[发明专利]一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及海洋水色三要素的测量系统和方法，特别涉及一种船载自稳式高光谱海洋水色三要素测量系统及测量方法。

背景技术

水体生物光学特性是海洋环境观测与研究的重要指标，水色遥感技术为海洋生物光学特性的研究提供了一种有效的观测手段。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。定点浮标测量系统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。走航式水色三要素测量系统克服了采样时刻与测量时刻之间的延迟，保证了测量结果的时效性，但海况变化对测量结果精度的影响较大。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种船载自稳式高光谱海洋水色三要素测量系统及测量方法，以达到为水色遥感提供准确的校正数据的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统，包括计算机、高光谱仪、RTK测量仪、以及位于测量船护栏上的挂载平台；所述RTK测量仪包括位于测量船舱顶部的RTK天线，所述RTK天线通过调制解调器与计算机相连，所述挂载平台上设有参考板，且安装有三轴电动云台，所述三轴电动云台的固定座上设有光纤探头，所述光纤探头通过高光谱仪与计算机连接，所述三轴电动云台通过伺服驱动器与计算机连接。

上述方案中，所述计算机内的上位机软件包括RTK数据传递模块、数据处理模块、电动云台姿态调整模块、高光谱数据采集模块和水色三要素反演分析模块。

上述方案中，所述RTK天线通过BNC数据线与调制解调器连接，所述调制解调器通过USB数据线与计算机连接。

上述方案中，所述三轴电动云台通过BNC数据线与伺服驱动器连接，所述伺服驱动器通过USB数据线与计算机连接。

上述方案中，所述光纤探头通过单模光纤与高光谱仪连接，接口类型为SMA905，高光谱仪采用交叉式车尔尼-特纳光路结构，所述高光谱仪通过USB数据线与计算机连接。

进一步的技术方案中，所述高光谱仪的波长范围为200～1100nm，光谱分辨率为2.1nm，量化等级为14bit。

进一步的技术方案中，所述RTK测量仪的空间测量精度为5mm，平面定位精度为(2.5+10^-6D)mm。

进一步的技术方案中，所述三轴电动云台姿态调整精度为0.01°，三轴可实现360°旋转。

进一步的技术方案中，所述测量系统适用于三级海况下一类或二类水体。

一种船载自稳式海洋水色三要素测量系统的测量方法，包括如下步骤：

(1)系统校准与任务规划：启动上位机软件，调整三轴电动云台，使光纤探头垂直对准参考板；利用上位机软件对高光谱仪进行校准，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，并在海图上实时显示测量船的地理位置信息与船体随波浪的水平偏转角度；

(2)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，依据RTK测量仪得到的测量船姿态信息，利用上位机软件解算出三轴电动云台的姿态调整参数，通过伺服驱动器实时调整三轴电动云台的位姿，保证光谱数据测量过程中，光纤探头与被测目标之间相对空间位置的稳定性；通过控制光纤探头的空间姿态，依次测量天空光向下辐亮度，参考板向上辐亮度，水体向上辐亮度，测量样本容量满足海洋光谱数据测量要求，将采集到的光谱数据保存在制定文件目录下；

(3)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；

(4)按照规划航迹航行到下一站点，重复步骤(2)和步骤(3)，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。