CN101694458A

CN101694458A - 一种冰层上下面高光谱辐射观测系统

Info

Publication number: CN101694458A
Application number: CN200910193132A
Authority: CN
Inventors: 杨跃忠; 卢桂新; 孙兆华; 曹文熙; 王桂芬
Original assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Current assignee: South China Sea Institute of Oceanology of CAS
Priority date: 2009-10-16
Filing date: 2009-10-16
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2029-10-16
Also published as: CN101694458B

Abstract

本发明为一种冰层上下面高光谱辐射观测系统，包括光学系统、控制系统和探头支架；所述光学系统包括光谱仪、光纤和传感器探头；光谱仪与控制系统连接，光谱仪通过光纤与传感器探头连接，所述探头支架包括垂直太阳光支架、冰下支架和双向反照率支架；本发明专门用于海冰光学特性的测量，系统可实现三个通道的同时测量，从而避免了因天空光变化所带来的误差，解决了低温工作的难题。冰下支架为“L”形支架，替代了漂浮物搭载光学探头置于海冰底层，减小了杂散光的影响。本发明通过现场对海冰反照率、透过率、衰减系数和双向反射的测量，验证了仪器所测量数据的可靠性。

Description

一种冰层上下面高光谱辐射观测系统

技术领域

本发明涉及海洋、湖泊冰面测量领域，特别涉及一种用于现场测量冰面与冰下可见光高光谱光辐射分布，从而得到冰面反射率和冰层透过率的冰层上下面高光谱辐射观测系统。

背景技术

海冰是地球气候系统中一个关键的要素，对大规模的海冰进行模拟，结果显示海冰不仅对气候的变化具有很强的敏感性，同时它也是促使气候产生变化的因素之一。气温的变化会引起海冰表面特性与厚度的变化，从而在区域上影响着大气与海洋的能量、湿度和动力的交换。短波辐射是冰盖与太阳进行能量交换的主要波段，因此了解太阳短波辐射与海冰的相互作用，冰盖物理特性变化对气候变化潜在的放大作用是非常有意义的。另外，冰盖所透过的紫外与可见光的组分对海冰下层初级生产力和生物活性也具有很大的影响，所以，为了研究全球的气候变化和极地区域的生态系统，需要了解紫外光波段、可见光波段和近红外波段在海冰中的分布。

为了研究海冰的光学特性，目前国内还没有相关的用于测量海冰光学特性仪器的报道。而国外已经有许多学者研制了仪器用于海冰反照率、透过率、衰减系数、吸收特性、散射特性和双向反射分布函数等光学特性的研究。如1981年，Grenfell报道了研制的用监测海冰反照率的扫描光度计，该光度计可测量400～2400nm的光照度。1994年Perovich研制了测量双向反射分布的仪器，波长范围为400～1000nm。1998年Perovich研制了测量海冰斯托克斯向量的仪器，波长范围为400～1000nm，1999年，Scott等研制了用于测量海冰垂直剖面的光谱辐亮度，波段范围为430～680nm。2004年Jens Ehn等运用Li-1800UW光谱辐射计搭载一个水密探头，然后将探头装在一个漂浮物上放到待测量的海冰下面，用于测量海冰的透过率，光谱辐射计的波长范围为300～1100nm，波长分辨率为6nm。然而，以上仪器均存在着一个共同的缺点，即仪器是单通道的，在测量海冰各个参量的过程中，天空入射光的变化会对测量结果带来很大的误差。

现有大部分光学辐射量测量设备是基于陆地上或实验室而设计的。一般光学设备只有一路探头，同时配合使用已知反射率α₀(λ)标准白板或灰板进行物体表面光学辐射量测量。如测得物体表面光学量E(λ)＝α(λ)·E_S(λ)，和标准白板光学量E₀(λ)＝α₀(λ)·E_S(λ)；得物体物体表面反射率

