一种海洋大气光学参数的测量方法及设备与流程

本发明涉及光学检测技术领域，具体而言，涉及一种海洋大气光学参数的测量方法及设备。

背景技术

在现实生活中，气溶胶分布存在很大的时空变化，尤其是在近海，气溶胶中包涵的物质非常复杂，从而影响了水色遥感数据的测量。在现实生活中，气溶胶中存在的气溶胶粒子会对太阳辐射产生影响，从而影响水色遥感数据的测量，进而降低了测量的准确性。

然而在实际中，针对上述的气溶胶的现场观测，通常依赖于观测人员使用手持式太阳光度计伴随航次进行观测，或者通过气溶胶观测站点的进行观测数据的积累，这就使得气溶胶的测量存在很强的限制性。

技术实现要素：

鉴于上述问题，本发明提供了一种海洋大气光学参数的测量方法及设备，能够随时、简单以及准确地获取大气光学参数，使得在检测的时候，可以去除大气(气溶胶)对水色遥感数据测量的影响，从而提高了测量的准确性，降低了测量的限制性，进而能够提高对水环境的监控效果。

同时，该测量方法还可以用于海上气溶胶光学厚度的走航自动观测，从而更好地矫正当前海洋水色遥感数据，进而充分发挥航运网络的优势；另外获取大空间覆盖且连续的观测数据，对于海洋环境监测、环境保护、尤其是突发环境事件的预警及后续监管等具有重要的应用价值。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：

第一方面，本发明提供了一种海洋大气光学参数的测量方法，包括：

获取太阳光进入大气层时的第一辐亮度；

调整大气光学探头的朝向，以使所述大气光学探头的中心对准太阳；

控制所述大气光学探头获取第二辐亮度；

以所述第一辐亮度和所述第二辐亮度为依据，计算大气光学参数。

作为一种可选的实施方式，所述调整大气光学探头的朝向，以使所述大气光学探头的中心对准太阳，包括：

获取大气光学探头当前的角度信息、位置信息和时间信息；

以所述角度信息、所述位置信息和所述时间信息为依据，计算得到第一调整方案；

以所述第一调整方案为依据调整所述大气光学探头的朝向，以使所述大气光学探头的中心对准太阳。

作为一种可选的实施方式，所述以所述第一调整方案为依据调整所述大气光学探头的朝向，以使所述大气光学探头的中心对准太阳，包括：

以所述第一调整方案为依据调整所述大气光学探头的朝向；

通过所述大气光学探头内置的四象限光电探测器，计算得到第二调整方案；

以所述第二调整方案为依据调整所述大气光学探头的朝向，以使所述大气光学探头的中心对准太阳。

作为一种可选的实施方式，所述通过所述大气光学探头内置的四象限光电探测器，计算得到第二调整方案，包括：

通过所述大气光学探头内置的四象限光电探测器，得到太阳位置；

以所述太阳位置和所述四象限光电探测器中心位置为依据，计算出待调天顶角和待调方位角；

组合所述待调天顶角和所述待调方位角，得到第二调整方案。

作为一种可选的实施方式，在以所述第一辐亮度和所述第二辐亮度为依据，计算大气光学参数之后，所述方法还包括：

控制摄像头拍摄，得到拍摄图片；其中，所述摄像头与所述大气光学探头的相对位置固定且视场相同；

判断所述拍摄图片中是否包括所述太阳的图像；

若所述拍摄图片中包括所述太阳的图像，则存储至少包括所述大气光学参数的光学信息。

作为一种可选的实施方式，所述方法还包括：

若所述拍摄图片中不包括所述太阳的图像，则执行所述调整大气光学探头的朝向，以使所述大气光学探头的中心对准太阳。

第二方面，本发明提供了一种海洋大气光学参数的测量设备，包括：

获取单元，用于获取太阳光进入大气层时的第一辐亮度；

调整单元，用于调整大气光学探头的朝向，以使所述大气光学探头的中心对准太阳；

控制单元，用于控制所述大气光学探头获取第二辐亮度；

计算单元，用于以所述第一辐亮度和所述第二辐亮度为依据，计算大气光学参数。

作为一种可选的实施方式，所述调整单元包括：

粗调子单元，用于粗调整所述大气光学探头的朝向，以使所述大气光学探头的视场中包括太阳；

精调子单元，用于精调整所述大气光学探头的朝向，以使所述大气光学探头的中心对准所述太阳。

第三方面，本发明提供了一种计算机设备，包括存储器以及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述计算机设备执行上述的测量方法。

