CN111239051B - 一种自然水体海面偏振高光谱观测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，目的是为了实现自然水体偏振高光谱现场原位观测，探测可见光在自然水体辐射传输过程中偏振特性变化规律，阐明离水辐射偏振光谱特征与水色要素之间的内在关系。本发明将三个第一高光谱辐亮度传感器、三个第二高光谱辐亮度传感器以及一个高光谱辐照度传感器设置于旋转云台组件上，实现360度全面观测，同时又在三个第一高光谱辐亮度传感器和三个第二高光谱辐亮度传感器的探测口处设置线偏振器，实现不同高度角下的现场原位观测，可有效避免太阳耀光的照射及污染，抑制天空漫射光的干扰，准确测量离水辐射偏振光谱，完成对自然水体不同观测几何的偏振光谱测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种光谱观测装置，具体涉及一种自然水体海面偏振高光谱观测系统。
背景技术
海洋水色遥感利用水色卫星传感器在大气顶层接收的总辐亮度信息，经过大气校正获得离水辐亮度，进而反演出水色要素信息(如表层浮游植物叶绿素、无机悬浮物、黄色物质)。目前，海洋水色遥感机理、方法和反演模型均趋于成熟，是全球尺度监测海洋环境变化的唯一手段。然而，水色卫星传感器接收到的80％以上的辐射来自大气层辐射和海表面反射，真正的离水辐射却只占很少的一部分，大气散射和水面反射严重降低了水色遥感信噪比，给海洋水色遥感定量化反演带来相当大的不确定性。
海洋偏振遥感是解决上述问题的一种有效途径。由于大气分子、气溶胶粒子、水色因子的吸收和散射作用，以及海气界面的折射、反射作用，可见光(自然光)在海洋-大气耦合系统传输过程中偏振特性会发生改变，且与海洋、大气的光学特性密切相关。因此，离水辐射偏振信号携带着丰富的水色要素信息，是传统海洋水色遥感的有益补充。
然而，在传统遥感应用过程中，作为离水辐射独立属性的偏振却往往被忽略，为满足海洋水色传感器0.5％的精确辐射定标要求(替代定标后)，水色传感器的偏振响应度需小于2.5％，离水辐射偏振信息仅被当作噪声校正或者设置消偏器加以消除。到目前为止还没有专门针对离水辐射偏振特性进行探测的海洋水色卫星传感器。此外，由于水下偏振光谱仪器缺乏及现场偏振光谱测量过程中存在的诸多困难，水体偏振光谱资料积累较少，离水辐射偏振特性研究较少，水色要素及固有光学特性对离水辐射偏振特性的影响研究尚属空白，严重制约着海洋水色偏振遥感的进展。
发明内容
本发明的目的是为了实现自然水体偏振高光谱现场原位观测，探测可见光在自然水体辐射传输过程中偏振特性变化规律，阐明离水辐射偏振光谱特征与水色要素之间的内在关系，而提供了一种自然水体海面偏振高光谱观测系统。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：
本发明的一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其特殊之处在于：包括电源、数据处理及控制单元、数据转换单元、旋转云台组件以及设置于旋转云台组件上且与数据转换单元的输入端电连接的三个第一高光谱辐亮度传感器、三个第二高光谱辐亮度传感器和一个高光谱辐照度传感器；
所述三个第一高光谱辐亮度传感器上扬,其轴线与水平面夹角为30～60 度，三个第二高光谱辐亮度传感器下垂，其轴线与三个第一高光谱辐亮度传感器的轴线夹角为90度；
所述三个第一高光谱辐亮度传感器和三个第二高光谱辐亮度传感器的探测口均安装有线偏振器；
所述线偏振器与三个第一高光谱辐亮度传感器探测口端面间的夹角各异；所述线偏振器与三个第二高光谱辐亮度传感器探测口端面间的夹角各异；
所述数据处理及控制单元与数据转换单元的输出端电连接；
所述电源为数据转换单元和数据处理及控制单元供电。
进一步地，所述线偏振器与三个第一高光谱辐亮度传感器的探测口端面间的夹角分别为0°、60°、120°；
所述线偏振器与三个第二高光谱辐亮度传感器的探测口端面间的夹角分别为0°、60°、120°。
进一步地，所述线偏振器通过手动连续旋转安装座与第一高光谱辐亮度传感器或第二高光谱辐亮度传感器的探测口连接。
进一步地，所述三个第一高光谱辐亮度传感器的轴线与水平面夹角为45 度。
进一步地，所述三个第一高光谱辐亮度传感器和三个第二高光谱辐亮度传感器的波长范围为305-1100nm，共138个通道，光谱采样为3.3纳米/像素，光谱精度为0.3nm，光谱分辨率为10nm，饱和度为0.5μWcm-2nm-1，杂散光小于1×10-3，辐亮度传感器视角为3°，信噪比SNR为1.6×104。
进一步地，所述高光谱辐照度传感器的波长范围为305-1100nm，共138 个通道，光谱采样为3.3纳米/像素，光谱精度为0.3nm，光谱分辨率为10nm，饱和度为9.0μWcm-2nm-1，杂散光小于1×10-3，辐亮度传感器视角为3°，信噪比SNR为1.6×104。
