一种海洋光谱辐照度传感器余弦响应误差全域校正方法与流程

本发明属于海洋光学探测，具体涉及一种海洋光谱辐照度传感器余弦响应误差全域校正方法。

背景技术：

1、光谱辐照度是海洋光学与水色遥感的核心测量参数，其测量精度直接影响水色卫星数据产品真实性检验和海洋生物地球化学模型反演的可靠性。水下辐照度测量通常依赖搭载ptfe（聚四氟乙烯）漫射余弦校正器的传感器，理想情况下传感器输出信号满足朗伯余弦定律。然而，传感器一旦投入海洋现场测量，其测量精度便会受到海流扰动、姿态倾斜、温度变化等多重动态因素影响，导致实测值严重偏离真值。

2、为实现辐照度传感器的余弦响应校正，中国发明专利cn104807616b公开了一种spectralon漫反射板校正方法。该方案在实验室环境下，通过光源从不同天顶角照射spectralon漫反射板，采集多角度反射光谱数据，基于朗伯余弦定律建立了探测器接收天顶角与校正系数的通用余弦函数表达式。该方法的缺陷在于：校正过程在实验室静态环境中完成，一旦传感器投入水下现场测量，海流扰动导致的传感器姿态倾斜会使光线实际入射天顶角发生不可预测的变化，实验室标定的角度-修正系数映射关系失效，无法补偿水下动态倾斜带来的测量误差。

3、针对上述现有技术的不足，本技术提供一种海洋光谱辐照度传感器余弦响应误差的全域校正方法，旨在解决现有实验室静态标定方法无法适应水下动态倾斜工况、难以实时补偿姿态变化所引入的余弦误差的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供了一种海洋光谱辐照度传感器余弦响应误差全域校正方法，将实验室多角度多波段静态标定与水下实时姿态解算相融合，通过俯仰/横滚双轴倾角与太阳天顶角的耦合获得光线实际入射天顶角，动态调取分段拟合的余弦修正函数，实现水下动态倾斜工况下硬件固有余弦偏差的实时补偿，解决了现有实验室静态标定方法无法适应水下动态姿态的技术难题。

2、本发明提供一种海洋光谱辐照度传感器余弦响应误差全域校正方法，包括以下步骤：

3、标定建模：以标准光源从多个天顶角照射传感器，遍历全观测光谱通道，采集各波长各角度下的原始输出信号及标准辐照度真值，计算各波长各角度下实际响应与理想响应的余弦响应偏差，按光谱区间分段构建天顶角-偏差的余弦修正函数，得到不同波长对应的角度拟合系数矩阵，并获取垂直入射基础标定系数；在不同温度下进行恒温标定，获取温度漂移修正系数；统计各波长各角度余弦响应偏差的均值，作为漫射光平均余弦修正因子；

4、数据采集：在水下测量过程中，同步采集原始光谱输出信号、传感器俯仰角、传感器横滚角、海水温度、测量水深、观测时间和观测位置；

5、姿态补偿：根据俯仰角和横滚角计算传感器等效倾斜天顶角，根据观测位置经纬度及观测时间计算太阳天顶角，根据等效倾斜天顶角与太阳天顶角获得光线相对于传感器余弦接收面的实际入射天顶角；将实际入射天顶角输入对应光谱区间的余弦修正函数，输出对应波长和对应实际入射天顶角下的硬件固有余弦偏差补偿因子；

6、光场分区及修正：获取直射光分量占比，根据直射光分量占比将下行光场拆分为直射光分量与漫射光分量，直射光分量调用硬件固有余弦偏差补偿因子进行修正，漫射光分量调用漫射光平均余弦修正因子进行补偿；

7、融合解算：将基础标定系数、硬件固有余弦偏差补偿因子、温度漂移修正系数及漫射光平均余弦修正因子融合，解算得到校正后的光谱辐照度；

8、动态滤波：以滑动窗口采集连续多帧等效倾斜天顶角，以窗口内均值替代当前帧瞬时值，并基于更新后的等效倾斜天顶角重新计算实际入射天顶角；计算窗口内倾角波动幅度，当波动幅度不超过阈值时，以当前帧解算的硬件固有余弦偏差补偿因子完全更新历史缓存；当波动幅度超过阈值时，以当前帧解算的硬件固有余弦偏差补偿因子与历史缓存加权平滑后输出。

9、本技术方案将实验室多角度多波段静态标定与水下实时姿态解算相融合，通过俯仰/横滚双轴倾角与太阳天顶角的耦合获得光线实际入射天顶角，动态调取分段拟合的余弦修正函数，实现水下动态倾斜工况下硬件固有余弦偏差的实时补偿，解决了现有实验室静态标定方法无法适应水下动态姿态的技术难题。

