一种水体表观光谱二向性自动测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于遥感技术领域，具体设及一种水体表观光谱二向性自动测量装置及方 法。
【背景技术】
[0002] 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W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。
[0003] 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。
【发明内容】
[0004] 为了解决现有技术中的该一难题，本发明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。
[0005] 本发明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=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=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 获取实验地点的经绅度信息；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 一方位上的水体福亮度、天空光福亮度和下行福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。
[0006] 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。
[0007] 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。
[000引作为优选，所述的控制单元为处理器和外围电路构成的单板计算机。
[0009] 作为优选，所述的方位跟踪单元为一=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。
[0010] 作为优选，所述的每套光谱仪传感器组由=个光谱仪传感器组成，分别是2个福 亮度传感器和1个福照度传感器。
[0011] 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个福亮度传感器支撑臂和1个福照度传感器支撑臂；所述的福亮度传感器 支撑臂用于固定2个福亮度传感器与水面法线成预设夹角分别指向天空和水面；福照度传 感器支撑臂用于固定福照度传感器垂直指向天空。
[0012] 本发明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W下步骤：
[001引步骤1;安装部署；
[0014] 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；
[0015] 步骤2;位置信息输入；
[0016] 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；
[0017] 步骤3 ;实时时间信息输入；
[001引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；
[0019] 步骤4 ;太阳方位角计算；
[0020] 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丫的输入参数，计算太阳方位角丫 的公式如下：
[0021] A=cos-iL(sin/i*sin與一si'n5)/(cos/i*cos^W;
[0022] 其中，]1为太阳高度角，^^为观测地点的地理绅度，5为太阳赤绅角，观测地点午前 太阳方位角丫为360° -A，午后太阳方位角丫为A;
[002引步骤5 ;观测几何自动调整；
[0024] 安装在所述的方位跟踪单元上的=轴电子罗盘传感器，分别获取到X、Y、Z=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:
[002引B=tan-i(Y/X)*(180。/31)+180。；
[0026] 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；
[0027] 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丫进行比较，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；
[002引步骤6 ;多角度光谱采集；
[0029] 所述的总控系统通过所述的第=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福亮度、天空光福亮度及下 行福照度光谱数据。
[0030] 本发明可W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。
【附图说明】
[0031] 图1 ;为本发明实施例的装置原理示意图；
[0032] 图2 ;为本发明实施例的装置整体结构示意图；
[0033] 图3 ;为本发明实施例的多角度光学测量系统的结构示意图；
[0034] 图4 ;为本发明实施例的观测几何自动调整系统的内部结构示意图；
[0035] 图5 ;为本发明实施例的观测几何自动调整系统的旋转驱动单元结构示意图；
[0036] 图6 ;为本发明实施例的方法流程图；
[0037] 图中；1-总控系统，11-控制电路板，111-数据存储卡，121-第一封盖，122-第一 壳体，1211-电源接口，1212-第一通讯接口，1213-第二通讯接口，1214-第S通讯接口， 2-观测几何自动调整系统，21-控制单元，221-电机驱动板，222-步进电机，2231-转动 蜗轮，2232-从动蜗轮，2233-传动带，224-电机固定板，23-方位跟踪单元，2