CN101482400B - 海冰厚度测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种海冰厚度测量装置，包含一本体，所述本体包括：声纳器，垂直于海水或海冰发射并接收声纳信号；激光器，垂直于海水或海冰发射和接收激光信号；以及控制单元，与所述声纳器和所述激光器数据连接，其中，所述控制单元根据来自所述声纳信号或激光信号计算所述本体距离海冰的上表面的第一高度，根据所述声纳信号或激光信号计算所述本体距离所述海水的表面的第二高度，并通过将所述第二高度减去所述第一高度获得所述海冰的冰舷高度，然后根据阿基米德定律计算所述海冰的厚度。本发明还相应地提供了一种海冰厚度测量方法。本发明实现了大范围海冰的可重复观测，并能精确地测量海冰厚度。

Description

海冰厚度测量装置和方法

技术领域

本发明涉及海洋监测领域，尤其涉及一种新颖的海冰厚度测量方法和装置。

背景技术

海冰厚度及其变化是全球变化研究领域中的一个前沿热点和技术难点，各国科学家正在致力于寻求解决该问题的技术方法。

海冰厚度对大气-海冰-海洋的耦合过程尤为显著和敏感，并直接决定着海-气能量与物质的交换过程和速率；主导着海冰的热力学和动力学特征，影响海冰的运动、形变及冻结与消融过程。目前，主要存在以下集中海冰厚度监测技术：

卫星遥感技术，随着卫星技术和星载传感器技术的快速发展，海冰厚度的遥感应用进展显著。但至今没有一种传感器可以实现对海冰厚度的直接观测；

水下仰视声纳技术，仰视声纳技术属于冰厚观测的经典方法，将仰视声纳设备搭载于潜艇或水下机器人平台上，获取的海冰厚度资料是科学家广泛采用的数据，但该技术的观测精度受限于水下换能器的位置以及水温、潮汐和气压变化带来的影响；

电磁感应技术，该技术具有非接触式、工作速度快等优点，但至今未出现电磁感应冰厚探测设备的商用产品。

因此，业界急需一种高精度且结构紧凑的海冰厚度测量装置及其方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种海冰厚度测量装置，包含一本体，所述本体包括：声纳器，垂直于海水或海冰发射并接收声纳信号；激光器，垂直于海水或海冰发射和接收激光信号；以及控制单元，与所述声纳器和所述激光器数据连接，其中，所述控制单元根据来自所述声纳信号和激光信号计算所述本体距离海冰的上表面的第一高度，根据所述声纳信号和激光信号计算所述本体距离所述海水的表面的第二高度，并通过将所述第二高度减去所述第一高度获得所述海冰的冰舷高度，然后根据阿基米德定律计算所述海冰的厚度。

在上述海冰厚度测量装置中，控制单元利用所述声纳信号测量高度，通过分析所述激光信号的回波信号的波形特征的差异来区分所述第一高度和第二高度。

在上述海冰厚度测量装置中，本体还可以包括：全球定位系统(GPS)装置，与所述控制单元数据连接并用于获取所述海冰厚度测量装置的定位信息。

在上述海冰厚度测量装置中，本体还可以包括：存储装置，与所述控制单元数据连接并用于存储数据。

上述海冰厚度测量装置还可以包含一辅助支架，该辅助支架包括：竖直杆；水平杆，与所述竖直杆垂直地固定于所述竖直杆上且所述水平杆的下表面上设置多个滑轮；拉绳，沿所述多个滑轮布置且远离所述竖直杆的一端处固定所述海冰厚度测量装置的本体；以及卷轴升降机，具有一转轴，所述转轴上固定所述拉绳的另一端，以调节所述本体的高度。

根据本发明的另一方面，还提供了一种海冰厚度测量方法，包括以下步骤：从一水平位置垂直于海冰发射并接收第一组信号；从所述水平位置垂直于海水发射并接收第二组信号；以及根据所述第一组信号计算所述水平位置距离海冰的上表面的第一高度，根据所述第二组信号计算所述水平位置距离所述海水的表面的第二高度，并通过将所述第二高度减去所述第一高度获得所述海冰的冰舷高度，然后根据阿基米德定律计算所述海冰的厚度。

根据一个实施例，在上述海冰厚度测量方法中，第一组信号和第二组信号均包括声纳信号和激光信号，其中根据所述声纳信号测量高度并根据所述激光信号的回波信号的波形特征来区分所述第一高度和第二高度

