一種現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量方法及其測量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及海洋監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種海面上波浪破碎所產(chǎn)生的白浪對整個背景海面在面積上所占的覆蓋率的測量方法及其測量裝置，包括設(shè)置在載體上的海面白冠上行輻亮度測量裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、太陽光下行輻射測量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置。本發(fā)明可以簡單而精確地測量出海上的白冠覆蓋率，并可消除太陽光變化所帶來的影響，實(shí)現(xiàn)了自動化的方法來收集測量到的數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和處理，且裝置搭載的平臺要求簡單，可適用于復(fù)雜海況，相對于海洋遙感測量手段，本發(fā)明的測量方法簡單而精確；相對于航空遙感測量手段，本發(fā)明測量成本低、受天氣狀況影響小、而且具有可以連續(xù)測量的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】一種現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量方法及其測量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種海面上波浪破碎所產(chǎn)生的白浪對整個背景海面在面積上所占的覆蓋率的測量方法及其測量裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]海表面在風(fēng)的連續(xù)作用下產(chǎn)生波浪，波浪逐漸成長，波動的非線性越來越強(qiáng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某一臨界值時，波浪便破碎并在波峰處產(chǎn)生大量的水沫和水滴，在波動水體內(nèi)部和表面產(chǎn)生大量的氣泡.這種在波面上清晰可見的白色水體就是所謂的白冠，它是空氣和海水湍混合的結(jié)果。海浪白冠由波峰處直接生成的白冠泡沫、次表層的淹沒水泡、被卷入水中的氣泡上升到海表面主峰后形成的泡沫斑跡和風(fēng)吹滯留海面形成的條狀浪沫羽共同組成。直觀上，海表面白冠覆蓋區(qū)域所占計(jì)算海區(qū)總面積的比例被定義為白冠覆蓋率。
[0003]強(qiáng)風(fēng)驅(qū)動的海面，波浪破碎時大量的空氣被卷人水中形成氣泡，氣泡個數(shù)呈指數(shù)衰減分布在波面下方，形成氣泡層。因此白冠的存在加強(qiáng)了海洋和大氣之間的氣體交換。
[0004]風(fēng)浪破碎，白冠出現(xiàn)，海面粗糙度加強(qiáng)，破碎的海水被拋出水面，它從風(fēng)速中得到能量。水體被挾卷，重新進(jìn)入海洋，它將動量傳輸給表層海流等。白冠的產(chǎn)生伴隨著大量氣泡在海面爆裂而產(chǎn)生水沫滴，這些水沫滴噴灑到空氣中大大擴(kuò)展了海水的蒸發(fā)面積，從而急劇地增強(qiáng)了海一氣熱量交換。在風(fēng)速超過一定的臨界值之后，海面蒸發(fā)主要通過水沫滴的方式進(jìn)行。因此在這樣一個海洋與大氣之間強(qiáng)烈的湍流渦動過程中，白冠的產(chǎn)生加強(qiáng)了海氣界面間熱量和動量的交換。因此，研究海洋白冠的存在對大氣海洋的氣體交換、大氣海洋熱量和動量交換的影響需要獲得海洋白冠覆蓋率的信息。
