一种离水反射率测量系统

1.本实用新型涉及水色遥感技术领域，特别是涉及一种离水反射率测量系统。


背景技术：

2.太阳辐射在透射入水体后，部分能量被水体中的悬浮物质、叶绿素和黄色物质等光学成分吸收并转化为热能而滞留在水体中，而另一部分则由水体光学成分散射而逃逸出水面，即离水反射率信号。离水反射率是水色遥感中最常被使用的水体表观光学量之一，也是水质参数反演的重要输入参量。在进行离水反射率测量时，通常需要操作人员乘船到达指定位置获取离水反射率光谱数据，但对于操作人员无法到达的水体区域则不能进行离水反射率测量。


技术实现要素：

3.本实用新型实施例的目的在于提供一种离水反射率测量系统，能够对操作人员不便于达到的水体区域进行离水反射率测量。具体技术方案如下：
4.本实用新型提供了一种离水反射率测量系统，包括：
5.无人船、测量装置和支撑架；
6.所述测量装置包括测量部和信号采集部，所述信号采集部和所述测量部电连接，所述信号采集部包括至少三个用于采集水面测量点处的光信号的探头；所述光信号包括水体上行辐亮度、天空光下行辐亮度和水面下行辐照度；
7.所述支撑架包括支撑部和固定部，所述支撑部与所述固定部可拆卸连接并且所述支撑部可转动设置在所述固定部上；
8.所述支撑部的平面投影位于无人船外侧；所述固定部设置在所述无人船上；所述信号采集部设置在所述支撑部上，设置在所述支撑部上的各所述探头的光线接收端的纵剖面位于同一个平面；
9.所述测量部用于根据所述光信号生成所述水面测量点处的离水反射率。
10.可选地，所述支撑部，具体包括：
11.第一支撑杆、第二支撑杆、第三支撑杆和连接杆；
12.所述第一支撑杆、所述第二支撑杆和所述第三支撑杆均与所述连接杆连接，所述连接杆可转动设置在所述固定部上；所述第一支撑杆、所述第二支撑杆和所述第三支撑杆上均设置有所述探头；
13.所述第一支撑杆、所述第二支撑杆和所述第三支撑杆位于同一平面，所述第一支撑杆、所述第二支撑杆和所述第三支撑杆形成的平面垂直于水平面；
14.所述第二支撑杆位于所述第一支撑杆和所述第三支撑杆之间，所述第三支撑杆垂直于水平面。
15.可选地，还包括：
16.旋转机构；
17.所述旋转机构设置在所述连接杆上，所述旋转机构可带动所述连接杆转动。
18.可选地，所述旋转机构，具体包括：
19.驱动装置、转动装置和角度计算装置；
20.所述转动装置设置在所述连接杆上，所述驱动装置分别与所述转动装置和所述测量装置连接；所述角度计算装置用于利用采集的无人船船体方位信息和太阳光入射角度信息确定旋转角度，基于所述旋转角度控制所述驱动装置带动所述转动装置旋转，以使各所述探头的光线接收端的纵剖面所在平面与太阳光入射平面的夹角在预设夹角范围内。
21.可选地，所述固定部，具体包括：紧固件和支撑架；所述连接杆通过所述紧固件与所述支撑架可转动连接。
22.可选地，所述信号采集部，具体包括：
23.第一辐亮度探头、第二辐亮度探头和辐照度探头；
24.所述第一辐亮度探头设置在所述第一支撑杆上，所述第二辐亮度探头设置在所述第二支撑杆上，所述辐照度探头设置在所述第三支撑杆上；所述第一辐亮度探头的光线接收端的纵剖面、所述第二辐亮度探头的光线接收端的纵剖面和所述辐照度探头的光线接收端的纵剖面位于同一平面；
25.所述第一辐亮度探头、所述第二辐亮度探头和所述辐照度探头均与所述测量部连接；所述第一辐亮度探头用于采集水体上行辐亮度，所述第二辐亮度探头用于采集天空光下行辐亮度，所述辐照度探头用于采集水面下行辐照度。
26.可选地，所述测量部，具体包括：
27.第一光谱仪、第二光谱仪、第三光谱仪和电子设备；
28.所述第一光谱仪与所述第一辐亮度探头连接，所述第一光谱仪用于根据所述水体上行辐亮度得到上行辐亮度光谱数据；
29.所述第二光谱仪与所述第二辐亮度探头连接，所述第二光谱仪用于根据所述天空光下行辐亮度得到下行辐亮度光谱数据；
30.所述第三光谱仪与所述辐照度探头连接，所述第三光谱仪用于根据所述水面下行辐照度得到下行辐照度光谱数据；
31.所述第一光谱仪、所述第二光谱仪和所述第三光谱仪均与所述电子设备连接，所述电子设备用于根据所述上行辐亮度光谱数据、所述下行辐亮度光谱数据和所述下行辐照度光谱数据生成所述水面测量点处的离水反射率光谱数据；所述离水反射率光谱数据包括与波长一一对应的多个离水反射率。
32.可选地，还包括：
33.视频采集装置；
34.所述视频采集装置设置在所述第一支撑杆上，所述视频采集装置用于采集水域图像信息。
