海洋光學(xué)浮標(biāo).

1、第五章海洋光學(xué)浮標(biāo)1.前言目前建設(shè)海洋強(qiáng)國已經(jīng)是我國的一項(xiàng)基本國策 ，我國海洋監(jiān)測(cè)高新技術(shù)發(fā)展的總 體目標(biāo)：一是提高臺(tái)風(fēng)風(fēng)暴潮和巨浪等海洋災(zāi)害的預(yù)報(bào)和警報(bào)能力，最大限度地減少由災(zāi) 害造成的人民生命財(cái)產(chǎn)的損失；二是提高對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境污染和生態(tài)環(huán)境的監(jiān)測(cè)能力，保護(hù)海洋健康；三是提高海洋資源開發(fā)的環(huán)境保障能力，支持沿海和海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展及科技興海戰(zhàn) 略；四是提高國家海上安全防務(wù)的海洋監(jiān)測(cè)和環(huán)境保障能力，加強(qiáng)國防建設(shè)；五是提高對(duì)海洋環(huán)境的立體監(jiān)測(cè)和時(shí)序數(shù)據(jù)獲取能力 ，推進(jìn)中國近海海洋科學(xué)的 發(fā)展。這五個(gè)方面是相互關(guān)聯(lián)的，而當(dāng)前最主要的是預(yù)警海洋災(zāi)害和保護(hù)海洋健康，即監(jiān) 測(cè)技術(shù)，其載體就是海洋儀器?，F(xiàn)代海洋

2、監(jiān)測(cè)技術(shù)總體上向高技術(shù)、高集成度、高時(shí)效、多平臺(tái)、長(zhǎng)時(shí)間序列、 數(shù)字化方向發(fā)展。典型海洋監(jiān)測(cè)儀器：遙感衛(wèi)星大面積、同步、近實(shí)時(shí)、全天候、全天時(shí)的對(duì)海觀測(cè),3個(gè)月飛行獲得的數(shù)據(jù)繪制的全球海面溫度場(chǎng)相當(dāng)于用傳統(tǒng)的測(cè)溫方法花 50年時(shí)間才能取得的效果。 機(jī)載海洋激光雷達(dá)是一種主動(dòng)式傳感器，靈活性和抗干擾能力較強(qiáng)；與船載儀器相比，由于飛機(jī)能夠快速地飛過較長(zhǎng)的海水帶，因而它能夠?qū)?探測(cè)海域進(jìn)行大面積的測(cè)量；由于飛機(jī)飛行的速度較快，因而它測(cè)量海域的結(jié)果在時(shí)間上變化小， 能夠真 實(shí)地反映出臨近海域的狀況，不易受到較迅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然能夠進(jìn)行測(cè)量，

3、而這是星載傳感器所不具備的；對(duì)于具有較高發(fā)射重復(fù)頻率的激光雷達(dá)， 其探測(cè) 海面的水平分辨率遠(yuǎn)大于星載傳感器；時(shí)間分辨激光雷達(dá)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海洋剖面信 息的探測(cè) 船載儀器：調(diào)查船載荷量和機(jī)艙空間較大，其攜帶的儀器設(shè)備較多，可對(duì)海洋進(jìn)行全 方位的相互印證探測(cè)。海洋浮標(biāo)資料浮標(biāo)的出現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期、定點(diǎn)、連續(xù)、多參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)自動(dòng)觀測(cè)，這是調(diào)查船不可能做到的；漂流浮標(biāo)的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)了大尺度的連續(xù)觀測(cè)，尤其是可以在人或船舶、飛機(jī)都 不可能到達(dá)的海域進(jìn)行環(huán)境參數(shù)的觀測(cè)；聲學(xué)多普勒海流剖面測(cè)量技術(shù)（ADCP）的出現(xiàn)，把單點(diǎn)測(cè)流變?yōu)闇y(cè)剖面流，一 次可測(cè)128層,且最大剖面深度已達(dá)1200m。全球海洋觀測(cè)系統(tǒng)全球海洋觀

