CN114623805A - 一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统和方法 - Google Patents

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CN114623805A CN202210516452.XA CN202210516452A CN114623805A CN 114623805 A CN114623805 A CN 114623805A CN 202210516452 A CN202210516452 A CN 202210516452A CN 114623805 A CN114623805 A CN 114623805A
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陈树果
薛程
史鑫皓
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Abstract

本发明提供了一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统和方法，属于海洋观测技术领域。该测量系统结构主体包括浮体外壳、嵌入浮体外壳的主浮体和基架，还设有温度‑盐度‑深度CTD传感器和叶绿素浓度和后向散射传感器；且靠近辐照度传感器一侧装有水下推进器，使剖面测量系统远离船只，以避免船只对环境光场的影响。本发明增加剖面测量系统的俯仰和横滚调节装置，使之在水中自由落体下降时保持竖直状态，提高数据质量；根据剖面测量系统尺寸，创新性进行系统阴影校正，提高数据质量；增加温度‑盐度‑深度传感器和叶绿素浓度以及后向散射系数传感器，实现海洋生物光学多参数综合测量，同时为辐亮度阴影校正提供后向散射参数。

Description

一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统和方法
技术领域
本发明属于海洋观测技术领域，具体涉及一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统和方法。
背景技术
地球表面大约70%由海洋覆盖。海洋生物及其降解物够吸收和散射太阳光，形成独特的水下光场分布。水下光场分布对研究水下视觉、水下成像和激光通讯等有重要的作用。在开阔大洋，水体的光学特性主要由浮游植物决定，因此海洋光学早期也称为海洋生物光学。海洋光学辐射特性、散射特性以及水体叶绿素浓度是研究海洋生物光学的重要参数。
海水散射特性和叶绿素浓度剖面测量与环境光场无关，而海洋光学辐射测量与环境光场有关，因此对搭载传感器的剖面系统有严格的要求。早期的海洋剖面环境光场测量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，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，测量误差大。近年来，一般通过把光学传感器固定在一个可自由下降的剖面装置上，该装置在风和流作用下远离船只，达到一定距离处（20-30m）自由下降实现环境光场的剖面测量，避免船只对水下光场的影响。该技术的典型代表是美国SeaBird公司生产的Profiller II，但该技术有以下不足（1）剖面装置只能在风或流作用下远离船只，在风和流较小情况下，剖面装置很难向外漂出，无法进行剖面测量；（2） 海洋环境光场剖面测量需要仪器保持竖直状态，俯仰角或横滚角大于5度数据需要丢弃，现有技术无法使仪器在下降时保持竖直状态；（3）在后续数据处理中未考虑剖面装置自身阴影对测量数据的影响；（4）现有技术只能测量海洋光学辐射剖面特性，不能实现叶绿素浓度和后向散射系数等关键海洋生物光学参数的测量；其中，后向散射系数是进行装置阴影校正的必需参数。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统和方法，以弥补现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统，该系统结构主体由上至下依次设有浮体外壳、嵌入浮体外壳的主浮体和基架，浮体外壳起到保护主浮体的作用，所述主浮体由空心玻璃微珠组成，起到系统稳定沉浮的作用，所述基架呈中空的长方体状且位于主浮体的下方，起到支撑整个系统的作用，浮体外壳和基架固定连接；所述基架的一外侧依次固定有第一固定卡带和第二固定卡带，用于固定辐照度传感器，另一外侧对称依次固定有第三固定卡带和第四固定卡带，用于固定辐亮度传感器；所述浮体外壳的下方、和基架的内侧设有温度-盐度-深度（CTD）传感器，该CTD传感器下方设有水平支撑杆，水平支撑杆上设有配重和横滚角调节块；所述基架下方连接固定架，用于固定叶绿素浓度和后向散射传感器(ECO-FLBB)；且基架的下方靠近辐照度传感器一侧装有水下推进器，使剖面测量系统远离船只，以避免船只对环境光场的影响。
进一步的，所述辐照度传感器和基架之间固定有第一俯仰角调节块，辐亮度传感器和基架之间固定有第二俯仰角调节块；俯仰角调节块中间有环形卡槽，卡槽中间有螺丝可以滑动，可根据系统在水中状态调整辐照度传感器的俯仰角，并用螺丝锁紧。
