CN104880417A - 一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法，装置包括总控系统、无线通讯系统、全球定位系统、观测几何自动调整系统、光谱测量系统、跟随拍照系统和远程服务器；光谱测量系统安装在观测几何自动调整系统上，总控系统通过电缆分别与无线通讯系统、全球定位系统、观测几何自动调整系统、光谱测量系统、跟随拍照系统电气连接，无线通讯系统通过无线网络与远程服务器连接通信；方法包括：观测几何调整的自动化、光谱测量的自动化、图像记录的自动化、远程实时监测；本发明具有自动化程度高、稳定可靠、精度高、实时性好、适应性强、交互性好，不仅适合对单个站位的水面光谱进行监测，还可以通过组网的方式对多个站位进行监测。

Description

一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法

技术领域

本发明属于水色遥感光谱测量领域，特别是涉及一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法。

背景技术

对海洋、湖泊等水体的光学特征测量与分析是水色遥感的基础之一，针对不同的水体，野外测试获取了大量的实测光谱对水色遥感建模和遥感产品真实性检验来说更是必不可少的重要环节，对于大洋的I类水体，水下剖面测量法是首选的方法，而对于海洋沿岸以及内陆湖泊等高叶绿素和高悬浮物浓度的Ⅱ类水体的表观光学特性的测量相对适合的方法是水面以上测量法，虽然NASA、国际水色SIMBIOS组织等对此给出了相对合理的测量方法和数据处理方案，但是在实际研究中，人工操作实地采样来获取现场水体表观光谱数据仍然存在很多问题，这类监测方法在精度上有一定的准确性, 但是这类测量得到的数据量小、可靠性差，受现场环境和人为因素影响较大，而且是在点上进行, 难以全面反映水体生态环境的总体时空变化，且费时、费力、成本高, 更重要的是不能进行实时远程监测。

因此，有必要提出一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置与方法，来获取精确的现场水体表观光谱数据。

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面光谱远程实时监测的自动化装置与方法。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，其特征在于：包括总控系统、无线通讯系统、全球定位系统、观测几何自动调整系统、光谱测量系统、跟随拍照系统和远程服务器；所述的光谱测量系统安装在所述的观测几何自动调整系统上，所述的总控系统通过电缆分别与所述的无线通讯系统、全球定位系统、观测几何自动调整系统、光谱测量系统、跟随拍照系统电气连接，所述的无线通讯系统通过无线网络与所述的远程服务器连接通信；所述的总控系统包括控制电路板和第一水密外壳，所述的控制电路板上设置有数据存储卡，用于储存测量的光谱数据和照片；所述的第一水密外壳包括第一封盖和第一壳体，所述的第一封盖顶部设置有电源接口、第一通讯接口、第二通讯接口、第三通讯接口、第四通讯接口和第五通讯接口；所述的第一通讯接口通过电缆与所述的观测几何自动调整系统电气连接，所述的第二通讯接口通过电缆与所述的无线通讯系统电气连接，所述的第三通讯接口通过电缆与所述的光谱测量系统电气连接，所述的第四通讯接口通过电缆与所述的全球定位系统电气连接，所述的第五通讯接口通过电缆与所述的跟随拍照系统电气连接；所述的无线通讯系统包括天线、电路板和第二水密外壳，所述的第二水密外壳由第二封盖和第二壳体装配而成，其内为中空结构，所述的电路板安装在所述的中空结构内；所述的第二封盖顶部设置有与所述的第二通讯接口连接的第六通讯接口，所述的第二壳体顶部设置有与天线连接的天线接口；所述的无线通讯系统用于在总控系统与所述的远程服务器之间进行无线通讯；所述的全球定位系统包括GPS天线、GPS电路板和第三水密外壳，所述的第三水密外壳由第三封盖和第三壳体装配而成，其内为中空结构，所述的GPS电路板安装在所述的中空结构内；所述的第三封盖顶部设置有与所述的第四通讯接口连接的第七通讯接口和GPS天线接口，所述的GPS天线接口用于将所述的GPS天线连接到所述的GPS电路板上；所述的全球定位系统用于获取实验地点的经纬度信息；所述的观测几何自动调整系统主要包括控制单元、旋转驱动单元、方位跟踪单元、旋转台和底座；所述的控制单元设置有与所述总控系统通讯的接口，所述的控制单元与所述的旋转驱动单元、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、蜗轮传动机构和电机固定板；所述的电机驱动板与步进电机电气连接，所述的步进电机通过螺纹连接件固定安装在所述的电机固定板下底面上、其转动轴与安装在所述的电机固定板上的蜗轮传动机构连接；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光谱测量系统的观测方位；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安装在所述的转动盘下表面中心位置，所述的仪器挂载杆固定安装在所述的转动盘上表面中心位置；所述的底座由顶盖和底座壳体装配而成，其内为中空结构，中空结构内设有内部安装架；所述的顶盖中央安装有旋转轴承，所述的底座壳体底部设置有与所述的总控系统的第一通讯接口连接的第八通讯接口；所述的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；所述的支撑转轴穿过所述的旋转轴承与所述的蜗轮传动机构固定连接；所述的光谱测量系统由光谱仪、光纤探头、参考板、支撑臂、第一舵机、直射太阳光遮挡机构、光路切换开关、探头固定架组成；所述的光谱仪安装在所述的底座壳体内，通过光纤与所述的光路切换开关连接；所述的光纤探头尾部光纤穿过所述的底座壳体下底面设置的过线孔与所述的光路切换开关连接；所述的探头固定架用于将所述的光纤探头固定到所述的第一舵机转轴上；所述的参考板固定安装在所述的转动盘上，位置正好处于所述的光纤探头下面；所述的支撑臂一端水平固定安装在所述的仪器挂载杆上，另一端与所述的第一舵机固定连接；所述的直射太阳光遮挡机构包括第二舵机、连接臂和遮光板；所述的第二舵机安装在所述的参考板一侧，轴向与所述的光纤探头水平方向成45度夹角；所述的遮光板通过所述的连接臂固定安装在所述的第二舵机上；所述的光路切换开关包括安装板、固定板、小电机和一组光纤连接器，所述的安装板有A、B两片，均垂直固定安装在所述的固定板表面上，A、B两片安装板与固定板之间构成封闭的中空夹层；所述的安装板上开有透光通孔，使A、B两片及中空夹层相通；所述的中空夹层内设有遮光片，所述的透光通孔旁边装有所述的小电机，小电机的转动轴通过安装孔伸入所述的中空夹层内；所述的遮光片一端紧密套接在所述的小电机的转动轴上，另一端能在所述的中空夹层平面内围绕所述的转动轴转动，所述的遮光片的宽度大于透光通孔直径，遮光片转动半径大于所述的转动轴到透光通孔的距离，使得所述的遮光片转至水平位置时能够阻断所述的透光通孔；所述的透光通孔在A片的开口通过光纤连接光谱仪，所述的透光通孔在B片的开口通过光纤连接所述的光纤探头；所述的小电机的机身通过螺纹连接件和固定块固定安装在所述的固定板上，所述的固定板表面还开有螺孔，用于将整个光路切换开关通过螺纹连接件固定安装在所述的底座壳体内；所述的跟随拍照系统为一小体型摄像头，通过导线连接到所述的第五通讯接口；所述的远程服务器是若干台外网能访问得到的计算机，通过无线网络与所述的无线通讯系统通信。

