一种测量海上白冠生成至消退的反射率变化的测量装置及其测量方法

摘要

本发明涉及海洋监测领域，一种测量海上白冠生成至消退的反射率变化的测量装置及其测量方法，包括支架和设置在支架上的海面白冠上行辐亮度测量装置，在所述支架上还设置有数据采集装置、太阳光下行辐射测量装置、视频数据采集装置，通过海面白冠上行辐亮度测量装置获取海面白冠生成至消退过程中白浪的上行辐射能量的光谱值Lu，通过太阳光下行辐射测量装置获取太阳下行辐射照度值Es，并定义R为白冠反射率，R=Lu/Es。本发明可以简单而有效地获得海面白冠生成至消退的反射率变化特性，并可消除天空光变化所带来的影响，实现了自动化的方法来收集测量到数据，便于数据的统计和处理，且装置搭载的平台要求简单，可适用于复杂海况。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋监测领域，尤其涉及一种海面上白浪从生成、逐渐变化到最大、然后逐步减小直至消退过程中反射率变化的测量装置和测量方法。 

背景技术

海表面在风的连续作用下产生波浪，波浪逐渐成长，波动的非线性越来越强，当风速达到某一临界值时，波浪便破碎并在波峰处产生大量的水沫和水滴，在波动水体内部和表面产生大量的气泡．这种在波面上清晰可见的白色水体就是所谓的白冠，它是空气和海水湍混合的结果。 

海洋白冠与海洋遥感的发展有着密切的关系。在应用可见光波段的卫星数据进行海洋信息提取过程中, 由于水体的低反照率特性, 具有高反射特性的白冠对从光学遥感数据定量提取海洋水色要素( 诸如叶绿素浓度, 悬浮物浓度等) 产生强烈的干扰效应。据估计白冠的存在对北大西洋的冬季海面月平均反照率的影响约为15 %。因此，海洋遥感反射率的研究需要剔除白冠高反射率特性所带来的噪声信号，这就需要测量海上白冠生成至消退的反射率变化特性。 

白冠是随波浪在流动中变化的，从而使得无法准确地将测量工具对准待测白冠；另外，白冠反射的能量值还依赖于太阳入射光强的变化，为了获得海上白冠生成至消退的反射率变化特性，需要同步测量太阳入射光强的变化。目前，并没有专用的商业仪器用于定点测量海上白冠生成至消退的反射率变化的装置，即使对某些仪器的改进，也无法完美地解决以上所遇到的问题。 

发明内容

有鉴于此，本发明旨在公开一种测量海上白冠生成至消退的反射率变化的装置和测量方法。    

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种海上白冠生成至消退的反射率变化的测量装置，包括支架和设置在支架上的海面白冠上行辐亮度测量装置，还包括数据采集装置，在所述支架上还设置有太阳光下行辐射测量装置、视频数据采集装置，视频数据采集装置内设有摄像头，以捕捉图像数据，所述数据采集装置分别与所述太阳光下行辐射测量装置、海面白冠上行辐亮度测量装置、以及视频数据采集装置连接，所述支架用于固定海面白冠上行辐亮度测量装置、太阳光下行辐射测量装置、视频数据采集装置，所述海面白冠上行辐亮度测量装置用于测量海面白冠生成直至消退过程中白浪的上行辐射能量，另外由于所述海面白冠上行辐亮度测量装置和视频数据采集装置的探测方向朝下，并设有相同的探测中心点，便于所述视频数据采集装置和海面白冠上行辐亮度测量装置观测同一个位置，可以在特定的一个范围内采集海面图像变化用于视觉上判定白冠的生成直至消退，为分析海面白冠上行辐亮度数据提供视图参数，由于所述太阳光下行辐射测量装置的探测方向朝上，因此太阳光下行辐射测量装置用于测量太阳的下行辐射Es值，目的是为了在白冠观测的过程中，消除太阳辐射变化对白浪反射能量所带来的影响，数据采集装置可接收来自海面白冠上行辐亮度测量装置、太阳光下行辐射测量装置、视频数据采集装置等所采集的数据，并进行识别、计算和处理。

