一种自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统及控制方法与流程

本发明涉及地物光谱观测领域，特别是涉及一种自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统及控制方法。

背景技术：

为了研究自然条件下植被分布、冠层及生态系统的群体结构、生长量等生理生态指标，一般采用光谱仪进行观测。目前常规的观测方法是：使用一个有着圆形可旋转底座的仪器，并伸出一个手臂式的金属支架，然后金属末端连接着光谱仪传感器探头，能从一定的观测平面内从各个角度对实验对象进行观测。但此种观测装置，需要的人力多、观测的角度少，并且观测角度不精准，而且观测的高度有限，观测区域和通量贡献区域存在着不一致性。

因此，如何能创设一种观测角度精准、观测高度不受限的自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统，成为当前业界极需改进的目标。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种观测角度精准、观测高度不受限的自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统及控制方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统，包括塔上设备及工业小电脑，所述塔上设备包括双通道光谱仪、旋转云台、云台控制器；所述工业小电脑用于接收、存贮数据以及发布控制指令调节系统的运行；所述 双通道光谱仪的光纤上连接有指向天空的辐射传感器及指向观测地物的冠层传感器；所述冠层传感器安装在旋转云台上，所述旋转云台通过云台控制器与工业小电脑连接，所述云台控制器用于调节旋转云台的旋转方向、角度间隔以及时间间隔，并调节、定位所述双通道光谱仪的冠层传感器的瞬时位置。

进一步地，所述双通道光谱仪,其内部包括两个并行的微型控制器、两个分光仪及一个串行接口，所述每个微型控制器的一头连接一个分光仪，另外一头连接所述串行接口；所述辐射传感器及冠层传感器分别通过光纤与一个分光仪连接。

进一步地，所述云台控制器包括数据记录器；所述数据记录器控制旋转云台的发动机及双通道光谱仪的启闭，所述发动机轴上连接有电位计，所述电位计与数据记录器连接。

进一步地，所述塔上设备还包括安装在旋转云台上的摄像仪，所述摄像仪用于与冠层传感器同步运行拍摄对应地物照片,且所述摄像仪与工业小电脑连接。

进一步地，所述工业小电脑位于地面，所述工业小电脑与双通道光谱仪、云台控制器分别通过r232/r422转换器连接。

进一步地，还包括连接在工业小电脑上的3g无线路由器。

本发明还公开了自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统的控制方法，在系统重启后，工业小电脑发出第一条命令初始化双通道光谱仪，使双通道光谱仪处于准备运行状态，工业小电脑发出第二条命令追踪冠层传感器的位置；轮流执行命令,返回测量结果到工业小电脑。

进一步地，所述测量结果包括：双通道光谱仪扫描的光谱信息、实际的冠层传感器位置以及系统时间，测量结果被存贮在一个数据向量中,每当冠层传感器完成重新定位后,冠层传感器的位置信息都会被云台控制器发出，每隔一定时间,所有的测量结果都会被写入工业小电脑硬盘,所有时间均设置为格林尼治时间。

进一步地，所述工业小电脑每天从午夜开始计算前一天数据的总量,并重启整个系统进行更新。

通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明通过加入旋转云台，可以对角度实施精准的控制，并且可以有更多的观测角度，对下垫面形成立体观测。

2、本发明通过加入摄像仪，可以监测植被的物候变化，更加容易解释植被的变化特征。

3、本发明通过r232/r422转换器，可以观测任意高度的植被冠层光谱，而不必担心数据传输过程中的缺失。

4、本发明通过加入3g无线路由器，可以在野外任何通量塔进行安装，并且可以对数据质量进行检测，并且下载观测数据，可以防止因为意外故障，造成的先前观测数据的丢失。

5、本发明的自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统，是一个集成的自动化系统，各部分相互配合，可以实现连续时间的自动旋转光谱观测、自动数据采集，可与涡度相关通量观测系统30min观测频率同步，并可以追踪不同的卫星。这个系统的研发，为生态系统关键过程研究和尺度扩展研究提供了重要的手段。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1是本发明一种自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统整体结构示意图；

图2是本发明一种自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统部分分解结构示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，本发明的自动多角度光谱仪原位连续观测平台系统，包括塔上设备及工业小电脑，塔上设备包括双通道光谱仪、旋转云台、云台控制器；工业小电脑用于接收、存贮数据以及发布控制指令调节系统的运行；双通道光谱仪的光纤上连接有指向天空的辐射传感器及指向观测地物的冠层传感器；冠层传感器安装在旋转云台上，旋转云台通过云台控制器与工业小电脑连接，旋转云台与云台控制器之间通过云台控制线连接，云台控制器用于调节旋转云台的旋转方向、角度间隔以及时间间隔，并调节、定位所述双通道光谱仪的冠层传感器的瞬时位置。

