一种水体表观光谱观测双通道自校验系统及方法
【专利说明】一种水体表观光谱观测双通道自校验系统及方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明属于水色遥感现场数据处理技术领域，特别是涉及一种水体表观光谱观测双通道自校验系统及方法，可用于检验光谱数据的有效性。
[0003]
【背景技术】
[0004]对于江河、湖泊以及近海等二类水体遥感测量中，相对于法剖面法来说，采用水面以上测量法是比较可行、有效的。但在实际的水面上法测量过程中，由于现场环境条件复杂，受到各种各样的干扰因素的影响，比如水面镜面反射、天空光的辐射以及波浪和太阳耀斑都是影响测量精度和数据有效性的重要因素。虽然NASA、国际水色SMB1S组织等对水面上测量几何和测量方法进行了深入的研宄，并给出了相对合理的测量方法和数据处理方案，为避免太阳直射和天空光场的影响提供了解决思路。
[0005]但是在研宄中，仅用这些方法剔除异常数据在一定程度上是保证了测量的有效性，可实际处理后仍然有许多不正确的数据，这就迫切需要提出更多的检验测量数据有效性的方法辅助水色遥感现场数据的分析研宄工作。
[0006]
【发明内容】
[0007]为了解决上述技术问题，本发明提供了一种水体表观光谱观测双通道自校验系统及方法，可用于检验光谱数据的有效性，剔除异常数据，提高数据的质量，有利于后续的数据分析研宄工作。
[0008]本发明的系统所采用的技术方案是:一种水体表观光谱观测双通道自校验系统，其特征在于:包括主控装置、太阳追踪装置、转台和双通道光谱测量装置；所述的主控装置分别与所述的太阳追踪装置、转台和双通道光谱测量装置电连接，用于控制所述的太阳追踪装置、向所述的转台下达调整观测方位命令，并控制所述的双通道光谱测量装置完成双通道水体表观光谱的采集和数据存储；
所述的太阳追踪装置为一太阳光感应传感器，安装在所述的转台上设置的支撑杆顶部上，随所述的转台的转动而转动，用于感应太阳方位角的变化，输出所述的转台相对于太阳转动的角度；
所述的转台包括第一电机、蜗轮传动装置、电机固定板、旋转台和底座；所述的第一电机与所述的主控装置电连接，所述的第一电机的转动轴上装配蜗轮传动装置并通过螺纹连接件与电机固定板下表面固定连接；所述蜗轮传动装置由转动蜗轮、从动蜗轮和传动带组成；所述的第一电机的转动轴与安装在所述的电机固定板上表面的转动蜗轮的转动轴固定连接，所述的转动蜗轮和从动蜗轮通过所述的传动带连接；所述的旋转台包括转动盘、支撑转轴和支撑杆，所述的支撑转轴固定连接于所述的转动盘下表面中心位置，所述的支撑杆设在所述的转动盘上表面中心位置；所述的底座是由顶盖和底座壳体装配构成的中空结构，所述的顶盖中央安装有旋转轴承，所述的底座壳体底部设置有电源接口和过线孔；所述的电机固定板通过螺纹连接件固定安装在所述的顶盖下表面，使所述的第一电机和所述的蜗轮传动装置处于所述的底座的中空结构内；所述的支撑转轴穿过旋转轴承与所述的从动蜗轮固定连接；
所述的双通道光谱测量装置包括一个地物光谱仪、两个光路切换开关、两个光谱探头、一块参考板、两条支撑臂、两个第一舵机、两个探头固定架和一个直射太阳光遮挡机构；所述的地物光谱仪安装在所述的底座壳体内，所述的地物光谱仪的数据接口与所述的主控装置电连接，所述的地物光谱仪的采光口通过一分二光纤连接到两个所述的光路切换开关上，再由所述的两个光路切换开关分别连接到所述的两个光谱探头上；所述的两个光路切换开关用于切换不同的光谱探头采集的光线进入所述的地物光谱仪；所述的两个光谱探头分别安装在所述的两个探头固定架上，其尾部光纤穿过所述的底座壳体底部设置的过线孔与所述的光路切换开关连接；所述的两条支撑臂一端分别固定安装在所述的支撑杆上，另一端分别与所述的两个第一舵机固定连接；所述的两个探头固定架用于将两个光谱探头分别固定到所述的两个第一舵机的转轴上；所述的两个第一舵机分别用导线穿过过线孔电连接到所述的主控装置上，便于主控装置分别控制其转动；所述的参考板固定安装在转动盘上，位置正好处于其中一个光谱探头下面；所述的直射太阳光遮挡机构包括第二舵机、连接臂和遮光板；所述的第二舵机安装在所述的参考板一侧，轴向与所述的其中一个光谱探头水平方向成45°夹角；所述的遮光板通过所述的连接臂固定安装在所述的第二舵机转轴上。