4、測(cè)系統(tǒng)(GOOS)是海洋高技術(shù)的大規(guī)模集成。包括海洋遙感遙測(cè)、自動(dòng)觀測(cè)、水聲探測(cè)和探查技術(shù)，以及衛(wèi)星、飛機(jī)、船 舶、潛器、浮標(biāo)、岸站等制造技術(shù)，相互連接形成立體、實(shí)時(shí)的海洋環(huán)境觀測(cè)及 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。以下4個(gè)國際機(jī)構(gòu)發(fā)起并組織實(shí)施：政府間海洋學(xué)委員會(huì) (IOC)、世界氣象 組織、國際科學(xué)聯(lián)合會(huì)理事會(huì)和聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署。 GOOS項(xiàng)目辦公室設(shè)在巴黎 IOC總部。5.1海洋光學(xué)浮標(biāo)1、海洋浮標(biāo)海洋浮標(biāo)是一種現(xiàn)代化的海洋觀測(cè)設(shè)施。 它具有全天候、全天時(shí)穩(wěn)定可靠的 收集海洋環(huán)境資料的能力，并能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)米集、自動(dòng)標(biāo)示和自動(dòng)發(fā)送。海 洋浮標(biāo)與衛(wèi)星、飛機(jī)、調(diào)查船、潛水器及聲波探測(cè)設(shè)備一起，組成了探測(cè)海洋奧

5、秘的主體監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。海洋浮標(biāo)技術(shù)是在傳統(tǒng)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的海洋監(jiān)測(cè)新 技術(shù)。海洋浮標(biāo)，一般分為水上和水下兩部分。水上部分裝有多種氣象要素傳感器，分別測(cè)量輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、 氣壓和溫度等氣象要素；水下部分有多種水文要素傳感器，分別測(cè)量波浪、海流、潮位、海溫和鹽度 等海洋水文要素。各種傳感器將采集到的信號(hào)，通過儀器自動(dòng)處理，由發(fā)射機(jī)定時(shí)發(fā)出。地面接 收站將收到的信號(hào)經(jīng)過處理后，就得到了人們所需要的資料。通過對(duì)這些資料的 掌握，會(huì)給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大的便利。 如知道了海流流向，航海時(shí)便盡 可能順流而行；知道了風(fēng)暴區(qū)域，航海時(shí)則可避開繞行；知道了潮位的異常升高， 便可及時(shí)防備突發(fā)事件。

6、海洋浮標(biāo)，一般分為水上和水下兩部分。水上部分裝有多種氣象要素傳感器，分別測(cè)量輻照度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、 氣壓和溫度等氣象要素；水下部分有多種水文要素傳感器，分別測(cè)量波浪、海流、潮位、海溫和鹽度 等海洋水文要素。各種傳感器將采集到的信號(hào)，通過儀器自動(dòng)處理，由發(fā)射機(jī)定時(shí)發(fā)出。地面接 收站將收到的信號(hào)經(jīng)過處理后，就得到了人們所需要的資料。通過對(duì)這些資料的 掌握，會(huì)給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大的便利。 如知道了海流流向，航海時(shí)便盡 可能順流而行；知道了風(fēng)暴區(qū)域，航海時(shí)則可避開繞行；知道了潮位的異常升高， 便可及時(shí)防備突發(fā)事件。海洋浮標(biāo)，一般分為水上和水下兩部分水上部分裝有多種氣象要素傳感器，分別測(cè)量輻照

7、度、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、 氣壓和溫度等氣象要素；水下部分有多種水文要素傳感器，分別測(cè)量波浪、海流、潮位、海溫和鹽度 等海洋水文要素。各種傳感器將采集到的信號(hào)，通過儀器自動(dòng)處理，由發(fā)射機(jī)定時(shí)發(fā)出。地面接 收站將收到的信號(hào)經(jīng)過處理后，就得到了人們所需要的資料。通過對(duì)這些資料的 掌握，會(huì)給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大的便利。 如知道了海流流向，航海時(shí)便盡 可能順流而行；知道了風(fēng)暴區(qū)域，航海時(shí)則可避開繞行；知道了潮位的異常升高， 便可及時(shí)防備突發(fā)事件。海洋浮標(biāo)的種類比較多，有錨定類型浮標(biāo)和漂流類型浮標(biāo)。其中前者包括氣 象資料浮標(biāo)、海水水質(zhì)監(jiān)測(cè)浮標(biāo)、波浪浮標(biāo)等；后者有表面漂流浮標(biāo)、中性浮標(biāo)、 各種小型漂流器等

