（信号与信息处理专业论文）海色光谱辐射计系统设计与实验.pdf

内容提要 海色光谱辐射计为8 6 3 8 1 8 0 5 专题研究内容之一，课题要求测 量1 2 通道的海面离水辐亮度和向下辐照度，用于校正海色卫星 ( s e a w i f s ) 遥感数据。j 本论文论述了海色光谱辐射计的系统设计、定标和海上现场实验 测量，从光路设计、电子学系统设计和软件设计方面详细阐述了整个 系统的设计思路，通过定标和现场实验验证了系统的准确性和可靠 性。 系统通过光电二极管列阵传感器件测量2 5 6 通道的海面离水辐 亮度和向下辐照度的光谱分布( d l - 、0 n m 一1 1 0 0 n m ) ，同时可计算得出遥 感反射比。根据1 2 通道的定标数据，论文给出了2 5 6 通道的定标校 正曲线，并给出了校正后的1 2 通道和2 5 6 通道出海实验测量数据。 论文最后提出了海色光谱辐射计的改进方案，针对海色光谱辐射 计的性能结构和应用研究提出了设想和论证。 关键词：海色光谱辐射计( 简称o s r ) ，光电二极管列阵 暗电流与温度有直接的关系，随温度的升高，暗电流急剧增 大，在常温环境下，温度每升高7 度，暗电流约增加一倍。 考虑到在实际测量中，温度变化不可能是骤变的，在海色光 谱辐射计中采用重新调节暗电流直流偏置和软件减本底信号 的方案，开机调节暗电流直流电平，并每3 次测量一次本底 信号，来消除暗电流的影响。 开关噪声和时钟脉冲的上升和下降时间、电路的布局以及器 件的工艺和设计方案有密切的关系，仪器采用器件推荐的驱 动和放大电路，使开关噪声幅度小于5 饱和电平，因为开关 噪声一般是周期性的，同时采用电荷积分和采样保持电路加 以消除，剩下的噪声信号是暗电流中的非周期性噪声，其典 型值小于1 饱和电平。 热噪声是随机的、非重复性的噪声信号，其典型值为o 1 饱 和电平。 第二章系统设计 1 系统框图及工作原理 c o s i n ec o l l e c t o r 图2 。1 系统简图 图2 1 是整个系统的示意图，系统通过分光光谱仪将入射光分光， 用光电二极管数组测量分光后的光谱，测量的光谱范围是 4 0 0 n m - 110 0 n m 。 光谱仪作为整个系统的核心部分，包括平面光栅和光电二极管列 阵探测系统两个部分，入射光进入分光光谱仪后经凹面镜反射后由平 面光栅分光，再次反射后由光电二极管列阵接收。单片机在对整个输 出信号进行处理后，根据需要通过串口送出不同信道的数据。 光电二极管列阵在测量之后，先进行了积分，对信号进行初步放 大，并在电子电位器的配合下对信号进行不同程度的偏置，以消除暗 电流直流分量对信号的影响，然后信号经采样保持电路和程控放大器 放大后进入a d 转换器。转换完毕的信号送入单片机，单片机根据 信号的幅值，通过指令调节程控放大器的增益，以提高a d 器件的 转换精度。单片机对采集的信号进行消暗电流和平均运算后，存入存 储芯片。同时，单片机与控制平台上位机进行通讯，并根据发来的指 令，传送指定通道的资料。 2 光路设计 海色光谱辐射计光路设计如图2 2 所示，向下光路是测量海面辐 亮度，下通光空直径为5 1 m m ，通过反复实验，在距离下通光孔4 0 m m 和8 0 m m 处加大小分别是3 9 5 m m 和2 7 7 m m 的光阑，将视场限制在 1 7 。通过一个全反镜将光线反射进光谱仪。 向上光路是测量辐照度，在直径5 1 m m 的上通光孔处加同样大小 的余弦集光器，然后加两个光阑，大小分别是3 9 5 m m 和2 7 7 m m ， 距离上通光孔分别为4 0 m m 和8 0 m m 。限制视场在1 7 。通过一个全 反镜将光反射进光谱仪。 在光谱仪前1 0 m m 处加直径为3 m m 的光阑，同时限制上下两个 光路的视场角为1 7 。 上行光和下行光分别进入辐射计，通过步进电机驱动半圆形斩光 板切换上下行光路，上行光通过余弦集光器和光阑遮光经反射镜1 反射，斩光板置于不遮光位置，上行光可直接进入分光光谱仪 ( s p e c t r o m e t e r ) 得到向下辐照度“；下行光通过平晶和光阑后，斩 光板置于遮光位置，遮挡上行光光路，只有下行光经反射镜2 进入分 光光谱仪，得到向上辐亮度。 图2 - 3 分光光谱仪光路设计 光谱仪采用1 0 0 l am 狭缝，狭缝处由继电器驱动的挡光板用于开 启和关闭整个光路。狭缝位于凹镜的焦面，入射孔径1 ：7 ，入射光 经凹镜反射平行入射至平面光栅，经光栅衍射后再次反射。调整光电 二极管列阵位置，可平行接收分光后的光谱信号。由于测量的光谱范 围为4 0 0 n m 1 l o o n m ，所以需要在光电二极管列阵8 0 0 n m 1 l o o n m 接 收位置加二次光谱滤波片，考虑到可调光谱范围最低为3 5 0 n m ，实际 应用中二次滤光片起始位置位于7 0 0 n m 。 经过反复试验，测量所得的辐照度和辐亮度符合设计要求。 3 电子学系统设计 海色光谱辐射计电路框图如图2 - 4 所示。主要由a t 8 9 c 5 1 单片机 控制电路、a d 采集电路、电机控制电路、光电二极管列阵时序产生 和信号读出电路组成，完成从光谱信号产生、读出、采集到存储和转 发传送等诸多功能，具有有效抑制本底噪声、精度高、速度快等优点。 