CN109084894A - 走航式水体光谱观测系统及观测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种走航式水体光谱观测系统，它包括支架、三轴自稳平台、观测仪器和甲板控制单元；所述的观测仪器包括辐亮度辐射计、辐照度辐射计、电子指南针、姿态传感器、GPS天线和摄像头；支架用于将整个观测系统固定安装在走航观测船体外侧，其离船最远的一端安装三轴自稳平台、制高点安装辐照度辐射计、其他任意位置安装GPS天线；三轴自稳平台的俯仰转轴固定连接仪器架；仪器架上至少安装有电子指南针、姿态传感器、辐亮度辐射计和摄像头；甲板控制单元用于向所述的观测仪器供电、通过内置软件与观测仪器进行通讯、以及通过内置软件完成观测数据的处理。本发明还提供使用所述观测系统进行走航式观测的方法。本发明的观测系统可实现观测几何的智能调整，实测数据准确度高，应用范围广。

Description

走航式水体光谱观测系统及观测方法

技术领域

本发明涉及光学观测领域，具体涉及一种用于海洋现场光学观测的设备。

背景技术

海洋科学在20世纪后半叶得到迅速发展，人们逐渐认识到海洋在全球环境与人类社会可持续发展中发挥着至关重要的调节作用。海洋水体研究是研究海洋环境的基础，在洋流监测、气象预报、防灾减灾、环境治理、极地科考中都占据着重要地位。目前国内外都已展开对海洋水体的深入研究，其中，海洋光学研究是运用光学技术探测海洋的科学研究，能够获取海洋的光学性质以及光在海洋中的传播规律，其基础研究的实验方法主要是运用现场和实验室的测量方法进行海洋光学性质的研究，例如研究日光射入海洋后，经过辐射传递过程所产生的、由海洋表层向上的光谱辐射场。

现有技术中，对于海洋这类水体进行现场光学观测存在诸多困难，特别是走航式观测中，实验船搭载的观测设备很容易随着波浪产生振动和抖动，导致光学观测探头相对水面或天空的预设观测角难以保持，观测得到的数据精确度和重复性很差。

因此，有必要研发一种适用于走航式观测的水体光谱观测设备，能够克服现有的障碍，通过走航式现场观测获得准确的光学数据。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种适用于海洋等水体走航观测的水体光学观测系统。

本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：

提供一种走航式水体光谱观测系统，它包括支架、三轴自稳平台、观测仪器和甲板控制单元；

所述的观测仪器包括辐亮度辐射计、辐照度辐射计、摄像头、姿态传感器和用于确定太阳方位角的设备；

所述的支架用于将整个观测系统固定安装在走航观测船体外侧；其中，所述支架水平方向离船最远的一端安装所述的三轴自稳平台，所述支架竖直方向的制高点竖直向上安装所述的辐照度辐射计，所述支架的其他任意位置安装所述的用于确定太阳方位角的设备；

所述的三轴自稳平台包括陀螺仪传感器和3个旋转电机，所述的3个旋转电机的转轴相互正交，依次为航向转轴、横滚转轴和俯仰转轴；所述的陀螺仪传感器用于测量负载仪器的角速度、感应动作变量，进而控制3个旋转电机进行修复动作，使负载仪器始终保持预设的观测方向；所述的航向转轴固定连接至所述的支架水平方向离船最远的一端；所述的俯仰转轴固定连接仪器架并设置有姿态传感器；所述的仪器架上至少设置2个辐亮度辐射计和2个摄像头；其中，每1个所述的辐亮度辐射计和1个所述的摄像头相邻平行设置并固定连接，构成视场相同的1个观测组；所述的自稳平台还设有控制电路，至少用于控制所述的3个转轴的旋转，以及所述姿态传感器数据的向外传输；

所述的甲板控制单元至少设置电源模块和数据接收模块，用于向所述的三轴自稳平台及其负载的观测仪器供电、通过内置软件与观测仪器进行通讯。

本发明所述的观测系统中，所述的用于确定太阳方位角的设备可以是GPS天线，也可以是GPS天线与电子指南针的组合。

本发明所述的观测系统中，所述的支架可以根据走航船体的需要采取不同的结构方案。本发明优选的方案中，所述的支架包括：固定端，用于将整个支架固定在走航船体外侧；带至少1个突出端头的悬吊端，用于悬吊所述的三轴自稳平台至远离走航船体位置。所述的固定端结构没有特别的限制，可以根据具体的走航船订制；为了更加稳定地固定，优选某种可以形成平面的结构，例如可以是十字形的、方框形的、圆圈形的，等等；特定情况下所述的固定端甚至可以是一根水平直杆。所述的悬吊端的突出端头用于悬吊三轴自稳平台，为了稳固，优选的所述悬吊端是带两个突出端头的叉架，所述的叉架可以是多种形式，例如可以是U型，也可以是H型、Y型，等等。