进一步地，所述三个第一高光谱辐亮度传感器和三个第二高光谱辐亮度传感器上均设有雨水导流孔。
进一步地，所述数据转换单元将RS422信号转换成RS232信号。
进一步地，所述旋转云台组件包括安装架和设置于安装架上的电动旋转云台。
进一步地，所述数据处理及控制单元为计算机；
所述手动连续旋转安装座采用铝合金制作。
本发明的有益效果是：
1.本发明将三个第一高光谱辐亮度传感器、三个第二高光谱辐亮度传感器以及一个高光谱辐照度传感器设置于旋转云台组件上，实现360度全面观测，同时又在三个第一高光谱辐亮度传感器和三个第二高光谱辐亮度传感器的探测口处设置线偏振器，用于采集离水辐射和天空漫射光的偏振光谱，线偏振器与三个第一高光谱辐亮度传感器的探测口端面间的夹角各异，线偏振器与三个第二高光谱辐亮度传感器的探测口端面间的夹角亦各异；实现不同高度角下的现场原位观测，可有效避免太阳耀光的照射及污染，抑制天空漫射光的干扰，准确测量离水辐射偏振光谱，完成对自然水体不同观测几何(观测高度角、观测方位角)的偏振光谱测量。利用该系统，能够系统地分析水体组分对离水辐射偏振特性的影响，探测可见光在自然水体辐射传输过程中偏振特性变化规律以及离水辐射偏振光谱特征与水色要素之间的内在关系。
2.本发明手动连续旋转安装座采用铝合金制作，可反复使用。同时任何部件损坏，只需更换损坏件即可，因此本发明使用寿命长，便于维护且降低成本。
3.本发明结构简单，制作容易，使用方便。
4.本发明的三个第一高光谱辐亮度传感器和三个第二高光谱辐亮度传感器上均设有雨水导流孔，可避免积水影响。
附图说明
图1是本发明一种自然水体海面偏振高光谱观测系统的结构示意图。
图中，1-电源，2-数据处理及控制单元，3-数据转换单元，4-旋转云台组件，5-第一高光谱辐亮度传感器，6-第二高光谱辐亮度传感器，7-高光谱辐照度传感器，8-线偏振器，9-手动连续旋转安装座。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种自然水体海面偏振高光谱观测系统作进一步详细说明。根据下面具体实施方式，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，如图1所示，包括电源 1、数据处理及控制单元2、数据转换单元3、旋转云台组件4以及设置于旋转云台组件4上且与数据转换单元3的输入端电连接的三个第一高光谱辐亮度传感器5、三个第二高光谱辐亮度传感器6和一个高光谱辐照度传感器7；
旋转云台组件4包括安装架和设置于安装架上的电动旋转云台，三个第一高光谱辐亮度传感器5、三个第二高光谱辐亮度传感器6和一个高光谱辐照度传感器7均安装于电动旋转云台上。电动旋转云台控制第一高光谱辐亮度传感器5和第二高光谱辐亮度传感器6的观测方位角和高度角，实现不同方位几何的自然水体偏振高光谱现场观测；
三个第一高光谱辐亮度传感器5上扬,其轴线与水平面夹角为45度，三个第二高光谱辐亮度传感器6下垂，其轴线与三个第一高光谱辐亮度传感器 5的轴线夹角为90度；
三个第一高光谱辐亮度传感器5和三个第二高光谱辐亮度传感器6的探测口均通过手动连续旋转安装座9安装有线偏振器8；
手动连续旋转安装座9使得线偏振器8与三个第一高光谱辐亮度传感器 5的探测口端面间的夹角分别为0°、60°、120°，使得线偏振器8与三个第二高光谱辐亮度传感器6的探测口端面间的夹角分别为0°、60°、120°。线偏振器改变入射光的偏振特性，完成离水辐射和天空漫射光三个偏振方向的高光谱测量，根据斯托克斯方程计算离水辐射的偏振特性；并根据菲涅尔定律扣除水面天空漫射光的反射，进而实现离水辐射偏振高光谱的测量，分析不同自然水体离水辐射偏振特性。
完成离水辐射偏振高光谱不同偏振角度的现场观测，
第一高光谱辐亮度传感器5和第二高光谱辐亮度传感器6的波长范围均为305-1100nm，共138个通道，光谱采样为3.3纳米/像素，光谱精度为0.3nm，光谱分辨率为10nm，饱和度为0.5μWcm-2nm-1，杂散光小于1×10-3，辐亮度传感器视角为3°，信噪比SNR为1.6×104。
高光谱辐照度传感器7的波长范围为305-1100nm，共138个通道，光谱采样为3.3纳米/像素，光谱精度为0.3nm，光谱分辨率为10nm，饱和度为9.0μWcm-2nm-1，杂散光小于1×10-3，辐亮度传感器视角为3°，信噪比SNR 为1.6×104。
三个第一高光谱辐亮度传感器5和三个第二高光谱辐亮度传感器6上均设有雨水导流孔。
数据处理及控制单元2与数据转换单元3的输出端电连接；数据转换单元3将RS422信号转换成RS232信号，数据处理及控制单元2为计算机。电源1为数据转换单元2和数据处理及控制单元3供电。
