CN104865190B - 一种观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置与方法，主要包括中央控制单元、旋转驱动单元、方位跟踪单元、旋转台和底座；中央控制单元提供与外部通讯的接口，与旋转驱动和方位跟踪单元电气连接；旋转驱动单元包括电机驱动板、步进电机、蜗轮传动装置；旋转台包括转动盘、支撑转轴和仪器挂载杆；方位跟踪单元为一姿态传感器；底座具有由顶盖和底座壳体装配构成的中空结构，中空结构内设有内部安装架，用于安装中央控制单元和旋转驱动单元。本发明的观测几何自动调整装置不仅节省了人力成本，更重要的是可获取精确的现场AOPs数据，能够充分满足海洋水色遥感建模和遥感产品真实性检验对大样本量的需求。
Description
技术领域
本发明属于海洋水色遥感光学测量技术领域，特别涉及一种观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置与方法。
背景技术
水体光谱特征测量与分析是水色遥感的基础之一，离水辐亮度及遥感反射率是水体主要的表观光学量(AOPs)，也是海洋水色遥感的基本参数.利用水色遥感获取的离水辐亮度或遥感反射率，可以进一步反演水体表层叶绿素浓度、悬浮物浓度及黄色物质吸收等信息.而现场测量获取的AOPs数据，是海洋水色遥感建模和遥感产品真实性检验的前提。
现有技术中，现场基于水面法利用便携式光谱仪的表观光谱测量一般是采取人为避开太阳耀斑、船阴影等干扰的方法来获得现场AOPs数据。其局限性不止在于角度、数据的不精确性，而且还无法获取长时间连续的数据。
因此，迫切需要一种适用于水体表观光谱观测的观测几何自动调整装置与方法，来获取精确的现场AOPs数据，以满足海洋水色遥感建模和遥感产品真实性检验对大样本量的需求。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种适用于水体表观光谱观测的观测几何自动调整装置与方法。
本发明的装置所采用的技术方案是：一种观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置，其特征在于：包括中央控制单元、旋转驱动单元、方位跟踪单元、旋转台和底座；所述的中央控制单元为处理器和外围电路构成的单板计算机，设置有与外部通讯的接口，分别与所述的旋转驱动单元和方位跟踪单元电气连接；所述的旋转驱动单元包括电机驱动板、步进电机、蜗轮传动装置和电机固定板；所述的蜗轮传动装置由转动蜗轮和从动蜗轮及传动带组成；所述的电机驱动板与步进电机电气连接；所述的步进电机的转动轴与所述的转动蜗轮的转轴固定连接，所述的从动蜗轮的转动轴与所述的旋转台上设置的支撑转轴固定连接；所述的转动蜗轮和所述的从动蜗轮通过所述的传动带连接；所述的方位跟踪单元为一姿态传感器，用于实时跟踪所述的旋转台转动的方位；所述的旋转台包括转动盘、支撑转轴和仪器挂载杆；所述的支撑转轴固定连接在所述的转动盘下表面，用于带动所述的转动盘旋转；所述的仪器挂载杆底端固定连接在所述的转动盘上表面上；所述的底座为一由顶盖和底座壳体装配构成的中空结构，中空结构内设有内部安装架；所述的中央控制单元和电机驱动板固定安装在所述的内部安装架上；；所述的电机固定板为凹型结构，固定安装在所述的顶盖下表面上，使整个旋转驱动单元都处于底座的中空结构内；所述的转动蜗轮和所述的从动蜗轮均固定安装在所述的电机固定板凹槽内；所述的步进电机固定安装在所述的电机固定板下端；所述的姿态传感器固定安装在所述的仪器挂载杆顶端，使整个方位跟踪单元位于整个观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置的最上方；所述的转动盘安装在所述的顶盖上，所述的顶盖下底部中央安装有旋转轴承，所述的支撑转轴一端穿过所述的旋转轴承与所述的旋转台固定连接，另一端与所述的从动蜗轮的转动轴固定连接；所述的仪器挂载杆用作各种水体表观光谱观测仪器安装架的主支撑杆。
作为优选，所述的底座壳体底部设置有可供外部数据传输及电源供应的水密接口。
作为优选，所述的内部安装架设有安装孔，通过螺纹连接件将所述的中央控制单元和电机驱动板固定安装。
作为优选，所述的仪器挂载杆为一中空圆形直杆，固定连接于所述的转动盘上表面中心位置，与所述的转动盘上表面垂直。作为优选，所述的方位跟踪单元为一三轴电子罗盘传感器，通过螺纹连接件固定安装在所述的仪器挂载杆顶端。
作为优选，所述的安装在仪器挂载杆顶端的水体表观光谱观测仪器的观测方向与太阳入射方向成135°夹角。
本发明的方法所采用的技术方案是：一种观测几何自动调整的水体表观光谱观测的方法，包括以下技术步骤：
