一种便携式双通道水体表观光谱观测装置及方法与流程

本发明实施例涉及海洋光学观测技术领域，具体涉及一种便携式双通道水体表观光谱观测装置及方法。

背景技术：

随着近代光学、激光、光学遥感和海洋科学的发展，国内外都已开展对海洋水体的深入研究，而海洋光学研究是海洋水体研究的重要部分。海洋光学是一门研究海洋的光学性质、光在海洋中的传播规律和运用光学技术探测海洋的科学。海洋光学主要包括表观光学和固有光学，其中表观光学的参数调查方法主要有水面之上法和水下剖面法两种，而水面之上法多采用高光谱仪对水体和天空光进行观测。如果是双通道仪器，可同时对水体和天空光进行观测；如果是单通道仪器，在仪器面向水体进行观测后，立即将仪器在观测平面内向上旋转一个角度，使得观测方向的天顶角与θv(仪器与海面法线方向的夹角)相同。

目前，现场光学观测水上作业时多采用单通道仪器，例如中国专利cn208833659u公开的便携式水体光谱观测设备、中国专利cn105043545b公开的一种水面光谱手持式单通道三路自动测量装置与方法等，主要通过改变光谱仪光学探头的观测角度来依次测量水体、天空光以及标准参考板反射的光谱，即在仪器面向水体进行观测后，立即将仪器在观测平面内向上旋转一个角度，使得观测方向的天顶角与θv(仪器与海面法线方向的夹角)相同。在实际作业中，上述方法虽然能使现场测量人员方便操作、精确控制测量的角度，但无法有效保证水体和天空光的同步测量。综上，亟需一种新的水体表观光谱观测技术方案，既要保证测量人员角度控制的准确性和操作的方便性，又要保证水体和天空光的同步测量。

技术实现要素：

为此，本发明实施例提供一种便携式双通道水体表观光谱观测装置及方法，可以保证测量人员角度控制的准确性和操作的方便性，又能保证水体和天空光的同步测量，从而简化操作流程、提高测量效率。

为了实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种便携式双通道水体表观光谱观测装置，包括杆体、角度刻度盘、角度控制板、第一安装机构、第二安装机构、第一光学探头手柄和第二光学探头手柄；所述杆体包括第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆，所述第一连接杆的尾部与所述第二连接杆的头部通过螺纹旋接，所述第三连接杆的头部与所述第二连接杆的尾部通过螺纹旋接；所述角度刻度盘通过卡座连接于所述第二连接杆或第三连接杆的侧部；所述角度控制板与所述第一连接杆的头部通过螺纹旋接；所述第一安装机构固定在所述角度控制板的一侧，所述第二安装机构固定在所述角度控制板的另外一侧，所述第一光学探头手柄连接所述第一安装机构，所述第二光学探头手柄连接所述第二安装机构，第一光学探头手柄和第二光学探头手柄分别配置有用于连接高光谱仪的光纤。

作为便携式双通道水体表观光谱观测装置的优选方案，所述角度刻度盘设有水平仪和投影杆，所述水平仪固定于所述角度刻度盘的表面，所述投影杆垂直连接于所述角度刻度盘的中心。

作为便携式双通道水体表观光谱观测装置的优选方案，所述角度刻度盘的表面设有45°角观测线标识。

作为便携式双通道水体表观光谱观测装置的优选方案，所述角度控制板的正反两面分别设有0°、30°和40°角度限位孔，角度控制板与所述角度刻度盘互相垂直。

作为便携式双通道水体表观光谱观测装置的优选方案，所述第一安装机构和第二安装机构分别设有限位挡块、连接螺栓、限位螺栓、顶丝、弹簧、滚珠和安装平台；所述限位挡块通过所述连接螺栓固定与所述安装平台上，所述第一光学探头手柄和第二光学探头手柄分别通过所述限位挡块经所述限位螺栓限位于所述安装平台上，所述顶丝设置在所述安装平台的内部，所述弹簧连接所述顶丝，所述滚珠接触所述弹簧并压紧于所述安装平台与角度控制板之间。

作为便携式双通道水体表观光谱观测装置的优选方案，所述光纤采用铠装光纤，光纤外层设有硅胶套管，光纤包裹在所述硅胶套管内。

作为便携式双通道水体表观光谱观测装置的优选方案，所述高光谱仪通过光纤分别与所述第一光学探头手柄和第二光学探头手柄连接，高光谱仪用于对光纤传输回来的光进行分析得到光谱数据，高光谱仪配置有usb接口和处理计算机，所述usb接口用于对高光谱仪进行数据通信或供电。

