基于旋转光谱仪的极地海冰多层位光谱辐射测量系统的制作方法

本发明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。

背景技术：

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，因此本发明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。

技术实现要素：

本发明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，本发明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相连后与光谱仪的输出端相连，电阻R39的另一端与三极管TR12的基极相连；三极管TR12的集电极和三极管TR11的基极相连后与电阻R33的一端相连；电阻R33的另一端和三极管TR11的发射极相连后与输入电源相连；三极管TR12的发射极、电容C39的另一端、电容C42的另一端、电容C40的另一端、电容C41的另一端、电容C35的另一端、电容C36的另一端、电容C28的另一端、电阻R38的另一端、电阻R35的另一端均接地；光谱仪输入插座SK3的电子光学通道输出端口和光谱仪的电子光学通道输出端口相连后与单片机芯片IC2的电子光学通道输入端口相连；光谱仪输入插座SK3的成像通道输出端口和光谱仪的成像通道输出端口相连后与电阻R30的一端相连；光谱仪输入插座SK3的参考电压输入端口和光谱仪的参考电压输入端口相连后与参考电压输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的增益通道输入端口和光谱仪的增益通道输入端口相连后与单片机芯片IC2的增益通道输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的信号测试通道输入端口和光谱仪的信号测试通道输入端口相连后与单片机芯片IC2的信号测试通道输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的时钟信号输入端口和光谱仪的时钟信号输入端口相连后与单片机芯片IC2的时钟信号输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的串行数据输入端口和光谱仪的串行数据输入端口相连后与单片机芯片IC2的串行数据输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的串行时钟输入端口和光谱仪的串行时钟输入端口相连后与单片机芯片IC2的串行时钟输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的电源输入端口和光谱仪的电源输入端口相连后与电容C37的一端相连接；光谱仪输入插座SK3的接地端口均接地；电容C37的另一端接地；电容C33一端和电容C34一端相连后与参考电压输入端口相连，电容C33的另一端和电容C34的另一端均接地；三极管TR13的集电极与光谱仪输入插座SK3的电源输入端口相连；三极管TR13的发射极和电阻R37一端相连后与电源相连；三极管TR13的基极和电阻R37的另一端相连后与电阻R32的一端相连；电阻R32的另一端与三极管TR10的集电极相连；三极管TR10的发射极接地；电阻R31的一端与三极管TR10的基极相连，另一端与单片机芯片IC2的光谱仪使能信号输出端口相连；放大芯片IC9的通道输入A正输入端口和电阻R30另一端相连；电阻R29的一端和放大芯片IC9的通道输入A负输入端口相连，电阻R29的另一端和放大芯片IC9的通道输出端口相连后与电阻R28一端相连；放大芯片IC9的通道增益端口和电容C32的一端相连后与参考电压输出端相连；电容C32的另一端接地；电阻R28的一端和电容C27的一端相连后与模数转换芯片IC8正输入端口相连；电容C27的另一端和放大芯片IC9的接地端口均接地；模数转换芯片IC8负输入端口和电容C30的一端相连后接地；模数转换芯片IC8参考电压输入端口和电容C30的另一端相连后与参考电压输出端口相连；模数转换芯片IC8工作电源输入端口和电源相连；模数转换芯片IC8模拟电源输入端口和电容C29的一端相连后与电源相连；模数转换芯片IC8数据输出端口和单片机芯片IC2的数据输入端口相连；模数转换芯片IC8数据输入端口和单片机芯片IC2的数据输出端口相连；模数转换芯片IC8时钟信号输入端口和单片机芯片IC2的时钟信号输出端口相连；模数转换芯片IC8使能信号输入端口和单片机芯片IC2的使能信号输出端口相连；模数转换芯片IC8接地端口与电容C29的另一端相连后接地。

进一步地，所述电源输出5V高电平。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)具有创新性的采用旋转光谱仪的方法实现光纤切换功能，较大程度上减少了所需光纤的长度，即减少了光信号的衰减，提高了光谱测量精度，且更值得注意的是，光纤不会因为频繁扭转导致疲劳破坏，提高了系统稳定性，同时还减少了所需安装的透镜个数，降低了成本；

