CN102288287A - 一种冰体内部光场分布测量系统及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种冰体内部光场分布测量系统，所述装置包括数据采集装置、太阳下行辐射测量装置、冰体内部散射测量装置、冰体内部下行辐射测量装置和冰体内部上行辐射测量装置，数据采集装置分别与太阳下行辐射测量装置、冰体内部散射测量装置、冰体内部下行辐射测量装置和冰体内部上行辐射测量装置相连接，用于采集所测量的数据，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，辐照度探头与所述数据采集装置连接。

Description

一种冰体内部光场分布测量系统及其测量方法

技术领域

 本发明涉及海洋监测领域，尤其涉及一种冰体内部光场分布测量系统及其测量方法。

背景技术

研究冰体的光场分布不仅可以了解冰体内部气泡、卤水泡、晶体盐、杂质等的分布特性，还可以了解大气-冰体-海洋之间的能量交换，为全球气候的研究提供关键的参量。

由于冰体是一种固体物质，测量冰体各个角度的光场分布时需要在冰体上钻相应角度的冰洞，然后将光学探头放入冰洞内进行测量，测量中主要面临的难点问题为：1. 较大倾角的冰洞如垂直冰洞（倾角为90度）容易钻取，然而当倾角接近0度时，冰洞的钻取就不现实了。因此对于倾角较小位置处的光场应如何获取。2. 上行光场的测量需要测量上行光的一个半球面，采用什么类型的光学探头才可以接收一个半球面的光。3. 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冰体光场分布，研究学者们测量光场分布光谱时多采用自主研发的各类光场分布测量装置，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光场分布中面临的三个难点问题，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冰体内部光场分布测量系统及其测量方法。

为了实现上述目的，本发明包括如下技术特征：

一种冰体内部光场分布测量系统，包括数据采集装置及太阳下行辐射测量装置、冰体内部散射测量装置、冰体内部下行辐射测量装置和冰体内部上行辐射测量装置；所述数据采集装置分别与所述太阳下行辐射测量装置、冰体内部散射测量装置、冰体内部下行辐射测量装置和冰体内部上行辐射测量装置相连接，太阳下行辐射测量装置用于测量太阳下行辐照度Es、冰体内部散射测量装置用于测量冰体内部的散射光场、冰体内部下行辐射测量装置用于测量冰体内部下行光场、冰体内部上行辐射测量装置用于测量上行光场、数据采集装置用于采集所测量的数据，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。

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冰体内部散射测量装置、冰体内部下行辐射测量装置和冰体内部上行辐射测量装置连接，采集传送过来的光信息，经处理后传送到所述计算机进行处理和存储，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

所述冰体内部散射测量装置包括第一探头装置和第一支架装置，所述第一探头装置由第一探头和第一光纤管组成，所述第一光纤管用于连接所述第一探头和所述数据采集装置，所述第一探头为一长端和一短端组成的L型辐亮度探头；所述L型辐亮度探头的长端和短端夹角处装有一块反射镜片，用于将垂直于所述探头长端的入射的光场导入所述第一光纤管；所述L型辐亮度探头的长端和短端夹角为90°，以此可满足所开凿的冰洞直径较小的要求，探头及光纤管均镀成黑色，以减小仪器对光场的影响。

所述第一支架装置由半圆板、第一套管和第二支架组成，所述半圆板固定在所述第二支架上，半圆板上设有角度标志，中间开有弧形孔，所述第一套管上设有第一顶柱和第二顶柱，所述第一顶柱固定于所述圆弧板的圆心处，所述第二顶柱置于所述半圆板的弧形孔内，并在弧形孔内滑动，所述第一、第二顶柱用于固定所述第一套管，所述第一套管与所述第一探头装置连接，所述第一光纤管置于所述第一套管内，套管的顶柱可在弧形孔内滑动，以此可设定套管于10度～180度内任一位置，将光纤管插入套管内，能通过两个顶柱可设定第一探头装置于不同的深度。