本发明优选的一种实施方式中，所述的支架包括固定端和悬吊端，所述的固定端是一副十字形的固定架，所述的悬吊端是一副带两个突出端头的U型叉架，所述的十字形固定架和U型叉架之间在对称的位置铰接两组等长的连接杆；所述的十字形船体固定架一端安装所述的辐照度辐射计，并使其朝向始终保持竖直向上；所述的U型叉架的两个突出端头用于悬吊所述的三轴自稳平台，所述的U型叉架弯曲部垂直固定连接一条直杆，所述直杆与所述的U型叉架处于同一平面且长度大于U型叉架与所述十字形固定架的距离，所述的直杆与U型叉架连接的位置设置1个所述的GPS天线；所述的U型叉架可绕其与所述连接杆的铰接轴翻转，所述的连接杆可绕其与所述十字形固定架的铰接轴旋转；所述的十字形固定架上还设置限位块与所述的直杆抵接，用于限制所述U型叉架的过度翻转。

本发明优选的另一种实施方式中，所述的支架包括固定端和悬吊端，所述的固定端是一根水平直杆，用于固定在走航船上；所述的悬吊端是带两个突出端头的U型叉架，用于悬吊所述的三轴自稳平台；所述的水平直杆一端头与所述的U型叉架的弯曲段中点固定连接；所述的U型叉架水平方向两侧等距离设置2个GPS天线。

本发明所述的观测系统中，所述的三轴自稳平台的形式并不局限于某一种，可以是“包围式”，即所述的三个转轴设置间距较大，连接三个转轴的长连接臂相互正交围成内部空间，所述的观测仪器设置在所述内部空间里；还可以是“集中式”，即所述的三个转轴相对紧密地集中设置在三轴自稳平台的中心位置，所述的观测仪器设置在所述俯仰转轴向外围延伸的部分。

本发明优选的一种实施方式中，所述的三轴自稳平台是“包围式”，所述的三个转轴设置间距较大，所述的航向转轴与横滚转轴之间通过第一组长连接臂连接，横滚转轴与俯仰转轴之间通过第二组长连接臂连接，所述的第二组长连接臂由对称的一对半环状连接臂构成；所述的第一组和第二组长连接臂相互正交围成内部空间；所述内部空间中，所述的俯仰转轴上设置一个顶边开放的方形框架，所述的方形框架的两侧边固定连接所述的俯仰转轴，使方形框架整体能够随所述的俯仰转轴转动；所述的方形框架的底边上垂直设置一个方柱状主梁，所述的主梁中段两侧面分别固定安装一组环形锁臂用于放置和固定所述的2个辐亮度辐射计；每个所述的辐亮度辐射计的探测端外表面上通过连体的环状箍紧件固定安装1个所述的摄像头组成所述的观测组，使每个所述的观测组内摄像头与辐亮度辐射计平行且视场相同；所述的主梁另一个侧面可以固定安装1个所述的电子指南针。

本发明优选的另一种实施方式中，所述的三轴自稳平台是“集中式”，所述的三个转轴紧密地集中设置在三轴自稳平台的中心位置，所述的俯仰转轴向水平方向的两侧延伸出端头，每个所述的端头上固定安装一组环形锁臂用于放置和固定1个所述的观测组；每个所述的观测组中所述的辐亮度辐射计和摄像头通过连体的环状箍紧件固定在一起。

本发明所述的观测系统中，所述的辐照度辐射计和辐亮度辐射计可以是现有技术中的各种辐照度辐射计和辐亮度辐射计。

本发明优选的一种实施方式中，所述的辐照度辐射计包括一个壳体一，壳体一两端设有端盖一和端盖二，端盖一和端盖二之间形成内仓一；内仓一设有电路板一和分光器一；端盖一由盖体一和压板一构成，沿轴向开设的两个通孔贯穿盖体一和压板一，压板一的一个通孔最外段嵌装有周围磨平中间凸起形状的余弦矫正器，通孔最外段形状与余弦矫正器形状相配合，由压板一将余弦矫正器的周围压紧，但余弦矫正器的中间凸起部分突出压板一外；余弦矫正器内侧抵接一个压紧螺套，压紧螺套内部装有窗口玻璃；分光器一通过光纤连接窗口玻璃；盖体一的另一个通孔内设置旋转电机，旋转电机向压板一方向延伸出转轴，转轴顶端突出在压板一之外，转轴顶端垂直固接刮擦条；刮擦条与余弦矫正器外表面紧密接触，旋转电机带动转轴转动，进而带动刮擦条在余弦矫正器外表面上往复运动，通过摩擦清洁外表面；端盖二的通孔上设置连接器一用于对外连接供电设备，连接器一在壳体一内通过导线与电路板一电连接，电路板一包括分光器一驱动单元、数据采集单元一和旋转电机驱动单元，分光器一通过导线连接电路板一的分光器一驱动单元，旋转电机通过导线与电路板一的旋转电机驱动单元电连接。

