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一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)量方法及其測(cè)量裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種海面上波浪破碎所產(chǎn)生的白浪對(duì)整個(gè)背景海面在面積上所占的覆蓋率的測(cè)量方法及其測(cè)量裝置，包括設(shè)置在載體上的海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置。本發(fā)明可以簡(jiǎn)單而精確地測(cè)量出海上的白冠覆蓋率，并可消除太陽(yáng)光變化所帶來(lái)的影響，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的方法來(lái)收集測(cè)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(tái)要求簡(jiǎn)單，可適用于復(fù)雜海況，相對(duì)于海洋遙感測(cè)量手段，本發(fā)明的測(cè)量方法簡(jiǎn)單而精確；相對(duì)于航空遙感測(cè)量手段，本發(fā)明測(cè)量成本低、受天氣狀況影響小、而且具有可以連續(xù)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。
【專利說(shuō)明】一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)量方法及其測(cè)量裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其涉及一種海面上波浪破碎所產(chǎn)生的白浪對(duì)整個(gè)背景海面在面積上所占的覆蓋率的測(cè)量方法及其測(cè)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(zhǎng)，波動(dòng)的非線性越來(lái)越強(qiáng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到某一臨界值時(shí)，波浪便破碎并在波峰處產(chǎn)生大量的水沫和水滴，在波動(dòng)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(jiàn)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(méi)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(dòng)的海面，波浪破碎時(shí)大量的空氣被卷人水中形成氣泡，氣泡個(gè)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(dòng)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(guò)一定的臨界值之后，海面蒸發(fā)主要通過(guò)水沫滴的方式進(jìn)行。因此在這樣一個(gè)海洋與大氣之間強(qiáng)烈的湍流渦動(dòng)過(guò)程中，白冠的產(chǎn)生加強(qiáng)了海氣界面間熱量和動(dòng)量的交換。因此，研究海洋白冠的存在對(duì)大氣海洋的氣體交換、大氣海洋熱量和動(dòng)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(cè)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(gè)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(lái)了很大的不確定性；航空拍攝是另外的一種測(cè)量方法，然而其成本高，而且無(wú)法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的連續(xù)觀測(cè)；如果采用海上定點(diǎn)的圖像觀測(cè)，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(duì)于惡劣的海上野外環(huán)境顯然是不實(shí)際的；因此，從觀測(cè)成本和觀測(cè)精度上目前的技術(shù)手段還是存在著很大的問(wèn)題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]有鑒于此，本發(fā)明旨在公開(kāi)一種測(cè)量海上白冠覆蓋率的方法和裝置。
為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(cè)量裝置、數(shù)據(jù)采集裝置、太陽(yáng)下行輻照度測(cè)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(chǎng)測(cè)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(cè)量裝置測(cè)量海面白冠生成至消退過(guò)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(zhǎng)范圍為400nm至850nm，Lu的值會(huì)隨著波浪的流動(dòng)而變化(包括無(wú)白冠的值、白冠產(chǎn)生、生長(zhǎng)到最大、然后減小、直至消退)；
步驟3:由于太陽(yáng)光下行輻射照度的變化將影響Lu的變化，一般情況下，太陽(yáng)光下行輻射照度的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致Lu的增大，太陽(yáng)光下行輻射照度的減弱會(huì)導(dǎo)致Lu的減小，因此需要利用所述太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置測(cè)量太陽(yáng)的下行輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，獲取太陽(yáng)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(yáng)光變化所帶來(lái)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(gè)波浪周期T內(nèi)的曲線圖，各個(gè)R值在曲線圖上構(gòu)成曲線，反映出在T時(shí)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(shí)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(duì)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(shuō)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(shí)間區(qū)間內(nèi)，各個(gè)Rf所連成的曲線反映出白冠的持續(xù)時(shí)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(gè)時(shí)間段積分所獲得的值與V(t)在一個(gè)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(zhǎng)度與曲線水平長(zhǎng)度的比值(如圖8所示)，因此通過(guò)比值W，就可以得出在一個(gè)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(guò)對(duì)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(guò)多個(gè)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(shí)間間隔為40 