[0005]目前白冠覆蓋率的測量一般是采用海洋遙感和航空拍攝的手段進(jìn)行獲取，然而，各個海區(qū)由于其水體的差異導(dǎo)致了海水和白冠反射率存在區(qū)域上的差異性，給遙感數(shù)據(jù)的提取帶來了很大的不確定性；航空拍攝是另外的一種測量方法，然而其成本高，而且無法實(shí)現(xiàn)長期的連續(xù)觀測；如果采用海上定點(diǎn)的圖像觀測，由于計(jì)算白冠覆蓋率圖片要求的海面面積較大，這就需要攝像探頭擺放足夠高的位置，這對于惡劣的海上野外環(huán)境顯然是不實(shí)際的；因此，從觀測成本和觀測精度上目前的技術(shù)手段還是存在著很大的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明旨在公開一種測量海上白冠覆蓋率的方法和裝置。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量方法，包括以下步驟:
步驟1:在海面載體上安裝海面白冠上行輻亮度測量裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、太陽下行輻照度測量裝置、以及視頻數(shù)據(jù)采集裝置，載體漂浮于海面上，載體可以是浮標(biāo)或船只，因此可以現(xiàn)場測量海面的白冠變化情況；
步驟2:利用所述海面白冠上行輻亮度測量裝置測量海面白冠生成至消退過程中白浪的上行輻射能量值數(shù)據(jù)，獲取光譜值Lu，Lu的波長范圍為400nm至850nm，Lu的值會隨著波浪的流動而變化(包括無白冠的值、白冠產(chǎn)生、生長到最大、然后減小、直至消退)；
步驟3:由于太陽光下行輻射照度的變化將影響Lu的變化，一般情況下，太陽光下行輻射照度的增強(qiáng)會導(dǎo)致Lu的增大，太陽光下行輻射照度的減弱會導(dǎo)致Lu的減小，因此需要利用所述太陽光下行輻射測量裝置測量太陽的下行輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，獲取太陽下行輻射照度值Es ；
步驟4:承接步驟3，然后定義R為白冠反射率，R=Lu/Es,達(dá)到扣除太陽光變化所帶來的影響；
步驟5:數(shù)據(jù)采集器采集Lu和Es值，并計(jì)算白冠反射率R，并繪制R值在一個波浪周期T內(nèi)的曲線圖，各個R值在曲線圖上構(gòu)成曲線，反映出在T時間內(nèi)白冠在海面發(fā)生至消失的特性；
步驟6:利用視頻數(shù)據(jù)采集裝置采集海上白冠的變化圖像，從圖像中尋找白冠產(chǎn)生和消退的時間點(diǎn)tO和tl (如圖7)，并在步驟5中的曲線圖曲線上找出對應(yīng)tO和tl的R值，該R值為白冠產(chǎn)生和消退的閥值Rf，如圖8所示，閥值Rf是海面能否形成白冠的臨界值，當(dāng)反射率R大于閥值Rf，即說明海面上形成白冠，反之，即海面未形成白冠，在曲線圖中(tO，tl)的時間區(qū)間內(nèi)，各個Rf所連成的曲線反映出白冠的持續(xù)時間、白冠反射率與海水反射率的差距，以及白冠反射率的極限值等特性；
步驟7:假設(shè)海水流速為v(t)，將v(t)在(tO，tl)這個時間段積分所獲得的值與V(t)在一個波浪周期T所積分的值求比，獲得比值W，比值W即是曲線在閥值Rf以上的部分橫向水平長度與曲線水平長度的比值(如圖8所示)，因此通過比值W，就可以得出在一個周期T內(nèi)，白冠在海面的覆蓋率；
步驟8:重復(fù)步驟2至步驟7，通過對多組W進(jìn)行求平均值獲得此某一區(qū)域的海浪白冠覆蓋率，通過多個周期T內(nèi)的W值進(jìn)行求平均值，能更加準(zhǔn)確地獲得某一區(qū)域的海浪白冠覆蓋率。
[0007]可選地，在步驟5中，所述數(shù)據(jù)采集器以高于l/(40ms)的采樣頻率采集Lu和Es值，并計(jì)算白冠反射率R，即數(shù)據(jù)采集器每次的采樣時間間隔為40 ms，相對于海浪的流速，該采樣頻率較高，能夠更加精確地在曲線圖中反映出白冠的變化情況。
[0008]一種現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置，包括支架和設(shè)置在支架上的海面白冠上行輻亮度測量裝置，還包括數(shù)據(jù)采集裝置，在所述支架上還設(shè)置有太陽光下行輻射測量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置，視頻數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)設(shè)有攝像頭，以捕捉圖像數(shù)據(jù)，所述數(shù)據(jù)采集裝置分別與所述太陽光下行輻射測量裝置、海面白冠上行輻亮度測量