本发明优选的一种实施方式中，所述的辐亮度辐射计包括一个壳体二，壳体二两端设有具有端盖三和端盖四，端盖三和端盖四之间形成内仓二；内仓二设有电路板二和分光器二，端盖三由盖体三和压板三构成，沿轴向开设的两个通孔贯穿盖体三和压板三，压板三的一个通孔内嵌装有周围磨平中间凸起形状的玻璃，通孔形状与玻璃形状相配合，形成窗口；盖体三上与窗口相对的通孔内设置平凸透镜，平凸透镜的镜面与通孔轴向垂直，且凸面朝向窗口；盖体三的另一个通孔内设置旋转电机，旋转电机向压板三方向延伸出转轴，转轴顶端突出在压板三之外，转轴顶端垂直固接刮擦条；刮擦条与窗口紧密接触，旋转电机带动转轴转动，进而带动刮擦条在窗口外表面上往复运动，通过摩擦清洁窗口；端盖四的通孔上设置连接器二用于对外连接供电设备，连接器二在壳体二内通过导线与电路板二电连接；内仓二中的分光器二通过光纤连接到平凸透镜处，但光纤的端头与平凸透镜之间保留一定间距，该间距小于平凸透镜的焦距；电路板二包括分光器二驱动单元、数据采集单元和旋转电机驱动单元，分光器二通过导线连接电路板二的分光器二驱动单元，旋转电机通过导线与电路板二的旋转电机驱动单元电连接。

本发明所述的观测系统中，所述的支架竖直方向的制高点竖直向上安装所述的辐照度辐射计，可以通过多种方式实现，例如可以在所述的制高点设置一常平架，将所述的辐照度辐射计垂直安装在所述的常平架上；还可以在所述的制高点设置第二自稳平台，将所述的辐照度辐射计安装在所述的第二自稳平台上。

所述的第二自稳平台包括：陀螺仪传感器和2个转轴，分别是横滚轴和俯仰轴；所述的陀螺仪传感器用于测量辐照度辐射计角速度、感应动作变量，进而控制2个转轴的电机进行修复动作，使辐照度辐射计始终保持预设的观测方向。

本发明优选的一种实施方式中，所述观测系统的甲板控制单元包括装载了数据采集处理软件的计算机，所述的计算机的主板进一步连接电源模块、视频采集模块和串口扩展模块，所述的电源模块通过电源线向所述的观测仪器和三轴自稳平台控制电路供电；所述的视频采集模块通过数据线分别连接所述的2个摄像头，用于接收所述摄像头获取的视频图像；所有所述的观测仪器和所述的三轴自稳平台的控制电路分别通过线缆连接所述的串口扩展模块，实现与所述的计算机之间的通讯。

本发明优选的另一种实施方式中，所述观测系统的三轴自稳平台的控制电路进一步设有电压转换模块和数据初步处理模块；所述的电压转换模块通过导线获取所述甲板控制单元电源模块的供电，然后转换成合适的电压分别供给所述的各观测仪器；所述的数据初步处理模块用于接收各观测仪器采集的原始数据后集中发送给所述甲板控制单元的数据接收模块。

本发明还提供一种使用所述的观测系统进行走航式水体表观光谱观测的方法，包括以下步骤：

S1：将本发明所述的观测系统安装至走航船体外侧面，并将所述的两个观测组固定在所述的三轴自稳平台上，使两观测组的朝向之间呈100°的夹角；走航船行驶至目标水域后，启动所述观测系统的甲板控制单元，所述甲板控制单元根据来自所述三轴自稳平台的连续的太阳方位角数据a和三轴自稳平台姿态数据b实时调整三轴自稳平台姿态，使所述的两个观测组始终精确地保持40°-135°的观测几何(40°-135°观测几何的具体含义是：两个观测组所组成的观测平面与太阳入射平面的夹角为135°，其中对着水面的辐亮度探头与海面法线方向的夹角为40°)；此外，所述的甲板控制单元根据观测方案设定其他观测参数；

S2：据预设方案启动观测流程，所述的两个观测组分别获取连续的天空辐亮度数据d及其视频图像e、水面辐亮度数据f及其同步视频图像g；所述的辐照度辐射计获取连续的天空辐照度数据h；所述的姿态传感器获取连续的观测组姿态数据i；所述的甲板控制单元按照以下方式处理所述的数据d～i：

S2.1将连续的辐亮度数据d、f转换成连续的物理量数据离水辐亮度Lw；将连续的数据h转换成连续的物理量数据辐照度Es；

S2.2将S2.1所得的连续的Lw和Es经过姿态过滤、图像过滤、波形过滤后，求取各自最小值光谱Lw_min和Es_min；

所述的姿态过滤是指从连续的Lw和Es中剔除观测方位角指向角度大于预设阈值的光谱数据；

所述的图像过滤是指在所述连续的视频图像g中过滤出非水图像g'、在所述连续的视频图像e中过滤出非天空图像e'，并从连续的Lw和Es中剔除：①时间上与g'平行对应的Lw和Es数据、以及②时间上与e'平行对应的Lw和Es数据；所述的非水图像和非天空图像包括耀斑、浪花、阴影等异常图像；