具体电路图见附录。 迫q 边 s s p d c h i p 迥f 一一一一“一 l l i = s s | n l p d 愆s i g i e n a l s d i r e c t l yf 4 卜、 i n t e g r a t e f “ s s p d s i g n a l s 。i、 s a m p l e & l p 1 ”y i ” h o l d ，一j i b i ih 叫d c p il ， 3 2 k 誊 p a t 8 9 c 5 17 t 目r a d 1 a m p l i f i e r c o n v a r t e r _ r a m i a d j u s t 。“ “叶 。l。蘸乏 图2 - 4 系统流程图 其工作原理如下：首先c p u 控制电机驱动斩光板使入射天空背景 光( 上行光) 和海水的出水辐照光( 下行光) 分别进入海色光谱辐射 计，由2 5 6 元光电二极管列阵芯片将各光谱通道的光强信号转化为电 信号，在时序控制电路的同步和控制下，逐元送出。送出的光谱辐照 度信号经过上下积分电路整形放大，再经过采样保持电路送入a d 采样电路。为充分利用a d 芯片的输入量程，采用了程控放大器作为 前放，通过单片机自适应的增益预置码自动调整其增益，以尽量利用 a d 的动态范围。经a d 芯片输出的数字信号由8 9 c 5 1 单片机读入并 暂存于r a m 芯片中，通过单片机按设计所需通道将通道内的数据读出 并通过r s 一4 2 2 通讯接口电路最终到达室内操作单元的p c 机中，作为 原始数据资料存储起来，以供即时校准和日后研究之用。 1 ) 8 0 5 1 单片机控制系统及a d 采集转换系统设计“印“”“引 在单片机子系统采用了a t 8 9 c 5 1 作为c p u ，外部时钟采用 1 1 0 5 9 2 删z 晶体振荡，以产生所需的时钟信号。p l 端口的p 1 1 、p 1 2 和p 1 3 给出了电子电位器的调整信号，p 1 4 和p 1 5 控制步进电机 驱动斩光板切换上下行光路，p 1 6 控制继电器遮挡光路测量暗电流， p 1 7 给出外中断启动信号，以控制c p u 对外中断信号的接收。地址 和数据总线时分复用的p o 端口外接8 d 锁存芯片7 4 h c 3 7 3 ，以达到对 低8 位地址锁存的目的，同时p 0 端口还负责送出光电二极管列阵曝 光时间延时电路的预制时间常数和程控放大器的增益预置码。8 9 c 5 1 的p 2 端口除作为高8 位地址总线负责寻址外，还产生芯片选通、加 载等控制信号，通过外接3 8 译码器7 4 h c l 3 8 实现组合控制信号的产 生，其中y o 用于a d l 6 7 4 芯片选通，y 2 用于a d 5 2 6 程控放大芯片的 加载时钟，y 4 用于光电二极管列阵曝光延时电路的启动，y 6 用于防 干扰电路的复位。根据实际应用中数据量不是很大而且需要根据天气 情况频繁传送数据，设计中采用了3 2 k 字节的静态r a m 存储芯片。 a d 采集转换电路由可编程运放a d 5 2 6 级联和a d 转换芯片 a d l 6 7 4 ( 1 2 b i t 、l o o k ) 组成。由于得到的光谱信号属微弱信号，必 须在系统中设计前置放大电路，一般的运放电路组成的前置放大电路 不易调节增益，因此采用了两片程控放大芯片a d 5 2 6 级联来配合a d 芯片工作，以满足a d l 6 7 4 芯片输入量程( l o v ) 的要求。由于一片 a d 5 2 6 可以产生l 1 6 倍的倍乘放大( 即分为l 、2 、4 、8 、1 6 五档) ， 级联后则可完成1 2 5 6 倍的倍乘放大( 即分为l 、2 、4 、8 、1 6 、3 2 、 6 4 、1 2 8 、2 5 6 九档) ，放大倍数的选择通过单片机编程实现，极大提 高了系统的实用性和灵活性。转换芯片采用了1 2 b i t 精度的a d l 6 7 4 芯片，该芯片具有转换精度高，速度快( 1 0 u s ) 的优点，完全可满足 光电二极管列阵芯片对单元信号输出时序的要求。由于在初始化时要 消除本底噪声干扰，即要通过调整双积分环节使输出归零，故此芯片 设计为双极型输入输出，其输出结果为1 2 b i t 。通过调整片上a 0 端 的电平来控制输出高8 位和低4 位，用两个时序周期完成1 2 b j t 数据 的读出。 另外，为防止单片机软件由于外界干扰而导致地址指针紊乱，使 程序“跑飞”，设计了硬件复位看门狗电路，在软件中使用指令使其 定期复位，当程序跑飞后，该计数器由于得不到复位，便会产生r e s e t 信号使单片机复位，达到了防止干扰使程序跑飞的目的。 2 ) 时序电路设计和电机驱动控制电路设计 时序控制电路和电机控制电路基本框图如图2 5 ，时序控制电路 主要提供光电二极管列阵的基本工作时序和数据读出时序。电机驱动 控制电路主要用于驱动电机控制斩光板转动，使其配合程序，达到分 别对上下行光进行采样的目的。 