裝置、以及視頻數(shù)據(jù)采集裝置連接，所述支架用于固定海面白冠上行輻亮度測量裝置、太陽光下行輻射測量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置，所述海面白冠上行輻亮度測量裝置用于測量海面白冠生成直至消退過程中白浪的上行輻射能量，另外由于所述海面白冠上行輻亮度測量裝置和視頻數(shù)據(jù)采集裝置的探測方向朝下，并設(shè)有相同的探測中心點(diǎn)，便于所述視頻數(shù)據(jù)采集裝置和海面白冠上行輻亮度測量裝置觀測同一個位置，可以在特定的一個范圍內(nèi)采集海面圖像變化用于視覺上判定白冠的生成直至消退，為分析海面白冠上行輻亮度數(shù)據(jù)提供視圖參數(shù)，由于所述太陽光下行輻射測量裝置的探測方向朝上，因此太陽光下行輻射測量裝置用于測量太陽的下行輻射Es值，目的是為了在白冠觀測的過程中，消除太陽輻射變化對白浪反射能量所帶來的影響，數(shù)據(jù)采集裝置可接收來自海面白冠上行輻亮度測量裝置、太陽光下行輻射測量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置等所測量的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行識別、計(jì)算和處理。
[0009]本發(fā)明一種現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置的測量方法如下:伸出載體的探頭海面白冠上行輻亮度探頭和攝像頭垂直向下對準(zhǔn)海面，太陽輻照度探頭垂直向上，海面受到風(fēng)場和流等因素的影響而產(chǎn)生波浪，波浪以及波浪破碎所產(chǎn)生的白冠以一定的速度流過探頭下面，利用海面白冠上行輻亮度探頭測量海面獲得Lu，Lu的波長范圍為400nm至850nm, Lu值的大小以及光譜形狀會隨著下面波浪的流動而變化(包括無白冠的值、白冠產(chǎn)生、生長到最大、然后減小、直至消退)，太陽光下行輻射照度的變化將影響Lu的變化，一般情況下，太陽光下行輻射照度的增強(qiáng)會導(dǎo)致Lu的增大，太陽光下行輻射照度的減弱會導(dǎo)致Lu的減小，因此需要利用太陽光下行輻射照度探頭同步測量太陽光下行輻射照度Es，然后定義R為白浪反射率:R=Lu/Es，達(dá)到扣除太陽光變化所帶來的影響。另外，數(shù)據(jù)采集裝置的采樣時間間隔為40 ms,因此R的采樣頻率為I/(40ms)，相對于下面海浪的流速，海面反射率R的采樣頻率是比較高的，攝像頭的采樣與海面白冠上行輻亮度探頭、太陽光下行輻射測量探頭在時間上同步，利用攝像頭的圖像資料尋找海面白冠產(chǎn)生和消退所對應(yīng)的時間(tO, tl)，然后依據(jù)采樣時間tO和tl尋找Lu和Es所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)代入公式R=Lu/Es即可獲得海面反射率Rl和R2，將Rl和R2作為白冠產(chǎn)生和消退所對應(yīng)的覆蓋率，通過多次測量，可獲得一個閥值反射率光譜Rf，用于判定所測量的目標(biāo)值是白冠還是背景海面。通過定點(diǎn)的測量，可以獲得一個波浪周期T海表面反射率的光譜特征，假設(shè)流速為v(t)，利用閥值反射率光譜Rf獲得白冠產(chǎn)生的時間為t=t0，再利用閥值反射率光譜Rf獲得白冠消失完畢的時間t=tl，將流速在tl這個時間段積分所獲得的值與它在一個波浪周期T所積分的值進(jìn)行求比值W，通過對多組W進(jìn)行求均值從而獲得此區(qū)域的海浪白冠覆蓋率。
[0010]進(jìn)一步地，所述數(shù)據(jù)采集裝置為工業(yè)式嵌入式計(jì)算機(jī)和光譜儀，所述光譜儀分別與所述太陽下行輻射測量裝置和海面白冠上行輻亮度測量裝置的信號輸出端連接，并采集由所述太陽下行輻射測量裝置和海面白冠上行輻亮度測量裝置的光信息，經(jīng)處理后傳送到所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和存儲，所述數(shù)據(jù)采集裝置采用預(yù)設(shè)計(jì)的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及存儲。