所述的波形过滤是指进行均值滤波，从连续的Lw和Es中剔除形状偏差过大的光谱；

S2.3利用S2.2得到的Lw_min和Es_min计算遥感反射率Rrs。

与现有技术相比，本发明的方案具有以下几方面有益效果：

1.可实现智能调整观测几何

本发明的观测系统在姿态传感器、电子指南针、GPS天线等多传感器配合的数据采集基础上，根据甲板控制单元的计算机综合处理结果向三轴自稳平台发出调控指令，能够实现无人为干预地、连续地、精确地控制传感器所需的测量角度，从而达到智能调整观测几何的效果。基于此，本发明的观测系统在实际应用中能够根据预设观测方案的需要，全程自动完成观测几何的调整，突破了现有技术中固定观测几何的观测系统的局限性，而且在节约观测的人力和时间成本上也获得了显著的进步，也不存在人为调整观测几何所造成的观测误差。

2.进一步提高了实测数据的准确度

本发明的观测系统的观测组由相同视场的辐亮度辐射计与摄像头组成，因此在观测中，通过摄像头平行记录所测环境，利用实时拍摄的照片判别耀斑、浪花或其他阴影等的干扰，可以在获取的连续观测数据中有效地辨别出异常数据，进而剔除异常数据，有效地保证了实测数据的准确度。

3.应用范围广泛

本发明的观测系统不仅可以用于采用水面之上法观测水体表观光学参数，还可以用于观测沙滩、雪地等其他环境的光学参数；而且观测水体表观光学时，不仅可以用于船载走航、大尺度、长时间序列观测水面表观光谱数据的基础上，也可用于高效、无人为误差、站位式观测水面表观光谱数据。

附图说明

图1是实施例1所述的观测系统整体结构示意图。

图2是实施例1所述的观测系统的三轴自稳平台结构示意图。

图3是实施例1所述的观测系统的仪器架结构示意图。

图4是实施例1所述的观测系统的辐照度辐射计结构剖视图。

图5是实施例1所述的观测系统的辐亮度辐射计结构剖视图。

图6是实施例1所述的观测系统观测仪器与甲板控制单元之间的连接关系示意图。

图7是实施例2所述的观测系统的三轴自稳平台的结构示意图。

图8是实施例2所述的观测系统的第二自稳平台的结构示意图。

图9是实施例2所述的观测系统观测仪器与甲板控制单元之间的连接关系示意图。

图10是实施例3所述的观测方法中观测系统安装与走行船的示意图。

图11是实施例3所述的观测方法中数据采集和处理流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

一种走航式水体光谱观测系统，如图1所示，它包括支架100、三轴自稳平台200、观测仪器300和甲板控制单元400；

所述的支架100用于将整个观测系统固定安装在走航观测船体外侧；如图1所示，支架100包括一副十字形的船体固定架101和一副带两个突出端头的U型叉架102，船体固定架101和U型叉架102之间在对称的位置铰接两根等长的连接杆103；十字形船体固定架101最高的一端安装设置一常平架104，常平架104上垂直安装辐照度辐射计301；U型叉架102的两个突出端头用于悬吊三轴自稳平台200，U型叉架102弯曲部垂直固定连接一条直杆105，直杆105与U型叉架102处于同一平面且长度大于U型叉架102与十字形船体固定架101的距离，直杆105与U型叉架102连接的位置设置1个GPS天线304；U型叉架102可绕其与连接杆103的铰接轴翻转，连接杆103可绕其与十字形船体固定架101的铰接轴旋转；十字形船体固定架101上还设置限位块106与直杆105抵接，用于限制U型叉架102的过度翻转。

所述的三轴自稳平台包括陀螺仪传感器和3个转轴，所述的陀螺仪传感器用于测量负载仪器的角速度、感应动作变量，进而控制3个转轴的旋转电机进行修复动作，使负载仪器始终保持预设的观测方向；如图2所示，3个转轴依次为航向转轴201、横滚转轴202和俯仰转轴203，并且分别设有旋转电机，航向转轴201悬吊于U型叉架102的两突出端头上，三轴自稳平台整体上是“包围式”，三个转轴设置间距较大，航向转轴201与横滚转轴202之间通过第一组长连接臂210连接，横滚转轴202与俯仰转轴203之间通过第二组长连接臂连接，第二组长连接臂由对称的一对半环状连接臂211构成；第一组和第二组长连接臂相互正交围成内部空间；内部空间中，俯仰转轴203上设置一个顶边开放的方形框架204，方形框架204的两侧边固定连接俯仰转轴203，使方形框架204整体能够随俯仰转轴203转动；方形框架204的底边上垂直设置仪器架，如图3所示，仪器架包括一个方柱状主梁205，主梁205四个侧面均设有滑槽2051，在主梁205中段两侧面的滑槽2051内分别滑动安装一组环形锁臂206，用于放置和固定2个辐亮度辐射计302；如图2所示，每个辐亮度辐射计302的探测端外表面上通过连体的环状箍紧件207固定安装1个摄像头305，2组成一个观测组，每个观测组内摄像头305与辐亮度辐射计302平行且视场相同；主梁205外侧面固定安装1个电子指南针303和姿态传感器(图中未示出)。三轴自稳平台200还设有控制电路，用于控制三个转轴的旋转，以及所述姿态传感器数据向甲板控制单元400的传输。