ms，相對(duì)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(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(cè)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(yáng)光下行輻射測(cè)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(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置、海面白冠上行輻亮度測(cè)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(cè)量裝置、太陽(yáng)光下行輻射測(cè)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(cè)量裝置用于測(cè)量海面白冠生成直至消退過(guò)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(cè)量裝置和視頻數(shù)據(jù)采集裝置的探測(cè)方向朝下，并設(shè)有相同的探測(cè)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(cè)量裝置觀測(cè)同一個(gè)位置，可以在特定的一個(gè)范圍內(nèi)采集海面圖像變化用于視覺(jué)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(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置的探測(cè)方向朝上，因此太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置用于測(cè)量太陽(yáng)的下行輻射Es值，目的是為了在白冠觀測(cè)的過(guò)程中，消除太陽(yáng)輻射變化對(duì)白浪反射能量所帶來(lái)的影響，數(shù)據(jù)采集裝置可接收來(lái)自海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置、太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置等所測(cè)量的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行識(shí)別、計(jì)算和處理。
[0009]本發(fā)明一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)量裝置的測(cè)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(duì)準(zhǔn)海面，太陽(yáng)輻照度探頭垂直向上，海面受到風(fēng)場(chǎng)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(guò)探頭下面，利用海面白冠上行輻亮度探頭測(cè)量海面獲得Lu，Lu的波長(zhǎng)范圍為400nm至850nm, Lu值的大小以及光譜形狀會(huì)隨著下面波浪的流動(dòng)而變化(包括無(wú)白冠的值、白冠產(chǎn)生、生長(zhǎng)到最大、然后減小、直至消退)，太陽(yáng)光下行輻射照度的變化將影響Lu的變化，一般情況下，太陽(yáng)光下行輻射照度的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致Lu的增大，太陽(yáng)光下行輻射照度的減弱會(huì)導(dǎo)致Lu的減小，因此需要利用太陽(yáng)光下行輻射照度探頭同步測(cè)量太陽(yáng)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(yáng)光變化所帶來(lái)的影響。另外，數(shù)據(jù)采集裝置的采樣時(shí)間間隔為40 ms,因此R的采樣頻率為I/(40ms)，相對(duì)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(yáng)光下行輻射測(cè)量探頭在時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)間(tO, tl)，然后依據(jù)采樣時(shí)間tO和tl尋找Lu和Es所對(duì)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(duì)應(yīng)的覆蓋率，通過(guò)多次測(cè)量，可獲得一個(gè)閥值反射率光譜Rf，用于判定所測(cè)量的目標(biāo)值是白冠還是背景海面。通過(guò)定點(diǎn)的測(cè)量，可以獲得一個(gè)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(shí)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(shí)間t=tl，將流速在tl這個(gè)時(shí)間段積分所獲得的值與它在一個(gè)波浪周期T所積分的值進(jìn)行求比值W，通過(guò)對(duì)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(yáng)下行輻射測(cè)量裝置和海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置的信號(hào)輸出端連接，并采集由所述太陽(yáng)下行輻射測(cè)量裝置和海面白冠上行輻亮度測(cè)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(chǔ)，所述數(shù)據(jù)采集裝置采用預(yù)設(shè)計(jì)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及存儲(chǔ)。
[0011]進(jìn)一步地，所述海面白冠上行輻亮度測(cè)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(guò)光纖管將光信號(hào)傳輸?shù)焦庾V儀進(jìn)行識(shí)別處理。
[0012]進(jìn)一步地，所述太陽(yáng)光下行輻射測(cè)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(guò)光纖管將光信號(hào)傳輸?shù)焦庾V儀進(jìn)行識(shí)別處理。
[0013]進(jìn)一步地，由于本測(cè)量裝置的目標(biāo)物為海面上的白冠，所以測(cè)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(huì)受到波浪的影響而產(chǎn)生擺動(dòng)，為了減少測(cè)量裝置的擺動(dòng)，并使各個(gè)測(cè)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(cè)量裝置、太陽(yáng)光下行輻射測(cè)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?cái)[動(dòng)，海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置、太陽(yáng)光下行輻射測(cè)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(cè)方向始終垂直于海面，保證測(cè)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(guò)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(cè)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(yáng)光下行輻射測(cè)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(dòng)，同時(shí)第二連接架又可以繞第一連接架轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而促使海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置、太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置、視頻數(shù)據(jù)采集裝置利用自身的重力使得探測(cè)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(dòng)。