图2 5 时序控制电路和电机控制电路框图 3 ) 通讯接口电路设计“9 通讯接口电路采用r s - 4 2 2 接口，通过8 9 c 5 1 的r x d 和t x d 端口 进行数据和握手信号的传输，由m a x i m 的m a x 4 9 0 e 的r s 一4 2 2 接口芯 片完成单片机通讯接口到r s - 4 2 2 接口的转换，该芯片具有电路简单， 抗干扰能力强的优点。同时采用了光电耦合器件对r x d 和t x d 信号端 口进行隔离，以避免外界噪声和强冲击脉冲对主机电路的影响。 a t 8 9 c 5 1m a x 4 9 0 e r s 4 2 2 一二l 一 上位机 r x d t x dr x d 耦 隔( p c ) t x dr x dt x d 离 图2 - 6 通讯接口电路框图 4 ) 光电二极管列阵电路设计 光电二极管列阵选用e g & g 公司r l 0 2 5 6 s a q - 0 1 1 型号2 5 6 元光 电二极管列阵，电路原理框图如图2 7 所示： 图2 7 光电二极管列阵电路框图 根据光电二极管列阵技术要求，其电路设计主要分为两部分：基 本工作时序电路和信号读出电路，时序电路主要产生基本工作时钟信 号和信号移序时钟信号，信号读出电路主要由前放电路、积分电路和 采样保持电路组成。 5 ) 电路总体设计 由于海色光谱辐射计涉及到光电信号转换、模数信号转换、电机 驱动、通讯电路接口等模拟和数字电路设计，且仪器要求工作稳定可 靠，由船用1 2 v 电源供电。根据电路实际需要，所有外部接口均有隔 离措施，仪器采用两路d c d c ( 1 2 v 一5 v i o o o m a 和1 2 v 一1 5 v 5 0 0 m a ) 隔离供电，r s 一4 2 2 通讯接口采用光耦隔离，电机直接由船用1 2 v 电 源提供电源，其控制信号p 1 4 用光耦隔离。布线设计中严格按照模 数分离、单点接地及微弱信号良好接地屏蔽的原则进行p c b 设计。考 虑到仪器工作应用环境恶劣，集成电路选用军用级，工作环境温度范 围一5 5 一+ 1 2 5 。电路系统经过实验测试，运行稳定。 开始 调节电千电位矗使 c c d 信号目零 洋挡光板j 等待上位机发来的 准备命令( 卓口) 打开挡光板，分别测j 两路辐射置，调节其 相应的放大薯增益， 并存储 蓉刊上位机的同步 值号，开蚰测置 分剃潮量辐 射信号( 3 次) 和 本毫信号( 1 次 嚣李嚣算糯越 完的信号 根据上位机的命令选 择相应西道的数据， 并通过阜行口传送 结束 ，；凇搞* 目嘲勰j ， 图2 - 8 系统软件框图 4 软件设计 系统的软件设计采用汇编语言，采用模块 化设计，完成硬件系统要求实现的各部分功 能。软件系统包括如下部分：初始化部分、 数据采集部分、数据处理和传送部分和软件 防扰部分。 软件总的体系框图如图2 - 8 所示。 1 ) 初始化部分 海色光谱辐射计是一套精密的室外测量 仪器，要求仪器对海上环境的变化能作出相 应的调整，以提高所采集数据的可靠性、准 确性。初始化程序的主要作用就是消除暗电 流对信号的影响，并根据信号的强弱自动调 节曝光时间。因此初始化部分包括暗电流消 除和放大器增益调整两个子部分。 a ) 暗电流消除 s s p d 作为感光器件，虽然具有耐冲击、 功耗低、可靠性高等诸多优点，但由于器件 的本身性质决定，具有一定的暗电流噪声， 且会随着温度产生漂移。这些暗电流噪声对 于微弱的辐照度信号来说，无疑是破坏性的。 本软件模块对应的硬件系统框图，如图 2 - 9 所示。光谱辐射信号经s s p d 送出后，先 后经过了放大电路、暗电流调零电路、积分 电路和采样保持电路，其中，在暗电流调零 电路中使用电子电位器( x 9 3 1 3 ) 的调节输入 分压( 3 v + 3 v ) ，复合信号经过积分电路后 送入采样保持电路。在消除暗电流时，首先 关闭由继电器驱动的档光板。这时，s s p d 送 出的信号即为暗电流信号。经过积分电路后，采样保持结果不为零， 此时调节电子电位器，使其送出一3 v + 3 v 之间不同的信号，叠加在 暗电流信号之上通过积分电路。由于电位器产生的是双极性信号，故 可使积分电路输出为零，即在只有暗电流信号时，使进入a d 转换 子系统的信号为零。这样在打开档光板后，由于光谱信号是叠加在本 底暗电流信号之上的，根据电路线性理论，信号通过调零后的上下积 分电路，即可消除暗电流信号直流分量，而对辐照度信号的直流分量 没有影响。 图2 - 9 暗电流调零电路、积分电路和采样保持电路框图 首先由8 9 c 5 1 的p 1 5 端口发出低电平的挡光使能信号，然后循 环等待外中断触发。在中断子程序中，实现a d 转换电路信号采样 结果的读入，然后根据其最高位判断是正电平信号，或负电平信号。 对于前者需向下调零，而后者则需要向上调零。调零部分根据硬件电 子电位器芯片x 9 3 1 3 的特点，先由p 1 2 端口送出上调( 高电平“1 ”) 和下调( 低电平“0 ”) 的指令，再由p 1 1 端口送出调整一步的指令， 完成本次调整，然后循环进行调整，直到结果最接近零为止。 