一种水下高光谱数据采集系统

本发明涉及海底光谱采集，特别涉及一种水下高光谱数据采集系统。

背景技术：

1、随着高光谱传感器的更广泛使用和对即将到来的卫星传感器性能的了解需求，迫使研究人员测量不同底栖生物栖息地的光谱特性，世界各地的研究人员收集了不同底栖生物栖息地的反射率数据，大多数仪器的开发和不同底栖类别型的光谱库都是在热带和珊瑚礁环境中进行的，对反射率数据的需求也推动了技术的发展。早期的研究使用的是常规的现场光谱仪，它们通常体积非常庞大，另一种选择是将珊瑚和其他底栖生物样本带到实验室，或者在收集后立即测量它们在船上或岸上的反射率，当利用遥感影像进行浅水底质，例如珊瑚、沙质、藻类等提取时，由于不同深度的水体光谱吸收和散射程度不同，而造成海底底质同物异谱和异物同谱现象，且水下环境中，光与水体的相互作用会带来的光谱失真以及浸水后目标材料的表面特性发生变化，致使海底底质反射特性不够准确。

技术实现思路

1、鉴以此，本发明提出一种水下高光谱数据采集系统，通过将光谱仪的探测光纤浸没于水中，将光源和探测光纤合并，对比校准板，直接测量校准板的反射率，消除目标材料的反射特性无关的影响。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种水下高光谱数据采集系统，包括光源、光谱仪、水箱和分析模块，所述水箱内放置有样品和校准板，所述水箱的上部固定有用于支撑所述光源以及光谱仪的支架，所述光源以及光谱仪可沿所述支架在所述水箱内移动，以对样品或校准板进行光谱采集，所述校准板、样品以及光谱仪的探测光纤浸没于所述水箱的水中，所述光谱仪与所述分析模块信号连接，以对采集的光谱进行分析，进而消除与样品的反射特性无关的影响。

4、优选的，所述光谱仪包括光纤探头、ccd阵列相机和光谱仪器，所述光纤探头与所述ccd阵列相机电连接，所述ccd阵列相机与所述光谱仪器电连接，所述光谱仪器与所述分析模块连接，以对所述光谱仪器采集的光谱进行分析。

5、优选的，所述光纤探头包括双列直插探针、发射光纤、接收光纤和应力消除装置，所述发射光纤以及接收光纤与所述应力消除装置，所述应力消除装置与所述双列直插探针连接。

6、优选的，所述发射光纤以及接收光纤的外侧均套设有保护套。

7、优选的，所述支架包括支撑座和支撑杆，所述支撑杆的两端分别连接于所述水箱的上部，所述支撑座与所述支撑杆滑动连接。

8、优选的，所述水箱内的底部覆盖有垫层，所述样品以及校准板放置在所述垫层上。

9、优选的，所述分析模块对采集光谱的分析并消除与样品的反射特性无关的影响步骤为：

10、s1：获取目标材料平面中的微分区域da的辐照度，单个所述光源发射的波长为λ的光，通过目标材料平面中的微分区域da反射到所述光谱仪的接收平面上，辐射源在差分区域上的辐射强度源于点源，eda w/m2，相对于源强度会因极坐标θs，φs中表示的源方向而异，目标材料平面中的微分区域da的辐照度公式为：

11、

12、其中，<·,·>是点乘或者标量积,||·||是欧几里得标量范数，da是单位面积，isw sr-1代表辐射强度，dωs是单位立体角，表示单位方向向量之间的点积，相当于角度的余弦，通过吸收和散射过程，光随着整个介质的距离呈指数衰减，其速率由水的衰减系数c(λ)决定；