如图4所示，辐照度辐射计301包括一个壳体一311，壳体一311两端设有端盖一312和端盖二313，端盖一312和端盖二313之间形成内仓一314；内仓一314内设有电路板一315和分光器一316；端盖一312由盖体一3121和压板一3122构成，沿轴向开设的两个通孔贯穿盖体一3121和压板一3122，压板一3122的一个通孔最外段嵌装有周围磨平中间凸起形状的余弦矫正器317，通孔最外段形状与余弦矫正器317形状相配合，由压板一3122将余弦矫正器317的周围压紧，但余弦矫正器317的中间凸起部分突出压板一3122外；余弦矫正器317内侧抵接一个压紧螺套318，压紧螺套318内部装有窗口玻璃319；分光器一316通过光纤320连接窗口玻璃319；盖体一3121的另一个通孔内设置旋转电机321，旋转电机321向压板一3122方向延伸出转轴322，转轴322顶端突出在压板一3122之外，转轴322顶端垂直固接刮擦条323；刮擦条323与余弦矫正器317外表面紧密接触，旋转电机321带动转轴322转动，进而带动刮擦条323在余弦矫正器317外表面上往复运动，通过摩擦清洁外表面；端盖二313的通孔上设置连接器一324用于对外连接供电设备，连接器一324在壳体一311内通过导线与电路板一315电连接，电路板一315包括分光器一驱动单元、数据采集单元一和旋转电机驱动单元，分光器一316通过导线连接电路板一315的分光器一驱动单元，旋转电机321通过导线与电路板一315的旋转电机驱动单元电连接。

如图5所示，辐亮度辐射计302包括一个壳体二325，壳体二325两端设有端盖三326和端盖四327，端盖三326和端盖四327之间形成内仓二328；内仓二328设有电路板二329和分光器二330，端盖三326由盖体三3261和压板三3262构成，沿轴向开设的两个通孔贯穿盖体三3261和压板三3262，压板三3262的一个通孔内嵌装有周围磨平中间凸起形状的玻璃331，通孔形状与玻璃形状相配合，形成窗口；盖体三3261上与窗口相对的通孔内设置平凸透镜333，平凸透镜333的镜面与通孔轴向垂直，且凸面朝向窗口；盖体三3261的另一个通孔内设置旋转电机321，旋转电机321向压板三3262方向延伸出转轴322，转轴322顶端突出在压板三3262之外，转轴322顶端垂直固接刮擦条323；刮擦条323与窗口紧密接触，旋转电机321带动转轴322转动，进而带动刮擦条323在窗口外表面上往复运动，通过摩擦清洁窗口；端盖四327的通孔上设置连接器二334用于对外连接供电设备，连接器二334在壳体二325内通过导线与电路板二329电连接；内仓二328中的分光器二330通过光纤0连接到平凸透镜333处，但光纤的端头与平凸透镜333之间保留一定间距，该间距小于平凸透镜333的焦距；电路板二329包括分光器二驱动单元、数据采集单元和旋转电机驱动单元，分光器二330通过导线连接电路板二329的分光器二驱动单元，旋转电机321通过导线与电路板二329的旋转电机驱动单元电连接。

甲板控制单元400用于向所述的观测仪器供电、通过内置软件与观测仪器进行通讯、以及通过内置软件完成观测数据的处理。甲板控制单元包括装载了数据采集处理软件的计算机，如图6所示，计算机401的主板402进一步连接电源模块403、视频采集模块404和串口扩展模块405，电源模块403通过电源线连接三轴自稳平台200的控制电路213、辐照度辐射计301、辐亮度辐射计302、摄像头305、电子指南针303、GPS天线304，为这些设备供电；视频采集模块404通过数据线分别连接2个摄像头305，接收摄像头305获取的视频图像；所有观测仪器和三轴自稳平台200的控制电路213分别通过线缆连接串口扩展模块405，实现与计算机401之间的通讯，包括从观测设备向计算机401的数据传输，以及从计算机401向观测设备发送的参数设定和操作指令。另外主板402还常规连接CPU 406、内存407、硬盘408、显示器409、键盘鼠标410、电压转换器411等。

实施例2

一种走航式水体光谱观测系统，其部分结构与实施例1相同，区别在于：

如图7所示，所述的三轴自稳平台200是“集中式”，所述的三个转轴航向转轴201、横滚转轴202和俯仰转轴203紧密地集中设置在三轴自稳平台的中心位置，其中，航向转轴201与U型叉架102之间通过带空腔的连接柱208连接，连接柱208的空腔内设置控制电路；俯仰转轴203沿水平方向的两侧延伸，两端分别通过环形锁臂206安装和固定1个观测组，每个观测组中辐亮度辐射计302和摄像头305通过连体的环状箍紧件207固定在一起；俯仰转轴处还设置姿态传感器(图中未示出)。支架100的悬吊端是带两个突出端头的U型叉架102，U型叉架102弯曲部固定连接一条直杆105，直杆105与U型叉架102交叉处两侧等距离设置2个GPS天线304，用于通过两根GPS天线差分寻北来确定太阳方位角。

