CN113670272A - 一种水体剖面环境光场自由落体测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水体剖面环境光场自由落体测量系统，该系统主体由上至下依次包括浮体外壳、嵌入浮体外壳的主浮体和基架；所述基架呈内中空且位于主浮体的下方，所述基架的下方设有多个配重调节块，所述基架的侧边对称设有承力接头和钢丝同步带；所述钢丝同步带固定于基架的外侧，其用于固定传感器，所述承力接头位于基架的内侧，用于连接铠装电缆；所述铠装电缆与传感器连接以提供通讯和电力传输。本发明能够在海洋或湖泊使用，测量数据为真实水体环境光场，且在水流作用下远离船只往外漂流，达到一定距离处（20‑30m），避免了船体对水体光学环境的影响。
Description
技术领域
本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种水体剖面环境光场自由落体测量系统。
背景技术
太阳光进入水体（海洋或湖泊）后与水分子和水中颗粒物相互作用，产生独特的环境光场。海洋环境光场剖面测量是海洋光学调查中常规测量项目，可应用于水中浮游植物、非色素颗粒物和可溶有机物等浓度反演以及卫星水色遥感产品的真实性检验。此外，水下光场分布对研究水下视觉、水下成像和激光通讯等亦有重要的作用。
水中剖面环境光场的测量一般可通过以下三种方式实现：（1）通过光学传感器和船载绞车实现，即把光学传感器集成在一个光学笼中，然后通过绞车释放和回收光学笼测量水中剖面环境光场；该方法易于实现，但缺陷是由于绞车固定在船体上，测量的水中环境光场受船体影响较大。（2）通过把光学传感器固定在浮标上在固定深度测量海水光学辐射，比如已公开的专利申请号“CN 110116787A”和“CN 110470386A”；该方法的优点是能够长期工作，缺点是只能测量固定深度的水体环境光场，且光学浮标体积大、重量大，无法便携使用进行大面积海域调查。（3）通过把光学传感器固定在具有电力和液压等动力装置的平台上，实现浮力控制实现剖面测量，比如已授权专利“CN 108917727 B”和公开的专利申请“CN110715652 A”；该方法的优点是易于控制平台姿态，但需要液压和电力等动力装置，整体设计较为复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种水体剖面环境光场自由落体测量系统，以及该系统的使用方法，以弥补现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采取的具体技术方案为：
一种水体剖面环境光场自由落体测量系统，该系统主体由上至下依次包括浮体外壳、嵌入浮体外壳的主浮体和基架；所述基架呈内中空且位于主浮体的下方，所述基架的下方设有多个配重调节块，所述基架的侧边对称设有承力接头和钢丝同步带；所述钢丝同步带固定于基架的外侧，其用于固定传感器，所述承力接头位于基架的内侧，用于连接铠装电缆；所述铠装电缆与传感器连接以提供通讯和电力传输。
进一步的，所述钢丝同步带通过固定扣固定于基架的外侧，其用于固定传感器；所述传感器可选择光谱辐射计，当然也可以选择其他传感器；所述传感器包括传感器一和传感器二，所述水密接头一位于传感器一的底端，所述水密接头二位于传感器二的顶端，水密接头和铠装电缆连接，用于数据和电力通讯。
进一步的，所述主浮体内设有空心玻璃微珠。
进一步的，所述基架的外侧还设有多个保护架，该保护架的外围尺寸大于传感器尺寸，在与船体碰撞时起保护传感器的作用，保护架可以设为不锈钢环。
