具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例1：

如图1所示，一种海洋大气一体化高光谱辐射测量系统，包括：

所述光学测量单元1：包括光接收模块及光处理模块，所述光处理接收模块用于对测量系统的入射光信号进行接收并传输至光处理模块，所述光处理模块用于对接收的入射光信号进行探测，以实现太阳、大气及海洋光学辐射量的一体化测量；

所述扫描步进控制单元2：包括水平扫描步进控制模块以及垂直扫描步进控制模块，用于根据测量系统的测量需求控制光学测量单元的水平转动或垂直转动，以使光接收模接收太阳、大气或海洋对应的入射光信号；控制箱3：用于数据采集、存储和传输，以及位置计算和驱动步进电机；

太阳能电池板4：用于为测量系统提供电源；

固定支架5：用于将测量系统固定在需要进行高光谱辐射测量的位置。

本实施例中上述测量系统，可安装在湖泊、岛礁、海洋牧场或石油钻井等固定平台准时测量太阳直射辐亮度、太空光向下辐亮度和海水上行辐亮度，实现对气溶胶光学厚度和海面遥感反射比或归一化离水辐亮度等大气和海洋光学参数长期观测，服务于国内外卫星光学海洋遥感数据的定标检验。

具体地，如图2所示，上述测量系统中的光学测量单元1中的光接收模块包括两个进光筒6、光阑7、光纤支撑架24、光纤8和CCD相机9；光处理模块包括衰减片支撑架10、光纤耦合器11、Y型光纤12、高光谱仪13以及外壳14；

所述的衰减片支撑架10、光纤耦合器11、Y型光纤12、高光谱仪13均设置在外壳14内部；

两个所述进光筒6平行设置，且结构相同，每个所述进光筒6的前端设为开口小孔，内部中间均设置有光阑7，后端底部与外壳14表面固定连接；本实施例中的进光筒6内部涂黑减少入射光在内壁反射，进光筒6中的光阑7和前端开口小孔共同限制入射光视场，使其为1.3度；

每个所述光阑7均连接一个光纤支撑架24，并通过光纤支撑架24固定光纤8的一端，所述光纤8的另一端通过衰减片支撑架10与光纤耦合器11的入射光口连接，所述光纤耦合器11的两个出射光口分别通过一根Y型光纤12与高光谱仪13连接；

所述CCD相机9与控制箱3通信连接，并固定设置于外壳14上，且其位置中心在两个所述进光筒6的中线上。

本实施例中的衰减片支撑架10上的衰减片用于对从太阳进入至进光筒6的入射光进行衰减，太阳直射辐射亮度远大于天空光和海面辐亮度，因此需要对其入射光进行衰减。本实施例中的衰减片透过率需要根据高光谱仪13响应、灵敏度和积分时间共同决定，根据目前市场常见的高光谱仪13响应，在可见光波段可选择透过率为0.1~0.5%的衰减片，衰减后太阳直射辐亮度与天空光辐亮度相当。

本实施例中的光纤耦合器11通过2合1的Y型光纤12与光谱仪连接，高光谱仪13用于测量入射光高光谱辐亮度。

本实施例中的CCD相机9的分辨率为320*240，视场角为30度，用于获取太阳及周围天空图像，通过分析图像光照强度精准确定太阳中心位置，再由步进电机驱动水平轴和垂直轴微调，使太阳中心平移到图像中心，从而使进光筒6对准太阳中心。

本实施例中的光纤耦合器11内部设置有电子快门；通过电子快门切换两个进光筒6入射光，电子快门响应时间优于10ms，用于快速选通两路入射光，实现对不同目标（太阳、天空和海面）辐射光采集。

本实施例中的光纤耦合器11和高光谱仪13均设置有隔热外壳，起到隔热和保护的作用。

如图3所示，本实施例中的扫描步进控制单元2中的水平扫描步进控制模块包括水平转动轴15、第一步进电机16、第一谐波减速机17和水平密封筒18；所述垂直扫描步进控制模块包括垂直转动轴19、第二步进电机20、第二谐波减速机21、垂直密封筒22和基座23；

所述第一步进电机16和第一谐波减速机17相互连接并设置于水平密封筒18内，所述第二步进电机20和第二谐波减速机21相互连接并设置于垂直密封筒22内；

所述光学测量单元1的外壳14通过水平转动轴15与第一步进电机16连接，通过垂直转动轴19与第二步进电机20连接，所述垂直密封筒22固定设置在基座23上，所述基座23与固定支架5连接；

所述第一步进电机16和第二步进电机20均与控制箱3连接。

上述扫描步进控制单元2通过步进电机和转台的协同工作，精密控制光学测量单元1在水平面和垂直平面内的转动，使数据采集满足最优几何观测条件。

本实施例中的第一步进电机16和第二步进电机20通过驱动水平和垂直转动轴19使光学测量单元1在水平0-360度，垂直0-180度范围内自由转动。第一步进电机16和第二步进电机20步进精度均为2.0度，谐波减速机减速比为1:100，可实现对光学测量系统0.02度的精密调节。