本发明还提供一种便携式双通道水体表观光谱观测方法，包括以下步骤：

(1)组装：

将第二连接杆头部连接第一连接杆尾部，第三连接杆头部连接第二连接杆尾部接头，第一连接杆头部连接角度控制板尾部；将角度刻度盘安装在第二连接杆的中间区域；将第一光学探头手柄连接在所述角度控制板上的第一安装机构上；再将第二光学探头手柄连接在所述角度控制板上的第二安装机构上；

(2)搭建：

将两个高光谱仪光学探头通过光纤分别安装在第一光学探头手柄和第二光学探头手柄上，光纤另一端连接高光谱仪，再将高光谱仪连接至处理计算机上；

(3)采集标准参考板数据：

旋转第一光学探头手柄和第二光学探头手柄垂直向下，对准标准参考板，通过调整水平仪使仪器观测平面水平，然后通过处理计算机控制两个高光谱仪光学探头对标准参考板进行测量；最后将两个高光谱仪光学探头采集的标准参考板光谱数据回传至处理计算机中保存；

(4)采集水面、天空光数据：

将第一光学探头手柄旋转至角度控制板第一面上的预设角度限位孔位置，将第二光学探头手柄旋转至角度控制板第二面上的预设角度限位孔位置，通过杆体将光学探头水平伸出船舷外，第一光学探头手柄上的光学探头朝向天空，第二光学探头手柄上的光学探头朝向水面；通过调整杆体与太阳位置关系直至投影杆在角度刻度盘上的投影与观测线标识重合，使仪器观测平面与太阳入射平面成预设夹角；通过处理计算机控制两个高光谱仪光学探头对现场中的光谱进行测量，同时高光谱仪将采集的水面光谱数据和天空光数据回传至处理计算机；

(5)保存数据：

将同一时刻两个高光谱仪光学探头分别采集的水面光谱数据和天空光数据共同保存在处理计算机中，并做上站位标识以用于后续数据的处理和分析；

(6)拆卸：

断开处理计算机与高光谱仪的连接，关闭高光谱仪，并将两个光学探头分别从第一光学探头手柄和第二光学探头手柄上取下，转动所述角度控制板尾部接头将所述杆体取下，拆开第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆，将所述第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆取下，将角度刻度盘从第二连接杆上取下，完成双通道水体表观光谱观测。

作为便携式双通道水体表观光谱观测方法的优选方案，所述角度刻度盘的表面设有45°角观测线标识；所述角度控制板的正反两面分别设有0°、30°和40°角度限位孔，角度控制板与所述角度刻度盘互相垂直。

作为便携式双通道水体表观光谱观测方法的优选方案，所述第一安装机构和第二安装机构分别设有限位挡块、连接螺栓、限位螺栓、顶丝、弹簧、滚珠和安装平台；所述限位挡块通过所述连接螺栓固定与所述安装平台上，所述第一光学探头手柄和第二光学探头手柄分别通过所述限位挡块经所述限位螺栓限位于所述安装平台上，所述顶丝设置在所述安装平台的内部，所述弹簧连接所述顶丝，所述滚珠接触所述弹簧并压紧于所述安装平台与角度控制板之间；

所述光纤采用铠装光纤，光纤外层设有硅胶套管，光纤包裹在所述硅胶套管内。

本发明杆体设有第一连接杆、第二连接杆和第三连接杆，第一连接杆的尾部与第二连接杆的头部通过螺纹旋接，第三连接杆的头部与第二连接杆的尾部通过螺纹旋接；角度刻度盘通过卡座连接于第二连接杆或第三连接杆的侧部；角度控制板与第一连接杆的头部通过螺纹旋接；第一安装机构固定在角度控制板的一侧，第二安装机构固定在角度控制板的另外一侧，第一光学探头手柄连接第一安装机构，第二光学探头手柄连接第二安装机构，第一光学探头手柄和第二光学探头手柄分别配置有用于连接高光谱仪的光纤。本发明角度刻度盘和角度控制板的设计使测量员能快速、准确调整仪器观测平面与太阳入射平面的夹角，方便调整仪器与海面法线方向的夹角；本发明采用双通道仪器，保证水体和天空光测量的同步性，简化操作流程、提高测量效率；本发明涉及的硬件结构易于拆卸和安装、方便携带、操作简单。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例中提供的便携式双通道水体表观光谱观测装置立体结构示意图；