第四方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，其存储有上述计算机设备中所使用的计算机程序。

根据本发明提供的测量方法、设备、计算机设备和计算机可读存储介质，可以在海洋大气光学参数的测量设备处于海面上时，获取太阳光进入大气层的第一辐亮度，并且获取太阳光直射的第二辐亮度，在获取到上述第一辐亮度和第二辐亮度之后，根据第一辐亮度和第二辐亮度进行大气光学参数的计算，最终得到该大气光学参数；其中，该大气光学参数代表大气对太阳光的损耗。可见，实施本发明的技术方案能够提高在计算水环境信息的时候消去大气对太阳光的影响，从而提高了遥感反演水环境的精度，进而提高水环境的监控效果。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对本发明范围的限定。

图1是本发明实施例一提供的海洋大气光学参数的测量方法的流程示意图；

图2是本发明实施例二提供的海洋大气光学参数的测量方法的流程示意图；

图3是本发明实施例三提供的海洋大气光学参数的测量设备的结构示意图；

图4是本发明实施例三提供的海洋大气光学参数的设备的另一结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

针对现有技术中的问题，本发明提供了一种海洋大气光学参数的测量方法、设备、计算机设备和计算机可读存储介质；根据测量得到的第二辐亮度和已知的第一辐亮度，计算出大气光学参数。可见，实施本发明的技术方案能够通过计算得到的大气光学参数，排除大气对测量的影响，从而提高水环境信息计算的准确性，进而提高水环境的监控效果。并且，该技术可以采用相关的软件或硬件实现，下面通过实施例进行描述。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

实施例1

请参阅图1，图1是本实施例提供的一种海洋大气光学参数的测量方法的流程示意图。如图1所示，该测量方法包括以下步骤：

s101、获取太阳光进入大气层时的第一辐亮度。

本实施例中，第一辐亮度为公知的辐亮度参数，因此可以直接获取到，对此本实施例中不再多加赘述。

本实施例中，执行装置可以为大气光学探头，也可以为控制终端(如手机、电脑)，也可以为中心控制平台，对此本实施例中不作任何限定。

本实施例中，获取第一辐亮度的方法可以包括在网络上进行下载，还可以包括在数据中进行提取，还可以包括根据物理量进行推算，对此本实施例中不作限定。

本实施例中，第一辐亮度为太阳光进入大气层前，也就是太阳光未收到大气层对光的散射和吸收作用前的辐射照度。该第一辐亮度的大小是固定的，是公知可查的辐亮度参数，对此本发明实施例中不作赘述，并且本发明实施例中对第一辐亮度的获取可以为从网络中进行获取，或者是从测量设备内置的存储器中获取。举例来说，近地卫星上的光学传感器获取到的辐亮度即为第一辐亮度。

本实施例中，第一辐亮度也可以通过大气光学探头获取得到初始辐亮度，并对初始辐亮度进行计算处理得到的。

s102、调整大气光学探头的朝向，以使大气光学探头的中心对准太阳。

作为一种可选的实施方式，通过机械结构控制大气光学探头，以使大气光学探头的中心对准太阳。

实施这种实施方式，可以简单、快速、可靠地控制大气光学探头使得大气光学探头的中心可以对准太阳。

s103、控制大气光学探头获取第二辐亮度。

本实施例中，在太阳在大气光学探头的中心时，判定太阳辐射方式为直射，因此，在此时获取第二辐亮度。

本实施例中，大气光学探头为获取光辐亮度的专用传感器。

本实施例中，该大气光学探头能够获取测量位置处的第二辐亮度，大气光学探头可以根据照射在光学探头探测面上的太阳光辐射能量及其探测面的面积，自动计算出太阳光在单位时间内投射到探测面单位面积上的辐射能量，即为第二辐亮度。