b ) 放大器增益调整 暗电流调零之后，程序进入增益调整子模块，此部分用于使a f d 芯片输入的信号可以达到输入量程的范围要求，提高转换精度。程序 框图如图2 1 0 所示。 s s p d 感光器件产生的光谱辐照度信号很微弱，必须经过放大才 能进行后面的处理。在本系统中有两处可调环节可使信号幅值放大： 一是调节曝光时间，即曝光时间越长，信号越强，；二是调节程控放 大器来放大由s s p d 产生的光谱信号。虽然两者均有放大的效果，但 各有优劣。对于调节曝光时间来说，由于其直接作用于感光器件本身， 只使光谱信号得以加强，而干扰噪声并未放大，所以可有效地提高信 噪比，但存在可调范围小的缺点，即信号增益幅度有限，很难满足要 求，如果曝光时间过长，信号容易饱和。对于调节程控放大器来说， 虽然其放大范围很大，可以从1 2 5 6 倍倍乘放大，但由于在放大光 谱信号的同时也放大了噪声，对所得的数据的精度会产生一定的影 响。 r 图2 1 0 放大器增益调整子程序框图 根据硬件系统的上述特点，在软件编制中采用了优先考虑曝光 时间的思路，即首先让曝光时间最长，接收到的光谱信号信噪比最高。 调节时，先让程控放大器增益最小，看是否满足a d 量程 ( 一1 0 v - - - + 1 0 v ) 的需要，若不满足，则加大一档放大器增益，继续判 断，直到信号大于三分之一满量程( + 3 v ) 为止。由于程控放大器是倍 乘放大，故此时最大信号必小于满量程，如果仍未完成，再减小一倍 曝光时间，循环进行，即可完成此程序模块。阈值选择在三分之一满 量程是确保系统的稳定。需要说明的是在此程序模块开始时，需由单 片机控制继电器打开档光板，以测试光谱辐照度信号，并在判断信号 是否满足量程范围时，采用要求输出通道中数据的最大值，否则可能 会使信号饱和。 在初始化模块的最后，程序将程控放大器的增益倍数和曝光时 间预置码通过单片机存入r a m 芯片中，以便在传送数据时与信号数 据一起送出。 2 ) 数据采集部分 此程序模块位于初始化模块之后，主要是控制s s p d 芯片输出数 据，并将信号送入a d 转换芯片，由单片机将其输出结果读入并存 储于r a m 芯片中。前面已经提到，s s p d 器件的暗电流会随温度而 产生漂移，因此在数据采集部分，每获得一组数据，需要进行两次采 样，一次是挡光状态下的本底信号，另一次是打开挡光板后测量的辐 射信号。将两次信号相减的结果就是真实的光谱辐射信号。 在此软件模块中，a d 转换芯片a d l 6 7 4 是其编程的基础。根据 此芯片的操作原理，单片机首先检测该芯片的状态( s t s ) 端口，看 其是否已转换完，当其电平由高变到低时，既完成了转换，可以开始 读数据了。由于此芯片是1 2b i t 精度的，而8 9 c 5 1 的数据总线只有8 条，需要采用将a d 结果分两次读入的办法。根据a d l 6 7 4 数据手 册，使用单片机的p 0 0 端口送出输出控制电平到a d l 6 7 4 芯片的a 0 端口，低电平时读出高8 位，高电平时读出低4 位，然后通过单片机 依次存入r a m 芯片中，直到该芯片满为止。 由于数据量比较大，为了合理使用内存空间，根据输出通道的要 求，可以只存储所需通道的本底和辐射信号，舍掉其他通道数据。在 测量2 5 6 通道数据时，最多可以存储6 4 次光谱测量数据结果；在测 量1 2 通道数据时，最多可以存储8 6 0 次光谱测量数据结果。 3 ) 数据处理部分 此部分主要对采集到的光谱辐射数据进行预处理，消除本底暗电 流噪声以及降低热噪声的影响，以便上位机可以得到真实可靠的数 据。 w a v e l e 口i 馨t h ( n m ) 图2 - 11 未消本底的采样信号 x a a v e l e n g t h ( n m ) 图2 。1 2 消除本底的采样信号 首先，由于s s p d 器件输出信号会随时间产生直流本底漂移，在 程序初始化部分进行了初始信号零电平的调节，为得到真实可靠的信 号，仍需要对采集的信号进行消除本底暗电流的运算，但这与初始化 程序不同。初始化程序主要利用硬件上的电子电位器( x 9 3 1 3 ) 和积 分电路对信号进行偏置，从而调节信号中的本底暗电流的直流偏置影 响，在此采用软件运算的办法进行消除本底暗电流随温度漂移。其原 理如下，在分光光谱仪挡光板打开的情况下，先测量一组光谱辐射数 据，然后，关闭挡光板，再测量一组暗电流数据，然后求得两组数据 的差，所得的结果就是真实的光谱辐射数据。在实际应用中，由于对 信号不仅有准确度的要求，还有时间的要求，即采集处理和传输信号 需要在一定时间内完成，而且为了保证数据的稳定，还必须对多次数 据进行平均。这样就不可能对每组数据都测其本底。根据实测实验数 据，在一秒钟之内，本底噪声变化很小，而实际程序设计是一秒钟采 样三次，再取其平均，三次采样可使用同一个本底测量噪声，经过多 次试验，数据与逐次减本底差别小于0 1 。这样即解决了数据准确 性的要求，又满足了系统的时间要求。图2 1 1 和图2 1 2 分别表示同 一向下辐照度信号在消本底之前和消本底之后的效果。可以看出，图 2 1 2 消除了本底的影响，噪声也有大幅下降，更接近真实的信号。 