CN114112939B - 一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及地物光谱观测领域，特别是涉及一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统。本发明通过加入参考白板自动伸缩模块，可以自动进行白板校正，解决了以手动方式进行校正而繁琐的问题；当太阳光强、天气条件较差时，观测系统能及时进行白板校正，保证数据可用性和数据质量。加入风道吹扫模块，可定期吹扫、清理参考白板。加入旋转云台，可以对角度实施高精度控制，实现地物光谱多角度观测。自动白板校正多角度地物光谱原位连续观测平台系统，可以实现连续时间的自动地物光谱观测、自动数据采集，观测数据可与涡度相关通量观测系统30min观测的数据频率匹配，为农业、森林等遥感观测、生态过程、尺度扩展等研究提供了重要的技术手段。

Description

一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统
技术领域
本发明涉及地物光谱观测领域，特别是涉及一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统。
背景技术
自然条件下，用光谱仪可观测植被、土壤、水体等的光谱信息，地物光谱观测是研究获取自然条件下植被生长、光合、植被冠层及生态系统的群体结构等生理生态的有效方法。基于ASD地物光谱仪的观测方法要求及时对白板进行校正，当天气、环境条件较差时，需要增加白板校正次数以保证观测数据的可用性和数据质量；目前常规以手动方式进行白板校正较为繁琐、耗时耗力，且此种方式易受光照强度和天气条件等因素影响，最终影响了数据质量。而且，人工观测方式会出现观测数据不连续、观测角度不精准、观测高度受限、观测区域和通量观测区域难以匹配的问题。
因此，创设一种能自动进行白板校正、观测不受光强和天气影响、观测角度精准、观测高度不受限的自动多角度地物光谱原位连续观测平台系统，成为当前业界亟需改进的目标。
发明内容
针对上述技术背景提到的不足，本发明的目的在于提供一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，包括金属盒和恒温箱两部分，所述金属盒包括：工业主机、白色参考板自动伸缩模块、风道吹扫模块、旋转云台(PTU-E46)；恒温箱包括：ASD光谱仪、转换电源组、温度控制系统。金属盒安装于塔上，恒温箱安装于塔下。
所述光谱仪连接的光纤指向目标地物进行观测，光纤探头连接在旋转云台发动机上；所述工业主机安装于金属盒内，用于接收、存贮数据以及发布控制指令调节系统的运行；所述参考白板自动伸缩模块包括伸缩控制器、伸缩柱、仓门、白板托盘及运动控制程序，伸缩控制器与工业主机连接；所述风道吹扫模块包括吹扫控制器、吹扫风扇及运动控制程序，吹扫控制器与工业主机连接；所述旋转云台通过云台控制器与工业主机连接，所述云台控制器用于调节旋转云台的旋转方向、角度间隔以及时间间隔，并调节、定位所述光谱仪光纤探头的瞬时位置。
所述白板自动伸缩模块的伸缩柱置于金属盒的一侧，参考白板托盘置于金属盒内，它们通过控制器与工业主机相连，工业主机内置的运动控制程序指令通过控制器控制金属盒仓门的开闭、白板托盘的伸缩。
所述风道吹扫模块置于金属盒内，通过与工业主机相连，工业主机内置的运动控制程序指令通过控制器控制风扇来定时吹扫白板，以达到定期清洗白板的目的。
所述工业主机上连接得有4G无线通信模块、GPS天线；所述工业主机与ASD光谱仪通过网线连接，与云台控制器通过串口线或网线连接。
本发明还公开了一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统的控制方法，系统一旦接入外部交流电源系统即开始进入启动状态，恒温箱内的温控系统控制箱内24小时温度，保持20-25℃，ASD光谱仪可在此温度范围内稳定工作，旋转云台模块初始化自检。
所述工业主机发出指令使ASD光谱仪开启；预热一段时间后，工业主机发出指令使金属盒仓门打开，白板伸缩托盘伸出金属盒；当白板伸出最远端并稳定时，工业主机发出指令控制旋转云台发动机将光谱仪光纤探头对准白板中心，向光谱仪发出指令采集白板参考光谱数据；采集完成后，工业主机控制白板伸缩托盘收回金属盒内，并向风扇控制器发出指令，控制风道风扇对白板进行吹扫清洁；旋转云台按照工业主机内程序设定指令以特定角度间隔、时间间隔运动；同时，ASD光谱仪通过光纤配合旋转云台的运动采集光谱数据。每当光纤探头完成重新定位后，光纤探头的位置信息都会被云台控制器发出，每隔一定时间，所有的测量信号都会被存入工业主机硬盘，所述测量信号包括ASD光谱仪扫描的光谱信息、实际的光纤探头位置以及系统时间，通过无线模块可远程读取、编辑设置、下载测量数据。
本发明的有益效果：
1、本发明通过加入参考白板自动伸缩模块，可以自动进行白板校正，解决了以往以手动方式进行校正而繁琐的问题；并且，当太阳光强、天气条件较差时，观测系统能及时进行白板校正，保证数据可用性和数据质量。
2、本发明通过加入风道吹扫模块，可定期吹扫、清理参考白板。
