CN102565064B - 一种光谱自动化测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光谱自动化测量方法及装置，其包括：无人驾驶自动导航船及固定于其上的地物光谱仪、光谱自动测量装置和主控系统；光谱自动测量装置固定于船体一侧，其另一端连接地物光谱仪，用于自动完成水体光谱测量所需要的地物光谱仪的光谱探头的多个角度的运动；主控系统分别与无人驾驶自动导航船，地物光谱仪、光谱自动测量装置电连接，用于向无人驾驶自动导航船的控制器下达路径信息、控制光谱自动测量装置的运动，并且对光谱仪的测量和存储进行控制。本装置覆盖更广的面积，监测地点可灵活设定，相比大船节省能源，初始成本低，整个流程完全自动化，光谱数据、时间、位置、照片同步获取，避免人为失误，提高测量效率。

Description

一种光谱自动化测量装置
技术领域
本发明涉及遥感地面测量仪器领域，特别是涉及一种光谱自动化测量装置。
背景技术
对水体/水质遥感测量来说，剖面法只适合水深大于10米的水体，且仪器昂贵，布放、操作复杂，对于一般的江河、湖泊以及近海等二类水体来说，只能采用水面上法测量。在水面上法测量过程中，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。为尽量减少噪声，提高测量精度，NASA、国际水色SIMBIOS组织等对水面上测量几何和测量方法进行了深入的研究，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，得到广泛应用。
但是在研究中，人们发现水面上测量法还存在着许多问题，主要是为了避免水体表面太阳直射反射的影响，一般利用合理观测几何和多次测量，剔除异常数据保证测量有效性，但是这种测量得到的有效数据仅占全部数据的5％左右，测量工作量非常大。如图1中所示，由太阳光104形成的太阳入射平面101；同时天空光103的影响；通常的可行的仪器观测平面100有较优选的可行的观测方位范围102。曰前表面法水体光谱测量采用的步骤为：
(1)仪器提前预热，在船快要到达采样点时，先将ASD打开；
(2)优化；
(3)暗电流测量；
(4)标准板测量(光谱探头垂直向下，离标准板约25厘米)10次；
(5)遮挡直射阳光的标准板测量(光谱探头垂直向下)10次；
(6)倾斜目标测量(光谱探头向下，光谱探头天底角为40度)20次；
(7)倾斜天空光测量(光谱探头向上，光谱探头天顶角为40度)10次；
(8)标准板测量(光谱探头垂直向下)10次；
(9)遮挡直射阳光的标准板测量(光谱探头垂直向下)10次。
这些目标的测量曲线每个不得少于10条，且测量时间至少跨越一个波浪周期，以修正因测量平台摇摆而导致的误差。同时，尽量让仪器放到船的边缘，尽量让光谱探头伸的更远，尽量使光纤与船弦垂直，同时满足观测几何，就是尽量和太阳成135度夹角。这要求有些时候需要移动ASD的位置。
水体光谱测量测量要求快速、准确，另外，光谱测量实验一般在野外展开，交通不便，这就要求测量仪器要具有自动化程度高、可靠、精度高、适应性强的特点。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种光谱自动化测量装置，使用移动平台搭载光谱测量设备，并且实现光谱测量的自动化，从而节省成本。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光谱自动化测量装置，其特征在于，包括：无人驾驶自动导航船及固定于其上的地物光谱仪、光谱自动测量装置和主控系统；