进一步的，所述浮体外壳和基架固定连接，浮体外壳和基架均为不锈钢板材质；所述基架通过螺孔和螺钉和固定锁扣与保护架连接；所述固定锁扣和保护架可以设置上下两排；所述基架下方为3排配重调剂块，用以根据调整系统在水中重力，使其呈负浮力，根据配重大小调节下降速度在0.1-1m/s。
进一步的，所述主浮体、浮体外壳、基架、保护架和配重调节块的表面均涂黑，以减少系统对环境光场的影响。
进一步的，所述配重调节块呈左右两侧平均排布，以保持整个系统的平稳性。
所述水体剖面环境光场自由落体测量系统的使用方法包括以下步骤：
（1）将传感器（可以选择海洋光谱辐照度计和辐亮度计）通过钢丝同步带固定在基架上；
（2）连接铠装电缆和传感器以及承力接头；
（3）根据初步计算安装配重调节块，使其在水体中为负浮力；
（4）在船舷迎风面，通过铠装电缆把系统放入水体中，观测其漂浮状态或下降速度，根据实验要求确定是否增加或减少配重调节块个数；
（5）配重完毕后将系统放入水中，接通电源和笔记本电脑，系统远离船体向外漂出（在船舷迎风面，船在风作用下后退，系统相对就远离船向外漂流），漂出20-30m时，通过铠装电缆把系统拉至水面。然后，松开铠装电缆，系统在重力作用下自由下降，同时记录数据。
（6）系统下降至预定深度，停止记录数据，关闭电源；再通过铠装电缆把系统拉至水面，开始下个测量，或者回收到甲板。
本发明的优点和有益效果：
本发明在水中依靠自身重力自由下降，不依赖外在动力装置，设计简单，操作方便，扩展性强。本发明体积小、重量轻（未配置光学传感器空气中重量<5kg），可安装不同型号的海洋光谱辐射计，具备较好的便携性，可跟随科考船进行大面积水体环境光场调查。
本发明能够在海洋或湖泊使用，测量数据为真实水体环境光场，且在水流作用下远离船只往外漂流，达到一定距离处（20-30m），避免了船体对水体光学环境的影响。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
其中，1-浮体外壳，2-主浮体，3-基架，4-保护架，5-钢丝同步带，6-固定扣，7-传感器一， 8-水密接头一，9-传感器二，10-水密接头二，11-配重调节块，12-承力接头。
图2为实施例3的测量数据分析图；（a）为水体向下剖面辐照度，（b）为水体向上剖面辐亮度，（c）为555nm波段向下辐照度随深度变化图，（d）为555nm波段向上辐亮度随深度变化图，（e）为海水辐照度漫射衰减系数和辐亮度漫射衰减系数，（f）为遥感反射比。
具体实施方式
以下通过具体实施例并结合附图对本发明进一步解释和说明。
实施例1：
一种水体剖面环境光场自由落体测量系统，如图1所示，该系统结构主体由上至下依次包括浮体外壳1、嵌入浮体外壳1的主浮体2和基架3，浮体外壳1起到保护主浮体2的作用，所述主浮体2起到系统稳定沉浮的作用，其内设有优选空心玻璃微珠，空心玻璃微珠是一种性能优异的新型材料，具有质轻、强度高和良好的化学稳定性等优点，能够对整个系统起到良好的浮力效果，当然也可以选择其他的材料，能起到类似效果即可。所述浮体外壳1和基架3固定连接；在本实施例中，浮体外壳1和基架3均为不锈钢板材质。
所述基架3呈中空的长方体状且位于主浮体2的下方，起到支撑整个系统的作用；所述基架3的下方设有多个配重调节块11，可以设置多排，但需要使得整个系统呈水平状态，优选所述基架3下方为3排配重调剂块，根据实际情况需要调整系统在水中重力，使其呈负浮力，且根据配重大小调节下降速度在0.1-1m/s。所述基架3的侧边对称设有承力接头12和钢丝同步带5；所述述钢丝同步带5通过固定扣6固定于基架3的外侧，其用于固定传感器；所述传感器可以选择光谱辐射计或辐亮度计，根据具体时间需求进行选择安装；所述传感器包括传感器一7和传感器二9，所述水密接头一8位于传感器一7的底端，所述水密接头二10位于传感器二9的顶端，水密接头和铠装电缆连接，用于数据和电力通讯。所述承力接头12位于基架3的内侧，用于连接铠装电缆；所述铠装电缆与传感器连接以提供通讯和电力传输。