8、。漂流浮標(biāo)分為兩類：一類稱為表層漂流浮標(biāo)，浮體位于海面，測(cè)量的是浮體下面懸掛的水帆所處 深度的海流；另一類稱為次表層漂流浮標(biāo)，浮體位于水下 1000Z000m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(biāo) )，測(cè)量的是該深度的海流。表層漂流浮標(biāo)歷史悠久，但一直到 1978年Argos衛(wèi)星定位和數(shù)據(jù)收集系統(tǒng) 建立之后才獲得迅速發(fā)展。90年代表層漂流浮標(biāo)在技術(shù)上有兩個(gè)明顯的發(fā)展：(1) 過去表層漂流浮標(biāo)主要用于大洋，不予回收，隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)的建立，精確定位成為可能，開始出現(xiàn)了一批可供或?qū)９┙Ｊ褂玫谋韺悠鞲?biāo)， 并且可以回收(否回收則取決于浮標(biāo)購置費(fèi)與船時(shí)人工費(fèi)的權(quán)衡

9、比較 )；(2) 過去表層漂流浮標(biāo)測(cè)量的參數(shù)有限，現(xiàn)在增多了，幾乎與常規(guī)的錨泊資 料浮標(biāo)相差無幾。錨泊浮標(biāo)錨泊浮標(biāo)的研制始于第二次世界大戰(zhàn)以后，到70年代后期、80年代前期趨于成熟。最近十幾年來，錨泊浮標(biāo)的發(fā)展在微觀方面主要是隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步 不斷地更新自身的傳感器、數(shù)據(jù)采集器、通訊手段、電源、浮體和錨系，在宏觀 方面則有兩個(gè)引人矚目的動(dòng)向(1) 從以海洋氣象、水文測(cè)量為主擴(kuò)展至水質(zhì)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)了一系列的氣象/水文/水質(zhì)并重的或?qū)Ｊ滤|(zhì)監(jiān)測(cè)的錨泊浮標(biāo)。(2) 錨泊浮標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)和潛標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)合二為一，形成繃緊式錨泊浮標(biāo)測(cè)量 系統(tǒng)，即在浮標(biāo)上進(jìn)行海面氣象水文測(cè)量， 在繃緊式錨索上懸掛一系列儀器測(cè)量

10、 各個(gè)水層的溫度、鹽度、海流和某些生物化學(xué)參數(shù)，水下測(cè)量數(shù)據(jù)利用單芯電纜 感應(yīng)耦合傳至浮標(biāo)，與浮標(biāo)本身測(cè)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(biāo)是一種比較常用的錨定浮標(biāo)，適合于短期科學(xué)實(shí)驗(yàn)及環(huán)境監(jiān)控計(jì)算， 也 適全于某些海底的測(cè)量工作。浮標(biāo)的底部如鐘擺式長(zhǎng)臂，固定于附加裝置上。海 岸浮標(biāo)能將測(cè)得的數(shù)據(jù)傳給衛(wèi)星，再由衛(wèi)星將信號(hào)傳送到地面接收站和海洋環(huán)境 監(jiān)測(cè)網(wǎng)。錨泊海洋資料浮標(biāo)有大型圓盤浮標(biāo)，主要用于惡劣條件下的海洋科學(xué)試驗(yàn)；中型浮標(biāo)主要用于幾百米水深的海域；小型圓盤型浮標(biāo)，主要用于近?；蚝醇昂涌诘谋O(jiān)測(cè)。這些資料浮標(biāo)系統(tǒng)普遍采用了高可靠性的低功耗微處理機(jī)作為數(shù)據(jù)采集控制的 核心，應(yīng)用衛(wèi)星

