CN204718948U - 一种水体表观光谱观测双通道自校验系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水体表观光谱观测双通道自校验系统，包括主控装置、太阳追踪装置、转台和双通道光谱测量装置；主控装置分别与太阳追踪装置、转台和双通道光谱测量装置电连接，用于控制太阳追踪装置、向转台下达调整观测方位命令，并控制双通道光谱测量装置完成双通道水体表观光谱的采集和数据存储；本实用新型为测量数据有效性的判断增加非常重要的参考依据，为水体表观光谱数据的检验提供一种新的方法和工具。

Description

一种水体表观光谱观测双通道自校验系统

技术领域

本实用新型属于水色遥感现场数据处理技术领域，特别是涉及一种水体表观光谱观测双通道自校验系统，可用于检验光谱数据的有效性。

背景技术

对于江河、湖泊以及近海等二类水体遥感测量中，相对于法剖面法来说，采用水面以上测量法是比较可行、有效的。但在实际的水面上法测量过程中，由于现场环境条件复杂，受到各种各样的干扰因素的影响，比如水面镜面反射、天空光的辐射以及波浪和太阳耀斑都是影响测量精度和数据有效性的重要因素。虽然NASA、国际水色 SIMBIOS组织等对水面上测量几何和测量方法进行了深入的研究，并给出了相对合理的测量方法和数据处理方案，为避免太阳直射和天空光场的影响提供了解决思路。

但是在研究中，仅用这些方法剔除异常数据在一定程度上是保证了测量的有效性，可实际处理后仍然有许多不正确的数据，这就迫切需要提出更多的检验测量数据有效性的方法辅助水色遥感现场数据的分析研究工作。

实用新型内容

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种水体表观光谱观测双通道自校验系统，可用于检验光谱数据的有效性，剔除异常数据，提高数据的质量，有利于后续的数据分析研究工作。

本实用新型所采用的技术方案是：一种水体表观光谱观测双通道自校验系统，其特征在于：包括主控装置、太阳追踪装置、转台和双通道光谱测量装置；所述的主控装置分别与所述的太阳追踪装置、转台和双通道光谱测量装置电连接，用于控制所述的太阳追踪装置、向所述的转台下达调整观测方位命令，并控制所述的双通道光谱测量装置完成双通道水体表观光谱的采集和数据存储；

所述的太阳追踪装置为一太阳光感应传感器，安装在所述的转台上设置的支撑杆顶部上，随所述的转台的转动而转动，用于感应太阳方位角的变化，输出所述的转台相对于太阳转动的角度；

所述的转台包括第一电机、蜗轮传动装置、电机固定板、旋转台和底座；所述的第一电机与所述的主控装置电连接，所述的第一电机的转动轴上装配蜗轮传动装置并通过螺纹连接件与电机固定板下表面固定连接；所述蜗轮传动装置由转动蜗轮、从动蜗轮和传动带组成；所述的第一电机的转动轴与安装在所述的电机固定板上表面的转动蜗轮的转动轴固定连接，所述的转动蜗轮和从动蜗轮通过所述的传动带连接；所述的旋转台包括转动盘、支撑转轴和支撑杆，所述的支撑转轴固定连接于所述的转动盘下表面中心位置，所述的支撑杆设在所述的转动盘上表面中心位置；所述的底座是由顶盖和底座壳体装配构成的中空结构，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电源接口和过线孔；所述的电机固定板通过螺纹连接件固定安装在所述的顶盖下表面，使所述的第一电机和所述的蜗轮传动装置处于所述的底座的中空结构内；所述的支撑转轴穿过旋转轴承与所述的从动蜗轮固定连接；