(2)系统配置灵活，应用范围广。可以通过适当增加或减少外接光纤的数量来控制测量的层位数量；通过控制外接光纤的长度来控制每个层位的具体位置。同时，该系统可以实现空气、海冰以及冰下水体三种不同介质中多个层位光谱辐射的测量；

(3)采用锥齿轮传递动力，使整个系统结构紧凑，有利于减小对后期投放该系统浮标载体尺寸的要求。

(4)采用消色差双合透镜作为辐射信号耦合装置，使更多由光纤收集传输的辐射信号进入到光谱仪内部并提高信号的耦合程度，提高了光谱测量精度。

(5)采用温度校正算法取代现有的恒温加热方法，移除了加热元件，较大程度上减小了系统的功耗，提高了系统的连续工作能力。

附图说明

图1为本发明实施例的系统连接示意图；

图2为本发明实施例的内部传动结构示意图；

图3为本发明实施例的光谱仪固定装置结构示意图；

图4为本发明实施例的光纤接口/固定装置侧视图；

图5为本发明实施例的主控子系统结构示意图；

图6为本发明实施例的微处理器模块电路图；

图7为本发明实施例的数据存储模块电路图；

图8为本发明实施例的光谱仪控制模块的部分电路图；

图9为本发明实施例的光谱仪控制模块的其余部分电路图；

图10为本发明的工作流程图；

图11为本发明的实际投放应用示意图；

图中，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、密封舱10、旋转主轴601、主动锥齿轮602、从动锥齿轮603、联轴器604。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

如图1和图2所示，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；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。

如图4所示，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。

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。

如图2所示，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。

如图3所示，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。所述光谱仪固定块8具有配重功能，且其上所有孔的位置与大小均应根据卧式静平衡计算实验得出，保证辐射信号耦合装置1、光谱仪2和光谱仪固定块8装配之后整体的质心与旋转主轴的轴线重合，使得无论主旋转轴转动的角度多大，当主旋转轴静止时该部分都处于平衡状态。

如图5所示，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。

如图6所示，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(端口85)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(端口86)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中的其中5个控制信号输入IO端口(端口16、30、31、32、96)与数据存储模块的5个控制信号输入IO端口对应连接，使SD卡使能进行数据写入与读出工作；单片机芯片IC2中的另6个控制信号输入IO端口(端口15、45、46、65、66、67、68)与第二光谱仪控制模块的6个控制信号输入IO端口对应连接，用于对光谱仪使能，控制其何时进行工作以及数据传输；单片机芯片IC2的10个电源端口(端口14、24、34、44、74、64、54、83、4、94)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(端口3、13、23、33、43、53、63、73、84、93)均接地；所述单片机芯片IC2可以采用AVR公司ATxmega128A1型号的产品但不限于此；当所述单片机芯片IC2上电之后，晶振也得电起振，为所述芯片IC2提供时钟信号；同时所述芯片IC2上所标示的各个引脚将控制各个外部设备与芯片自身进行数据交换以及信号传输。

如图7所示，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由5个二极管组成，其第一通道(端口1)和SD卡数据输出端(端口7)相连后与单片机芯片IC2的数据输入端口相连，第二通道(端口3)和SD卡时钟信号输入端(端口5)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(端口4)和SD卡数据输入端(端口2)相连后与单片机芯片IC2的数据输出端口相连，第四通道(端口5)和SD卡片选端口(端口1)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(端口6)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(端口4)相连；非极性电容C31的另一端接地；三极管TR9的发射极与3.3V高电平相连；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(端口2)和SD卡的两只接地端口(端口3，6)均接地；所述选通控制芯片D2可选用ON Semiconductor公司，型号为SMF05C的产品，但不限于此；所述三极管TR9与电阻R27相连起到开关的作用；SD卡片选端口在接受单片机芯片IC2使能后SD卡才能进行数据传输；选通芯片D2起到控制各个通道闭合或开启的作用；在工作时，单片机芯片IC2将SD卡工作开关打开，并发出低电平使能片选端口，SD卡通过SPI通信方式与单片机芯片IC2进行数据传输。