步骤1：在待测水体中安装固定支架，使固定支架露出水面至少2米，在固定支架顶部安装万向水平支架，再在万向水平支架上安装水体表观光谱观测装置；
步骤2：水体表观光谱观测光学仪器按常规方法定标后，通过各种安装架安装在所述的仪器挂载杆上，并使仪器观测方向与所述的方位跟踪单元的基准方向即三轴电子罗盘传感器的X轴方向一致；
步骤3：对待测水体进行表观光谱观测，将通过所述的外部数据通讯水密接口获取观测地点经纬度数据及观测时刻时间数据，传输至所述的中央控制单元，作为计算太阳方位角γ的输入参数，计算太阳方位角γ的公式如下：
其中，h为太阳高度角，为观测地点的地理纬度，δ为太阳赤纬角。观测地点午前太阳方位角γ为360°-A，午后太阳方位角γ为A；
步骤4：安装在方位跟踪单元上的三轴电子罗盘传感器，分别获取到XYZ三轴的磁场强度，并由以下公式可计算出X轴与正南方向的夹角B：
B＝tan-1(Y/X)*(180°/π)+180°
X、Y分别是X轴和Y轴的磁场强度对应的数字量化输出值；
步骤5：所述中央控制单元一边下达指令给所述旋转驱动单元，让所述电机驱动板驱动所述的步进电机，从而通过所述的蜗轮传动装置带动所述的旋转台及承载在旋转台上的水体表观光谱观测仪器进行旋转；一边实时将步骤4计算得到的水体表观光谱观测仪器方位角B与步骤3计算得到的太阳方位角γ进行比较，当水体表观光谱观测仪器方向与太阳直射方向夹角为135°时，所述中央控制单元下达停止转动的命令给所述的旋转驱动单元，实现了水体表观光谱仪器的观测几何的自动调整。
本发明能够在外部数据的辅助下，通过自身结构实现对其承载的光学仪器的观测几何的自动调整，克服了现有技术中需要人为避开太阳耀斑、船阴影等干扰的调整方式所带来的局限性。不仅节省了人力成本，更重要的是可获取精确的现场AOPs数据，能够充分满足海洋水色遥感建模和遥感产品真实性检验对大样本量的需求。
附图说明
图1：为本发明实施例的装置的整体结构示意图；
图2：为本发明实施例的装置的底座内部的结构示意图；
图3：为本发明实施例的装置的旋转驱动单元的结构示意图；
图4：为本发明实施例的装置的旋转台的结构示意图；
图5：为本发明实施例的装置中水体表观光谱仪器观测角度示意图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
请见图1、图2、图3和图4，本发明提供了一种观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置，包括中央控制单元1、旋转驱动单元2、方位跟踪单元3、旋转台4和底座5；中央控制单元1为处理器和外围电路构成的单板计算机，设置有与外部通讯的接口，与旋转驱动单元2电气连接，与方位跟踪单元3电气连接；旋转驱动单元2包括电机驱动板21、步进电机22、蜗轮传动装置和电机固定板26；蜗轮传动装置由转动蜗轮23和从动蜗轮24及传动带25组成；电机驱动板21与步进电机22电气连接；步进电机22的转动轴与转动蜗轮23的转轴固定连接，从动蜗轮24的转动轴与旋转台4上设置的支撑转轴42固定连接；转动蜗轮23和从动蜗轮24通过传动带25连接；方位跟踪单元3为一姿态传感器，用于实时跟踪所述的旋转台转动的方位；旋转台4包括转动盘41、支撑转轴42和仪器挂载杆43；支撑转轴42固定连接在转动盘41下表面，用于带动转动盘41旋转；仪器布挂载杆43底端固定连接在转动盘41上表面上；底座5为一由顶盖51和底座壳体52装配构成的中空结构，中空结构内设有内部安装架53；中央控制单元1和电机驱动板21固定安装在内部安装架53上；电机固定板26固定连接在顶盖51下表面上，使整个旋转驱动单元2都处于底座5的中空结构内；电机固定板26为凹型结构，固定安装在顶盖51上；转动蜗轮23和从动蜗轮24均固定安装在电机固定板26凹槽内，步进电机22固定安装在电机固定板26下端；转动盘41安装在顶盖51上，顶盖51下底部中央安装有旋转轴承511，支撑转轴42一端穿过旋转轴承511与旋转台4固定连接，另一端与从动蜗轮24的转动轴固定连接；仪器挂载杆43用作各种水体表观光谱观测仪器安装架的主支撑杆。
本实施例的底座壳体52底部设置有可供外部数据传输及电源供应的水密接口521。
本实施例的内部安装架53设有安装孔，通过螺纹连接件将中央控制单元1和电机驱动板21固定安装。
本实施例的仪器挂载杆43为一中空圆形直杆，固定连接于转动盘41上表面中心位置，与转动盘41上表面垂直。
本实施例的方位跟踪单元3为一三轴电子罗盘传感器，通过螺纹连接件固定安装在仪器挂载杆43顶端。