在野外工作时以太阳光E_S(λ)作为光源，由于太阳光随时在变化，从而会引起测量误差。同时陆用光学设备不具备水下测量E_w(λ)所需要的水密功能，此时冰或水的透过率不适用测量水下或冰下光辐射。针对以上缺点和应用地方的特殊性，如在低温且具有腐蚀强的恶劣环境的海冰上，需要解决关键技术问题和发展新的技术，以便现场实际使用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种能适用于野外特别在冰冻环境下，可以同步测量多点高光谱辐射的现场观测技术，即对测量包括太阳光E_s(λ)、冰(或水)面反射光E(λ)或冰(或水)下投射光E_w(λ)接长时间进行光学辐射测量观测，从而得到测量目标物透过率、反射率、双向反照率，同时也兼可使用传统方法标准白板对比使用的冰层上下面高光谱辐射观测系统。

为了实现上述发明目的，本发明包括如下技术特征：一种冰层上下面高光谱辐射观测系统，包括光学系统、控制系统和探头支架；所述光学系统包括光谱仪、光纤和传感器探头；光谱仪与控制系统连接，光谱仪通过光纤与传感器探头连接，

所述探头支架包括垂直太阳光支架、冰下支架和双向反照率支架；

所述垂直太阳光支架设有垂直水平方向向上的传感器探头；

所述冰下支架包括受力固定架、连接横杆和“L”形支杆；所述“L”形支杆包括横杆与竖杆，横杆与竖杆可为0度到90度活动连接且为90度时横杆与竖杆呈“L”形；横杆远离竖杆的一端设有传感器探头；所述受力固定架与连接横杆的一端连接，连接横杆的另一端通过箍环与“L”形支杆的竖杆连接，通过控制箍环的松紧能调整“L”形支杆在垂直方向的位置。

所述双向反照率支架包括垂直竖立的半圆拱形轨道和仪器架；所述仪器架沿着半圆拱形轨道滑动和固定，仪器架上设有两个传感器探头，每个传感器探头的光轴与水平线夹角相等，并且光轴方向向下的传感器探头指向半圆拱形轨道圆心。

本发明通过在垂直太阳光支架、冰下支架和双向反照率支架同时设置光学测量传感器探头，实现最大程度的多通道同时测量，从而避免了因天空入射光变化所带来的误差。在测量海冰透过率时，采用“L”形支架替代了Jens Ehn用漂浮物搭载光学探头置于海冰底层。解决了现有技术中为了放置探头于海冰底层，需要在冰面上开凿直径大于漂浮物直径的冰洞，导致大量的杂散光从冰洞进入的缺点。而且“L”形支架凿冰直径只需15cm左右，对于较厚的海冰减少了开凿的难度。又由于采用双向反照率支架测量双向反射率，将探测器再安装在一个半圆的拱形支架上，这个拱形支架可以围绕底部转动以便对不同太阳方位角和不同天顶角下反射辐亮度进行测量。上述仪器可以长时间同时工作，同步测量，仪器稳定性高，数据准确。

为了保证垂直太阳光支架上传感器探头垂直向上，所述垂直太阳光支架包括为“T”形的底座，支撑架通过卡扣与底座活动连接，这样可以根据测量现场的情况方便调整传感器探头角度。

更进一步的，为了方便测量冰层下的光学数据，适应具体环境下冰层多样性的要求，所述“L”形支杆的横杆和竖杆为长度可延长的刚性杆；横杆和竖杆的收放时通过如下方式实现的：横杆在重力下与竖杆为“L”形垂直，所述竖杆和横杆的端部设有拉点，通过拉点上设置的绳子可以拉回横杆。横杆和竖杆放入冰层时是收拢的，当放到一定深度后，横杆在重力作用下张开，与竖杆呈“L”形垂直，测量结束后，拉绳子将横杆收拢，然后取出冰面。上述测量过程中对冰层开孔较小，克服了导致大量的杂散光可能从冰洞进入的缺点。

所述竖杆和横杆上设有固定光纤的卡环，所述竖杆的顶端设有大于箍环的安全头。卡环用于固定连接在光谱仪和传感器探头之间的光纤，安全头是为了防止松开箍环时“L”形支杆坠入海冰下。

