一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法
【专利说明】一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于水色遥感光谱测量领域，特别是涉及一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法。
[0003]
【背景技术】
[0004]对海洋、湖泊等水体的光学特征测量与分析是水色遥感的基础之一，针对不同的水体，野外测试获取了大量的实测光谱对水色遥感建模和遥感产品真实性检验来说更是必不可少的重要环节，对于大洋的I类水体，水下剖面测量法是首选的方法，而对于海洋沿岸以及内陆湖泊等高叶绿素和高悬浮物浓度的II类水体的表观光学特性的测量相对适合的方法是水面以上测量法，虽然NASA、国际水色SMB1S组织等对此给出了相对合理的测量方法和数据处理方案，但是在实际研宄中，人工操作实地采样来获取现场水体表观光谱数据仍然存在很多问题，这类监测方法在精度上有一定的准确性，但是这类测量得到的数据量小、可靠性差，受现场环境和人为因素影响较大，而且是在点上进行，难以全面反映水体生态环境的总体时空变化，且费时、费力、成本高，更重要的是不能进行实时远程监测。
[0005]因此，有必要提出一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法，来获取精确的现场水体表观光谱数据。
[0006]
【发明内容】
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法。
[0008]本发明的装置所采用的技术方案是:一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，其特征在于:包括总控系统、无线通讯系统、全球定位系统、观测几何自动调整系统、光谱测量系统、跟随拍照系统和远程服务器；所述的光谱测量系统安装在所述的观测几何自动调整系统上，所述的总控系统通过电缆分别与所述的无线通讯系统、全球定位系统、观测几何自动调整系统、光谱测量系统、跟随拍照系统电气连接，所述的无线通讯系统通过无线网络与所述的远程服务器连接通信；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和照片；所述的第一水密外壳包括第一封盖和第一壳体，所述的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、第三通讯接口、第四通讯接口和第五通讯接口 ；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无线通讯系统电气连接，所述的第三通讯接口通过电缆与所述的光谱测量系统电气连接，所述的第四通讯接口通过电缆与所述的全球定位系统电气连接，所述的第五通讯接口通过电缆与所述的跟随拍照系统电气连接；所述的无线通讯系统包括天线、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第二通讯接口连接的第六通讯接口，所述的第二壳体顶部设置有与天线连接的天线接口 ；所述的无线通讯系统用于在总控系统与所述的远程服务器之间进行无线通讯；所述的全球定位系统包括GPS天线、GPS电路板和第三水密外壳，所述的第三水密外壳由第三封盖和第三壳体装配而成，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；所述的第三封盖顶部设置有与所述的第四通讯接口连接的第七通讯接口和GPS天线接口，所述的GPS天线接口用于将所述的GPS天线连接到所述的GPS电路板上；所述的全球定位系统用于获取实验地点的经玮度信息；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；所述的控制单元设置有与所述总控系统通讯的接口，所述的控制单元与所述的旋转驱动单元、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步进电机电气连接，所述的步进电机通过螺纹连接件固定安装在所述的电机固定板下底面上、其转动轴与安装在所述的电机固定板上的蜗轮传动机构连接；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光谱测量系统的观测方位；所述的旋转台包括转动盘、支撑转轴和仪器挂载杆，所述的支撑转轴固定安装在所述的转动盘下表面中心位置，所述的仪器挂载杆固定安装在所述的转动盘上表面中心位置；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八通讯接口 ；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；所述的光谱测量系统由光谱仪、光纤探头、参考板、支撑臂、第一舵机、直射太阳光遮挡机构、光路切换开关、探头固定架组成；所述的光谱仪安装在所述的底座壳体内，通过光纤与所述的光路切换开关连接；所述的光纤探头尾部光纤穿过所述的底座壳体下底面设置的过线孔与所述的光路切换开关连接；所述的探头固定架用于将所述的光纤探头固定到所述的第一舵机转轴上；所述的参考板固定安装在所述的转动盘上，位置正好处于所述的光纤探头下面；所述的支撑臂一端水平固定安装在所述的仪器挂载杆上，另一端与所述的第一舵机固定连接；所述的直射太阳光遮挡机构包括第二舵机、连接臂和遮光板；所述的第二舵机安装在所述的参考板一侧，轴向与所述的光纤探头水平方向成45度夹角；所述的遮光板通过所述的连接臂固定安装在所述的第二舵机上；所述的光路切换开关包括安装板、固定板、小电机和一组光纤连接器，所述的安装板有A、B两片，均垂直固定安装在所述的固定板表面上，A、B两片安装板与固定板之间构成封闭的中空夹层；所述的安装板上开有透光通孔，使A、B两片及中空夹层相通；所述的中空夹层内设有遮光片，所述的透光通孔旁边装有所述的小电机，小电机的转动轴通过安装孔伸入所述的中空夹层内；所述的遮光片一端紧密套接在所述的小电机的转动轴上，另一端能在所述的中空夹层平面内围绕所述的转动轴转动，所述的遮光片的宽度大于透光通孔直径，遮光片转动半径大于所述的转动轴到透光通孔的距离，使得所述的遮光片转至水平位置时能够阻断所述的透光通孔；所述的透光通孔在A片的开口通过光纤连接光谱仪，所述的透光通孔在B片的开口通过光纤连接所述的光纤探头；所述的小电机的机身通过螺纹连接件和固定块固定安装在所述的固定板上，所述的固定板表面还开有螺孔，用于将整个光路切换开关通过螺纹连接件固定安装在所述的底座壳体内；所述的跟随拍照系统为一小体型摄像头，通过导线连接到所述的第五通讯接口 ；所述的远程服务器是若干台外网能访问得到的计算机，通过无线网络与所述的无线通讯系统通信。
[0009]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。
[0010]作为优选，所述的观测几何自动调整系统的内部安装架设有安装孔，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。
[0011]作为优选，所述的观测几何自动调整系统的控制单元为处理器和外围电路构成的电路板.作为优选，所述的方位跟踪单元为一姿态传感器，通过螺纹连接件固定安装在所述的仪器挂载杆顶端，并通过导线与所述的控制单元电气连接。
[0012]作为优选，所述的连接臂为L型结构，用于连接所述的第二舵机转轴和遮光板，使所述的遮光板在太阳光入射平面上转动。
[0013]作为优选，所述的光谱仪和所述的小电机通过电缆穿过所述的过线孔连接到所述的第三通讯接口，所述的第一舵机和第二舵机分别通过电缆连接到所述的第三通讯接口。
[0014]作为优选，所述的跟随拍照系统通过螺纹连接件固定安装在所述的探头固定架上与所述的第一舵机对称的一侧，使所述的跟随拍照系统和所述的光纤探头的观测方向始终一致。
[0015]本发明的方法所采用的技术方案是:一种水面光谱远程实时监测的方法，其特征在于，主要包括:观测几何调整的自动化、光谱测量的自动化、图像记录的自动化、远程实时监测；
所述的观测几何调整的自动化，其具体实现过程为:通过所述的总控系统将所述的全球定位系统获取的位置信息和时间传递给所述的观测几何自动调整系统，再由所述的控制单元计算出太阳的方位角，通过所述的方位跟踪单元输出的结果跟踪得到所述的光纤探头的观测方位，所述的控制单元通过所述的电机驱动板控制步进电机转动，从而带动整个选转台及其上的光谱测量系统转动，使所述的光纤探头的观测方向与太阳入射方向成135度夹角，实现观测几何的自动调整；
所述的光谱测量的自动化，其具体实现包括以下步骤:
步骤1:采样前，所述的总控系统先给所述的光谱仪上电；
步骤2:暗电流测量，所述的总控系统控制所述的光路切换开关闭合，切断所述的光纤探头与光谱仪之间的光路，然后进行暗电流测量，读取光谱仪8-15次；
步骤3:标准板测量，所述的总控系统通过所述的第一舵机控制所述的光纤探头垂直向下指向所述的标准参考板，然后控制所述的光谱仪测量8-15条光谱数据；
步骤4:遮挡直射阳光的标准板测量，所述的总控系统根据所述的控制单元计算得出的太阳高度角，控制所述的第二舵机带动所述的遮光板转动，使所述的遮光板的影子正好覆盖了所述的光纤探头在标准板上的测量区域，进而控制所述的光谱仪测量8-15条光谱数据；
步骤5:目标水体测量，所述的总控系统通过所述的第一舵机控制所述的光纤探头以与水面法线成40度夹角的方向指向目标水体，然后控制所述的光谱仪测量8-15条光谱数据；<