本发明一种海上白冠生成至消退的反射率变化的测量装置的操作方法如下：伸出载体的海面白冠上行辐亮度探头和摄像头垂直向下对准海面，太阳辐照度探头垂直向上，海面受到风场和流等因素的影响而产生波浪，波浪以及波浪破碎所产生的白冠以一定的速度流过探头下面，利用海面白冠上行辐亮度探头测量海面获得Lu值，Lu值的波长范围为400nm至850nm，Lu的值会随着波浪的流动而变化（包括无白冠的值、白冠产生、生长到最大、然后减小、直至消退），太阳光下行辐射照度的变化将影响Lu值的变化，因此利用太阳光下行辐射探头测量下行辐射照度Es值，然后定义R为白浪反射率，R=Lu/Es，数据采集器的采样时间间隔为40 ms,因此R的采样频率为1/(40ms)，相对于下面海浪的流速，海面反射率R的采样频率是比较高的，利用摄像头的资料寻找白冠产生和消退的时间t1和t2，并在时间区间（t1，t2）内寻找白浪反射率R，从而获得海面白冠生成至消退的反射率R的变化特性。 

进一步地，所述数据采集装置为工业式嵌入式计算机和光谱仪，所述光谱仪分别与所述太阳下行辐射测量装置和海面白冠上行辐亮度测量装置的信号输出端连接，并采集由所述太阳下行辐射测量装置和海面白冠上行辐亮度测量装置的光信息，经处理后传送到所述计算机进行处理和存储，所述数据采集装置采用预设计的软件对数据进行采集及存储。 

进一步地，所述海面白冠上行辐亮度测量装置包括第一探头、光纤管和密封管，光纤管设置在所述密封管内，可起到防水作用，所述光纤管两端分别连接所述第一探头与所述数据采集装置，当第一探头的光纤部分受到光照辐射后通过光纤管将光信号传输到光谱仪进行识别处理。 

进一步地，所述太阳光下行辐射测量装置包括第二探头、光纤管和密封管，光纤管设置在所述密封管内，可起到防水作用，所述光纤管两端分别连接所述第二探头与所述数据采集装置，所述第二探头内设有余弦集光器，当第二探头的光纤部分受到光照辐射后通过光纤管将光信号传输到光谱仪进行识别处理。 

优选地，为了减少探头对光场的影响，探头的体积应该偏小，因此，所述第一、第二探头的直径介于2~5cm之间。 

进一步地，由于本测量装置的目标物为海面上的白冠，所以测量装置一般是固定于载体上（船体上或者是浮标体上），这两种载体会受到波浪的影响而产生摆动，为了减少测量装置的摆动，并使各个测量装置的探头尽量地保持垂直于海面，所述支架上设有横向设置的横杆、第一连接架，以及第二连接架，所述横杆与第一连接架铰接，其铰接轴方向与横杆轴线方向相同，所述第二连接架铰接在第一连接架上，其铰接轴为横向设置，所述海面白冠上行辐亮度测量装置、太阳光下行辐射测量装置、视频数据采集装置均固定在第二连接架上，即使载体在海面不定向地摆动，海面白冠上行辐亮度测量装置、太阳光下行辐射测量装置、视频数据采集装置也可以利用自身的重力使得探测方向始终垂直于海面，保证测量的准确性。 

优选地，所述第一连接架的一端设有连杆，连杆的一端连接有轴承组件，所述轴承组件的另一端连接在所述横杆末端，轴承组件的轴线与连杆轴线、横杆轴线处在同一方向上，所述第二连接架两端分别设有第一轴承和第二轴承，第二连接架通过两端的轴承铰接在所述第一连接架上，所述海面白冠上行辐亮度测量装置和视频数据采集装置设置在第二连接架的下部，所述太阳光下行辐射测量装置设置在第二连接架的上部，因此第一连接架以及与第一连接架连接的第二连接架可以绕横杆转动，同时第二连接架又可以绕第一连接架转动，进而促使海面白冠上行辐亮度测量装置、太阳光下行辐射测量装置、视频数据采集装置利用自身的重力使得探测方向始终垂直于海面。 