10、在其中一些实施例中，标定建模步骤中，根据式（1）计算各波长各角度下的余弦响应偏差，式（1）的表达式为：

11、      （1）；

12、式（1）中，为波长、天顶角下的余弦响应偏差，为波长、天顶角下的原始输出信号，为垂直入射基础标定系数，为波长下的标准辐照度真值；

13、根据式（2）构建天顶角-偏差的余弦修正函数，式（2）的表达式为：

14、      （2）；

15、式（2）中，为波长、天顶角下的余弦响应偏差修正函数，表示波长位于第个光谱区间内，为第个光谱区间对应的拟合系数，则为拟合系数矩阵。

16、本技术方案通过式（1）将传感器原始输出信号经垂直入射基础标定系数归一化后与理想余弦响应比较，定量获得各波长各角度下的余弦响应偏差；通过式（2）以二次多项式拟合偏差随角度的变化曲线，将离散标定数据压缩为三个拟合系数，大幅降低传感器本地存储开销，同时保证任意角度下的偏差值均可连续计算。

17、在其中一些实施例中，姿态补偿步骤中，实际入射天顶角由传感器等效倾斜天顶角与太阳天顶角相加计算获得。

18、本技术方案通过将传感器等效倾斜天顶角与太阳天顶角直接叠加获得实际入射天顶角，计算方式简洁高效，适用于嵌入式mcu实时运算，无需迭代或矩阵变换，满足水下高频采样对算法实时性的要求。

19、在其中一些实施例中，光场分区及修正步骤中，获取表层直射光占比，表层直射光占比为水面下表层总辐照度中直射光辐照度所占的比例；获取直射光衰减系数和漫射光衰减系数；根据表层直射光占比、直射光衰减系数、漫射光衰减系数和测量水深，计算当前水深处的直射光分量占比。

20、本技术方案通过获取表层直射光占比、直射光衰减系数和漫射光衰减系数，结合测量水深计算当前水深处的直射光分量占比，将水下光场按物理来源拆分为直射与漫射两部分，为后续差异化校正提供权重分配依据，避免采用统一修正模型引入的固有偏差。

21、在其中一些实施例中，计算当前水深处的直射光分量占比的方法包括：

22、水下到达传感器的总下行光场表示为直射光分量与漫射光分量之和：

23、      （3）；

24、式（3）中，为水深处总下行光谱辐照度；为水深处直射光辐照度分量；为水深处漫射光辐照度分量；

25、水深处直射光辐照度分量由水面下表层直射辐照度随水深按指数衰减规律得到：

26、     （4）；

27、式（4）中，为水面下表层直射辐照度，为直射光束衰减系数；

28、水深处漫射光辐照度分量由水面下表层漫射辐照度随水深按指数衰减规律得到：

29、    （5）；

30、式（5）中，为水深处漫射光辐照度分量，为水面下表层漫射辐照度，为漫射光束衰减系数；

31、直射光衰减系数由水体吸收系数、水体散射系数和水下折射太阳天顶角按照式（6）计算：

32、   （6）；

33、式（6）中，为水体吸收系数；为水体散射系数；为水下折射太阳天顶角；

34、根据表层直射光占比、直射光衰减系数、漫射光衰减系数和水深，按照式（7）计算当前水深处的直射光分量占比：

35、  （7）；

36、式（7）中，为水深处直射光分量占比,为表层直射光占比。

37、本技术方案通过式（3）至式（7）将直射光和漫射光各自按指数衰减规律建模，利用表层直射光占比、水体吸收系数、散射系数及漫射衰减系数推导出任意水深处的直射光分量占比，物理模型清晰，不依赖额外硬件测量，适用于深水弱光环境下直射/漫射比例连续变化的剖面观测场景。

38、在其中一些实施例中，标定建模步骤中，获取温度漂移修正系数的方法包括：将传感器置于恒温环境中，在入射辐照度保持不变的条件下，分别测量参考温度下的响应信号和多个标定温度下的响应信号；各波长在各标定温度下的温度漂移修正系数按照式（8）计算：

39、   （8）；

40、式（8）中，为波长、温度下的温度漂移修正系数；为参考温度下的响应信号；为温度下的响应信号。

41、本技术方案通过在恒定入射辐照度下测量各温度点的响应信号相对于参考温度的比值，获得光谱分辨的温度漂移修正系数，可逐波长消除水温变化导致的探测器暗电流漂移和余弦校正器漫透射率变化，避免单一温度系数在全光谱范围内的校正失配。

