海洋光學浮標

1.前言目前建設海洋強國已經(jīng)是我國的一項根本國策,我國海洋監(jiān)測高技術(shù)進展的總體目標:,最大限度地削減由災難造成的人民生命財產(chǎn)的損失;二是提高對海洋生態(tài)環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測力量,保護海洋安康;三是提高海洋資源開發(fā)的環(huán)境保障力量,支持沿海和海洋經(jīng)濟進展及科技興海戰(zhàn)略;四是提高國家海上安全防務的海洋監(jiān)測和環(huán)境保障力量,加強國防建設;,推動中國近海海洋科學的進展。這五個方面是相互關(guān)聯(lián)的,而當前最主要的是預警海洋災難和保護海洋安康,即監(jiān)測技術(shù),其載體就是海洋儀器。數(shù)字化方向進展。典型海洋監(jiān)測儀器：遙感衛(wèi)星大面積、同步、近實時、全天候、全天時的對海觀測,3個月飛行獲得的數(shù)據(jù)繪50年時間才能取得的效果。機載海洋激光雷達是一種主動式傳感器，敏捷性和抗干擾力量較強；探測海疆進展大面積的測量；實地反映出接近海疆的狀況，不易受到較快速變化的氣候條件的影響；飛行高度一般在幾百米左右，因而在有云的天氣條件下仍舊能夠進展測量，息的探測船載儀器：方位的相互印證探測。海洋浮標,這是調(diào)查船不行能做到的;漂流浮標的消滅,實現(xiàn)了大尺度的連續(xù)觀測,尤其是可以在人或船舶、飛機都不行能到達的海疆進展環(huán)境參數(shù)的觀測;聲學多普勒海流剖面測量技術(shù)(ADCP)的消滅,把單點測流變?yōu)闇y剖面流,一128層,1200m。全球海洋觀測系統(tǒng)(GOOS)是海洋高技術(shù)的大規(guī)模集成。監(jiān)測系統(tǒng)。(IOC)、世界氣象GOOS工程辦公室設在巴黎IOC總部。海洋光學浮標1、海洋浮標技術(shù)。海洋浮標，一般分為水上和水下兩局部。氣壓和溫度等氣象要素；等海洋水文要素。便可準時防范突發(fā)大事。海洋浮標，一般分為水上和水下兩局部。氣壓和溫度等氣象要素；等海洋水文要素。便可準時防范突發(fā)大事。海洋浮標，一般分為水上和水下兩局部。氣壓和溫度等氣象要素；等海洋水文要素。便可準時防范突發(fā)大事。錨定類型浮標和漂流類型浮標各種小型漂流器等。漂流浮標分為兩類：深度的海流；1000~Z000m之間某一深度(在該深度上浮體所受的浮力呈中性，故又稱中性浮標)，測量的是該深度的海流。1978Argos衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng)建立之后才獲得快速進展。90年月表層漂流浮標在技術(shù)上有兩個明顯的進展：過去表層漂流浮標主要用于大洋，不予回收，隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)的并且可以回收(否回收則取決于浮標購置費與船時人工費的權(quán)衡比較)；料浮標相差無幾。錨泊浮標708O年月前期趨方面則有兩個引人矚目的動向水文／水質(zhì)并重的或?qū)Ｊ滤|(zhì)監(jiān)測的錨泊浮標。錨泊浮標測量系統(tǒng)和潛標測量系統(tǒng)合二為一，形成繃緊式錨泊浮標測量感應耦合傳至浮標，與浮標本身測得的數(shù)據(jù)一起通過衛(wèi)星傳送給陸地接收站。海岸浮標監(jiān)測網(wǎng)。錨泊海洋資料浮標有大型圓盤浮標，主要用于惡劣條件下的海洋科學試驗；中型浮標主要用于幾百米水深的海疆；小型圓盤型浮標，主要用于近?；蚝醇昂涌诘谋O(jiān)測。這些資料浮標系統(tǒng)普遍承受了高牢靠性的低功耗微處理機作為數(shù)據(jù)采集掌握的部件實行備份，提高浮標的牢靠等級。2、海洋光學浮標2080年月中期以后進展起來的一門技術(shù),可用于連續(xù)觀測海面、海水表層、真光層乃至海底的光學特性,在水色遙感現(xiàn)場輻射有著重要的應用價值。