图2为本发明实施例中提供的便携式双通道水体表观光谱观测装置杆体拆卸示意图；

图3为本发明实施例中提供的便携式双通道水体表观光谱观测装置角度刻度盘示意图；

图4为本发明实施例中提供的便携式双通道水体表观光谱观测装置角度控制板示意图；

图5为本发明实施例中提供的便携式双通道水体表观光谱观测装置安装机构示意图；

图6为本发明实施例中提供的便携式双通道水体表观光谱观测装置安装机构俯视示意图；

图7为本发明实施例中提供的便携式双通道水体表观光谱观测方法流体图。

图中：1、杆体；101、第一连接杆；102、第二连接杆；103、第三连接杆；2、角度刻度盘；3、角度控制板；4、第一安装机构；5、第二安装机构；451、限位挡块；452、连接螺栓；453、限位螺栓；454、顶丝；455、弹簧；456、滚珠；457、安装平台；6、第一光学探头手柄；7、第二光学探头手柄；8、卡座；9、水平仪；10、投影杆；11、观测线标识；12、角度限位孔。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动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。

参见图1和图2，提供一种便携式双通道水体表观光谱观测装置，包括杆体1、角度刻度盘2、角度控制板3、第一安装机构4、第二安装机构5、第一光学探头手柄6和第二光学探头手柄7；所述杆体1包括第一连接杆101、第二连接杆102和第三连接杆103，所述第一连接杆101的尾部与所述第二连接杆102的头部通过螺纹旋接，所述第三连接杆103的头部与所述第二连接杆102的尾部通过螺纹旋接；所述角度刻度盘2通过卡座8连接于所述第二连接杆102或第三连接杆103的侧部；所述角度控制板3与所述第一连接杆101的头部通过螺纹旋接；所述第一安装机构4固定在所述角度控制板3的一侧，所述第二安装机构5固定在所述角度控制板3的另外一侧，所述第一光学探头手柄6连接所述第一安装机构4，所述第二光学探头手柄7连接所述第二安装机构5，第一光学探头手柄6和第二光学探头手柄7分别配置有用于连接高光谱仪的光纤(高光谱仪和光纤未示出，本身属于现有技术)。

具体的，所述光纤采用铠装光纤，光纤外层设有硅胶套管，光纤包裹在所述硅胶套管内。所述高光谱仪通过光纤分别与所述第一光学探头手柄6和第二光学探头手柄7连接，高光谱仪用于对光纤传输回来的光进行分析得到光谱数据，高光谱仪配置有usb接口和处理计算机，所述usb接口用于对高光谱仪进行数据通信或供电。

具体的，处理计算机可以采用笔记本电脑，方便携带。高光谱仪本身属于现有技术，具体涉及的成像方法也是现有技术。

参见图3，便携式双通道水体表观光谱观测装置的一个实施例中，所述角度刻度盘2设有水平仪9和投影杆10，所述水平仪9固定于所述角度刻度盘2的表面，所述投影杆10垂直连接于所述角度刻度盘2的中心。所述角度刻度盘2的表面设有45°角观测线标识11。水平仪9用于调整观测平面与杆体1之间的平行性。投影杆10垂直于角度刻度盘2的盘面中心，可以调整观测方向与太阳的夹角。

参见图4，便携式双通道水体表观光谱观测装置的一个实施例中，所述角度控制板3的正反两面分别设有0°、30°和40°角度限位孔12，角度控制板3与所述角度刻度盘2互相垂直。角度控制板3的第一面和角度控制板3的第二面均设有0°、30°和40°角度限位孔12，角度控制板3可以调整光学探头测量角度，保证两个光学探头相互垂直。

参见图5和图6，便携式双通道水体表观光谱观测装置的一个实施例中，所述第一安装机构4和第二安装机构5分别设有限位挡块451、连接螺栓452、限位螺栓453、顶丝454、弹簧455、滚珠456和安装平台457；所述限位挡块451通过所述连接螺栓452固定与所述安装平台457上，所述第一光学探头手柄6和第二光学探头手柄7分别通过所述限位挡块451经所述限位螺栓453限位于所述安装平台457上，所述顶丝454设置在所述安装平台457的内部，所述弹簧455连接所述顶丝454，所述滚珠456接触所述弹簧455并压紧于所述安装平台457与角度控制板3之间。顶丝454可以用来固定弹簧455，实现光学探头手柄安装平台457在角度控制板3上的旋转，避免滚珠456脱落。

本发明杆体1设有第一连接杆101、第二连接杆102和第三连接杆103，第一连接杆101的尾部与第二连接杆102的头部通过螺纹旋接，第三连接杆103的头部与第二连接杆102的尾部通过螺纹旋接；角度刻度盘2通过卡座8连接于第二连接杆102或第三连接杆103的侧部；角度控制板3与第一连接杆101的头部通过螺纹旋接；第一安装机构4固定在角度控制板3的一侧，第二安装机构5固定在角度控制板3的另外一侧，第一光学探头手柄6连接第一安装机构4，第二光学探头手柄7连接第二安装机构5，第一光学探头手柄6和第二光学探头手柄7分别配置有用于连接高光谱仪的光纤。本发明角度刻度盘2和角度控制板3的设计使测量员能快速、准确调整仪器观测平面与太阳入射平面的夹角，方便调整仪器与海面法线方向的夹角；本发明采用双通道仪器，保证水体和天空光测量的同步性，简化操作流程、提高测量效率；本发明涉及的硬件结构易于拆卸和安装、方便携带、操作简单。

参见图7，本发明还提供一种便携式双通道水体表观光谱观测方法，包括以下步骤：

s1：组装：将第二连接杆102头部连接第一连接杆101尾部，第三连接杆103头部连接第二连接杆102尾部接头，第一连接杆101头部连接角度控制板3尾部；将角度刻度盘2安装在第二连接杆102的中间区域；将第一光学探头手柄6连接在所述角度控制板3上的第一安装机构4上；再将第二光学探头手柄7连接在所述角度控制板3上的第二安装机构5上；

s2：搭建：将两个高光谱仪光学探头通过光纤分别安装在第一光学探头手柄6和第二光学探头手柄7上，光纤另一端连接高光谱仪，再将高光谱仪连接至处理计算机上；

s3：采集标准参考板数据：旋转第一光学探头手柄6和第二光学探头手柄7垂直向下，对准标准参考板，通过调整水平仪9使仪器观测平面水平，然后通过处理计算机控制两个高光谱仪光学探头对标准参考板进行测量；最后将两个高光谱仪光学探头采集的标准参考板光谱数据回传至处理计算机中保存；

s4：采集水面、天空光数据：将第一光学探头手柄6旋转至角度控制板3第一面上的40°角度限位孔12位置，将第二光学探头手柄7旋转至角度控制板3第二面上的40°角度限位孔12位置，通过杆体1将光学探头水平伸出船舷外，第一光学探头手柄6上的光学探头朝向天空，第二光学探头手柄7上的光学探头朝向水面；通过调整杆体1与太阳位置关系直至投影杆10在角度刻度盘2上的投影与45°观测线标识重合，使仪器观测平面与太阳入射平面成135°夹角；通过处理计算机控制两个高光谱仪光学探头对现场中的光谱进行测量，同时高光谱仪将采集的水面光谱数据和天空光数据回传至处理计算机；

s5：保存数据：将同一时刻两个高光谱仪光学探头分别采集的水面光谱数据和天空光数据共同保存在处理计算机中，并做上站位标识以用于后续数据的处理和分析；

s6：拆卸：断开处理计算机与高光谱仪的连接，关闭高光谱仪，并将两个光学探头分别从第一光学探头手柄6和第二光学探头手柄7上取下，转动所述角度控制板3尾部接头将所述杆体1取下，拆开第一连接杆101、第二连接杆102和第三连接杆103，将所述第一连接杆101、第二连接杆102和第三连接杆103取下，将角度刻度盘2从第二连接杆102上取下，完成双通道水体表观光谱观测。

具体的，所述第一安装机构4和第二安装机构5分别设有限位挡块451、连接螺栓452、限位螺栓453、顶丝454、弹簧455、滚珠456和安装平台457；所述限位挡块451通过所述连接螺栓452固定与所述安装平台457上，所述第一光学探头手柄6和第二光学探头手柄7分别通过所述限位挡块451经所述限位螺栓453限位于所述安装平台457上，所述顶丝454设置在所述安装平台457的内部，所述弹簧455连接所述顶丝454，所述滚珠456接触所述弹簧455并压紧于所述安装平台457与角度控制板3之间；所述光纤采用铠装光纤，光纤外层设有硅胶套管，光纤包裹在所述硅胶套管内。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。