一種適用于水面光譜遠程實時監(jiān)測的自動化裝置與方法
【專利說明】一種適用于水面光譜遠程實時監(jiān)測的自動化裝置與方法
[0001]
技術領域
[0002]本發(fā)明屬于水色遙感光譜測量領域，特別是涉及一種適用于水面光譜遠程實時監(jiān)測的自動化裝置與方法。
[0003]
【背景技術】
[0004]對海洋、湖泊等水體的光學特征測量與分析是水色遙感的基礎之一，針對不同的水體，野外測試獲取了大量的實測光譜對水色遙感建模和遙感產品真實性檢驗來說更是必不可少的重要環(huán)節(jié)，對于大洋的I類水體，水下剖面測量法是首選的方法，而對于海洋沿岸以及內陸湖泊等高葉綠素和高懸浮物濃度的II類水體的表觀光學特性的測量相對適合的方法是水面以上測量法，雖然NASA、國際水色SMB1S組織等對此給出了相對合理的測量方法和數(shù)據處理方案，但是在實際研宄中，人工操作實地采樣來獲取現(xiàn)場水體表觀光譜數(shù)據仍然存在很多問題，這類監(jiān)測方法在精度上有一定的準確性，但是這類測量得到的數(shù)據量小、可靠性差，受現(xiàn)場環(huán)境和人為因素影響較大，而且是在點上進行，難以全面反映水體生態(tài)環(huán)境的總體時空變化，且費時、費力、成本高，更重要的是不能進行實時遠程監(jiān)測。
[0005]因此，有必要提出一種適用于水面光譜遠程實時監(jiān)測的自動化裝置與方法，來獲取精確的現(xiàn)場水體表觀光譜數(shù)據。
[0006]

【發(fā)明內容】

[0007]為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供了一種適用于水面光譜遠程實時監(jiān)測的自動化裝置與方法。
[0008]本發(fā)明的裝置所采用的技術方案是:一種適用于水面光譜遠程實時監(jiān)測的自動化裝置，其特征在于:包括總控系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、觀測幾何自動調整系統(tǒng)、光譜測量系統(tǒng)、跟隨拍照系統(tǒng)和遠程服務器；所述的光譜測量系統(tǒng)安裝在所述的觀測幾何自動調整系統(tǒng)上，所述的總控系統(tǒng)通過電纜分別與所述的無線通訊系統(tǒng)、全球定位系統(tǒng)、觀測幾何自動調整系統(tǒng)、光譜測量系統(tǒng)、跟隨拍照系統(tǒng)電氣連接，所述的無線通訊系統(tǒng)通過無線網絡與所述的遠程服務器連接通信；所述的總控系統(tǒng)包括控制電路板和第一水密外殼，所述的控制電路板上設置有數(shù)據存儲卡，用于儲存測量的光譜數(shù)據和照片；所述的第一水密外殼包括第一封蓋和第一殼體，所述的第一封蓋頂部設置有電源接口、第一通訊接口、第二通訊接口、第三通訊接口、第四通訊接口和第五通訊接口 ；所述的第一通訊接口通過電纜與所述的觀測幾何自動調整系統(tǒng)電氣連接，所述的第二通訊接口通過電纜與所述的無線通訊系統(tǒng)電氣連接，所述的第三通訊接口通過電纜與所述的光譜測量系統(tǒng)電氣連接，所述的第四通訊接口通過電纜與所述的全球定位系統(tǒng)電氣連接，所述的第五通訊接口通過電纜與所述的跟隨拍照系統(tǒng)電氣連接；所述的無線通訊系統(tǒng)包括天線、電路板和第二水密外殼，所述的第二水密外殼由第二封蓋和第二殼體裝配而成，其內為中空結構，所述的電路板安裝在所述的中空結構內；所述的第二封蓋頂部設置有與所述的第二通訊接口連接的第六通訊接口，所述的第二殼體頂部設置有與天線連接的天線接口 ；所述的無線通訊系統(tǒng)用于在總控系統(tǒng)與所述的遠程服務器之間進行無線通訊；所述的全球定位系統(tǒng)包括GPS天線、GPS電路板和第三水密外殼，所述的第三水密外殼由第三封蓋和第三殼體裝配而成，其內為中空結構，所述的GPS電路板安裝在所述的中空結構內；所述的第三封蓋頂部設置有與所述的第四通訊接口連接的第七通訊接口和GPS天線接口，所述的GPS天線接口用于將所述的GPS天線連接到所述的GPS電路板上；所述的全球定位系統(tǒng)用于獲取實驗地點的經瑋度信息；所述的觀測幾何自動調整系統(tǒng)主要包括控制單元、旋轉驅動單元、方位跟蹤單元、旋轉臺和底座；所述的控制單元設置有與所述總控系統(tǒng)通訊的接口，所述的控制單元與所述的旋轉驅動單元、方位跟蹤單元電氣連接；所述的旋轉驅動單元包括電機驅動板、步進電機、蝸輪傳動機構和電機固定板；所述的電機驅動板與步進電機電氣連接，所述的步進電機通過螺紋連接件固定安裝在所述的電機固定板下底面上、其轉動軸與安裝在所述的電機固定板上的蝸輪傳動機構連接；所述的方位跟蹤單元為一姿態(tài)傳感器，用于實時跟蹤所述的光譜測量系統(tǒng)的觀測方位；所述的旋轉臺包括轉動盤、支撐轉軸和儀器掛載桿，所述的支撐轉軸固定安裝在所述的轉動盤下表面中心位置，所述的儀器掛載桿固定安裝在所述的轉動盤上表面中心位置；所述的底座由頂蓋和底座殼體裝配而成，其內為中空結構，中空結構內設有內部安裝架；所述的頂蓋中央安裝有旋轉軸承，所述的底座殼體底部設置有與所述的總控系統(tǒng)的第一通訊接口連接的第八通訊接口 ；所述的控制單元和電機驅動板固定安裝在所述的內部安裝架上；所述的電機固定板固定安裝在所述的頂蓋下表面上，使整個旋轉驅動單元都處于底座的中空結構內；所述的支撐轉軸穿過所述的旋轉軸承與所述的蝸輪傳動機構固定連接；所述的光譜測量系統(tǒng)由光譜儀、光纖探頭、參考板、支撐臂、第一舵機、直射太陽光遮擋機構、光路切換開關、探頭固定架組成；所述的光譜儀安裝在所述的底座殼體內，通過光纖與所述的光路切換開關連接；所述的光纖探頭尾部光纖穿過所述的底座殼體下底面設置的過線孔與所述的光路切換開關連接；所述的探頭固定架用于將所述的光纖探頭固定到所述的第一舵機轉軸上；所述的參考板固定安裝在所述的轉動盤上，位置正好處于所述的光纖探頭下面；所述的支撐臂一端水平固定安裝在所述的儀器掛載桿上，另一端與所述的第一舵機固定連接；所述的直射太陽光遮擋機構包括第二舵機、連接臂和遮光板；所述的第二舵機安裝在所述的參考板一側，軸向與所述的光纖探頭水平方向成45度夾角；所述的遮光板通過所述的連接臂固定安裝在所述的第二舵機上；所述的光路切換開關包括安裝板、固定板、小電機和一組光纖連接器，所述的安裝板有A、B兩片，均垂直固定安裝在所述的固定板表面上，A、B兩片安裝板與固定板之間構成封閉的中空夾層；所述的安裝板上開有透光通孔，使A、B兩片及中空夾層相通；所述的中空夾層內設有遮光片，所述的透光通孔旁邊裝有所述的小電機，小電機的轉動軸通過安裝孔伸入所述的中空夾層內；所述的遮光片一端緊密套接在所述的小電機的轉動軸上，另一端能在所述的中空夾層平面內圍繞所述的轉動軸轉動，所述的遮光片的寬度大于透光通孔直徑，遮光片轉動半徑大于所述的轉動軸到透光通孔的距離，使得所述的遮光片轉至水平位置時能夠阻斷所述的透光通孔；所述的透光通孔在A片的開口通過光纖連接光譜儀，所述的透光通孔在B片的開口通過光纖連接所述的光纖探頭；所述的小電機的機身通過螺紋連接件和固定塊固定安裝在所述的固定板上，所述的固定板表面還開有螺孔，用于將整個光路切換開關通過螺紋連接件固定安裝在所述的底座殼體內；所述的跟隨拍照系統(tǒng)為一小體型攝像頭，通過導線連接到所述的第五通訊接口 ；所述的遠程服務器是若干臺外網能訪問得到的計算機，通過無線網絡與所述的無線通訊系統(tǒng)通信。
