水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置及其對(duì)衛(wèi)星遙感的定標(biāo)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其包括至少一測(cè)溫棒、A/D轉(zhuǎn)換器以及處理器，其中：所述測(cè)溫棒的上段和下段分別安裝有多個(gè)沿該測(cè)溫棒長(zhǎng)度方向設(shè)置的具有等距間隔的皮層溫度探頭和表層溫度探頭；所述皮層溫度探頭和表層溫度探頭均通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與處理器上的處理器電性連接；所述測(cè)溫棒上進(jìn)一步安裝有多個(gè)壓力傳感器。本發(fā)明還提供了一種采用該測(cè)量裝置進(jìn)行衛(wèi)星遙感的定標(biāo)方法，其包括以下步驟：步驟1、采用上述測(cè)量裝置和熱成像儀對(duì)同一位置水體皮層進(jìn)行溫度測(cè)量；步驟2、對(duì)熱成像儀進(jìn)行定標(biāo)傳遞；步驟3、成像儀對(duì)衛(wèi)星遙感進(jìn)行在軌定標(biāo)。本發(fā)明可同步對(duì)大氣底層、水體皮層和上表層的溫度進(jìn)行接觸式測(cè)量，極大提高了測(cè)量精度。
【專利說(shuō)明】 水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置及其對(duì)衛(wèi)星遙感的定標(biāo)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋測(cè)量技術(shù)，特別是一種大氣底層、水體皮層和上表層溫度同步測(cè)量裝置以及通過(guò)該裝置對(duì)衛(wèi)星熱紅外傳感器的在軌定標(biāo)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海表溫度(Sea Surface Temperature SST)是海洋最重要的物理參數(shù)之一,也是主要的海洋生態(tài)環(huán)境參數(shù)之一。SST在海氣相互作用、全球氣候變化、中尺度海洋過(guò)程、水團(tuán)和海洋生態(tài)環(huán)境等研究、海洋數(shù)值模擬、近岸熱污染評(píng)價(jià)等許多領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用價(jià)值。衛(wèi)星熱紅外遙感技術(shù)經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)成為海表溫度探測(cè)的最主要手段，衛(wèi)星傳感器能夠測(cè)量的是水體(包括其它地物)的皮溫，即水體皮層(表皮大約0.5毫米水層)溫度，在對(duì)衛(wèi)星傳感器進(jìn)行在軌定標(biāo)時(shí)需要首先準(zhǔn)確測(cè)量皮溫。因此，準(zhǔn)確測(cè)量皮溫不僅對(duì)衛(wèi)星熱紅外傳感器定標(biāo)非常重要，對(duì)衛(wèi)星遙感反演的地面溫度進(jìn)行真實(shí)性檢驗(yàn)也非常重要。目前測(cè)量皮溫采用非接觸式的測(cè)量?jī)x器，測(cè)量精度不高，誤差通常大于0.5K (開(kāi)爾文)甚至大于IK0制約了衛(wèi)星熱紅外傳感器在軌定標(biāo)精度和衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品的精度，進(jìn)而影響了遙感溫度產(chǎn)品在各行業(yè)的應(yīng)用。
[0003]而且，不考慮大氣的影響(可以通過(guò)大氣校正消除大氣的影響)，衛(wèi)星熱紅外傳感器測(cè)量的亮溫與海水皮溫具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，與海水表溫的關(guān)系并不確定，因?yàn)楹Ｋ嘏c海水表溫的關(guān)系受海表風(fēng)速、氣溫、濕度、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度等因素影響，因此，對(duì)衛(wèi)星傳感器SST結(jié)果的評(píng)價(jià)至關(guān)重要。目前對(duì)衛(wèi)星傳感器SST結(jié)果的驗(yàn)證方法是以現(xiàn)場(chǎng)單點(diǎn)觀測(cè)(觀測(cè)站點(diǎn)，觀測(cè)船或浮標(biāo))SST來(lái)驗(yàn)證某個(gè)像元(或某幾個(gè)像元)的SST。衛(wèi)星傳感器SST獲得的值是某像元區(qū)域內(nèi)SST的平均值，與現(xiàn)場(chǎng)單點(diǎn)觀測(cè)SST在空間上根本不匹配，這種驗(yàn)證嚴(yán)格說(shuō)難以達(dá)到驗(yàn)證的目的。特別是近岸海域海洋溫度鋒比較發(fā)育，水團(tuán)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，海面溫度的空間分布變化率比較大，實(shí)測(cè)點(diǎn)SST往往并不是該觀測(cè)點(diǎn)所在像元的平均SST，因此，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)值和遙感反演值之間出現(xiàn)比較大的差別時(shí)，也許二者都是對(duì)的，并不一定是遙感反演方法有問(wèn)題。