本实施例中，光学探头的朝向为正对太阳的方向，用于测量太阳光直射时探测面单位面积上的辐射能量。

本实施例中，可以使用三个光学探头在测量位置处同时采集三个辐亮度数据，最后对该三个数据进行平均计算得到该三个数据的均值，作为测量位置处的第二辐亮度，能够减小由于测量方位的问题导致的误差，有效提高测量精度。其中，上述的测量位置处为允许测量，且误差在允许范围的一部分用于测量的空间，可以不单独指代光学探头所在的位置。

在本实施例中，三个辐亮度数据可以为一个光学探头在短时间内获取到的三个辐亮度数据。

s104、以第一辐亮度和第二辐亮度为依据，计算大气光学参数。

本实施例中，根据预设的计算公式，可以计算出大气光学参数，其中，具体原理是通过辐亮度的减少量为依据，计算大气对太阳光的作用，该作用的体现即为大气光学参数。

本实施例中，大气光学参数可以为第一辐亮度和第二辐亮度的差值乘以预设系数得到的值。

本实施例中，大气光学参数可以包括气溶胶光学厚度、臭氧以及水汽柱等多种大气参数，对此本实施例中不作限定。

本实施例中，气溶胶光学厚度(aerosolopticaldepth，aod)，为介质的消光系数在垂直方向上的积分，是描述气溶胶对光的削减作用的。是气溶胶最重要的参数之一，表征大气浑浊程度的关键的物理量，也是确定气溶胶气候效应的重要因素。通常高的aod值预示着气溶胶纵向积累的增长，因此导致了大气能见度的降低。

作为一种可选的实施方式，在获取太阳光进入大气层时的第一辐亮度之前，获取遥感反射比；其中，遥感反射比是水面反射辐亮度与水面入射辐亮度的比值。

本实施例中，遥感反射比为含带水体信息的反射辐亮度与入射辐亮度之间的比值，可以认为是水体信息的有效程度，该反射辐亮度为水体反射辐亮度，并非水面反射辐亮度，其中水体反射辐亮度包含水体信息，而水面反射辐亮度不包含水体信息。

在本实施例中，遥感反射比可以根据天空辐亮度、海面辐亮度以及入射辐亮度计算得到的数值。其中，天空辐亮度、海面辐亮度以及入射辐亮度可以为多个光学探头探测获取到的参数。另一方面，遥感反射比还可以为内置传感器和算法芯片的计算装置在采集到天空辐亮度、海面辐亮度以及入射辐亮度之后，计算得到的数值。

本实施例中，在获取海面辐亮度之外，还可以获取水体反射出的光参数信息，该光参数信息包括光的波长与频段，同时，还可以根据光参数信息判断出水体中存在的生物信息，从而进行更进一步的分析。

本发明实施中，遥感反射比为含带水体信息的反射辐亮度与入射辐亮度之间的比值，大气光学参数为用于订正上述遥感反射比的参数，通过两者的组合计算，可以得到基本没有大气干扰情况下的遥感现场信息。

本实施例中，当只使用一个大气光学探头(辐亮度探头)的时候，可以通过陀螺角度仪和经纬度调整装置调整上述大气光学探头以获得所需要的数据；同时，为了使大气光学探头精准对准太阳，本实施例中给探头配备了一个四象限传感器(用于微调大气光学探头)，和一个摄像头(用于后期数据判别和了解太阳周围云的情况)。从而使得大气光学探头获取到准确可用的数据。

本实施例中，使用上述的测量方法可以简单、快速以及准确地获取到大气光学参数，从而使得相应的检测设备可以安装在如调查船、商船等移动观测平台等的任意位置，进而减少了传统大气光学参数检测的空间限制与时间限制。

在图1所描述的方法中，预先获取太阳光入射大气层的第一辐亮度，并调整大气光学探头的朝向，使得大气光学探头可以对准太阳，并在大气光学探头对准太阳的时候获取第二辐亮度，该第二辐亮度为当前位置的辐亮度，通过第一辐亮度和第二辐亮度可以计算得到大气光学参数。实施这种实施方式，可以通过大气光学参数避免水环境信息测量中大气对太阳光的干扰，从而提高水环境信息获取的准确程度，进而提高水环境的监控效果。