11、傳輸測(cè)量數(shù)據(jù)。其特點(diǎn)主要表現(xiàn)在：能夠增加傳感器，擴(kuò)大浮標(biāo) 的功能；采用先進(jìn)的數(shù)據(jù)采集和通訊系統(tǒng)；浮標(biāo)采用鋼、鋁、泡沫塑料或玻璃鋼 混合結(jié)構(gòu)，重量輕、布放回收方便；均采用太陽能電池和蓄電池組合供電；關(guān)鍵 部件采取備份，提高浮標(biāo)的可靠等級(jí)。2、海洋光學(xué)浮標(biāo)海洋光學(xué)浮標(biāo)技術(shù)是20世紀(jì)80年代中期以后發(fā)展起來的一門新技術(shù)，可用 于連續(xù)觀測(cè)海面、海水表層、真光層乃至海底的光學(xué)特性，在水色遙感現(xiàn)場(chǎng)輻射定標(biāo)和數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)、海洋科學(xué)觀測(cè)、近海海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)和海洋軍事科學(xué)方面 有著重要的應(yīng)用價(jià)值。美國于1987年在馬尾藻海區(qū)應(yīng)用深水錨定系統(tǒng)獲取了時(shí)間系列的海水光學(xué)參 數(shù)。20世紀(jì)90年代后期,第一臺(tái)海洋光學(xué)浮標(biāo)

12、 (MOBY)在美國誕生，并用于 SeaWiFS和MODIS的現(xiàn)場(chǎng)輻射定標(biāo)數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)。為配合 OCTS的發(fā)射和應(yīng)用，日本也獨(dú)立發(fā)展了自己的海洋光學(xué)浮標(biāo)技術(shù)(YBOM)。近年來，英國、法國先后開展了光學(xué)浮標(biāo) PlyMBODy和BOUSSOL E 的研制,其主要目標(biāo)是為SeaWiFS , MODIS和MERIS等水色遙感器的輻射定 標(biāo)、數(shù)據(jù)和算法真實(shí)性檢驗(yàn)提供長(zhǎng)期的觀測(cè)平臺(tái)。海洋光學(xué)浮標(biāo)涉及的技術(shù)面廣，依賴以下關(guān)鍵技術(shù)：高穩(wěn)性浮標(biāo)設(shè)計(jì)水下光輻射測(cè)量控制系統(tǒng)電源數(shù)據(jù)米集和存儲(chǔ)水下光學(xué)儀器的防生物污染等技術(shù)。海洋光學(xué)浮標(biāo)涉及的技術(shù)面廣，依賴以下關(guān)鍵技術(shù)：5.2海洋光學(xué)浮標(biāo)關(guān)鍵技術(shù)海洋光學(xué)浮標(biāo)測(cè)量系

13、統(tǒng)主要由浮標(biāo)、信息中心岸站和用戶終端三部份組成。光學(xué)浮標(biāo)主要用于光輻射測(cè)量，不僅要滿足耐海水腐蝕性、抗傾覆性、穩(wěn)性和 隨波性等性能要求，同時(shí)要兼顧浮標(biāo)海上姿態(tài)以及陰影對(duì)光輻射測(cè)量的影響。一、浮標(biāo)體設(shè)計(jì)：1子母浮標(biāo)體保證高海況條件下浮標(biāo)體的穩(wěn)性，光學(xué)浮標(biāo)浮體設(shè)計(jì)由子浮標(biāo)和母浮標(biāo)兩套水 面浮標(biāo)體構(gòu)成，如圖1所示。母浮標(biāo)為直徑2.8 m的小型錨碇圓盤型浮標(biāo)體；子 浮標(biāo)為直徑1.5 m的柱型浮標(biāo)體，系泊于母浮標(biāo)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在8 m s - 1 風(fēng)速的高海況條件下子浮標(biāo)的傾角平均不超過 10°。7- I:囂小n*母浮標(biāo)的錨系采用組合式，自上而下分別由包塑鋼絲繩、中間錨鏈、尼龍纜（聚 丙乙烯

14、纜）、過渡錨鏈、拖底錨鏈和錨六部分構(gòu)成。設(shè)置過渡錨鏈段的作用是為 了避免尼龍纜下部與海底的摩擦，因此在尼龍纜段適當(dāng)位置加裝具備一定浮力 的浮球，將過渡錨鏈段拉起。由于海洋環(huán)境中的風(fēng)、浪、流對(duì)系泊中的子母浮標(biāo)的作用 ，如果兩標(biāo)之間系纜類 型和長(zhǎng)度選定不當(dāng)，很有可能造成兩標(biāo)相撞或跑標(biāo)。通過理論計(jì)算和模型水池試 驗(yàn),最終采用子浮標(biāo)通過30 m零浮力纜系泊于母浮標(biāo)方案。優(yōu)點(diǎn)：技術(shù)成熟；缺點(diǎn)：布放和回收難度大。2、柱狀浮標(biāo)體浮標(biāo)體遮光面積小、隨波浪搖擺及升沉小且重心低，浮標(biāo)體設(shè)置安裝傳感器的伸 臂桿架，以減小浮體陰影的影響。海血光譜輻射計(jì)鳳速風(fēng)向CDMA/GPRS 夭線1J星通信設(shè)備滅線錨燈CD人陽能電