进一步的，所述CTD固定箍和浮体外壳连接，固定箍用于固定CTD传感器。
进一步的，所述配重和横滚角调节块一方面用于系统配重使之在水中呈负浮力，根据配重大小调节下降速度在0.1-1m/s；另一方面调节块可以左右移动，用于调节系统的横滚角。
进一步的，所述后向散射探测器(ECO-FLBB)的光学窗口朝下，以避免环境光对测量结果的影响；另外ECO-FLBB测量叶绿素浓度和后向散射系数，后向散射系数是阴影校正中的必须参数。
进一步的，所述基架两侧通过螺孔和螺钉分别和第一固定卡带，第二固定卡带，第三固定卡带，第四固定卡带，第一俯仰角调节块，第二俯仰角调节块连接。
基于上述测量系统，一种自由落体式海洋生物光学剖面测量方法，包括如下步骤：
（1）将辐照度传感器、辐亮度传感器、CTD传感器和ECO-FLBB等固定在基架上；
（2）根据初步计算安装配重和横滚角调节块，使整个系统在水体中为负浮力；
（3）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和横滚角调节块个数；
（4）观测系统在水中的姿态，相应的调整第一俯仰角调节块和第二俯仰角调节块，使辐照度传感器和辐亮度传感器水中保持竖直状态；
（5）调节毕后将整体系统放入水中，接通电源和电脑，开启水下推进器，使系统远离船体向外漂出，漂出20-30m时，关闭水下推进器，系统在重力作用下自由下降，同时记录数据；
（6）所述系统下降至预定深度，停止记录数据，关闭电源；再把系统拉至水面，开始下个测量，或者回收到甲板。
上述方法还包括后续收集数据的进一步处理，包括：
（1）辐照度数据处理
（a） 辐照度漫射衰减系数计算
根据测量剖面向下光谱辐照度数据
Figure 605999DEST_PATH_IMAGE001
，计算辐照度漫射衰减系数
Figure 724128DEST_PATH_IMAGE002
Figure 245108DEST_PATH_IMAGE003
(1)
其中，λ为波长，z为深度；
（b） 海面入射辐照度计算
由上式计算的辐照度漫射衰减系数和测量的剖面辐照度计算海面入射辐照度
Figure 541222DEST_PATH_IMAGE004
Figure 780443DEST_PATH_IMAGE005
(2)
其中，
Figure 702262DEST_PATH_IMAGE006
为水气界面辐照度透过率，一般取值为0.03.
(2) 辐亮度数据处理
（a）计算水体的吸收系数
根据公式（1）计算的水体漫射衰减系数
Figure 841863DEST_PATH_IMAGE007
和ECO-FLBB测量的后向散射系数
Figure 72993DEST_PATH_IMAGE008
，由下式通过数值求解水体吸收系数
Figure 550242DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 760906DEST_PATH_IMAGE010
(3)
其中，
Figure 256478DEST_PATH_IMAGE011
为太阳在水中的天顶角，
Figure 157045DEST_PATH_IMAGE012
为与深度和太阳天顶角有关的经验系数；
（b）计算阴影校正因子
Figure 121590DEST_PATH_IMAGE013
Figure 900059DEST_PATH_IMAGE014
(4)
其中，d为系统中心距离辐亮度传感器外边缘距离，Z0为辐亮度探测器长度，如图3所示。
（c）辐亮度阴影校正
Figure 751602DEST_PATH_IMAGE016
(5)
其中，
Figure 809688DEST_PATH_IMAGE017
为阴影校正因子，
Figure 776376DEST_PATH_IMAGE018
为测量的辐亮度，
Figure 591492DEST_PATH_IMAGE020
为阴影校正后的辐亮度。
（d）辐亮度漫射衰减系数计算
Figure 546810DEST_PATH_IMAGE021
Figure 290644DEST_PATH_IMAGE022
(6)
（e）离水辐亮度计算
Figure 714934DEST_PATH_IMAGE023
Figure 585938DEST_PATH_IMAGE024
(7)
其中，
Figure 645030DEST_PATH_IMAGE025
为水气界面透过率，n为海水折射率。
(3)遥感反射率计算
根据公式（2）和公式（7）计算遥感反射率
Figure 323879DEST_PATH_IMAGE026
Figure 750313DEST_PATH_IMAGE027
（8）。
与现有技术相比，本发明的优点和有益效果是：
（1）本发明在现有技术的基础上增加推进装置，使剖面测量系统远离船只，不依赖风和流，避免船只对水下环境光场的影响；（2）增加剖面测量系统的俯仰和横滚调节装置，使之在水中自由落体下降时保持竖直状态，提高数据质量；（3）根据剖面测量系统尺寸，创新性进行系统阴影校正，提高数据质量；（4）增加温度、盐度和电导率（CTD）传感器和叶绿素浓度以及后向散射系数传感器(ECO-FLBB)，实现海洋生物光学多参数综合测量，同时为辐亮度阴影校正提供后向散射参数。