如图3所示，本实施例中的控制箱3包括主控制器，以及与所述主控制器连接的时钟模块、数据采集模块、数据存储模块、数据传输模块、电机驱动模块、雨量传感器模块和温湿度传感器模块和人机交互模块；

所述电机驱动模块还分别与所述第一步进电机16与第二步进电机20连接；所述数据采集模块还与所述高光谱仪13和CCD相机9连接；所述数据传输模块还与所述远程PC端连接；所述人机交互模块还与用户终端连接。

其中，主控制器用于负责系统整体的稳定运行，时钟模块作为整个系统的脉搏，推动主控制器进行不同的任务调度；数据采集模块和数据存储模块用于采集和存储高光谱仪13测量的高光谱数据和CCD相机9拍摄的图像数据；数据传输模块采用4G或被偷无线通讯实现高光谱辐亮度数据的远距离传输，电机驱动模块用于驱动第一步进电机16和第二步进电机20使光学测量单元1精准追踪太阳，以及在预设最优观测几何条件下进行天空和海面辐亮度观测；雨量传感器用于判断天气情况，使得测量系统在雨天停止工作；人机交互模块用于实现人工控制命令输入和仪器状态参数返回。

实施例2：

如图4所示，本实施例中提供了基于上述实施例1中的高光谱测量系统的高光谱辐射测量方法，包括以下步骤：

S1、确定高光谱辐射测量系统的当前位置信息及时间信息；

S2、根据当前位置信息及时间信息，计算高光谱辐射测量的最优观测几何条件，并通过控制步进电机调整光学测量单元进光筒的位置，进而测量当前高光谱辐射数据；

S3、通过扫描步进控制单元控制光学测量单元位置归零；

S4、当达到预设的高光谱辐射测量时间点时，重复步骤S1~S3，并将每次测量的高光谱辐射数据传输至远程PC端，完成高光谱辐射测量。

本实施例的步骤S1中，在每次进行高光谱辐射测量之前，进行系统设备上电，完成自检，电机归零，检测各个模块是否正常，检测传感器是否正常连接，以确保后续测量工作的正常进行。

本实施例的步骤S2中根据计算的最优观测几何条件，调整光学测量单元进光筒位置依次进行太阳直射光谱辐射测量、天空光谱辐射测量以及海水光谱辐射测量。

具体地，太阳直射光谱辐射测量的方法具体为：

A1、基于当前位置信息及时间信息确定太阳天顶角和方位角，通过调节步进扫描单元的动作控制光学测量单元的进光筒对准太阳；

A2、控制CCD相机工作，根据其获取的CCD图像数据，进一步调整光学测量单元的位置，实现太阳精准对准；

A3、在太阳精准对准的情况下，通过光纤耦合器内的电子快门选通太阳光入光的进光筒，并通过高光谱仪测量当前太阳直射辐射；

A4、重复步骤A1~A3至少三次，获取太阳直射光谱辐射测量数据；

上述步骤A1中根据当前位置信息及时间信息确定太阳天顶角和方位角的方法为本领域技术人员的公知常识，在此不在赘述。

基于上述获取的太阳直射光谱辐射测量数据，计算气溶胶厚度的公式为：

式中，F ₀为大气层外太阳辐照度，F为测量系统测量得出的辐照度，、和分别为气溶胶、大气分析和吸收气体的光学厚度；

所述天空光谱辐射测量的方法具体为：

根据太阳位置信息计算最优天空观测几何条件，通过调节步进扫描单元的动作控制光学测量单元的进光筒转动至计算位置，通过光纤耦合器内的电子快门选通天空光入光的进光筒，并通过高光谱测量仪测量当前天空辐射，且连续测量三次，进而获得天空光谱辐射测量数据；

所述海水光谱辐射测量的方法具体为：

根据太阳位置计算最优海水观测几何条件，通过调节步进扫描单元的动作控制光学测量单元的进光筒转动至计算位置，通过光纤耦合器内的电子快门选通海水光入光的进光筒，并通过高光谱测量仪测量当前海水辐射，且连续测量三次，进而获得海水光谱辐射测量数据。

本实施例中，如图5所示，最优天空观测几何条件为系统观测平面和太阳平面的方位角为135度，系统进光筒天顶角为40度；最优海水观测几何条件为系统观测平面和太阳平面的方位角为135度，系统进光筒天顶角为130度。

基于上述天空和海水测量数据，计算离水辐亮度的公式为：

其中，为离水辐亮度，为系统测量海水上行辐亮度，为系统测量的天空辐亮度，为天空光在海面反射率。

本实施例中，在高光谱辐射测量过程中当控制箱中的雨量传感器模块采集到的雨量数据大于设定阈值时，所述控制箱控制扫描步进单元及光学测量单元停止工作；所述控制箱控制扫描步进单元及光学测量单元停止工作对应指令的优先级大于高光谱辐射测量对应指令的优先级；进而避免系统在雨天工作，以提高系统使用寿命。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”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设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。