海冰高光譜輻射測量控制系統及其控制方法
2023-04-28 05:59:06 1
專利名稱：海冰高光譜輻射測量控制系統及其控制方法
技術領域：
本發明涉及一種光譜輻射測量控制系統及其控制方法，尤其涉及一種極端低溫環
境下的海冰高光譜輻射測量控制系統及其控制方法。
背景技術：
海冰光學特性對全球氣候變化和海洋生物具有重大的影響，現有大部分光學輻射 量測量設備是基於陸地上或實驗室而設計的。 一般光學設備只有一路探頭，在野外工作時 以太陽光EJA)作為光源，由於太陽光隨時在變化，從而會引起測量誤差。同時陸用光學
設備不具備水下測量Ew( A )所需要的水密功能，此時冰或水的透過率^(A) = ^TV不
適用測量水下或冰下光輻射。 現有的光譜輻射測量系統，要麼不能實現多個通道的同時測量，要麼不能適應在 野外極端低溫的環境下穩定工作。
發明內容
針對現有技術的缺點，本發明的目的是提供一種能實現多個通道的同時測量且能
適應在野外極端低溫的環境下穩定工作的海冰高光譜輻射測量控制系統。
為實現上述目的，本發明的技術方案為一種海冰高光譜輻射測量控制系統，其包
括保溫箱體、設於箱體內的多個CCD傳感器及CPU主板； 多個CCD傳感器，分別採集來自外界多個傳感器探頭的傳感信號，並調整積分時 間，對傳感信號進行積分轉換成數位訊號； CPU主板，接收CCD傳感器的數位訊號並進行保存處理，並根據傳感信號的強弱實 時調整CCD傳感器採集傳感信號的最佳積分時間。 CPU主板通過傳感信號的碼值決定CCD傳感器採集傳感信號的積分時間。 所述多個傳感器探頭分別為用於測量天空下行輻照度的第一輻照度探頭、用於測
量冰面反射輻照度的第二輻照度探頭和用於測量通過冰層的輻照度的第三輻照度探頭；第
一輻照度探頭設於垂直太陽光支架上並且探頭垂直向上，第二輻照度探頭設於雙向反照率
支架上，位於冰面上方，探頭方向垂直向下；所述第三輻照度探頭設於冰下支架，採取防水
密封結構並垂直於冰層，探頭方向向上並緊貼於冰層。 該箱體內還包括複合功能板，該複合功能板包括用於保持箱體內溫度的加溫裝 置、探測箱內溫度的溫度探頭。該CPU主板為一低功耗的嵌入式主板。
—種海冰高光譜輻射測量控制系統的控制方法，其包括以下步驟
(1)通過多個傳感器探頭探測外界的多個傳感信號； (2)利用多個CCD傳感器分別採集多個傳感器探頭的傳感信號，並調整積分時間， 對傳感信號進行積分轉換成數位訊號； (3)採用CPU主板接收CCD傳感器的數位訊號並進行保存處理，並根據傳感信號的強弱實時調整CCD傳感器採集傳感信號的最佳積分時間。 所述多個傳感器探頭分別為用於測量天空下行輻照度的第一輻照度探頭、用於測
量冰面反射輻照度的第二輻照度探頭和用於測量通過冰層的輻照度的第三輻照度探頭；第
一輻照度探頭設於垂直太陽光支架上並且探頭垂直向上，第二輻照度探頭設於雙向反照率
支架上，位於冰面上方，探頭方向垂直向下；所述第三輻照度探頭設於冰下支架，採取防水
密封結構並垂直於冰層，探頭方向向上並緊貼於冰層。 根據傳感信號的碼值與積分時間成線性關係 DN = KXt+B (1) 其中DN為碼值，t為積分時間，K、B分別為線性關係的斜率和截距，設CCD傳感器 採集傳感信號的波長範圍[a， b]，此波段共有2048個像素，將此波段分為2048個等分，數字 信號碼值範圍為0 16500，對傳感信號進行數據採集，三個傳感信號各自採集2048個數 TD1
TD1 [2047] 、 TD2
TD2 [2047]和TD3
TD3 [2047] ， TD [n]代表第n段上 的碼值； 找出這三個傳感信號數據的最大值TDl[nl]max、 TD2[n2]max和TD3[n3]max。判 斷這三個最大值是否超過15000，如果超過，則將對應傳感信號的積分時間t設為之前的 一半，然後再進行測量，找出其中的最大值用於判斷，循環這個操作，直至三個傳感信號所 測量的最大碼值均小於15000，程序記錄下三個傳感信號的最大碼值TD1 [nl]max、 TD2[n2] max和TD3[n3]max，及對應的積分時間Tl、 T2和T3 ; 接下來將三個傳感信號的積分時間t設定為3ms進行測量，在所測量的值中找出 三個傳感信號數組序號nl 、n2和n3所對應的碼值TD13ms [nl] 、TD23ms [n2]和TD33ms [n3]。 將以上兩組數據代入方程(1)得