另一方面，遙感測(cè)量的溫度是海水皮層，而現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的海水溫度其實(shí)是水面下0.3?1.0米甚至5米水深的表層體溫，這二者本身就存在差異，其次，觀測(cè)數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感觀測(cè)數(shù)據(jù)的同步性也是遙感反演結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)需要考慮的問(wèn)題，總之，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)SST的測(cè)量方法難以滿足對(duì)遙感SST的驗(yàn)證要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對(duì)上述不足，本發(fā)明提供一種水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其可對(duì)水體皮溫進(jìn)行高精度的接觸式測(cè)量，該皮溫可用于對(duì)衛(wèi)星遙感的在軌定標(biāo)，對(duì)衛(wèi)星遙感SST的結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)(或稱為SST真實(shí)性檢驗(yàn))，同時(shí)，該裝置可同步測(cè)量大氣底層、水體皮層和上表層的溫度，還可用于水體皮溫-表溫的關(guān)系分析以及海氣相互作用熱通量研究等。
[0005]為實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案是:
[0006]一種水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其包括至少一測(cè)溫棒、A/D轉(zhuǎn)換器以及處理器，其中:
[0007]所述測(cè)溫棒的上段安裝有多個(gè)沿該測(cè)溫棒長(zhǎng)度方向設(shè)置的具有0.6mm等距間隔的皮層溫度探頭，所述測(cè)溫棒的下段安裝有多個(gè)沿該測(cè)溫棒長(zhǎng)度方向設(shè)置的具有等距間隔的表層溫度探頭；
[0008]所述皮層溫度探頭和表層溫度探頭均通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與處理器電性連接；以及
[0009]所述測(cè)溫棒上進(jìn)一步安裝有多個(gè)沿該測(cè)溫棒長(zhǎng)度方向設(shè)置的具有等距間隔的壓力傳感器。
[0010]所述測(cè)溫棒的長(zhǎng)度為150cm，其中，其上段為50cm，設(shè)置于測(cè)溫棒上段的皮層溫度探頭緊密排列；設(shè)置于測(cè)溫棒下段的相鄰的兩表層溫度探頭間的距離為5mm ;所述測(cè)溫棒置于水體內(nèi)時(shí)其上段露出水面5?45cm。
[0011]所述壓力傳感器為8個(gè)，相鄰兩壓力傳感器間的距離為20cm。
[0012]所述測(cè)溫棒為9根，該9根測(cè)溫棒組成20CmX20Cm的方形陣列。
[0013]所述方形陣列的底部設(shè)有一半球形浮體，測(cè)溫棒安裝于該浮體上，所述浮體為空腔結(jié)構(gòu)，處理器以及其外圍電路均安裝于該空腔結(jié)構(gòu)中。
[0014]所述皮層溫度探頭和表層溫度探頭均為PSB-S7型的熱敏電阻。
[0015]每個(gè)所述的熱敏電阻與三個(gè)相同阻值的固定電阻組成一惠斯通電橋，所述惠斯通電橋的輸出端連接至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。
[0016]本發(fā)明還提供了一種衛(wèi)星遙感的在軌定標(biāo)方法，其包括以下步驟:
[0017]步驟1、在同一水域，分別采用上述的水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置以及熱成像儀同時(shí)對(duì)該水域的水體皮層進(jìn)行溫度測(cè)量；
[0018]步驟2、將所述水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果與熱成像儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以完成水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置到熱成像儀的定標(biāo)傳遞；
[0019]步驟3、采用定標(biāo)傳遞后的熱成像儀快速獲取貫穿衛(wèi)星遙感圖像像元的條帶狀水體的皮溫，基于MODTRAN模型模擬海表-星間紅外輻射傳輸，對(duì)與現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量同步的衛(wèi)星熱紅外傳感器進(jìn)行在軌定標(biāo)。
[0020]在步驟I前還包括以下步驟:對(duì)所述水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置中的測(cè)溫棒進(jìn)行溫度標(biāo)定。
[0021]所述步驟I中水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置對(duì)水體皮層測(cè)溫的方法是:
[0022]將測(cè)溫棒置于該水體中，測(cè)溫棒的上端露出水面5?45cm，在水體的水面放置一用于測(cè)量背景大氣壓的背壓壓力傳感器，根據(jù)安裝于測(cè)溫棒上且位于水中的壓力傳感器測(cè)量的壓力分布和所述背景大氣壓通過(guò)反演測(cè)溫棒相對(duì)水體液面的位置確定位于水面以下的第一個(gè)皮層溫度探頭，該位于水面以下的第一個(gè)皮層溫度探頭所指示的溫度即為水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置所測(cè)量的水體皮層溫度。
