CN111024623A - 一种船载海洋光谱测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种船载海洋光谱测量***，包括机柜，机柜顶部安装有方位调整机构、灰板组件和姿态调整机构，姿态调整机构上安装有采集探头；方位调整机构包括固定于机柜顶部的中空的支撑立柱和安装于支撑立柱顶端的中空旋转电机，中空旋转电机的旋转轴连接灰板组件，姿态调整机构包括固定于灰板组件上的中空的舵机立柱和安装于舵机立柱顶端的舵机，舵机的输出端与采集探头连接；机柜内部设置工控机、电源、光谱仪、惯导***、电机控制器和舵机控制器，采集探头通过采测线缆连接光谱仪。本发明结构紧凑，环境适应性强，采集探头可实现姿态与方位的自动调整，可以直接固定在船体甲板上，无人值守自动观测海洋水色要素信息，实现远距离监测的目的。
Description
技术领域
本发明涉及海洋光学探测设备技术领域，特别涉及一种船载海洋光谱测量***。
背景技术
机载与星载高光谱遥感虽然在空间探测范围、空间分辨率和光谱分辨率方面占有优势，但受大气散射等因素的影响，其估测精度还无法满足海洋初级生产力评估的需要，为获得精度更高的水色遥感反演数据，往往需通过现场实时采样测量的方法对反演模型与算法进行修正。
目前水色三要素(叶绿素a、非色素悬浮物、有色可溶性有机物)的现场实时采样测量方式多采用现场定点取水样后在实验室完成检测，该方法存在空间代表性不足，保存和运输过程中易出现样品变异等问题，严重影响测量分析的时效性。定点浮标测量***在一定程度上克服了实验室测量的弊端，但监测网络的测量范围有限，组网与维护成本高。现有的走航式水色三要素测量***对高温、高湿、高盐的海洋环境适应性较差，探测器不能长时间在户外工作，探测时需要人员值守。
而且，现有的部分海洋光谱仪尚不具备观测方向调整功能，或者带有观测方向调整功能的，其调整结构需要加电机加减速结构，为满足线缆通讯还需要增加导电滑环结构，整个调整结构复杂，庞大，不利于在海洋复杂的环境下使用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种船载海洋光谱测量***，结构紧凑，环境适应性强，采集探头可实现姿态与方位的自动调整，可以直接固定在船体甲板上，24小时无人值守自动观测海洋水色要素信息，实现远距离监测的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种船载海洋光谱测量***，包括机柜，所述机柜顶部安装有方位调整机构、灰板组件和姿态调整机构，所述姿态调整机构上安装有采集探头；所述方位调整机构包括固定于机柜顶部的中空的支撑立柱和安装于支撑立柱顶端的中空旋转电机，所述中空旋转电机的旋转轴连接灰板组件，所述姿态调整机构包括固定于灰板组件上的中空的舵机立柱和安装于舵机立柱顶端的舵机，所述舵机的输出端与所述采集探头连接；所述机柜内部设置工控机、电源、光谱仪、惯导***、电机控制器和舵机控制器，所述电机控制器和舵机控制器分别控制中空旋转电机和舵机，所述采集探头通过采测线缆连接光谱仪。
上述方案中，所述光谱仪包括一台可见光光谱仪和一台近红外光谱仪。
上述方案中，所述机柜的外壳为双层结构，双层结构中间填充隔热材料。
上述方案中，所述机柜侧面安装有空调。
上述方案中，所述机柜顶部设置上吊环，底部设置固定拉环和滚轮。
上述方案中，所述灰板组件包括支撑平台，所述支撑平台上方安装有带凹型腔的灰板下接件，所述灰板下接件上方安装灰板。
进一步的技术方案中，所述支撑平台一侧设有向外延伸的圆形限位孔，所述舵机立柱安装于圆形限位孔内。
进一步的技术方案中，所述采集探头的采测线缆、以及舵机的控制线缆穿过舵机立柱，经过灰板下接件的凹型腔，与中空旋转电机的控制线缆一起穿过支撑立柱进入机柜内部。
上述方案中，所述采集探头包括镜筒和镜筒盖，所述镜筒内部安装有摄像头和光纤探头，所述镜筒盖上设置透光玻璃，所述透光玻璃内侧贴有加热丝。
进一步的技术方案中，所述镜筒后端设置水密接头，所述摄像头的数据线、光纤探头的光纤接线，以及加热丝的接线均通过水密接头引出。
通过上述技术方案，本发明提供的船载海洋光谱测量***通过机柜顶部的方位调整机构、灰板组件和姿态调整机构实现采集探头的姿态与方位的调整，通过舵机调整采集探头指向天空、海面和灰板三个不同角度，进行数据采集，并且舵机立柱、支撑立柱和中空旋转电机均为中空结构，线缆可布置在中空结构内，不需要采用滑环转接，整体结构紧凑，环境适应性强。