15、池扳2.0m光譜儀及其數(shù)據(jù)采集 系統(tǒng)電源輻照度探頭輻亮度探頭角度、GPS.濕度、溫度等傳感器水面輻照度探頭B=軸亮度探頭輻照度探頭3輻亮度探頭X錨鏈一馬酸5!自由旋轉(zhuǎn)裝置光輻射測(cè)量要求浮標(biāo)搖擺角小，盡可能保持鉛直狀態(tài)。采用了馬鞍形轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu) 如圖2示，即在水下長(zhǎng)桿架的適當(dāng)位置安裝可旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臂 ，錨鏈掛于轉(zhuǎn)臂底端 而不是直接掛于長(zhǎng)桿底端，同時(shí)在水下長(zhǎng)桿架下端設(shè)有 4個(gè)阻尼葉片以平衡浮 體海流作用。在海流作用下，轉(zhuǎn)軸以上部分與轉(zhuǎn)軸以下部分產(chǎn)生方向相反的轉(zhuǎn)動(dòng) 力矩，抵消或減少浮標(biāo)傾斜力矩。優(yōu)點(diǎn)：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(fù)到原平衡位置的能力也大；二是光學(xué)浮標(biāo)重心位于

16、浮心之下（傳統(tǒng)的碟形浮標(biāo)浮心位于重心之下）,光學(xué)浮標(biāo) 的搖擺角較小，抗傾斜及傾覆能力強(qiáng)。海上試驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于風(fēng)力7節(jié)、浪高34m以下的海況,浮標(biāo)傾角w 5°的 次數(shù)占總采樣次數(shù)的 54%,浮標(biāo)傾角w 10°的次數(shù)占總采樣次數(shù)的83%。小知識(shí)重心：將重力對(duì)一個(gè)物體（體積不為 0）各點(diǎn)的作用，歸納為對(duì)一個(gè)點(diǎn)的作用， 這個(gè)點(diǎn)稱該物體的重心（質(zhì)量中心），用它代表地球引力對(duì)該物體的作用，這與 作用到同一點(diǎn)上不同力（大小、方向不同）的合成（合力）有所不同。至于一個(gè) 物體的重心，可通過該物體各部分所受重力分析求出。浮心即浮力中心的概念，即將浸入液體中的物體中各部分所受浮力歸納到一個(gè)點(diǎn)

17、上，如果將物體所排開的水產(chǎn)生的浮力上下顛倒來看，各部分的浮力正好相似與該部分液體的重力，浮力歸納到作用與一點(diǎn)正好是所排開的液體部分的重心。穩(wěn)心：浮力的作用線同船體的中心線相交于 M點(diǎn)，M點(diǎn)叫穩(wěn)心。如果重心在浮力的下面，船體傾側(cè)后，浮力的力矩一定會(huì)使船體回復(fù)到正常狀態(tài)。 因此，重心低于浮力的船舶一定是穩(wěn)定的。 當(dāng)穩(wěn)心高于重心的時(shí)候，船舶是穩(wěn)定 的；當(dāng)穩(wěn)心低于重心的時(shí)候，船舶是不穩(wěn)定的。二、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)毋浮標(biāo)疫總體方案光學(xué)浮標(biāo)由母浮標(biāo)控制系統(tǒng)、子浮標(biāo)控制系統(tǒng)、標(biāo)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。載的僅91子萍標(biāo)應(yīng)MjKtt岸站棲收中心1通訊系統(tǒng)當(dāng)子母浮標(biāo)控制系統(tǒng)

