一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统的制作方法

本发明属于自动控制装备领域，尤其涉及一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统。

背景技术：

高光谱仪海面辐照观测系统可以通过高光谱测量方法来测定离水辐亮度和下行辐照度，测量的结果可用于计算溶解态有机物、悬浮物及表层叶绿素浓度等多种海洋要素。由于叶绿素是藻类生物量的重要监测指标，所以可利用这些资料来估计浮游植物的丰度和初级海洋生产力，检测赤潮等。该设备需要架设在高处，并且观测平面始终要求与太阳光直射平面保持一定的夹角，当前观测人员主要是通过人工转动基座保持观测平面与太阳直射平面之间的夹角，高频率的数据观测、人工转动转角的不准确性等问题严重阻碍了系统观测效果，增加了观测的劳动强度，高效率的自动化观测设备成为当前急需解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中当前的高光谱仪海面辐照人工观测系统存在的效率低、劳动强度大、观测误差大等问题提供了一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案

一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统，包含高光谱仪、太阳自动跟踪转盘，所述太阳自动跟踪转盘包括时钟模块、输入模块、电机驱动模块、转盘、控制器模块和供电模块；所述高光谱仪包含一光电跟踪模块，所述时钟模块、输入模块和供电模块分别和控制器模块连接，所述控制器模块依次通过电机驱动模块、转盘连接光电跟踪模块；所述输入模块用于输入纬度参数；所述时钟模块用于记录时间；所述控制器模块用于根据输入的纬度参数得到太阳方位角转换为相应时刻的电机转动量，进而驱动电机驱动模块通过转盘控制光电跟踪模块。

作为本发明一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案，所述供电模块包含太阳能板、太阳能控制器、蓄电池和继电器，所述阳能板、太阳能控制器、蓄电池依次连接，所述太阳能控制器通过继电器连接控制器模块。

作为本发明一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案，所述控制器模块采用STM32控制器。

作为本发明一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案，所述转盘采用57步进电机转台。

作为本发明一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案，所述时钟模块的芯片型号为DS1302。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.与传统的人工观测相比，本自动化观测系统提高了观测的效率，降低了观测的劳动强度。

2.通过太阳轨道跟踪方法和投影法相结合实现观测平面与太阳直射平面始终保持观测角度，提高了观测的精度，同时避免了太阳轨道跟踪方法的累积误差，以及单纯投影法存在的阴天无法使用的情况。

附图说明

图1是本发明高光谱仪与太阳光入射平面；

图2是本发明高光谱仪自动辐照光电跟踪模块安装示意图；

图3是本发明光电跟踪模块部分俯视图；

图4是本发明自动观测的整体流程图；

图5是本发明海气高光谱辐射自动观测控制系统结构原理图；

图6是本发明投影法光电检测的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

图1是高光谱仪设备与太阳光入射平面，传感器组成了一个观测平面，太阳光入射作为另外一个平面，转盘设计保证太阳入射平面与仪器观测平面既图5中的φ 始终为 135°，误差在正负2.5度。

图3是光电跟踪的检测部分示意图。为了达到节约成本且有效的实现太阳方位角跟踪，该装置利用简易结构的投影法实现方位角的跟踪。

图3中大圆为一个圆盘，上方13个小圆与下方一个小圆为光敏电阻，中心黑色小圆为圆柱形标杆的俯视图样。两条虚线为光敏电阻边界（实际在边界外适当距离）到圆柱标杆中心的角度a。黑色箭头为圆柱在太阳光线下的投影。

首先，根据太阳方位角的定义：太阳光线在地平面上的投影与当地子午线的夹角，则可以近似看作树立在地面上的直线在阳光下的阴影与正南方向的夹角。而项目要求为与太阳光入射平面始终保持一定的角度φ，则可以通过圆柱行标杆的阴影来控制保持一定的角度。

由于项目要求精度在正负2.5度以内，则确定角度A为5度，装置目的是：旋转圆盘是阴影投影在正上方小圆上，根据精确度范围要求，则当有阴影投影在正上方的光敏电阻上，即可以认为已经达到要求，即与太阳光入射平面始终保持一定的角度φ。

如何实施：图中上方十二个黑色小圆起到标定度数的作用，每个小圆代表为5度，由正中上方小圆开始顺时针，逆时针刻度以此为5,10,15,20,25,30。只要正中上方小圆上有阴影，则认为是符合要求的（解决阴影同时落在正中上方小圆与旁边黑色小圆的情况），不用调整。只要正中上方小圆上没有阴影，则要调整，检测阴影投影在哪个小圆上，则顺时针或逆时针旋转小圆所对应的角度。如果阴影同时落在两个黑色小圆上则转平均角度。

如何判别：光敏电阻模块会检测光照强度是否达到设定值，然后输出0或1，将左边六个光敏电阻数据模块输出端连接至单片机的P1组端口，右边六个连接至单片机的P0组端口，正中上方和下方光敏电阻链接在单片机P2组端口中的某一个端口。