更进一步的，所述双向反照率支架的仪器架包括互相配合的滑动蜗杆、上转动涡轮和下转动涡轮；上转动涡轮和下转动涡轮相同并各分别设置在滑动蜗杆的上、下位置，上转动涡轮连接有上臂，下转动连接有下臂；调整上臂能使得上转动涡轮、滑动蜗杆和下转动涡轮配合动作，并且当滑动蜗杆水平时，上臂和下臂与水平线夹角相等；上臂上设有传感器探头；下臂上设有传感器探头和电子罗盘，下臂通过滑轨与半圆拱形轨道连接，下臂指向半圆拱形轨道的圆心。所述双向反照率支架还包括地面圆形轨道，所述半圆形轨道的两个底端设有“n”形槽，所述“n”形槽与地面圆形轨道紧密配合，使得半圆形轨道能沿地面圆形轨道滑动。所述地面圆形轨道和半圆拱形轨道由若干圆弧拼接而成，所述滑动蜗杆上设有水平气泡仪，所述地面圆形轨道和半圆拱形轨道上设有角度刻度。使用双向反照率支架测量双向反射率时，把辐照度探头换成辐亮度探测头，用于探测10°视场角的双向反射性的测量。这个探测器再安装在一个半圆的拱形支架上，这个拱形支架可以围绕底部转动以便对不同太阳方位角和不同天顶角下的反射辐亮度进行测量。

在具体测量海冰的反照率、透过率和衰减系数时，所述传感器探头为用于测量天空下行辐照度的第一辐照度探头、用于测量冰面反射辐照度的第二辐照度探头和用于测量通过冰层的辐照度的第三辐照度探头；第一辐照度探头设于垂直太阳光支架上并且探头垂直向上，第二辐照度探头设于双向反照率支架上，位于冰面上方，探头方向垂直向下；所述第三辐照度探头设于冰下支架，采取防水密封结构并垂直于冰层，探头方向向上并紧贴于冰层。

本发明通过三个通道对海冰的反照率与透过率进行同步测量的。第一个通道探头垂直向上，测量E_S(λ)天空下行辐照度。安装第二个通道的辐照度探头于半圆架上，垂直于所测冰面的正上方55cm处，探头垂直向下，测量E_u(λ)冰面反射辐照度。第三个通道的辐照度探头安装于一个“L”架上，首先在冰面上钻取一个直径为15cm的圆孔，然后将第三通道探头放于所测量冰点的正下方，并且紧贴于冰的下层，用以测量透过海冰的辐照度E_d(λ)。根据所测量的三个量，及海冰的厚度即可求出海冰的反照率、透过率和衰减系数。

本发明也可以用于测量冰面的双向反射性的测量，在测量海冰双向反射率时，把辐照度探头换成辐亮度探测头。即，所述传感器探头为用于测量冰面双向反射率的第一辐亮度探测头和第二辐亮度探头；所述第一幅亮度探头和第二幅亮度探头设于双向反照率支架的上臂和下臂。

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种能适用于野外特别在寒冷天气下同步测量多点高光谱辐射的现场观测技术，即对测量包括太阳光E_s(λ)、冰(或水)面反射光E(λ)或冰(或水)下透射光E_w(λ)进行长时间观测，从而得到测量目标物透过率、反射率、双向反照率的测量技术和方法，同时也兼可使用传统方法标准白板对比法观测。本发明的垂直太阳光支架、冰下支架和双向反照率支架这些探头支架设计，是专门针对海冰光学测量领域专门设计的，与现有技术相比能同时测量多个光学辐射量，整个系统可靠稳定，操作方便，数据准确、误差小。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明垂直太阳光支架的结构示意图；

图3为本发明的冰下支架机构示意图；

图4为本发明双向反照率支架整体示意图；

图5为本发明双向反照率支架的仪器架结构示意图。

具体实施方式

本发明包括光学系统、控制系统和探头支架。所述光学系统包括光谱仪、光纤和传感器探头；光谱仪与控制系统连接，光谱仪通过光纤与传感器探头连接。传感器探头安装在探头支架的活页夹口中，在测量需要用到不同传感器时可以随时更换，用于冰层下测量的传感器探头是通过带有防水保护管的光纤连接的，用于防水防压。光谱仪包括光纤接头、准直镜、聚焦镜和衍射光栅和一维线性探测器阵列CCD光电传感器，还附加深紫外增强镀膜(DUV)来增强CCD探测器在紫外波段的响应、灵敏度增强透镜提高灵敏度以及专用UA光栅消二级衍射效应镀膜。所述控制装置包括低功耗工控计算机、阵列CCD数据采集卡、控制板、保温机箱、电池、宽温触摸液晶显示屏；所述控制板包括多个温度接收模块、GPS电平转换电路、电池电压采样器；所述低功耗工控计算机为嵌入式PC104CPU主板。所述数据采集卡为14位AD转换卡的电子模块，带有USB和RS-232数据接口。