[0023]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0024]1、本發(fā)明水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置可以同步測(cè)量水體皮溫和表溫，準(zhǔn)確測(cè)量水體表層(I米水深)的水溫三維分布，測(cè)溫靈敏度0.0005K,測(cè)量精度可達(dá)±0.02K,極大地提高水體皮溫的測(cè)量精度。
[0025]2、本發(fā)明水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置可以現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定國(guó)際上先進(jìn)的熱成像儀(測(cè)溫靈敏度0.035K，測(cè)溫誤差1%?2%，640 X 480像元成像)，提高熱成像儀的測(cè)溫精度，再以熱成像儀快速獲取貫穿衛(wèi)星遙感圖像像元的條帶狀水體皮溫。以條帶內(nèi)的皮溫平均值作為對(duì)應(yīng)像元的現(xiàn)場(chǎng)皮溫真實(shí)值，大大提高現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與遙感數(shù)據(jù)之間的空間匹配性，從而提高對(duì)衛(wèi)星熱紅外傳感器在軌定標(biāo)的精度，提高遙感反演SST真實(shí)性檢驗(yàn)的可靠性和可信度。
【專利附圖】
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置的電氣原理圖；
[0027]圖2為本發(fā)明中測(cè)溫棒組成的方形陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖3為單個(gè)測(cè)溫棒的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖4為惠斯通不平衡電橋的電氣原理圖；
[0030]圖5為對(duì)衛(wèi)星遙感在軌定標(biāo)的流程圖。
[0031]其中:1、測(cè)溫棒；11、測(cè)溫棒上段；111、皮層溫度探頭；12、測(cè)溫棒下段；121、表層溫度探頭；2、浮體；3、環(huán)形體。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0033]實(shí)施例
[0034]按照水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置的功能，可以將該裝置細(xì)分為測(cè)溫系統(tǒng)、壓力感應(yīng)測(cè)深裝置和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
[0035]一、測(cè)溫系統(tǒng)
[0036]請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，測(cè)溫系統(tǒng)主要包括測(cè)溫棒、溫度探頭、惠斯通電橋和AD轉(zhuǎn)換器組成。
[0037]請(qǐng)參照?qǐng)D3所示，測(cè)溫棒I包括測(cè)溫棒上段11和測(cè)溫棒下段12，溫度探頭包括皮層溫度探頭111和表層溫度探頭121。測(cè)溫棒I的總長(zhǎng)度為130cm，測(cè)溫棒上段11的長(zhǎng)度為50cm，則測(cè)溫棒下段12的長(zhǎng)度為80cm。皮層溫度探頭111以緊密排列方式沿測(cè)溫棒I的長(zhǎng)度方向安裝于測(cè)溫棒上段11上，同理，表層溫度探頭121以一定的間隔沿測(cè)溫棒I的長(zhǎng)度方向安裝于測(cè)溫棒下段12上。
[0038]為了測(cè)量海水皮溫，需要溫度探頭的空間分辨率達(dá)到亞毫米級(jí)別，在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，皮層溫度探頭111和表層溫度探頭121均使用PSB-S7熱敏電阻可以實(shí)現(xiàn)0.6mm的空間分辨率，即PSB-S7熱敏電阻的直徑為0.6mm,因此，相鄰皮層溫度探頭111的間隔dl為0.6mm,同時(shí),相鄰表層溫度探頭121的間隔d2為5mm。測(cè)溫棒I放置于水體中進(jìn)行測(cè)量時(shí)，其測(cè)溫棒上段11的長(zhǎng)度為5-45cm，保證測(cè)溫棒上段11中總有一皮層溫度探頭111位于水體的皮層中，同時(shí)這樣的設(shè)置方式可以保證該測(cè)溫棒I能夠同步測(cè)量大氣底邊界層氣溫(由露出水面的皮層溫度探頭111完成)、水體皮溫(由置于水體中的第一個(gè)皮層溫度探頭111完成)和水體上表層(1.2米以淺，可由剩余皮層溫度探頭111和表層溫度探頭121共同完成)水溫，可用于水體皮溫-表溫的關(guān)系分析以及海氣相互作用熱通量研究等。
[0039]熱敏電阻用半導(dǎo)體材料制造，多數(shù)為負(fù)溫度系數(shù)，即阻值隨溫度增加而降低。因?yàn)轫憫?yīng)速度快的熱敏電阻體積也很小，使用恒流源測(cè)量阻值會(huì)產(chǎn)生很大的自熱誤差，因此在本發(fā)明中使用惠斯通不平衡電橋?qū)-T的變化轉(zhuǎn)換為電橋輸出電壓的變化，如圖4所示，每個(gè)皮層溫度探頭111和表層溫度探頭121均對(duì)應(yīng)設(shè)置在以惠斯通不平衡電橋中，在該電橋中與其配合的固定電阻(即R1、R2、R3)的阻值取IOkQ。
[0040]惠斯通不平衡電橋輸出的模擬電壓需要使用模-數(shù)轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，因此在該惠斯通不平衡電橋的輸出端Uo連接A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。為了便于測(cè)量，在惠斯通不平衡電橋和A/D轉(zhuǎn)換器之間設(shè)置一信號(hào)放大器。為了獲得較高的測(cè)量精度，需要使用高精度的AD芯片，為了適應(yīng)多路溫度信號(hào)同步采集的需要，需要AD芯片具有較多的采集通道和與熱敏電阻響應(yīng)時(shí)間匹配的測(cè)量速度。系統(tǒng)采用美國(guó)ADI公司AD7794采集溫度信號(hào)。AD7794是專為高精度溫度測(cè)量設(shè)計(jì)的低功耗、低噪音ADC:工作電壓2.7V?5.25V，典型電流值400A，內(nèi)置低端電源開(kāi)關(guān)，在省電模式下的電流消耗僅為1A，適用于供電受限的應(yīng)用場(chǎng)合。