如图8所示，所述的支架100的十字形的船体固定架101制高点设置第二自稳平台107，将辐照度辐射计301安装在第二自稳平台107上。第二自稳平台包括：陀螺仪传感器(图中未示出)和2个转轴，分别是横滚轴1071和俯仰轴1072；陀螺仪传感器用于测量辐照度辐射计角速度、感应动作变量，进而控制2个转轴进行修复动作，使辐照度辐射计301始终保持预设的观测方向；第二自稳平台107上还设置无线数传设备1073。相比机械常平架，本实施例中辐照度辐射计在所述的第二自稳平台可以完全不随外界晃动，包括船只发动机的抖动也不会对观测造成影响。

如图9所示，所述的甲板控制单元400包括电源412和PC 413，PC 413内置数据接收模块4131；三轴自稳平台200的控制电路设有电压转换模块209、数据传输模块212、图像传输模块211和定位模块213；所述的电源406通过一根线缆连接三轴自稳平台的电压转换模块209，电压转换模块209转换电压后进一步通过线缆分别连接各观测仪器(1个辐照度辐射计301、2个辐亮度辐射计302、2个摄像头305和2个GPS天线304)；辐照度辐射计301和辐亮度辐射计302通过数据线连接三轴自稳平台的数据传输模块210，摄像头305通过数据线连接三轴自稳平台的图像传输模块211，数据传输模块210和图像传输模块211分别通过无线传输方式将同步的数据和图像传输给甲板控制单元PC的数据接收模块4131。

实施例3

一种使用实施例1所述的观测系统进行走航式水体表观光谱观测的方法，包括以下步骤：

S1：将实施例1所述的观测系统设置在走航船上，如图10所示，通过支架100和走航船0船体外侧面的固定连接将三轴自稳平台200稳定在远离船体的位置，同时甲板控制单元400放置在甲板上靠近支架100的位置。三轴自稳平台200上，通过仪器架将两个观测组设置成朝向夹角为100°的位置关系；走航船行驶至目标水域后，如图11所示，启动观测系统的甲板控制单元400，甲板控制单元400连续同步接收电子指南针获取的实时朝向与地磁的夹角数据a、GPS天线获取的实时定位数据b和姿态传感器获取的三轴自稳平台姿态数据c；甲板控制单元400根据连续的数据a、b及对应的时间连续地计算出太阳方位角，同时根据连续的数据c实时调整三轴自稳平台，使两个观测组始终精确地保持40°-135°的观测几何(该观测几何具体含义是：两个观测组所组成的观测平面与太阳入射平面的夹角为135°，其中对着水面的辐亮度探头与海面法线方向的夹角为40°)；此外，所述的甲板控制单元根据观测方案设定其他观测参数(包括数据采集频率、次数或时间周期等)；

S2：如图11所示，据预设方案启动观测流程，三轴自稳平台200上的两个观测组分别获取连续的天空辐亮度数据d及其视频图像e、水面辐亮度数据f及其同步视频图像g；支架100制高点的辐照度辐射计获取连续的天空辐照度数据h；姿态传感器获取连续的观测组姿态数据i；采集数据达到预设的采集次数后，甲板控制单元400按照以下方式处理数据d～i：

S2.1将连续的辐亮度数据d、f转换成连续的物理量数据离水辐亮度Lw；将连续的数据h转换成连续的物理量数据辐照度Es；

S2.2将S2.1所得的连续的Lw和Es经过姿态过滤、图像过滤、波形过滤后，求取各自最小值光谱Lw_min和Es_min；

所述的姿态过滤是指从连续的Lw和Es中剔除观测方位角指向角度大于预设阈值的光谱数据；

所述的图像过滤是指在所述连续的视频图像g中过滤出非水图像g'、在所述连续的视频图像e中过滤出非天空图像e'，并从连续的Lw和Es中剔除：①时间上与g'平行对应的Lw和Es数据、以及②时间上与e'平行对应的Lw和Es数据；所述的非水图像和非天空图像包括耀斑、浪花、阴影等异常图像；

所述的波形过滤是指进行均值滤波，从连续的Lw和Es中剔除形状偏差过大的光谱；

S2.3利用S2.2得到的Lw_min和Es_min计算遥感反射率Rrs。

Claims (12)

1.一种走航式水体光谱观测系统，它包括支架、三轴自稳平台、观测仪器和甲板控制单元；

所述的观测仪器包括辐亮度辐射计、辐照度辐射计、摄像头、姿态传感器和用于确定太阳方位角的设备；

所述的支架用于将整个观测系统固定安装在走航观测船体外侧；其中，所述支架水平方向离船最远的一端安装所述的三轴自稳平台，所述支架竖直方向的制高点竖直向上安装所述的辐照度辐射计，所述支架的其他任意位置安装所述的用于确定太阳方位角的设备；