所述的双通道光谱测量装置包括一个地物光谱仪、两个光路切换开关、两个光谱探头、一块参考板、两条支撑臂、两个第一舵机、两个探头固定架和一个直射太阳光遮挡机构；所述的地物光谱仪安装在所述的底座壳体内，所述的地物光谱仪的数据接口与所述的主控装置电连接，所述的地物光谱仪的采光口通过一分二光纤连接到两个所述的光路切换开关上，再由所述的两个光路切换开关分别连接到所述的两个光谱探头上；所述的两个光路切换开关用于切换不同的光谱探头采集的光线进入所述的地物光谱仪；所述的两个光谱探头分别安装在所述的两个探头固定架上，其尾部光纤穿过所述的底座壳体底部设置的过线孔与所述的光路切换开关连接；所述的两条支撑臂一端分别固定安装在所述的支撑杆上，另一端分别与所述的两个第一舵机固定连接；所述的两个探头固定架用于将两个光谱探头分别固定到所述的两个第一舵机的转轴上；所述的两个第一舵机分别用导线穿过过线孔电连接到所述的主控装置上，便于主控装置分别控制其转动；所述的参考板固定安装在转动盘上，位置正好处于其中一个光谱探头下面；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，轴向与所述的其中一个光谱探头水平方向成45°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转轴上。

作为优选，所述的由顶盖和底座壳体装配构成的中空结构内设有内部安装架，所述的主控装置和地物光谱仪分别通过螺纹连接件固定安装在所述的内部安装架上。

作为优选，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，均垂直平行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；A、B两片安装板上对称位置处开有透光通孔，使A、B两片安装板及中空夹层相通；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，所述的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所述的透光通孔直径，所述的遮光片转动半径大于所述的转动轴到所述的透光通孔的距离，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地物光谱仪，所述的透光通孔在B片的开口通过光纤连接光谱探头；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，其尾部导线与所述的主控装置电连接；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底座壳体内。

作为优选，所述的两条支撑臂之间成90°夹角水平安装在所述的支撑杆上。

现有技术中单个方位角（单通道）的水体表观光谱测量后的数据有效性只能通过现场实验记录、照片等等来验证，而利用本实用新型可以为数据有效性的判断增加非常重要的参考依据，为水表观光谱数据的检验提供一种新的方法和工具。

附图说明

图1：为本实用新型实施例的系统原理图；

图2：为本实用新型实施例的系统整体结构示意图；

图3：为本实用新型实施例的系统的转台的内部结构示意图；

图4：为本实用新型实施例的系统的双通道光谱测量装置的俯视结构示意图；

图5：为本实用新型实施例的系统的光路切换开关的结构剖视示意图；

图6：为本实用新型实施例的系统工作流程图。

图中：1-主控装置，2-太阳追踪装置，3-转台，31-第一电机、32-蜗轮传动装置， 321-转动蜗轮，322-从动蜗轮，323-传动带，33-电机固定板，34-旋转台，341-转动盘，342-支撑转轴，343-支撑杆， 35-底座，351-顶盖，352-底座壳体，3521-电源接口，3522-过线孔，353-内部安装架，354-旋转轴承，4-双通道光谱测量装置，41-地物光谱仪，42-光路切换开关，421-安装板，4211-中空夹层，4212-透光通孔，422-固定板，4221-螺孔，423-小电机，5731-转动轴，4232-遮光片，424-光纤连接器，43-光谱探头，44-参考板，45-支撑臂，46-第一舵机，47-探头固定架，48-直射太阳光遮挡机构，481-第二舵机、482-连接臂，483-遮光板，5-太阳光入射平面。

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实用新型，下面结合附图及实施例对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。