w n v e l e n g t h ( n n l l 图2 1 3 三次采样的平均信号 其次，经过上述的减本底处理，虽然消除了暗电流对测量带来的 影响，但是，系统中的电路和元器件引起的热噪声还是存在的，要降 低这部分噪声的影响，常用的方法是用线性求和平均的方法对信号加 以平滑。根据信噪比线性平均万法则公式所示 s n i r = 踹= 励m s ( k ) i 器n ( k = 而 ( 2 - 1 ) 【) 。m ( 七) ) 、7 式中s n i r 为信噪比，j s | 例为信号，f 矽为噪声。如图2 1 3 所示，向 下辐照度信号经过三次采样平均后的信噪比为单次测量的石倍脾“。 4 1 数据传送部分 此程序模块是主程序的至关重要的一部分。由单片机根据上位机 的指令将处理好的数据通过r s 4 2 2 通讯端口送入p c 机中。 通讯协议采用异步串行通讯，为防止干扰，通讯接口采用 r s 。4 2 2 ，波特率是9 6 0 0 b p s ，发送和接收每一帧信息是1 0 位，其中1 位起始位，8 位数据位，1 位停止位。根据上述要求选择5 1 单片机中 波特率可调的串口模式1 进行编程。数据帧定义如表一所示。其中数 据帧数、信号数据以及累加校验和等两字节数据，均是高位在前，低 表2 - 1 数据帧定义 帧值定义 f f h 数据帧头标志位 f f h x x h 数据帧数( 高位低位) x x h 0 0 h 设备状态 e o h 辐照度标志位 f f h 放大器增益( 0 1 ，0 2 ，0 4 ，0 8 ，l o ，2 0 ，4 0 ，8 0 ，f f h ) x x h 曝光常数( 叭，0 2 ，0 4 ，0 8 h ) x x h 辐照度数据( 高位低位) 辐亮度标志位 0 0 h 放大器增益( 0 1 ，0 2 ，0 4 ，0 8 ，1 0 ，2 0 ，4 0 ，8 0 ，f f h ) x x h 曝光常数( 0 1 ，0 2 ，0 4 ，0 8 h ) x x h 辐照度数据 x x h 累加校验和( 高位低位) x x h 位在后。这样，一帧数据既包含向下辐照度信号，也包含向上辐亮度 信号。传送完毕后，再根据上位机的指令重新进行测量或进入抵功耗 等待状态。在再次进行测量时，若因外界环境的变化，发现信号有饱 和现象，程序可自动进行初始化部分，重新初始化仪器后再开始测量。 5 ) 软件防干扰部分 由于本系统主要应用于室外航海过程中，对系统稳定性要求比较 高，针对硬件看门狗电路在编程中加入了相应的软件防扰模块，起到 对干扰的抑制和消除作用。 其原理如下：由于天气、电磁或其他因素的干扰，常会使单片机 读指令时，地址的组合出现问题，即将原指令进行拆分和组合成为其 他指令，从而使地址紊乱，程序“跑飞”。为防止这一现象的发生， 程序采用地址锁存信号a l e 作为一计数器芯片的计数脉冲，此芯片 的设定计数溢出引脚与单片机的r e s e t 引脚相连。在程序中循环加 入使该芯片复位的指令，时间间隔小于溢出时间，以保证在程序正常 运转时，不会出现系统重起现象。只有当程序跑飞后，由于没有指令 将技术芯片复位，此芯片溢出时即引发单片机重启，使系统得以继续 正常运行，满足了系统对稳定性的要求。 第三章系统定标 在现场测量之前，必须对仪器进行严格定标。辐射计的测量定标 包括光谱波长定标，辐照度定标和辐亮度定标。波长定标是对海色光 谱辐射计的光谱测量的波长精确定标，标定每个通道的中心波长；辐 照度和辐亮度定标是对光谱测量绝对值的标定。 1 光谱波长定标 首先应用标准汞灯光谱对波长进行定标。在暗室中，将标准汞灯 放在辐射计的前方，然后测量辐射计的输出。标准汞灯的光谱波长如 表3 1 所示22 1 。4 0 4 6 埃和5 4 6 0 埃光谱波长为典型的波长基准值。 图3 - 1 实测汞灯的特征谱线 由于需要的光谱响应范围是4 0 0n m 1 1 0 0 n m ，因此必须在输出中 包含4 0 4 6 n m 的谱线。通过系统输出谱线与此灯的标准谱线图的比 较，对光谱仪中的光栅的角度进行微调，直至输出谱线包含所需的 4 0 4 6 n m 谱线为止。最终的调节输出结果如图3 1 所示。 光谱响应范围调节完毕，同时可计算出s s p d 每个象元的光谱分 辨率。根据光谱分布线性和s s p d 光谱响应的线性，分析系统的输出 数据，找到汞灯的5 4 6 n m 特征谱线和4 0 4 6 n m 特征谱线对应的输出 象元，采用线性插值，即可得光谱分辨率。结果如下，两谱线对应的 象元分别是2 0 1 和2 5 3 。光谱分辨率如下： 一一546-4046坐：272zxa, v mr 3 1 1= 卟= z i j jj 2 5 3 2 0 15 2 、。 进步可计算得出每个象元的中心波长，从而可根据需要调节控 制软件的参数，输出不同通道的数据。例如，如果需要输出中心波长 为7 0 5 n m 的通道的数据，根据计算，只需选择输出第1 4 2 个象元的 数据即可。 图3 - 2 实测6 3 2 8 n mh e n e 激光器的光谱曲线 波长校正定标后，用6 3 2 8 n mh e n e 激光器检测定标后的海色光 谱辐射计，图3 - 2 为实测h e n e 激光器的光谱曲线，测量结果准确。 