[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(guò)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(huì)影響波浪的傳播，因此測(cè)量的探頭需要離開(kāi)載體一段距離，橫桿必需從支架上延伸出去，減少測(cè)量的誤差，故所述橫桿的長(zhǎng)度> 7m,同時(shí)，可以通過(guò)調(diào)整橫桿距離載體的距離，即橫桿的長(zhǎng)度，以適應(yīng)復(fù)雜海況。另外，為了減少探頭對(duì)光場(chǎng)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(guò)測(cè)量出上行輻射光譜值Lu、太陽(yáng)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(gè)波浪周期T內(nèi)的光譜圖，能夠簡(jiǎn)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(shí)間點(diǎn)to和tl，并在光譜圖上找出對(duì)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(gè)時(shí)間段積分所獲得的值與V (t)在一個(gè)波浪周期T所積分的比值W，并通過(guò)多次測(cè)量，后求出各個(gè)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(duì)于海洋遙感測(cè)量手段，本發(fā)明的測(cè)量方法簡(jiǎn)單而精確，相對(duì)于航空遙感測(cè)量手段，本發(fā)明測(cè)量成本低、受天氣狀況影響小、而且具有可以連續(xù)測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)；數(shù)據(jù)采集裝置分別與所述太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置、海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置、以及視頻數(shù)據(jù)采集裝置連接，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的方法來(lái)收集測(cè)量到數(shù)據(jù)，便于數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和處理；添加太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置測(cè)量太陽(yáng)下行輻射照度，實(shí)現(xiàn)消除太陽(yáng)光變化所帶來(lái)的影響；海面白冠反射率R波段范圍覆蓋了整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)間(400nm至850nm)并具有高光譜特性；裝置搭載的平臺(tái)要求簡(jiǎn)單，觀測(cè)點(diǎn)離海面距離低，可適用于復(fù)雜海況。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明測(cè)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(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖3為本發(fā)明太陽(yáng)光下行輻射測(cè)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(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。其中，附圖僅用于示例性說(shuō)明，表示的僅是示意圖，而非實(shí)物圖，不能理解為對(duì)本專利的限制；為了更好地說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例，附圖某些部件會(huì)有省略、放大或縮小，并不代表實(shí)際產(chǎn)品的尺寸；對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說(shuō)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(hào)對(duì)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(yǔ)“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(jiǎn)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(yǔ)僅用于示例性說(shuō)明，不能理解為對(duì)本專利的限制。
[0028]此外，若有“第一”、“第二”等術(shù)語(yǔ)，僅用于描述目的，而不能理解為指示或者暗示相對(duì)重要性，對(duì)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(yǔ)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(cè)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(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置4，太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置4的探測(cè)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(cè)量裝置2和視頻攝像頭5，海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置2和視頻攝像頭5設(shè)有相同的探測(cè)范圍并且探測(cè)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(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置4和海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置2的信號(hào)輸出端連接，并采集由所述太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置4和海面白冠上行輻亮度測(cè)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(chǔ)，所述數(shù)據(jù)采集裝置采用預(yù)設(shè)計(jì)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及存儲(chǔ)，嵌入式計(jì)算機(jī)連接視頻攝像頭5，并接收來(lái)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(cè)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(cè)量裝置2測(cè)量海面上行輻亮度Lu值，第一探頭21的視場(chǎng)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(guò)窗體采用石英玻璃為材料，整個(gè)探頭除窗體外，全部鍍?yōu)楹谏詼p少探頭對(duì)測(cè)量光場(chǎng)的干擾。
[0031]如圖3所示，所述太陽(yáng)光下行輻射測(cè)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(duì)光場(chǎng)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(zhǎng)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(gè)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(cè)量裝置2觀測(cè)同一個(gè)位置，采集海面圖像變化用于視覺(jué)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(zhǎng)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(guò)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(zhǎng)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(gè)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(guò)兩端的軸承鉸接在所述第一連接架12的兩個(gè)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(cè)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(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置4。