[0041]設(shè)計(jì)使用多片AD7794高精度AD轉(zhuǎn)換器同步并行工作，每個(gè)AD7794可采集6個(gè)溫度通道，全部測(cè)量各通道最短僅需40ms (470Hz數(shù)據(jù)更新速率時(shí))，與溫度探頭的響應(yīng)時(shí)間匹配。AD7794是24位Σ - Λ型AD轉(zhuǎn)換器，能夠分辨微小信號(hào)變化，實(shí)現(xiàn)高精度的溫度測(cè)量。多個(gè)AD7794并行采集，使用16位寬度的數(shù)據(jù)總線和4路4-16線譯碼器作為片選信號(hào)，總計(jì)只用24根數(shù)據(jù)與片選線和2根電源線即可實(shí)現(xiàn)5000余路數(shù)據(jù)的同步采集，極大的簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。使用多層印制電路板技術(shù)，每個(gè)AD7794與測(cè)量的熱敏電阻焊接在同一個(gè)電路板上，不用額外引線，降低了系統(tǒng)的制作難度，采集的溫度信號(hào)經(jīng)過(guò)線性化處理后通過(guò)相應(yīng)的接口經(jīng)由高速SPI數(shù)據(jù)總線傳輸給ARM核心的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，保存在NAND Flash架構(gòu)的大容量存儲(chǔ)器中。使用多片AD7794型6通道(每一個(gè)AD7794轉(zhuǎn)換器可對(duì)應(yīng)連接六個(gè)溫度探頭)24位精密AD作為溫度采集芯片，對(duì)熱敏電阻構(gòu)成的非平衡電橋的輸出電壓經(jīng)過(guò)信號(hào)放大、AD轉(zhuǎn)換、線性化變換后轉(zhuǎn)換為溫度信號(hào)的測(cè)量方案，達(dá)到了 5mK的測(cè)溫精度和最短40ms遍歷所有通道的高度同步測(cè)量。
[0042]測(cè)溫棒I采用PMMA有機(jī)玻璃管作為外殼，在溫度探頭對(duì)應(yīng)位置的外殼上開(kāi)孔，并使用環(huán)氧樹(shù)脂密封和固定溫度探頭對(duì)應(yīng)的位置，以使溫度探頭被固定且起到防水的密封作用。
[0043]請(qǐng)參照?qǐng)D2所示，為使測(cè)溫系統(tǒng)能夠測(cè)量某水體的三維數(shù)據(jù)，在本發(fā)明實(shí)施例中，采用多個(gè)測(cè)溫棒組成的方形陣列實(shí)現(xiàn)，具體地，可由9根相同配置的測(cè)溫棒I組成三維測(cè)溫結(jié)構(gòu)，該9根測(cè)溫棒I成方形陣列并且其下段均插接于一半球形的浮體2上實(shí)現(xiàn)固定，該半球形為中空結(jié)構(gòu)，信息采集系統(tǒng)安裝于該中空結(jié)構(gòu)中，浮體2的半徑根據(jù)信息采集系統(tǒng)、測(cè)溫棒I以及固定浮體2的環(huán)形體3的總重量而定，即浮體2經(jīng)受水體的浮力與上述總重量的重力需滿足測(cè)溫棒I露出水面5-45cm。該9根同步測(cè)溫棒以3X3方陣IOcm間距排列構(gòu)成，形成對(duì)大氣底邊界層氣溫、水體皮溫和水體上表層20cmX20cm水柱溫度的三維同步精細(xì)測(cè)量，為研究表溫結(jié)構(gòu)和皮溫的關(guān)聯(lián)性和大氣底邊界層溫度與海水表皮層溫度結(jié)構(gòu)的關(guān)系提供了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。
[0044]二、壓力感應(yīng)測(cè)深裝置
[0045]每一時(shí)刻總有一個(gè)皮層溫度探頭111指示了海水的皮層溫度，由于皮層的位置，位于海水皮層的皮層溫度探頭111總會(huì)是第一個(gè)水面以下的那個(gè)皮層溫度探頭。對(duì)該第一個(gè)水面以下的皮層溫度探頭的判斷是通過(guò)多個(gè)壓力傳感器進(jìn)行，壓力傳感器沿測(cè)量棒的長(zhǎng)度方向安裝于測(cè)溫棒上，相鄰兩壓力傳感器的距離為20cm。在水面放置I個(gè)背壓壓力傳感器測(cè)量背景大氣壓，通過(guò)測(cè)溫棒上設(shè)置具有等距離間隔的壓力傳感器測(cè)量的壓力分布和背景大氣壓相結(jié)合可以高精度反演海水液面相對(duì)測(cè)溫棒的位置，從而確定是哪一個(gè)皮層溫度探頭是水面以下的第一個(gè)。壓力傳感器將確定的第一個(gè)位于水面以下的皮層溫度探頭的信息發(fā)送至信息采集系統(tǒng)，該信息采集系統(tǒng)即可確定皮層溫度，并可以哪些皮層溫度探頭用于測(cè)量大氣底層溫度，哪些溫度探頭用于測(cè)量水體表層溫度。
[0046]在本發(fā)明較佳的實(shí)施例中，壓力傳感器采用基于高精度擴(kuò)散硅壓力傳感器的測(cè)深方案，該方案使用固態(tài)MEMS技術(shù)制造的高精度擴(kuò)散硅壓力傳感器，能夠檢測(cè)0.1毫米水深變化引起的壓力變化，測(cè)深精度可以達(dá)到0.5毫米，以9根測(cè)溫棒測(cè)量的皮溫平均值作為測(cè)量水域(20X20厘米水域)的皮溫-表溫三維同步數(shù)據(jù)。
[0047]三、信息采集系統(tǒng)