13、双向反射分布函数(brdf)被定义为波长、入射角和视角的函数，光入射到目标材料微分区域上的辐照度与反射的辐射量之间的关系公式如下：

14、

15、对于朗伯散射体，入射光在所有半球方向上均匀分布，上式转换为：

16、

17、其中，ρ(λ)是目标材料的反照率或漫反射率，对于完美的朗伯散射体，反射率和反照率是等效的；

18、s2：将微分表面元素视为输出辐照度的来源，计算所述光谱仪获取的辐照度公式为：

19、

20、其中，tl(θc)是光谱传输损耗，而ωl是所述光谱仪的圆形孔径对向的立体角，投影圆形孔径ωl公式为：

21、

22、其中，d是所述光谱仪的透镜透射的直径，将ωl代入，光谱经过所述光谱仪透镜透射后获取的辐照度公式为：

23、

24、s3：将所述光源和所述光谱仪的探测光纤合并，光谱经过所述光谱仪透镜透射后获取的辐照度公式简化为如下公式：

25、

26、s4：设置校准板第一参考高度为h1，辐照度为ec1，校准板第二参考高度为h2，辐照度为es2，所述光谱仪的两个参考高度获取的辐照度公式分别为：

27、

28、

29、因而当测量得出h1处的福照度，可推断出h2处的福照度，h2处的福照度公式如下：

30、

31、已知校准板的辐照度er，校准板的反射率ρ+，则被目标材料的反射率为：

32、

33、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

34、本发明提供的一种水下高光谱数据采集系统，通过将光谱仪的探测光纤和光源合并，并使合并后的光谱仪的探测光纤浸没于水中，沿支架滑动合并后的光谱仪的探测光纤和光源，比校准板，直接测量校准板的反射率，为光谱仪在海底动态采集光谱信息提供理论支撑，可以避免珊瑚样本采样后在空气中发生的光谱变化，采集了样本的水下光谱数据集，消除目标材料的反射特性无关的影响，提高海底底质光谱数据。

技术特征：

1.一种水下高光谱数据采集系统，其特征在于：包括光源、光谱仪、水箱和分析模块，所述水箱内放置有样品和校准板，所述水箱的上部固定有用于支撑所述光源以及光谱仪的支架，所述光源以及光谱仪可沿所述支架在所述水箱内移动，以对样品或校准板进行光谱采集，所述校准板、样品以及光谱仪的探测光纤浸没于所述水箱的水中，所述光谱仪与所述分析模块信号连接，以对采集的光谱进行分析，进而消除与样品的反射特性无关的影响。

2.如权利要求1所述的一种水下高光谱数据采集系统，其特征在于：所述光谱仪包括光纤探头、ccd阵列相机和光谱仪器，所述光纤探头与所述ccd阵列相机电连接，所述ccd阵列相机与所述光谱仪器电连接，所述光谱仪器与所述分析模块连接，以对所述光谱仪器采集的光谱进行分析。

3.如权利要求2所述的一种水下高光谱数据采集系统，其特征在于：所述光纤探头包括双列直插探针、发射光纤、接收光纤和应力消除装置，所述发射光纤以及接收光纤与所述应力消除装置，所述应力消除装置与所述双列直插探针连接。

4.如权利要求3所述的一种水下高光谱数据采集系统，其特征在于：所述发射光纤以及接收光纤的外侧均套设有保护套。

5.如权利要求1所述的一种水下高光谱数据采集系统，其特征在于：所述支架包括支撑座和支撑杆，所述支撑杆的两端分别连接于所述水箱的上部，所述支撑座与所述支撑杆滑动连接。

6.如权利要求1所述的一种水下高光谱数据采集系统，其特征在于：所述水箱内的底部覆盖有垫层，所述样品以及校准板放置在所述垫层上。

7.如权利要求1所述的一种水下高光谱数据采集系统，其特征在于：所述分析模块对采集光谱的分析并消除与样品的反射特性无关的影响步骤为：

技术总结
本发明提供一种水下高光谱数据采集系统，包括光源、光谱仪、水箱和分析模块，所述水箱内放置有样品和校准板，所述水箱的上部固定有用于支撑所述光源以及光谱仪的支架，所述光源以及光谱仪可沿所述支架在所述水箱内移动，以对样品或校准板进行光谱采集，所述校准板、样品以及光谱仪的探测光纤浸没于所述水箱的水中，所述光谱仪与所述分析模块信号连接，以对采集的光谱进行分析，进而消除与样品的反射特性无关的影响，通过将光谱仪的探测光纤和光源合并，并光谱仪的探测光纤浸没于水中，对比校准板，直接测量校准板的反射率，消除目标材料的反射特性无关的影响，提高海底底质光谱数据，为光谱仪在海底动态采集光谱信息提供理论支撑。

技术研发人员：吴忠强,吴淑雷,陈焕东,刘晓文
受保护的技术使用者：海南师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15