所述光谱自动测量装置的一端固定于船体一侧，光谱自动测量装置另一端连接地物光谱仪，光谱自动测量装置用于自动完成水体光谱测量所需要的地物光谱仪的光谱探头的多个角度的运动；
所述主控系统分别与所述无人驾驶自动导航船，地物光谱仪、光谱自动测量装置电连接，用于向无人驾驶自动导航船的控制器下达路径信息、控制光谱自动测量装置的运动，并且对光谱仪的测量和存储进行控制。
作为上述技术方案的优选，所述光谱自动测量装置包括用于实现自动太阳追踪的太阳平面追踪执行装置及其上固定连接的可调角度的测量支撑臂，所述测量支撑臂的另一端设置有光谱探头固定及旋转装置，所述光谱探头固定及旋转装置用于固定地物光谱仪的光谱探头并实现其方向的改变。
作为上述技术方案的优选，所述太阳平面追踪执行装置包括与船体固定的固定底盘，与所述固定底盘连接并可相对其旋转的转盘，所述转盘用于固定所述测量支撑臂，驱动所述转盘旋转的驱动齿轮及与所述驱动齿轮连接的第一驱动电机；
太阳追光传感器及所述驱动电机电连接到所述主控系统，所述太阳追光传感器用于感应太阳方位角的改变并输出改变，主控系统读取所述太阳追光传感器的输出根据其内预设程序控制所述第一驱动电机旋转，带动所述转盘旋转，保证转盘上固定的测量支撑臂与太阳入射平面保持固定角度。
作为上述技术方案的优选，所述转盘上设置有多个支撑臂连接孔位，测量支撑臂连接在太阳平面追踪执行装置的转盘上不同的孔位，用于调整测量支撑臂所在的竖直平面与太阳入射平面的角度。
作为上述技术方案的优选，所述驱动齿轮是为蜗杆，所述转盘外围为与所述蜗杆相配合的蜗轮。
作为上述技术方案的优选，所述光谱探头固定及旋转装置包括用于固定地物光谱仪的光谱探头固定连接器及驱动其旋转的第二驱动电机；
所述光谱探头固定连接器还固定连接有倾角测量传感器，所述倾角测量传感器用来测量光谱探头的倾斜角度；所述倾角测量传感器及第二驱动电机电连接到所述主控系统；
光谱探头角度调整时，主控系统首先获取倾角测量传感器的角度信息，根据其内设程序驱动所述第二驱动电机旋转，带动光谱探头旋转，当旋转到指定位置时，控制所述第二驱动电机停止转动。
作为上述技术方案的优选，所述测量支撑臂上还固定有参考板运动装置，其可以在水平面内绕着与所述支撑臂的连接处旋转；所述参考板运动装置包括参考板驱动电机、与参考板驱动电机输出端连接的参考板支架及固定与参考板支架端部的参考板；所述参考板驱动电机与主控系统电连接，当需要进行参考板测量的时候，主控系统控制所述参考板运动装置旋转到光谱探头底下，测量完成后，控制其旋转到另一侧。
作为上述技术方案的优选，所述参考板运动装置的上方还设置有直射光遮挡装置，其包括与所述参考板支架连接的遮挡驱动电机及遮挡驱动电机输出端连接的连接杆及所述连接杆的端部设置的黑色遮光板，所述遮挡驱动电机与所述主控系统连接；
当需要测量遮挡直射光的参考板时，所述主控系统根据其内部程序驱动所述遮挡驱动电机控制所述连接杆旋转到光谱探头和参考板的一侧，用于黑色遮光板遮挡住太阳光。
作为上述技术方案的优选，所述主控系统还连接有GPS和自动对焦相机，所述自动对焦相机与所述光谱探头固定在一起，所述主控系统控制获取光谱数据的同时，将测量点的位置信息、时间信息、观测对象的照片同步获取并保存。
作为上述技术方案的优选，所述无人驾驶自动导航船包括船体、螺旋桨推进系统及方向舵，所述螺旋桨推进系统及方向舵与所述主控系统电连接。