本发明的探头支架是针对野外，特别在寒冷天气下能同步测量多点高光谱辐射的现场观测而专门设计的，具有简单高效、方便快捷的特点。探头支架包括三个独立可拆装支架：垂直太阳光支架1、冰下支架2和双向反照率支架3。

图2中为垂直太阳光支架1，包括“T”型底座18、19，支撑架16、横杆13和活页夹12；如图所示，传感器探头11安装在活页夹12上，通过蝴蝶头柄螺丝松紧。传感器探头11经光纤15连接到仪器上。横杆13的一端固定活页夹12，其另一端通过螺丝14与支撑架16连接。支撑架16底端通过卡扣17固定在“T”型底座18、19上。通过调整“T”型底座以及微调螺丝14、卡扣17保证光学传感器探头1垂直向上。

图3为冰下支架2。包括受力固定架22、连接横杆25和“L”形支杆；受力固定架22所固定的物体可以是放在地上的箱子或其他落地的物体，远离“L”型支杆，避免光学干扰造成测量误差。连接横杆25为两条横杆，连接横杆25一端固定在受力体固定架22上，另一端装有箍环24，可以通过蝴蝶头柄螺丝23调整箍环圆圈大小，以便松紧箍环箍住的“L”形支杆，同时方便“L”型杆上下移动。“L”形支杆由竖杆28和横杆212组成，横杆212与竖杆28可为0度到90度活动连接，横杆与竖杆为90度时横杆与竖杆呈“L”形。竖杆28可以由多截杆通过刚性连接27加长长度，也可以是可以伸缩的刚性杆。横杆212的一头通过可转动90度的活页211与竖杆连接，测量时在重力作用下横杆212与竖杆28成垂直夹角，即“L”形，回收或运输时通过绳子26拉回横杆的拉点29，使得横杆与竖杆相平行。横杆的一头固定活页夹214，光学传感器探头213安装在活页夹214上，通过蝴蝶头柄螺丝松紧，方便装取。光纤经卡环210固定沿着“L”形杆拉出冰面接到光谱仪上，竖杆上带有刻度尺，竖杆顶端旋套有比箍环内直径大的安全头21，当箍环松时，保证“L”型杆不会掉下。

图4双向反照率支架3。其由地面圆形轨道35、半圆拱形轨道33、仪器架4组成。为了野外作业运输方便，地面圆形轨道35由六截圆弧组成，连接处为36，半圆拱形轨道33由三截弧形组成，连接处31。半圆拱形轨道33两边底座34显“n”形，“n”形底座搭架在地面圆形轨道35上，使得半圆拱形轨道33与地面圆形轨道35配合，使半圆拱形轨道33能沿着地面圆形轨道35滑动。地面圆形轨道35标有角度刻度值。同样，半圆拱形轨道33有角度刻度。仪器架4能在半圆拱形轨道33滑动和固定，轨道角度刻度能读出仪器架倾斜度和方向。仪器架4上装有两个光学探头，向下的探头指向轨道圆心的地面。

图5是放在拱形轨道上的仪器架4。目的是测量来自天上入射光和地面的反射光，达到两探头光轴与水平线夹角相等。为了在移动过程达到入射光与反射光与水平线夹角一致，设计采用滑动蜗杆46和两个一样的转动涡轮(即上转动涡轮44和下转动涡轮48)传动连接，上转动涡轮44和下转动涡轮48相同并各分别设置在滑动蜗杆的上、下位置，上转动涡轮44与滑动蜗杆46配合动作，滑动蜗杆46与下转动涡轮48配合动作，上转动涡轮44连接上臂43，下转动涡轮48连接下臂412，上臂43与滑动蜗杆46的夹角等于下臂412与滑动蜗杆46的夹角。当在滑轨带动下臂412移动到位固定之后，调整上臂43带动带动上转动涡轮44，使得滑动蜗杆46在水平位置即可。