[0048]請(qǐng)參照?qǐng)D1所示，信息采集系統(tǒng)主要包括處理器(中央控制模塊)以及其外圍電路，處理器通過(guò)SPI數(shù)據(jù)總線接收來(lái)自測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫結(jié)果以及來(lái)自壓力感應(yīng)測(cè)深裝置對(duì)測(cè)溫棒位置的確定信息。其外圍電路主要包括電源模塊、時(shí)鐘模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊、定位及衛(wèi)星通信模塊。
[0049](I)中央控制模塊
[0050]中央控制模塊使用STM32F103VCT6作為主要的處理器。該處理器使用Cortex_M3內(nèi)核，具有72MHz時(shí)鐘頻率，1.25DMIPS/MHZ的處理能力，O等待周期的存儲(chǔ)器和單周期硬件乘除法，使用多種創(chuàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了業(yè)界最高的能效，對(duì)32位的高速運(yùn)算和高效能控制提供了理想的解決方案。
[0051]該處理器具有豐富的通信接口，能夠滿足各傳感器的測(cè)量需要。具有3個(gè)增強(qiáng)型的USART串口，分別用于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)采集模塊、定位與衛(wèi)星通信模塊的控制與數(shù)據(jù)傳輸；具有2個(gè)獨(dú)立的I2C接口，用于RTC時(shí)鐘模塊的控制與數(shù)據(jù)傳輸；1個(gè)全速USB2.0接口，用于向PC機(jī)高速上載測(cè)量數(shù)據(jù)；2個(gè)高達(dá)50MHz的SPI通信接口，通過(guò)片選邏輯，可以用于皮溫-表溫測(cè)量模塊的同步測(cè)量控制及高速數(shù)據(jù)傳輸；1個(gè)FSMC (可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)，80個(gè)可配置的IO 口，可以用于高速驅(qū)動(dòng)高達(dá)64G存儲(chǔ)容量的NAND Flash存儲(chǔ)器模塊。
[0052]因?yàn)楹Ｑ蟓h(huán)境惡劣，使用8MHz有源晶振保證系統(tǒng)穩(wěn)定工作。除了外部有源晶振電路輸入的時(shí)鐘信號(hào)，該處理器還有內(nèi)部8MHz高速時(shí)鐘源和內(nèi)部40kHz低速時(shí)鐘源，在其中一個(gè)或多個(gè)時(shí)鐘源發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)能夠切換到其他時(shí)鐘源繼續(xù)正常工作，診斷和恢復(fù)故障時(shí)鐘源，保證了高度的系統(tǒng)可靠性。該處理器內(nèi)置硬件獨(dú)立看門狗電路，在系統(tǒng)出現(xiàn)意外卡死時(shí)可以復(fù)位整個(gè)電路，數(shù)據(jù)備份電路用于系統(tǒng)意外復(fù)位時(shí)恢復(fù)上次工作狀態(tài)。
[0053](2)電源模塊
[0054]作為本發(fā)明為中央控制模塊和各傳感器提供穩(wěn)定的多電壓直流供電的電源模塊采用LG-486789鋰電芯，該鋰電芯的外形尺寸為:67mmX89mmX4.3mm，重量32.5g，額定電壓3.7V，單節(jié)容量3.2A.h，20節(jié)鋰電池芯構(gòu)成一個(gè)鋰電池塊，整合保護(hù)電路和外殼后外形尺寸為80mmX120mmX 100mm，重量為800g，額定電壓3.7V，每塊容量為60A.h，約合220W *h。其經(jīng)過(guò)DC-DC穩(wěn)壓模塊為中央控制器和各傳感器提供3.3V穩(wěn)定直流電壓，為GPS定位與衛(wèi)星通信模塊提供大功率24V直流電壓。
[0055](3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊
[0056]考慮到壓力液位數(shù)據(jù)、時(shí)鐘數(shù)據(jù)、儀器姿態(tài)數(shù)據(jù)、GPS位置數(shù)據(jù)和相關(guān)水文數(shù)據(jù)，總數(shù)據(jù)量在40G左右。如果采用傳統(tǒng)的SD卡作為存儲(chǔ)介質(zhì)，在復(fù)雜的海上應(yīng)用環(huán)境中，劇烈的系統(tǒng)震動(dòng)和復(fù)雜的物理環(huán)境有可能使SD卡發(fā)生移位或接觸不良等故障，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和不穩(wěn)定性。在本發(fā)明實(shí)施例中，采用Micron公司的MT29F512G08⑶CAB，其為NANDFlash且具有64GBytes的存儲(chǔ)容量的存儲(chǔ)器，能夠滿足該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)需要。該存儲(chǔ)器直接焊接在電路板上，用STM32F103的FSMC接口可實(shí)現(xiàn)快速存取數(shù)據(jù)，讀寫速度快于SD卡，消除系統(tǒng)機(jī)械故障的可能性。
[0057](4)定位及衛(wèi)星通信模塊
[0058]使用GPS定位模塊提供系統(tǒng)所在位置信息，定位精度為5?10米，在有條件的情況下，使用北斗定位模塊提供系統(tǒng)位置信息，可獲得最高1.2米的高精度定位準(zhǔn)確度。
[0059]數(shù)據(jù)傳輸衛(wèi)星通信系統(tǒng)由TT-3026L/M衛(wèi)星終端、控制模塊、數(shù)據(jù)傳輸電纜等組成。TT-3026L/M產(chǎn)品(產(chǎn)品名稱為eCTrack)具有體積小，價(jià)格低，一體化程度高，通信范圍覆蓋全球，通信費(fèi)用極為便宜等特點(diǎn)，適用于本課題的需求。在有條件的情況下，使用北斗通信終端，利用北斗特有的短報(bào)文通信能力，將系統(tǒng)工作狀態(tài)即時(shí)發(fā)回岸基接收系統(tǒng)，或?qū)⒖刂浦噶畎l(fā)往系統(tǒng)，改變系統(tǒng)工作模式。