[0011]進(jìn)一步地，所述海面白冠上行輻亮度測量裝置包括第一探頭、光纖管和密封管，光纖管設(shè)置在所述密封管內(nèi)，可起到防水作用，所述光纖管兩端分別連接所述第一探頭與所述數(shù)據(jù)采集裝置，當(dāng)?shù)谝惶筋^的光纖部分受到光照輻射后通過光纖管將光信號傳輸?shù)焦庾V儀進(jìn)行識別處理。
[0012]進(jìn)一步地，所述太陽光下行輻射測量裝置包括第二探頭、光纖管和密封管，光纖管設(shè)置在所述密封管內(nèi)，可起到防水作用，所述光纖管兩端分別連接所述第二探頭與所述數(shù)據(jù)采集裝置，所述第二探頭內(nèi)設(shè)有余弦集光器，當(dāng)?shù)诙筋^的光纖部分受到光照輻射后通過光纖管將光信號傳輸?shù)焦庾V儀進(jìn)行識別處理。
[0013]進(jìn)一步地，由于本測量裝置的目標(biāo)物為海面上的白冠，所以測量裝置一般是固定于載體上(船體上或者是浮標(biāo)體上)，這兩種載體會受到波浪的影響而產(chǎn)生擺動，為了減少測量裝置的擺動，并使各個測量裝置的探頭盡量地保持垂直于海面，所述支架上設(shè)有橫向設(shè)置的橫桿、第一連接架，以及第二連接架，所述橫桿與第一連接架鉸接，其鉸接軸方向與橫桿軸線方向相同，所述第二連接架鉸接在第一連接架上，其鉸接軸為橫向設(shè)置，所述海面白冠上行輻亮度測量裝置、太陽光下行輻射測量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置均固定在第二連接架上，即使載體在海面不定向地擺動，海面白冠上行輻亮度測量裝置、太陽光下行輻射測量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置也可以利用自身的重力使得探測方向始終垂直于海面，保證測量的準(zhǔn)確性。
[0014]優(yōu)選地，所述第一連接架的一端設(shè)有連桿，連桿的一端連接有軸承組件，所述軸承組件的另一端連接在所述橫桿末端，軸承組件的軸線與連桿軸線、橫桿軸線處在同一方向上，所述第二連接架兩端分別設(shè)有第一軸承和第二軸承，第二連接架通過兩端的軸承鉸接在所述第一連接架上，所述海面白冠上行輻亮度測量裝置和視頻數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)置在第二連接架的下部，所述太陽光下行輻射測量裝置設(shè)置在第二連接架的上部，因此第一連接架以及與第一連接架連接的第二連接架可以繞橫桿轉(zhuǎn)動，同時第二連接架又可以繞第一連接架轉(zhuǎn)動，進(jìn)而促使海面白冠上行輻亮度測量裝置、太陽光下行輻射測量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置利用自身的重力使得探測方向始終垂直于海面。
[0015]可選地，所述軸承組件包括連接軸，所述連接軸兩端分別設(shè)有第三軸承和第四軸承，第三軸承與所述連桿連接，第四軸承與所述橫桿連接，因此使得第一連接架可以繞橫桿轉(zhuǎn)動。
[0016]優(yōu)選地，所述橫桿在遠(yuǎn)離第一連接架的一端設(shè)有固定件，支架可以通過固定件連接在載體上(船體上或者是浮標(biāo)體上)，另外，由于固定儀器的載體如船體或浮標(biāo)的存在，會影響波浪的傳播，因此測量的探頭需要離開載體一段距離，橫桿必需從支架上延伸出去，減少測量的誤差，故所述橫桿的長度> 7m,同時，可以通過調(diào)整橫桿距離載體的距離，即橫桿的長度，以適應(yīng)復(fù)雜海況。另外，為了減少探頭對光場的影響，探頭的體積應(yīng)該偏小，因此，所述第一、第二探頭的直徑介于2飛cm之間。