一种基于定位法的海气高光谱辐射自动观测系统技术领域
本发明属于自动控制装备领域，尤其涉及一种基于定位法的海气高光谱辐射自动
观测系统。
背景技术
高光谱仪海面辐照观测系统可以通过高光谱测量方法来测定离水辐亮度和下行
辐照度，测量的结果可用于计算溶解态有机物、悬浮物及表层叶绿素浓度等多种海洋要素。
由于叶绿素是藻类生物量的重要监测指标，所以可利用这些资料来估计浮游植物的丰度和
初级海洋生产力，检测赤潮等。该设备需要架设在高处，并且观测平面始终要求与太阳光直
射平面保持一定的夹角，当前观测人员主要是通过人工转动基座保持观测平面与太阳直射
平面之间的夹角，高频率的数据观测、人工转动转角的不准确性等问题严重阻碍了系统观
测效果，增加了观测的劳动强度，高效率的自动化观测设备成为当前急需解决的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的不足提供了一种基于定位法的海
气高光谱辐射自动观测系统。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案
一种基于定位法的海气高光谱辐射自动观测系统，包含高光谱仪、太阳自动跟踪转盘，
所述太阳自动跟踪转盘包括时钟模块、输入模块、稳压器、电机驱动模块、转盘、控制器模块
和供电模块；所述高光谱仪包含一四象限模块，所述时钟模块、输入模块和供电模块分别和
控制器模块连接，所述控制器模块依次通过稳压器、电机驱动模块、转盘连接四象限模块；
所述输入模块用于输入纬度参数；所述时钟模块用于记录时间；所述控制器模块用于根据
输入的纬度参数得到太阳方位角转换为相应时刻的电机转动量，进而驱动电机驱动模块通
过转盘控制四象限模块；
作为本发明一种基于定位法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案：所述
稳压器包含稳压电源芯片、第一电解电容、第二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极
管，所述第一电解电容的负极分别连接第一电阻的一端和控制器模块的输出端，第一电阻
的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片
的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后分别连接电机驱动模块的输入端、第二电解电
容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的
正极与地连接。
作为本发明一种基于定位法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案：
所述供电模块包含太阳能板、太阳能控制器、蓄电池和继电器，所述阳能板、太阳能控制器、
蓄电池依次连接，所述太阳能控制器通过继电器连接控制器模块。
作为本发明一种基于定位法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案：
所述控制器模块采用STM32控制器。
作为本发明一种基于定位法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案：
所述转盘采用57步进电机转台。
作为本发明一种基于定位法的海气高光谱辐射自动观测系统的进一步优选方案。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.高光谱仪自动海面辐照系统，改善了传统的不足，通过安装自动转盘可以更好的做
到海洋探测仪器的智能探测，也能减少海上探测人员上下攀爬的危险。系统输出的数据不
会因为观测角度的变化而变得不可用。同时自动转盘实现了观测平面与太阳入射平面始终
保持一定的角度，大大保证了数据的正确性，取消了人工凭借经验而转动观测台的不足，完
善了高光谱仪的整个系统。
附图说明
图1是本发明的高光谱仪与太阳光入射平面；
图2是本发明的高光谱仪自动辐照仪器四象限模块安装示意图；
图3是本发明的四象限探测器结构图；
图4是本发明的四象限原理图；
图5是本发明的整体流程图；
图6是本发明转动平台的控制系统结构原理图；
图7是本发明四象限模块流程图；
图8是本发明稳压器的电路图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