塔上设备：unispec-dc双通道光谱仪,其内部包括两个并行的微型控制器、两个分光仪及一个串行接口，每个微型控制器的一头连接一个分光仪，另外一头连接提取数据并获取指令的串行接口；其外部包括指向天空的辐射传感器及指向观测地物的冠层传感器，辐射传感器及冠层传感器分别通过光纤与一个分光仪连接。具体地，unispec-dc含两个通道,分别记录太阳辐射光强和冠层辐射光强,每个通道具有256个连续波段,光谱分辨率为3nm,记录300-1100nm波长的辐射。每个通道都由一个微控制器进行驱动,微控制器中的弧形光栅将分散光集中在一个256—元光电二级管阵列内。每个通道测量光强绝对值,反射率经光的暗电流矫正后测得。辐射传感器及冠层传感器,两个传感器通过直径为600um的光学电缆连接到光谱仪的的两个通道上。辐射传感器:也称为余弦接受器(cosinereceptor),为防止其他障碍物阻挡光线,将辐射传感器安装在最高点,指向天空,测量太阳福照度。

塔上设备：旋转云台采用旋转摇臂云台(ptu-d46-17)，冠层传感器连到旋转云台的发动机轴上,可实现360°旋转,测量不同太阳高度角及不同观测视角下的地物反射波普,观测天顶角最大68°。通过设置一定间隔的观测天顶角和方位角,精确控制双通道光谱仪的旋转位置。程序控制旋转云台的位置,还可能追踪过境卫星,通过设置可追踪的卫星有hj-1b、nasaeoterra、eo-1hyperion、solar等。

上述塔上的数据采集主要通过双通道光谱仪，可探测到(310nm-1100 nm)光谱反射数据，还可在塔上配合安装摄像仪(netcamsc51vipday/night),摄像仪也同冠层传感器一样连接到旋转云台的发动机轴上，由旋转云台带动其与冠层传感器同步运行并拍摄对应地物照片,摄像仪通过网线与工业小电脑连接，将摄像仪矩阵数据传给工业小电脑。

塔上设备：云台控制器，包括数据记录器；数据记录器控制集电器板组件，集电器板组件控制旋转云台的发动机及双通道光谱仪的启闭，发动机驱动冠层传感器及摄像仪，发动机转速每30s转11.5°,完成一圈需15min。发动机轴上连接电位计，电位计与数据记录器连接。数据记录器根据工业小电脑中的程序指令控制集电板组件中各路电源(包括发动机、双通道光谱仪以及风扇转换等)的开启、关闭进而控制数据采集部分,通过控制旋转云台的旋转方向、角度间隔以及时间间隔,进一步定位及光谱仪、摄像仪的瞬时位置,当仪器温度大于40℃时风扇开关会自动启动,对整体进行降温。

地面设备中最主要的设备是工业小电脑,实现对塔上设备的精准控制。工业小电脑有两个独立串行通讯接口:一个给光谱仪发送扫描命令,一个追踪仪器的准确位置。为了与塔上设备交流,工业小电脑与双通道光谱仪、云台控制器分别通过光隔离r232/r422转换器连接，将串行通讯接口的rs-232标准转化成rs-422标准。其中，连接在工业小电脑和双通道光谱仪串行接口间的r232/r422转换器承担着初始化扫描仪和接受发送光谱辐射数据的作用。

地面设备中的工业小电脑，还可连接有3g无线路由器，可以在野外任何通量塔进行安装，并且可以对数据质量进行检测，并且下载观测数据，可以防止因为意外故障，造成的先前观测数据的丢失。

在系统每次自动重启后,工业小电脑发出第一行命令,打开一个串行端口,用来连接并初始化光谱仪,使光谱仪处于准备运行状态。发送第二条命令,为了准确追踪传感器的位置,记录传感器的位置信息。光谱仪通过一系列参数文件以固定时间间隔被初始化。每个事件后有一串代码发送给光谱 仪。程序轮流执行命令行,返回测量结果到工业小电脑。控制设备保证256个电子信号(分成256个连续信号段)各对应一个光谱段,若有数据损坏则会从存c：中删除,同时光谱仪的高速缓冲存贮器将会被更新,如果多次数据损失无法储存系统会自动重置仪器。每一次扫描的光谱信息、实际的光谱仪位置、系统时间被存贮在一个数据向量中,每当冠层传感器完成重新定位后,传感器的位置信息都会被数据记录器发出。每15分钟,所有的数据都会被写入电脑硬盘,格式为16位无符号字符串,其中文件名为yymmddqq,其中qq为每15分钟的流水号,为确保数据的兼容性,所有时间均设置为格林尼治时间。

工业小电脑每天从午夜开始计算前一天数据的总量,并重启整个系统更新所有仪器。每15分钟数据会自动在电脑内存贮数据。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。