CN200979530Y - 光纤式高光谱剖面测量仪 - Google Patents

Abstract

光纤式高光谱剖面测量仪，涉及一种剖面测量设备，尤其是一种采用光纤式高光谱剖面测量仪。提供一种以光纤传感器为核心，具有低成本、轻便、高深度分辨率和高光谱分辨率，自阴影影响小等优点的可用于浑浊水体的光纤式高光谱剖面测量仪。光谱仪、计算机和控制箱设于船上，浮子装置设有至少1个浮子，浮子由连杆与光谱仪、计算机和控制箱连接，水下探头装置设有液位计、电机、固定架、转向控制杆、漫反射板、光纤和尾舵，液位计设在电机上，液位计数据线接计算机，电机、转向控制杆和尾舵设在固定架上，电机电缆线接计算机，漫反射板通过连接杆接电机，光纤一端固定在固定架上，另一端接光谱仪。

Description

光纤式高光谱剖面测量仪

技术领域

本实用新型涉及一种剖面测量设备，尤其是一种采用光纤式的高光谱剖面测量仪。

背景技术

目前，在国际上有多家海洋仪器公司开发了针对一类水体的大型水下光谱剖面仪产品。但剖面法对测量仪器的要求较高，测量时不但不能有其它的阴影干扰，而且对自阴影也有较高的要求，根据Gordon and Ding(参见文献：Gordon，H.R.，and K.Ding.Self shading of in-wateroptical instruments[J].Limnol.Oceanogr，1992，37：491-500.)发现，水下光谱仪的有效直径必须小于2.5cm，才可能对因自阴影效应引起的近红外波段误差进行有效的校正。

水体向上辐射率和向下辐照度是剖面光谱测量中基本的测量项目，国际上普遍采用针对一类水体设计的大型水下光谱剖面仪(参见表1)。

                           表1世界各海洋仪器公司知名剖面光谱仪产品

型号	主要参数	优点	缺点
				Satlantic-HyperOcean ColourRadiometer(HyperOCR)(加拿大)	波段数：256(350-800nm)；直径6.0cm，长度39.9/36.2cm；测量项：向上向下辐射率、辐照度。	波段多，配备该公司产品Profile II可实现上下行光剖面测量	价格昂贵(超过50万元)，探头直径大，自阴影大
SatlanticOCR-507IRRADIANCESENSOR(加拿大)	波段数：7(400-865nm)；直径6.5cm，长度12.5cm；测量项：向下辐照度。	配备其产品Profile II可实现上下行光剖面测量	价格昂贵(超过25万元)，波段少，探头直径大，自阴影大
				SatlanticOCI-1000SPMR(加拿大)	波段数：7/13；直径8.9cm，长度122cm；测量项：向上辐射率、向下辐照度。	先进稳定NASA推荐	仪器昂贵(超过25万元)且仪器操作、布放复杂，一般只能用于水深大于10m水体，波段少，自阴影大。
BiosphericalMER-2040(美国)	波段数：8/13；直径20cm，长度90cm；测量项：向上、向下辐照度。
			BiosphericalPRR-600(美国)	波段数：7/13；直径10cm，长度50cm；测量项：向上辐射率、向下辐照度。

该类光谱剖面仪精度较高，但体积较大、采样深度间隔大，仅适合于低衰减系数的外陆架深海水体。在浅海等高衰减系数的水域，因仪器体积较大所产生的自阴影影响，这种影响在红到近红外波段显得更为突出，可能导致50％甚至更高的误差。更重要的是，因自阴影和该波长范围内强烈水体吸收的影响，对大气校正至为关键的红色和近红外波段的离水反射率，一直取不到可信的现场观测结果(参见文献：Hu，C.，and K.L.Carder.Atmosphericcorrection of airborne sensors：comment on a scheme used for CASI[J].Remote Sens.Environ，2002，79：134-137.)。这是限制商品水下光谱仪在近岸水体应用的最大障碍。另一个障碍是仪器测量过程的下沉速度太快，采样深度间隔不能满足近海浑浊水体遥感探测的验证要求。同时，生产海洋水下光谱仪产品的厂家较少，不但可供选择的产品少，而且一般价格昂贵。其中，Profile II为Satlantic公司的最新产品，实际上为测量光谱的探头的载体，可选配OCR-507辐照度探头和HyperOCR(Hyper Ocean Colour Radiometer)这两种探头，分别测量上行光辐射率(或辐照度)与下行光辐射率(或辐照度)。可人工手放或配备浮子，浮在水面上专测水表层光谱。相对以往及其它公司产品而言，Profile II(配备探头)体积更小，现场使用起来布放也更加方便，所配探头直径也更细，但Profile II所配备的探头直径分别为6cm、6.5cm仍然太大，不足以消除自阴影的干扰。但就目前其它产品而言，仍是最先进的。

相对而言，国内的剖面光谱仪产品还处于起步阶段，性能上与国外产品差距较大，近年来国家在仪器研制方面加大了投入，经过科技工作者的不懈努力，剖面光谱仪的性能不断提高，其中中科院南海所曹文熙在剖面光谱仪研制方面处于领先地位有较高的水平(参见表2)。

                               表2国内剖面光谱仪产品

型号	主要参数	优点	缺点
				海洋光学多参数测量仪OMC-1(中科院南海所)	波段数：5(450，500，540，650，740nm)；可测定水下不同深度的向上、向下光谱辐照度(辐射率可经换算得到)；可直接测量测辐照度。	性能达到国外同代先进水平	波段少，波段带宽较宽，自阴影大。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种以光纤传感器为核心，具有低成本、轻便、高深度分辨率和高光谱分辨率，自阴影影响小等优点，可用于浑浊水体实现近岸浑浊水体的水表和水下高光谱高分辨率剖面测量的光纤式高光谱剖面测量仪。