本发明将数据采集、分析以及控制***高度集成，可安装于船体甲板上，通过工控机对数据采集过程进行设置和控制，处理光谱仪数据和摄像图像、惯导***的位置数据等，并发送指令给电机控制器和舵机控制器，控制中空旋转电机和舵机的旋转，可实时得到海洋水色要素信息。
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。
图1为本发明实施例所公开的一种船载海洋光谱测量***整体结构示意图；
图2为本发明实施例所公开的一种船载海洋光谱测量***内部结构示意图；
图3为本发明实施例所公开的方位调整机构结构示意图；
图4为本发明实施例所公开的转接外盖结构示意图；
图5为本发明实施例所公开的支撑平台结构示意图；
图6为本发明实施例所公开的灰板下接件结构示意图；
图7为本发明实施例所公开的姿态调整机构结构示意图；
图8为本发明实施例所公开的采集探头结构示意图一；
图9为本发明实施例所公开的采集探头结构示意图二；
图10为镜筒内部摄像头和光纤探头结构示意图。
图中，1、支撑立柱；2、中空旋转电机；3、法兰盘；4、轴端螺母；5、转接外盖；6、夹持凹槽；7、凸起结构；8、螺纹孔；9、支撑平台；10、灰板下接件；11、灰板；12、舵机立柱；13、舵机外壳；14、舵机；15、后盖；16、前盖；17、圆形限位孔；18、配重块；19、采集探头；20、缺口；21、内环；22、外环；23、通孔；24、凹型腔；25、机柜；26、工控机；27、电源；28、空气开关；29、光谱仪；30、惯导***；31、电机控制器；32、舵机控制器；33、空调；34、上吊环；35、固定拉环；36、滚轮；37、镜筒；38、镜筒盖；39、转接件；40、摄像头；41、光纤探头；42、透光玻璃；43、加热丝；44、水密接头；45、可拆卸旋转座；46、防护外壳。
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。
本发明提供了一种船载海洋光谱测量***，如图1和图2所示的结构，该测量***包括机柜25，如图2所示，机柜25内部设置工控机26、电源27、空气开关28、光谱仪29、惯导***30、电机控制器31和舵机控制器32。光谱仪29包括一台可见光光谱仪和一台近红外光谱仪。其中可见光光谱仪用于测量200-1100nm波段，近红外光谱仪用于1100-2500nm波段。测量时光路的切换由波分复用器控制，通过Y字形光纤通过波分复用器将分别接两个光谱仪。
工控机26对数据采集过程进行设置和控制，处理光谱仪数据和摄像图像、惯导***的位置数据等，并发送指令给电机控制器31和舵机控制器32，控制中空旋转电机2和舵机14的旋转，可实时得到海洋水色要素信息。
惯导***30与工控机26连接，提供***位置参数，并发给处理软件计算太阳当前方位角和高度角，电机控制器31通过485信号控制方位调整机构和姿态调整机构的转动方向和转动角度，以躲避图像数据采集时产生的阴影。
电源27通过将市电转化为供光谱仪29、电机控制器31、惯导***30、工控机26等结构的相应电压。空气开关28用于电源通断，外部电源接进机柜后接入空气开关28，而后分为两路控制，一路给空调33，一路给仪器供电。
本实施例中，机柜25的外壳为双层结构，双层结构中间填充隔热材料。机柜25侧面安装有空调33。可控制机柜内温度在23°±1°恒定，保证光谱仪29和工控机26等设备工作正常。机柜25内部与外部数据与电源连接采用水密封的插接件。
机柜25顶部设置上吊环34，底部设置固定拉环35和滚轮36。上吊环34主要用于从岸上吊运至船上兼有***放在船甲板上后固定用，下部固定拉环35用于固定在甲板上；滚轮36用于移动方便。
机柜顶部安装有方位调整机构、灰板组件和姿态调整机构，如图3所示，方位调整机构包括固定于机柜顶部的中空的支撑立柱1和安装于支撑立柱1顶端的中空旋转电机2，中空旋转电机2通过法兰盘3固定于支撑立柱1的轴向壁上，中空旋转电机2悬空在支撑立柱1内。