2 辐照度定标和辐亮度定标 根据课题的要求需要对向下辐照度和向上辐亮度进行4 1 2 ，4 4 3 ， 4 9 0 ，5 2 0 ，5 6 5 ，6 2 0 ，6 4 3 ，6 7 0 ，6 8 3 ，7 0 5 ，7 6 5 ，8 6 5 n m 共1 2 个通 道的定标，这1 2 个通道可完全兼容我国海色卫星传感器的波段设置、 s e a w i f s 以及适合我国海域研究的6 2 0 ，6 4 3 ，6 8 3 ，7 0 5 n m 通道。 表3 2 辐照度响应度表3 3 辐亮度响应度 波长响应度 w a v e l e n g t h ( n m )r e s p o n s i b i l i t y 4 1 20 1 4 1 5 3 0 4 4 30 0 5 8 9 9 5 4 9 00 0 5 7 0 3 3 5 2 00 0 8 5 6 7 8 5 6 50 1 4 5 7 4 2 6 2 00 2 0 7 1 2 3 6 4 30 2 1 4 8 6 6 6 7 00 2 4 4 8 1 0 6 8 30 2 5 7 2 2 2 7 0 50 2 2 0 0 7 4 7 6 50 3 0 4 4 9 2 8 6 50 3 2 9 9 0 5 波长响应度 w a v e l e n g t h ( n m )r e s p o n s i b i l i t y 4 1 21 4 4 0 4 6 2 4 4 31 0 2 3 0 6 4 4 9 01 6 6 8 2 8 0 5 2 02 1 7 6 3 4 0 5 6 52 9 5 0 1 6 5 6 2 03 5 8 5 0 1 2 6 4 33 ，3 8 2 6 3 8 6 7 03 7 0 8 9 5 l 6 8 33 6 0 4 9 6 3 7 0 53 0 3 1 1 1 5 7 6 53 4 7 9 8 3 9 8 6 52 7 7 0 6 9l 辐照度定标是对测量向下辐照度的单元进行绝对强度的定标，测 量其响应度。将辐照度分布已知的标准灯( 恒流源供电、距离一定) 置于待定标的辐射计前，将辐射计测得的数据与已知辐照度分布数据 相比可得到辐照度的响应度。即 r - = d n es ( 3 - 2 、 式f 3 2 ) 中斤表示响应度，单位是1 0 6w c m 2n m ，脚，表示系统的输出， 丘表示标准灯的辐照度能量分布，单位是1 0 1 wc m - 2n m 。辐照度1 2 个波段的响应度数据如表3 2 所示。 辐亮度定标是对测量向上辐亮度的单元进行绝对强度的定标，测 量其响应度。标准灯( 恒流源供电、距离一定) 置于一标准白板前， 在此条件下，白板辐亮度分布数据已知。将待测的辐射计置于与标准 白板法线方向成4 5 度角的位置。如式( 3 3 ) 所示，辐射计测得的数据 与已知白板辐亮度分布数据相比即可得到该辐亮度计的响应度。 r 。= d n l u( 3 3 ) 式( 3 3 ) 中斤表示响应度，单位是1 0 6 w 。1 c m 2r i ms f ，二 表示系统 的输出，厶表示标准白板的辐亮度能量分布，单位是1 0 6w c m 。2n m 。1 s r - 1 。表3 - 3 是辐亮度1 2 个波段的响应度数据。 w a v e l c n g t h ( n m ) 图3 3 来自太阳辐射的1 2 通道辐照度数字输出( 未定标) w a v e l e n g t h ( n m ) 图3 4 来自太阳辐射的1 2 通道辐照度数据( 定标之后) i【暑ii，ze皇；呷ilj，一镛=暑胄=髑暑u掣| 由于仪器需要出海测量现场数据，而现场的环境条件与定标时的 环境条件有时差别很大，如果仍用实验室定标获得的响应度进行运 算，就会给所测数据带来极大的误差。因此需要备用校正光源，此光 源与标准光源相似，光谱强度分布未知。可用定标的辐射计再为此光 源定标，从而确定它的辐照度和辐亮度分布。这样在现场测量时遇到 环境条件差别很大时，就可以用这个备用光源进行校正，以使测到的 数据不会因环境因素产生过大误差。 w a v e l c n g t h ( n m ) 图3 5 来自实验水池的1 2 通道辐亮度数字输出( 未定标) 一eiie芝=ij吾暑=olu=jiu!- 图3 3 至图3 - 6 给出了定标前后的数据比较。其中的图3 3 和图 3 - 4 表示太阳辐照度信号定标前后的差别，而图3 5 和图3 - 6 表示池 水的辐亮度信号定标前后的差别。 在完成了以上的三个步骤之后，定标工作全部完成。从上述所示 的数据来看，系统输出稳定准确，实验结果令人满意。 第四章数据测量 1 校正曲线 根据8 6 3 课题要求对1 2 个通道进行了定标，可以根据已定标的 通道响应度通过曲线拟和求出2 5 6 通道的光谱响应度。根据1 2 个通 道的分布情况( 4 1 2 n m 8 6 5 n m ) 结合主要光学器件的光谱响应度，可以 求出4 0 0n m 9 0 0 n m 的光谱响应校正曲线。 