一种水下光谱辐射测量装置以及测量方法

本发明涉及水下光谱辐射测量领域，具体涉及一种水下光谱辐射测量装置以及测量方法。

背景技术：

1、海洋光学是研究海洋科学的重要分支，海洋生物初级生产力的研究和调查与海中辐照度的分布等密切相关，进入海水中的太阳光是水下生物唯一的能量来源，对于水下生态系统的建设有着至关重要的意义，光谱分析具有携带信息多，应用范围广等优势，现场实测的光谱数据是研究水体光谱反射率，水体数据，估算海洋光合作用与初级生产力的重要依据，因此，水下高光谱辐射观测系统需要获得准确的水下光谱观测数据，为海洋牧场的建设提供科学的理论依据。

2、测量海水中向上的光谱辐照度时，如专利号为zl200820047324.0的《一种带光纤的水下辐照度探头》给出了辐照度采集用的探头，但这一技术方案存在如下问题：水下辐照度探头能够采集辐照度数据，但是无法对辐照度数据进行即时分析与存储。

技术实现思路

1、鉴于上述问题，本发明提供了一种水下光谱辐射测量装置以及测量方法，解决了现有的水下光谱测量仪器无法对辐照度数据进行即时分析与存储的问题。

2、为实现上述目的，在第一方面，本发明提供了一种水下光谱辐射测量装置，包括框架组件、探头组件、水位计、配重块、光谱仪组件以及控制单元，框架组件包括第一支杆、第二支杆以及主杆，第一支杆与第二支杆对称设置于主杆的两端，第一支杆内具有第一管路，第二支杆内具有第二管路，主杆内具有第三管路，第一管路、第二管路与第三管路连通；探头组件包括第一探头以及第二探头，第一探头设置在第一管路的一端，第二探头设置在第一管路的另一端，第一探头用于采集辐射光束的辐照度光波，第二探头用于采集辐射光束的辐亮度光波；水位计设置在第二管路的一端，水位计用于采集框架组件在水体中的水深信息；配重块设置在第二管路的另一端，配重块与水位计的质量总和记为第一质量，第一探头和第二探头的质量总和记为第二质量，第一质量的数值和第二质量相对应；光谱仪组件设置在主杆上，且设置在第三管路内，光谱仪组件与探头组件通过第一管路以及第三管路连通，光谱仪组件与水位计通过第二管路以及第三管路连通，光谱仪组件用于将辐照度光波转换成第一光谱信息，以及将辐亮度光波转换成第二光谱信息；控制单元与光谱仪组件、第一探头、第二探头以及水位计电连接，控制单元用于接收水位计的水深信息，以及用于控制第一探头获取辐照度光波，控制光谱仪组件根据辐照度光波获得第一光谱信息，对第一光谱信息进行存储，并在存储完毕后控制第二探头获取辐亮度光波，控制光谱仪组件根据辐亮度光波获得第二光谱信息，对第二光谱信息进行存储，并根据第一光谱信息、第二光谱信息以及水深信息换算获得水体的水体数据。

3、在一些实施例中，第三管路具有第一连接部以及第二连接部，第一连接部与第一管路连通，第二连接部与第二管路连通，光谱仪组件包括壳体、光纤束以及光谱仪，壳体具有容置腔、第一输入口以及第二输入口，第一输入口与第一连接部连通，第二输入口与第二连接部连通，容置腔分别与第一输入口、第二输入口连通；光纤束包括第一光纤、第二光纤以及第三光纤，第一光纤的一端与第一探头连接，第二光纤的一端与第二探头连接，第一光纤的另一端与第二光纤的另一端交汇，且与第三光纤的一端连接，第三光纤的另一端穿过第一输入口进入容置腔，第一光纤用于传递辐照度光波，第二光纤用于传递辐亮度光波；光谱仪置于容置腔内，光谱仪与第三光纤的另一端连接，第三光纤用于将辐照度光波以及辐亮度光波传递至光谱仪。

4、在一些实施例中，光谱仪包括安装筒、光栅、探测器以及数据处理模块，安装筒设置在容置腔内，安装筒上设有光纤端口，第三光纤与光纤端口连接；光栅嵌设在安装筒上，且对应于光纤端口设置，光栅用于将光纤端口输出的辐照度光波进行分光，生成第一分光光束，并对第一分光光束进行折转，或者，光栅用于将光纤端口输出的辐亮度光波进行分光，生成第二分光光束，并对第二分光光束进行折转；探测器具有采集面，探测器设置在安装筒上，且对应于光栅设置，第一分光光束在折转后被投射至采集面，探测器用于采集第一分光光束的第一光谱信息，以及第二分光光束在折转后被投射至采集面，探测器用于采集第二分光光束的第二光谱信息。

5、在一些实施例中，安装筒内沿辐照度光波以及辐亮度光波的传播方向设有第一光阑组，第一光阑组内设有至少一个第一光阑，第一光阑的一端与安装筒的内壁连接，第一光阑的另一端向外延伸，第一光阑用于吸收辐照度光波以及辐亮度光波中的第一杂光；安装筒内沿第一分光光束以及第二分光光束的传播方向设有第二光阑组，第二光阑组内设有至少一个第二光阑，第二光阑的一端与安装筒的内壁连接，第二光阑的另一端向外延伸出安装筒外，第二光阑用于吸收第一分光光束以及第二分光光束中的第二杂光。