本实施例的安装在仪器挂载杆43顶端的水体表观光谱观测仪器的观测方向与太阳入射方向成135°夹角。
请见图5，本发明在鄱阳湖水域进行的水体表观光谱观测，其方法包括以下步骤：
步骤1：在待测水体中安装固定支架，使固定支架露出水面至少2米，在固定支架顶部安装万向水平支架，再在万向水平支架上安装水体表观光谱观测装置；
步骤2：水体表观光谱观测光学仪器按常规方法定标后，通过各种安装架安装在所述的仪器挂载杆上，并使仪器观测方向与所述的方位跟踪单元的基准方向即三轴电子罗盘传感器的X轴方向一致；
步骤3：对待测水体进行表观光谱观测，将通过所述的外部数据通讯水密接口获取观测地点经纬度数据及观测时刻时间数据，传输至所述的中央控制单元，作为计算太阳方位角γ的输入参数，计算太阳方位角γ的公式如下：
其中，h为太阳高度角，为观测地点的地理纬度，δ为太阳赤纬角。观测地点午前太阳方位角γ为360°-A，午后太阳方位角γ为A；
以下为具体的计算过程，依次计算日角θ、时差Et、太阳赤纬角δ、真太阳时S0、太阳时角τ、太阳高度h，公式如下：
Et＝0.0028－1.9857sinθ+9.9059sin2θ－7.0924cosθ－0.6882cos2θ (2)；
δ＝0.3723+23.2567sinθ+0.1149sin2θ－0.1712sin3θ－0.758cosθ+0.3656cos2θ+0.0201cos3θ (3)；
S0＝Sd+Et/60 (4)；
τ＝(S0-12)*15 (5)；
其中N为积日，所谓积日，就是日期在年内的顺序号。
N0＝79.6764+0.2422×(年份－1985)－INT〔(年份－1985)/4〕；
Sd为测量地点地方时，可由公式Sd＝S+{F-[W-(JD+JF/60)]*4}/60，W是北京时的标准经度为120°。S和F分别为测量标准时间的小时和分钟，JD为测量地点经度的度(单位为°)JF则为分(单位为‘)。
将上述计算量的值代入下面的公式就可以得到当时太阳的方位角γ：
当cos A≤0时，90°≤A≤180°；当cos A≥0时，0≤A≤90°。由此可求出二个A值，第一个A值是午后的太阳方位，取γ＝A第2个A值为午前的太阳方位，取γ＝360°-A。
步骤4：通过所述的三轴电子罗盘传感器可分别获取到XYZ三轴的磁场强度，并由以下公式可计算出X轴与正南方向的夹角B：
B＝tan-1(Y/X)*(180°/π)+180°
X、Y分别是X轴和Y轴的磁场强度对应的数字量化输出值；
步骤5：所述中央控制单元一边下达指令给所述旋转驱动单元，让所述电机驱动板驱动所述的步进电机，从而通过所述的蜗轮传动装置带动所述的旋转台及承载在旋转台上的水体表观光谱观测仪器进行旋转；一边实时将步骤4计算得到的水体表观光谱观测仪器观测方位角B与步骤3计算得到的太阳方位角γ进行比较，当水体表观光谱观测仪器观测方向与太阳直射方向夹角为135°时，所述中央控制单元下达停止转动的命令给所述的旋转驱动单元，实现了水体表观光谱仪器的观测几何的自动调整。
尽管本说明书较多地使用了中央控制单元1、旋转驱动单元2、电机驱动板21、步进电机22、转动蜗轮23、从动蜗轮24、传动带25、电机固定板26、旋转台4、转动盘41、支撑转轴42、仪器挂载杆43、底座5、顶盖51、旋转轴承511、底座壳体52、外部数据通讯及电源供应水密接口521、内部安装架53等术语，但并不排除使用其他术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。
应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (7)
1.一种观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置，其特征在于：包括中央控制单元(1)、旋转驱动单元(2)、方位跟踪单元(3)、旋转台(4)和底座(5)；
所述的中央控制单元(1)为处理器和外围电路构成的单板计算机，设置有与外部通讯的接口，分别与所述的旋转驱动单元(2)和方位跟踪单元(3)电气连接；
所述的旋转驱动单元(2)包括电机驱动板(21)、步进电机(22)、蜗轮传动装置和电机固定板(26)；所述的蜗轮传动装置由转动蜗轮(23)和从动蜗轮(24)及传动带(25)组成；所述的电机驱动板(21)与步进电机(22)电气连接；所述的步进电机(22)的转动轴与所述的转动蜗轮(23)的转动轴固定连接，所述的从动蜗轮(24)的转动轴与所述的旋转台(4)上设置的支撑转轴(42)固定连接；所述的转动蜗轮(23)和从动蜗轮(24)通过所述的传动带(25)连接；