35.可选地，还包括：
36.导航设备；
37.所述导航设备位于所述无人船上，所述导航设备与所述电子设备连接，所述导航设备用于采集无人船的位置信息，所述电子设备用于根据所述位置信息控制所述无人船行驶至水面测量点处。
38.可选地，所述预设夹角范围为90
°‑
135
°
；所述第一支撑杆与所述第二支撑杆所成夹角大于所述第二支撑杆与所述第三支撑杆所成夹角。
39.本实用新型实施例提供的一种离水反射率测量系统，该系统包括无人船、测量装置和支撑架；测量装置包括信号采集部和测量部，信号采集部包括至少三个用于采集水面测量点处的光信号的探头，支撑架包括支撑部和固定部；支撑部与固定部可拆卸连接并且支撑部可转动设置在固定部上，如此能够调节设置在所述支撑部上的各探头的光线接收端的纵剖面所在平面与太阳光入射平面的夹角，减小太阳耀斑对离水反射率测量的影响。支撑部的平面投影位于无人船外侧，如此能够避免无人船的阴影以及无人船周围水波对信号采集部采集水面测量点处光信号的影响。测量部根据光信号生成水面测量点处的离水反射率。本实用新型将测量装置安装于无人船上能够实现对于操作人员不便达到的水体区域进行离水反射率测量。
40.当然，实施本实用新型的任一产品或方法必不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
41.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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本实用新型的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本实用新型实施例提供的离水反射率测量系统结构图；
43.图2为本实用新型实施例提供的电连接示意图；
44.图3为本实用新型实施例提供的夹角示意图。
具体实施方式
45.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
46.本实用新型利用无人船能够行驶至测量员不易进入的水域中这一特点，将离水反射率测量装置安装在无人船上，能够实现对于操作人员不便达到的水体区域进行离水反射率测量，由于测量员无需乘船到水中开展实地测量，能够提高测量操作的灵活性与便捷性。
47.本实用新型提供一种离水反射率测量系统，如图1-2所示，该离水反射率测量系统包括：无人船1、测量装置2和支撑架3。测量装置包括测量部21和信号采集部22，信号采集部和测量部电连接，信号采集部包括至少三个用于采集水面测量点处的光信号的探头；光信号包括水体上行辐亮度、天空光下行辐亮度和水面下行辐照度。支撑架包括支撑部和固定部，支撑部与固定部可拆卸连接并且支撑部可转动设置在固定部上；支撑部的平面投影位于无人船外侧；固定部设置在无人船上；信号采集部设置在支撑部上，设置在支撑部上的各探头的光线接收端的纵剖面位于同一个平面；测量部用于根据光信号生成水面测量点处的离水反射率。
48.在进行离水反射率测量时，需要同时使用三个探头，一个辐亮度探头测量水体上行辐亮度、一个辐亮度探头测量天空光下行辐亮度、一个辐照度探头测量水面下行辐照度；若安装超过三个探头，则可将相同功能的探头采集的数据进行整合，避免因一个探头损坏导致数据缺失的情况发生，因此，将具有至少三个探头的信号采集部安装在支撑部上进行测量。并且保证设置在支撑部上的各探头的光线接收端的纵剖面位于同一个平面，以便于通过转动支撑部从而调整该平面和太阳光入射平面的夹角，减小太阳耀斑对离水反射率测量的影响。此外，支撑部的平面投影位于无人船外侧，如此能够避免无人船的阴影以及无人船周围水波对信号采集部采集水面测量点处光信号的影响。
49.作为一可选的实施方式，支撑部包括：第一支撑杆31、第二支撑杆32、第三支撑杆33和连接杆34。第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆均与连接杆连接，连接杆可转动设置在固定部上；第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆上均设置有探头。一个支撑杆上设置的探头为同一种功能的探头，一个支撑杆上设置的探头个数可以为1个也可以为多个。