作为优选，所述的蜗轮传动机构由转动蜗轮、从动蜗轮和传动带组成；所述的支撑转轴穿过所述的旋转轴承与所述的从动蜗轮固定连接，所述的转动蜗轮通过所述的传动带与所述的从动蜗轮连接。

作为优选，所述的观测几何自动调整系统的内部安装架设有安装孔，用于通过螺纹连接件将所述的控制单元和电机驱动板固定安装在其上。

作为优选，所述的观测几何自动调整系统的控制单元为处理器和外围电路构成的电路板.

作为优选，所述的方位跟踪单元为一姿态传感器，通过螺纹连接件固定安装在所述的仪器挂载杆顶端，并通过导线与所述的控制单元电气连接。

作为优选，所述的连接臂为L型结构，用于连接所述的第二舵机转轴和遮光板，使所述的遮光板在太阳光入射平面上转动。

作为优选，所述的光谱仪和所述的小电机通过电缆穿过所述的过线孔连接到所述的第三通讯接口，所述的第一舵机和第二舵机分别通过电缆连接到所述的第三通讯接口。

作为优选，所述的跟随拍照系统通过螺纹连接件固定安装在所述的探头固定架上与所述的第一舵机对称的一侧，使所述的跟随拍照系统和所述的光纤探头的观测方向始终一致。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种水面光谱远程实时监测的方法，其特征在于，主要包括：观测几何调整的自动化、光谱测量的自动化、图像记录的自动化、远程实时监测；

所述的观测几何调整的自动化，其具体实现过程为：通过所述的总控系统将所述的全球定位系统获取的位置信息和时间传递给所述的观测几何自动调整系统，再由所述的控制单元计算出太阳的方位角，通过所述的方位跟踪单元输出的结果跟踪得到所述的光纤探头的观测方位，所述的控制单元通过所述的电机驱动板控制步进电机转动，从而带动整个选转台及其上的光谱测量系统转动，使所述的光纤探头的观测方向与太阳入射方向成135度夹角，实现观测几何的自动调整；