所述的方位跟踪单元(3)为一姿态传感器，用于实时跟踪所述的旋转台(4)转动的方位；所述的旋转台(4)包括转动盘(41)、支撑转轴(42)和仪器挂载杆(43)；所述的支撑转轴(42)固定连接在所述的转动盘(41)下表面，用于带动所述的转动盘(41)旋转；所述的仪器挂载杆(43)底端固定连接在所述的转动盘(41)上表面；
所述的底座(5)为一由顶盖(51)和底座壳体(52)装配构成的中空结构，中空结构内设有内部安装架(53)；所述的中央控制单元(1)和电机驱动板(21)固定安装在所述的内部安装架(53)上；所述的电机固定板(26)固定连接在所述的顶盖(51)下表面上，使整个旋转驱动单元(2)都处于底座(5)的中空结构内；所述的电机固定板(26)为凹型结构，固定安装在所述的顶盖(51)上；所述的转动蜗轮(23)和从动蜗轮(24)均固定安装在所述的电机固定板(26)凹槽内，所述的步进电机(22)固定安装在所述的电机固定板(26)下端；所述的转动盘(41)安装在所述的顶盖(51)上，所述的顶盖(51)下底部中央安装有旋转轴承(511)，所述的支撑转轴(42)一端穿过所述的旋转轴承(511)与所述的转动盘(41)固定连接，另一端与所述的从动蜗轮(24)的转动轴固定连接；
所述的仪器挂载杆(43)用作各种水体表观光谱观测仪器安装架的主支撑杆。
2.根据权利要求1所述的观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置，其特征在于：所述的底座壳体(52)底部设置有可供外部数据传输及电源供应的水密接口(521)。
3.根据权利要求1所述的观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置，其特征在于：所述的内部安装架(53)设有安装孔，通过螺纹连接件将所述的中央控制单元(1)和电机驱动板(21)固定安装。
4.根据权利要求1所述的观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置，其特征在于：所述的仪器挂载杆(43)为一中空圆形直杆，固定连接于所述的转动盘(41)上表面中心位置，与所述的转动盘(41)上表面垂直。
5.根据权利要求1所述的观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置，其特征在于：所述的方位跟踪单元(3)为一三轴电子罗盘传感器，通过螺纹连接件固定安装在所述的仪器挂载杆(43)顶端。
6.根据权利要求1所述的观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置，其特征在于：安装在仪器挂载杆(43)顶端的水体表观光谱观测仪器的观测方向与太阳入射方向成135°夹角。
7.一种利用权利要求1所述的观测几何自动调整的水体表观光谱观测装置进行观测的方法，包括以下技术步骤：
步骤1：在待测水体中安装固定支架，使固定支架露出水面至少2米，在固定支架顶部安装万向水平支架，再在万向水平支架上安装水体表观光谱观测装置；
步骤2：水体表观光谱观测光学仪器按常规方法定标后，通过各种安装架安装在所述的仪器挂载杆(43)上，并使仪器观测方向与所述的方位跟踪单元的基准方向即三轴电子罗盘传感器的X轴方向一致；
步骤3：对待测水体进行表观光谱观测，将通过水密接口(521)获取观测地点经纬度数据及观测时刻时间数据，传输至所述的中央控制单元(1)，作为计算太阳方位角γ的输入参数，计算太阳方位角γ的公式如下：
其中，h为太阳高度角，为观测地点的地理纬度，为太阳赤纬角，观测地点午前太阳方位角γ为360°-A，午后太阳方位角γ为A；
步骤4：通过安装在方位跟踪单元(3)上的三轴电子罗盘传感器，分别获取到XYZ三轴的磁场强度，并由以下公式可计算出X轴与正南方向的夹角B：
B＝tan-1(Y/X)*(180°/π)+180°；
X、Y分别是X轴和Y轴的磁场强度对应的数字量化输出值；
步骤5：所述的中央控制单元(1)一边下达指令给所述的旋转驱动单元(2)，让所述的电机驱动板(21)驱动所述的步进电机(22)，从而通过所述的蜗轮传动装置带动所述的旋转台(4)及承载在旋转台(4)上的水体表观光谱观测仪器进行旋转；一边实时将步骤4计算得到的水体表观光谱观测仪器观测方位角B与步骤3计算得到的太阳方位角γ进行比较，当水体表观光谱观测仪器观测方向与太阳直射方向夹角为135°时，所述的中央控制单元(1)下达停止转动的命令给所述的旋转驱动单元(2)，实现了水体表观光谱仪器的观测几何的自动调整。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |