CN102494779A - 海水表面温度红外测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

一种非接触式海水表面温度（-20℃~60℃）红外测量系统及测量方法。本发明可架于船舶之上，并以垂直倾角指向海面。本发明可区分白昼和黑夜，针对不同环境进行红外信号提取，采用8~14μm半透半反膜提取夜间海水表层红外信号，用1.06μm中心波长反射膜提取白昼红外信号，利用光线传感器控制两路硅光伏探测元件分别工作，将所获取的红外信号转化为电信号，再经过信号处理系统，曲线拟合的方法，直接计算出海水表面的准确温度，并显示。本发明可实时监测海水表面的温度，克服目前流行的接触式测温仪在测量海水温度时所存在的弊端，增强红外测温系统的抗干扰能力，提高测量准确度。

Description

海水表面温度红外测量系统及测量方法

技术领域

本发明属于海水温度测量技术领域，针对海水特性低温段(-20℃～60℃)而设计的红外测温系统。

背景技术

海水温度是研究海洋学的一个重要参数，它能直接反映全球气候变化和全球海洋整体特征分布。准确地测量海水表面温度，对研究海洋温度具有决定性的意义。目前海水表面温度测量的方法主要是接触式测量：如固定站位CTD测量仪，测量传感器链等。固定站位CTD测量仪和海水温度测量传感器链设备较为繁琐，测温误差较大，体积庞大，长期浸泡和拖拽，会使其测温准确度降低。

目前的红外测温仪没有针对某一物质的红外波长来进行标定，不同物质的红外辐射波长不定会导致测温准确性的下降。经研究，白天海水的红外辐射亮度最大值在波长为1.06μm处，而夜间海洋的热辐射主要在波长为4μm以上；同时，通过辐射测温仪能测量到的表层500μm水深之内的海水温度，是海洋和大气热交换的主要海水层。针对该水层的红外测温系统可以很好的解决上述困难，从而很好的达到测量海水表面温度的目的。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可装载在船舶上的非接触式海水表面温度红外测量系统及测温方法。这种方法可以有效的消除环境因素及白昼差异对传感器采集信号的干扰，提高测温精度。

本发明提供的海水表面温度红外测量系统，包括：

光学镜头系统，该系统垂直于海平面，用以获取海水表面辐射的红外信号，包括一个半透半反镜片，一个反射镜片，两个聚焦镜头，两个红外探测器；其中半透半反镜片与水平面成45°夹角倾斜放置，反射面向下，反射镜片与半透半反镜片平行放置，反射面向上，在反射镜片的反射光路上依次设置第一聚焦镜头和第一红外探测器，在半透半反镜片的透射光路上依次设置第二聚焦镜头和第二红外探测器，两个红外探测器分别连接双通道数据处理系统，其中，聚焦镜头在距红外探测器一倍焦距处；

光线强度传感器，用于接受户外光线，识别光线强度，并设定阈值以识别白昼与黑夜，控制光学镜头系统中的两个红外探测器的工作与否；

双通道数据处理系统，用于分别对光学镜头系统中的两个红外探测器输入的电信号进行放大、A/D转换和数据处理，拟合出海水温度与电压信号的变化曲线，并计算出海水表面的准确温度；

键盘，用于定标时输入接触式测量的温度；

显示器，用于对双通道数据处理系统输出的海水表面准确温度数值进行显示。

所述的光学镜头系统中，半透半反镜片可透射波长为8～14μm的红外辐射，反射镜片具有一个反射膜和聚焦镜片，可反射中心波长1.06μm的红外辐射，两个聚焦镜头可将两束红外辐射分别聚焦于两个红外探测器上。

所述的两个红外探测器为两个硅光伏探测器，其中第一硅光伏探测器用于接收白昼1.06μm波长的红外辐射，第二硅光伏探测器用于接收夜晚8～14μm波长红外辐射，从而达到探测红外信号的作用。

本发明同时提供了一种海水表面温度红外测量方法，该方法包括：

第1、定标

使用权利要求1所述的海水表面温度红外测量系统(-20℃～60℃)，采用直接接触式测温和曲线拟合的方法进行定标，绘制出标准的海水表面温度T和电压信号U的对应曲线，具体如下：