所述的光谱测量的自动化，其具体实现包括以下步骤：

步骤1：采样前，所述的总控系统先给所述的光谱仪上电；

步骤2：暗电流测量，所述的总控系统控制所述的光路切换开关闭合，切断所述的光纤探头与光谱仪之间的光路，然后进行暗电流测量，读取光谱仪8-15次；

步骤3：标准板测量，所述的总控系统通过所述的第一舵机控制所述的光纤探头垂直向下指向所述的标准参考板，然后控制所述的光谱仪测量8-15条光谱数据；

步骤4：遮挡直射阳光的标准板测量，所述的总控系统根据所述的控制单元计算得出的太阳高度角，控制所述的第二舵机带动所述的遮光板转动，使所述的遮光板的影子正好覆盖了所述的光纤探头在标准板上的测量区域，进而控制所述的光谱仪测量8-15条光谱数据；

步骤5：目标水体测量，所述的总控系统通过所述的第一舵机控制所述的光纤探头以与水面法线成40度夹角的方向指向目标水体，然后控制所述的光谱仪测量8-15条光谱数据；

步骤6：天空光测量，所述的总控系统通过所述的第一舵机控制所述的光纤探头以与水面法线成40度夹角的方向指向目标天空，然后控制所述的光谱仪测量8-15条光谱数据；

步骤7：再重复执行一次所述的步骤3、步骤4；测量时间至少要跨越一个波浪周期，以便后续数据处理中剔除水面噪声的影响；

所述的图像记录的自动化，其具体实现过程为：所述的跟随拍照系统的镜头方向与所述的光纤探头始终保持一致，在每个目标进行光谱测量的同时，所述的总控系统都会控制所述的跟随拍照系统将目标图像记录下来；

所述的远程实时监测，其具体实现过程为：所述的总控系统除了将每次采集的光谱数据和图像数据储存到所述的数据存储卡内，还实时通过所述的无线通讯系统将数据传送回所述的远程服务器上，再由其存储到所述的远程服务器上的存储设备上，并在显示设备上动态显示出来，使用者不用出现在实验地点就可以实时查看到实验地点现场测量的光谱数据和照片；此外，使用者还能利用所述的远程服务器通过网络发送命令给所述的无线通讯系统，进而控制所述的总控系统进行启动采样、关闭采样、设置采样频率、获取数据、清空存储等操作。

本发明与传统的用船进行逐点光谱采样相比，通过布放本发明装置，可以大大减少野外作业人力成本、物力成本等方面的消耗，还可以进行组网，不但可以远程获得大面积时空分布上的连续数据，而且使得测量分析更加具有动态性、连续性和持续性。本发明具有自动化程度高、稳定可靠、精度高、实时性好、适应性强、交互性好等优点。本发明装置不仅适合对单个站位的水面光谱进行监测，还可以通过组网的方式对多个站位进行监测。

附图说明

图1：为本发明实施例的装置原理示意图；

图2：为本发明实施例的装置的整体结构示意图；

图3：为本发明实施例的装置的观测几何自动调整系统、光谱测量系统、跟随拍照系统的结构示意图；

图4：为本发明实施例的装置的观测几何自动调整系统的内部结构示意图；

图5：为本发明实施例的装置的旋转驱动单元的结构示意图；

图6：为本发明实施例的装置的光谱测量系统、跟随拍照系统的俯视结构示意图；

图7：为本发明实施例的装置的光路切换开关的结构示意图。

图中：1-总控系统， 11-控制电路板，111-数据存储卡，121-第一封盖，122-第一壳体，1211-电源接口，1212-第一通讯接口，1213-第二通讯接口，1214-第三通讯接口，1215-第四通讯接口，1216-第五通讯接口， 2-全球定位系统，21-天线，22-电路板，231-第二封盖，2311-第六通讯接口， 232-第二壳体，2321-天线接口， 3-全球定位系统，31-GPS天线，32-GPS电路板，331-第三封盖，3311-第七通讯接口，3312-GPS天线接口，332-第三壳体，4-观测几何自动调整系统，41-控制单元，42-旋转驱动单元，421-电机驱动板，422-步进电机，4231-转动蜗轮，4232-从动蜗轮，4233-传动带，424-电机固定板，43-方位跟踪单元，441-转动盘，442-支撑转轴，443-仪器挂载杆，451-顶盖，452-底座壳体，4521-第八通讯接口，4522-过线孔，453-内部安装架，454-旋转轴承，5-光谱测量系统，51-光谱仪，52-光纤探头，53-参考板，54-支撑臂，55-第一舵机，56-直射太阳光遮挡机构，561第二舵机、562连接臂，563遮光板，57-光路切换开关，571-安装板，5711-中空夹层，5712-透光通孔，572-固定板，5721-螺孔，573-小电机，5731-转动轴，5732-遮光片，574-光纤连接器，58-探头固定架，6-跟随拍照系统，7-远程服务器。