TDl[nl]max = ^XT1+BJ2)
TDl3ms[nl] = ^X3+Bj3) 通過解由(2)和(3)所組成的方程組即可以得出第一傳感信號線性關係的斜率I^ 和截距同樣的方法可以得到第二傳感信號與第三傳感信號的斜率和截距。
設定碼值TD1 = 1650(^90X，根據已知的斜率Ki和截距Bi代入方程(l)，即可以 求出對應外界環境的第一傳感信號積分時間Tl :
t， 16500*90% —A n =-^-
A (4)。 與現有技術相比，本發明具有如下優勢 本發明解決了低溫工作的難題，實現了系統在野外極端低溫的環境下穩定工作。 系統各個通道的積分時間可以智能設定，實現了數據採集時積分時間設定的最優化和自動 化。
圖1為本發明的工作流程示意圖；
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明進行詳細的描述。
如圖1所示，一種海冰高光譜輻射測量控制系統，其包括保溫箱體、設於箱體內的 多個CCD傳感器及CPU主板； 多個CCD傳感器，分別採集來自外界多個傳感器探頭的傳感信號，並調整積分時 間，對傳感信號進行積分轉換成數位訊號； CPU主板，接收CCD傳感器的數位訊號並進行保存處理，並根據傳感信號的強弱實 時調整CCD傳感器採集傳感信號的最佳積分時間。 CPU主板通過傳感信號的碼值決定CCD傳感器採集傳感信號的積分時間。
本實施例中，該CPU主板為一低功耗的嵌入式主板。 上述傳感信號也即為光信號，由於CCD傳感器在光線(光強)較弱的情況下，曝光 時間需要大一些，相反，光線(光強)較強的情況下，曝光時間需要小一些。CCD傳感器在當 光子入射到器件上，能量達到一定程度時，將會激發器件產生電流，CCD傳感器將電流信號 轉換成圖像。因此入射光子的能量必需達到一定的強度才能驅動一定量電流的產生。當外 界光強恆定的情況下，積分時間較長時，入射的光子將會多一些，積分時間較小時，入射的 光子相對也較少。而極低進行光譜測量時，光強及其光線角度處於不斷變化，為使控制系統 能得到精確的測量值，必須CCD傳感器的積分時間進行隨時調整。 所述多個傳感器探頭分別為用於測量天空下行輻照度的第一輻照度探頭、用於測 量冰面反射輻照度的第二輻照度探頭和用於測量通過冰層的輻照度的第三輻照度探頭；第 一輻照度探頭設於垂直太陽光支架上並且探頭垂直向上，第二輻照度探頭設於雙向反照率 支架上，位於冰面上方，探頭方向垂直向下；所述第三輻照度探頭設於冰下支架，採取防水 密封結構並垂直於冰層，探頭方向向上並緊貼於冰層。 該箱體內還包括複合功能板，該複合功能板包括用於保持箱體內溫度的加溫裝
置、探測箱內溫度的溫度探頭。溫度探頭檢測箱內溫度是否大於ot:，是的話則停止加溫裝
置進行加溫，否的話則繼續加溫，直至箱內溫度大於0°C 。
本實施例中，加溫裝置為加熱電絲。 如圖1所示，一種海冰高光譜輻射測量控制系統的控制方法，其包括以下步驟
(1)通過多個傳感器探頭探測外界的多個傳感信號； (2) CPU主板及CCD傳感器上電，進行自檢，發現是否有誤，有的話則報警，並進行 維護；沒有的話，則利用多個CCD傳感器分別採集多個傳感器探頭的傳感信號，並調整積分 時間，對傳感信號進行積分轉換成數位訊號； (3)採用CPU主板接收CCD傳感器的數位訊號並進行保存處理，同時啟動同步採數 時序，根據傳感信號的強弱實時調整CCD傳感器採集傳感信號的最佳積分時間，在繼續重 復下一幀的採集及調整，直至測量結束。 所述多個傳感器探頭分別為用於測量天空下行輻照度的第一輻照度探頭、用於測 量冰面反射輻照度的第二輻照度探頭和用於測量通過冰層的輻照度的第三輻照度探頭；第 一輻照度探頭設於垂直太陽光支架上並且探頭垂直向上，第二輻照度探頭設於雙向反照率 支架上，位於冰面上方，探頭方向垂直向下；所述第三輻照度探頭設於冰下支架，採取防水 密封結構並垂直於冰層，探頭方向向上並緊貼於冰層。 CPU主板採集溫度數據、探頭角度數及各路光強信號，實時調整CCD傳感器採集傳 感信號的最佳積分時間。