中空旋转电机2的旋转轴通过轴端螺母4连接转接外盖5，轴端螺母4在轴向方向上开设夹持凹槽6，如图4所示，转接外盖5的内环21设有凸起结构7，与轴端螺母4的夹持凹槽6配合，增加转动时的扭矩。轴端螺母4和转接外盖5上分别开设螺纹孔8，通过螺钉将两者连接，从而实现中空旋转电机2转动时，通过轴端螺母4带动转接外盖5转动。
本实施例中，中空旋转电机2的旋转轴与轴端螺母4通过螺纹连接，并保证电机旋转轴端面低于轴端螺母4的端面。转接外盖5上开设可供线缆穿过的通孔23。且转接外盖5的外环22内径大于支撑立柱1的外径，安装后能将支撑立柱1顶端密封。
如图5所示，灰板组件包括安装于转接外盖5上方的支撑平台9，如图6所示，支撑平台9上方安装有带凹型腔24的灰板下接件10，灰板下接件10上方安装灰板11；本实施例中，灰板下接件10的凹型腔24朝下设置，可以起到防雨的功能，保护线缆，且灰板下接件10侧面靠近舵机立柱12的位置处开设可供线缆穿过的缺口20。灰板下接件10通过侧面的手把螺栓固定于支撑平台9上，方便拆卸。
如图7所示，姿态调整机构包括中空的舵机立柱12，舵机立柱12顶部设有舵机外壳13，舵机14位于舵机外壳13内，且舵机14的输出端伸出舵机外壳13，与采集探头19连接。舵机外壳13包括可拆分的后盖15和前盖16，便于取放舵机14及进行检修。
支撑平台9一侧设有向外延伸的圆形限位孔17，舵机立柱12安装于圆形限位孔17内。支撑平台9的另一侧底部连接配重块18，用于平衡。采集探头的采测线缆、以及舵机的控制线缆穿过舵机立柱12，经过灰板下接件10的凹型腔，与中空旋转电机2的控制线缆一起穿过支撑立柱1引出。
如图8所示，采集探头19包括镜筒37和镜筒盖38，如图10所示，镜筒37内部通过转接件39安装有摄像头40和光纤探头41，镜筒盖38上设置透光玻璃42，透光玻璃42内侧贴有加热丝43，在温度比较低时，可以通过加热丝43进行加热，防止透光玻璃42起雾。
如图9所示，镜筒37后端设置水密接头44，摄像头40的数据线、光纤探头41的光纤接线，以及加热丝43的接线均通过水密接头引出。
镜筒37侧面安装有可拆卸旋转座45，可拆卸旋转座45与舵机14连接，通过舵机14控制镜筒37的旋转角度。镜筒37外侧面设置防护外壳46，防护外壳46通过螺栓与镜筒固定。安装过程中，镜筒水平放置，防护外壳46位于镜筒37的顶部，可以防晒、防雨。
一种船载海洋光谱测量方法，包括如下步骤：
(1)***安装固定与准备：将机柜25安装固定在船舷一侧，给测量***接入电源并打开空气开关28，启动空调33并设置合适温度，打开采集探头中的加热丝43。
(2)***校准与任务规划：对设备进行初始化操作。启动上位机软件，控制舵机，使采集探头垂直对准灰板；利用上位机软件对光谱仪进行校准，并滤出暗噪声；利用上位机软件规划待测海域的测量站点与航行路径，控制舵机，使采集探头垂直对准灰板。
(3)站点光谱数据采集：将测量船按照规划航迹航行到指定站点，待测量船停泊稳定后，启动上位机软件，依据惯导数据、GPS数据得到的船***置信息，利用上位机软件解算出船体与太阳照射方位角和高度角调整参数，控制中空旋转电机，使仪器观测平面与太阳入射平面夹角成135度左右。控制舵机，使采集探头垂直对准灰板；通过控制舵机的空间姿态，使得采集探头依次指向天空、海面和灰板三个不同角度，依次测量天空光向下辐亮度，水体向上辐亮度和灰板向上辐亮度，测量样本容量满足海洋光谱数据测量要求；通过摄像头拍摄不同取样角度时的影视图像，采集到的光谱数据和图像资料保存在制定文件目录下；
(4)水色三要素反演分析：选择上位机软件对采集的高光谱曲线进行处理与分析，获得被测对象的光谱反射率曲线，通过上位机软件对光谱反射率曲线进行反演分析，获得所测站点水色三要素的含量信息，完成该站点的测量；
(5)按照规划航迹航行到下一站点，重复步骤(2)～(4)，直到完成所测海域所有站点的测量，获得该海域水色三要素的分布信息。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，包括机柜，所述机柜顶部安装有方位调整机构、灰板组件和姿态调整机构，所述姿态调整机构上安装有采集探头；所述方位调整机构包括固定于机柜顶部的中空的支撑立柱和安装于支撑立柱顶端的中空旋转电机，所述中空旋转电机的旋转轴连接灰板组件，所述姿态调整机构包括固定于灰板组件上的中空的舵机立柱和安装于舵机立柱顶端的舵机，所述舵机的输出端与所述采集探头连接；所述机柜内部设置工控机、电源、光谱仪、惯导***、电机控制器和舵机控制器，所述电机控制器和舵机控制器分别控制中空旋转电机和舵机，所述采集探头通过采测线缆连接光谱仪。