请见图1、图2、图3、图4和图5，本实用新型提供的一种水体表观光谱观测双通道自校验系统，包括主控装置1、太阳追踪装置2、转台3和双通道光谱测量装置4；主控装置1分别与太阳追踪装置2、转台3和双通道光谱测量装置4电连接，用于控制太阳追踪装置2、向转台3下达调整观测方位命令，并控制双通道光谱测量装置4完成双通道水体表观光谱的采集和数据存储；太阳追踪装置2为一太阳光感应传感器，安装在转台3上设置的支撑杆343顶部上，随转台3的转动而转动，用于感应太阳方位角的变化，输出转台3相对于太阳转动的角度；转台3包括第一电机31、蜗轮传动装置32、电机固定板33、旋转台34和底座35；第一电机31与主控装置1电连接，第一电机31的转动轴上装配蜗轮传动装置32并通过螺纹连接件与电机固定板33下表面固定连接；所述蜗轮传动装置32由转动蜗轮321、从动蜗轮322和传动带323组成；第一电机31的转动轴与安装在电机固定板33上表面的转动蜗轮321的转动轴固定连接，转动蜗轮321和从动蜗轮322通过传动带323连接；旋转台34包括转动盘341、支撑转轴342和支撑杆343，支撑转轴342固定连接于转动盘341下表面中心位置，支撑杆343设在转动盘341上表面中心位置；底座35是由顶盖351和底座壳体352装配构成的中空结构，中空结构内设有内部安装架353，主控装置1和地物光谱仪41分别通过螺纹连接件固定安装在所述的内部安装架353上；顶盖351中央安装有旋转轴承354，底座壳体352底部设置有电源接口3521和过线孔3522；电机固定板33通过螺纹连接件固定安装在顶盖351下表面，使第一电机31和蜗轮传动装置32处于底座35的中空结构内；支撑转轴342穿过旋转轴承354与从动蜗轮322固定连接；双通道光谱测量装置4包括一个地物光谱仪41、两个光路切换开关42、两个光谱探头43、一块参考板44、两条支撑臂45、两个第一舵机46、两个探头固定架47和一个直射太阳光遮挡机构48；地物光谱仪41安装在底座壳体352内，地物光谱仪41的数据接口与主控装置1电连接，地物光谱仪41的采光口通过一分二光纤连接到两个光路切换开关42上，再由两个光路切换开关42分别连接到两个光谱探头43上；两个光路切换开关42用于切换不同的光谱探头43采集的光线进入地物光谱仪41；两个光谱探头43分别安装在两个探头固定架47上，其尾部光纤穿过底座壳体352底部设置的过线孔3522与光路切换开关42连接；两条支撑臂45一端分别固定安装在支撑杆343上，另一端分别与两个第一舵机46固定连接；两个探头固定架47用于将两个光谱探头43分别固定到两个第一舵机46的转轴上；两个第一舵机46分别用导线穿过过线孔3522电连接到主控装置1上，便于主控装置1分别控制其转动；参考板44固定安装在转动盘341上，位置正好处于其中一个光谱探头43下面；直射太阳光遮挡机构48包括第二舵机481、连接臂482和遮光板483；第二舵机481安装在参考板44一侧，轴向与其中一个光谱探头43水平方向成45°夹角；遮光板483通过连接臂482固定安装在第二舵机481转轴上。

本实施例的光路切换开关42包括安装板421、固定板422、小电机423和一组光纤连接器424，安装板421有A、B两片，均垂直平行固定安装在固定板422表面上，A、B两片安装板与固定板422之间构成封闭的中空夹层4211；A、B两片安装板上对称位置处开有透光通孔4212，使A、B两片安装板及中空夹层4211相通；中空夹层内4211设有遮光片4232，透光通孔4212旁边装有小电机423，小电机423的转动轴4231通过安装孔伸入中空夹层4211内；遮光片4232一端紧密套接在转动轴4231上，另一端能在中空夹层4211平面内围绕转动轴4231转动，遮光片4232的宽度大于透光通孔4212直径，遮光片4232转动半径大于转动轴4231到透光通孔4212的距离，使得遮光片4232转至水平位置时能够阻断透光通孔4212；透光通孔4212在A片的开口通过光纤连接地物光谱仪41，透光通孔4212在B片的开口通过光纤连接光谱探头43；小电机423的机身通过螺纹连接件和固定块固定安装在固定板422上，其尾部导线与主控装置1电连接；固定板422表面还开有螺孔4221，用于将整个光路切换开关42通过螺纹连接件固定安装在底座壳体352内。

本实施例的两条支撑臂45之间成90°夹角水平安装在支撑杆343上。

请见图6，本实用新型工作流程，包括以下步骤：

步骤1：前期部署，在待测目标水域上安装水体表观光谱观测双通道测量系统，并将外部电源接入到电源接口3521；

步骤2：观测方位调整，主控装置1根据40°，135°的观测几何控制第一电机31转动，进而由蜗轮传动装置32带动旋转台34及其上的所有部件转动，在这个过程中主控装置1还通过读取太阳追踪装置2来获取太阳入射方位相对于转台3的改变量，直到两个光谱探头43的朝向与太阳入射方向成135°夹角为止；