一次定标采集某点5个不同温度，CTD采集的标准温度分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅，对同点同时海水表面温度测量系统所采集的电压信号为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅，利用最小二乘法，将T和U对应的曲线描绘出来，得到海水表面温度与电压信号的标准曲线，即定标完成，此曲线就是符合特定时间、特定海域的海水表面温度曲线；

第2、测量

使用权利要求1所述的海水表面温度红外测量系统，进行海水表面温度测量，获得与海水表面温度对应的电压信号U，通过第1步得到的海水表面温度与电压信号的标准曲线查找与电压信号U对应的温度值T，即可测量出海水表面温度的确切值，而不受CTD测温仪限制。

本发明测温方法的原理

实际测量海水温度时，情况往往比较复杂，造成实际测量的信噪比发生变化。为了在计算方法上减小干扰影响，海水表面温度红外测量系统采用直接接触式测温和曲线拟合的方法来定标。其中设：

1)海水表面实际辐射能量为M₀(T)，对应的电压信号为U₀(T)；

2)太阳辐射能量为M₁(T)，对应的电压信号为Unoise₁(T)；

3)由于地域和环境变化引起的海水表面变化产生的噪声干扰电压信号为Unoise₂(T)；

4)由红外测温设备本身电路引起的噪声干扰对应的电压信号为Unoise₀(T)。

对于某一环境(天气情况、地理位置等)下的白昼，Unoise₁(T)和Unoise₂(T)是稳定的，那么可以认为它们是一个定值，而Unoise₀(T)也是稳定的，是一个定值。所以，如果设：

U₁(T)＝Unoise₁(T)+Unoise₂(T)+Unoise₀(T)

则在同样的外界条件下，U₁(T)就可以看作是一个定值，它不随海水表面温度的变化而变化。由此，在光电转换器得到的电压为

U(T)＝U₀(T)+U₁(T)

式中，只有U₀(T)是随海水表面温度而变化的。只要用接触式的测温设备测出海水表面的真实温度T，就可确定U(T)与T的对应关系。根据数理实验的推导，这种关系是一一对应的，通过曲线拟合，就能找到这个一一对应的关系。根据维恩公式，当红外测温仪采用的测温中心波长λ为1.06μm时，其海水表面的红外辐射能E₁和温度T的关系可以表示为

$E_1=\frac{c_1}{{\mathrm{\λ}}^5}{\mathrm{ge}}^{-\frac{c_2}{\mathrm{\λT}}}$

其中c₁＝2πhc²＝3.74×10⁸(Wgμm⁴/m²)，c₂＝hc/K_B＝1.44×10⁴(μmgK)

通过此关系式可拟合出温度变化曲线，并计算出海水表面的准确温度。

对于某一环境(天气情况、地理位置等)下的黑夜，没有Unoise₁(T)，Unoise₂(T)是稳定的，那么可以认为它是一个定值，而Unoise₀(T)也是稳定的，是一个定值。所以，如果设：

U₁(T)＝Unoise₂(T)+Unoise₀(T)

则在同样的外界条件下，U₁(T)就可以看作是一个定值，它不随海水表面温度的变化而变化。由此，在光电转换器得到的电压为

U(T)＝U₀(T)+U₁(T)

式中，只有U₀(T)是随海水表面温度而变化的。只要用接触式的测温设备测出海水表面的真实温度T，就可确定U(T)与T的对应关系。根据数理实验的推导，这种关系是一一对应的，通过曲线拟合，就能找到这个一一对应的关系。根据瑞利-普金公式，当红外测温系统采用波长为8～14μm红外辐射，其海水表面红外辐射能E₂和T之间的关系为

$E_2=\frac{c_1}{c_2}g\frac{T}{{\mathrm{\λ}}^4}$

通过此关系式可拟合出温度变化曲线，并计算出海水表面的准确温度。

本发明的优点和积极效果：

本发明光学镜头系统中采用半透半反镜片与反射镜片结合的设计，这样有选择性的避开其他物质所发射的红外能量的干扰，达到提高测温准确性的目的，同时区分白昼和夜晚光线强弱对测温准确度的影响。