本发明设计简单，操作方便、重量轻（未配置光学传感器空气中重量<5kg）, 具备较好的便携性，可跟随科考船进行大面积的水体调查。
附图说明
图1是本发明系统的正视图。
图2是本发明系统的侧视图。
图3是本发明阴影校正的示意图。
其中，1-浮体外壳，2-主浮体，3-基架，4-第一固定卡带，5-辐照度传感器，6-第一俯仰角调整块，7-第二固定扣， 8-温度-盐度-深度（CTD）固定扣，9- CTD探测器，10-第三固定卡带，11-第四固定扣，12-辐亮度传感器，13-第二俯仰角调整块，14-水平支撑杆，15-配重和横滚角调节块，16-固定架，17-叶绿素浓度和后向散射探测器(ECO-FLBB)，18-水下推进器，61-环形卡槽，62-固定螺丝。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明所述的技术方案作进一步地描述说明。需要说明的是，在下述段落可能涉及的方位名词，包括但不限于“上、下、左、右、前、后”等，其所依据的方位均为对应说明书附图中所展示的视觉方位，其不应当也不该被视为是对本发明保护范围或技术方案的限定，其目的仅为方便本领域的技术人员更好地理解本发明创造所述的技术方案。
在本说明书的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例1
一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统（如图1所示），该系统结构主体由上至下依次设有浮体外壳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由空心玻璃微珠组成，起到系统稳定沉浮的作用，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，浮体外壳1和基架3固定连接；所述基架3的一外侧依次固定有第一固定卡带4和第二固定卡带7，用于固定辐照度传感器5，另一外侧对称依次固定有第三固定卡带10和第四固定卡带11，用于固定辐亮度传感器12，所述辐照度传感器5和基架3之间固定有第一俯仰角调节块6，辐亮度传感器12和基架之间固定有第二俯仰角调节块13；俯仰角调节块中间有环形卡槽61，卡槽中间有螺丝可以滑动，可根据系统在水中状态调整辐照度传感器的俯仰角，并用螺丝62锁紧，如图2所示。
所述浮体外壳1的下方、和基架3的内侧设有CTD传感器9，所述CTD固定箍8和浮体外壳1连接，固定箍用于固定CTD传感器9。该CTD传感器9下方设有水平支撑杆14，水平杆14上设有配重和横滚角调节块15，所述配重和横滚角调节块15一方面用于系统配重使之在水中呈负浮力，根据配重大小调节下降速度在0.1-1m/s；另一方面调节块可以左右移动，用于调节系统的横滚角。所述基架3下方连接固定架16，用于固定叶绿素浓度和后向散射探测器(ECO-FLBB)17，所述叶绿素浓度和后向散射探测器(ECO-FLBB)17的光学窗口朝下，以避免环境光对测量结果的影响；另外ECO-FLBB作用测量叶绿素浓度和后向散射系数，后向散射系数是阴影校正中的必须参数。且基架3的下方靠近辐照度传感器5一侧装有水下推进器18，使剖面测量系统远离船只，以避免船只对环境光场的影响。
实施例2
基于上述测量系统，一种自由落体式海洋生物光学剖面测量方法，包括如下步骤：
（1）将辐照度传感器5、辐亮度传感器12、CTD传感器9和ECO-FLBB17等固定在基架上；
（2）根据初步计算安装配重和横滚角调节块15，使整个系统在水体中为负浮力；
（3）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和横滚角调节块15个数；
（4）观测系统在水中的姿态，相应的调整第一俯仰角调节块6和第二俯仰角调节块13，使辐照度传感器5和辐亮度传感器12水中保持竖直状态；
（5）调节毕后将整体系统放入水中，接通电源和电脑，开启水下推进器，使系统远离船体向外漂出，漂出20-30m时，关闭水下推进器，系统在重力作用下自由下降，同时记录数据；
（6）所述系统下降至预定深度，停止记录数据，关闭电源；再把系统拉至水面，开始下个测量，或者回收到甲板。
上述方法还包括后续收集数据的进一步处理，包括：
（1）辐照度数据处理
（a）辐照度漫射衰减系数计算
根据测量剖面向下光谱辐照度数据
Figure 143117DEST_PATH_IMAGE028
，计算辐照度漫射衰减系数
Figure 823759DEST_PATH_IMAGE029
Figure 174975DEST_PATH_IMAGE030
(1)
其中，λ为波长，z为深度
（b） 海面入射辐照度计算
由上式计算的辐照度漫射衰减系数和测量的剖面辐照度计算海面入射辐照度
Figure 291966DEST_PATH_IMAGE031
Figure 986997DEST_PATH_IMAGE032
(2)
其中，
Figure 286260DEST_PATH_IMAGE033
为水气界面辐照度透过率，一般取值为0.03.
