一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統的製作方法
2023-06-07 14:59:06
本發明屬於自動控制裝備領域，尤其涉及一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統。
背景技術：
高光譜儀海面輻照觀測系統可以通過高光譜測量方法來測定離水輻亮度和下行輻照度，測量的結果可用於計算溶解態有機物、懸浮物及表層葉綠素濃度等多種海洋要素。由於葉綠素是藻類生物量的重要監測指標，所以可利用這些資料來估計浮遊植物的豐度和初級海洋生產力，檢測赤潮等。該設備需要架設在高處，並且觀測平面始終要求與太陽光直射平面保持一定的夾角，當前觀測人員主要是通過人工轉動基座保持觀測平面與太陽直射平面之間的夾角，高頻率的數據觀測、人工轉動轉角的不準確性等問題嚴重阻礙了系統觀測效果，增加了觀測的勞動強度，高效率的自動化觀測設備成為當前急需解決的問題。
技術實現要素：
本發明所要解決的技術問題是針對背景技術的不足提供了一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統。
本發明為解決上述技術問題採用以下技術方案
一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統，包含高光譜儀、太陽自動跟蹤轉盤，所述太陽自動跟蹤轉盤包括時鐘模塊、輸入模塊、穩壓器、電機驅動模塊、轉盤、控制器模塊和供電模塊；所述高光譜儀包含一四象限模塊，所述時鐘模塊、輸入模塊和供電模塊分別和控制器模塊連接，所述控制器模塊依次通過穩壓器、電機驅動模塊、轉盤連接四象限模塊；所述輸入模塊用於輸入緯度參數；所述時鐘模塊用於記錄時間；所述控制器模塊用於根據輸入的緯度參數得到太陽方位角轉換為相應時刻的電機轉動量，進而驅動電機驅動模塊通過轉盤控制四象限模塊；
作為本發明一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統的進一步優選方案：所述穩壓器包含穩壓電源晶片、第一電解電容、第二電解電容、電感、第一電阻、第二電阻和二極體，所述第一電解電容的負極分別連接第一電阻的一端和控制器模塊的輸出端，第一電阻的另一端連接穩壓電源晶片的輸入端，二極體的負極分別連接電感的一端和穩壓電源晶片的輸出端，電感的另一端與第二電阻串聯後分別連接電機驅動模塊的輸入端、第二電解電容的負極，第一電解電容的正極、第二電解電容的正極、穩壓電源晶片的接地端、二極體的正極與地連接。
作為本發明一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統的進一步優選方案：所述供電模塊包含太陽能板、太陽能控制器、蓄電池和繼電器，所述陽能板、太陽能控制器、蓄電池依次連接，所述太陽能控制器通過繼電器連接控制器模塊。
作為本發明一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統的進一步優選方案：所述控制器模塊採用STM32控制器。
作為本發明一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統的進一步優選方案：所述轉盤採用57步進電機轉臺。
作為本發明一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統的進一步優選方案。
本發明採用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：
1.高光譜儀自動海面輻照系統，改善了傳統的不足，通過安裝自動轉盤可以更好的做到海洋探測儀器的智能探測，也能減少海上探測人員上下攀爬的危險。系統輸出的數據不會因為觀測角度的變化而變得不可用。同時自動轉盤實現了觀測平面與太陽入射平面始終保持一定的角度，大大保證了數據的正確性，取消了人工憑藉經驗而轉動觀測臺的不足，完善了高光譜儀的整個系統。
附圖說明
圖1是本發明的高光譜儀與太陽光入射平面；
圖2是本發明的高光譜儀自動輻照儀器四象限模塊安裝示意圖；
圖3是本發明的四象限探測器結構圖；
圖4是本發明的四象限原理圖；
圖5是本發明的整體流程圖；
圖6是本發明轉動平臺的控制系統結構原理圖；
圖7是本發明四象限模塊流程圖；
圖8是本發明穩壓器的電路圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：