该系统可准确现场观测自然水体离水辐射偏振高光谱，并抑制天空漫射光水面反射的影响，对比分析不同自然水体离水辐射偏振高光谱数据资料，研究离水辐射偏振特性，阐明可见光在自然水体辐射传输过程中离水辐射偏振特性变化规律及与水色要素、固有光学特性之间的相互作用关系。
本发明一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其工作原理/工作过程如下：
首先，将线偏振器8固定在第一高光谱辐亮度传感器5及第二高光谱辐亮度传感器6的探测口处，然后，通过手动连续旋转安装座9改变偏振探测角度，其中三个第一高光谱辐亮度传感器5对准天空、三个第二高光谱辐亮度传感器6对准海面，从而可测量不同线偏振角度下天空漫射光、海面离水辐射的偏振特性。本发明可有效抑制天空漫射光的干扰，准确测量离水辐射偏振光谱，可丰富水体偏振光谱数据资料，对阐明海洋水色偏振 遥感机理起到促进作用。
Claims (8)
1.一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其特征在于：包括电源(1)、数据处理及控制单元(2)、数据转换单元(3)、旋转云台组件(4)以及设置于旋转云台组件(4)上且与数据转换单元(3)的输入端电连接的三个第一高光谱辐亮度传感器(5)、三个第二高光谱辐亮度传感器(6)和一个高光谱辐照度传感器(7)；
所述第一高光谱辐亮度传感器(5)和第二高光谱辐亮度传感器(6)的波长范围均为305-1100nm，共138个通道，光谱采样为3.3纳米/像素，光谱精度为0.3nm，光谱分辨率为10nm，饱和度为0.5μWcm-2nm-1，杂散光小于1×10-3，辐亮度传感器视角为3°，信噪比SNR为1.6×104；
所述高光谱辐照度传感器(7)的波长范围为305-1100nm，共138个通道，光谱采样为3.3纳米/像素，光谱精度为0.3nm，光谱分辨率为10nm，饱和度为9.0μWcm-2nm-1，杂散光小于1×10-3，辐亮度传感器视角为3°，信噪比SNR为1.6×104；
所述三个第一高光谱辐亮度传感器(5)上扬，其轴线与水平面夹角为30～60度，三个第二高光谱辐亮度传感器(6)下垂，其轴线与三个第一高光谱辐亮度传感器(5)的轴线夹角为90度；
所述三个第一高光谱辐亮度传感器(5)和三个第二高光谱辐亮度传感器(6)的探测口均安装有线偏振器(8)；
所述线偏振器(8)与三个第一高光谱辐亮度传感器(5)探测口端面间的夹角各异；所述线偏振器(8)与三个第二高光谱辐亮度传感器(6)探测口端面间的夹角各异；
所述数据处理及控制单元(2)与数据转换单元(3)的输出端电连接；
所述电源(1)为数据转换单元(2)和数据处理及控制单元(3)供电。
2.根据权利要求1所述的一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其特征在于：所述线偏振器(8)与三个第一高光谱辐亮度传感器(5)的探测口端面间的夹角分别为0°、60°、120°；
所述线偏振器(8)与三个第二高光谱辐亮度传感器(6)的探测口端面间的夹角分别为0°、60°、120°。
3.根据权利要求1或2所述的一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其特征在于：
所述线偏振器(8)通过手动连续旋转安装座(9)与第一高光谱辐亮度传感器(5)或第二高光谱辐亮度传感器(6)的探测口连接。
4.根据权利要求3所述的一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其特征在于：所述三个第一高光谱辐亮度传感器(5)的轴线与水平面夹角为45度。
5.根据权利要求4所述的一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其特征在于：所述三个第一高光谱辐亮度传感器(5)和三个第二高光谱辐亮度传感器(6)上均设有雨水导流孔。
6.根据权利要求5所述的一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其特征在于：所述数据转换单元(3)将RS422信号转换成RS232信号。
7.根据权利要求6所述的一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其特征在于：所述旋转云台组件(4)包括安装架和设置于安装架上的电动旋转云台。
8.根据权利要求7所述的一种自然水体海面偏振高光谱观测系统，其特征在于：所述数据处理及控制单元(2)为计算机；
所述手动连续旋转安装座(9)采用铝合金制作。
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