3、本发明通过加入4G无线模块，可以在野外任何通量塔进行安装，并且可以远程对数据质量进行查看，下载观测数据，防止数据丢失。
4、本发明通过加入旋转云台，可以对角度实施高精度控制，实现地物光谱多角度观测。
5、本发明的自动白板校正多角度地物光谱原位连续观测平台系统，可以实现连续时间的自动地物光谱观测、自动数据采集，观测数据可与涡度相关通量观测系统30min观测的数据频率匹配。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
图1是本发明的系统安装整体结构图；
图2是系统主体部分连接示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1、2所示，一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，包括金属盒和恒温箱两部分，所述金属盒包括：工业主机、白色参考板自动伸缩模块、风道吹扫模块、旋转云台(PTU-E46)；恒温箱包括：ASD光谱仪、转换电源组、温度控制系统。所述工业主机安装于金属盒内，用于接收、存贮数据以及发布控制指令调节系统的运行；所述参考白板自动伸缩模块包括控制器、伸缩柱、仓门、白板托盘及运动控制程序，通过控制器与工业主机连接；所述风道吹扫模块包括控制器、吹扫风扇及运动控制程序，通过控制器与工业主机连接；所述旋转云台通过云台控制器与工业主机连接，所述云台控制器用于调节旋转云台的旋转方向、角度间隔以及时间间隔，并调节、定位所述光谱仪光纤探头的瞬时位置。本系统的一个实例是将金属盒安装于塔上，恒温箱安装于塔下。
ASD光谱仪的型号为ASD FieldSpec 4Hi-Res，安装于恒温箱中，可通过无线方式或以太网端口与工业主机连接。该光谱仪配置有一个512阵元硅阵列的PDA(Photo-DiodeArray)探测器(350-1000nm)和两个渐变分级InGaAs(铟-镓-砷)探测器(1001-1800nm、1801-2500nm)，一个加固型的固定光纤，每秒最快可扫描10条光谱曲线，光谱分辨率可达3nm，可记录350-2500nm波长的辐射。ASD光谱仪连接的光纤指向目标地物进行观测，光纤探头连接在旋转云台发动机上，云台发动机上向外安装一片垂直于金属盒方向的金属铁片，铁片向外一端设置有光纤探头固定圈，光纤探头插入固定圈固定，从而实现光纤随云台发动机的转动而运动；光纤探头安装的位置为最高点，保证了观测时不受系统本身及其他障碍物的遮挡。
工业主机用于控制、调节整个系统的运行特别是旋转云台转动、光谱数据采集、白板的伸缩与吹扫以及系统其他部件的运行；工业主机内置的主控程序包括ASD模块、时间控制模块、运动控制模块及设置模块，其中，ASD模块负责ASD光谱仪数据的采集；时间控制模块负责系统时间初始化以及时间流水线的实施及控制；运动控制模块包含仓门、风扇及白板伸缩柱的控制及规避错误运动机制等；设置模块包含网络传输及配置文件读写模块。通过对不同程序模块的设置修改，进而控制整个系统的开闭、数据采集时间、采集方式、数据文件设置等。
白板自动伸缩模块的伸缩柱置于金属盒的一侧，参考白板托盘置于金属盒内，它们通过控制器与工业主机相连，工业主机内置的运动控制程序指令通过控制器控制金属盒仓门的开闭、白板托盘的伸缩；同时，配合云台发动机的转动、ASD光谱仪白板数据采集，从而实现在每次(轮)光谱观测前进行自动白板校正。
风道吹扫模块置于金属盒内，吹扫风扇通过控制器与工业主机相连，工业主机内置的运动控制程序指令通过控制器控制风扇来定时吹扫白板，以达到定期清洗白板的目的。
旋转云台采用微型方位/俯仰云台(型号：PTU-E46-17)，角度精度为0.003°，可实现方位角为+/-159°，俯仰角为-47°至+31°角度范围的旋转，测量不同太阳高度角及不同观测方位角下的地物反射光谱和辐射。通过设置一定间隔的观测天顶角和方位角，精确控制ASD光谱仪光纤的旋转位置。
系统其他部件：转换电源组包括断路器开关、继电器开关、交流供电模块、防雨电源开关、直流稳压模块，将外部交流电源转换为系统各部提供直流电源(DC)；温控系统主要由散热风扇和温控器组成，温控器包括温度感应器，恒温箱内温度超过28℃时，散热风扇启动，低于25℃时停止运转。
本系统一旦接入交流系统即开始进入启动状态，恒温箱控制箱内24小时温度，约保持20-25℃，ASD光谱仪可在此温度范围内稳定工作。
