本发明涉及光谱测量技术领域，具体涉及一种海底底质反射率测量装置及测量方法。
背景技术：
太阳光入射到海水界面时，其中一部分太阳光直接被海水表面反射到空气中，另外一部分太阳光进入到海水中。由于海水一般由纯海水、浮游植物、悬浮泥沙以及有色溶解有机物等组分组成，进入到海水中的太阳光经过海水的吸收和散射，一部分散射光穿透海气界面，携带着海水组分的信息穿过大气被相关卫星所接收。因此，研究卫星的光学信号，可以反演出海水组分的信息，获得海洋的相关信息。
然而，对于近岸水体，由于海水较浅，太阳光穿透海水到达海水底层，被海水底层的泥沙、海草和珊瑚等反射进入到海水中，这部分的光信息夹杂于海水的光信号中，被卫星所接收，从而影响到海水组分的反演，因此，需要先测量出海底底质的反射率，再剔除海底底质反射率从而获得海水中的杂质信号。同时，在研究海洋生物时，例如海底的海草、珊瑚等，在其生长过程中，具有特殊的光谱特性，通过研究海底物质光谱特性，有助于帮助人类对底质物质的识别、海草和珊瑚生长周期的判断以及健康状况的诊断等。
目前，普遍采用水下光谱测量仪来测量海底底质的反射率，图3示出了一种水下光谱测量仪，包括白板200、第一光谱探头110和第二光谱探头210。其中，白板200的反射率为已知的，第一光谱探头110用于采集待测物质100的光谱数据，第二光谱探头210用于采集白板200的光谱数据，待测物质100与第一光谱探头110的距离等于白板200与第二光谱探头210的距离。根据第一光谱探头110和第二光谱探头210的光谱数据，计算出待测物质100反射率的过程是：
dn1表示第一光谱探头110采集到的待测物质100的反射光线所对应的待测光谱数据，dn2表示第二光谱探头210采集到的白板200的反射光线所对应的标准光谱数据，通常，波长范围为400～700nm，可以表示为式(a)：
其中，f为太阳的入射光强度，由于白板200与待测物质100的深度、角度和所处环境均相同，所以对应于待测物质100和白板200的入射光强度相同，均为f；r未为待测物质100的待测反射率，是未知的；r已为白板200的反射率，是已知的；由式(a)可以得出r未和r已的关系，表示为式(b)：
由式(b)可以求得待测反射率r未＝(dn1×r已)/dn2，获知该反射率可以进行后续的水体分析。
上述水下光谱测量仪虽然可以测量海底底质的反射率，但是由于其采用2个光谱探头，一方面，光谱探头价格高，导致整套装置的成本高，同时发生故障的几率也会成倍增加；另一方面，2个光谱探头采集的光谱数据会存在差异，即使是通过标定可以修正，但是在长期野外工作过程中，光学设备的衰减以及温度影响存在个体体质的差异，导致dn1和dn2各自测量精度的漂移，进而导致r未的计算产生误差，影响到反射率的测量精度。
另外，水下光谱测量仪的光学探头及作为参照的白板可能需浸泡在海水中几天甚至一年来进行长时间系列的测量，而长时间浸泡在海水中容易受到水中的生物、有机物(如油类)和无机物(如泥沙)的污染，而光辐射测量对这种污染十分敏感，各个窗口受污染后的测量误差也不尽相同。综上所述，双探头的测量在设备费用上和精度上还是具有其自身的局限性。
技术实现要素：
本发明的目的在于弥补现有技术的不足，提供一种海底底质反射率测量装置及测量方法，只通过一个光谱探头就可实现对海底底质反射率的测量。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种海底底质反射率测量装置，包括光谱探头、第一白板、第二白板、测距仪和转轴；
第一白板和第二白板的反射率已知，第一白板和第二白板以沿转轴轴向具有间距、且沿转轴径向相互错开的方式连接在转轴上；
光谱探头用于获取第一白板、第二白板和海底底质的光谱数据；
测距仪用于获取光谱探头与海底底质之间的间距数据；
转轴用于带动第一白板和第二白板转动，使得第一白板、第二白板依次处于光谱探头的正前方。
作为本发明的一种改进，还包括连接在转轴上的活动刷，活动刷、第一白板和第二白板沿转轴径向相互错开，活动刷在转轴的带动下反复揩拭光谱探头。通过活动刷揩拭光谱探头，可以防止因长时间浸泡在海水中受到水中的生物、有机物和无机物的污染。