作为上述技术方案的优选，所述光谱自动化测量装置还包括PC基站，所述PC基站与所述主控系统之间无线通讯。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的一种光谱自动化测量装置，包括：无人驾驶自动导航船及固定于其上的地物光谱仪、光谱自动测量装置和主控系统；所述光谱自动测量装置固定于船体一侧，其另一端连接地物光谱仪，用于自动完成水体光谱测量所需要的地物光谱仪的光谱探头的多个角度的运动；所述主控系统分别与所述无人驾驶自动导航船，地物光谱仪、光谱自动测量装置电连接，用于向无人驾驶自动导航船的控制器下达路径信息、控制光谱自动测量装置的运动，并且对光谱仪的测量和存储进行控制。本装置使用安全，全自动化，节省人力物力。无人驾驶自动导航水质光谱自动化测量船在许多方面都有优势。1.覆盖更广的面积；2.监测地点可灵活设定；3.相比大船节省能源；4.初始成本低；5.整个流程完全自动化；6.光谱数据、时间、位置、照片同步获取，避免人为失误，提高测量效率。
附图说明
图l是本发明实施例的光谱测量角度的几何要求示意图；
图2是本发明实施例的光谱自动化测量装置的系统组成示意图；
图3是本发明实施例的太阳平面追踪执行装置的结构示意图；
图4是本发明实施例的光谱探头固定及旋转装置的结构示意图；
图5是本发明实施例的光谱探头固定连接器与光谱探头的连接关系示意图；
图6是本发明实施例的直射光遮挡装置结构示意图；
其中，100：仪器观测平面；101：太阳入射平面；102：可行的观测方位范围；103：天空光；104：太阳光；1：主控系统；2：驱动齿轮；3：第一驱动电机；4：转盘；5：转轴；6：支撑臂连接孔位；7：固定底盘；8：太阳追光传感器；9：测量支撑臂；10：第二驱动电机；11：光谱探头固定及旋转装置；12：光谱探头固定连接器；13：参考板；14：参考板支架；15：参考板驱动电机；16：光谱探头；17：相机；18：倾角测量传感器；19：遮挡驱动电机；20：连接杆；21：黑色遮光板。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
结合图2所示，本发明实施例提供了一种光谱自动化测量装置，包括：无人驾驶自动导航船及固定于其上的地物光谱仪、光谱自动测量装置和主控系统l；光谱自动测量装置的一端固定于船体一侧，光谱自动测量装置另一端连接地物光谱仪，光谱自动测量装置用于自动完成水体光谱测量所需要的地物光谱仪的光谱探头的多个角度的运动；主控系统1分别与无人驾驶自动导航船，地物光谱仪、光谱自动测量装置电连接，用于向无人驾驶自动导航船的控制器下达路径信息、控制光谱自动测量装置的运动，并且对光谱仪的测量和存储进行控制。工作时，光谱测量人员只需预先设定好自动测量船的行驶路线、监测点的位置还有在每个监测点的测量次数。自动测量船船便会根据搭载的GPS导航设备自动行驶至目标监测点，并将自动测量数据完成传送工作。
为了克服测量过程中光线反射对测量结果的影响，如图3、4所示，本实施例优选的光谱自动测量装置包括用于实现自动太阳追踪的太阳平面追踪执行装置及其上固定连接的可调角度的测量支撑臂9，测量支撑臂9的另一端设置有光谱探头固定及旋转装置11，光谱探头固定及旋转装置11用于固定地物光谱仪的光谱探头16并实现其方向的改变。
具体的结合图3，太阳平面追踪执行装置包括与船体固定的固定底盘7，与固定底盘7连接并可相对其旋转的转盘4，转盘的旋转中心为转轴5，转盘4用于固定测量支撑臂9，驱动转盘4旋转的驱动齿轮2，与驱动齿轮2连接的第一驱动电机3；太阳追光传感器8及驱动电机电连接到主控系统l，太阳追光传感器8用于感应太阳方位角的改变并输出改变，主控系统l读取太阳追光传感器8的输出根据其内预设程序控制第一驱动电机3旋转，带动转盘4旋转，保证转盘4上固定的测量支撑臂9与太阳入射平面保持固定角度。