所述基架3的外侧还设有多个保护架4，该保护架4的外围尺寸大于传感器尺寸，在与船体碰撞时起保护传感器的作用，在该实施例中保护架设为不锈钢环。所述基架3通过螺孔和螺钉和固定锁扣6与保护架4连接；在本实施例中所述固定锁扣6和保护架4可以设置上下两排，当然可以根据实际情况选择其他设置方式，起到保护作用即可。
另外，本实施例中，所述主浮体2、浮体外壳1、基架3、保护架4和配重调节块11的表面均涂黑，以减少该系统对环境光场的影响。
实施例2：
实施例1中所述水体剖面环境光场自由落体测量系统的使用方法：
（1）本实施例中传感器选择海洋光谱辐照度计和辐亮度计，将海洋光谱辐照度计和辐亮度计通过钢丝同步带固定5在基架3上；
（2）根据系统设置，利用铠装电缆连接传感器以及承力接头12，做好通讯和电力传输准备，整个系统装备完成；
（3）根据具体传感器和系统所需的沉浮速度，初步计算安装配重调节块11，首先使其在水体中为负浮力；
（4）在船舷迎风面，通过铠装电缆把系统放入水体中，观测其漂浮状态或下降速度，根据实验要求确定是否增加或减少配重调节块11的个数；
（5）配重完毕后将系统放入水中，将系统与计算机相接通，系统远离船体向外漂出（在船舷迎风面，船在风作用下后退，系统相对就远离船向外漂流），漂出20-30m时，通过铠装电缆把系统拉至水面；然后，松开铠装电缆，系统在重力作用下自由下降，同时记录观测数据。
（6）系统下降至预定深度，停止记录数据，关闭电源；再通过铠装电缆把系统拉至水面，开始下个测量，或者回收到甲板。
实施例3
该实施例以实施例1和2作为基础，通过在西北太平洋航次现场测量数据来具体说明本发明的技术效果。
所述水下环境光场剖面辐射测量系统在使用时，该系统通过铠装电缆与科考船计算机相连，进行通讯连接。
在实验中，系统安装了海洋光谱辐照度计和辐亮度计，测量了水体向下剖面辐照度
（图2a）和向上剖面辐亮度
（图2b），测量深度为125米。
利用上述测量的剖面辐照度和剖面辐亮度数据，计算了海水辐照度漫射衰减系数和辐亮度漫射衰减系数（图2e）以及恰在水面下遥感反射比（图2f）。计算步骤为：针对每个波长
和 
数据及其对应深度数据，利用最小二乘法线性拟合，拟合直线的斜率即为辐照度漫射衰减系数K Ed （图2c）和 辐亮度漫射衰减系数 K Lu（图2d），拟合直线的偏移量为恰在水面下的向下辐照度
和向上辐亮度
。根据定义，计算恰在水面下遥感反射比r rs：
光在水中传输遵循朗伯-比尔定律，即光在水中传输随传输距离指数衰减。通过图2c和图2d，可以看出本实施例测量的剖面辐照度和辐亮度随水深基本遵循朗伯-比尔定律，特别是向上辐亮度数据（图2d）。对向下辐照度随水深变化（图2c），在深层海水（水深>60m）测量数据明显比表层海水（水深<20m）测量数据更加遵循朗伯-比尔定律，这是因为表层海水向上辐照度受波浪起伏和海表面波对太阳聚焦有关。由此计算的辐照度漫射衰减系数和辐亮度漫射衰减系数（图2e）也吻合一致。图2e计算的水体辐照度和辐亮度漫射衰减系数最小值位于410-430nm之间，这也与文献发表结果一致。最后计算遥感反射比（图2f）展示了典型了清洁大洋水体光谱曲线，均证明了本发明在具体实践中具有良好测量效果。
Claims (9)