本发明选择两个硅光伏探测器作为红外探测元件，其中一个用于接收白昼1.06μm波长的红外辐射，另外一个接收夜晚8～14μm波长红外辐射，从而达到探测红外信号的作用。并且硅光伏探测元件的价格低廉，利用硅光伏探测元件作为红外探测器可以降低该测温系统的成本。

本发明测温系统中加入光线强度传感器进行阈值设定，通过光线传感系统感受光线亮度的强弱，划分白昼与夜晚的，从而控制红外传感器的工作与否。

本发明可实时监测海水表面的温度，克服了目前流行的接触式测温仪在测量海水温度时所存在的弊端，增强红外测温系统的抗干扰能力，提高测量准确度。

附图说明

图1为海水表面温度红外测量系统装置示意图；

图2为海水表面温度红外测量系统结构示意图；

图3为海水表面温度红外测量系统信号流程图；

图4为海水表面温度红外测量系统某次测量拟合曲线。

具体实施方案

实施例1、海水表面温度红外测量系统

如图1所示，为海水表面温度红外测量系统(-20℃～60℃)装置示意图，该装置可架于船舷之上，其中，A为光学镜头系统，它垂直于海平面，用以获取海水表面辐射的红外信号；B为光线强度传感器，用以控制红外探测器的工作与否；C为显示器，用以显示测量的海水温度数值；D为数据处理系统，用以信号处理及计算；E为支架，用于固定该设备。

光学镜头系统的设计：如图2所示，F为海水表面温度红外测量系统的光学镜头系统，其中G为8～14μm波长半透半反镜片，可透射8～14μm的红外信号，反射其他波长信号，I₂为第二聚焦镜头，可将通过G的红外光线聚焦于第二红外探测器J₂上；图2中H为0.96～1.16μm波长反射镜片，它可反射0.96～1.16μm的红外信号，滤除其他波长信号，I₁为第一聚焦镜头，可将H反射的红外光线聚焦于第一红外探测器J₁上。其中镜片G、H平行，按反射面相对，并以与水平面斜45°夹角放置，I₁和I₂在一个平面上分别距J₁、J₂为一倍焦距。

红外探测器的设计：如图2所示F中，J₁，J₂分别为第一和第二硅光伏探测器，其作用是将红外信号转化为电压信号，并传输给双通道数据处理系统，其中J₁用于接收并转化(0.96～1.16μm)白昼红外信号，J₂用于接收并转化(8～14μm)夜间红外信号；红外探测器J₁、J₂的工作与否受光线传感器M的控制。

光线传感器的设计：如图2所示，选择合适的光线传感器M，并为其设置一定阈值，用以区分白昼与黑夜，并且控制红外探测器J₁、J₂的工作与否，例如设置阈值为32.5cd(坎德拉)，当户外光线高于32.5cd时，视为白天，则J₁工作；可见光强度达不到32.5cd，视为黑夜，则J₂工作。

双通道数据处理系统的选用：如图2所示，图中K为双通道数据处理系统，其中包含信号放大器、A/D转换器以及运算器。具体可选用大容量FIFO芯片UPD42280及高性能浮点型数字信号处理器TMS320C32。具体信号流程如图3所示，经过硅光伏探测器J₁或J₂，红外信号转化为电信号，分别经由两条通路进入数据处理系统，经放大器、A/D转换，再通过键盘N将接触式所测温度信号输入，进行计算、拟合，得出准确的温度数值，由显示器进行显示。