[0060]( 5 )運(yùn)動(dòng)姿態(tài)采集模塊
[0061]信息采集模塊除上述處理器外，還包括運(yùn)動(dòng)姿態(tài)采集模塊，該模塊的輸出與處理器相連，主要用于監(jiān)測(cè)測(cè)溫系統(tǒng)在水體中的垂直程度。測(cè)溫棒的姿態(tài)信息對(duì)于校正壓力傳感器測(cè)量的液位數(shù)據(jù)十分重要。本項(xiàng)目中使用正交放置的HMC1021磁阻傳感器，通過(guò)測(cè)量地磁場(chǎng)的方向確定航向信息；使用芬蘭VTI公司的水平傾角傳感器，測(cè)量棒相對(duì)于水平面的傾角；通過(guò)三軸加速度傳感器測(cè)量測(cè)量棒在三維空間上的直線加速度。通過(guò)對(duì)運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的三個(gè)角度量和三個(gè)加速度量的測(cè)量，可以準(zhǔn)確計(jì)算儀器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，精確校正壓力傳感器測(cè)量的液位信息。
[0062]該水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置含有9個(gè)測(cè)溫棒，集成了測(cè)量皮溫的高密度溫度探頭陣列、測(cè)量表溫的溫度探頭陣列和基于壓力傳感器測(cè)量海表面位置的液位測(cè)量模塊，以及相應(yīng)的信號(hào)處理和數(shù)據(jù)采集電路。處理器使用高速ARM處理器作為核心，根據(jù)海水皮溫-表溫測(cè)量要求,產(chǎn)生同步觸發(fā)信號(hào),使9個(gè)測(cè)溫棒同步采集海水表皮水柱(1.2米以淺)的三維溫度分布，測(cè)量的數(shù)據(jù)通過(guò)高速SPI數(shù)據(jù)總線傳輸給中央控制器，存儲(chǔ)在NANDFlash架構(gòu)的大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊中。處理器采集運(yùn)動(dòng)姿態(tài)測(cè)量模塊中的三軸傾角和加速度，確定該裝置的姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，校正氣所測(cè)量的液位信息。時(shí)間模塊使用高精度晶振和RTC時(shí)鐘為儀器提供準(zhǔn)確的時(shí)間基準(zhǔn)。該裝置的地球坐標(biāo)位置信息由北斗/GPS定位模塊測(cè)得，位置信息和該裝置的工作狀態(tài)信息通過(guò)衛(wèi)星通信模塊傳輸?shù)桨痘虼邮照?，為該裝置的定位和回收服務(wù)。
[0063]采用該水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置進(jìn)行衛(wèi)星熱紅外傳感器的在軌定標(biāo)方法，包括以下步驟:
[0064]1、首先在該水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置投入使用前，須對(duì)測(cè)溫棒上的溫度探頭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定，以提聞測(cè)量精度。
[0065]2、在同一水域，分別采用水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置以及熱成像儀同時(shí)對(duì)該水域的水體皮層進(jìn)行溫度測(cè)量。
[0066]水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置是放在水體中的接觸式測(cè)溫儀器，熱成像儀是用于水面上非接觸式的測(cè)溫儀器，兩臺(tái)儀器的工作方式不同，要通過(guò)水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置與熱成像儀的同步測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱成像儀的現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)。選擇晴朗無(wú)云且無(wú)風(fēng)或微風(fēng)氣候條件開(kāi)展海上試驗(yàn)，以盡量減少不良天氣因素對(duì)試驗(yàn)的影響。將熱成像儀架在支架上離水面約2米高度處，先測(cè)量布放了水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置的水域的皮溫，同步測(cè)量同一水體50組以上數(shù)據(jù)，對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，建立從水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置測(cè)量的真實(shí)水體皮溫與熱成像儀對(duì)應(yīng)測(cè)量值之間的關(guān)系，提高熱成像儀的測(cè)量精度。實(shí)現(xiàn)從水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置到熱成像儀的定標(biāo)傳遞。