由海色光谱辐射计光路设计( 图2 2 和图2 3 ) 可以得知，辐照 度和辐亮度共用一个分光光谱仪进行测量，上下行光路光谱响应度应 主要取决于光电二极管列阵光谱响应度曲线。图4 1 为海色光谱辐射 计2 5 6 元光电二极管列阵光谱响应曲线。 1 0 02 0 03 0 04 0 05 0 06 0 0 7 0 08 0 09 0 0 1 0 0 01 1 0 0 w a v e l e n g t h ( n m ) 图4 1e g & gss e r i e s 光电二极管列阵光谱响应曲线 由于光电二极管列阵7 0 0 n m 1 1 0 0 n m 处增加了二次光谱滤色片， 而且8 6 5 n m 以后没有定标的波段，所以在多项式拟和时，采用在 4 0 0 n m 、7 0 0 n m 和7 0 0 n m 9 0 0 n m 分段拟和的方法，从拟和结果来看， 此方法是可行的。由于7 0 0 n m 9 0 0 n m 只有3 个定标波段7 0 5n m 、7 6 5 n l y l 和8 6 5 n m ，所以在7 0 0 n m 一9 0 0 n m 拟和阶数不超过3 阶，在 4 0 0 n m 7 0 0 n m 处有9 个已定标波段，可选用高阶拟和。 通过多项式拟和，在7 0 0 n m 9 0 0 n m 拟和阶数为3 阶，在 4 0 0 n m 7 0 0 n m 处为1 0 阶，多项式如式4 1 所示，拟和系数如表4 1 所示。 p 俐印1 x n + p 2 x 。+ p g ”2 + + p 印川( 4 - 1 ) 表4 1 响应度拟和多项式系数 阶数响应度类别波段 p p 2p jp 4p 零n 1 0辐照度u4 0 0 7 0 02 8 1 e 2 75 2 6e 2 43 3 0 e 。2 l6 9 7 e 1 90 辐亮度d4 0 0 7 0 0- 1 4 4 e - 2 62 8 9 e 2 32 0 1 e 2 04 8 7 e 1 8o 3辐照度u7 0 0 曲0 09 9 8 e - 91 6 1 e 56 0 8 e 30 辐亮度d7 0 0 - 9 0 0一1 1 0 e 一71 6 6 e - 45 8 0 e 20 从拟和的响应度曲线可以看出与光电二极管列阵光谱响应曲线 相比，在7 0 0 n m 9 0 0 n m 处存在明显的衰减，这与实际存在二次光谱 滤色片相吻合。 图4 - 2 辐亮度光谱响应拟和曲线 c e c n e o l-考l)参!|!鲁价cod器芷 0 4 0 3 5 0 3 0 2 5 0 2 01 5 0 1 00 5 o w a v e l e n g t h ( n m ) 图4 - 3 辐照度光谱响应拟和曲线 0 。j j j j i j j j - 0 0 ，! j i 一l ：一一 ：- 毒- ：一 二己羔量二i 菇篆 ! ii i ： iii i 4 0 04 5 05 0 05 5 06 0 06 5 07 0 07 5 08 0 08 5 09 0 0 w a v e e n g t h ( n m ) 图4 4 辐照度和辐亮度光谱响应比值啦线( 辐照度：辐亮度) ( 山c n u l_；90暑薹d藿ods芷 艺；oo芷)一空暑!sco口芑o；嚣山 2 噪声分析 为了检验系统的静态噪声，在无光照的情况下测量系统的输出， 即为系统的噪声。图4 5 和图4 - 6 分别是辐亮度和辐照度的噪声在波 长5 6 5 n m 时随时间的变化( 连续测量1 5 0 次在无光条件下的输出) 。 其它波长的噪声分布及幅值大小与此波长的情况相同。辐亮度噪声的 最大值为0 1 2 x l o 石w c m 2 n m s r 辐照度噪声的最大值为1 x l o 。6 w c m 2 n m 。 图4 - 5 辐亮度噪声随时间的变化( 5 6 5 n m ) 图4 - 6 辐照度噪声随时间的变化( 5 6 5 n m ) 3 稳定度分析 通过对碘钨灯光谱的长时间测量( 3 小时) ，测量得到的2 5 6 通 道辐照度输出变化最大值为2 7 。 ? 夕。 矿 af 一i | | r ， f 一 | 一， i， 、- 、。- 一7 图4 72 5 6 通道碘钨灯光谱数据图表 同时，根据要求计算出1 2 个所需波段的均方差。 表4 - 22 小时测量1 2 通道标准偏差 波长标准偏差 4 1 2n m0 2 5 9 0 6 8 4 4 3n m0 1 4 5 5 4 8 4 9 0n mo 1 4 0 4 8 8 5 2 0n m0 1 6 5 0 3 6 5 6 5n mo 1 3 6 5 7 0 6 2 0n m0 2 3 7 5 8 7 6 4 3n m0 2 8 4 9 4 8 6 7 0n m0 2 6 8 3 8 1 6 8 3n m 0 1 6 7 0 5 0 7 0 5n m o 2 1 6 5 5 7 7 6 5n m 0 2 3 3 2 3 1 8 6 5n m 0 2 0 7 2 4 3 再通过对稳定氦氖激光光源的长时间测量( 2 小时) ，测量得到 的2 5 6 通道辐照读输出最大值变化为2 6 。 图4 82 5 6 通道氦氖激光光谱数据图表 通过稳定性测试，可以得出海色光谱辐射计系统测量稳定度为 1 5 。 