所述的三轴自稳平台包括陀螺仪传感器和3个旋转电机，所述的3个旋转电机的转轴相互正交，依次为航向转轴、横滚转轴和俯仰转轴；所述的陀螺仪传感器用于测量负载仪器的角速度、感应动作变量，进而控制3个旋转电机进行修复动作，使负载仪器始终保持预设的观测方向；所述的航向转轴固定连接至所述的支架水平方向离船最远的一端；所述的俯仰转轴固定连接仪器架并设置有姿态传感器；所述的仪器架上至少设置2个辐亮度辐射计和2个摄像头；其中，每1个所述的辐亮度辐射计和1个所述的摄像头相邻平行设置并固定连接，构成视场相同的1个观测组；所述的自稳平台还设有控制电路，至少用于控制所述的3个转轴的旋转，以及所述姿态传感器数据的向外传输；

所述的甲板控制单元至少设置电源模块和数据接收模块，用于向所述的三轴自稳平台及其负载的观测仪器供电、通过内置软件与观测仪器进行通讯。

2.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述的支架包括固定端和悬吊端，所述的固定端是一副十字形的固定架，所述的悬吊端是一副带两个突出端头的U型叉架，所述的十字形固定架和U型叉架之间在对称的位置铰接两组等长的连接杆；所述的十字形船体固定架一端安装所述的辐照度辐射计，并使其朝向始终保持竖直向上；所述的U型叉架的两个突出端头用于悬吊所述的三轴自稳平台，所述的U型叉架弯曲部垂直固定连接一条直杆，所述直杆与所述的U型叉架处于同一平面且长度大于U型叉架与所述十字形固定架的距离，所述的直杆与U型叉架连接的位置设置1个所述的GPS天线；所述的U型叉架可绕其与所述连接杆的铰接轴翻转，所述的连接杆可绕其与所述十字形固定架的铰接轴旋转；所述的十字形固定架上还设置限位块与所述的直杆抵接，用于限制所述U型叉架的过度翻转。

3.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述的支架包括固定端和悬吊端，所述的固定端是一根水平直杆，用于固定在走航船上；所述的悬吊端是带两个突出端头的U型叉架，用于悬吊所述的三轴自稳平台；所述的水平直杆一端头与所述的U型叉架的弯曲段中点固定连接；所述的U型叉架水平方向两侧等距离设置2个GPS天线。

4.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述的三个转轴设置间距较大，所述的航向转轴与横滚转轴之间通过第一组长连接臂连接，横滚转轴与俯仰转轴之间通过第二组长连接臂连接，所述的第二组长连接臂由对称的一对半环状连接臂构成；所述的第一组和第二组长连接臂相互正交围成内部空间；所述内部空间中，所述的俯仰转轴上设置一个顶边开放的方形框架，所述的方形框架的两侧边固定连接所述的俯仰转轴，使方形框架整体能够随所述的俯仰转轴转动；所述的方形框架的底边上垂直设置一个方柱状主梁，所述的主梁中段两侧面分别固定安装一组环形锁臂用于放置和固定所述的2个辐亮度辐射计；每个所述的辐亮度辐射计的探测端外表面上通过连体的环状箍紧件固定安装1个所述的摄像头组成所述的观测组，使每个所述的观测组内摄像头与辐亮度辐射计平行且视场相同；所述的主梁另一个侧面可以固定安装1个所述的电子指南针。

5.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述三轴自稳平台的三个转轴紧密地集中设置在三轴自稳平台的中心位置，所述的俯仰转轴向水平方向的两侧延伸出端头，每个所述的端头上固定安装一组环形锁臂用于放置和固定1个所述的观测组；每个所述的观测组中所述的辐亮度辐射计和摄像头通过连体的环状箍紧件固定在一起。

6.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述的辐照度辐射计包括一个壳体一，壳体一两端设有端盖一和端盖二，端盖一和端盖二之间形成内仓一；内仓一设有电路板一和分光器一；端盖一由盖体一和压板一构成，沿轴向开设的两个通孔贯穿盖体一和压板一，压板一的一个通孔最外段嵌装有周围磨平中间凸起形状的余弦矫正器，通孔最外段形状与余弦矫正器形状相配合，由压板一将余弦矫正器的周围压紧，但余弦矫正器的中间凸起部分突出压板一外；余弦矫正器内侧抵接一个压紧螺套，压紧螺套内部装有窗口玻璃；分光器一通过光纤连接窗口玻璃；盖体一的另一个通孔内设置旋转电机，旋转电机向压板一方向延伸出转轴，转轴顶端突出在压板一之外，转轴顶端垂直固接刮擦条；刮擦条与余弦矫正器外表面紧密接触，旋转电机带动转轴转动，进而带动刮擦条在余弦矫正器外表面上往复运动，通过摩擦清洁外表面；端盖二的通孔上设置连接器一用于对外连接供电设备，连接器一在壳体一内通过导线与电路板一电连接，电路板一包括分光器一驱动单元、数据采集单元一和旋转电机驱动单元，分光器一通过导线连接电路板一的分光器一驱动单元，旋转电机通过导线与电路板一的旋转电机驱动单元电连接。