上述海冰厚度测量方法还可以包括：测量所述位置的全球定位(GPS)信息的步骤。

上述海冰厚度测量方法还可以包括：根据所述GPS信息检索所述位置处的积雪厚度，并将上述获得的海冰的厚度减去所述积雪厚度，以消除积雪对海冰厚度的影像。

应当理解，本发明以上的一般性描述和以下的详细描述都是示例性和说明性的，并且旨在为如权利要求所述的本发明提供进一步的解释。

附图说明

包括附图是为提供对本发明进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本发明的实施例，并与本说明书一起起到解释本发明原理的作用。

附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的海冰厚度测量装置的系统结构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的海冰厚度测量的示意图。

图3示出了根据本发明一个实施例的海冰厚度测量装置的辅助支架的示意图。

图4示出了根据本发明另一实施例的海冰厚度测量的示意图。

具体实施方式

现在将详细参考附图描述本发明的实施例。

图1示出了根据本发明一个实施例的海冰厚度测量装置的结构图。如图1所示，该装置至少可以包括电磁感应器101、声纳器102、激光器103、GPS装置104、电源105、控制单元106和计算机107。以下将结合具体的测量方法的实施例来进一步说明这些装置的具体操作及其它技术内容。

实施例1

图2示出了本发明的测量海冰厚度方法的一个实施例。

如图2所示，将图1所示的海冰厚度测量装置201设置于海冰上方。上述电磁感应器101垂直于海冰发射并接收电磁场信号，同时上述声纳器102垂直于海冰发射并接收声纳信号。其中，该声纳器102用于测量装置201距离冰面的准确高度，即图2中的高度h1；该电磁感应器101用于基于上述原理测量装置201距离海冰与海水的分界面的高度，即图2中的高度z。

回到图1，上述电磁感应器101和声纳器102采集的数据将被传送到控制单元103，该控制单元可以根据来自电磁感应器101的电磁场信号计算装置201距离海冰和海水的分界面的高度z，并根据来自声纳器102的声纳信号计算装置201距离海冰的高度h1。通过将高度z减去高度h1即可大致获得海冰的厚度。

需要注意的是，如图2所示，通常海冰表面上会覆盖一层积雪。在需要考虑积雪因素的场合，根据一个优选实施例，本发明的海冰厚度测量装置还设置一全球定位系统(GPS)装置104。该GPS装置104可用于测定装置201的地理位置信息。基于该地理位置信息，可利用现有的NEVISAT极轨平台对地观测卫星得到当地的积雪厚度参数，以消除积雪对海冰厚度的影响。

此外，如图1所示，控制单元106还与计算机107连接，以便对相关数据进行存储和显示。

在对极地环境进行实地测量的过程中，通常是以船载的方式实施测量作业。为能在船舷外侧悬挂上述海冰厚度测量装置，本发明的一优选实施例进一步提供了一辅助支架301，如图3所示。

转到图3，该辅助支架301可包括竖直杆302、与该竖直杆垂直地固定于该竖直杆上的水平杆303、设置于水平杆的下表面上的多个滑轮304、沿该多个滑轮布置且远离竖直杆的一端处固定上述海冰厚度测量装置本体的拉绳306以及卷轴升降机305，该卷轴升降机305具有一转轴，其上固定了拉绳的另一端，用以调节所述海冰厚度测量装置本体的高度。测量时，可以将本体固定在一特定的木制框架内，将该木制框架摆出船舷外侧，仪器的高度可通过卷轴升降机305控制。通常，水平杆304需使本体与船体的最小距离为8m，以使探测结果不受船体本身影响且也使船对冰体破碎的影响降到最低。另外，用两个拉紧的绳子将木制框架两侧固定在船上，这样在船破冰时可有效减少测量系统在空中的摆动。

实施例2

图4示出了本发明的另一实施例，该实施例涉及另一种测量海冰厚度的方法。该方法主要利用图1所示的声纳器102和激光器103。根据该实施例，海冰厚度测量装置401至少应包含声纳器102和激光器103。转到图4，如实施例1一样，将本发明的海冰厚度测量装置401，即声纳器102和激光器103，固定于海冰上方。按与实施例1中相同的方式可以用声纳器102测量海水表面距离装置401的高度H1以及海冰上表面距离装置401的高度H2。同时，用激光器103也可以按类似的方式测量海水表面距离装置401的高度H1以及海冰上表面距离装置401的高度H2，通过将H1-H2就能得到冰舷高度H。然后，利用阿基米德浮力定律就能计算出海冰的厚度。

在实践中，例如上述装置401沿图4所示的方向a行进，使所述装置401先测量到高度H1，进而测量高度H2。此时，由于海水与海冰对激光的反射特性存在明显的区别，因此上述激光器103所接收的返回的激光信号的回波信号的波形特征会出现剧烈的变化，例如强度出现约三倍的变化。具体地，所述控制单元106可通过检测返回的回波信号的波形特征(如振幅)来检测上述回波信号强度的变化。根据这一变化，所述装置401就能准确地区分根据上述激光信号测得的高度是H1还是H2。基于激光器103的上述特点，在更优选的实施例中，上述装置401可利用声纳器102测量高度并仅将激光器103用于区分这些高度。