仪器主要两个光学探头41和414，分别用探头固定夹具42固定在上臂43和下臂412上。滑轨49是仪器的一部分，与下臂412联在一块。它带动仪器在拱形轨道上滑动，到位后用蝴蝶螺丝把仪器固定在拱形轨道上。反射光探头414始终保持朝向拱形轨道的圆心，在臂412上装有电子罗盘413，能精确测量探头414朝向的方位角与双向倾斜角。滑动蜗杆46上安装有水平气泡仪45，通过水平气泡仪45可以判断滑动蜗杆46是否水平。

本发明的工作原理是采用传光光纤把探测头收集的光辐射耦合到相应的光谱仪完成光谱测量。根据观测参数的需要，使用不同光收集器，其中一种测量反射率、透射率是三路分别测量入射光谱辐照度、反射光谱辐照度和透射光谱辐照度，另外一种是光谱辐亮度探测头，用以测量光场分布和散射特性。

图1为第一种是测量反射率、透射率时的发明系统图。其中光谱反射率α(λ)定义为

即冰面上的上行辐照度与下行辐照度的比值。待测数据为冰面上的上行辐照度E_u(λ)与下行辐照度E_d(λ)。所述光谱透过率T(λ)表示为冰层底部测量得到的透过辐照度与冰面表层入射辐照度的比值

待测量数据为冰层底部测得的下行辐照度E_d(λ，h)与冰层表面测得的下行辐照度E_d(λ，0)。所述光衰减系数(K_dsi(λ))是指波长为λ的光在垂直于入射光束的无限薄介质内的衰减率与该薄层厚度之比

待测量数据为下行辐照度E_d(λ，h)、下行辐照度E_d(λ，0)和厚度h。

测量冰层上的下行辐照度E_d(λ)的为第一辐照度探头、测量冰层上的上行辐照度，即冰面反射辐照度E_u(λ)的为第二辐照度探头、测量数据为冰层底部的下行辐照度E_d(λ，h)的为第三辐照度探头(E_d(λ，0)的数据可以在第三辐照度探头下水前测量，也可以利用第一辐照度探头在冰面处测量)。第一辐照度探头设于垂直太阳光支架1并且探头垂直向上，第二辐照度探头设于双向反照率支架3上，垂直于冰面上方，探头方向垂直向下；所述第三辐照度探头设于冰下支架2，采取防水密封结构并垂直于冰层下面，探头方向向上并紧贴于冰层。根据所测量的三个量，及海冰的厚度即可求出海冰的反照率、透过率和衰减系数。

第二种是测量双向反射率，将辐照度探头换成光谱辐亮度探测头。这个探测器再安装在双向反照率支架3上，光谱辐亮度探测头可以围绕底部转动以便对不同太阳方位角和不同天顶角下的反射辐亮度进行测量。测量选取的探头方位角有0度(探头位于太阳入射面内，正面向着太阳入射方向)、45度、90度、135度和180度，设置探头天顶角有0度、20度、30度、40度、60度和80度。具体在实施中，在方位角0度的情况下，天顶角为0度、30度和60度所测量的双向反射因子，双向反射因子定义如下：

R_f(θ₀，θ，φ₀，φ，λ)＝πdlI_r(θ₀，θ，φ₀，φ，λ)/dEs(λ)

其中θ为仪器探头的天顶角，φ为仪器探头的方位角，θ₀为太阳的天顶角，φ₀为太阳的方位角，I_r(θ₀，θ，φ₀，φ，λ)为反射光的辐亮度，E_S(λ)为天空下行辐照度。

上述的光学传感器探头有辐亮度和辐照度两种探头。辐亮度探头包括进光石英玻璃窗口、探头主体圆管和光纤出口；所述进光玻璃窗口通过密封结构与探头主体圆管的上管面密封结合；所述探头主体圆管的内孔设计有由大到小多个梯级孔径；所述光纤出口包括设于探头主体圆管下部的光纤接头，所述光纤与光纤接头连接后通过密封软管接出。