18、控制所搭載的儀器和傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)后，兩標(biāo)之間通過超短波電臺(tái)通訊，將數(shù)據(jù)匯總于子浮標(biāo)，然后由裝載于子浮標(biāo)的無線通訊系統(tǒng)實(shí) 時(shí)發(fā)送回岸站接收中心，進(jìn)行進(jìn)一步處理、分析。浮標(biāo)在近海使用時(shí)，無線通訊 系統(tǒng)基于CDMA和GPRS兩種網(wǎng)絡(luò)與岸站接收中心通訊；在CDMA/ GPRS網(wǎng) 絡(luò)信號(hào)覆蓋不到的海域（如大洋）使用時(shí)，使用海事衛(wèi)星與岸站接收中心通訊。2、浮標(biāo)控制系統(tǒng)浮標(biāo)控制系統(tǒng)采用低功耗的PC104嵌入式電腦作為控制核心，1G的CF卡作為 存儲(chǔ)介質(zhì)，在高穩(wěn)定性、低資源占有的 DOS平臺(tái)上開發(fā)控制軟件。*J-H| 422餐樓一*GPS電壓變棧一柄ar 水 片機(jī)電壓受揍* h- 子開黃參口訊塊電校出3、主要

19、觀測(cè)量及傳感器布局光學(xué)浮標(biāo)的一個(gè)重要目標(biāo)是獲取離水輻亮度，為此需要同步測(cè)量向下光譜輻照度 Ed（入）、向上光譜輻亮度Lu（入）以及海面入射光譜輻照度 Es（入）。其中Es（入）用于監(jiān)測(cè)入射到海面的光譜輻照度的變化。由實(shí)測(cè)的 Es（入）、Ed（入） 和Lu（入）可以推導(dǎo)出離水輻亮度Lw（入）、歸一化離水輻亮度Lwn（入）和遙感反射 率Rrs（入）等物理量。在推導(dǎo)這些物理量時(shí)還需要一個(gè)重要光學(xué)參數(shù)，即向下光譜輻照度漫射衰減系 數(shù)Kd（入）和向上光譜輻亮度漫射衰減系數(shù) KL（入）。為得到Kd（入）及KL（入）,原 則上需要同步測(cè)定兩個(gè)不同深度的Ed（入）和Lu（入）,并根據(jù)指數(shù)衰減率進(jìn)行計(jì)算。但是在

20、實(shí)際問題中，水面波紋的聚焦效應(yīng)可引起水下光輻射場(chǎng)的漲落 ，為便于在 數(shù)據(jù)處理時(shí)盡可能地消除波紋聚焦效應(yīng)的影響,水下Ed（X ）和Lu（入）的測(cè)量設(shè)置 為3層。由于傳感器所處的深度會(huì)隨浮標(biāo)體的升沉而變化，因此應(yīng)實(shí)時(shí)同步測(cè)定 各層光學(xué)傳感器所處的深度。根據(jù)海洋光學(xué)理論，Ed（入）是水平面上的光譜輻照度，而Lu（入）是天地點(diǎn)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。根據(jù)水下光輻射傳輸理 論，考慮到水下光輻射場(chǎng)的角度分布，傾角為10°時(shí)向上輻亮度測(cè)量的誤差小 于3%,傾角為5°時(shí)向上輻亮度測(cè)量的誤差小于 2%。SeaWiFS定標(biāo)制定的海洋光學(xué)規(guī)范要求測(cè)量Ed（X ）

21、和Lu（X ）時(shí)儀器的傾角小于10° ,這就要求浮標(biāo)體盡可能保持鉛直狀態(tài)。光學(xué)浮標(biāo)需要考慮的另一重要問題是陰影效應(yīng)對(duì)光輻射測(cè)量的影響。陰影包括浮標(biāo)體的陰影和儀器自陰影。浮標(biāo)體陰影與浮體結(jié)構(gòu)、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(biāo)體遮光面積盡可能小。根據(jù)Gordon等的理論研究，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(jì)算結(jié)果表明，當(dāng)水體光束衰減系數(shù)為0.12m-1、太陽天頂角為10°時(shí)，自陰 影引起的水下10m處向上輻亮度測(cè)量誤差為1.5%。母浮標(biāo)裝載了光譜吸收/散射系數(shù)測(cè)量?jī)x，測(cè)量海水的固有光學(xué)特性

