
【发明者】唐义, 朱庆炜, 崔璐, 张学斌, 南一冰 申请人:北京理工大学