此外，在该实施例中，同样可以结合GPS装置以消除积雪的影响，并借助辅助支架301实施测量。具体的操作步骤和技术细节可参考上述实施例1，因此在此不再赘述。

具体地，海冰厚度T具体可根据以下公式求得：

$T=\frac{{\mathrm{\ρ}}_w}{{\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i}\×F-\frac{{\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_s}{{\mathrm{\ρ}}_w-{\mathrm{\ρ}}_i}\×T_s$

其中，ρ_w、ρ_i和ρ_s分别为海水、海冰和积雪的密度，F为冰舷高度(含积雪)，T_s为积雪的厚度。

本领域的技术人员可以理解，在第一实施例中可省略激光器103而不影响该实施例的实现，且在第二实施例中也可省略电磁感应器101而不影响该实施例的实现。此外，较佳地，可通过同时包含上述设备101、102和103而获取两套独立的海冰厚度数据，以供相互校验从而提取出干扰噪声信号。特别是，在集成上述两个实施例的情况下，经实际海测检验，可将平坦冰区的海冰厚度的测量误差降低到小于10％，将冰脊区的测量误差降低到小于20％。

综上所述，本发明实现了大范围海冰的可重复观测，并能精确地测量海冰厚度。本发明的海冰厚度测量装置还具有高精度、一体化和易操作的诸多优点。

本领域技术人员可显见，可对本发明的上述示例性实施例进行各种修改和变型而不偏离本发明的精神和范围。因此，旨在使本发明覆盖落在所附权利要求书及其等效技术方案范围内的对本发明的修改和变型。

Claims (8)

1.一种海冰厚度测量装置，包含一本体，所述本体包括：

声纳器，垂直于海水或海冰发射并接收声纳信号；

激光器，垂直于海水或海冰发射和接收激光信号；以及

控制单元，与所述声纳器和所述激光器数据连接，

其中，所述控制单元根据来自所述声纳信号和激光信号计算所述本体距离海冰的上表面的第一高度，根据所述声纳信号和激光信号计算所述本体距离所述海水的表面的第二高度，并通过将所述第二高度减去所述第一高度获得所述海冰的冰舷高度，然后根据阿基米德定律计算所述海冰的厚度。

2.如权利要求1所述的海冰厚度测量装置，其特征在于，所述控制单元利用所述声纳信号测量所述第一高度和第二高度，通过分析所述激光信号的回波信号的波形特征的差异来区分所述第一高度和第二高度。

3.如权利要求1所述的海冰厚度测量装置，其特征在于，所述本体还包括：

全球定位系统装置，与所述控制单元数据连接并用于获取所述海冰厚度测量装置的定位信息。

4.如权利要求3所述的海冰厚度测量装置，其特征在于，所述本体还包括：

存储装置，与所述控制单元数据连接并用于存储数据。

5.如权利要求1所述的海冰厚度测量装置，其特征在于，还包含一辅助支架，该辅助支架包括：

竖直杆；

水平杆，与所述竖直杆垂直地固定于所述竖直杆上且所述水平杆的下表面上设置多个滑轮；

拉绳，沿所述多个滑轮布置且远离所述竖直杆的一端处固定所述海冰厚度测量装置的本体；以及

卷轴升降机，具有一转轴，所述转轴上固定所述拉绳的另一端，以调节所述本体的高度。

6.一种海冰厚度测量方法，包括以下步骤：

从一水平位置垂直于海冰发射并接收第一组信号；

从所述水平位置垂直于海水发射并接收第二组信号；以及

根据所述第一组信号计算所述水平位置距离海冰的上表面的第一高度，根据所述第二组信号计算所述水平位置距离所述海水的表面的第二高度，并通过将所述第二高度减去所述第一高度获得所述海冰的冰舷高度，然后根据阿基米德定律计算所述海冰的厚度，

其中，所述第一组信号和第二组信号均包括声纳信号和激光信号，其中根据所述声纳信号测量所述第一高度和第二高度并根据所述激光信号的回波信号的波形特征来区分所述第一高度和第二高度。

7.如权利要求6所述的海冰厚度测量方法，其特征在于，还包括：

测量所述位置的全球定位信息。

8.如权利要求7所述的海冰厚度测量方法，其特征在于，还包括：

根据所述全球定位信息检索所述位置处的积雪厚度，并将上述获得的海冰的厚度减去所述积雪厚度，以消除积雪对海冰厚度的影响。

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