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:通過測量出上行輻射光譜值Lu、太陽下行輻射照度值Es，以R=Lu/Es計(jì)算出白冠反射率，并繪制R值在一個波浪周期T內(nèi)的光譜圖，能夠簡單而直觀地獲得白冠在海面上的特性，并且利用視頻數(shù)據(jù)采集裝置采集白冠的變化圖像，從圖像中尋找白冠產(chǎn)生和消退的時間點(diǎn)to和tl，并在光譜圖上找出對應(yīng)to和tl的白冠閥值Rf，然后假設(shè)海水流速為v(t)，將v(t)在(t0，tl)這個時間段積分所獲得的值與V (t)在一個波浪周期T所積分的比值W，并通過多次測量，后求出各個W值的平均值，從而獲得某一區(qū)域的海浪白冠覆蓋率，因此，相對于海洋遙感測量手段，本發(fā)明的測量方法簡單而精確，相對于航空遙感測量手段，本發(fā)明測量成本低、受天氣狀況影響小、而且具有可以連續(xù)測量的優(yōu)點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集裝置分別與所述太陽光下行輻射測量裝置、海面白冠上行輻亮度測量裝置、以及視頻數(shù)據(jù)采集裝置連接，實(shí)現(xiàn)了自動化的方法來收集測量到數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和處理；添加太陽光下行輻射測量裝置測量太陽下行輻射照度，實(shí)現(xiàn)消除太陽光變化所帶來的影響；海面白冠反射率R波段范圍覆蓋了整個可見光區(qū)間(400nm至850nm)并具有高光譜特性；裝置搭載的平臺要求簡單，觀測點(diǎn)離海面距離低，可適用于復(fù)雜海況。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明測量裝置在船體上的裝載示意圖。
[0019]圖2為本發(fā)明海面白冠上行輻亮度測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明太陽光下行輻射測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。[0021]圖4為本發(fā)明支架總裝圖的俯視圖。
[0022]圖5為本發(fā)明支架總裝圖的正視圖。
[0023]圖6為本發(fā)明支架總裝圖的正視圖。
[0024]圖7為本發(fā)明獲得海洋白冠覆蓋率數(shù)據(jù)處理原理圖。
[0025]圖8為本發(fā)明獲得海洋白冠覆蓋率數(shù)據(jù)處理原理圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合【具體實(shí)施方式】對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。其中，附圖僅用于示例性說明，表示的僅是示意圖，而非實(shí)物圖，不能理解為對本專利的限制；為了更好地說明本發(fā)明的實(shí)施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。
[0027]本發(fā)明實(shí)施例的附圖中相同或相似的標(biāo)號對應(yīng)相同或相似的部件；在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，若有術(shù)語“上”、“下”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此附圖中描述位置關(guān)系的用語僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制。
[0028]此外，若有“第一”、“第二”等術(shù)語，僅用于描述目的，而不能理解為指示或者暗示相對重要性，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。
[0029]如圖1所示一種海上白冠生成至消退的反射率變化的測量裝置，包括支架1，支架I的左端固定在船上，支架I的上方連接有太陽光下行輻射測量裝置4，太陽光下行輻射測量裝置4的探測方向朝上，在支架I的右端分別連接有相隔一定距離的海面白冠上行輻亮度測量裝置2和視頻攝像頭5，海面白冠上行輻亮度測量裝置2和視頻攝像頭5設(shè)有相同的探測范圍并且探測方向朝下，在支架I上還設(shè)有數(shù)據(jù)采集裝置(3)，數(shù)據(jù)采集裝置內(nèi)設(shè)有工業(yè)式嵌入式計(jì)算機(jī)和光譜儀(圖中均未畫出)，光譜儀分別與所述太陽光下行輻射測量裝置4和海面白冠上行輻亮度測量裝置2的信號輸出端連接，并采集由所述太陽光下行輻射測量裝置4和海面白冠上行輻亮度測量裝置2的光信息，經(jīng)處理后傳送到所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和存儲，所述數(shù)據(jù)采集裝置采用預(yù)設(shè)計(jì)的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及存儲，嵌入式計(jì)算機(jī)連接視頻攝像頭5，并接收來自視頻攝像頭5的圖像數(shù)據(jù)。