实施例2

请参阅图2，图2是本实施例提供的测量方法的流程示意图。如图2所示，该测量方法包括以下步骤：

s201、获取太阳光进入大气层时的第一辐亮度。

作为一种可选的实施方式，在获取太阳光进入大气层时的第一辐亮度之后，该测量方法还可以包括：

通过内置的电子平衡仪测量测量设备的平衡参数，根据平衡参数判断测量设备是否处于平衡状态，若处于平衡状态，则执行后续步骤。

实施这种实施方式，可以检测出测量设备的平衡状态，从而确定出测量设备是否处于抖动状态，并在非抖动状态的时候执行后续获取光学数据的步骤。这样可以在测量设备稳定的时候进行光学数据的获取，避免抖动带来的误差，提高测量的准确程度。

s202、获取大气光学探头当前的角度信息、位置信息和时间信息。

本实施例中，位置信息可以通过大气光学探头中设置有gps模块进行获取，时间信息可以通过大气光学探头中设置的时钟模块进行获取，上述时间信息也可以通过gps模块进行获取；在获取到上述位置信息和上述时间信息时，可以根据上述位置信息和上述时间信息调整大气光学探头的朝向，使得大气光学探头朝向太阳。

本实施例中，角度信息包括大气光学探头的天顶角和方位角，该天顶角和方位角由大气光学探头中设置的角度仪进行采集。

s203、以角度信息、位置信息以及时间信息为依据，计算得到第一调整方案。

实施这种实施方式，大气光学探头可以根据gps信息和时间信息调整大气光学探头的朝向，提高了测量设备的自动化程度；并且光学探头可以根据内置时钟获取当前时间，并根据gps获取当前的位置信息(当前经纬度信息)，并以当前时间和当前经纬度信息计算出当前时间和当前经纬度处的太阳光的方位角，再将测量设备上的光学探头调整到预定位置，当该光学探头调整到预定位置处的时候，其探测面正对太阳光，能够有效提升光学探头的测量效率以及测量精度，减小误差。

