CN102269621A - 一种冰体下行辐射测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种冰体下行辐射测量装置，包括数据采集装置、太阳下行辐射测量装置、探头装置，支架装置，所述数据采集装置分别与所述太阳下行辐射测量装置和探头装置连接，用于采集所述太阳下行辐射测量装置和探头装置所测量的数据，所述探头装置用于测量冰洞内光的下行辐射，所述支架装置用于固定所述探头装置和太阳下行辐射测量装置，所述探头装置包括辐亮度探头、光纤管和用于将下行光场漫射到所述辐亮度探头的漫反射装置，所述光纤管用于连接所述辐亮度探头和所述数据采集装置，采用辐亮度探头通过用漫反射白板将下行辐射场天顶角至少从20度至90度内的漫射光可被辐亮度探头所接收。

Description

一种冰体下行辐射测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及海洋监测领域，尤其涉及一种冰体下行辐射测量装置及其测量方法。

背景技术

现场研究太阳辐射在海冰中的分布，对于解释能量收支、热量在大气-海冰-海洋中的分布、海冰内部和下层的生物分布具有重要的作用。

由于海冰是一种固体物质，海冰的下行辐射的测量可首先在海冰上钻取冰洞，然后将探头放置于冰洞内测量海冰的下行光场。测量中主要面临的难点问题为：下行光场的测量需要测量下行光的一个半球面，采用什么类型的光学探头才可以接收一个半球面的光。

目前，并没有专用的商业仪器用于测量海冰下行辐射剖面，研究学者们测量海冰下行辐射剖面光谱时多采用自主研发的各类海冰下行辐射剖面测量装置，并且其中大多数都是基于地物光谱仪改装而成，并且针对本文上述的测量海冰下行辐射剖面光谱中面临的难点问题，暂时还没有一个完美的解决方案。

发明内容

本发明的目的是研制一种适用于测量固体物质的冰体下行辐射测量装置。

为了实现上述目的，本发明包括如下技术特征：

本发明的目的是研制一种适用于测量固体物质特别是冰体的下行辐射测量装置。

一种冰体下行辐射测量装置，包括数据采集装置、太阳下行辐射测量装置、探头装置，支架装置，所述数据采集装置分别与所述太阳下行辐射测量装置和探头装置连接，用于采集所述太阳下行辐射测量装置和探头装置所测量的数据，所述探头装置用于测量冰洞内光的下行辐射，所述支架装置用于固定所述探头装置和太阳下行辐射测量装置，太阳下行辐射测量装置、探头装置是统一被支架装置固定，太阳下行辐射测量装置用于测量太阳的下行辐射Es，目的是为了在海冰下行辐射测量过程中，减弱因太阳下行辐射变化所带来的影响，所述探头装置包括辐亮度探头、光纤管和设置于辐亮度探头前面的漫反射装置，漫反射装置用于将下行光场漫射到所述辐亮度探头，所述光纤管用于连接所述辐亮度探头和所述数据采集装置。

所述数据采集装置为PC104工业式嵌入式电脑和订制的光谱仪，采用耐低温保护，结合所设计的软件实现数据的自动采集及储存，或采用人工操作对数据进行采集及存储。

所述太阳下行辐射测量装置，包括用于测量太阳下行辐射的辐照度探头和用于设定探头垂直向下的第一支架。

更进一步，所述漫反射装置包括漫反射白板和第二支架，所述辐亮度探头通过所述第二支架与所述漫反射白板连接，所述第二支架用于固定所述漫反射白版。漫反射白板的大小要选取适当，即当漫反射白板过大时，将会导致所钻取的冰洞过大，从而使得冰体内的光场受到较大的破坏，当漫反射白板较小时，将会导致较多的漫射光场无法被辐亮度探头所接收，漫反射白板需要固定于探头的正前方，且保证探头垂直于白板，白板与探头的距离设定需要考虑探头的视场角不超过白板，否则会导致冰体内的上行光场被探头接收，从而导致较大的测量误差。一般地，所选取的漫反射白板的大小、探头和漫反射白板的距离这两个参数应保证下行辐射场天顶角至少从20度至90度内的漫射光可被辐亮度探头所接收。