[0030]如圖2所示，海面白冠上行輻亮度測量裝置2包括第一探頭21、第一光纖管22和第一密封管23，第一光纖管22設(shè)置在所述第一密封管23內(nèi)，所述第一光纖管22兩端分別連接所述第一探頭21與所述數(shù)據(jù)采集裝置，所述第一探頭21由窗口玻璃、光闌、光纖組成(圖中均未標(biāo)出)，海面白冠上行輻亮度測量裝置2測量海面上行輻亮度Lu值，第一探頭21的視場角為5度,第一探頭21直徑為3.5cm,并具備20m水壓的防水特性,第一探頭21的光透過窗體采用石英玻璃為材料，整個探頭除窗體外，全部鍍?yōu)楹谏?，以減少探頭對測量光場的干擾。
[0031]如圖3所示，所述太陽光下行輻射測量裝置4包括第二探頭41、第二光纖管42和第二密封管43，第二光纖管42設(shè)置在所述第二密封管43內(nèi)，第二光纖管42兩端分別連接所述第二探頭41與所述數(shù)據(jù)采集裝置3，所述第二探頭41由余弦集光器、防水耐壓玻璃、光纖組成(圖中均未標(biāo)出)，第二探頭41具備水密的特性，水密大于5米的水壓。第二探頭41的直徑為3.5cm,可減少對光場的影響。
[0032]視頻數(shù)據(jù)采集裝置5由攝像頭、數(shù)據(jù)線、預(yù)設(shè)長度的密封管組成，數(shù)據(jù)線用于連接攝像頭和數(shù)據(jù)采集裝置，數(shù)據(jù)線安裝于所述密封管內(nèi)，整個視頻數(shù)據(jù)采集裝置5具有水密的特性，所述視頻數(shù)據(jù)采集裝置5和海面白冠上行輻亮度測量裝置2觀測同一個位置，采集海面圖像變化用于視覺上判定白冠的生成直至消退，為分析海面白冠上行輻亮度數(shù)據(jù)提供視圖參數(shù)。
[0033]如圖4飛所示，所述支架I的主體為L形桿，L形桿分為橫桿11和豎桿，豎桿上設(shè)有固定件14，本實(shí)施例中，固定件14為固定螺絲，支架I可以通過固定螺絲固定在船上，橫桿11橫向設(shè)置(即水平設(shè)置)，其長度> 7m，并且左端連接于豎桿，右端連接有第一軸承123的外圈，第一軸承123的內(nèi)圈連接有連接軸1221，連接軸1221的另一端連接在一個第二軸承124的內(nèi)圈，第二軸承124的右側(cè)設(shè)有第一連接架12，第一連接架12的左段伸出有一段連桿121，連桿121的連接在第二軸承124的外圈上。在第一連接架12的內(nèi)側(cè)設(shè)有第二連接架13，第二連接架13兩端分別設(shè)有第三軸承1222和第四軸承1223，第二連接架13通過兩端的軸承鉸接在所述第一連接架12的兩個內(nèi)側(cè)，第二連接架13的下端設(shè)有一支承桿，支承桿的兩端分別固定連接所述海面白冠上行輻亮度測量裝置2和視頻攝像頭5，在第二連接架13的上端固定連接有太陽光下行輻射測量裝置4。
[0034]本發(fā)明一種現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置的測量方法如下:伸出載體的海面白冠上行輻亮度測量裝置2和視頻攝像頭5垂直向下對準(zhǔn)海面，太陽光下行輻射測量裝置4垂直向上，海面受到風(fēng)場和流等因素的影響而產(chǎn)生波浪，波浪以及波浪破碎所產(chǎn)生的白冠以一定的速度流過探頭下面，利用海面白冠上行輻亮度測量裝置2測量海面獲得Lu值，Lu的波長范圍為400nm至850nm，Lu值的大小以及光譜形狀會隨著下面波浪的流動而變化(包括無白冠的值、白冠產(chǎn)生、生長到最大、然后減小、直至消退)，太陽光下行輻射照度的變化將影響Lu的變化，一般情況下，太陽光下行輻射照度的增強(qiáng)會導(dǎo)致Lu的增大，太陽光下行輻射照度的減弱會導(dǎo)致Lu的減小，因此需要利用太陽光下行輻射測量裝置4同步測量太陽光下行輻射照度Es，然后定義R為白浪反射率:R=Lu/Es，達(dá)到扣除太陽光變化所帶來的影響。