所述冰体内部上行辐射测量装置包括第二探头装置和第二支架装置，所述第二支架装置用于固定所述第二探头装置和太阳下行辐射测量装置，所述第二探头装置包括第二光纤管和余弦接收器探头，所述第二光纤管用于连接所述余弦接收器探头和所述数据采集装置，探头为余弦接收器探头，可测量半个球面体的上行辐射，上行辐射光场较弱，因此要求探头的聚四氟乙烯片较薄，以此达到对微弱信号具有较高的灵敏度，探头具有水密性，探头的直径应尽量的小，从而可减小所钻冰洞的直径，以最大程度减小冰洞对冰体光场的破坏。

所述第二支架装置包括第三支架和第二套管，所述第二光纤管装载于所述第二套管内，所述第二套管与所述第二探头装置相连接，所述第二套管侧面设有第一和第二顶柱，用于固定所述第二光纤管。

所述冰体内部下行辐射测量装置包括第三探头装置和第三支架装置，所述第三支架装置用于固定所述第三探头装置，所述第三探头装置包括辐亮度探头、第三光纤管和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，所述第三光纤管用于连接所述辐亮度探头和所述数据采集装置。

所述漫反射装置包括漫反射白板和第四支架，所述辐亮度探头通过所述第四支架与所述漫反射白板连接，所述第四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。

所述第三支架装置包括第五支架和第三套管，所述第三光纤管装载于所述第三套管内，所述第三套管与所述第三探头装置相连接，所述第三套管侧面设有第三和第四顶柱，用于固定所述第三光纤管，可保证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下行辐射测量装置。从而可设定第三探头装置于冰体内一个特定的位置。

冰体内部光场分布测量系统所实现的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）先选取要测量的冰体，在冰体上钻取一个冰洞；

（2）使用冰体内部散射测量装置，设定探头入射窗口中心与洞口平行，测量辐亮度Li(θ,z)，太阳下行辐射探头监测太阳辐照度Es，测量完成后，辐射探头Es保持不变，将所述探头装置按照一定的间隔向下调节，以测量在冰洞内的散射剖面，其中Li(θ,z)，θ为散射角，z为探头装置所放的深度；

（3）对于垂直冰洞，设定探头与洞口平行，测量辐亮度Li(θ,z)，测量完成后，将探头装置按照一定的间隔向下调节，以测量在冰洞内的散射剖面；测量完垂直冰洞，在待测量冰体的附近钻取一个斜洞，探头装置窗体以正面向上的方向，以一定的间隔测量这个角度内的散射剖面，测量完成时，转动探头装置180度，以相反的方向再次测量散射剖面，按照上述步骤，依次钻取不同的倾斜冰洞进行测量，完成不同散射角度剖面的测量；

（4）使用冰体内部上行辐射测量装置，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，测量所述冰洞上行光谱Eu(0)，并按预设间隔向下调节测量冰体的上行辐射Eu (z)，通过公式Du(0)= Eu (0)/ Es获得相对冰体上行辐射Du(0)，通过公式Du(z)= Eu (z)/ Es获得冰体上行辐射Du(z)，相对上行辐射场Dru(z)= Du(z)/ Du(0)，上行辐射衰减系数                                               ，其中λ为波长，z为冰体的深度，θ为散射角，t为时间，t的作用是将天空光Es测量的值与冰洞上行光谱Eu的值联系起来，即相同的时间所测量的值一一对应；其中太阳的下行辐照度Es与冰体上行辐射Eu的测量同步经行进行， Eu (z)中，Z为冰体的深度；

（5）使用冰体内部下行辐射测量装置进行测量，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)，并按预设间隔向下调节测量冰体的上行辐射Fs(z)，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为冰体的深度，θ为散射角，t为时间，t的作用是将天空光Es测量的值与冰洞上行光谱Eu的值联系起来，即相同的时间所测量的值一一对应；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。

