CN103279135A - 水上光谱仪观测方向自动调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水上光谱仪观测方向自动调整装置，包括底座和转动台，转动台位于底座上方，底座支撑转轴连接转动台旋转轴承，底座支撑转轴通过旋转轴承带动转动台转动。转动台的上方安装水上光谱仪，底座内的单片机根据太阳入射方向所确定的水上光谱仪观测方位角控制转动台,带动安装在转动台上方的水上光谱仪自动调整观测方向，保持水上光谱仪与太阳入射方向呈一定夹角的理想观测几何，提高水体表观光学参数测量的准确性。水上光谱仪观测方向的调整方法包括计算太阳入射方位角、确定仪器观测方位角、调整仪器观测方向，太阳入射方位角由所在位置的时间和经纬度实时计算确定，仪器观测方位与太阳入射方向的相对夹角为100°。

Description

水上光谱仪观测方向自动调整装置

技术领域

本发明涉及海洋测量仪器，特别是涉及自动调整水上光谱仪观测方向的装置。

背景技术

水上光谱仪是测量水体表观光学参数的重要仪器设备，其测量的离水辐亮度是海洋水色遥感的基础物理量，是水体色素成分的光学表现。现场精确获取离水辐亮度将有利于生物光学算法、大气校正算法的开发，以及对星载遥感器的辐射校正及其数据的真实性检验。

水上光谱仪测量时必须采用合理的观测几何，观测方向与太阳入射方向呈一定夹角，一般要呈100°夹角，才会尽可能避免测量过程中太阳耀斑、白帽等随机污染对测量结果的影响，否则将严重影响测量的准确性。目前国内外水上光谱仪的观测几何的确定均为人工现场判断，其角度确定不精确，特别是不能自动调整，无法满足自动测量的要求。因此，迫切需要水上光谱仪观测角自动调整功能的装置，满足水上光谱仪现场自动准确测量的要求。

发明内容

根据现有水上光谱仪尚不具备观测方向自动调整功能，本发明推出一种水上光谱仪观测方向自动调整装置，其目的是由单片机根据太阳入射方向所确定的水上光谱仪观测方位角控制转动台,带动安装在转动台上方的水上光谱仪自动调整观测方向，保持水上光谱仪与太阳入射方向呈一定夹角的理想观测几何，提高水体表观光学参数测量的准确性。

本发明涉及的水上光谱仪观测方向自动调整装置，包括底座和转动台，转动台位于底座上方，底座安装有旋转轴承，底座通过旋转轴承带动转动台转动。

底座为立方体结构，底座上侧中央设置支撑转轴，支撑转轴安装在转动台下侧的轴承套内。底座壳体内设置控制电路和附属装置，包括中央处理器、电机驱动器、旋转编码器、导电滑环、转动涡轮、伺服电机、涡杆。

中央处理器为单片计算机，与电机驱动器和旋转编码器分别连接。电机驱动器通过控制电路与伺服电机相连。中央处理器向电机驱动器下达转动指令，电机驱动器驱动伺服电机转动。伺服电机的传动轴连接涡杆，涡杆与转动涡轮啮合，伺服电机通过涡杆、转动涡轮、旋转轴承和支撑转轴驱动底座上方的转动台旋转。

旋转编码器的转动轴与旋转轴承上的齿轮啮合，旋转轴承旋转的同时带动旋转编码器的转动轴旋转。旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向），并将这些参数传送给中央处理器，由中央处理器计算获得转台转动角度。

转动台为圆柱体结构，转动台中央设置旋转轴承，底座支撑转轴插入旋转轴承内，通过旋转轴承传动实现转动台转动。转动台顶部安装有控制信号接口。转动台的上方安装水上光谱仪，通过控制信号接口的外部连接接口与水上光谱仪实现电气连接。

导电滑环是底座和转动台之间的电路连接件，包括固定端和转动端两个部分。固定端安装在底座内部，转动端安装在转动台内部，固定端和转动端通过滑动触点实现电路联通。导电滑环用于消除控制线路和转台之间的转动干扰。