42、在其中一些实施例中，根据式（9）计算获得校正后的光谱辐照度，式（9）的表达式为：

43、  （9）；

44、式（9）中，为校正后的光谱辐照度，为实际入射天顶角，为漫射光平均余弦修正因子。

45、本技术方案通过将原始信号按直射光分量占比分别分配给直射校正通道和漫射校正通道，各自乘以对应的余弦修正因子和温度修正系数后相加，再除以基础标定系数还原为绝对辐照度，将硬件余弦偏差、姿态倾斜、光谱差异、温度漂移和光场分布差异五大误差源纳入同一解算框架，实现多误差联合抑制。

46、在其中一些实施例中，动态滤波步骤中，将连续多帧等效倾斜天顶角存入滑动窗口，按照式（10）计算窗口内均值，以窗口内均值替代当前帧瞬时值参与实际入射天顶角的计算：

47、      （10）；

48、式（10）中，为滤波后的等效倾斜天顶角，为滑动窗口长度；为窗口内第帧等效倾斜天顶角；

49、根据更新后的等效倾斜天顶角重新计算实际入射天顶角，以更新后的实际入射天顶角为输入重新调取对应波长的余弦修正函数，得到当前帧硬件固有余弦偏差补偿因子。

50、本技术方案通过滑动窗口均值滤波平滑连续多帧等效倾斜天顶角的尖峰噪声，以窗口内均值替代瞬时值参与实际入射天顶角计算，再重新调取余弦修正函数获得当前帧补偿因子，有效抑制海流瞬时冲击造成的辐照度计算跳变。

51、在其中一些实施例中，动态滤波步骤中，根据窗口内倾角波动幅度对硬件固有余弦偏差补偿因子进行自适应更新：

52、以窗口内等效倾斜天顶角的最大值与最小值之差作为窗口内倾角波动幅度，设定姿态波动阈值；

53、当时，判定为平缓海流工况，以当前帧解算的补偿因子完全更新历史缓存；

54、当时，判定为剧烈海流工况，以当前帧解算的补偿因子与历史缓存加权平滑后输出，同步更新历史缓存；

55、      （11）；

56、式（11）中，为姿态波动阈值，为滤波后输出的硬件固有余弦偏差补偿因子，为历史硬件固有余弦偏差补偿因子，为0～1之间的权重系数。

57、本技术方案通过以窗口内倾角最大差值作为波动幅度判定海况——平缓海流时直接更新补偿因子、剧烈海流时与历史缓存加权平滑过渡，在保证校正响应速度的同时防止剧烈晃动下校正值突变造成数据曲线断裂，兼顾了动态响应能力和输出稳定性。

58、在其中一些实施例中，将自适应输出的硬件固有余弦偏差补偿因子代入式（12）解算校正后的光谱辐照度：

59、      （12）；

60、式（12）中，为校正后的光谱辐照度；为采集的原始光谱信号；为温度漂移修正系数；为垂直入射基础标定系数。

61、本技术方案将自适应滤波后的补偿因子代入融合解算公式，使动态滤波阶段的平滑结果直接作用于最终辐照度输出，形成“姿态平滑→角度更新→因子更新→辐照度解算”的闭环，确保连续剖面观测数据的时间一致性。

62、基于上述方案，本发明实施例中的海洋光谱辐照度传感器余弦响应误差全域校正方法，其有益效果体现在以下方面：

63、第一，通过实验室多角度、多波段静态标定建立光谱分段余弦修正函数，结合水下实时俯仰/横滚姿态解算获得光线实际入射天顶角，使硬件固有余弦偏差补偿因子能够随动态姿态实时更新，解决了现有实验室静态标定方法无法适应水下动态倾斜工况的问题。

64、第二，通过三流辐射传输模型将水下光场按传播方向分为下行直射、下行漫射和上行漫射三个流束，从而将下行总光场拆分为直射光与漫射光分量，分别统计各自的余弦偏差特征——直射光采用角度相关的分段多项式精细修正，漫射光采用统计均值常数补偿，在保证校正精度的同时降低了嵌入式mcu运算负荷，并叠加光谱分辨温度漂移修正系数，实现了硬件余弦偏差、姿态倾斜、光场分布差异和温度漂移的联合抑制。

65、第三，通过滑动窗口均值滤波平滑姿态尖峰噪声，并根据窗口内倾角波动幅度自适应切换补偿因子更新策略，有效抑制了海流冲击造成的辐照度计算跳变。算法集成于传感器mcu，运算耗时短，无需机械稳平结构，适用于浮标、剖面仪等多种海洋观测平台，在全入射角范围内显著降低了余弦误差，满足水色卫星真实性检验和海洋固有光学量高精度反演需求。