[0009]作为优选，所述的由顶盖和底座壳体装配构成的中空结构内设有内部安装架，所述的主控装置和地物光谱仪分别通过螺纹连接件固定安装在所述的内部安装架上。
[0010]作为优选，所述的光路切换开关包括安装板、固定板、小电机和一组光纤连接器，所述的安装板有A、B两片，均垂直平行固定安装在所述的固定板表面上，A、B两片安装板与固定板之间构成封闭的中空夹层；A、B两片安装板上对称位置处开有透光通孔，使A、B两片安装板及中空夹层相通；所述的中空夹层内设有遮光片，所述的透光通孔旁边装有所述的小电机，所述的小电机的转动轴通过安装孔伸入所述的中空夹层内；所述的遮光片一端紧密套接在所述的转动轴上，另一端能在所述的中空夹层平面内围绕所述的转动轴转动，所述的遮光片的宽度大于所述的透光通孔直径，所述的遮光片转动半径大于所述的转动轴到所述的透光通孔的距离，使得所述的遮光片转至水平位置时能够阻断所述的透光通孔；所述的透光通孔在A片的开口通过光纤连接地物光谱仪，所述的透光通孔在B片的开口通过光纤连接光谱探头；所述的小电机的机身通过螺纹连接件和固定块固定安装在所述的固定板上，其尾部导线与所述的主控装置电连接；所述的固定板表面还开有螺孔，用于将整个光路切换开关通过螺纹连接件固定安装在底座壳体内。
[0011]作为优选，所述的两条支撑臂之间成90°夹角水平安装在所述的支撑杆上。
[0012]本发明的方法所采用的技术方案是:一种水体表观光谱观测双通道自校验方法，其特征在于，包括以下步骤:
步骤1:前期部署，在待测目标水域上安装所述的水体表观光谱观测双通道测量系统，并将外部电源接入到所述的电源接口；
步骤2:观测方位调整，主控装置根据(40°，135° )的观测几何控制所述的第一电机转动，进而由所述的蜗轮传动装置带动所述的旋转台及其上的所有部件转动，在这个过程中主控装置还通过读取太阳追踪装置来获取太阳入射方位相对于转台的改变量，直到所述的两个光谱探头的朝向与太阳入射方向成135°夹角为止；
步骤3:双通道光谱测量，通过主控装置控制所述的两个第一舵机转动来改变相对太阳光入射平面对称的两个光谱探头的测量角度、控制所述的两个光路切换开关的小电机来切断或打开两个光谱探头各自进入地物光谱仪的采光通道和读取两个光谱探头的光谱数据，进而完成双通道水体表观光谱的同步测量；
步骤4:数据检验，以时间索引为基础，确定同步测量得到的双通道的水体表观光谱数据，确定5%的偏差范围限值，对每个光谱波长的测量值进行逐一对比，当整条光谱曲线上有超过5%的光谱波长上的点相对偏差超过5%的时候此次测量的光谱数据确认无效；当整条光谱曲线上有低于5%的光谱波长上的点相对偏差超过5%的时候，剔除光谱测量对应波长的光谱值，再保存该条光谱，并将该光谱标记为中等质量光谱；当整条曲线所有的光谱波长上的值都低于5%的偏差阈值时候，确认此时的测量光谱是最优光谱，可用于后续的卫星数据大气校正比对或者水色参数反演建模；当最优光谱不够用时，选用中等质量光谱进行后续分析。通过这种逐条光谱曲线逐个光谱波长值的对比，可以做到点对点地比较各自通道的光谱数据，从而剔除掉有差异的、不一致性的测量值，避免了单通道测量的数据不确定性冋题；
步骤5:数据存储，主控装置将通过检验的数据进行存储。
[0013]作为优选，步骤3中所述的双通道水体表观光谱的测量包括暗电流测量、标准板测量、遮挡直射阳光的标准板测量、目标水体测量、天空光测量。
[0014]现有技术中单个方位角(单通道)的水体表观光谱测量后的数据有效性只能通过现场实验记录、照片等等来验证，而利用本发明可以为数据有效性的判断增加非常重要的参考依据，为水表观光谱数据的检验提供一种新的方法和工具。
[0015]
【附图说明】
[0016]图1:为本发明实施例的系统原理图；
图2:为本发明实施例的系统整体结构示意图；
图3:为本发明实施例的系统的转台的内部结构示意图；
图4:为本发明实施例的系统的双通道光谱测量装置的俯视结构示意图；
图5:为本发明实施例的系统的光路切换开关的结构剖视示意图；
图6:为本发明实施例的方法流程图。
[0017]图中:1-主控装置，2-太阳追踪装置，3-转台，31-第一电机、32-蜗轮传动装置，321-转动蜗轮，322-从动蜗轮，323-传动带，33-电机固定板，34-旋转台，341-转动盘，342-支撑转轴，343-支撑杆，35-底座，351-顶盖，352-底座