作为本发明的一种改进，还包括设置在转轴旁侧的第一固定刷和第二固定刷，第一白板在在转轴的带动下，使得其反射面被第一固定刷反复揩拭，第二白板在在转轴的带动下，使得其反射面被第二固定刷反复揩拭。通过固定刷揩拭白板的反射面，可以防止因长时间浸泡在海水中受到水中的生物、有机物和无机物的污染。
作为本发明的一种改进，所述第一白板和第二白板均通过关节轴承与转轴转动连接。如此设计，第一白板和第二白板的角度可万向调节，使得第一白板、第二白板和海底底质的太阳光入射角一致。
作为本发明的一种改进，还包括底座、l型支架和驱动电机，所述光谱探头和测距仪安装在底座上表面，驱动电机安装在底座下表面，l型支架的上端与转轴的顶端转动连接，下端固定在底座上，转轴的底端穿过底座与驱动电机的输出轴连接，所述第一固定刷和第二固定刷间隔固定在l型支架上。
一种基于权利要求1所述的海底底质反射率测量装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1：转动转轴使得第一白板正对光谱探头，通过光谱探头获取第一白板的光谱数据n1；
步骤2：转动转轴使得第二白板正对光谱探头，通过光谱探头获取第二白板的光谱数据n2；
步骤3：转动转轴使得第一白板和第二白板偏离光谱探头，通过光谱探头获取海底底质的光谱数据n3，通过测距仪获取光谱探头与海底底质的间距数据；
步骤4：通过如下方程组计算海底底质的反射率r3：
其中，r1为第一白板的反射率，r2为第二白板的反射率，l2为第一白板与第二白板的间距，l3为第二白板与海底底质的间距，k为海水的光衰减系数。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明的海底底质反射率测量装置，通过反射率已知、且与光谱探头间距不同的第一白板和第二白板估算出海水的光衰减系数，结合海底底质的距离，反演出海底地质的反射率，整台装置只采用一个光谱探头就可实现对海底地质反射率的测量，制造和运行成本低。
附图说明
图1是本发明测量装置的正视图；
图2是本发明测量装置的俯视图；
图3是现有水下光谱测量仪的示意图；
附图标记说明：1-光谱探头；2-第一白板；3-第二白板；4-测距仪；5-转轴；6-活动刷；7-第一固定刷；8-第二固定刷；9-底座；10-支架；11-驱动电机；12-海底底质。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例：
如图1和2所示，一种海底底质反射率测量装置，包括光谱探头1、第一白板2、第二白板3、测距仪4、转轴5、活动刷6、第一固定刷7、第二固定刷8、底座9、l型支架10和驱动电机11。至于装置的其他部件，如：光谱分析仪、处理器、显示器、电源、密封部件、深度探头及摄像头，均可以根据实际需要进行布置，其均为常规技术，在此不再赘述。
底座9作为本测量装置的承载平台，光谱探头1和测距仪4安装在底座9的上表面，测距仪4固定在光谱探头1或底座9上均可，驱动电机11安装在底座9的下表面，l型支架10的上端与转轴5的顶端通过轴承转动连接，下端固定在底座9的上表面，转轴5的底端穿过底座9中部与驱动电机11的输出轴连接，转轴5与底座9之间同样设置有轴承。l型支架10和转轴5构成的平面，与光谱探头1和转轴5构成的平面的夹角可为90°～180°。第一固定刷7和第二固定刷8上下间隔地固定在l型支架10上，第一固定刷7的刷面朝上，与第一白板2的反射面高度相匹配，第二固定刷8的刷面也朝上，与第二白板3的反射面高度相匹配。