s204、以第一调整方案为依据调整大气光学探头的朝向。

本实施例中，第一调整方案用于调整大气光学探头朝向太阳，不必正对太阳，该步骤即为粗调。

作为一种可选的实施方式，在以第一调整方案为依据调整大气光学探头的朝向之后，该方法还包括：

控制大气光学探头小角度扫射。

实施这种实施方式，大气光学探头可以在载体与到波浪或者晃动的时候快速对准太阳，从而获取准确的大气光学参数。

s205、通过大气光学探头内置的四象限光电探测器，得到太阳位置。

s206、以太阳位置和四象限光电探测器中心位置为依据，计算出待调天顶角和待调方位角。

s207、组合待调天顶角和待调方位角，得到第二调整方案。

s208、以第二调整方案为依据调整大气光学探头的朝向，以使大气光学探头的中心对准太阳。

实施这种实施方式，可以通过四象限光电探测器准确对准太阳，使得太阳的投射方式为直射。

s209、控制大气光学探头获取第二辐亮度。

s210、以第一辐亮度和第二辐亮度为依据，计算大气光学参数。

作为一种可选的实施方式，获取测量位置的水平气象视距，并以水平气象视距与预设算法为依据，判断大气光学厚度是否可信，若是，则执行步骤s211；若否，则结束本流程。

实施这种实施方式，可以通过水平气象视距进行二次矫正，从而提高大气光学参数的准确性。

s211、控制摄像头拍摄，得到拍摄图片；其中，摄像头与大气光学探头的相对位置固定且视场相同。

本实施例中，摄像头和大气光学探头的位置相对固定，可以认为摄像头正对太阳的时候，大气光学探头就正对太阳，对此本发明不作赘述。

s212、判断拍摄图片中是否包括太阳的图像，若包括，则执行步骤s213；若不包括，则执行步骤s202。

本实施例中，是否包括太阳的图像意为太阳是否直射，其中，若包括则判断太阳直射，若不包括，则判断太阳尚未直射。

本实施例中，判断的步骤可以由操作者进行判断，也可以通过机器进行判断，本实施例中是指通过机器进行判断，实施这种实施方式，可以避免人为工作，提高判断效率。

s213、存储至少包括大气光学参数的光学信息。

本实施例中，光学信息可以存储于内置存储器，也可以存储于云端，对此本实施例中不作限定。

本实施例中，气溶胶光学厚度可反应气溶胶粒子对太阳辐射的消光作用，是水色遥感数据处理中大气校正模型选取的关键因子。然而，气溶胶分布存在很大的时空变化，尤其是在近海气溶胶物质来源非常复杂，导致水色遥感数据的大气校正偏差较大。针对海洋上空气溶胶光学厚度的现场观测多半依赖于采用手持式太阳光度计航次观测或气溶胶观测站点的数据积累，因此不利于用于海上气溶胶光学厚度的走航自动观测。

可见，本实施例中所描述的大气光学参数的测量方案，可解决当前海洋水色遥感大气校正的难题；可搭载在调查船、商船等移动观测平台。充分发挥日益发达的航运网络优势，获取连续、大空间覆盖的观测数据，对于海洋环境监测、环境保护、尤其是突发环境事件的预警及后续监管等具有重要的应用价值。

在图2所描述的方法中，可以获取第一辐亮度，并且对大气光学探头进行粗调，使得大气光学探头的视场中包括太阳，并在此时对大气光学探头进行精调，使得大气光学探头对准太阳，从而获取第二辐亮度，在获取到第二辐亮度之后，根据第一辐亮度和第二辐亮度计算大气光学参数，并在得到大气光学参数时，拍摄大气光学探头的视场图像，并确定该图像中是否包括太阳的图像，并在包括太阳的图像的时候，判断大气光学参数有效，存储该大气光学参数。可见，实施上述方法，能够简单快速地计算得到准确的大气光学参数，从而可以通过大气光学参数避免水环境信息测量中大气对太阳光的干扰，从而提高水环境信息获取的准确程度，进而提高水环境的监控效果。

实施例3

请参阅图3，图3是本实施例提供的海洋大气光学参数的测量设备的结构示意图。如图3所示，该测量设备包括：

获取单元310，用于获取太阳光进入大气层时的第一辐亮度。

调整单元320，用于调整大气光学探头的朝向，以使大气光学探头的中心对准太阳。

控制单元330，用于控制大气光学探头获取第二辐亮度。

计算单元340，用于以第一辐亮度和第二辐亮度为依据，计算大气光学参数。

请参阅图4，图4是本实施例提供的海洋大气光学参数的测量设备的另一结构示意图。如图4所示，上述调整单元包括：

粗调子单元321，用于粗调整大气光学探头的朝向，以使大气光学探头的视场中包括太阳。

本实施例中，粗调子单元321中的调整方法可以通过重力锤进行垂直调整，通过齿轮进行天顶角和方位角的调整。

精调子单元322，用于精调整大气光学探头的朝向，以使大气光学探头的中心对准太阳。

本实施例中，精调子单元322通过四象限光电探测器进行角度调整，使得气光学探头的中心对准太阳。

作为一种可选的实施方式，该测量设备还可以包括：

温度检测单元，用于在第二计算单元计算出遥感现场信息之时，检测测量设备的温度。

控制单元，用于在温度大于预设温度阈值时，控制关闭测量设备。

实施这种实施方式，测量设备可以自动检测测量设备，并根据测量设备的温度实现自动控制开关，从而可以避免测量设备由于长时间工作而发热发烫导致的损坏。

如图3或图4所示，该测量设备可以执行实施例1或实施例2中所描述的方法，其中各个单元执行其相应的步骤。

可见，图3、图4所描述的测量设备，能够简单、快速、准确地计算得到大气光学参数，从而提高了水环境检测效率。

此外，本发明还提供了一种计算机设备，该计算机设备可以包括智能电话、平板电脑、车载电脑、智能穿戴设备等。该计算机设备包括存储器和处理器，存储器可用于存储计算机程序，处理器通过运行所述计算机程序，从而使计算机设备执行上述方法或者上述测量设备中的各个模块的功能。

存储器可包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据计算机设备的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。

本实施例还提供了一种计算机存储介质，用于储存上述计算机设备中使用的计算机程序。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。

所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。