6、在一些实施例中，第一光阑的数量为多个，多个第一光阑沿辐照度光波以及辐亮度光波的传播方向间隔设置，且多个第一光阑的延伸长度沿辐照度光波以及辐亮度光波的传播方向按照第一预设梯度逐渐减小；和/或，第二光阑的数量为多个，多个第二光阑沿第一分光光束以及第二分光光束的传播方向间隔设置，且多个第二光阑的延伸长度沿第一分光光束以及第二分光光束的传播方向按照第二预设梯度逐渐减小。

7、在一些实施例中，安装筒内还设有第三光阑组，第三光阑组设置在辐照度光波的传播路径与第一分光光束的传播路径之间，或者，第三光阑组设置在辐亮度光波的传播路径与第二分光光束的传播路径之间，第三光阑组包括至少一个第三光阑，第三光阑的一端与安装筒的内壁连接，第三光阑的另一端向外延伸，第三光阑用于隔离辐照度光波与第一分光光束，或者，第三光阑用于隔离辐亮度光波与第二分光光束。

8、在一些实施例中，第一探头包括第一遮光筒、第一电动快门以及第一余弦校正器，第一遮光筒包括第一端口以及第二端口；第一电动快门设置在第一端口；第一余弦校正器设置在第二端口；和/或，第二探头包括第二遮光筒、第二电动快门以及聚光透镜，第二遮光筒包括第三端口以及第四端口；第二电动快门设置在第三端口；聚光透镜设置在第四端口。

9、在第二方面，本发明提供了一种水下光谱辐射测量方法，适用于第一方面所述的水下光谱辐射测量装置，方法包括：

10、控制第一探头采集辐照度光波，以及控制水位计采集水深信息；

11、控制光谱仪组件根据辐照度光波获得第一光谱信息；

12、对第一光谱信息进行存储；

13、控制第二探头采集辐亮度光波；

14、控制光谱仪组件根据辐亮度光波获得第二光谱信息；

15、根据第一光谱信息、第二光谱信息以及水深信息生成水体的水体数据。

16、在一些实施例中，光谱仪组件包括光谱仪以及光纤束，光纤束与第一探头、第二探头连接，光谱仪包括光栅以及探测器；

17、控制所述光谱仪组件根据所述辐照度光波获得第一光谱信息包括：

18、光栅对辐照度光波进行分光，生成第一分光光束，并对第一分光光束进行折转并投射至探测器；

19、控制探测器采集第一分光光束的光谱信息，记为第一光谱信息；

20、控制光谱仪组件根据辐亮度光波获得第二光谱信息包括：

21、光栅对辐亮度光波进行分光，生成第二分光光束，并对第二分光光束进行折转并投射至探测器；

22、控制探测器采集第二分光光束的光谱信息，记为第二光谱信息。

23、在一些实施例中，水体数据包括离水辐亮度，离水辐亮度与辐照度光波、辐亮度光波以及水深信息的关系通过公式(1)表示，公式(1)如下：

24、

25、在公式(1)中，lwn(λ)为最终离水辐亮度，lw(λ)为测量离水辐亮度，f0为大气层外平均的太阳辐照度，es(λ)为辐照度光波的辐照度数值；

26、lw(λ)可通过公式(2)表示，公式(2)如下：

27、

28、在公式(2)中，t为界面透过率，n为水的折射率，lu(λ，0-)为位于水体表面0-深度的上行辐亮度光波的辐亮度数值；

29、lu(λ，0-)可通过公式(3)表示，公式(3)如下：

30、

31、在公式(3)中，z1代表水深信息中的第一液位深度，lu(λ，z1)代表z1液位深度的上行辐照度光波的辐照度数值，kl为水体的上行辐亮度衰减系数；

32、kl可通过公式(4)表示，公式(4)如下：

33、

34、在公式(4)中，z2代表水深信息中的第二液位深度，lu(λ，z2)代表z2液位深度的上行辐照度光波的辐照度数值，es(λ，t1)对应于t1时刻的海平面的辐照度光波的辐照度数值，es(λ，t2)对应于t2时刻的海平面的辐照度光波的辐照度数值。

35、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

36、水下光谱辐射测量装置包括框架组件、探头组件、水位计、配重块、光谱仪组件以及控制单元，框架组件包括第一支杆、第二支杆以及主杆，第一支杆的两端分别设有第一探头与第二探头，能够对水下的辐照度光波以及辐亮度光波进行收集，第二支杆的两端分别设有水位计以及配重块，并通过配重块实现主杆两端第一支杆、第二支杆上的质量平衡，光谱仪组件能够对辐照度光波以及辐亮度光波进行光谱分析，控制单元能够根据第一光谱信息以及第二光谱信息、水深信息生成水体的水体数据。本技术方案将光谱仪组件集成在框架组件中，并可与探头组件以及水位计组成一个整体投入水中，实现在第一探头采集辐照度光波以及第二探头采集辐亮度光波时，对辐照度光波、辐亮度光波进行分析与处理并生成水体的水体数据进行存储，实现了数据的即时存储功能；同时，整个测量装置结构简单，减少自身阴影对辐照度光波、辐亮度光波的影响，提高辐照度光波、辐亮度光波采集的精度，进而提升水体数据的准确性。