所述支架装置包括设定探头于冰洞内不同位置的第三支架和套管，所述套管与所述探头装置相连接，所述光纤管装载于所述套管内，所述套管上设有第一和第二顶柱，用于固定所述光纤管，可保证冰体下行辐射测量装置在支架内上下滑动，同时支架也可以固定冰体下行辐射测量装置。从而可设定下行测量探头装置于海冰内一个特定的位置。为了减少测量仪器所带来的干扰，所用的装置要镀成黑色。

具体测量方法为，首先选取要测量的海冰，在冰体上钻洞，所钻的冰洞确保不能穿透海冰，冰洞的直径要大于冰体下行辐射测量装置的最大直径，从而可保证冰体下行辐射测量装置可放置于冰洞内，将太阳下行辐射照度装置安装好用于测量太阳下行辐照度Es，设定下行辐射探头位置，确保的白板与冰洞口齐平，测量其下行光谱Fs(0)，其中太阳的下行辐照度Es与Fs的测量是同步的，从而可获得相对冰体下行辐射Ds(0)= Fs(0)/ Es，当测量完洞口的下行辐射后，根据太阳下行辐照度Es按一定的步长间隔用下行辐射测量探头测量冰体的下行辐射Fs(z)，其中z为海冰的深度，从而可获得Ds(z)。每次测量的间隔，将塑料管放入冰洞底，抽干冰洞内所渗透的海水，以避免浸没效应的影响。下行辐射衰减系数                                                

，其中λ为波长，z为海冰的深度，θ为散射角，t为时间，t的作用是将天空光Es测量的值与冰洞下行光谱Eu的值联系起来，即相同的时间所测量的值一一对应，相对下行辐射场Drs(z)= Ds(z)/ Ds(0)。

相对现有技术，本发明具有以下优点：

本发明中采用自动化的方法来收集测量到数据，便于数据的统计和处理，采用辐亮度探头通过用漫反射白板将下行辐射场天顶角至少从20度至90度内的漫射光可被辐亮度探头所接收，所述光纤管用于连接所述辐亮度探头和所述数据采集装置，采用固定的支架和活动的套管使到探头装置可以随时固定到冰洞任何特定深度，探头及光纤保护管均镀成黑色，有效减小仪器对光场的影响。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的下行探头示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明为一种冰体下行辐射测量装置，包括太阳下行辐射测量装置1，固定冰体下行辐射测量装置的支架装置3，探头装置5，套管2，待测量的海冰体4。

所述支架装置3宽为1.8m，高为1m。在测量的过程中，架子应垂直于太阳入射面。架子中间具有一个内径为5cm，长为24cm的套管，套管侧面设有两个可手动旋转的顶柱，将光纤管2插入套管，通过旋转顶柱，可固定冰体下行辐射测量装置于冰洞内的特定位置。

如图2为冰体下行辐射测量装置，包括辐亮度探头6，光纤管8，漫反射白板9，材质是聚四氟乙烯。白板为圆柱形，直径4cm，厚度0.5cm，其中7为第三支架，其固定白板与探头垂直的支柱，为了减少辐射光较少地被支柱干扰，支柱的体积要较小，且尽量采用较少的支柱去固定，本装置采用了两根支柱，支柱直径3.5cm，通过支柱固定，探头与白板的距离为5.1cm。其中辐亮度探头1，最大直径为3cm。此冰体下行辐射测量装置可测量下行辐射天顶角范围为16度～90度。