相对现有技术，本发明具有以下优点：

1、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；

2、冰体内部散射测量装置，所用L型探头，通过在探头内部加一片高反射的镜片，将垂直入射的光场导入光纤中进行测量，以此可满足所开凿的冰洞直径较小的要求，探头及光纤保护管均镀成黑色，以减小仪器对光场的影响，采用的支架装置便于设定探头于10度～180度内任一位置，将光纤保护管插入套管内，能通过两个顶柱可设定散射探头于不同的深度；

3、冰体内部上行辐射测量装置，探头装置的探头为余弦接收器探头，可测量半个球面体的上行辐射，上行辐射光场较弱，因此要求探头的聚四氟乙烯片较薄，以此达到对微弱信号具有较高的灵敏度，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；

4、冰体内部下行辐射测量装置，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，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；

5、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为本发明垂直“L”型探头示意图；

图2为本发明散射角度θ剖面示意图；

图3为本发明散射角度180-θ剖面示意图；

图4为本发明的上行辐射测量结构示意图；

图5为本发明的上行探头示意图；

图6为本发明的下行辐射测量结构示意图；

图7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“L”型探头，1为石英玻璃，2为高反射率的反射镜，3为第一光纤管。探头的最大直径为3.8cm。探头采用防水设计，可承受20m的水压。为了减少仪器对光场的影响，探头镀为黑色。

如图2为测量散射角度θ剖面的示意图，4为半圆板，5为“L”型辐亮度探头，6为待测量的冰体，7为所钻取的冰洞。半圆板直径30cm，半圆板上设有角度标志，中间开有弧形孔，8为第一套管，第一套管的顶柱可在弧形孔内滑动，以此可设定第一套管于10度～180度内任一位置。第一套管长度为35cm，内设有两根顶柱9，通过锁紧顶柱可将第一光纤管固定，以此设定探头于特定的位置。

如图3为测量散射角度180-θ剖面的示意图，即当散射角度θ剖面测量完毕时，将垂直探头翻转180度，其它设置保持不变，以同样的步骤，即可实现散射角度180-θ剖面的测量。

如图4所示，本发明为一种冰体内部上行辐射测量装置，10为太阳下行辐射测量装置。12为固定上行行辐射测量装置的第三支架，14为上行辐射测量探头，11为第二套管，13为待测量的冰体体。

所述第三支架12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，第二套管侧面设有两个可手动旋转的顶柱，将第二光纤管插入第二套管，通过旋转顶柱，可固定上行辐射测量装置于冰洞内的特定位置。

如图5为上行辐照度探头，探头最大直径为3cm，探头具有20m水压的防水特性，探头的光透过窗体采用聚四氟乙烯材料，可实现余弦测量。整个探头除窗体外，全部镀为黑色，以减少探头对待测量光场的干扰。

如图6所示，本发明为一种冰体下行辐射测量装置，10为太阳下行辐射测量装置。16为固定冰体内部下行辐射测量装置的第五支架。17为冰体内下行辐射测量探头。17第三套管。18为待测量的冰体体。

所述第五支架16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，第三套管侧面设有两个可手动旋转的顶柱，将第三光纤管插入第三套管，通过旋转顶柱，可固定下行辐射测量装置于冰洞内的特定位置。

如图7为下行辐射测量装置，其中22为第三光纤管，其中19漫反射白板，材质是聚四氟乙烯。白板为圆柱形，直径4cm，厚度0.5cm，其中20为固定白板与探头垂直的第四支架——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21为辐亮度探头，最大直径为3cm。此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。

具体的测量方法：1、如图4，选择待测量的冰体，在冰体上用冰钻钻取一个垂直冰洞，所钻的冰洞确保不能穿透冰体，冰洞的直径要大于上行辐射测量装置的最大直径，从而可保证上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图4中的10安装好用于测量太阳下行辐照度Es，设定上行辐射探头位置，探头与冰洞口齐平，测量其上行光谱Eu(0)，其中太阳的下行辐照度Es与Eu的测量是同步的，从而可获理相对冰体上行辐射Du(0)= Eu (0)/ Es，当测量完洞口的下行辐射后，按一定的步长间隔用上行辐射测量探头测量冰体的下行辐射Eu (z)，其中z为冰体的深度，从而可获得Du(z)。上行辐射衰减系数，其中λ为波长，z为冰体的深度，θ为散射角，t为时间，t的作用是将天空光Es测量的值与冰洞上行光谱Eu的值联系起来，即相同的时间所测量的值一一对应；相对上行辐射场Dru(z)= Du(z)/ Du(0)，以此获得散射角为180度的散射剖面。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。