底座壳体侧面装有控制接口，外部连接控制电缆，内部连接导电滑环的固定端。

转动台顶部安装有控制信号接口，控制信号接口内部连接导电滑环的转动端，外部连接水上光谱仪。

底座壳体侧面装有电源接口，接口外部用于连接电源线，内部通过电路与伺服电机、中央处理器、旋转编码器、电机驱动器等连接，为所有电路提供电源。

转动台在伺服电机的驱动下旋转，转动台上方的水上光谱仪随转动台的旋转而转动。中央处理器控制电机驱动器，进而调整水上光谱仪观测方向。

水上光谱仪的观测方向在太阳入射方向对称的两侧，与太阳入射方向的相对夹角为100°。水上光谱仪的观测方向有两个，可以由太阳入射方位角来确定。太阳入射方位角由测量地点的地理位置和测量时间计算，中央处理器根据输入的测量地点的地理位置和测量时间所计算的太阳入射方位角，控制电机驱动器，自动的调整水上光谱仪观测方向。

水上光谱仪观测方向自动调整装置的观测方向的调整方法包括：计算太阳入射方位角φ_S、确定仪器观测方位角、调整仪器观测方向。

1、计算太阳入射方位角φ_S

太阳入射方位角由测量点的地理位置和测量时间计算。

太阳入射方位角φ_s由下述两公式表示：

φ_s=A（当地时间12:00以后），    （1）

φ_s=360°-A（当地时间12:00以前）    （2）

φ_s以地理正南为0°，顺时针旋转，仪器观测方向与正南方向夹角的范围从0°至360°。

公式（1）和（2）中A是基本方位角，太阳入射方位角φ_s中的基本方位角A的计算公式如下：

当cosA≤0时，90°≤A≤180°；当cosA≥0时，0°≤A≤90°。公式（3）中h₀是太阳高度角，

是测量地点的地理纬度，δ是太阳赤纬角。

2、确定仪器观测方位角

水上光谱仪观测方向与太阳入射方向的相对夹角为100°，水上光谱仪两个观测方位角φ_V1和φ_V2分别为：

φ_V1=φ_S+100°    （4）

φ_V2=φ_S-100°    （5）

φ_V1和φ_V2以地理正南为0°，顺时针旋转，仪器观测方向与正南方向夹角的范围从0°至360°。

3、调整仪器观测方向

将仪器观测方位角φ_V1或φ_V2输入到中央处理器中，中央处理器控制电机驱动器，转动台在驱动电机驱动下旋转，进而调整水上光谱仪观测方向，将仪器调整到指定观测方向上。

本发明所涉及的水上光谱仪观测角自动调整装置应用时，水上光谱仪固定在转动台上，转动台在驱动电机的驱动下旋转，中央处理器按照根据太阳入射方向确定的仪器观测方位角控制电机驱动器，转动台上的水上光谱仪到达仪器观测方位角的位置进行水体表观光学观测。

本发明所涉及的水上光谱仪观测方向自动调整装置采用单片计算机控制，转动台可实现匀速转动、加速转动、减速转动，控制精度大幅提高，保持水上光谱仪与太阳入射方向呈一定夹角的理想观测几何，提高水体表观光学参数测量的准确性。单片计算机控制使转动台可受控于上位计算机，实现程序控制。

附图说明

图1为水上光谱仪观测方向自动调整装置外观示意图；

图2为水上光谱仪观测方向自动调整装置内部结构示意图；

图3为水上光谱仪观测方位角示意图；

图4为水上光谱仪观测方向自动调整装置工作原理流程图。

图中的标记说明

1、控制信号接口  2、转动台

3、控制接口      4、电源接口

5、底座          6、中央处理器

7、电机驱动器    8、旋转编码器

9、导电滑环      10、转动涡轮

11、伺服电机     12、涡杆

13、旋转轴承

具体实施方式

一、结合附图对本发明的技术方案做进一步说明。

图1和图2显示本发明的基本结构，如图所示，本发明涉及的水上光谱仪观测方向自动调整装置，包括底座5和转动台2，转动台2位于底座5上方。底座5安装有旋转轴承13，底座5通过旋转轴承13带动转动台2转动。

底座5为立方体结构，底座5上侧中央设置支撑转轴，支撑转轴安装在转动台2下侧的轴承套内。底座5壳体内设置控制电路和附属装置，附属装置包括中央处理器6、电机驱动器7、旋转编码器8、导电滑环9、转动涡轮10、伺服电机11、涡杆12。

中央处理器6为单片计算机，与电机驱动器7和旋转编码器8分别连接。电机驱动器7通过控制电路与伺服电机11相连。中央处理器6向电机驱动器7下达转动指令，电机驱动器7驱动伺服电机11转动。伺服电机11的传动轴连接涡杆12，涡杆与转动涡轮10啮合，伺服电机11通过涡杆12、转动涡轮10、旋转轴承13和支撑转轴驱动底座5上方的转动台2旋转。