圖1是高光譜儀設備與太陽光入射平面，傳感器組成了一個觀測平面，太陽光入射作為另外一個平面，轉盤設計保證太陽入射平面與儀器觀測平面既圖5中的φ始終為 135°，誤差在正負2.5度。
採用四象限跟蹤的原理圖如圖4：圖7是用四象限進行光電跟蹤的流程圖。
黑色矩形為四象限的光敏電阻，圓是太陽經過採光桶後形成的光斑。
本發明整體的結構圖如圖3
因為項目要求與太陽入射光線所在平面成固定夾角，所以只需要用四象限的一個維度，不妨用x軸這個維度，所以只要使太陽光線在四象限上形成的光斑中心在y軸上就行了。也就是要求圖中光線的投影與中心線重合。
由於直接計算太陽光線在x軸維度的偏轉角過於麻煩，再結合項目要求精確度範圍在正負2.5度，此處使用逐次逼近式的對準方法。
市面上的四象限傳感器的輸出參數中有光斑在四象限上產生的y軸左右側光敏電阻上電壓的差值即（VA+VC）—(VB+VD)。
具體實施步驟為：
如果檢測到電壓差值則控制轉臺旋轉1度，再次檢測，如果不符合要求，再轉1度，直到電壓差值為零或符號與初始相反，則停止檢測與旋轉。此時滿足與太陽入射光線所在平面夾角固定且滿足精確度要求。
如何用單片機控制：
將四象限模塊的輸出口連在單片機的埠上，利用單片機的定時器中斷功能，每隔一段固定時間，就檢測一次。
圖2是整個系統的安裝示意圖。通過將高光譜儀安裝在轉盤上可以實現海面輻照系統的自主轉動，不再僅僅依賴人工的手工轉動，確保了實驗的準確性。黑色矩形為四象限採光桶與四象限側視圖，為了防水，採光孔使用玻璃透光而非直接透光。
黑色豎立矩形為支架，黑色方塊為已有轉臺，黑色箭頭為太陽光線，
57步進轉臺，採用的是蝸輪蝸杆減速比是180:1。夠很好的滿足精度的要求。轉盤上標出鮮明的刻度數據，可以設定開始時的數據，幫助別人計算在一定的時間內整個系統的轉動的度數。
圖6是轉動平臺的控制圖，其中不包括高光譜儀的框架圖。轉動控制平臺依賴步進電機轉動，實現了脈衝信號的轉化。由太陽軌道運行算法計算出有多少個脈衝，一個脈衝信號電機轉動1.8°，以上兩者相乘既得出電機轉動的角度。再經過光電模塊的校準，得出電動機高精度調整的轉動角度。
圖5是程序流程圖。程序一開始就對所有器件進行初始化，包括時間模塊、輸入模塊、電機驅動器埠配置。然後通過手動輸入當地的緯度信息，如果不輸入，則一直停止。輸入之後，開啟I2C總線傳輸，啟動信號獲取時間常數，對時間常數做一定的處理，由於時鐘模塊輸出的是十六進位，對其作進位轉換。太陽軌道模擬算法進行計算，得出電機轉動量，電機轉動量減去上次的電機轉動量既是本次轉動量。再經過光電模塊校準，得到高精度跟蹤。
圖8是本發明穩壓器的電路圖，所述穩壓器包含穩壓電源晶片、第一電解電容、第二電解電容、電感、第一電阻、第二電阻和二極體，所述第一電解電容的負極分別連接第一電阻的一端和控制器模塊的輸出端，第一電阻的另一端連接穩壓電源晶片的輸入端，二極體的負極分別連接電感的一端和穩壓電源晶片的輸出端，電感的另一端與第二電阻串聯後分別連接電機驅動模塊的輸入端、第二電解電容的負極，第一電解電容的正極、第二電解電容的正極、穩壓電源晶片的接地端、二極體的正極與地連接。
圖6是本發明海氣高光譜輻射自動觀測控制系統結構原理圖；一種基於定位法的海氣高光譜輻射自動觀測系統，包含高光譜儀、太陽自動跟蹤轉盤，所述太陽自動跟蹤轉盤包括時鐘模塊、輸入模塊、電機驅動模塊、轉盤、控制器模塊和供電模塊；所述高光譜儀包含一四象限模塊，所述時鐘模塊、輸入模塊和供電模塊分別和控制器模塊連接，所述控制器模塊依次通過電機驅動模塊、轉盤連接四象限模塊；所述輸入模塊用於輸入緯度參數；所述時鐘模塊用於記錄時間；所述控制器模塊用於根據輸入的緯度參數得到太陽方位角轉換為相應時刻的電機轉動量，進而驅動電機驅動模塊通過轉盤控制四象限模塊；所述供電模塊包含太陽能板、太陽能控制器、蓄電池和繼電器，所述陽能板、太陽能控制器、蓄電池依次連接，所述太陽能控制器通過繼電器連接控制器模塊，所述控制器模塊採用STM32控制器，所述轉盤採用57步進電機轉臺。
綜上所述，高光譜儀自動海面輻照系統，改善了傳統的不足，通過安裝自動轉盤可以更好的做到海洋探測儀器的智能探測，也能減少海上探測人員上下攀爬的危險。系統輸出的數據不會因為觀測角度的變化而變得不可用。同時自動轉盤實現了觀測平面與太陽入射平面始終保持一定的角度，大大保證了數據的正確性，取消了人工憑藉經驗而轉動觀測臺的不足，完善了高光譜儀的整個系統。