图1是高光谱仪设备与太阳光入射平面，传感器组成了一个观测平面，太阳光入射作为
另外一个平面，转盘设计保证太阳入射平面与仪器观测平面既图5中的φ始终为 135°，误
差在正负2.5度。
采用四象限跟踪的原理图如图4：图7是用四象限进行光电跟踪的流程图。
黑色矩形为四象限的光敏电阻，圆是太阳经过采光桶后形成的光斑。
本发明整体的结构图如图3
因为项目要求与太阳入射光线所在平面成固定夹角，所以只需要用四象限的一个维
度，不妨用x轴这个维度，所以只要使太阳光线在四象限上形成的光斑中心在y轴上就行了。
也就是要求图中光线的投影与中心线重合。
由于直接计算太阳光线在x轴维度的偏转角过于麻烦，再结合项目要求精确度范
围在正负2.5度，此处使用逐次逼近式的对准方法。
市面上的四象限传感器的输出参数中有光斑在四象限上产生的y轴左右侧光敏电
阻上电压的差值即（VA+VC）—(VB+VD)。
具体实施步骤为：
如果检测到电压差值则控制转台旋转1度，再次检测，如果不符合要求，再转1度，直到
电压差值为零或符号与初始相反，则停止检测与旋转。此时满足与太阳入射光线所在平面
夹角固定且满足精确度要求。
如何用单片机控制：
将四象限模块的输出口连在单片机的端口上，利用单片机的定时器中断功能，每隔一
段固定时间，就检测一次。
图2是整个系统的安装示意图。通过将高光谱仪安装在转盘上可以实现海面辐照
系统的自主转动，不再仅仅依赖人工的手工转动，确保了实验的准确性。黑色矩形为四象限
采光桶与四象限侧视图，为了防水，采光孔使用玻璃透光而非直接透光。
黑色竖立矩形为支架，黑色方块为已有转台，黑色箭头为太阳光线，
57步进转台，采用的是蜗轮蜗杆减速比是180:1。够很好的满足精度的要求。转盘上标
出鲜明的刻度数据，可以设定开始时的数据，帮助别人计算在一定的时间内整个系统的转
动的度数。
图6是转动平台的控制图，其中不包括高光谱仪的框架图。转动控制平台依赖步进
电机转动，实现了脉冲信号的转化。由太阳轨道运行算法计算出有多少个脉冲，一个脉冲信
号电机转动1.8°，以上两者相乘既得出电机转动的角度。再经过光电模块的校准，得出电动
机高精度调整的转动角度。
图5是程序流程图。程序一开始就对所有器件进行初始化，包括时间模块、输入模
块、电机驱动器端口配置。然后通过手动输入当地的纬度信息，如果不输入，则一直停止。输
入之后，开启I2C总线传输，启动信号获取时间常数，对时间常数做一定的处理，由于时钟模
块输出的是十六进制，对其作进制转换。太阳轨道模拟算法进行计算，得出电机转动量，电
机转动量减去上次的电机转动量既是本次转动量。再经过光电模块校准，得到高精度跟踪。
图8是本发明稳压器的电路图，所述稳压器包含稳压电源芯片、第一电解电容、第
二电解电容、电感、第一电阻、第二电阻和二极管，所述第一电解电容的负极分别连接第一
电阻的一端和控制器模块的输出端，第一电阻的另一端连接稳压电源芯片的输入端，二极
管的负极分别连接电感的一端和稳压电源芯片的输出端，电感的另一端与第二电阻串联后
分别连接电机驱动模块的输入端、第二电解电容的负极，第一电解电容的正极、第二电解电
容的正极、稳压电源芯片的接地端、二极管的正极与地连接。
图6是本发明海气高光谱辐射自动观测控制系统结构原理图；一种基于定位法的
海气高光谱辐射自动观测系统，包含高光谱仪、太阳自动跟踪转盘，所述太阳自动跟踪转盘
包括时钟模块、输入模块、电机驱动模块、转盘、控制器模块和供电模块；所述高光谱仪包含
一四象限模块，所述时钟模块、输入模块和供电模块分别和控制器模块连接，所述控制器模
块依次通过电机驱动模块、转盘连接四象限模块；所述输入模块用于输入纬度参数；所述时
钟模块用于记录时间；所述控制器模块用于根据输入的纬度参数得到太阳方位角转换为相
应时刻的电机转动量，进而驱动电机驱动模块通过转盘控制四象限模块；所述供电模块包
含太阳能板、太阳能控制器、蓄电池和继电器，所述阳能板、太阳能控制器、蓄电池依次连
接，所述太阳能控制器通过继电器连接控制器模块，所述控制器模块采用STM32控制器，所
述转盘采用57步进电机转台。
综上所述，高光谱仪自动海面辐照系统，改善了传统的不足，通过安装自动转盘可
以更好的做到海洋探测仪器的智能探测，也能减少海上探测人员上下攀爬的危险。系统输
出的数据不会因为观测角度的变化而变得不可用。同时自动转盘实现了观测平面与太阳入
射平面始终保持一定的角度，大大保证了数据的正确性，取消了人工凭借经验而转动观测
台的不足，完善了高光谱仪的整个系统。