旋转编码器8的转动轴与旋转轴承13上的齿轮啮合，旋转轴承13旋转的同时带动旋转编码器8的转动轴旋转。旋转编码器通过内部两个光敏接受管转化其角度码盘的时序和相位关系，得到其角度码盘角度位移量增加（正方向）或减少（负方向），并将这些参数传送给中央处理器6，由中央处理器6计算获得转动台2转动角度。

转动台2为圆柱体结构，转动台2中央装有旋转轴承13，底座支撑转轴连接旋转轴承13，通过旋转轴承13传动实现转动台2转动。转动台2顶部安装有控制信号接口1。转动台2的上方安装水上光谱仪，通过控制信号接口1的外部连接接口与水上光谱仪实现电气连接。

导电滑环9是底座5和转动台2之间的电路连接件，包括固定端和转动端两个部分。固定端安装在底座5内部，转动端安装在转动台2内部，固定端和转动端通过滑动触点实现电路联通。导电滑环9用于消除控制线路和转动台2之间的转动干扰。

底座5壳体侧面装有控制接口3，外部连接控制电缆，内部连接在导电滑环9的固定端。

转动台2顶部安装有控制信号接口1，内部连接导电滑环9的转动端，外部连接水上光谱仪。

底座5壳体侧面装有电源接口4，接口外部用于连接电源线，内部通过电路与伺服电机11、中央处理器6、旋转编码器8、电机驱动器7等连接，为所有电路提供电源。

转动台2在伺服电机11的驱动下旋转，转动台2上方的水上光谱仪随转动台的旋转而转动。中央处理器6控制电机驱动器7，进而调整水上光谱仪观测方向。

转动台2的上方安装水上光谱仪，水上光谱仪随转动台2的旋转而转动，转动台2在伺服电机11驱动下旋转，中央处理器6控制电机驱动器7，进而调整水上光谱仪观测角。中央处理器6根据由测量地点的地理位置和测量时间确定的太阳入射方位角自动调整水上光谱仪观测角。

二、以某具体观测时间和观测地点为例说明水上光谱仪观测方向的自动调整

以2012年7月1日，北京时间10:00，地理位置（经度110°15",维度30°18"）为例对水上光谱仪观测方向的调整方法做详细说明。

（1）计算太阳入射方位角φ_s

计算基本方位角A的公式如下：

当cosA≤0时，90°≤A≤180°；当cosA≥0时，0°≤A≤90°。公式（3）中h₀是太阳高度角（单位为°），

是测量地点的地理纬度（单位为°），δ是太阳赤纬角（单位为°）。

1）太阳高度角

太阳高度角h₀的计算公式如下：

公式（6）中ω是太阳时角（单位为°）。

δ的计算公式如下：

δ=0.3723+23.2567sin(θ)+0.1149sin(2θ)-0.1712sin(3θ)   （7）

-0.758cos(θ)+0.3656cos(2θ)+0.0201cos(3θ)

θ是日角（单位为°），其计算公式如下：

$\mathrm{\θ}=\frac{360(N-N_0)}{365.2422}---\left(8\right)$

N是观测日在一年中的序数。

N₀为修正项：

N₀=79.6764+0.2422*(NF-1985)-INT(0.25*(NF-1985))  （9）

INT()表示取整数，NF表示年份。

太阳时角ω的计算公式如下：

ω=(S₀-12)*15                    （10）

S₀是真太阳时（单位为小时），其计算公式如下，

$S_0=S+\frac{\{F-[120-(\mathrm{JD}+\frac{\mathrm{JF}}{60})]*4\}}{60}+\frac{E_t}{60}---\left(11\right)$

S是北京时间的小时，F是北京时间的分钟，JD是站位经度的度（单位为°），JF是站位经度的分（单位为’），E_t是时差（单位为分钟）。时差E_t计算公式如下：

E_t=0.0028-1.9857sin(θ)+9.9059sin(2θ)-7.0924cos(θ)-0.6882cos(2θ)  （12）

具体计算结果：

①N值

N=31+29+31+30+31+30+1=183

②N₀值

N₀=79.6764+0.2422*(2012-1985)-INT(0.25*(2012-1985))=80.2158

③θ值

$\mathrm{\θ}=\frac{360*(183-80.2158)}{365.2422}=101.309$

④δ值

δ=0.3723+23.2567sin(101.309)+0.1149sin(2*101.309)

-0.1712sin(3*101.309)-0.758cos(101.309)

+0.3656cos(2*101.309)+0.0201cos(3*101.309)=23.0977

⑤

值

⑥ω值

S=10；

F=0；

JD=110；

JF=15；

E_t=0.0028-1.9857sin(101.309)+9.9059sin(2*101.309)