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、图4、图5、图6和图7，本发明提供的一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，包括总控系统1、无线通讯系统2、全球定位系统3、观测几何自动调整系统4、光谱测量系统5、跟随拍照系统6和远程服务器7；光谱测量系统5安装在观测几何自动调整系统4上，总控系统1通过电缆分别与无线通讯系统2、全球定位系统3、观测几何自动调整系统4、光谱测量系统5、跟随拍照系统6电气连接，无线通讯系统2通过无线网络与远程服务器7连接通信；总控系统1包括控制电路板11和第一水密外壳，控制电路板11上设置有数据存储卡111，用于储存测量的光谱数据；第一水密外壳包括第一封盖121和第一壳体122，第一封盖121顶部设置有电源接口1211、第一通讯接口1212、第二通讯接口1213、第三通讯接口1214、第四通讯接口1215和第五通讯接口1216；第一通讯接口1212通过电缆与观测几何自动调整系统4电气连接，第二通讯接口1213通过电缆与无线通讯系统2电气连接，第三通讯接口1214通过电缆与光谱测量系统5电气连接，第四通讯接口1215通过电缆与全球定位系统3电气连接，第五通讯接口1216通过电缆与跟随拍照系统6电气连接；无线通讯系统2包括天线21、电路板22和第二水密外壳，第二水密外壳由第二封盖231和第二壳体232装配而成，其内为中空结构，电路板22安装在中空结构内；第二封盖231顶部设置有与第二通讯接口1213连接的第六通讯接口2211，第二壳体232顶部设置有与天线21连接的天线接口2321；无线通讯系统2用于在总控系统1与远程服务器7之间进行无线通讯；全球定位系统3包括GPS天线31、GPS电路板32和第三水密外壳，第三水密外壳由第三封盖331和第三壳体332装配而成，其内为中空结构，GPS电路板32安装在中空结构内；第三封盖331顶部设置有与第四通讯接口1215连接的第七通讯接口3311和GPS天线接口3312，GPS天线接口3312用于将GPS天线31连接到GPS电路板32上；全球定位系统3用于获取实验地点的经纬度信息；观测几何自动调整系统4主要包括控制单元41、旋转驱动单元42、方位跟踪单元43、旋转台和底座；控制单元41为处理器和外围电路构成的电路板，控制单元41设置有与所述总控系统1通讯的接口，控制单元41与旋转驱动单元42、方位跟踪单元43电气连接；旋转驱动单元42包括电机驱动板421、步进电机422、蜗轮传动机构和电机固定板424；电机驱动板421与步进电机422电气连接，步进电机422通过螺纹连接件固定安装在电机固定板424下底面上、其转动轴与安装在电机固定板424上的蜗轮传动机构连接；方位跟踪单元43为一姿态传感器，通过螺纹连接件固定安装在仪器挂载杆443顶端，并通过导线与控制单元41电气连接，用于实时跟踪光谱测量系统5的观测方位；旋转台包括转动盘441、支撑转轴442和仪器挂载杆443，支撑转轴442固定安装在转动盘441下表面中心位置，仪器挂载杆443固定安装在转动盘441上表面中心位置；底座由顶盖451和底座壳体452装配而成，其内为中空结构，中空结构内设有内部安装架453；顶盖451中央安装有旋转轴承454，底座壳体452底部设置有与总控系统1的第一通讯接口1212连接的第八通讯接口4521；控制单元41和电机驱动板421固定安装在内部安装架453上；电机固定板424固定安装在顶盖451下表面上，使整个旋转驱动单元42都处于底座的中空结构内；支撑转轴442穿过旋转轴承454与蜗轮传动机构固定连接；蜗轮传动机构由转动蜗轮4231、从动蜗轮4232和传动带4233组成；支撑转轴442穿过旋转轴承454与从动蜗轮4232固定连接，转动蜗轮4231通过传动带4233与从动蜗轮4232连接。观测几何自动调整系统4的内部安装架453设有安装孔，用于通过螺纹连接件将控制单元41和电机驱动板421固定安装在其上。光谱测量系统5由光谱仪51、光纤探头52、参考板53、支撑臂54、第一舵机55、直射太阳光遮挡机构56、光路切换开关57、探头固定架58组成；光谱仪51安装在底座壳体452内，通过光纤与光路切换开关57连接；光纤探头52尾部光纤穿过底座壳体452下底面设置的过线孔4522与光路切换开关57连接；探头固定架58用于将光纤探头52固定到第一舵机55转轴上；参考板53固定安装在转动盘441上，位置正好处于光纤探头52下面；支撑臂54一端水平固定安装在仪器挂载杆443上，另一端与第一舵机55固定连接；直射太阳光遮挡机构56包括第二舵机561、连接臂562和遮光板563；第二舵机561安装在参考板53一侧，轴向与光纤探头52水平方向成45度夹角；连接臂562为L型结构，用于连接第二舵机561转轴和遮光板563，使遮光板563在与太阳光入射平面上转动。光路切换开关57包括安装板571、固定板572、小电机573和一组光纤连接器574，安装板571有A、B两片，均垂直固定安装在固定板572表面上，A、B两片安装板与固定板572之间构成顶部开放的中空夹层5711；安装板571上开有透光通孔5712，使A、B两片及中空夹层5711相通；中空夹层内5711设有遮光片5732，透光通孔5712旁边装有小电机573，小电机573的转动轴5731通过安装孔伸入中空夹层5711内；遮光片5732一端紧密套接在小电机573的转动轴5731上，另一端能在中空夹层5711平面内围绕转动轴5731转动，遮光片5732的宽度大于透光通孔5712直径，遮光片5732转动半径大于转动轴5731到透光通孔5712的距离，使得遮光片5732转至水平位置时能够阻断透光通孔5712；透光通孔5712在A片的开口通过光纤连接光谱仪51，透光通孔5712在B片的开口通过光纤连接光纤探头52；小电机573的机身通过螺纹连接件和固定块固定安装在固定板572上，固定板572表面还开有螺孔5721，用于将整个光路切换开关57通过螺纹连接件固定安装在底座壳体452内；光谱仪51和小电机573通过电缆穿过过线孔4522连接到第三通讯接口1214，第一舵机55和第二舵机561分别通过电缆连接到第三通讯接口1214。跟随拍照系统6为一小体型摄像头，通过导线连接到第五通讯接口1216；跟随拍照系统6通过螺纹连接件固定安装在探头固定架58上与第一舵机55对称的一侧，使跟随拍照系统6和光纤探头51的观测方向始终一致。远程服务器7是若干台外网能访问得到的计算机，通过无线网络与无线通讯系统2通信。