如图8和图9所示，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(端口2)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(端口3)与电容C42一端相连；基准电压源芯片IC11的电压补偿端(端口7)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(端口8)相连；基准电压源芯片IC11的电压输出端(端口8)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(端口3)相连；放大芯片IC10A的通道增益端口(端口8)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(端口2)、电阻R34的一端以及放大芯片IC10A的通道输出端口(端口1)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(端口5)相连；放大芯片IC10B的通道输入B负输入端口(端口6)和放大芯片IC10B的输出端口相连后与2.5V高电平相连；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(端口4)以及基准电压源芯片IC11的接地端口(端口4)均接地；电阻R39的一端和电阻R38相连后与光谱仪2的输出端相连，电阻R39的另一端与三极管TR12的基极相连；三极管TR12的集电极和三极管TR11的基极相连后与电阻R33的一端相连；电阻R33的另一端和三极管TR11的发射极相连后与输入电源相连；三极管TR12的发射极、电容C39的另一端、电容C42的另一端、电容C40的另一端、电容C41的另一端、电容C35的另一端、电容C36的另一端、电容C28的另一端、电阻R38的另一端、电阻R35的另一端均接地；光谱仪输入插座SK3的电子光学通道输出端口(端口4)和光谱仪2的电子光学通道输出端口相连后与单片机的电子光学通道输入端口相连；光谱仪输入插座SK3的成像通道输出端口(端口7)和光谱仪的成像通道输出端口相连后与电阻R30的一端相连；光谱仪输入插座SK3的参考电压输入端口(端口10)和光谱仪2的参考电压输入端口相连后与参考电压输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的增益通道输入端口(端口12)和光谱仪的增益通道输入端口相连后与单片机的增益通道输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的信号测试通道输入端口(端口15)和光谱仪的信号测试通道输入端口相连后与单片机的信号测试通道输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的时钟信号输入端口(端口16)和光谱仪的时钟信号输入端口相连后与单片机的时钟信号输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的串行数据输入端口(端口17)和光谱仪的串行数据输入端口相连后与单片机的串行数据输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的串行时钟输入端口(端口18)和光谱仪的串行时钟输入端口相连后与单片机的串行时钟输出端口相连；光谱仪输入插座SK3的电源输入端口(端口20)和光谱仪的电源输入端口相连后与电容C37的一端相连接；光谱仪输入插座SK3的七只接地端口(端口5,6,8,9,13,14,19)均接地；电容C37的另一端接地；电容C33一端和电容C34一端相连后与参考电压输入端口相连，电容C33的另一端和电容C34的另一端均接地；三极管TR13的集电极与光谱仪输入插座SK3的电源输入端口(端口20)相连；三极管TR13的发射极和电阻R37一端相连后与3.3V高电平相连；三极管TR13的基极和电阻R37的另一端相连后与电阻R32的一端相连；电阻R32的另一端与三极管TR10的集电极相连；三极管TR10的发射极接地；电阻R31的一端与三极管TR10的基极相连，另一端与单片机芯片IC2的光谱仪使能信号输出端口相连；放大芯片IC9的通道输入A正输入端口(端口3)和电阻R30另一端相连；电阻R29的一端和放大芯片IC9的通道输入A负输入端口(端口4)相连，电阻R29的另一端和放大芯片IC9的通道输出端口(端口1)相连后与电阻R28一端相连；放大芯片IC9的通道增益端口(端口8)和电容C32的一端相连后与参考电压输出端相连；电容C32的另一端接地；电阻R28的一端和电容C27的一端相连后与模数转换芯片IC8正输入端口(端口3)相连；电容C27的另一端和放大芯片IC9的接地端口(端口2)均接地；模数转换芯片IC8负输入端口(端口4)和电容C30的一端相连后接地；模数转换芯片IC8参考电压输入端口(端口1)和电容C30的另一端相连后与参考电压输出端口相连；模数转换芯片IC8工作电源输入端口(端口2)和2.5V高电平相连；模数转换芯片IC8模拟电源输入端口(端口10)和电容C29的一端相连后与3.3V高电平相连；模数转换芯片IC8数据输出端口(端口6)和单片机数据输入端口相连；模数转换芯片IC8数据输入端口(端口7)和单片机芯片IC2的数据输出端口相连；模数转换芯片IC8时钟信号输入端口(端口8)和单片机芯片IC2的时钟信号输出端口相连；模数转换芯片IC8使能信号输入端口(端口8)和单片机芯片IC2的使能信号输出端口相连；模数转换芯片IC8接地端口与电容C29的另一端相连后接地。所述基准电压源芯片IC11可以采用Analog Devices公司ADR435B型号的产品，但不限于此；所述模数转换芯片IC8可以采用Analog Devices公司AD7988-5型号的产品，但不限于此；所述TR11，TR12与R33，R39，C39分别相连起到控制后续芯片IC11，IC10开关的作用；所述TR13，TR10分别与R31，R32，R37相连起到控制光谱仪开关的作用；在工作时，单片机打开芯片IC11和光谱仪开关，基准电压芯片IC11和放大芯片IC10得电，并通过其内部电路输出标准电压REF5V，以及标准电压2.5V，并将这两者电压输入AD转换芯片IC8，所述光谱仪在收集到外部数据后将这些数据以模拟信号的形式输入到信号增益芯片IC9中，在经过信号增益后通过AD转换芯片IC8进行模数转换，产生数字信号，并通过I2C通信串口将信号传输到单片机芯片IC2处。