为便于测量支撑臂9角度的调整，转盘4上设置有多个支撑臂连接孔位6，测量支撑臂9连接在太阳平面追踪执行装置的转盘4上不同的孔位，用于调整测量支撑臂9所在的竖直平面与太阳入射平面的角度。
驱动齿轮2是为蜗杆，转盘4外围为与蜗杆相配合的蜗轮。该配合驱动装置也可以如一些常用的齿轮配合，如两级或多级的齿轮传动。
结合图4所示，光谱探头固定及旋转装置11包括用于固定地物光谱仪的光谱探头固定连接器12及驱动其旋转的第二驱动电机10；光谱探头固定连接器12还固定连接有倾角测量传感器18，倾角测量传感器18用来测量光谱探头的倾斜角度；倾角测量传感器18及第二驱动电机10电连接到主控系统l；光谱探头角度调整时，主控系统l首先获取倾角测量传感器18的角度信息，根据其内设程序驱动第二驱动电机10旋转，带动光谱探头旋转，当旋转到指定位置时，控制第二驱动电机10停止转动。
测量支撑臂9上还固定有参考板运动装置，其可以在水平面内绕着与支撑臂的连接处旋转；参考板运动装置包括参考板驱动电机15、与参考板驱动电机15输出端连接的参考板支架14及固定与参考板支架14端部的参考板13；参考板驱动电机15与主控系统l电连接，当需要进行参考板13测量的时候，主控系统l控制参考板运动装置旋转到光谱探头16底下，测量完成后，控制其旋转到另一侧。
参考板运动装置的上方还设置有直射光遮挡装置，具体结构参见图6，其包括与参考板支架14连接的遮挡驱动电机19及遮挡驱动电机19输出端连接的连接杆20及连接杆20的端部设置的黑色遮光板21，遮挡驱动电机19与主控系统l连接；当需要测量遮挡直射光的参考板时，主控系统l根据其内部程序驱动遮挡驱动电机19控制连接杆20旋转到光谱探头16和参考板13的一侧，用于黑色遮光板21遮挡住太阳光。
主控系统l还连接有GPS和自动对焦相机17，自动对焦相机17与光谱探头16固定在一起，主控系统l控制获取光谱数据的同时，将测量点的位置信息、时间信息、观测对象的照片同步获取并保。
无人驾驶自动导航船包括船体、螺旋桨推进系统及方向舵，螺旋桨推进系统及方向舵与主控系统l电连接。主控系统l根据其得到的指令或内设程序，驱动螺旋桨推进系统，并控制方向舵自动到指定目标实现测量。
光谱自动化测量装置还包括PC基站，PC基站与主控系统l之间无线通讯。其主要由两部分组成，第一部分是搭载有各种水质监测设备的无人驾驶自动导航模型船，另一部分是PC基站。PC基站就是装有我们软件和天线的普通PC电脑。工作时，监测人员只需预先设定好自动监测船的行驶路线、监测点的位置还有在每个监测点的监测时间。自动监测船便会根据搭载的GPS导航设备自动行驶至目标监测点，并进行光谱的自动采集。
由以上实施例可以看出，本发明实施例提供了一种光谱自动化测量装置，包括：无人驾驶自动导航船及固定于其上的地物光谱仪、光谱自动测量装置和主控系统l；光谱自动测量装置固定于船体一侧，其另一端连接地物光谱仪，用于自动完成水体光谱测量所需要的地物光谱仪的光谱探头的多个角度的运动；主控系统1分别与无人驾驶自动导航船，地物光谱仪、光谱自动测量装置电连接，用于向无人驾驶自动导航船的控制器下达路径信息、控制光谱自动测量装置的运动，并且对光谱仪的测量和存储进行控制。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光谱自动化测量装置，其特征在于，包括：无人驾驶自动导航船及固定于其上的地物光谱仪、光谱自动测量装置和主控系统；
所述光谱自动测量装置的一端固定于船体一侧，光谱自动测量装置另一端连接地物光谱仪，光谱自动测量装置用于自动完成水体光谱测量所需要的地物光谱仪的光谱探头的多个角度的运动；