本发明提供的一种水面光谱远程实时监测的方法，主要包括：观测几何调整的自动化、光谱测量的自动化、图像记录的自动化、远程实时监测；

观测几何调整的自动化，其具体实现过程为：通过总控系统1将全球定位系统3获取的位置信息和时间传递给观测几何自动调整系统4，再由控制单元41计算出太阳的方位角，通过方位跟踪单元43输出的结果跟踪得到光纤探头52的观测方位，控制单元41通过电机驱动板421控制步进电机422转动，从而带动整个选转台及其上的光谱测量系统5转动，使光纤探头52的观测方向与太阳入射方向成135度夹角，实现观测几何的自动调整；

光谱测量的自动化，其具体实现包括以下步骤：

步骤1：采样前，总控系统1先给光谱仪51上电；

步骤2：暗电流测量，总控系统1控制光路切换开关57闭合，切断光纤探头52与光谱仪51之间的光路，然后进行暗电流测量，读取光谱仪8-15次；

步骤3：标准板测量，总控系统1通过第一舵机55控制光纤探头52垂直向下指向标准参考板53，然后控制光谱仪51测量8-15条光谱数据；

步骤4：遮挡直射阳光的标准板测量，总控系统1根据控制单元41计算得出的太阳高度角，控制第二舵机561带动遮光板563转动，使遮光板563的影子正好覆盖了光纤探头52在标准板上的测量区域，进而控制光谱仪51测量8-15条光谱数据；

步骤5：目标水体测量，总控系统1通过第一舵机55控制光纤探头52以与水面法线成40度夹角的方向指向目标水体，然后控制光谱仪51测量8-15条光谱数据；

步骤6：天空光测量，总控系统1通过第一舵机55控制光纤探头52以与水面法线成40度夹角的方向指向目标天空，然后控制光谱仪51测量8-15条光谱数据；

步骤7：再重复执行一次步骤3、步骤4；测量时间至少要跨越一个波浪周期，以便后续数据处理中剔除水面噪声的影响；

图像记录的自动化，其具体实现过程为：跟随拍照系统6的镜头方向与光纤探头52始终保持一致，在每个目标进行光谱测量的同时，总控系统1都会控制跟随拍照系统6将目标图像记录下来；

远程实时监测，其具体实现过程为：总控系统1除了将每次采集的光谱数据和图像数据储存到数据存储卡111内，还实时通过无线通讯系统2将数据传送回远程服务器7上，再由其存储到远程服务器7上的存储设备上，并在显示设备上动态显示出来，使用者不用出现在实验地点就可以实时查看到实验地点现场测量的光谱数据和照片；此外，使用者还能利用远程服务器7通过网络发送命令给无线通讯系统2，进而控制总控系统1进行启动采样、关闭采样、设置采样频率、获取数据、清空存储等操作。