[0034]本發(fā)明一種現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)量裝置的測(cè)量方法如下:伸出載體的海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置2和視頻攝像頭5垂直向下對(duì)準(zhǔn)海面，太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置4垂直向上，海面受到風(fēng)場(chǎng)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(guò)探頭下面，利用海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置2測(cè)量海面獲得Lu值，Lu的波長(zhǎng)范圍為400nm至850nm，Lu值的大小以及光譜形狀會(huì)隨著下面波浪的流動(dòng)而變化(包括無(wú)白冠的值、白冠產(chǎn)生、生長(zhǎng)到最大、然后減小、直至消退)，太陽(yáng)光下行輻射照度的變化將影響Lu的變化，一般情況下，太陽(yáng)光下行輻射照度的增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致Lu的增大，太陽(yáng)光下行輻射照度的減弱會(huì)導(dǎo)致Lu的減小，因此需要利用太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置4同步測(cè)量太陽(yáng)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(yáng)光變化所帶來(lái)的影響。另外，數(shù)據(jù)采集裝置的采樣時(shí)間間隔為40 ms,因此R的采樣頻率為I/(40ms)，相對(duì)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(cè)量裝置2、太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置4在時(shí)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(duì)應(yīng)的時(shí)間(t0，tl)，然后依據(jù)采樣時(shí)間tO和tl尋找Lu和Es所對(duì)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(duì)應(yīng)的覆蓋率，通過(guò)多次測(cè)量，可獲得一個(gè)閥值反射率光譜Rf (參照?qǐng)D7)，Rf用于判定所測(cè)量的目標(biāo)值是白冠還是背景海面。通過(guò)定點(diǎn)的測(cè)量，可以獲得一個(gè)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(shí)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(shí)間t=tl，將流速在tl這個(gè)時(shí)間段積分所獲得的值與它在一個(gè)波浪周期T所積分的值進(jìn)行求比值W，通過(guò)對(duì)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(shuō)明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)，這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)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(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(cè)量裝置(2)、數(shù)據(jù)采集裝置(3)、太陽(yáng)下行輻照度測(cè)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(cè)量裝置(2)測(cè)量海面白冠生成至消退過(guò)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(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置(4)測(cè)量太陽(yáng)的下行輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，獲取太陽(yáng)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(gè)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(shí)間點(diǎn)tO和tl，并在步驟5中的曲線圖曲線上找出對(duì)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(gè)時(shí)間段積分所獲得的值與v(t)在一個(gè)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(guò)對(duì)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(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(cè)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(yáng)光下行輻射測(cè)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(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置(4)、海面白冠上行輻亮度測(cè)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(cè)量裝置(2 )和視頻數(shù)據(jù)采集裝置(5)的探測(cè)方向朝下，并設(shè)有相同的探測(cè)中心點(diǎn)，所述太陽(yáng)光下行輻射測(cè)量裝置(4)的探測(cè)方向朝上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(yáng)下行輻射測(cè)量裝置(4)和海面白冠上行輻亮度測(cè)量裝置(2)的信號(hào)輸出端連接，并采集由所述太陽(yáng)下行輻射測(cè)量裝置(4)和海面白冠上行輻亮度測(cè)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(chǔ)，所述數(shù)據(jù)采集裝置采用預(yù)設(shè)計(jì)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集及存儲(chǔ)。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)量裝置，其特征在于，所述海面白冠上行輻亮度測(cè)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(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)量裝置，其特征在于，所述太陽(yáng)光下行輻射測(cè)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(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(cè)量裝置(2)、太陽(yáng)光下行輻射測(cè)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(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(guò)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(cè)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(yáng)光下行輻射測(cè)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(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(chǎng)測(cè)量海上白冠覆蓋率的測(cè)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(zhǎng)度≥7m，所述第一、第二探頭的直徑介于2-5cm之間。
【文檔編號(hào)】G01N21/55GK103900996SQ201410101946
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所