在系统每次自动重启后，工业小电脑向相应控制器发送命令，旋转云台初始化自检，ASD光谱仪启动并预热；预热1小时后，伸缩柱推开仓门，白板伸缩托盘将白板从金属盒内托出至最远端稳定后，旋转云台发动转动使得光纤对准白板正中心，采集一组白板数据，随后，白板退回金属盒内，仓门关闭，即将开始观测目标光谱数据。旋转云台的角度旋转方式可在小电脑程序中设置，如水平方向上，角度间隔设为10°，旋转云台发动机顺时针转90°(在方位角水平，以平行金属盒向前观测方向为0°，以此为起点，顺时针方向为负角度，逆时针方向为正角度)至起始角度(-90°)，停留10s，ASD光谱仪采集光谱，数据保存记为-90°光谱数据，下一步旋转云台逆时针逐角度分别转动至-80、-70、-60、-50、-40、-30、-20、-10、0、+10、+20、+30、+40、+50、+60、+70、+80、+90等角度，约200s完成一轮测量，每隔30min进行一轮测量，每轮测量前都自动进行白板数据采集。每轮测量中的每一次测量数据，都会实时被存入工业主机硬盘，可远程实时查看、下载数据。数据内容主要包括辐亮度RAD、白板数据White、反射率REF及DN值，数据格式为.txt类文件，每个文件的头文件信息包括角度信息，ASD光谱仪参数如视场角、光谱平均值、白板平均值及暗电流平均值等。观测时间则以文件命名方式存储，其中文件名方式为项目名+年+月日+时分+秒，每个文件加入后缀white、DN、RAD、REF以区分文件含义，观测时间已转换为北京时间。本系统的时间初始化及流水控制如下：北京时间8：30工业主机上电，9:00光谱仪预热，10:00开始采集数据，17：00停止采集数据并关闭系统、对系统进行断电；以后每一日重复此操作，从而实现长期自动连续观测。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，包括金属盒和恒温箱两部分，其特征在于，所述金属盒包括：工业主机、参考白板自动伸缩模块、风道吹扫模块、旋转云台；恒温箱包括：ASD光谱仪、转换电源组、温度控制系统；
所述工业主机安装于金属盒内；所述参考白板自动伸缩模块包括伸缩控制器、伸缩柱、仓门、白板托盘及运动控制程序，伸缩控制器与工业主机连接；所述风道吹扫模块包括吹扫控制器、吹扫风扇及运动控制程序，吹扫控制器与工业主机连接；所述旋转云台通过云台控制器与工业主机连接，所述云台控制器用于调节旋转云台的旋转方向、角度间隔以及时间间隔，并调节、定位所述光谱仪光纤探头的瞬时位置；
所述ASD光谱仪连接的光纤指向目标地物进行观测，光纤探头连接在旋转云台发动机上，云台发动机上向外安装一片垂直于金属盒方向的金属铁片，铁片向外一端设置有光纤探头固定圈，光纤探头插入固定圈固定，从而实现光纤随云台发动机的转动而运动；
光纤探头安装的位置为最高点，保证了观测时不受系统本身及其他障碍物的遮挡。
2.根据权利要求1所述的一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，其特征在于，所述金属盒安装于塔上，恒温箱安装于塔下。
3.根据权利要求1所述的一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，其特征在于，所述ASD光谱仪安装于恒温箱中，可通过以太网、无线方式与工业主机连接。
4.根据权利要求1所述的一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，其特征在于，所述工业主机可通过网线、串口线与云台控制器连接。
5.根据权利要求1所述的一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，其特征在于，所述工业主机上连接有4G无线通信模块、GPS天线。
6.根据权利要求1所述的一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，其特征在于，所述工业主机用于控制、调节整个系统的运行特别是旋转云台转动、光谱数据采集、白板的伸缩与吹扫以及系统其他部件的运行；工业主机内置的主控程序包括ASD模块、时间控制模块、运动控制模块及设置模块，其中，ASD模块负责ASD光谱仪数据的采集；时间控制模块负责系统时间初始化以及时间流水线的实施及控制；运动控制模块包含仓门、风扇及白板伸缩柱的控制及规避错误运动机制；设置模块包含网络传输及配置文件读写模块；通过对不同程序模块的设置修改，进而控制整个系统的开闭、数据采集时间、采集方式、数据文件设置。
7.根据权利要求1所述的一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，其特征在于，所述参考白板自动伸缩模块的伸缩柱置于金属盒的一侧，参考白板托盘置于金属盒内，工业主机内置的运动控制程序指令通过控制器控制金属盒仓门的开闭、白板托盘的伸缩；同时，配合云台发动机的转动、ASD光谱仪白板数据采集，从而实现在每次光谱观测前进行自动白板校正。
8.根据权利要求1所述的一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，其特征在于，所述风道吹扫模块置于金属盒内，工业主机内置的运动控制程序指令通过控制器控制风扇来定时吹扫白板，以达到定期清洗白板的目的。
9.根据权利要求1所述的一种具有自动校正功能的地物光谱多角度连续观测系统，其特征在于，所述转换电源组包括断路器开关、继电器开关、交流供电模块、防雨电源开关、直流稳压模块，将外部交流电源转换为系统各部提供直流电源(DC)；温控系统主要由散热风扇和温控器组成，温控器包括温度感应器，恒温箱内温度超过28℃时，散热风扇启动，低于25℃时停止运转。
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