具体测量方法为，首先选取要待测量的海冰4，在冰体上钻洞，冰洞的直径为5.5cm，所钻的冰洞底部留有3cm左右的冰层确保不能穿透海冰，将太阳下行辐射照度装置1安装于支架装置3上，用于测量太阳下行辐照度Es，设定探头装置5位置，确保的下行探头的漫反射白板9与冰洞口齐平，测量其下行光谱Fs(0)，其中太阳的下行辐照度Es与Fs的测量是同步的，从而可获得相对冰体下行辐射Ds(0)= Fs(0)/ Es，当测量完洞口的下行辐射后，按一定的步长间隔用下行辐射测量探头测量冰体的下行辐射Fs(z)，其中z为海冰的深度，从而可获得Ds(z)。每次测量的间隔，将塑料管放入冰洞底，抽干冰洞内所渗透的海水，以避免浸没效应的影响。下行辐射衰减系数，其中λ为波长，z为海冰的深度，θ为散射角，t为时间，t的作用是将天空光Es测量的值与冰洞下行光谱Eu的值联系起来，即相同的时间所测量的值一一对应，相对下行辐射场Drs(z)= Ds(z)/ Ds(0)。

Claims (10)

1.一种冰体下行辐射测量装置，包括数据采集装置、太阳下行辐射测量装置、探头装置，支架装置，所述数据采集装置分别与所述太阳下行辐射测量装置和探头装置连接，用于采集所述太阳下行辐射测量装置和探头装置所测量的数据，所述探头装置用于测量冰洞内光的下行辐射，所述支架装置用于固定所述探头装置和太阳下行辐射测量装置，其特征在于，所述探头装置包括辐亮度探头、光纤管和设置于辐亮度探头前面的漫反射装置，漫反射装置用于将下行光场漫射到所述辐亮度探头，所述光纤管用于连接所述辐亮度探头和所述数据采集装置。

2.根据权利要求1所述的冰体下行辐射测量装置，其特征在于，所示数据采集装置由计算机和光谱仪组成，所述光谱仪分别与所述太阳下行辐射测量装置和探头装置连接，采集由所述太阳下行辐射测量装置和探头装置传送过来的光信息，经处理后传送到所述计算机进行处理和存储。

3.根据权利要求1或2所述的冰体下行辐射测量装置，其特征在于，所示数据采集装置采用预设计的软件对数据实现自动采集及存储或采用人工操作对数据进行采集及存储。

4.根据权利要求1所述的冰体下行辐射测量装置，其特征在于，所述太阳下行辐射测量装置，包括辐照度探头和用于固定所述辐照度探头的第一支架，所述辐照度探头与所述数据采集装置连接。

5.根据权利要求1所述的冰体下行辐射测量装置，其特征在于，所述漫反射装置包括漫反射白板和第二支架，所述辐亮度探头通过所述第二支架与所述漫反射白板连接，所述第二支架用于固定所述漫反射白版。

6.根据权利要求1所述的冰体下行辐射测量装置，其特征在于，所述支架装置包括第三支架和套管，所述套管与所述探头装置相连接，所述光纤管装载于所述套管内。

7.根据权利要求6所述的冰体下行辐射测量装置，其特征在于，所述套管上设有第一和第二顶柱，用于固定所述光纤管。

8.根据权利要求1所述冰体下行辐射测量装置，其特征在于，所述探头装置及太阳下行辐射测量装置均渡为黑色。

9.根据权利要求1所述的冰体下行辐射测量装置所实现的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：选取要测量的冰体，在冰体上钻出冰洞，用所述太阳下行辐射测量装置，测量太阳下行辐照度Es，设定所述余弦接收器探头与所述冰洞口平行，测量所述冰洞下行光谱Fs(0)，根据太阳下行辐照度Es并按预设间隔向下调节测量冰体的上行辐射Fs(z)，并传送到所述数据采集装置进行处理，其中太阳的下行辐照度Es与冰体上行辐射Fs的测量同步经行进行， Fs (z)中，z为冰体的深度。

10.根据权利要求9所述的冰体下行辐射测量装置所实现的测量方法，其特征在于，所述处理方法为：通过公式Ds(0)= Fs(0)/ Es获得相对冰体上行辐射Du(0)，通过公式Ds(z)= Fs(z)/ Es获得冰体上行辐射Ds(z)，相对上行辐射场Drs(z)= Ds(z)/ Ds(0)，上行辐射衰减系数                                                

，其中λ为波长，z为海冰的深度，θ为散射角，t为时间，t的作用是将天空光Es测量的值与冰洞下行光谱Eu的值联系起来，即相同的时间所测量的值一一对应。

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