所述主控系统分别与所述无人驾驶自动导航船，地物光谱仪、光谱自动测量装置电连接，用于向无人驾驶自动导航船的控制器下达路径信息、控制光谱自动测量装置的运动，并且对光谱仪的测量和存储进行控制；所述光谱自动测量装置包括用于实现自动太阳追踪的太阳平面追踪执行装置及其上固定连接的可调角度的测量支撑臂，所述测量支撑臂的另一端设置有光谱探头固定及旋转装置，所述光谱探头固定及旋转装置用于固定地物光谱仪的光谱探头并实现其方向的改变；所述太阳平面追踪执行装置包括与船体固定的固定底盘，与所述固定底盘连接并可相对其旋转的转盘，所述转盘用于固定所述测量支撑臂，驱动所述转盘旋转的驱动齿轮及与所述驱动齿轮连接的第一驱动电机；
太阳追光传感器及所述驱动电机电连接到所述主控系统，所述太阳追光传感器用于感应太阳方位角的改变并输出改变，主控系统读取所述太阳追光传感器的输出根据其内预设程序控制所述第一驱动电机旋转，带动所述转盘旋转，保证转盘上固定的测量支撑臂与太阳入射平面保持固定角度。
2.如权利要求1所述的光谱自动化测量装置，其特征在于，所述转盘上设置有多个支撑臂连接孔位，测量支撑臂连接在太阳平面追踪执行装置的转盘上不同的孔位，用于调整测量支撑臂所在的竖直平面与太阳入射平面的角度。
3.如权利要求2所述的光谱自动化测量装置，其特征在于，所述驱动齿轮是为蜗杆，所述转盘外围为与所述蜗杆相配合的蜗轮。
4.如权利要求2所述的光谱自动化测量装置，其特征在于，所述光谱探头固定及旋转装置包括用于固定地物光谱仪的光谱探头固定连接器及驱动其旋转的第二驱动电机；
所述光谱探头固定连接器还固定连接有倾角测量传感器，所述倾角测量传感器用来测量光谱探头的倾斜角度；所述倾角测量传感器及第二驱动电机电连接到所述主控系统；
光谱探头角度调整时，主控系统首先获取倾角测量传感器的角度信息，根据其内设程序驱动所述第二驱动电机旋转，带动光谱探头旋转，当旋转到指定位置时，控制所述第二驱动电机停止转动。
5.如权利要求4所述的光谱自动化测量装置，其特征在于，所述测量支撑臂上还固定有参考板运动装置，其可以在水平面内绕着与所述支撑臂的连接处旋转；所述参考板运动装置包括参考板驱动电机、与参考板驱动电机输出端连接的参考板支架及固定与参考板支架端部的参考板；所述参考板驱动电机与主控系统电连接，当需要进行参考板测量的时候，主控系统控制所述参考板运动装置旋转到光谱探头底下，测量完成后，控制其旋转到另一侧。
6.如权利要求5所述的光谱自动化测量装置，其特征在于，所述参考板运动装置的上方还设置有直射光遮挡装置，其包括与所述参考板支架连接的遮挡驱动电机及遮挡驱动电机输出端连接的连接杆及所述连接杆的端部设置的黑色遮光板，所述遮挡驱动电机与所述主控系统连接；
当需要测量遮挡直射光的参考板时，所述主控系统根据其内部程序驱动所述遮挡驱动电机控制所述连接杆旋转到光谱探头和参考板的一侧，用于黑色遮光板遮挡住太阳光。
7.如权利要求5所述的光谱自动化测量装置，其特征在于，所述主控系统还连接有GPS和自动对焦相机，所述自动对焦相机与所述光谱探头固定在一起，所述主控系统控制获取光谱数据的同时，将测量点的位置信息、时间信息、观测对象的照片同步获取并保存。
8.如权利要求l所述的光谱自动化测量装置，其特征在于，所述无人驾驶自动导航船包括船体、螺旋桨推进系统及方向舵，所述螺旋桨推进系统及方向舵与所述主控系统电连接。
9.如权利要求l至8任一项所述的光谱自动化测量装置，其特征在于，所述光谱自动化测量装置还包括PC基站，所述PC基站与所述主控系统之间无线通讯。
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