4 出海测量 根据项目要求，我们于2 0 0 0 年7 月赴南海和2 0 0 0 年9 月和1 0 月在青岛外海进行了出海测试，下面是测得的2 5 6 通道的向下辐照度 和向上辐亮度( 图4 9 ) 和根据课题要求获得的1 2 通道的向下辐照 度和向上辐亮度数据和定标后的数据图表( 图4 - 1 0 ) 。 图4 - 92 5 6 通道的向下辐照度和向上辐亮度 站位数据；2 0 0 0 9 2 7 1 0 ：0 7 a m3 6 。0 26 2 n1 2 0 0 1 85 8 e 水深1 9 7 m云量5 天气：晴转多云 a )青岛海域站位辐照度数字输出( 未定标) b 1青岛海域站位辐照度数据( 定标之后) a 1青岛海域站位辐亮度数字输出( 未定标) b 1青岛海域站位辐亮度数据( 定标之后) 图4 1 01 2 通道的向下辐照度和向上辐亮度数据图表 站位数据：2 0 0 0 9 2 71 0 ：0 8a m3 6 0 0 2 6 2 n 1 2 0 。1 8 5 8 e 水深1 9 7 m 云量9 天气：晴转多云 通过以上2 5 6 通道和1 2 通道的辐照度和辐亮度数据对比，我们 可以看到通过2 5 6 通道数据的参照，可以更直观的获取合理的数据资 料。 向上辐亮度和向下辐照度数据校正后相比，就可以得到遥感反射 比，图4 - 1 1 为实际测量青岛胶州湾2 5 6 通道的遥感反射比数据i 图表， 图4 - 1 2 为i o c c gr e p o r t3 对多种水体的遥感反射比的统计图表，a 类水体含有非常高的泥沙、黄色物质和悬移质，b 类水体含有很高的 泥沙、黄色物质和悬移质，c 类水体含有较高的泥沙、黄色物质和悬 移质，e 类水体含有较高浓度的叶绿素和悬移质，f 类水体含有较高 浓度的叶绿素，d 类水体为清水，其中a 、b 、c 、e 为2 类水体，d 、 f 为1 类水体。青岛胶州湾水体与b 类水体类似，属于2 类水体。 站位数据 图4 - 1 12 5 6 通道的遥感反射比数据图表 w a v e l e n g t h ( n m ) 图4 1 2 多种水体的遥感反射比的统计图表 多云 一l_ls)oce8瞄叱霉三co旦oe罡 第五章总结 在完成了仪器的设计、制作、调试和定标工作之后，为了检验仪 器的可靠性和准确性，于2 0 0 0 年8 月赴南海出海一周，9 月和1 0 月 在青岛外海进行了出海测试，以检测海色光谱辐射计的现场稳定性和 数据的准确性，同时也获取了该海域的辐照度和辐亮度数据，同时可 以为其他遥感研究服务。 通过反复的出海测试，仪器在采集2 5 6 通道数据时达到以下指 标： 1 参数指标 测量参数海面向下辐照度、海面向上辐亮度 光谱范围4 0 0 - 11 0 0 n m 光谱分辨率 2 7 n mf w h m 波长精度优于1 3 5 n m 通道数2 5 6 信噪比1 0 0 ：1 ( 最小) 辐射测量稳定性1 5 采样速率1 0 次分 a d 精度 1 2 b i t 从测量获取的数据可以看到，在完成课题要求的1 2 通道数据基 础上，根据所选用方案的优越性，系统可以直接测量4 0 0 到1 1 0 0 n m 的2 5 6 通道的海面光谱数据，根据不同的需要可以计算得到遥感反射 比、获得不同通道的海面光谱数据，同时可以更直观的对海面光谱进 行分析，提高了系统的扩展度，使整套系统有更高的灵活性。 第六章系统改进方案讨论 在研制调试和使用海色光谱辐射计的过程中，经过现场实验测 量，发现本仪器存在一些不足之处，针对改进研制第二型海色光谱辐 射计，提出以下改进方案： 1 两路光谱仪分别测量海面向下辐照度和向上辐亮度 本设计方案采用一个分光光谱仪分别测量海面向下辐照度和向 上辐亮度，使整机集成度提高；简化了电路设计工作及降低了成本， 但是由于海面向下辐照度和向上辐亮度共用一套探测系统，也带来了 光路设计的复杂度和仪器定标和数据校正的难度。 由于海洋光学仪器在使用过程之中，需要定期进行定标和矫正， 才可确保所得数据的准确性，所以建议在后继研制过程中，采用两路 光谱仪分别测量海面向下辐照度和向上辐亮度，这方面的改进有以 下特点： 海面向下辐照度和向上辐亮度在幅值强度上有两个数量级的 差异，分别测量可根据实际应用情况优化光路，可以使探测效 率提高，以及后期维护工作简便易行。 简化光路设计，可使两路光路完全隔离，减小了两路光的相互 干扰，在原系统中是采用多重光阑和内部贴绒来吸收杂散光， 这样也同时简化了机械设计。 可以省去切换光路的电机，由于海色光谱辐射计属于光学类探 测仪器，要求机械加工精密，整机机械设计稳定可靠，所以原 方案在电机减震方面采用了诸多减震措施，这样可以降低机械 设计的难度；同时电机的寿命相对来说，一般小于其它电子器 件和光学器件，这样可以减少整机的不稳定因素；而且电机相 对耗电量较大，不使用电机可以减小整机的功耗，提高仪器的 便携程度和后备电源使用时间。 使用两路光谱仪也使成本提高及电路设计复杂，由于集成电路 工业的高速发展，提供了集成度更高的器件可供选用，同时在 成本上有所降低。因此，在仪器成本和电路设计方面的影响可 相应降低。 2 改用5 1 2 元或更高集成度