所述辐照度探头包括有余弦集光器；所述光纤出口包括光纤接头、密封软件管，光纤接头连接的光纤通过密封软件管接出。

本发明是专门用于海冰光学特性的测量，系统可实现三个通道的同时测量，从而避免了因天空光变化所带来的误差，解决了低温工作的难题，仪器各个通道的积分时间可以根据外界环境的变化而自动调节，“L”型支架替代了漂浮物搭载光学探头置于海冰底层，减小了杂散光的影响。通过现场对海冰反照率、透过率、衰减系数和双向反射的测量，验证了仪器所测量数据的可靠性。

Claims

1.一种冰层上下面高光谱辐射观测系统，包括光学系统、控制系统和探头支架；所述光学系统包括光谱仪、光纤和传感器探头；光谱仪与控制系统连接，光谱仪通过光纤与传感器探头连接，其特征在于：

所述垂直太阳光支架设有垂直水平方向向上的传感器探头；

2.根据权利要求1所述的冰层上下面高光谱辐射观测系统，其特征在于：所述垂直太阳光支架包括为“T”形的底座，支撑架通过卡扣与底座活动连接。

3.根据权利要求1所述的冰层上下面高光谱辐射观测系统，其特征在于：所述“L”形支杆的横杆和竖杆为长度可延长的刚性杆；横杆在重力下与竖杆为“L”形垂直，所述竖杆和横杆的端部设有拉点，通过拉点上设置的绳子可以拉回横杆。

4.根据权利要求3所述的冰层上下面高光谱辐射观测系统，其特征在于：所述竖杆和横杆上设有固定光纤的卡环，所述竖杆的顶端设有大于箍环的安全头。

5.根据权利要求1所述的冰层上下面高光谱辐射观测系统，其特征在于：所述双向反照率支架的仪器架包括互相配合的滑动蜗杆、上转动涡轮和下转动涡轮；上转动涡轮和下转动涡轮相同并各分别设置在滑动蜗杆的上、下位置，上转动涡轮连接有上臂，下转动连接有下臂；调整上臂能使得上转动涡轮、滑动蜗杆和下转动涡轮配合动作，并且当滑动蜗杆水平时，上臂和下臂与水平线夹角相等；上臂上设有传感器探头；下臂上设有传感器探头和电子罗盘，下臂通过滑轨与半圆形轨道连接，下臂指向半圆拱形轨道的圆心。

6.根据权利要求5所述的冰层上下面高光谱辐射观测系统，其特征在于：所述双向反照率支架还包括地面圆形轨道，所述半圆拱形轨道的两个底端设有“n”形槽，所述“n”形槽与地面圆形轨道紧密配合，使得半圆拱形轨道能沿地面圆形轨道滑动。

7.根据权利要求6所述的冰层上下面高光谱辐射观测系统，其特征在于：所述地面圆形轨道和半圆拱形轨道由若干圆弧拼接而成，所述滑动蜗杆上设有水平气泡仪，所述地面圆形轨道和半圆拱形轨道上设有角度刻度。

8.根据权利要求1～7任一项所述的冰层上下面高光谱辐射观测系统，其特征在于：所述传感器探头为用于测量天空下行辐照度的第一辐照度探头、用于测量冰面反射辐照度的第二辐照度探头和用于测量通过冰层的辐照度的第三辐照度探头；第一辐照度探头设于垂直太阳光支架上并且探头垂直向上，第二辐照度探头设于双向反照率支架上，位于冰面上方，探头方向垂直向下；所述第三辐照度探头设于冰下支架，采取防水密封结构并垂直于冰层，探头方向向上并紧贴于冰层。

9.根据权利要求5～7任一项所述的冰层上下面高光谱辐射观测系统，其特征在于：所述传感器探头为用于测量冰面双向反射率的第一辐亮度探测头和第二辐亮度探头；所述第一幅亮度探头和第二幅亮度探头设于双向反照率支架的上臂和下臂。