开始时先判别下方光敏电阻，判断是否有阳光和阳光是否够强。再判别正中上方光敏电阻，判别是否需要调整。在判别P1和P0组端口的二进制知，来确定需要逆时针或顺时针转多少度数。例如，投影在右边第三个黑色光敏电阻上，则P0口的值为00100000，则逆时针旋转15度。将二进制数与旋转度数一一对应起来，达到判别转多少度数的目的。

只设置一侧有光敏电阻的原因：因为是配合已有轨道跟踪，所以与太阳入射光线所在平面偏差不会很大，所以只需要一侧有光敏电阻用来检测。

图2是整个系统的安装示意图。通过将高光谱仪安装在转盘上可以实现海面辐照系统的自主转动，不再仅仅依赖人工的手工转动，确保了实验的准确性。考虑装置在水面上使用，而且有其他设备可能产生阴影影响。考虑用如图2装置固定在已有转台上。图2中，最上方为半球形透明防水保护罩，光敏检测装置在保护罩内部。保护罩下方为支撑柱，使装置高于其他仪器，防止其他仪器产生的阴影对检测产生影响。最下方为已有转台。此装置安装在转台中心位置，否则旋转角度需要再次计算。系统中的转盘供电采用的是太阳能控制器控制输出，阴天时能够通过蓄电池供电，晴天时能够对蓄电池进行充电。

57步进转台，采用的是蜗轮蜗杆减速比是180:1。够很好的满足精度的要求。转盘上标出鲜明的刻度数据，可以设定开始时的数据，帮助别人计算在一定的时间内整个系统的转动的度数。

图5是转动平台的控制图，其中不包括高光谱仪的框架图。转动控制平台依赖步进电机转动，实现了脉冲信号的转化。由太阳轨道运行算法计算出有多少个脉冲，一个脉冲信号电机转动1.8°，以上两者相乘既得出电机转动的角度。再经过光电模块的校准，得出电动机高精度调整的转动角度。

图4是本发明自动观测的整体流程图；程序一开始就对所有器件进行初始化，包括时间模块、输入模块、电机驱动器端口配置。然后通过手动输入当地的纬度信息，如果不输入，则一直停止。输入之后，开启I2C总线传输，启动信号获取时间常数，对时间常数做一定的处理，由于时钟模块输出的是十六进制，对其作进制转换。太阳轨道模拟算法进行计算，得出电机转动量，电机转动量减去上次的电机转动量既是本次转动量。再经过光电模块校准，得到高精度跟踪。

图5是本发明海气高光谱辐射自动观测控制系统结构原理图；一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统，包含高光谱仪、太阳自动跟踪转盘，所述太阳自动跟踪转盘包括时钟模块、输入模块、电机驱动模块、转盘、控制器模块和供电模块；所述高光谱仪包含一光电跟踪模块，所述时钟模块、输入模块和供电模块分别和控制器模块连接，所述控制器模块依次通过电机驱动模块、转盘连接光电跟踪模块；所述输入模块用于输入纬度参数；所述时钟模块用于记录时间；所述控制器模块用于根据输入的纬度参数得到太阳方位角转换为相应时刻的电机转动量，进而驱动电机驱动模块通过转盘控制光电跟踪模块；所述供电模块包含太阳能板、太阳能控制器、蓄电池和继电器，所述阳能板、太阳能控制器、蓄电池依次连接，所述太阳能控制器通过继电器连接控制器模块，所述控制器模块采用STM32控制器，所述转盘采用57步进电机转台。作为本发明一种基于投影法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案。

STM32控制器通过接口实现时间信息的获取，输入模块通过终端录入纬度参数。（这些信息通过太阳轨道模拟算法计算出此时的太阳方位角。太阳方位角与时间和经纬度呈现一定的关系式。）得到太阳方位角之后，将太阳方位角转化为相应时刻的电机转动量。由于计算出的转动量是包括上一次与本次转动量的之和，因此需要减去上一次的电机转动量，最后驱动步进电机转动。步进电机转动之后即可实现与太阳方位角保持大致一定的角度，在通过光电跟踪，校准轨道算法的误差，并保持相对高精度的跟踪。以上所有的电源都是用太阳能控制器控制输出，在阴天的时刻可以通过蓄电池放电，晴天的时刻可以对其蓄电池充电，达到在野外能够长时间运行的效果，不必因为电源的问题而多频率更换。这里的转盘，我们采用的是直接与电机相连，转盘与电机转动比为180：1，达到转盘精度高的优点。转盘承重量多大几百公斤，将高光谱仪置于转台之上，螺丝稳固即能实现自主转动的效果，不需要人工实地转动，转盘按照预定的轨道进行转动带动高光谱仪实现全方位角度粗精度转变，并由光电模块进行高精度跟踪。图6是采用投影法检测光照判断角度的流程图。

综上所述，本发明与传统的人工观测相比，本自动化观测系统提高了观测的效率，降低了观测的劳动强度；通过太阳轨道跟踪方法和投影法相结合实现观测平面与太阳直射平面始终保持观测角度，提高了观测的精度，同时避免了太阳轨道跟踪方法的累积误差，以及单纯投影法存在的阴天无法使用的情况。