尽管本说明书较多地使用了总控系统1，控制电路板11，数据存储卡111，第一水密外壳，第一封盖121，电源接口1211，第一通讯接口1212，第二通讯接口1213，第三通讯接口1214，第四通讯接口1215，第五通讯接口1216，第一壳体122，无线通讯系统2，天线21，电路板22，第二水密外壳，第二封盖231，第六通讯接口2311，第二壳体232，天线接口2321，全球定位系统3，GPS天线31，GPS电路板32，第三水密外壳，第三封盖331，第七通讯接口3311，GPS天线接口3312，第三壳体332，观测几何自动调整系统4，控制单元41，旋转驱动单元42，电机驱动板421，步进电机422，蜗轮传动机构，转动蜗轮4231，从动蜗轮4232，传动带4233，电机固定板424，方位跟踪单元43，旋转台，转动盘441，支撑转轴442，仪器挂载杆443，底座，顶盖451，底座壳体452，第八通讯接口4521，过线孔4522，内部安装架453，旋转轴承454，光谱测量系统5，光谱仪51，光纤探头52，参考板53，支撑臂54，第一舵机55，直射太阳光遮挡机构56，第二舵机561，连接臂562，遮光板563，光路切换开关57，安装板571，中空夹层5711，透光通孔5712，固定板572，螺孔5721，小电机573，转动轴5731，遮光片5732，光纤连接器574，探头固定架58，跟随拍照系统6，远程服务器7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 (9)

1.一种适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，其特征在于：包括总控系统（1）、无线通讯系统（2）、全球定位系统（3）、观测几何自动调整系统（4）、光谱测量系统（5）、跟随拍照系统（6）和远程服务器（7）；所述的光谱测量系统（5）安装在所述的观测几何自动调整系统（4）上，所述的总控系统（1）通过电缆分别与所述的无线通讯系统（2）、全球定位系统（3）、观测几何自动调整系统（4）、光谱测量系统（5）、跟随拍照系统（6）电气连接，所述的无线通讯系统（2）通过无线网络与所述的远程服务器（7）连接通信；

所述的总控系统（1）包括控制电路板（11）和第一水密外壳，所述的控制电路板（11）上设置有数据存储卡（111），用于储存测量的光谱数据和照片；所述的第一水密外壳包括第一封盖（121）和第一壳体（122），所述的第一封盖（121）顶部设置有电源接口（1211）、第一通讯接口（1212）、第二通讯接口（1213）、第三通讯接口（1214）、第四通讯接口（1215）和第五通讯接口（1216）；所述的第一通讯接口（1212）通过电缆与所述的观测几何自动调整系统（4）电气连接，所述的第二通讯接口（1213）通过电缆与所述的无线通讯系统（2）电气连接，所述的第三通讯接口（1214）通过电缆与所述的光谱测量系统（5）电气连接，所述的第四通讯接口（1215）通过电缆与所述的全球定位系统（3）电气连接，所述的第五通讯接口（1216）通过电缆与所述的跟随拍照系统（6）电气连接；

所述的无线通讯系统（2）包括天线（21）、电路板（22）和第二水密外壳，所述的第二水密外壳由第二封盖（231）和第二壳体（232）装配而成，其内为中空结构，所述的电路板（22）安装在所述的中空结构内；所述的第二封盖（231）顶部设置有与所述的第二通讯接口（1213）连接的第六通讯接口（2311），所述的第二壳体（232）顶部设置有与天线（21）连接的天线接口（2321）；所述的无线通讯系统（2）用于在总控系统（1）与所述的远程服务器（7）之间进行无线通讯；

所述的全球定位系统（3）包括GPS天线（31）、GPS电路板（32）和第三水密外壳，所述的第三水密外壳由第三封盖（331）和第三壳体（332）装配而成，其内为中空结构，所述的GPS电路板（32）安装在所述的中空结构内；所述的第三封盖（331）顶部设置有与所述的第四通讯接口（1215）连接的第七通讯接口（3311）和GPS天线接口（3312），所述的GPS天线接口（3312）用于将所述的GPS天线（31）连接到所述的GPS电路板（32）上；所述的全球定位系统（3）用于获取实验地点的经纬度信息；