50.第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆位于同一平面，第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆形成的平面垂直于水平面。保证三个支撑杆位于同一平面是为了使得设置在支撑杆上的探头的光线接收端的纵剖面位于同一个平面。第二支撑杆位于第一支撑杆和第三支撑杆之间，第三支撑杆垂直于水平面。可选地，第一支撑杆与第二支撑杆所成夹角大于第二支撑杆与第三支撑杆所成夹角。第一支撑杆与第二支撑杆所成夹角的范围在90
°‑
110
°
之间，优选为100
°
；第二支撑杆与第三支撑杆所成夹角的范围在30
°‑
50
°
之间，优选为40
°
。
51.当然，支撑部除第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆以外，还可以包括第一弧形杆312和第二弧形杆323，第一弧形杆的一端与第一支撑杆连接，第一弧形杆的另一端与第二支撑杆连接，第二弧形杆的一端与第二支撑杆连接，第二弧形杆的另一端与第三支撑杆连接。第一弧形杆312起到支撑第一支撑杆和第二支撑杆的作用，而第二弧形杆323起到支撑第二支撑杆和第三支撑杆的作用。
52.作为一可选的实施方式，信号采集部包括：第一辐亮度探头221、第二辐亮度探头222和辐照度探头223。第一辐亮度探头设置在第一支撑杆上，第二辐亮度探头设置在第二支撑杆上，辐照度探头设置在第三支撑杆上；第一辐亮度探头的光线接收端的纵剖面、第二辐亮度探头的光线接收端的纵剖面和辐照度探头的光线接收端的纵剖面位于同一平面。第一辐亮度探头、第二辐亮度探头和辐照度探头均通过光纤与测量部连接；第一辐亮度探头用于采集水体上行辐亮度，第二辐亮度探头用于采集天空光下行辐亮度，辐照度探头用于采集水面下行辐照度。
53.可选地，测量部包括：第一光谱仪211、第二光谱仪212、第三光谱仪213和电子设备214。第一光谱仪与第一辐亮度探头通过光纤连接，第一光谱仪用于根据水体上行辐亮度得到上行辐亮度光谱数据。第二光谱仪与第二辐亮度探头通过光纤连接，第二光谱仪用于根据天空光下行辐亮度得到下行辐亮度光谱数据。第三光谱仪与辐照度探头通过光纤连接，第三光谱仪用于根据水面下行辐照度得到下行辐照度光谱数据。第一光谱仪、第二光谱仪和第三光谱仪均与电子设备连接，电子设备用于根据上行辐亮度光谱数据、下行辐亮度光谱数据和下行辐照度光谱数据生成水面测量点处的离水反射率光谱数据。离水反射率光谱数据包括与波长一一对应的多个离水反射率，波长范围为310nm-900nm，每个波长对应一个离水反射率。
54.在进行离水反射率测量时，三个探头同时测量辐射量，得到水体上行辐亮度、天空光下行辐亮度和水面下行辐照度，两个辐亮度探头和一个辐照度探头的光谱范围为310nm-900nm。电子设备利用如下公式计算得到离水反射率：
[0055][0056]
式中，rrs(λ)为波长为λ时的离水反射率，lu(λ)为波长为λ时的水体上行辐亮度，l
sky
(λ)为波长为λ时的天空光下行辐亮度，es(λ)为波长为λ时的水面下行辐照度，r
sky
为系数，该系数根据太阳位置、测量天空光下行辐亮度的探头与辐照度探头的夹角以及风速风向确定，当测量天空光下行辐亮度的探头与辐照度探头的夹角(即观测天顶角)为40
°
时，根据fresenel公式计算得到r
sky
＝0.0245。
[0057]
因为在测量离水反射率时不需要翻转探头，所以不再受入射光场变化的影响，可以瞬间完成水体表面光谱测量工作。无人船在水面停稳后开始进行离水反射率光谱数据测量，光谱仪同时获取三个探头数据30s-60s，测量得到若干条光谱数据，测量时间超过几个波浪周期，这样在后期数据处理时可以剔除受外界环境影响大的光谱数据，提高离水反射率测量准确率。在一个水面测量点测量完毕后无人船会自动行驶至另一个水面测量点进行离水反射率的测量。
[0058]
作为一可选的实施方式，固定部包括：紧固件35和支撑架；连接杆通过紧固件与支撑架可转动连接。
[0059]