可选地，所述轴承组件包括连接轴，所述连接轴两端分别设有第三轴承和第四轴承，第三轴承与所述连杆连接，第四轴承与所述横杆连接，因此使得第一连接架可以绕横杆转动。 

优选地，所述横杆在远离第一连接架的一端设有固定件，支架可以通过固定件连接在载体上（船体上或者是浮标体上），另外，由于固定仪器的载体如船体或浮标的存在，会影响波浪的传播，因此测量的探头需要离开载体一段距离，横杆必需从支架上延伸出去，减少测量的误差，故所述横杆的长度 ≥7m，同时，可以通过调整横杆距离载体的距离，即横杆的长度，以适应复杂海况。 

本发明一种海上白冠生成至消退的反射率变化的测量装置的测量方法，包括以下步骤： 

步骤1：利用所述海面白冠上行辐亮度测量装置测量海面白冠生成至消退过程中白浪的上行辐射能量值数据，获取光谱值Lu，Lu的波长范围为400nm至850nm，Lu的值会随着波浪的流动而变化（包括无白冠的值、白冠产生、生长到最大、然后减小、直至消退）；

步骤2：由于太阳光下行辐射照度的变化将影响Lu的变化，一般情况下，天空光下行辐射照度的增强会导致Lu的增大，天空光下行辐射照度的减弱会导致Lu的减小，因此需要利用所述太阳光下行辐射测量装置测量太阳的下行辐射强度数据，获取太阳下行辐射照度值Es；

步骤3：承接步骤2，然后定义R为白冠反射率，R=Lu/Es，达到扣除天空光变化所带来的影响；

步骤4：另外，数据采集装置的采样时间间隔为40 ms，数据采集装置以高于1/(40ms)的采样频率采集白冠反射率R，相对于海浪的流速，该采样频率较高，能够更加精确地在曲线图中反映出白冠的变化情况；

步骤5：视频数据采集装置的采样与海面白冠上行辐亮度测量装置探头、天空光下行辐射测量装置探头在时间上同步，利用视频数据采集装置采集海上白冠的变化图像，从图像中寻找每一次白冠产生至消退的片段，并定义该片段开始和结束的时间区间为（t1，t2），然后依据采样时间t1和t2寻找Lu和Es所对应的数据，将数据代入公式R=Lu/Es，获得海面反射率R1和R2作为白冠产生和消退所对应的覆盖率，结合介于R1和R2中间的反射率数据，最终获得海面白冠生成至消退的反射率变化特性，即在时间区间（t1，t2）内对步骤4所获得的R值进行采样，获得在时间区间（t1，t2）内白冠反射率R的变化特性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：数据采集装置分别与所述太阳光下行辐射测量装置、海面白冠上行辐亮度测量装置、以及视频数据采集装置连接，实现了自动化的方法来收集测量到数据，便于数据的统计和处理；添加太阳光下行辐射测量装置测量太阳下行辐射照度，实现消除天空光变化所带来的影响；海面白冠反射率R波段范围覆盖了整个可见光区间（400nm至850nm）并具有高光谱特性；测量方法简单，并有效获得海面白冠生成至消退的反射率变化特性；装置搭载的平台要求简单，观测点离海面距离低，可适用于复杂海况。 

附图说明

图1为本发明测量装置在船体上的装载示意图。 

图2为本发明海面白冠上行辐亮度测量装置的结构示意图。 

图3为本发明太阳光下行辐射测量装置的结构示意图。 

图4为本发明支架总装图的俯视图。 

图5为本发明支架总装图的正视图。 

图6为本发明支架总装图的正视图。 

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。 

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。 

此外，若有“第一”、“第二”等术语，仅用于描述目的，而不能理解为指示或者暗示相对重要性，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。 

如图1所示一种海上白冠生成至消退的反射率变化的测量装置，包括支架1，支架1的左端固定在船上，支架1的上方连接有太阳光下行辐射测量装置4，太阳光下行辐射测量装置4的探测方向朝上，在支架1的右端分别连接有相隔一定距离的海面白冠上行辐亮度测量装置2和视频摄像头5，海面白冠上行辐亮度测量装置2和视频摄像头5设有相同的探测中心点并且探测方向朝下，在支架1上还设有数据采集装置（3），数据采集装置内设有工业式嵌入式计算机和光谱仪（图中均未画出），光谱仪分别与所述太阳光下行辐射测量装置4和海面白冠上行辐亮度测量装置2的信号输出端连接，并采集由所述太阳光下行辐射测量装置4和海面白冠上行辐亮度测量装置2的光信息，经处理后传送到所述计算机进行处理和存储，所述数据采集装置采用预设计的软件对数据进行采集及存储，嵌入式计算机连接视频摄像头5，并接收来自视频摄像头5的图像数据。 