(2) 辐亮度数据处理
（a）计算水体的吸收系数
根据公式（1）计算的水体漫射衰减系数
Figure 44263DEST_PATH_IMAGE034
和ECO-FLBB测量的后向散射系数
Figure 179709DEST_PATH_IMAGE035
，由下式通过数值求解水体吸收系数
Figure 179895DEST_PATH_IMAGE036
：
Figure 832200DEST_PATH_IMAGE037
(3)
其中，
Figure 10371DEST_PATH_IMAGE038
为太阳在水中的天顶角，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为与深度和太阳天顶角有关的经验系数；
（b） 计算阴影校正因子
Figure 39638DEST_PATH_IMAGE013
Figure 577936DEST_PATH_IMAGE014
(4)
其中，d为系统中心距离辐亮度传感器外边缘距离，Z0为辐亮度探测器长度，如图3所示。
（c） 辐亮度阴影校正
Figure 602524DEST_PATH_IMAGE016
(5)
其中，
Figure 722837DEST_PATH_IMAGE017
为阴影校正因子，
Figure 82143DEST_PATH_IMAGE018
为测量的辐亮度，
Figure 909284DEST_PATH_IMAGE020
为阴影校正后的辐亮度。
h)辐亮度漫射衰减系数计算
Figure 804690DEST_PATH_IMAGE021
Figure 573932DEST_PATH_IMAGE022
(6)
（d） 离水辐亮度计算
Figure 171267DEST_PATH_IMAGE023
Figure 549902DEST_PATH_IMAGE024
(7)
其中，
Figure 798350DEST_PATH_IMAGE025
为水气界面透过率，n为海水折射率。
(4)遥感反射率计算
根据公式（2）和公式（7）计算遥感反射率
Figure 489225DEST_PATH_IMAGE026
Figure 793430DEST_PATH_IMAGE027
（8）。
在上述实施例的基础上，本发明继续对其中涉及到的技术特征及该技术特征在本发明中所起到的功能、作用进行详细的描述，以帮助本领域的技术人员充分理解本发明的技术方案并且予以重现。
最后，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种自由落体式海洋生物光学剖面测量系统，其特征在于，该系统结构主体由上至下依次设有浮体外壳（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）由空心玻璃微珠组成，起到系统稳定沉浮的作用，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，浮体外壳（1）和基架（3）固定连接；所述基架（3）的一外侧依次固定有第一固定卡带（4）和第二固定卡带（7），用于固定辐照度传感器（5），另一外侧对称依次固定有第三固定卡带（10）和第四固定卡带（11），用于固定辐亮度传感器（12）；所述浮体外壳（1）的下方、和基架（3）的内侧设有温度-盐度-深度CTD传感器（9），该CTD传感器（9）下方设有水平支撑杆（14），水平支撑杆（14）上设有配重和横滚角调节块（15）；所述基架（3）下方连接固定架（16），用于固定叶绿素浓度和后向散射传感器ECO-FLBB（17）；且基架（3）的下方靠近辐照度传感器（5）一侧装有水下推进器（18），使剖面测量系统远离船只，以避免船只对环境光场的影响。
2.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述辐照度传感器（5）和基架（3）之间固定有第一俯仰角调节块（6），辐亮度传感器（12）和基架之间固定有第二俯仰角调节块（13）；俯仰角调节块中间有环形卡槽（61），卡槽中间有螺丝可以滑动，可根据系统在水中状态调整辐照度传感器的俯仰角，并用螺丝（62）锁紧。
3.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述CTD传感器（9）由CTD固定箍（8）和浮体外壳（1）连接固定。
4.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述配重和横滚角调节块（15）一方面用于系统配重使之在水中呈负浮力，根据配重大小调节下降速度在0.1-1m/s；另一方面调节块可以左右移动，用于调节系统的横滚角。