2、改用下行辐射测量装置测量散射角为0度的散射剖面，如图6。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)，从而可获理相对冰体下行辐射Ds(0)= Fs(0)/ Es，其中Es为太阳下行辐照度，与Fs的测量是同步，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为冰体的深度，从而可获得Ds(z)。下行辐射衰减系数

，，其中λ为波长，z为冰体的深度，θ为散射角，t为时间，t的作用是将天空光Es测量的值与冰洞上行光谱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)。以此获得散射角为0度的散射剖面。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。

3、改用体散射测量装置用于测量0度至180度之间的散射剖面，如图2和3，设定散射探头与洞口平行，测量辐亮度Li(0，0)，同时用辐照度探头测量太阳的下行辐照度Es，测量完成后，将图1散射探头按照一定的间隔向下调节，以测量在垂直冰洞内的散射剖面，当垂直冰洞测量完成时，在待测量冰体的附近钻取一个斜洞，探头窗体以向上方向以一定的间隔测量这个角度内的散射剖面，测量完成时，转动“L”型探头180度，以相反的方向再次测量散射剖面。按照此步骤，依次钻取不同的倾斜冰洞进行测量，以完成不同散射角度剖面的测量。通过以上三个步骤，即可完成光场从0度至180度分布的测量，以同样的方法，也可以完成光场从180度至360度分布的测量。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。

Claims (10)

1.一种冰体内部光场分布测量系统, 其特征在于，包括数据采集装置及太阳下行辐射测量装置、冰体内部散射测量装置、冰体内部下行辐射测量装置和冰体内部上行辐射测量装置；所述数据采集装置分别与所述太阳下行辐射测量装置、冰体内部散射测量装置、冰体内部下行辐射测量装置和冰体内部上行辐射测量装置相连接，太阳下行辐射测量装置用于测量太阳下行辐照度Es、冰体内部散射测量装置用于测量冰体内部的散射光场、冰体内部下行辐射测量装置用于测量冰体内部下行光场、冰体内部上行辐射测量装置用于测量上行光场、数据采集装置用于采集所测量的数据。

2.根据权利要求1所述的冰体内部光场分布测量系统，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冰体内部散射测量装置、冰体内部下行辐射测量装置和冰体内部上行辐射测量装置连接，光谱仪采集传送过来的光信息，经处理后传送到所述计算机进行处理和存储，所述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。

3.根据权利要求1所述的冰体内部光场分布测量系统，其特征在于，所述冰体内部散射测量装置包括第一探头装置和第一支架装置，所述第一探头装置由第一探头和第一光纤管组成，所述第一光纤管用于连接所述第一探头和所述数据采集装置，所述第一探头为一长端和一短端组成的L型辐亮度探头；所述L型辐亮度探头的长端和短端夹角处装有一块反射镜片，用于将垂直于所述探头长端的入射的光场导入所述第一光纤管；所述L型辐亮度探头的长端和短端夹角为90°。

4.根据权利要求3所述的冰体内部光场分布测量系统，其特征在于，所述第一支架装置由半圆板、第一套管和第二支架组成，所述半圆板固定在所述第二支架上，半圆板上设有角度标志，中间开有弧形孔，所述第一套管上设有第一顶柱和第二顶柱，所述第一顶柱固定于所述圆弧板的圆心处，所述第二顶柱置于所述半圆板的弧形孔内，并在弧形孔内滑动，所述第一、第二顶柱用于固定所述第一套管，所述第一套管与所述第一探头装置连接，所述第一光纤管置于所述第一套管内。