2.根据权利要求1所述的一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，所述光谱仪包括一台可见光光谱仪和一台近红外光谱仪。
3.根据权利要求1所述的一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，所述机柜的外壳为双层结构，双层结构中间填充隔热材料。
4.根据权利要求1所述的一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，所述机柜侧面安装有空调。
5.根据权利要求1所述的一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，所述机柜顶部设置上吊环，底部设置固定拉环和滚轮。
6.根据权利要求1所述的一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，所述灰板组件包括支撑平台，所述支撑平台上方安装有带凹型腔的灰板下接件，所述灰板下接件上方安装灰板。
7.根据权利要求6所述的一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，所述支撑平台一侧设有向外延伸的圆形限位孔，所述舵机立柱安装于圆形限位孔内。
8.根据权利要求6所述的一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，所述采集探头的采测线缆、以及舵机的控制线缆穿过舵机立柱，经过灰板下接件的凹型腔，与中空旋转电机的控制线缆一起穿过支撑立柱进入机柜内部。
9.根据权利要求1所述的一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，所述采集探头包括镜筒和镜筒盖，所述镜筒内部安装有摄像头和光纤探头，所述镜筒盖上设置透光玻璃，所述透光玻璃内侧贴有加热丝。
10.根据权利要求9所述的一种船载海洋光谱测量***，其特征在于，所述镜筒后端设置水密接头，所述摄像头的数据线、光纤探头的光纤接线，以及加热丝的接线均通过水密接头引出。
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| CN201911212948.2A CN111024623A (zh) | 2019-12-02 | 2019-12-02 | 一种船载海洋光谱测量*** |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111024623A true CN111024623A (zh) | 2020-04-17 |
Family
ID=70203904
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911212948.2A Pending CN111024623A (zh) | 2019-12-02 | 2019-12-02 | 一种船载海洋光谱测量*** |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111024623A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112610844A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-04-06 | 烟台大学 | 一种浮标天线稳定云台结构 |
-
2019
- 2019-12-02 CN CN201911212948.2A patent/CN111024623A/zh active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112610844A (zh) * | 2020-11-18 | 2021-04-06 | 烟台大学 | 一种浮标天线稳定云台结构 |
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