步骤3：双通道光谱测量，通过主控装置1控制两个第一舵机46转动来改变相对太阳光入射平面5对称的两个光谱探头43的测量角度、控制两个光路切换开关42的小电机423来切断或打开两个光谱探头43各自进入地物光谱仪41的采光通道和读取两个光谱探头43的光谱数据，进而完成双通道水体表观光谱的同步测量；双通道水体表观光谱的测量包括暗电流测量、标准板测量、遮挡直射阳光的标准板测量、目标水体测量、天空光测量；

步骤4：数据检验，以时间索引为基础，确定同步测量得到的双通道的水体表观光谱数据，确定5%的偏差范围限值，对每个光谱波长的测量值进行逐一对比，当整条光谱曲线上有超过5%的光谱波长上的点相对偏差超过5%的时候此次测量的光谱数据确认无效；当整条光谱曲线上有低于5%的光谱波长上的点相对偏差超过5%的时候，剔除光谱测量对应波长的光谱值，再保存该条光谱，并将该光谱标记为中等质量光谱；当整条曲线所有的光谱波长上的值都低于5%的偏差阈值时候，确认此时的测量光谱是最优光谱，可用于后续的卫星数据大气校正比对或者水色参数反演建模；当最优光谱不够用时，选用中等质量光谱进行后续分析。通过这种逐条光谱曲线逐个光谱波长值的对比，可以做到点对点地比较各自通道的光谱数据，从而剔除掉有差异的、不一致性的测量值，避免了单通道测量的数据不确定性问题；

步骤5：数据存储，主控装置1将通过检验的数据进行存储。

尽管本说明书较多地使用了主控装置1，太阳追踪装置2，转台3，旋转台34，转动盘341，支撑转轴342，支撑杆343，底座35，顶盖351，底座壳体352，电源接口3521，过线孔3522，内部安装架353，旋转轴承354，双通道光谱测量装置4，地物光谱仪41，光路切换开关42，安装板421，中空夹层4211，透光通孔4212，固定板422，螺孔4221，小电机423，转动轴4231，遮光片4232，光纤连接器424，光谱探头43，参考板44，支撑臂45，第一舵机46，探头固定架47，直射太阳光遮挡机构48，第二舵机481、连接臂482，遮光板483，太阳光入射平面5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实用新型的本质，把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

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实用新型专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的启示下，在不脱离本实用新型权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本实用新型的保护范围之内，本实用新型的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种水体表观光谱观测双通道自校验系统，其特征在于：包括主控装置（1）、太阳追踪装置（2）、转台（3）和双通道光谱测量装置（4）；所述的主控装置（1）分别与所述的太阳追踪装置（2）、转台（3）和双通道光谱测量装置（4）电连接，用于控制所述的太阳追踪装置（2）、向所述的转台（3）下达调整观测方位命令，并控制所述的双通道光谱测量装置（4）完成双通道水体表观光谱的采集和数据存储；

所述的太阳追踪装置（2）为一太阳光感应传感器，安装在所述的转台（3）上设置的支撑杆（343）顶部上，随所述的转台（3）的转动而转动，用于感应太阳方位角的变化，输出所述的转台（3）相对于太阳转动的角度；

所述的转台（3）包括第一电机（31）、蜗轮传动装置（32）、电机固定板（33）、旋转台（34）和底座（35）；所述的第一电机（31）与所述的主控装置（1）电连接，所述的第一电机（31）的转动轴上装配蜗轮传动装置（32）并通过螺纹连接件与电机固定板（33）下表面固定连接；所述蜗轮传动装置（32）由转动蜗轮（321）、从动蜗轮（322）和传动带（323）组成；所述的第一电机（31）的转动轴与安装在所述的电机固定板（33）上表面的转动蜗轮（321）的转动轴固定连接，所述的转动蜗轮（321）和从动蜗轮（322）通过所述的传动带（323）连接；所述的旋转台（34）包括转动盘（341）、支撑转轴（342）和支撑杆（343），所述的支撑转轴（342）固定连接于所述的转动盘（341）下表面中心位置，所述的支撑杆（343）设在所述的转动盘（341）上表面中心位置；所述的底座（35）是由顶盖（351）和底座壳体（352）装配构成的中空结构，所述的顶盖（351）中央安装有旋转轴承（354），所述的底座壳体（352）底部设置有电源接口（3521）和过线孔（3522）；所述的电机固定板（33）通过螺纹连接件固定安装在所述的顶盖（351）下表面，使所述的第一电机（31）和所述的蜗轮传动装置（32）处于所述的底座（35）的中空结构内；所述的支撑转轴（342）穿过旋转轴承（354）与所述的从动蜗轮（322）固定连接；