所述光电编码器5每转动一周产生360个脉冲，且经过正交编码后脉冲数量增至4倍，共有1440个。

所述电源为标准18-24V直流电源，只用于为主控子系统4进行直接供电。系统所使用的光纤均采用1mm的塑料光纤；系统所使用的光纤接口均采用标准SMA905光纤接口。

本发明的工作过程如下：

如图10所示，将外部12根光纤与光纤接口/固定装置9上开有12个标准光纤接口相连；进行测量时，在主控子系统4的控制下，伺服电机7进行反转，带动机械传动装置6转动使得光电编码器5从初始位置开始寻找零位；当光电编码器5到达零位后，主控子系统4控制下伺服电机7正转，带动机械传动装置6和光谱仪固定块8转动，直到光谱仪2恰好指向第一根外部光纤时停止，此时外部光信号经由辐射信号耦合装置1聚焦于光谱仪2入口光纤的端面圆心处，经由光纤传输进入光谱仪2内部进行测量；当光谱仪2测量完成后，数据通过数据线传输到主控子系统4的SD卡中进行存储；在第一次测量完成之后，伺服电机7继续正转30度，光谱仪2指向下一根外部光纤，光谱仪2测量辐射信号，主控子系统4将测量结果存储到SD卡中，直到12根外部光纤全部被测量完成；最后在主控子系统4的控制下，伺服电机7进行反转，带动机械传动装置6进行转动使得光电编码器5回到初始位置，此次测量结束，所述测量系统进入低功耗模式并等待下一次测量指令。

如图11所示，为所述系统布放及测量示意图，轻质硬杆搭载由12个光纤探头所组成的光纤探头链放入预先打通的直径5cm冰孔中，随着时间的推移，冰孔将会逐渐重新冻结，从而使光纤探头收集到固态冰中的辐射信号；同时，为了使光谱仪、控制电路等关键零部件及装置免受污染和外部破坏，均将其放置在一个密封舱体内，即使在冰雪完全融化的情况下，该舱体也能提供足够的浮力使其漂浮在水面上，以便于卫星信号的收发以及可能的系统回收。

虽然本说明书通过具体的实施例详细描述了本发明使用的参数，结构及其光谱测量方法，但是本领域的技术人员将清楚的是，随着技术的发展，本发明的实现方式不限于实施例的描述范围，在不脱离本发明实质和精神范围内，可以对本发明进行各种修改和替换，因此，本发明的保护范围视权利要求范围所界定。