22、，在中間錨 鏈掛有真光層多光譜輻射計(jì)；子浮標(biāo)用于海水表層和海面光輻射的測(cè)量，裝載有 海面光譜輻射計(jì)、海水表層高光譜輻射計(jì)；同時(shí)子母浮標(biāo)均裝載有一些輔助傳感 器，如經(jīng)緯度、傾角、方位角、風(fēng)速、風(fēng)向、水溫等。海面光譜輻射計(jì)測(cè)量海面入射光譜輻照度 Es ,海水表層高光譜輻射計(jì)可以快速 同步測(cè)量水下3,5,7和9 m四個(gè)水層的下行光譜輻照度（Ed ）和上行光譜輻亮 度（Lu）,每個(gè)探頭都集成白光L ED ,用于對(duì)輻射計(jì)的光譜響應(yīng)和波長(zhǎng)漂移進(jìn)行 現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)。真光層多光譜輻射計(jì)是低功耗、用于探測(cè)深層海水中微弱光信號(hào)的高靈敏度儀器 母浮標(biāo)中間錨鏈不同深度處共掛有三臺(tái)該輻射計(jì)，測(cè)量的真光層的下行光譜輻照度、上行

23、光譜輻亮度、深度、方位角和傾角等數(shù)據(jù)，自容式存儲(chǔ)后，利用感應(yīng)式調(diào)制解調(diào)器技術(shù)實(shí)時(shí)傳輸給母浮標(biāo)，進(jìn)而實(shí)時(shí)傳回岸站接收中心4、光學(xué)窗口防污染裝置由于光學(xué)浮標(biāo)一般要被放置在海水中幾天到幾十天進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)量， 所以其輻 射傳感器的光學(xué)窗口長(zhǎng)時(shí)間暴露在海水中就很容易受到水中的生物、有機(jī)物 （如 油類）和無機(jī)物（如泥沙）的污染。而光輻射測(cè)量對(duì)這種污染十分敏感， 窗口受污染 后測(cè)量誤差無法估計(jì)，甚至無法進(jìn)行測(cè)量。設(shè)計(jì)思路：采用保護(hù)蓋與清洗刷相結(jié)合的工作原理來實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)儀器窗口防污、除污。；通訊口定位傳感器電源控制峙達(dá)控制控 制 中 心LI減速rdI I i?!l調(diào)節(jié)與分配電源系統(tǒng)傳數(shù)據(jù)至 接收站保護(hù)蓋由銅

24、做成，和光學(xué)窗口之間的間隙為0.51mm,在保護(hù)蓋的一側(cè)裝一柔軟 橡膠做成的清洗刷。需要采樣時(shí)，保護(hù)蓋攜帶清潔刷轉(zhuǎn)動(dòng)（2N + 1）X 180°后停止（N為保護(hù)蓋轉(zhuǎn)過光學(xué)窗口的次數(shù)），并從光學(xué)窗口上方移開。采樣結(jié)束后將 保護(hù)蓋旋轉(zhuǎn)180°重新遮住光學(xué)窗口，由于保護(hù)蓋與光學(xué)窗口之間間隙極小，從 而使光學(xué)窗口基本處于無光照狀態(tài)； 又由于保護(hù)蓋由銅做成，而銅又有抑制生物 胚胎和幼芽生長(zhǎng)的作用，這樣就可以破壞海水中大多數(shù)生物生長(zhǎng)所需的光照條件 和生存環(huán)境，在一定程度上防止了光學(xué)窗口被污染。還有少數(shù)生物，可以在微光、無光、外界生存環(huán)境惡劣的條件下生長(zhǎng)，從而污染 了光學(xué)窗口，為此，在每

25、次將保護(hù)蓋從光學(xué)窗口上方移開的過程中，讓保護(hù)蓋攜帶橡皮刷緊貼光學(xué)窗口表面均勻的清掃光學(xué)窗口 N次這樣即使在不采樣時(shí)有少 量污染物附著在光學(xué)窗口上面，也可以通過此方法清潔干凈，從而雙重保護(hù)光學(xué) 窗口的清潔。d1cprxL>SV“f；t卜FJ f1=I;7拆肖圖】窗口防污染裝置控制硬件結(jié)構(gòu)框圖HPC巴5.3海洋光學(xué)浮標(biāo)(MOBY)1994年2月21日在夏威夷Lan胡海岸以外投放了海洋光學(xué)浮標(biāo)(MOBY)NOAACJI國家海洋和大氣管理局人NASA (美國國家航空與航天局)的坯MODIS(中分辨率成像光諧儀)和SeaWiFS科學(xué)工作臥成員Dennis Clark的領(lǐng)當(dāng)投放海洋光學(xué)浮標(biāo)有二個(gè)目的