美國于1987年在馬尾藻海區(qū)應用深水錨定系統(tǒng)獵取了時間系列的海水光學參數(shù)。世紀,第一臺海洋光學浮標(MOBY)在美國誕生并用于SeaWiFSMODIS的現(xiàn)場輻射定標數(shù)據(jù)真實性檢驗。為協(xié)作OCTS,日本也獨立進展了自己的海洋光學浮標技術(shù)(YBOM),PlyMBODy和BOUSSOLE的研制,SeaWiFS,MODISMERIS等水色遙感器的輻射定標、數(shù)據(jù)和算法真實性檢驗供給長期的觀測平臺。海洋光學浮標涉及的技術(shù)面廣,依靠以下關(guān)鍵技術(shù)：高穩(wěn)性浮標設計水下光輻射測量電源數(shù)據(jù)采集和存儲水下光學儀器的防生物污染等技術(shù)。海洋光學浮標涉及的技術(shù)面廣,依靠以下關(guān)鍵技術(shù)：海洋光學浮標關(guān)鍵技術(shù)海洋光學浮標測量系統(tǒng)主要由浮標、信息中心岸站和用戶終端三部份組成。隨波性等性能要求，同時要兼顧浮標海上姿勢以及陰影對光輻射測量的影響。一、浮標體設計：1、子母浮標體,光學浮標浮體設計由子浮標和母浮標兩套水面浮標體構(gòu)成,12.8m的小型錨碇圓盤型浮標體;子,系泊于母浮標。試驗結(jié)果說明,8m·s-110°。母浮標的錨系承受組合式,(聚丙乙烯纜)、過渡錨鏈、拖底錨鏈和錨六局部構(gòu)成。設置過渡錨鏈段的作用是為,因此在尼龍纜段適當位置加裝具備肯定浮力的浮球,將過渡錨鏈段拉起。由于海洋環(huán)境中的風、浪、流對系泊中的子母浮標的作用,假設兩標之間系纜類型和長度選定不當,,30m零浮力纜系泊于母浮標方案。優(yōu)點：技術(shù)成熟；缺點：布放和回收難度大。2、柱狀浮標體,浮標體設置安裝傳感器的伸臂桿架,以減小浮體陰影的影響。光輻射測量要求浮標搖擺角小,,如圖2示,,錨鏈掛于轉(zhuǎn)臂底端而不是直接掛于長桿底端,同時在水下長桿架下端設有4個阻尼葉片以平衡浮,轉(zhuǎn)軸以上局部與轉(zhuǎn)軸以下局部產(chǎn)生方向相反的轉(zhuǎn)動力矩,抵消或削減浮標傾斜力矩。優(yōu)點:一是初穩(wěn)性高度(穩(wěn)心與重心之間的距離稱為初穩(wěn)性高度)大,能自行恢復到原平衡位置的力量也大;二是光學浮標重心位于浮心之下(傳統(tǒng)的碟形浮標浮心位于重心之下),光學浮標的搖擺角較小,抗傾斜及傾覆力量強。海上試驗結(jié)果說明,73—4m以下的海況,浮標傾角≤5°的次數(shù)占總采樣次數(shù)的54%,浮標傾角≤1083%。小學問重心：將重力對一個物體〔0〕各點的作用，歸納為對一個點的作用，這個點稱該物體的重心〔質(zhì)量中心，用它代表地球引力對該物體的作用，這與〔大小、方向不同〕的合成〔合力〕有所不同。至于一個物體的重心，可通過該物體各局部所受重力分析求出。該局部液體的重力，浮力歸納到作用與一點正好是所排開的液體局部的重心。M點，M點叫穩(wěn)心。的；當穩(wěn)心低于重心的時候，船舶是不穩(wěn)定的。二、系統(tǒng)集成設計總體方案光學浮標由母浮標掌握系統(tǒng)、子浮標掌握系統(tǒng)、標間通訊系統(tǒng)、無線通訊系統(tǒng)、岸站接收中心,以及所裝載儀器和傳感器構(gòu)成。1、通訊系統(tǒng)當子母浮標掌握系統(tǒng)掌握所搭載的儀器和傳感器測量數(shù)據(jù)后,兩標之間通過超短波電臺通訊,將數(shù)據(jù)匯總于子浮標,然后由裝載于子浮標的無線通訊系統(tǒng)實時發(fā)送回岸站接收中心,進展進一步處理、分析。浮標在近海使用時,無線通訊;CDMA/GPRS網(wǎng)絡信號掩蓋不到的海疆(如大洋)使用時,使用海事衛(wèi)星與岸站接收中心通訊。2、浮標掌握系統(tǒng)PC104嵌入式電腦作為掌握核心,1GCF卡作為存儲介質(zhì),DOS平臺上開發(fā)掌握軟件。