-7.0924cos(101.309)-0.6882cos(2*101.309)=-3.7279；

$S_0=10+\frac{\{0-[120-(110+\frac{15}{60})]*4\}}{60}+\frac{-3.7279}{60}=9.2879;$

ω=(9.2879-12)*15=-40.682

⑦h₀值

h₀=sin23.0977sin30.3+cos23.0977cos30.3cos-40.682=53.148

2）基本方位角

cosA=(sin(53.148)sin(30.3)-sin(23.0977))/(cos(53.148)cos30.3)

=0.022047

当cosA≥0时，0°≤A≤90°，即A=88.7367°

3）太阳入射方位角

北京时间为10:00点，是当地时间12点以前，则入射太阳方位角

φ_s=360°-88.7367°=271.2633°。

（2）观测方位角φ_V1和φ_V2确定

仪器观测方位角φ_V1和φ_V2与太阳入射方位角φ_s都是以地理正南方向为零度，顺时针从0°至360°。两个仪器观测方位角分别用φ_V1和φ_V2与太阳入射方位角φ_s的关系为：

当0°≤φ_S<100°时，φ_V1=φ_S+100°，φ_V2=260°+φ_S；

当100°≤φ_S<260°时，φ_V1=φ_S+100°，φ_V2=φ_S-100°；

当260°≤φ_S<360°，φ_V1=φ_S-260°，φ_V2=φ_S-100°。

所以，260°≤φ_S=271.2633<360°，

则：φ_V1=11.2633，φ_V2=171.2633°。

（3）仪器观测方向调整

将仪器观测方位角φ_V1或φ_V2输入到中央处理器中，中央处理器控制电机驱动器，转动台在驱动电机驱动下旋转，进而调整水上光谱仪观测方向，将仪器调整到指定观测方向上。

Claims (6)

1.一种水上光谱仪观测方向自动调整装置，其特征在于，自动调整装置包括底座和转动台，转动台位于底座上方，底座安装有旋转轴承，底座通过旋转轴承带动转动台转动；底座壳体内设置控制电路和附属装置，附属装置包括中央处理器、电机驱动器、旋转编码器、导电滑环、转动涡轮、伺服电机、涡杆；中央处理器为单片计算机，与电机驱动器和旋转编码器分别连接，用以控制电机驱动，记录转台转动角度；电机驱动器通过控制电路与伺服电机相连，伺服电机的传动轴连接涡杆，涡杆与转动涡轮啮合，伺服电机通过涡杆、转动涡轮、旋转轴承和支撑转轴驱动底座上方的转动台旋转。

2.根据权利要求1所述的水上光谱仪观测方向自动调整装置，其特征在于，所述转动台为圆柱体结构，转动台的上方安装水上光谱仪，转动台顶部为控制信号接口，转动台上的控制信号接口连接水上光谱仪。

3.根据权利要求1所述的水上光谱仪观测方向自动调整装置，其特征在于，所述底座壳体侧面装有控制接口，外部连接控制电缆，内部连接导电滑环的固定端；底座壳体侧面装有电源接口，接口外部用于连接电源线，内部通过电路与伺服电机、中央处理器、旋转编码器、电机驱动器连接。

4.根据权利要求1所述的水上光谱仪观测方向自动调整装置，其特征在于，所述导电滑环是底座和转动台之间的电路连接件，包括固定端和转动端两个部分，固定端安装在底座内部，转动端安装在转动台内部，固定端和转动端通过滑动触点实现电路联通，底座的控制接口内部连接导电滑环的固定端，转动台的控制信号接口的内部连接导电滑环的转动端。

5.根据权利要求1所述的水上光谱仪观测方向自动调整装置的仪器观测方向的调整方法，其特征在于，技术步骤包括计算太阳入射方位角、确定仪器观测方位角、调整仪器观测方向，太阳入射方位角由所在位置的时间和经纬度实时计算确定，仪器观测方位与太阳入射方向的相对夹角为100°。

6.根据权利要求5所述的水上光谱仪观测方向自动调整装置的仪器观测方向的调整方法，其特征在于，所述确定太阳入射方位角φ_S为：在当地时间12:00以后太阳入射方位角φ_s=A，当地时间12:00以前太阳入射方位角φ_s=360°-A；太阳入射方位角φ_s中的基本方位角A的计算公式如下：

h₀是太阳高度角，

是测量地点的地理纬度，δ是太阳赤纬角。

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