如图2所示，海面白冠上行辐亮度测量装置2包括第一探头21、第一光纤管22和第一密封管23，第一光纤管22设置在所述第一密封管23内，所述第一光纤管22两端分别连接所述第一探头21与所述数据采集装置，所述第一探头21由窗口玻璃、光阑、光纤组成（图中均未标出），海面白冠上行辐亮度测量装置2测量海面上行辐亮度Lu值，第一探头21的视场角为5度，第一探头21直径为3.5cm，并具备20m水压的防水特性，第一探头21的光透过窗体采用石英玻璃为材料，整个探头除窗体外，全部镀为黑色，以减少探头对待测量光场的干扰。 

如图3所示，所述太阳光下行辐射测量装置4包括第二探头41、第二光纤管42和第二密封管43，第二光纤管42设置在所述第二密封管内43，第二光纤管42两端分别连接所述第二探头41与所述数据采集装置3，所述第二探头41由余弦集光器、防水耐压玻璃、光纤组成（图中均未标出），第二探头41具备水密的特性，水密大于5米的水压。第二探头41的直径为3.5cm，可减少对光场的影响。

视频数据采集装置5由摄像头、数据线、预设长度的密封管组成，数据线用于连接摄像头和数据采集装置，数据线安装于所述密封管内，整个视频数据采集装置5具有水密的特性，所述视频数据采集装置5和海面白冠上行辐亮度测量装置2观测同一个位置，采集海面图像变化用于视觉上判定白冠的生成直至消退，为分析海面白冠上行辐亮度数据提供视图参数。 

如图4~6所示，所述支架1的主体为L形杆，L形杆分为横杆11和竖杆，竖杆上设有固定件14，本实施例中，固定件14为固定螺丝，支架1可以通过固定螺丝固定在船上，横杆11横向设置（即水平设置），其长度 ≥7m，并且左端连接于竖杆，右端连接有第一轴承123的外圈，第一轴承123的内圈连接有连接轴1221，连接轴1221的另一端连接在一个第二轴承124的内圈，第二轴承124的右侧设有第一连接架12，第一连接架12的左端伸出有一段连杆121，连杆121的连接在第二轴承124的外圈上。在第一连接架12的内侧设有第二连接架13，第二连接架13两端分别设有第三轴承1222和第四轴承1223，第二连接架13通过两端的轴承铰接在所述第一连接架12的两个内侧，第二连接架13的下端设有一支承杆，支承杆的两端分别固定连接所述海面白冠上行辐亮度测量装置2和视频摄像头5，在第二连接架13的上端固定连接有太阳光下行辐射测量装置4。 

本发明一种海上白冠生成至消退的反射率变化的测量装置的操作方法如下：伸出载体的海面白冠上行辐亮度测量装置2和视频摄像头5垂直向下对准海面，太阳光下行辐射测量装置4垂直向上，海面所受到风场和流等因素的影响而产生波浪，波浪以及波浪破碎所产生的白冠以一定的速度流过探头下面，利用海面白冠上行辐亮度测量装置2测量海面获得Lu值，Lu值的波长范围为400nm至850nm，Lu的值会随着波浪的流动而变化（包括无白冠的值、白冠产生、生长到最大、然后减小、直至消退），太阳光下行辐射照度的变化将影响Lu值的变化，因此利用太阳光下行辐射测量装置4测量下行辐射照度Es值，然后定义R为白浪反射率，R=Lu/Es，数据采集装置3的采样时间间隔为40 ms,因此R的采样频率为1/(40ms)，相对于下面海浪的流速，海面反射率R的采样频率是较高的，利用视频摄像头5的图像资料寻找白冠产生和消退的时间t1和t2，并在时间区间（t1，t2）内寻找白浪反射率R，从而获得海面白冠生成至消退的反射率R的变化特性。 

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。