5.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述后向散射探测器ECO-FLBB（17）的光学窗口朝下，以避免环境光对测量结果的影响；另外ECO-FLBB测量叶绿素浓度和后向散射系数，后向散射系数是阴影校正中的必须参数。
6.如权利要求1所述的测量系统，其特征在于，所述基架（3）两侧通过螺孔和螺钉分别和第一固定卡带（4），第二固定卡带（7），第三固定卡带（10），第四固定卡带（11），第一俯仰角调节块（6），第二俯仰角调节块（13）连接。
7.基于权利要求1所述的测量系统的一种自由落体式海洋生物光学剖面测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）将辐照度传感器（5）、辐亮度传感器（12）、CTD传感器（9）和ECO-FLBB（17）固定在基架上；
（2）根据初步计算安装配重和横滚角调节块（15），使整个系统在水体中为负浮力；
（3）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和横滚角调节块（15）个数；
（4）观测系统在水中的姿态，相应的调整第一俯仰角调节块（6）和第二俯仰角调节块（13），使辐照度传感器（5）和辐亮度传感器（12）水中保持竖直状态；
（5）调节毕后将整体系统放入水中，接通电源和电脑，开启水下推进器，使系统远离船体向外漂出，漂出20-30m时，关闭水下推进器，系统在重力作用下自由下降，同时记录数据；
（6）所述系统下降至预定深度，停止记录数据，关闭电源；再把系统拉至水面，开始下个测量，或者回收到甲板。
8.如权利要求7所述的一种自由落体式海洋生物光学剖面测量方法，其特征在于，所述方法还包括后续收集数据的进一步处理，具体包括：
（1）辐照度数据处理
辐照度漫射衰减系数计算
根据测量剖面向下光谱辐照度数据
Figure 815823DEST_PATH_IMAGE001
，计算辐照度漫射衰减系数
Figure 998542DEST_PATH_IMAGE002
Figure 431142DEST_PATH_IMAGE003
(1)
其中，λ为波长，z为深度；
海面入射辐照度计算
由上式计算的辐照度漫射衰减系数和测量的剖面辐照度计算海面入射辐照度
Figure 357510DEST_PATH_IMAGE004
Figure 499778DEST_PATH_IMAGE005
(2)
其中，
Figure 712454DEST_PATH_IMAGE006
为水气界面辐照度透过率，一般取值为0.03.
(2) 辐亮度数据处理
计算水体的吸收系数
根据公式（1）计算的水体漫射衰减系数
Figure 510645DEST_PATH_IMAGE007
和ECO-FLBB测量的后向散射系数
Figure 365338DEST_PATH_IMAGE008
，由下式通过数值求解水体吸收系数
Figure 833884DEST_PATH_IMAGE009
：
Figure 483040DEST_PATH_IMAGE010
(3)
其中，
Figure 768528DEST_PATH_IMAGE011
为太阳在水中的天顶角，
Figure 161332DEST_PATH_IMAGE012
为与深度和太阳天顶角有关的经验系数；
计算阴影校正因子
Figure 543772DEST_PATH_IMAGE013
Figure 525282DEST_PATH_IMAGE014
(4)
其中，d为系统中心距离辐亮度传感器外边缘距离，Z0为辐亮度探测器长度；
辐亮度阴影校正
Figure 94804DEST_PATH_IMAGE015
(5)
其中，
Figure 25720DEST_PATH_IMAGE016
为阴影校正因子，
Figure 934770DEST_PATH_IMAGE017
为测量的辐亮度，
Figure 597832DEST_PATH_IMAGE018
为阴影校正后的辐亮度；
辐亮度漫射衰减系数计算
Figure 185808DEST_PATH_IMAGE019
Figure 392186DEST_PATH_IMAGE020
(6)
离水辐亮度计算
Figure 545956DEST_PATH_IMAGE021
Figure 645499DEST_PATH_IMAGE022
(7)
其中，
Figure 127296DEST_PATH_IMAGE023
为水气界面透过率，n为海水折射率；
遥感反射率计算
根据公式（2）和公式（7）计算遥感反射率
Figure 134435DEST_PATH_IMAGE024
Figure 139782DEST_PATH_IMAGE025
（8）。
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