7.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述的辐亮度辐射计包括一个壳体二，壳体二两端设有端盖三和端盖四，端盖三和端盖四之间形成内仓二；内仓二设有电路板二和分光器二，端盖三由盖体三和压板三构成，沿轴向开设的两个通孔贯穿盖体三和压板三，压板三的一个通孔内嵌装有周围磨平中间凸起形状的玻璃，通孔形状与玻璃形状相配合，形成窗口；盖体三上与窗口相对的通孔内设置平凸透镜，平凸透镜的镜面与通孔轴向垂直，且凸面朝向窗口；盖体三的另一个通孔内设置旋转电机，旋转电机向压板三方向延伸出转轴，转轴顶端突出在压板三之外，转轴顶端垂直固接刮擦条；刮擦条与窗口紧密接触，旋转电机带动转轴转动，进而带动刮擦条在窗口外表面上往复运动，通过摩擦清洁窗口；端盖四的通孔上设置连接器二用于对外连接供电设备，连接器二在壳体二内通过导线与电路板二电连接；内仓二中的分光器二通过光纤连接到平凸透镜处，但光纤的端头与平凸透镜之间保留一定间距，该间距小于平凸透镜的焦距；电路板二包括分光器二驱动单元、数据采集单元和旋转电机驱动单元，分光器二通过导线连接电路板二的分光器二驱动单元，旋转电机通过导线与电路板二的旋转电机驱动单元电连接。

8.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述的支架竖直方向的制高点竖直向上安装所述的辐照度辐射计，具体是在所述的制高点设置一常平架，将所述的辐照度辐射计垂直安装在所述的常平架上。

9.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述的支架竖直方向的制高点竖直向上安装所述的辐照度辐射计，具体是在所述的制高点设置第二自稳平台，将所述的辐照度辐射计安装在所述的第二自稳平台上；所述的第二自稳平台包括陀螺仪传感器和2个转轴，分别是横滚轴和俯仰轴；所述的陀螺仪传感器用于测量辐照度辐射计角速度、感应动作变量，进而控制2个转轴进行修复动作，使辐照度辐射计始终保持预设的观测方向。

10.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述的甲板控制单元包括装载了数据采集处理软件的计算机，所述的计算机的主板进一步连接电源模块、视频采集模块和串口扩展模块，所述的电源模块通过电源线向所述的观测仪器和三轴自稳平台控制电路供电；所述的视频采集模块通过数据线分别连接所述的2个摄像头，用于接收所述摄像头获取的视频图像；所有所述的观测仪器和所述的三轴自稳平台的控制电路分别通过线缆连接所述的串口扩展模块，实现与所述的计算机之间的通讯。

11.权利要求1所述的观测系统，其特征在于：所述观测系统的三轴自稳平台的控制电路进一步设有电压转换模块和数据初步处理模块；所述的电压转换模块通过导线获取所述甲板控制单元电源模块的供电，然后转换成合适的电压分别供给所述的各观测仪器；所述的数据初步处理模块用于接收各观测仪器采集的原始数据后集中发送给所述甲板控制单元的数据接收模块。

12.一种使用权利要求1所述的观测系统进行走航式水体表观光谱观测的方法，包括以下步骤：

S1：将权利要求1所述的观测系统安装至走航船体外侧面，并将所述的两个观测组固定在所述的三轴自稳平台上，使两观测组的朝向之间呈100°的夹角；走航船行驶至目标水域后，启动所述观测系统的甲板控制单元，所述甲板控制单元根据来自所述三轴自稳平台的连续的太阳方位角数据a和三轴自稳平台姿态数据b实时调整三轴自稳平台姿态，使所述的两个观测组始终精确地保持40°-135°的观测几何；此外，所述的甲板控制单元根据观测方案设定其他观测参数；

S2：据预设方案启动观测流程，所述的两个观测组分别获取连续的天空辐亮度数据d及其视频图像e、水面辐亮度数据f及其同步视频图像g；所述的辐照度辐射计获取连续的天空辐照度数据h；所述的姿态传感器获取连续的观测组姿态数据i；所述的甲板控制单元按照以下方式处理所述的数据d～i：

S2.1将连续的辐亮度数据d、f转换成连续的物理量数据离水辐亮度Lw；将连续的数据h转换成连续的物理量数据辐照度Es；

S2.2将S2.1所得的连续的Lw和Es经过姿态过滤、图像过滤、波形过滤后，求取各自最小值光谱Lw_min和Es_min；

所述的姿态过滤是指从连续的Lw和Es中剔除观测方位角指向角度大于预设阈值的光谱数据；

所述的图像过滤是指在所述连续的视频图像g中过滤出非水图像g'、在所述连续的视频图像e中过滤出非天空图像e'，并从连续的Lw和Es中剔除：①时间上与g'平行对应的Lw和Es数据、以及②时间上与e'平行对应的Lw和Es数据；所述的非水图像和非天空图像包括耀斑、浪花、阴影等异常图像；

所述的波形过滤是指进行均值滤波，从连续的Lw和Es中剔除形状偏差过大的光谱；

S2.3利用S2.2得到的Lw_min和Es_min计算遥感反射率Rrs。