3、主要觀測量及傳感器布局光學浮標的一個重要目標是獵取離水輻亮度,為此需要同步測量向下光譜輻照度Es(λ)。Es(λ)、Ed(λ))和遙感反射Rrs(λ)等物理量。在推導這些物理量時還需要一個重要光學參數(shù),即向下光譜輻照度漫射衰減系KL(λ)Kd(λ)KL(λ),原則上需要同步測定兩個不同深度的Ed(λ)和Lu(λ),并依據(jù)指數(shù)衰減率進展計算。但是在實際問題中,水面波浪的聚焦效應可引起水下光輻射場的漲落,為便于在數(shù)據(jù)處理時盡可能地消退波浪聚焦效應的影響,水下Ed(λ)和Lu(λ)的測量設置,因此應實時同步測定各層光學傳感器所處的深度。,Ed(λ)是水平面上的光譜輻照度,Lu(λ)是天地點的光譜輻亮度,因此,要求輻照度及輻亮度探頭處于鉛直位置。依據(jù)水下光輻射傳輸理論,,傾角為10°時向上輻亮度測量的誤差小52%。SeaWiFSEd(λ)Lu(λ)時儀器的傾角小于10°,這就要求浮標體盡可能保持鉛直狀態(tài)。陰影包括浮標體的陰影和儀器自陰影。浮標體陰影與浮體構(gòu)造、太陽高度角及方位角、水體光衰減系數(shù)等有關(guān),原則上要求浮標體遮光面積盡可能小。,儀器自陰影誤差大小隨儀器直徑與水體光束衰減系數(shù)的乘積按指數(shù)率變化,因此,儀器直徑越小越好。理論計算結(jié)果說明,當水體光束衰減系數(shù)為0.12m 影引起的水下10m處向上輻亮度測量誤差為1.5%。母浮標裝載了光譜吸取/散射系數(shù)測量儀,測量海水的固有光學特性,在中間錨鏈掛有真光層多光譜輻射計;子浮標用于海水表層和海面光輻射的測量,裝載有;同時子母浮標均裝載有一些關(guān)心傳感器,如經(jīng)緯度、傾角、方位角、風速、風向、水溫等。Es,海水表層高光譜輻射計可以快速(Ed)和上行光譜輻亮(Lu),LED,用于對輻射計的光譜響應和波長漂移進展現(xiàn)場監(jiān)測。,母浮標中間錨鏈不同深度處共掛有三臺該輻射計,測量的真光層的下行光譜輻照度、上行光譜輻亮度、深度、方位角和傾角等數(shù)據(jù),自容式存儲后,利用感應式調(diào)制解調(diào)器技術(shù)實時傳輸給母浮標,進而實時傳回岸站接收中心4、光學窗口防污染裝置(如)和無機物(如泥沙)后測量誤差無法估量，甚至無法進展測量。設計思路：承受保護蓋與清洗刷相結(jié)合的工作原理來實現(xiàn)對光學儀器窗口防污、除污。橡膠做成的清洗刷。需要采樣時，保護蓋攜帶清潔刷轉(zhuǎn)動(2N＋1)×180°后停頓(N為保護蓋轉(zhuǎn)過光學窗口的次數(shù))，并從光學窗口上方移開。采樣完畢后將和生存環(huán)境，在肯定程度上防止了光學窗口被污染。N次這樣即使在不采樣時有少窗口的清潔。海洋光學浮標(MOBY)投放海洋光學浮標有二個目的,感器的檢驗數(shù)據(jù)。見光區(qū)反射出的輻射變化稱之為海洋水色的變化,從海洋水色的變化可推導出其它的量值,志,和海洋生物的生產(chǎn)力,因此,的使用具有極重要的意義。二、MOBY的構(gòu)造及原理設計6個部件組成雙光譜儀,光纖多路轉(zhuǎn)換器,位于浮標上部的太陽板和掌握軟件、具有數(shù)據(jù)采集,,僅,6、16、28英尺深處9英尺長的橫架向外、向垂直于桅桿的方向延長。630900nm,580600nm光譜段,590650nm,可見光譜的分別大大減小了雜散光三種光譜范圍和積分次數(shù)對二個不同光譜區(qū)的測量到達最正確,內(nèi)部定標和關(guān)心傳感器溫度、傾斜角,壓力等均包括在內(nèi)。光學采集器照度和輻射位于橫架的末端,也位于海面上的浮標頂部,收集進入海中的光,和從海中返回的光,從海中返回的光受到顆粒的影響如懸浮在各種深度的浮游植物粒子,,進入光纖電纜,光纖電纜器將光信號中轉(zhuǎn)到雙光譜儀中。這些信號用微機進展數(shù)字化處理和中轉(zhuǎn),并傳送,通過蜂窩存入或存放起來,用于工作試驗室的后處理。三、定標依據(jù)美國國家標