26、一是為衛(wèi)星儀器如地球觀測(cè)衛(wèi)星、空投拋棄式海洋遙感器等光學(xué)儀器提供各種傳 感器的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)。該浮標(biāo)的第二個(gè)目的是測(cè)量進(jìn)入海洋和從海洋反射出的可見光和近紅外輻射?？梢姽鈪^(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(dǎo)出其它的量值，如海洋浮游植物的富集度等。浮游植物是海洋食物鏈中極重要的標(biāo) 志,它直接影響大氣層內(nèi)全球二氧化碳的平衡。 而二氧化碳直接影響全球的溫度 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的結(jié)構(gòu)及原理設(shè)計(jì)hr押育電話爵上0光悴此學(xué)中堆丄矗高赫 Lu.Ed ；®2ru Lum Erf .< $cu r l-w £(j1 OutG

27、OES【(j牲構(gòu)實(shí)時(shí)敘搪R4 Q K %- 1每準(zhǔn)二様管r"T*5)2 二驢管舞光諾忸A(yù)/DRS732 RSZ32 «jp壓力電M1NTMET 料標(biāo)浮標(biāo)外和輔助凈佯Ed向卜構(gòu)屎度、F_”一揷通逍霜射計(jì)L J卍二"GOES天戟 廠1杯天線*陽板RDF發(fā)射in/RDP無線利室向器）Lu卜幡tfUif)玻腐列堆桿僅井繼勒鑲鶴憐輸氣曲左該浮標(biāo)主要由6個(gè)部件組成雙光譜儀，光纖多路轉(zhuǎn)換器，位于浮標(biāo)上部的太陽板和控制軟件、具有數(shù)據(jù)采集 軟件的通信操作環(huán)境衛(wèi)星數(shù)據(jù)中繼系統(tǒng)、光纖輻射和輻照度收集器、雙光譜儀的 水分光反射鏡。MOBY約50英尺長(zhǎng)，是世界上最大的海洋光學(xué)裝置。在海上，

28、僅 僅天線、太陽板、頻閃燈、表面浮標(biāo)包括計(jì)算機(jī)和傳輸數(shù)據(jù)用的蜂窩電話在水面以上。纖維玻璃桅桿延伸到水下 40英尺,直至儀器艙。在6、16、28英尺深處 分別有9英尺長(zhǎng)的橫架向外、向垂直于桅桿的方向延伸。光學(xué)系統(tǒng)采用有二個(gè)水分光反射鏡的、有高光譜分辨率和消除雜散光的光譜儀。該水分光反射鏡是用來發(fā)射紅光 630 一 900nm,反射蘭光580 一 600nm光譜段, 從而完成590 一 650nm間從反射到透射比的過渡。因此在開始吸收水區(qū)，可見光 譜的分離大大減小了雜散光三種光譜范圍和積分次數(shù)對(duì)二個(gè)不同光譜區(qū)的測(cè)量 達(dá)到最佳，內(nèi)部定標(biāo)和輔助傳感器溫度、傾斜角，壓力等均包括在內(nèi)。光學(xué)采集器照度和輻射位于橫架的末端，也位于海面上的浮標(biāo)頂部，收集進(jìn)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，從而改變了衛(wèi)星傳感器的所獲信號(hào)。在采集器中的透鏡聚焦光， 進(jìn)入光纖電纜，光纖電纜將光傳輸給儀器艙內(nèi)的光纖多路轉(zhuǎn)換器。 該多路轉(zhuǎn)換器采用測(cè)量光譜能量的探測(cè) 器將光信號(hào)中轉(zhuǎn)到雙光譜儀中。這些信號(hào)用微機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理和中轉(zhuǎn)，并傳送 到海面浮標(biāo)中的