根據傳感信號的碼值與積分時間成線性關係
DN = KXt+B (1) 其中DN為碼值，t為積分時間，K、B分別為線性關係的斜率和截距，設CCD傳感器 採集傳感信號的波長範圍[a， b]，此波段共有2048個像素，將此波段分為2048個等分，數 字信號碼值範圍為0 16500，對傳感信號進行數據採集，三個傳感信號各自採集2048個 數TDl
TD1 [2047] 、TD2
TD2 [2047]和TD3
TD3 [2047] ， TD [n]代表第n段 上的碼值；碼值是指模擬信號轉換成數位訊號的值，即A/D轉換值。用以描述CCD傳感器所 接收到光強大小的量。CCD測量較強的光強時，顯示的碼值相對較大。CCD測量較弱的光強 時，顯示的碼值相對較小。 找出這三個傳感信號數據的最大值TDl[nl]max、 TD2[n2]max和TD3[n3]max。判 斷這三個最大值是否超過15000，如果超過，則將對應傳感信號的積分時間t設為之前的一 半；當然也可以設定為其它的倍數，但倍數的範圍必需為0到l，設定為之前積分時間的一 半是為實現程序的數學優化，實現程序運行時間最小。然後再進行測量，找出其中的最大值 用於判斷，循環這個操作，直至三個傳感信號所測量的最大碼值均小於15000，程序記錄下 三個傳感信號的最大碼值TDl[nl]max、 TD2[n2]max和TD3 [n3]max，及對應的積分時間Tl、 T2禾口 T3 ; 接下來將三個傳感信號的積分時間t設定為3ms進行測量，在所測量的值中找出 三個傳感信號數組序號nl 、n2和n3所對應的碼值TD13ms [nl] 、TD23ms [n2]和TD33ms [n3]。 將以上兩組數據代入方程(1)得
TDl[nlL = ^XT1+BJ2)
TDl3ms[nl] = K丄X3+Bi(3) 通過解由(2)和(3)所組成的方程組即可以得出第一傳感信號線性關係的斜率I^
和截距B"同樣的方法可以得到第二傳感信號與第三傳感信號的斜率和截距。 設定碼值TD1 = 1650(^90X，根據已知的斜率Ki和截距Bi代入方程(l)，即可以
求出對應外界環境的第一傳感信號積分時間Tl :
^ 16500*90% —A
71 =-^-L
& (4)。
CCD能顯示的碼值範圍為0到16500，當入射的光強太大時，將會超過16500，因出 現飽和。當出現飽和時，CCD的碼值均顯示為16500，因此用碼值16500來作為碼值飽和的 分界線顯然是不實際的，所以在本發明中，採用15000(既16500*90% )作為碼值飽和的分 界線。 找出適當的積分時間，可以用此積分時間來設定CCD進行測量，以達到CCD所測量 到的碼值介於總量程(16500)的2/3左右，以使CCD自身的噪聲減少到最小，同時也使得測 量的外界光強的碼值達到最優。如自動設定相機曝光時間。
權利要求
一種海冰高光譜輻射測量控制系統，其特徵在於，包括保溫箱體、設於箱體內的多個CCD傳感器及CPU主板；多個CCD傳感器，分別採集來自外界多個傳感器探頭的傳感信號，並調整積分時間，對傳感信號進行積分轉換成數位訊號；CPU主板，接收CCD傳感器的數位訊號並進行保存處理，並根據傳感信號的強弱實時調整CCD傳感器採集傳感信號的最佳積分時間。
2. 根據權利要求1所述的海冰高光譜輻射測量控制系統，其特徵在於，CPU主板通過傳 感信號的碼值決定CCD傳感器採集傳感信號的積分時間。
3. 根據權利要求2所述的海冰高光譜輻射測量控制系統，其特徵在於，所述多個傳感 器探頭分別為用於測量天空下行輻照度的第一輻照度探頭、用於測量冰面反射輻照度的第 二輻照度探頭和用於測量通過冰層的輻照度的第三輻照度探頭；第一輻照度探頭設於垂直 太陽光支架上並且探頭垂直向上，第二輻照度探頭設於雙向反照率支架上，位於冰面上方， 探頭方向垂直向下；所述第三輻照度探頭設於冰下支架，採取防水密封結構並垂直於冰層， 探頭方向向上並緊貼於冰層。