另外，數(shù)據(jù)采集裝置的采樣時間間隔為40 ms,因此R的采樣頻率為I/(40ms)，相對于下面海浪的流速，海面反射率R的采樣頻率是比較高的，視頻攝像頭5的采樣與海面白冠上行輻亮度測量裝置2、太陽光下行輻射測量裝置4在時間上同步，利用視頻攝像頭5的圖像資料尋找海面白冠產(chǎn)生和消退所對應(yīng)的時間(t0，tl)，然后依據(jù)采樣時間tO和tl尋找Lu和Es所對應(yīng)的數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)代入公式R=Lu/Es即可獲得海面反射率Rl和R2作為白冠產(chǎn)生和消退所對應(yīng)的覆蓋率，通過多次測量，可獲得一個閥值反射率光譜Rf (參照圖7)，Rf用于判定所測量的目標(biāo)值是白冠還是背景海面。通過定點(diǎn)的測量，可以獲得一個波浪周期T海表面反射率的光譜特征，假設(shè)流速為V (t)，利用閥值反射率光譜Rf獲得白冠產(chǎn)生的時間為t=t0，再利用閥值反射率光譜Rf獲得白冠消失完畢的時間t=tl，將流速在tl這個時間段積分所獲得的值與它在一個波浪周期T所積分的值進(jìn)行求比值W，通過對多組W進(jìn)行求均值從而獲得此區(qū)域的海浪白冠覆蓋率。
[0035]顯然，本發(fā)明的上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這里無需也無法對所有的實(shí)施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1:在海面載體上安裝海面白冠上行輻亮度測量裝置(2)、數(shù)據(jù)采集裝置(3)、太陽下行輻照度測量裝置(4 )、以及視頻數(shù)據(jù)采集裝置(5 ); 步驟2:利用所述海面白冠上行輻亮度測量裝置(2)測量海面白冠生成至消退過程中白浪的上行輻射能量值數(shù)據(jù)，獲取光譜值Lu ； 步驟3:利用所述太陽光下行輻射測量裝置(4)測量太陽的下行輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，獲取太陽下行輻射照度值Es ； 步驟4:定義R為白冠反射率，R=Lu/Es ； 步驟5:數(shù)據(jù)采集器(3)采集Lu和Es值，并計(jì)算白冠反射率R，并繪制R值在一個波浪周期T內(nèi)的曲線圖； 步驟6:利用視頻數(shù)據(jù)采集裝置(5)采集海上白冠的變化圖像，從圖像中尋找白冠產(chǎn)生和消退的時間點(diǎn)tO和tl，并在步驟5中的曲線圖曲線上找出對應(yīng)tO和tl的R值，該R值為白冠產(chǎn)生和消退的閥值Rf ; 步驟7:假設(shè)海水流速為v(t)，將v(t)在(tO，tl)這個時間段積分所獲得的值與v(t)在一個波浪周期T所積分的值求比，獲得比值W ; 步驟8:重復(fù)步驟2至步驟7，通過對多組W進(jìn)行求平均值獲得此某一區(qū)域的海浪白冠覆蓋率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量方法，其特征在于，在步驟5中，所述數(shù)據(jù)采集器以高于1/(40ms)的采樣頻率采集Lu和Es值，并計(jì)算白冠反射率R。
3.一種基于權(quán)利要求1的現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置，其特征在于，包括支架(1)和設(shè)置在支架(1)上的海面白冠上行輻亮度測量裝置(2)，還包括數(shù)據(jù)采集裝置，在所述支架(1)上還設(shè)置有太陽光下行輻射測量裝置(4)、視頻數(shù)據(jù)采集裝置(5)，所述數(shù)據(jù)采集裝置分別與所述太陽光下行輻射測量裝置(4)、海面白冠上行輻亮度測量裝置(2)、以及視頻數(shù)據(jù)采集裝置(5 )連接，所述海面白冠上行輻亮度測量裝置(2 )和視頻數(shù)據(jù)采集裝置(5)的探測方向朝下，并設(shè)有相同的探測中心點(diǎn)，所述太陽光下行輻射測量裝置(4)的探測方向朝上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置，其特征在于，所述數(shù)據(jù)采集裝置為工業(yè)式嵌入式計(jì)算機(jī)和光譜儀，所述光譜儀分別與所述太陽下行輻射測量裝置(4)和海面白冠上行輻亮度測量裝置(2)的信號輸出端連接，并采集由所述太陽下行輻射測量裝置(4)和海面白冠上行輻亮度測量裝置(2)的光信息，經(jīng)處理后傳送到所述計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理和存儲，所述數(shù)據(jù)采集裝置采用預(yù)設(shè)計(jì)的軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及存儲。