所述的双通道光谱测量装置（4）包括一个地物光谱仪（41）、两个光路切换开关（42）、两个光谱探头（43）、一块参考板（44）、两条支撑臂（45）、两个第一舵机（46）、两个探头固定架（47）和一个直射太阳光遮挡机构（48）；所述的地物光谱仪（41）安装在所述的底座壳体（352）内，所述的地物光谱仪（41）的数据接口与所述的主控装置（1）电连接，所述的地物光谱仪（41）的采光口通过一分二光纤连接到两个所述的光路切换开关（42）上，再由所述的两个光路切换开关（42）分别连接到所述的两个光谱探头（43）上；所述的两个光路切换开关（42）用于切换不同的光谱探头（43）采集的光线进入所述的地物光谱仪（41）；所述的两个光谱探头（43）分别安装在所述的两个探头固定架（47）上，其尾部光纤穿过所述的底座壳体（352）底部设置的过线孔（3522）与所述的光路切换开关（42）连接；所述的两条支撑臂（45）一端分别固定安装在所述的支撑杆（343）上，另一端分别与所述的两个第一舵机（46）固定连接；所述的两个探头固定架（47）用于将两个光谱探头（43）分别固定到所述的两个第一舵机（46）的转轴上；所述的两个第一舵机（46）分别用导线穿过过线孔（3522）电连接到所述的主控装置（1）上，便于主控装置（1）分别控制其转动；所述的参考板（44）固定安装在转动盘（341）上，位置正好处于其中一个光谱探头（43）下面；所述的直射太阳光遮挡机构（48）包括第二舵机（481）、连接臂（482）和遮光板（483）；所述的第二舵机（481）安装在所述的参考板（44）一侧，轴向与所述的其中一个光谱探头（43）水平方向成45°夹角；所述的遮光板（483）通过所述的连接臂（482）固定安装在所述的第二舵机（481）转轴上。

2.根据权利要求1所述的水体表观光谱观测双通道自校验系统，其特征在于：所述的由顶盖（351）和底座壳体（352）装配构成的中空结构内设有内部安装架（353），所述的主控装置（1）和地物光谱仪（41）分别通过螺纹连接件固定安装在所述的内部安装架（353）上。

3.根据权利要求1所述的水体表观光谱观测双通道自校验系统，其特征在于：所述的光路切换开关（42）包括安装板（421）、固定板（422）、小电机（423）和一组光纤连接器（424），所述的安装板（421）有A、B两片，均垂直平行固定安装在所述的固定板（422）表面上，A、B两片安装板与固定板（422）之间构成封闭的中空夹层（4211）；A、B两片安装板上对称位置处开有透光通孔（4212），使A、B两片安装板及中空夹层（4211）相通；所述的中空夹层内（4211）设有遮光片（4232），所述的透光通孔（4212）旁边装有所述的小电机（423），所述的小电机（423）的转动轴（4231）通过安装孔伸入所述的中空夹层（4211）内；所述的遮光片（4232）一端紧密套接在所述的转动轴（4231）上，另一端能在所述的中空夹层（4211）平面内围绕所述的转动轴（4231）转动，所述的遮光片（4232）的宽度大于所述的透光通孔（4212）直径，所述的遮光片（4232）转动半径大于所述的转动轴（4231）到所述的透光通孔（4212）的距离，使得所述的遮光片（4232）转至水平位置时能够阻断所述的透光通孔（4212）；所述的透光通孔（4212）在A片的开口通过光纤连接地物光谱仪（41），所述的透光通孔（4212）在B片的开口通过光纤连接光谱探头（43）；所述的小电机（423）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（422）上，其尾部导线与所述的主控装置（1）电连接；所述的固定板（422）表面还开有螺孔（4221），用于将整个光路切换开关（42）通过螺纹连接件固定安装在底座壳体（352）内。

4.根据权利要求1所述的水体表观光谱观测双通道自校验系统，其特征在于：所述的两条支撑臂（45）之间成90°夹角水平安装在所述的支撑杆（343）上。