实施例2、海水表面温度红外测量方法

采用直接接触式测温和曲线拟合的方法进行定标，绘制出标准的海水表面温度T和电压信号U的对应曲线；

于某船舶，将海水表面温度红外测量系统(-20℃～60℃)架于船舷之上，将该测温系统镜头对准海面某点，并于该点放置CTD接触式测温仪。

第1、定标

海水表面温度红外测量系统采用直接接触式(CTD)测温和曲线拟合的方法来定标。一次定标采集某点5个不同温度(见表1)，CTD采集的标准温度分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅，将所测温度依次输入海水表面温度红外测量系统，对同点同时海水表面温度测量系统所采集的电压信号为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅(具体信号流程如图3所示)，利用最小二乘法，将T和U对应的曲线描绘出来，得到海水表面温度与电压信号的标准曲线，即定标完成，此曲线就是符合特定时间、特定海域的海水表面温度曲线，见图4。

第2、测量

使用权利要求1所述的海水表面温度红外测量系统，进行海水表面温度测量，获得与海水表面温度对应的电压信号U₆＝56.34mV、U₇＝60.59mV，通过第1步得到的海水表面温度与电压信号的标准曲线查找与电压信号U₆、U₇对应的温度值T₆＝20.23℃，T₇＝27.29℃，即为测量出海水表面温度的确切值，而不受CTD测温仪限制，测量完成。

表1某日16:00～19:00渤海湾海水表面某点温度及电压

电压(mV)	55.83	57.05	57.94	58.37	59.57
						真实温度(℃)	19.1	22.1	23.9	24.2	25.9
测量温度(℃)	18.85	21.77	23.83	24.25	25.56

Claims (4)

1.一种海水表面温度红外测量系统，其特征在于该系统包括：

光学镜头系统，该系统垂直于海平面，用以获取海水表面辐射的红外信号，包括一个半透半反镜片，一个反射镜片，两个聚焦镜头，两个红外探测器；其中半透半反镜片与水平面成45°夹角倾斜放置，反射面向下，反射镜片与半透半反镜片平行放置，反射面向上，在反射镜片的反射光路上依次设置第一聚焦镜头和第一红外探测器，在半透半反镜片的透射光路上依次设置第二聚焦镜头和第二红外探测器，两个红外探测器分别连接双通道数据处理系统，其中，聚焦镜头在距红外探测器一倍焦距处；

光线强度传感器，用于接受户外光线，识别光线强度，并设定阈值以识别白昼与黑夜，控制光学镜头系统中的两个红外探测器的工作与否；

双通道数据处理系统，用于分别对光学镜头系统中的两个红外探测器输入的电信号进行放大、A/D转换和数据处理，拟合出海水温度与电压信号的变化曲线，并计算出海水表面的准确温度；

键盘，用于定标时输入接触式测量的温度；

显示器，用于对双通道数据处理系统输出的海水表面准确温度数值进行显示。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于所述的光学镜头系统中，半透半反镜片可透射波长为8～14μm的红外辐射，反射镜片具有一个反射膜和聚焦镜片，可反射中心波长1.06μm的红外辐射，两个聚焦镜头可将两束红外辐射分别聚焦于两个红外探测器上。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于所述的两个红外探测器为两个硅光伏探测器，其中第一硅光伏探测器用于接收白昼1.06μm波长的红外辐射，第二硅光伏探测器用于接收夜晚8～14μm波长红外辐射，从而达到探测红外信号的作用。

4.一种海水表面温度红外测量方法，其特征在于该方法包括：

第1、定标

使用权利要求1所述的海水表面温度红外测量系统(-20℃～60℃)，采用直接接触式测温和曲线拟合的方法进行定标，绘制出标准的海水表面温度T和电压信号U的对应曲线，具体如下：

一次定标采集某点5个不同温度，CTD采集的标准温度分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅，对同点同时海水表面温度测量系统所采集的电压信号为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅，利用最小二乘法，将T和U对应的曲线描绘出来，得到海水表面温度与电压信号的标准曲线，即定标完成，此曲线就是符合特定时间、特定海域的海水表面温度曲线；

第2、测量

使用权利要求1所述的海水表面温度红外测量系统，进行海水表面温度测量，获得与海水表面温度对应的电压信号U，通过第1步得到的海水表面温度与电压信号的标准曲线查找与电压信号U对应的温度值T，即可测量出海水表面温度的确切值，而不受CTD测温仪限制。

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