[0067]試驗(yàn)中注意考察熱成像儀布放姿態(tài)(高度，傾斜度等)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，考察水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置在水中姿態(tài)變化規(guī)律及其對(duì)皮溫測(cè)量的影響。其中，水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置對(duì)水體皮層測(cè)溫的方法是:將測(cè)溫棒置于該水體中，測(cè)溫棒的上端露出水面5?45cm，在水體的水面放置一用于測(cè)量背景大氣壓的背壓壓力傳感器，根據(jù)安裝于測(cè)溫棒上且位于水中的壓力傳感器測(cè)量的壓力分布和所述背景大氣壓通過(guò)反演測(cè)溫棒相對(duì)水體液面的位置確定位于水面以下的第一個(gè)皮層溫度探頭，該位于水面以下的第一個(gè)皮層溫度探頭所指示的溫度即為水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置所測(cè)量的水體皮層溫度。
[0068]3、完成熱成像儀現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)后，水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置和熱成像儀可以分別單獨(dú)使用。將現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)好的熱成像儀架于離船體約15米(小船條件下為5米)遠(yuǎn)的左側(cè)前方，可以通過(guò)改變支架長(zhǎng)度，以測(cè)量水域不受船體航行擾動(dòng)為準(zhǔn)。連續(xù)獲取航行路徑沿線整個(gè)條帶的水體皮溫，該數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)定位處理及統(tǒng)計(jì)計(jì)算，以對(duì)應(yīng)像元位置內(nèi)該段條帶的皮溫平均值作為該像元的皮溫現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)值，該值是貫穿像元條帶的平均值，與衛(wèi)星遙感像元的空間匹配性比常規(guī)的點(diǎn)狀測(cè)量數(shù)據(jù)大大增加，而且熱成像儀獲取的條帶皮溫?cái)?shù)據(jù)，因經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)定標(biāo)，精度可以達(dá)到優(yōu)于0.1K (受熱成像儀的測(cè)溫精度制約)。該數(shù)據(jù)用于衛(wèi)星熱紅外數(shù)據(jù)的真實(shí)性檢驗(yàn)和在軌定標(biāo)，以利地面?zhèn)鞲衅鞯叫l(wèi)星傳感器的定標(biāo)傳遞，提高定標(biāo)精度。
[0069]4、在第3步中，也可以將熱成像儀架于低空飛行器(包括航拍飛機(jī)，無(wú)人機(jī)，飛艇等)上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，再以標(biāo)定好的熱成像儀快速獲取大范圍水域的皮溫?cái)?shù)據(jù)，以低空飛行器為平臺(tái)獲取的皮溫?cái)?shù)據(jù)，與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)的空間匹配性更好。
[0070]而水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置獲取的溫度數(shù)據(jù)還可以用于水體皮溫-表溫關(guān)系分析，SST算法反演研究以及海氣相互作用熱通量研究等。
[0071]5、要完成地面(或低空)傳感器到衛(wèi)星傳感器的定標(biāo)傳遞，需要考慮大氣對(duì)熱紅外輻射的影響，通常利用M0DTRAN等大氣輻射傳輸模型，模擬計(jì)算海表-衛(wèi)星之間大氣對(duì)熱紅外輻射傳輸?shù)挠绊?，完成?duì)衛(wèi)星熱紅外傳感器的在軌定標(biāo)試驗(yàn)，流程示意圖請(qǐng)參照?qǐng)D5所
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[0072]通過(guò)衛(wèi)星(衛(wèi)星遙感)-海上(采用水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置標(biāo)定后的熱成像儀)準(zhǔn)同步觀測(cè)試驗(yàn),收集航次條帶內(nèi)的精確海表皮溫?cái)?shù)據(jù)，并施放探空氣球,測(cè)定大氣溫度、水汽含量剖面廓線。利用大氣輻射傳輸模型(M0DTRAN)模擬海表紅外輻射到大氣層頂(星上)的傳輸過(guò)程，開(kāi)展紅外輻射傳輸對(duì)大氣模式、水汽剖面、視角幾何等主要因素的敏感性分析，研究大氣透過(guò)率及大氣輻射對(duì)海表溫度反演的影響，建立其校正模型。此部分為衛(wèi)星遙感在軌定標(biāo)的常規(guī)方法，本發(fā)明中的定標(biāo)數(shù)據(jù)由于通過(guò)水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置進(jìn)行標(biāo)定，和通過(guò)快速獲取大范圍皮溫?cái)?shù)據(jù)，解決了當(dāng)前衛(wèi)星熱紅外傳感器在軌定標(biāo)和衛(wèi)星遙感溫度產(chǎn)品真實(shí)性檢驗(yàn)工作中存在的兩大困難:(I)皮溫測(cè)量精度低和(2)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)與衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)空間匹配性差，從而可以大大提高衛(wèi)星熱紅外傳感器的定標(biāo)精度和衛(wèi)星遙感SST的反演精度。