1.一种水体剖面环境光场自由落体测量系统，其特征在于，该系统主体由上至下依次包括浮体外壳（1）、嵌入浮体外壳（1）的主浮体（2）和基架（3）；所述基架（3）呈内中空且位于主浮体（2）的下方，所述基架（3）的下方设有多个配重调节块（11），所述基架（3）的侧边对称设有承力接头（12）和钢丝同步带（5）；所述钢丝同步带（5）固定于基架（3）的外侧，其用于固定传感器，所述承力接头（12）位于基架（3）的内侧，用于连接铠装电缆；所述铠装电缆与传感器连接以提供通讯和电力传输。
2.如权利要求1所述的水体剖面环境光场自由落体测量系统，其特征在于，所述钢丝同步带（5）通过固定扣（6）固定于基架（3）的外侧，其用于固定传感器；所述传感器包括传感器一（7）和传感器二（9），所述水密接头一（8）位于传感器一（7）的底端，所述水密接头二（10）位于传感器二（9）的顶端，水密接头和铠装电缆连接，用于数据和电力通讯。
3.如权利要求2所述的水体剖面环境光场自由落体测量系统，其特征在于，所述传感器为海洋光谱辐照度计或辐亮度计。
4.如权利要求1所述的水体剖面环境光场自由落体测量系统，其特征在于，所述主浮体（2）内设有空心玻璃微珠。
5.如权利要求1所述的水体剖面环境光场自由落体测量系统，其特征在于，所述基架（3）的外侧还设有多个保护架（4），该保护架（4）的外围尺寸大于传感器尺寸，在与船体碰撞时起保护传感器的作用，保护架设为不锈钢环。
6.如权利要求1所述的水体剖面环境光场自由落体测量系统，其特征在于，所述浮体外壳（1）和基架（3）固定连接，浮体外壳和基架均为不锈钢板材质；所述基架（3）通过螺孔和螺钉和固定锁扣与保护架连接；所述固定锁扣（6）和保护架（4）设置上下两排；所述基架（3）下方为3排配重调剂块，用以根据调整系统在水中重力，使其呈负浮力，根据配重大小调节下降速度在0.1-1m/s。
7.如权利要求1所述的水体剖面环境光场自由落体测量系统，其特征在于，所述主浮体（2）、浮体外壳（1）、基架（3）、保护架（4）和配重调节块（11）的表面均涂黑。
8.如权利要求1所述的水体剖面环境光场自由落体测量系统，其特征在于，所述配重调节块（11）呈左右两侧平均排布，以保持整个系统的平稳性。
9.权利要求1所述的水体剖面环境光场自由落体测量系统的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）将传感器通过钢丝同步带固定（5）在基架（3）上；
（2）连接铠装电缆和传感器以及承力接头（12）；
（3）根据初步计算安装配重调节块（11），使其在水体中为负浮力；
（4）在船舷迎风面，通过铠装电缆把系统放入水体中，观测其漂浮状态或下降速度，根据实验要求确定是否增加或减少配重调节块（11）个数；
（5）配重完毕后将系统放入水中，接通电源和计算机，系统远离船体向外漂出，在船舷迎风面，船在风作用下后退，系统相对就远离船向外漂流，漂出20-30m时，通过铠装电缆把系统拉至水面，然后，松开铠装电缆，系统在重力作用下自由下降，同时记录数据；
（6）系统下降至预定深度，停止记录数据，关闭电源；再通过铠装电缆把系统拉至水面，开始下个测量，或者回收到甲板。
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| CN114623805A (zh) * | 2022-05-13 | 2022-06-14 | 中国海洋大学 | 一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统和方法 |
| CN117309783A (zh) * | 2023-10-16 | 2023-12-29 | 中国科学院南海海洋研究所 | 一种海水漫射衰减系数、真光层深度及透明度测量方法 |
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