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置，其特征在于，所述海面白冠上行輻亮度測量裝置(2)包括第一探頭(21)、第一光纖管(22)和第一密封管(23)，第一光纖管(22 )設(shè)置在所述第一密封管(23 )內(nèi)，所述第一光纖管(22 )兩端分別連接所述第一探頭(21)與所述數(shù)據(jù)采集裝置(3)。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置，其特征在于，所述太陽光下行輻射測量裝置(4)包括第二探頭(41)、第二光纖管(42)和第二密封管(43)，第二光纖管(42)設(shè)置在所述第二密封管(43)內(nèi)，所述第二光纖管(42)兩端分別連接所述第二探頭(41)與所述數(shù)據(jù)采集裝置(3 )，所述第二探頭(41)內(nèi)設(shè)有余弦集光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置，其特征在于，所述支架(1)上設(shè)有橫向設(shè)置的橫桿(11)、第一連接架(12)，以及第二連接架(13)，所述橫桿(11)與第一連接架(12)鉸接，其鉸接軸方向與橫桿(11)軸線方向相同，所述第二連接架(13)鉸接在第一連接架(12)上，其鉸接軸為橫向設(shè)置，所述海面白冠上行輻亮度測量裝置(2)、太陽光下行輻射測量裝置(4)、視頻數(shù)據(jù)采集裝置(5)均固定在第二連接架(13)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求8所述的現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置，其特征在于，所述第一連接架(12)的一端設(shè)有連桿(121 )，連桿(121)的一端連接有軸承組件(122)，所述軸承組件(122)的另一端連接在所述橫桿(11)末端，軸承組件(122)的軸線與連桿(121)軸線、橫桿(11)軸線處在同一方向上，所述第二連接架(13)兩端分別設(shè)有第一軸承(123)和第二軸承(124)，第二連接架(13)通過兩端的軸承鉸接在所述第一連接架(12)上，所述海面白冠上行輻亮度測量裝置(2)和視頻數(shù)據(jù) 采集裝置(5)設(shè)置在第二連接架(13)的下部，所述太陽光下行輻射測量裝置(4)設(shè)置在第二連接架(13)的上部。
9.根據(jù)權(quán)利要求9所述的現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置，其特征在于，所述軸承組件(122)包括連接軸(1221)，所述連接軸(1221)兩端分別設(shè)有第三軸承(1222)和第四軸承(1223)，第三軸承(1222)與所述連桿(121)連接，第四軸承(1223)與所述橫桿(11)連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求3-9任一項(xiàng)所述的現(xiàn)場測量海上白冠覆蓋率的測量裝置，其特征在于，所述橫桿(11)在遠(yuǎn)離第一連接架(12)的一端設(shè)有固定件(14)，所述橫桿(11)的長度≥7m，所述第一、第二探頭的直徑介于2-5cm之間。
【文檔編號】G01N21/55GK103900996SQ201410101946
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月19日
【發(fā)明者】許占堂, 胡水波, 孫兆華, 楊躍忠 申請人:中國科學(xué)院南海海洋研究所