[0073]上列詳細(xì)說(shuō)明是針對(duì)本發(fā)明可行實(shí)施例的具體說(shuō)明，該實(shí)施例并非用以限制本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡未脫離本發(fā)明所為的等效實(shí)施或變更，均應(yīng)包含于本案的保護(hù)范圍中。
【權(quán)利要求】
1.一種水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其特征在于，其包括至少一測(cè)溫棒、A/D轉(zhuǎn)換器以及處理器，其中: 所述測(cè)溫棒的上段安裝有多個(gè)沿該測(cè)溫棒長(zhǎng)度方向設(shè)置的具有0.6mm等距間隔的皮層溫度探頭，所述測(cè)溫棒的下段安裝有多個(gè)沿該測(cè)溫棒長(zhǎng)度方向設(shè)置的具有等距間隔的表層溫度探頭； 所述皮層溫度探頭和表層溫度探頭均通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器與處理器電性連接；以及 所述測(cè)溫棒上進(jìn)一步安裝有多個(gè)沿該測(cè)溫棒長(zhǎng)度方向設(shè)置的具有等距間隔的壓力傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其特征在于，所述測(cè)溫棒的長(zhǎng)度為150cm，其中，其上段為50cm，設(shè)置于測(cè)溫棒上段的皮層溫度探頭緊密排列；設(shè)置于測(cè)溫棒下段的相鄰的兩表層溫度探頭間的距離為5mm ;所述測(cè)溫棒置于水體內(nèi)時(shí)其上段露出水面5?45cm。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其特征在于，所述壓力傳感器為8個(gè)，相鄰兩壓力傳感器間的距離為20cm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其特征在于，所述測(cè)溫棒為9根，該9根測(cè)溫棒組成20cmX 20cm的方形陣列。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其特征在于，所述方形陣列的底部設(shè)有一半球形的浮體，測(cè)溫棒安裝于該浮體上，所述浮體為空腔結(jié)構(gòu)，處理器以及其外圍電路均安裝于該空腔結(jié)構(gòu)中。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其特征在于，所述皮層溫度探頭和表層溫度探頭均為PSB-S7型的熱敏電阻。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置，其特征在于，每個(gè)所述的熱敏電阻與三個(gè)相同阻值的固定電阻組成一惠斯通電橋，所述惠斯通電橋的輸出端連接至A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。
8.—種衛(wèi)星遙感的在軌定標(biāo)方法，其特征在于，其包括以下步驟: 步驟1、在同一水域，分別采用權(quán)利要求1-7任一項(xiàng)所述的水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置以及熱成像儀同時(shí)對(duì)該水域的水體皮層進(jìn)行溫度測(cè)量； 步驟2、將所述水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置的測(cè)量結(jié)果與熱成像儀的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行比對(duì)，以完成水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置到熱成像儀的定標(biāo)傳遞； 步驟3、采用定標(biāo)傳遞后的熱成像儀快速獲取貫穿衛(wèi)星遙感圖像像元的條帶狀水體的皮溫，基于MODTRAN模型模擬海表-星間紅外輻射傳輸，對(duì)與現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)量同步的衛(wèi)星熱紅外傳感器進(jìn)行在軌定標(biāo)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的衛(wèi)星遙感的在軌定標(biāo)方法，其特征在于，在步驟I前還包括以下步驟:對(duì)所述水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置中的測(cè)溫棒進(jìn)行溫度標(biāo)定。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的衛(wèi)星遙感的在軌定標(biāo)方法，其特征在于，所述步驟I中水體皮溫-表溫同步測(cè)量裝置對(duì)水體皮層測(cè)溫的方法是: 將測(cè)溫棒置于該水體中，測(cè)溫棒的上端露出水面5?45cm，在水體的水面放置一用于測(cè)量背景大氣壓的背壓壓力傳感器，根據(jù)安裝于測(cè)溫棒上且位于水中的壓力傳感器測(cè)量的壓力分布和所述背景大氣壓通過(guò)反演測(cè)溫棒相對(duì)水體液面的位置確定位于水面以下的第一個(gè)皮層溫度探頭，該位于水面以下的第一個(gè)皮層溫度探頭所指示的溫度即為水體皮 溫-表溫同步測(cè)量 裝置所測(cè)量的水體皮層溫度。
【文檔編號(hào)】G01K7/24GK103439025SQ201310400448
【公開(kāi)日】2013年12月11日 申請(qǐng)日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】陳楚群 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所