第一白板2和第二白板3的反射率已知，第一白板2、第二白板3和活动刷6均通过连接杆固定在转轴5上，具体固定方式可采用套筒和螺钉的方式，也可采用其他的现有方式，只要能够沿转轴5上下可调，且沿转轴5周向转动可调即可。为了使第一白板2、第二白板3和海底底质12的太阳光入射角一致，第一白板2和第二白板3均通过关节轴承与连接杆转动连接，当然也可以采用现有的自动控制装置，根据海底底质12的斜度，自动调节第一白板2和第二白板3的偏转角度。活动刷6、第一白板2和第二白板3从上往下间隔布置，活动刷6的刷面朝下，高度与光谱探头1相匹配，第一白板2和第二白板3的间距可根据设计要求调节。在转轴5的径向平面上，第一白板2、第二白板3和活动刷6相互错开，本实施例中，第一白板2与第二白板3和活动刷6均为90°，当然第一白板2、第二白板3和活动刷6也可以相互成120°。
其中，第一白板2、第二白板3、活动刷6、第一固定刷7和第二固定刷8的固定部件均采用铜质的金属件，因为铜离子有毒，生物不容易附着和生长。
光谱探头1用于获取第一白板2、第二白板3和海底底质12的光谱数据。测距仪4用于获取光谱探头1与海底底质12之间的间距数据，本实施例中，测距仪4的发射头与光谱探头1对齐，可测出光谱探头1与海底底质12之间的距离，而第一白板2、第二白板3与光谱探头1的间距是已知的，减去已知的第二白板3与光谱探头1的间距，即是第二白板3与海底底质12之间的间距。转轴5在驱动电机11的驱动下转动，从而带动第一白板2和第二白板3转动，使得第一白板2、第二白板3依次处于光谱探头1的正前方，同时，还可带动活动刷反复揩拭光谱探头1，还可使第一白板2的反射面被第一固定刷7反复揩拭，第二白板3的反射面被第二固定刷反复揩拭。通过活动刷和固定刷揩拭光谱探头1、第一白板2和第二白板3，可以防止其因长时间浸泡在海水中受到水中的生物、有机物和无机物的污染。
本发明的海底底质反射率测量装置，由于一次的测量时间较短，在整个测量过程中，太阳的入射角和辐照强度均保持不变，因此，入射到第一白板2、第二白板3和海底底质12的入射辐照度只与海水的光衰减系数相关，其具体的测量方法如下：
步骤1：转动转轴5使得第一白板2正对光谱探头1，通过光谱探头1获取第一白板2的光谱数据n1；
步骤2：转动转轴5使得第二白板3正对光谱探头1，通过光谱探头1获取第二白板3的光谱数据n2；
步骤3：转动转轴5使得第一白板2和第二白板3偏离光谱探头1，通过光谱探头1获取海底底质12的光谱数据n3，通过测距仪4获取光谱探头1与海底底质12的间距数据；
步骤4：通过如下方程组计算海底底质12的反射率r3：
其中，r1为第一白板2的反射率，r2为第二白板3的反射率，l2为第一白板2与第二白板3的间距，l3为第二白板3与海底底质12的间距，k为海水的光衰减系数。
具体地，上述公式的推导过程如下：
定义光谱探头1的光学探头处的太阳入射辐照度为e，光经过海水时，一部分被吸收，另外一部分偏离原传播方向被散射，吸收和散射的共同作用造成了光的衰减，定义光谱探头1光学探头与第一白板2的间距为l1，那么第一白板2的太阳入射辐照度e1、第二白板3的太阳入射辐照度e2、以及海底底质12的太阳入射辐照度e3可表示如下：
以第一白板2为例，太阳入射辐照度e经过l1路程的衰减变成e1，然后又经过l1路程的衰减变成e1＇被光谱探头1的光学探头接受，辐射能量在反射率为r的白板上反射后，在白板位置所对应的亮度为n1＇，根据e1＇＝n1＇π/r，n1＇进过相同的路程l1衰减后被光谱探头所接收得到n1；因此，第一白板2的光谱数据n1、第一白板2的光谱数据n2、以及海底底质12的光谱数据n3可表示如下：
对方程组(4)进行计算，消除e和l1后，得到用来计算海底底质12反射率r3的计算公式。
本发明的海底底质反射率测量装置，只采用一个光谱探头就可实现对海底地质反射率的测量，制作成本低，降低了装置发生故障的几率，运行成本低，很好地解决了因光谱探头差异性导致的测量偏差的问题。
上述实施例只是为了说明本发明的技术构思及特点，其目的是在于让本领域内的普通技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是根据本发明内容的实质所做出的等效的变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。