可选地，支撑架包括：水平支架36、竖直支架37和倾斜支架38。竖直支架的底部设置在无人船靠近船尾的位置处，竖直支架的顶部和倾斜支架的顶部均与水平支架连接，倾斜支架的底部设置在无人船靠近船头的位置处。水平支架的长度大于无人船的船长，水平支架的头部的平面投影处于无人船的平面投影以外，紧固件设置在水平支架的头部。为了提高支撑架的稳固性能，支撑架还可包括中间支架39，中间支架的底部设置在船体中部，中间支架的顶部与水平支架连接。可选地，水平支架36具有两个平行的杆体；竖直支架37和中间支架39均具有两个竖直杆体和一个连接两个竖直杆体的水平杆体，该水平杆体和水平支架的杆体在同一平面上；倾斜支架38具有两个倾斜杆体和一个连接两个倾斜杆体的水平杆体，该水平杆体和水平支架的杆体在同一平面上。当然，除了图1中示出的支撑架结构之外，支撑架还可以有多种实现方式，例如仅采用倾斜支架作为支撑架，或者采用倾斜支架与弧形支架组合形成支撑架，又或者采用三角架作为支撑架等。
[0060]
为了减小太阳耀斑对离水反射率测量的影响，需要调整各探头的光线接收端的纵剖面所在平面与太阳光入射平面的夹角在预设夹角范围内，当预设夹角范围在90
°‑
140
°
时可以有效地减小太阳耀斑影响，而各探头的光线接收端的纵剖面所在平面与太阳光入射平面的夹角为135
°
时是最佳角度，除了能够减小太阳耀斑影响，而且与剖面观测的离水辐亮度差异较小。图3为太阳光入射平面与探头的光线接收端的纵剖面的夹角示意图，图3为离水反射率测量系统的俯视图。调整该夹角的方式有两种，一种可选的实施方式是在无人船出发前手动调节该角度，另一种可选的实施方式是在无人船行驶时自动调节该角度。
[0061]
当手动调节各探头的光线接收端的纵剖面所在平面与太阳光入射平面的夹角时，在无人船出发前，先手动旋转第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆形成的平面与太阳光入射平面的夹角处于预设夹角范围内，当该夹角处于预设夹角范围内时，设置在各个支撑
杆上的探头的光线接收端的纵剖面所在平面与太阳光入射平面的夹角更能保证在预设夹角范围内，此时利用固定部的紧固件将连接杆进行固定操作。
[0062]
当自动调节各探头的光线接收端的纵剖面所在平面与太阳光入射平面的夹角时，在离水反射率测量系统中设置旋转机构，旋转机构设置在连接杆上，旋转机构可带动连接杆转动，以使第一支撑杆、第二支撑杆和第三支撑杆形成的平面与太阳光入射平面的夹角处于预设夹角范围内。
[0063]
可选地，旋转机构包括：驱动装置41、转动装置42和角度计算装置。驱动装置和角度计算装置设置在无人船上。转动装置设置在连接杆上，驱动装置分别与转动装置和测量装置连接。角度计算装置用于利用采集的无人船船体方位信息和太阳光入射角度信息确定旋转角度，基于旋转角度控制驱动装置带动转动装置旋转，以使各探头的光线接收端的纵剖面所在平面与太阳光入射平面的夹角在预设夹角范围内。可选地，角度计算装置包括角度测量装置43和电子设备214；角度测量装置与电子设备连接，电子设备与驱动装置连接，驱动装置与转动装置连接；角度测量装置用于采集无人船船体方位信息和太阳光入射角度信息；电子设备用于根据无人船船体方位信息和太阳光入射角度信息确定旋转角度，基于旋转角度控制驱动装置带动转动装置旋转。当然，角度计算装置也可以将角度测量装置和电子设备集成在一个装置中。
[0064]
作为一可选的实施方式，离水反射率测量系统还包括：视频采集装置5。视频采集装置设置在第一支撑杆上，视频采集装置用于采集水域图像信息。可选地，视频采集装置与电子设备连接，电子设备用于存储视频采集装置采集的水域图像信息。当离水反射率光谱数据出现数据异常情况时，可以通过水域图像信息对异常情况产生原因进行进一步分析。当然，可设置多个视频采集装置，除设置在第一支撑杆上的视频采集装置之外其他视频采集装置采集环境信息，便于后续操作人员观察水域周边情况。
[0065]
作为一可选的实施方式，离水反射率测量系统还包括：导航设备6。导航设备位于无人船上，导航设备与电子设备连接，导航设备用于采集无人船的位置信息，电子设备用于根据位置信息控制无人船行驶至水面测量点处。
[0066]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0067]
本说明书中的各个实施例均采用相关的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
[0068]
以上仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术。对于本领域技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的权利要求范围之内。