所述的观测几何自动调整系统（4）主要包括控制单元（41）、旋转驱动单元（42）、方位跟踪单元（43）、旋转台和底座；所述的控制单元（41）设置有与所述总控系统（1）通讯的接口，所述的控制单元（41）与所述的旋转驱动单元（42）、方位跟踪单元（43）电气连接；所述的旋转驱动单元（42）包括电机驱动板（421）、步进电机（422）、蜗轮传动机构和电机固定板（424）；所述的电机驱动板（421）与步进电机（422）电气连接，所述的步进电机（422）通过螺纹连接件固定安装在所述的电机固定板（424）下底面上、其转动轴与安装在所述的电机固定板（424）上的蜗轮传动机构连接；所述的方位跟踪单元（43）为一姿态传感器，用于实时跟踪所述的光谱测量系统（5）的观测方位；所述的旋转台包括转动盘（441）、支撑转轴（442）和仪器挂载杆（443），所述的支撑转轴（442）固定安装在所述的转动盘（441）下表面中心位置，所述的仪器挂载杆（443）固定安装在所述的转动盘（441）上表面中心位置；所述的底座由顶盖（451）和底座壳体（452）装配而成，其内为中空结构，中空结构内设有内部安装架（453）；所述的顶盖（451）中央安装有旋转轴承（454），所述的底座壳体（452）底部设置有与所述的总控系统（1）的第一通讯接口（1212）连接的第八通讯接口（4521）；所述的控制单元（41）和电机驱动板（421）固定安装在所述的内部安装架（453）上；所述的电机固定板（424）固定安装在所述的顶盖（451）下表面上，使整个旋转驱动单元（42）都处于底座的中空结构内；所述的支撑转轴（442）穿过所述的旋转轴承（454）与所述的蜗轮传动机构固定连接；

所述的光谱测量系统（5）由光谱仪（51）、光纤探头（52）、参考板（53）、支撑臂（54）、第一舵机（55）、直射太阳光遮挡机构（56）、光路切换开关（57）、探头固定架（58）组成；所述的光谱仪（51）安装在所述的底座壳体（452）内，通过光纤与所述的光路切换开关（57）连接；所述的光纤探头（52）尾部光纤穿过所述的底座壳体（452）下底面设置的过线孔（4522）与所述的光路切换开关（57）连接；所述的探头固定架（58）用于将所述的光纤探头（52）固定到所述的第一舵机（55）转轴上；所述的参考板（53）固定安装在所述的转动盘（441）上，位置正好处于所述的光纤探头（52）下面；所述的支撑臂（54）一端水平固定安装在所述的仪器挂载杆（443）上，另一端与所述的第一舵机（55）固定连接；所述的直射太阳光遮挡机构（56）包括第二舵机（561）、连接臂（562）和遮光板（563）；所述的第二舵机（561）安装在所述的参考板（53）一侧，轴向与所述的光纤探头（52）水平方向成45度夹角；所述的遮光板（563）通过所述的连接臂（562）固定安装在所述的第二舵机（561）上；所述的光路切换开关（57）包括安装板（571）、固定板（572）、小电机（573）和一组光纤连接器（574），所述的安装板（571）有A、B两片，均垂直固定安装在所述的固定板（572）表面上，A、B两片安装板与固定板（572）之间构成封闭的空夹层（5711）；所述的安装板（571）上开有透光通孔（5712），使A、B两片及中空夹层（5711）相通；所述的中空夹层内（5711）设有遮光片（5732），所述的透光通孔（5712）旁边装有所述的小电机（573），小电机（573）的转动轴（5731）通过安装孔伸入所述的中空夹层（5711）内；所述的遮光片（5732）一端紧密套接在所述的小电机（573）的转动轴（5731）上，另一端能在所述的中空夹层（5711）平面内围绕所述的转动轴（5731）转动，所述的遮光片（5732）的宽度大于透光通孔（5712）直径，遮光片（5732）转动半径大于所述的转动轴（5731）到透光通孔（5712）的距离，使得所述的遮光片（5732）转至水平位置时能够阻断所述的透光通孔（5712）；所述的透光通孔（5712）在A片的开口通过光纤连接光谱仪（51），所述的透光通孔（5712）在B片的开口通过光纤连接所述的光纤探头（52）；所述的小电机（573）的机身通过螺纹连接件和固定块固定安装在所述的固定板（572）上，所述的固定板（572）表面还开有螺孔（5721），用于将整个光路切换开关（57）通过螺纹连接件固定安装在所述的底座壳体（452）内；

所述的跟随拍照系统（6）为一小体型摄像头，通过导线连接到所述的第五通讯接口（1216）；

所述的远程服务器（7）是若干台外网能访问得到的计算机，通过无线网络与所述的无线通讯系统（2）通信。

2.根据权利要求1所述的水体表观光谱二向性自动测量装置，其特征在于：所述的蜗轮传动机构由转动蜗轮（4231）、从动蜗轮（4232）和传动带（4233）组成；所述的支撑转轴（442）穿过所述的旋转轴承（454）与所述的从动蜗轮（4232）固定连接，所述的转动蜗轮（4231）通过所述的传动带（4233）与所述的从动蜗轮（4232）连接。

3.根据权利要求1所述的适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，其特征在于：所述的观测几何自动调整系统（4）的内部安装架（453）设有安装孔，用于通过螺纹连接件将所述的控制单元（41）和电机驱动板（421）固定安装在其上。