4. 根據權利要求1所述的海冰高光譜輻射測量控制系統，其特徵在於，該箱體內還包 括複合功能板，該複合功能板包括用於保持箱體內溫度的加溫裝置、探測箱內溫度的溫度 探頭。
5. 根據權利要求1所述的海冰高光譜輻射測量控制系統，其特徵在於，該CPU主板為一 低功耗的嵌入式主板。
6. —種海冰高光譜輻射測量控制系統的控制方法，其特徵在於，包括以下步驟(1) 通過多個傳感器探頭探測外界的多個傳感信號；(2) 利用多個CCD傳感器分別採集多個傳感器探頭的傳感信號，並調整積分時間，對傳 感信號進行積分轉換成數位訊號；(3) 採用CPU主板接收CCD傳感器的數位訊號並進行保存處理，並根據傳感信號的強弱 實時調整CCD傳感器採集傳感信號的最佳積分時間。
7. 根據權利要求6所述的控制方法，其特徵在於，所述多個傳感器探頭分別為用於測 量天空下行輻照度的第一輻照度探頭、用於測量冰面反射輻照度的第二輻照度探頭和用於 測量通過冰層的輻照度的第三輻照度探頭；第一輻照度探頭設於垂直太陽光支架上並且探 頭垂直向上，第二輻照度探頭設於雙向反照率支架上，位於冰面上方，探頭方向垂直向下； 所述第三輻照度探頭設於冰下支架，採取防水密封結構並垂直於冰層，探頭方向向上並緊 貼於冰層。
8. 根據權利要求7所述的控制方法，其特徵在於，根據傳感信號的碼值與積分時間成 線性關係DN = KXt+B (1)其中DN為碼值，t為積分時間，K、B分別為線性關係的斜率和截距，設CCD傳感器採 集傳感信號的波長範圍[a， b]，此波段共有2048個像素，將此波段分為2048個等分，數字 信號碼值範圍為0 16500，對傳感信號進行數據採集，三個傳感信號各自採集2048個數 TD1
TD1 [2047] 、 TD2
TD2 [2047]和TD3
TD3 [2047] ， TD [n]代表第n段上 的碼值；找出這三個傳感信號數據的最大值TDl[nl]max、 TD2 [n2]max和TD3 [n3]max。判斷這 三個最大值是否超過15000，如果超過，則將對應傳感信號的積分時間t設為之前的一半， 然後再進行測量，找出其中的最大值用於判斷，循環這個操作，直至三個傳感信號所測量的 最大碼值均小於15000，程序記錄下三個傳感信號的最大碼值TDl[nl]max、 TD2[n2]max和 TD3[n3]max，及對應的積分時間T1、T2和T3 ;接下來將三個傳感信號的積分時間t設定為3ms進行測量，在所測量的值中找出三個 傳感信號數組序號nl、n2和n3所對應的碼值TD13ms[nl] 、TD23ms[n2]和TD33ms[n3]。將 以上兩組數據代入方程(1)得TDl[nl]max = KiXTl+Bi (2)TDl3ms[nl] = K丄X3+Bi (3)通過解由(2)和(3)所組成的方程組即可以得出第一傳感信號線性關係的斜率&和 截距B"同樣的方法可以得到第二傳感信號與第三傳感信號的斜率和截距。設定碼值TD1 = 1650(^90X，根據已知的斜率Ki和截距B工代入方程(l)，即可以求出 對應外界環境的第一傳感信號積分時間Tl : ^ 16500* 90%-A& (4)。
全文摘要
本發明公開了一種海冰高光譜輻射測量控制系統及其控制方法，該控制系統包括保溫箱體、設於箱體內的多個CCD傳感器及CPU主板；多個CCD傳感器，分別採集來自外界多個傳感器探頭的傳感信號，並調整積分時間，對傳感信號進行積分轉換成數位訊號；CPU主板，接收CCD傳感器的數位訊號並進行保存處理，並根據傳感信號的強弱實時調整CCD傳感器採集傳感信號的最佳積分時間。本發明能實現多個通道的同時測量且能適應在野外極端低溫的環境下穩定工作。
文檔編號G01C11/02GK101701817SQ20091019336
公開日2010年5月5日 申請日期2009年10月27日 優先權日2009年10月27日
發明者李彩, 楊躍忠, 柯天存, 許佔堂 申請人:中國科學院南海海洋研究所