[0009]作為優(yōu)選，所述的蝸輪傳動機構由轉動蝸輪、從動蝸輪和傳動帶組成；所述的支撐轉軸穿過所述的旋轉軸承與所述的從動蝸輪固定連接，所述的轉動蝸輪通過所述的傳動帶與所述的從動蝸輪連接。
[0010]作為優(yōu)選，所述的觀測幾何自動調整系統(tǒng)的內部安裝架設有安裝孔，用于通過螺紋連接件將所述的控制單元和電機驅動板固定安裝在其上。
[0011]作為優(yōu)選，所述的觀測幾何自動調整系統(tǒng)的控制單元為處理器和外圍電路構成的電路板.作為優(yōu)選，所述的方位跟蹤單元為一姿態(tài)傳感器，通過螺紋連接件固定安裝在所述的儀器掛載桿頂端，并通過導線與所述的控制單元電氣連接。
[0012]作為優(yōu)選，所述的連接臂為L型結構，用于連接所述的第二舵機轉軸和遮光板，使所述的遮光板在太陽光入射平面上轉動。
[0013]作為優(yōu)選，所述的光譜儀和所述的小電機通過電纜穿過所述的過線孔連接到所述的第三通訊接口，所述的第一舵機和第二舵機分別通過電纜連接到所述的第三通訊接口。
[0014]作為優(yōu)選，所述的跟隨拍照系統(tǒng)通過螺紋連接件固定安裝在所述的探頭固定架上與所述的第一舵機對稱的一側，使所述的跟隨拍照系統(tǒng)和所述的光纖探頭的觀測方向始終一致。
[0015]本發(fā)明的方法所采用的技術方案是:一種水面光譜遠程實時監(jiān)測的方法，其特征在于，主要包括:觀測幾何調整的自動化、光譜測量的自動化、圖像記錄的自動化、遠程實時監(jiān)測；
所述的觀測幾何調整的自動化，其具體實現(xiàn)過程為:通過所述的總控系統(tǒng)將所述的全球定位系統(tǒng)獲取的位置信息和時間傳遞給所述的觀測幾何自動調整系統(tǒng)，再由所述的控制單元計算出太陽的方位角，通過所述的方位跟蹤單元輸出的結果跟蹤得到所述的光纖探頭的觀測方位，所述的控制單元通過所述的電機驅動板控制步進電機轉動，從而帶動整個選轉臺及其上的光譜測量系統(tǒng)轉動，使所述的光纖探頭的觀測方向與太陽入射方向成135度夾角，實現(xiàn)觀測幾何的自動調整；
所述的光譜測量的自動化，其具體實現(xiàn)包括以下步驟:
步驟1:采樣前，所述的總控系統(tǒng)先給所述的光譜儀上電；
步驟2:暗電流測量，所述的總控系統(tǒng)控制所述的光路切換開關閉合，切斷所述的光纖探頭與光譜儀之間的光路，然后進行暗電流測量，讀取光譜儀8-15次；
步驟3:標準板測量，所述的總控系統(tǒng)通過所述的第一舵機控制所述的光纖探頭垂直向下指向所述的標準參考板，然后控制所述的光譜儀測量8-15條光譜數(shù)據；
步驟4:遮擋直射陽光的標準板測量，所述的總控系統(tǒng)根據所述的控制單元計算得出的太陽高度角，控制所述的第二舵機帶動所述的遮光板轉動，使所述的遮光板的影子正好覆蓋了所述的光纖探頭在標準板上的測量區(qū)域，進而控制所述的光譜儀測量8-15條光譜數(shù)據；
步驟5:目標水體測量，所述的總控系統(tǒng)通過所述的第一舵機控制所述的光纖探頭以與水面法線成40度夾角的方向指向目標水體，然后控制所述的光譜儀測量8-15條光譜數(shù)據；<