4.根据权利要求1或3所述的适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，其特征在于：所述的观测几何自动调整系统（4）的控制单元（41）为处理器和外围电路构成的电路板。

5.根据权利要求1所述的适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，其特征在于：所述的方位跟踪单元（43）为一姿态传感器，通过螺纹连接件固定安装在所述的仪器挂载杆（443）顶端，并通过导线与所述的控制单元（41）电气连接。

6.根据权利要求1所述的适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，其特征在于：所述的连接臂（562）为L型结构，用于连接所述的第二舵机（561）转轴和遮光板（563），使所述的遮光板（563）在太阳光入射平面上转动。

7.根据权利要求1所述的适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，其特征在于：所述的光谱仪（51）和所述的小电机（573）通过电缆穿过所述的过线孔（4522）连接到所述的第三通讯接口（1214），所述的第一舵机（55）和第二舵机（561）分别通过电缆连接到所述的第三通讯接口（1214）。

8.根据权利要求1所述的适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置，其特征在于：所述的跟随拍照系统（6）通过螺纹连接件固定安装在所述的探头固定架（58）上与所述的第一舵机（55）对称的一侧，使所述的跟随拍照系统（6）和所述的光纤探头（51）的观测方向始终一致。

9.一种利用权利要求1所述的适用于水面光谱远程实时监测的自动化装置进行水面光谱远程实时监测的方法，其特征在于，主要包括：观测几何调整的自动化、光谱测量的自动化、图像记录的自动化、远程实时监测；

所述的观测几何调整的自动化，其具体实现过程为：通过所述的总控系统（1）将所述的全球定位系统（3）获取的位置信息和时间传递给所述的观测几何自动调整系统（4），再由所述的控制单元（41）计算出太阳的方位角，通过所述的方位跟踪单元（43）输出的结果跟踪得到所述的光纤探头（52）的观测方位，所述的控制单元（41）通过所述的电机驱动板（421）控制步进电机（422）转动，从而带动整个旋转台及其上的光谱测量系统（5）转动，使所述的光纤探头（52）的观测方向与太阳入射方向成135度夹角，实现观测几何的自动调整；

所述的光谱测量的自动化，其具体实现包括以下步骤：

步骤1：采样前，所述的总控系统（1）先给所述的光谱仪（51）上电；

步骤2：暗电流测量，所述的总控系统（1）控制所述的光路切换开关（57）闭合，切断所述的光纤探头（52）与光谱仪（51）之间的光路，然后进行暗电流测量，读取光谱仪8-15次；

步骤3：标准板测量，所述的总控系统（1）通过所述的第一舵机（55）控制所述的光纤探头（52）垂直向下指向所述的标准参考板（53），然后控制所述的光谱仪（51）测量8-15条光谱数据；

步骤4：遮挡直射阳光的标准板测量，所述的总控系统（1）根据所述的控制单元（41）计算得出的太阳高度角，控制所述的第二舵机（561）带动所述的遮光板（563）转动，使所述的遮光板（563）的影子正好覆盖了所述的光纤探头（52）在标准板上的测量区域，进而控制所述的光谱仪（51）测量8-15条光谱数据；

步骤5：目标水体测量，所述的总控系统（1）通过所述的第一舵机（55）控制所述的光纤探头（52）以与水面法线成40度夹角的方向指向目标水体，然后控制所述的光谱仪（51）测量8-15条光谱数据；

步骤6：天空光测量，所述的总控系统（1）通过所述的第一舵机（55）控制所述的光纤探头（52）以与水面法线成40度夹角的方向指向目标天空，然后控制所述的光谱仪（51）测量8-15条光谱数据；

步骤7：再重复执行一次所述的步骤3、步骤4；测量时间至少要跨越一个波浪周期，以便后续数据处理中剔除水面噪声的影响；

所述的图像记录的自动化，其具体实现过程为：所述的跟随拍照系统（6）的镜头方向与所述的光纤探头（52）始终保持一致，在每个目标进行光谱测量的同时，所述的总控系统（1）都会控制所述的跟随拍照系统（6）将目标图像记录下来；

所述的远程实时监测，其具体实现过程为：所述的总控系统（1）除了将每次采集的光谱数据和图像数据储存到所述的数据存储卡（111）内，还实时通过所述的无线通讯系统（2）将数据传送回所述的远程服务器（7）上，再由其存储到所述的远程服务器（7）上的存储设备上，并在显示设备上动态显示出来，使用者不用出现在实验地点就可以实时查看到实验地点现场测量的光谱数据和照片；此外，使用者还能利用所述的远程服务器（7）通过网络发送命令给所述的无线通讯系统（2），进而控制所述的总控系统（1）进行启动采样、关闭采样、设置采样频率、获取数据、清空存储操作。