5.根据权利要求1所述的冰体内部光场分布测量系统，其特征在于，所述冰体内部上行辐射测量装置包括第二探头装置和第二支架装置，所述第二支架装置用于固定所述第二探头装置，所述第二探头装置包括第二光纤管和余弦接收器探头，所述第二光纤管用于连接所述余弦接收器探头和所述数据采集装置。

6.根据权利要求5所述的冰体内部光场分布测量系统，其特征在于，所述第二支架装置包括第三支架和第二套管，所述第二光纤管装载于所述第二套管内，所述第二套管与所述第二探头装置相连接，所述第二套管侧面设有第一和第二顶柱，用于固定所述第二光纤管。

7.根据权利要求1所述的冰体内部光场分布测量系统，其特征在于，所述冰体内部下行辐射测量装置包括第三探头装置和第三支架装置，所述第三支架装置用于固定所述第三探头装置，所述第三探头装置包括辐亮度探头、第三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，所述第三光纤管用于连接所述辐亮度探头和所述数据采集装置。

8.根据权利要求7所述的冰体内部光场分布测量系统，其特征在于，所述漫反射装置包括漫反射白板和第四支架，所述辐亮度探头通过所述第四支架与所述漫反射白板连接，所述第四支架用于固定所述漫反射白版。

9.根据权利要求7所述的冰体内部光场分布测量系统，其特征在于，所述第三支架装置包括第五支架和第三套管，所述第三光纤管装载于所述第三套管内，所述第三套管与所述第三探头装置相连接，所述第三套管侧面设有第三和第四顶柱，用于固定所述第三光纤管。

10.根据权利要求1所述的冰体内部光场分布测量系统所实现的测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

（1）先选取要测量的冰体，在冰体上钻取一个冰洞；

（2）使用冰体内部散射测量装置，设定探头入射窗口中心与洞口平行，测量辐亮度Li(θ,z)，太阳下行辐射探头监测太阳辐照度Es，测量完成后，辐射探头Es保持不变，将所述探头装置按照一定的间隔向下调节，以测量在冰洞内的散射剖面，其中Li(θ,z)，θ为散射角，z为探头装置所放的深度；

（3）对于垂直冰洞，设定探头与洞口平行，测量辐亮度Li(θ,z)，测量完成后，将探头装置按照一定的间隔向下调节，以测量在冰洞内的散射剖面；测量完垂直冰洞，在待测量冰体的附近钻取一个斜洞，探头装置窗体以正面向上的方向，以一定的间隔测量这个角度内的散射剖面，测量完成时，转动探头装置180度，以相反的方向再次测量散射剖面，按照上述步骤，依次钻取不同的倾斜冰洞进行测量，完成不同散射角度剖面的测量；

（4）使用冰体内部上行辐射测量装置，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，测量所述冰洞上行光谱Eu(0)，并按预设间隔向下调节测量冰体的上行辐射Eu (z)，通过公式Du(0)= Eu (0)/ Es获得相对冰体上行辐射Du(0)，通过公式Du(z)= Eu (z)/ Es获得冰体上行辐射Du(z)，相对上行辐射场Dru(z)= Du(z)/ Du(0)，上行辐射衰减系数                                               

，其中l为波长，z为冰体的深度，θ为散射角，t为时间，t用于将天空光Es测量的值与冰洞上行光谱Eu的值联系起来，即相同的时间所测量的值一一对应；其中太阳的下行辐照度Es与冰体上行辐射Eu的测量同步经行进行， Eu (z)中，Z为冰体的深度；

（5）使用冰体内部下行辐射测量装置进行测量，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)，并按预设间隔向下调节测量冰体的上行辐射Fs(z)，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l为波长，z为冰体的深度，θ为散射角，t为时间，t用于将天空光Es测量的值与冰洞上行光谱Eu的值联系起来，即相同的时间所测量的值一一对应，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。

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