本实用新型设有：

光谱仪、计算机和控制箱，光谱仪、计算机和控制箱设于船上；

浮子装置，浮子装置设有至少1个浮子，浮子由连杆与光谱仪、计算机和控制箱连接；

水下探头装置，水下探头装置设有液位计、电机、固定架、转向控制杆、漫反射板、光纤和尾舵，液位计固定在电机上，液位计的数据线接计算机，电机设在固定架上，电机的电缆线接计算机，转向控制杆和尾舵设在固定架上，漫反射板通过连接杆接电机，漫反射板在电机控制下在固定架与转向控制杆之间运动，光纤的一端固定在固定架上，另一端接光谱仪。

浮子装置可设3个浮子，浮子选用不锈钢浮球，3个浮球之间由U形连接件和支杆连接，支杆设于U形连接件与浮球之间。

本实用新型通过光纤为媒介实现将水下信号引出至水面，再用表面光谱仪实现剖面测量，并通过捆绑液位计和浮子装置进行深度控制，实现深度的高精度分辨率。而且克服了水下高光谱高分辨率剖面测量的自阴影影响，解决了水下高光谱高分辨率剖面测量的深度控制以及水下探头的姿态控制。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

图2为本实用新型实施例的浮子装置结构示意图。

具体实施方式

参见图1和2，本实用新型设有光谱仪1、石英光纤2、液位计3、浮子装置4、密封减速齿轮电机5、固定架6、转向控制杆7、漫反射板8、尾舵9、电缆线10、数据线11、硬质连杆12、计算机13和控制箱14。光谱仪1、计算机13和控制箱14设于船15上，浮子装置4设有3个不锈钢浮球，3个不锈钢浮球由硬质连杆12与光谱仪1和计算机13连接。液位计3、密封减速齿轮电机5、固定架6、转向控制杆7、漫反射板8、石英光纤2和尾舵9组成水下探头装置，液位计3固定在电机5上，液位计3的数据线11接计算机13，电机5固定在固定架6上，电机5的电缆线10接计算机13，转向控制杆7和尾舵9也固定在固定架6上，漫反射板8通过连接杆接电机5，漫反射板8在电机5控制下在固定架6与转向控制杆7之间运动，石英光纤2的一端固定在固定架6上，另一端接光谱仪1。

浮子装置4的3个浮球41之间由U形连接件42和支杆43连接，支杆43设于U形连接件42与浮球41之间(参见图2)。光谱仪1可采用GER1500型便携式光谱仪(美国产品，350～1050nm，512波段)，石英光纤2采用PCS光纤(南京春辉公司产品，芯径0.6mm，数值孔径0.38～0.4，长度15m，两端SMA端子)，石英光纤2一端用螺丝固定在固定架6上，另一端绕着固定架6和硬质连杆12，到达船上，通过接头连接到光谱仪1上。液位计3采用JYB-KB-LVD(昆仑工控产品，直径：22mm，测量范围：100m内，输出信号：0～5V，供电电压：24VDC，工作温度：0～50℃，测量精度：≤±0.25％，长度：10m，带COM口输出)，液位计3用不锈钢卡箍固定在密封减速齿轮电机5上，液位计3的数据线11绕着固定架6和硬质连杆12，到达船上，通过计算机13的COM口和计算机13连接。

浮子装置4漂浮在海面上，通过螺丝将硬质连杆12固定在浮子装置4上。密封减速齿轮电机5的外径：＜50mm，密封减速齿轮电机5用不锈钢卡箍固定在固定架6上，电缆线10绕着固定架6和硬质连杆12，到达船上，接入控制箱14。密封减速齿轮电机5的底部焊接一根钢条，钢条底端用螺丝锁住漫反射板8。密封减速齿轮电机5控制漫反射板8在固定架6和转向控制杆7之间运动。转向控制杆6和尾舵9焊接在固定架6上。

现场使用时，通过硬质连杆12使浮子装置4远离船体(无阴影一侧)，光纤2、电缆10和液位计数据线11捆为一束，经硬质连杆12和浮子装置4伸到水下，水下探头装置所采集的光信号和深度数据能通过光纤2、电缆10和数据线11束传到船上的光谱仪1和计算机13中，从而实现水下剖面光谱测量。其中，光谱仪1通过接头接上光纤电缆束，硬质连杆12和浮子装置4连接在一起，且连接处可转动。硬质连杆12通过人工固定在船边，光纤电缆束只是放在硬质连杆12与浮子装置4的连接处(做了一个导向槽，光纤电缆放在导向槽内)，电缆束在接近船体部分分为两股，一股为光纤2接入光谱仪1，另一股为电缆线10接入控制箱14内。光纤2一直延伸至水下探头装置，并固定在固定架6上。

因为全部系统(除液位计和电机尺寸稍大，但影响不大)都采用细直径材料制成，所以整个系统总的来说自阴影影响极小。其次，因为水下探头部分相对于光纤电缆束本身的自重较大而阻力相对较小，在水下即使流速较大，光纤电缆束漂移很严重的情况下，仍会保持相对竖直，所以保证了测量上行光和下行光的正确性。如加装小舵，可使探头能够与流向在水平面内呈一定夹角，下水前判断太阳入射角度与流向的关系，调整好好角度，则能够保证水下光纤探头始终保持朝向太阳一面，不会受到自阴影的影响。

因为所选用的PCS光纤芯径大、数值孔径大(也就是出射、入射光开角大)，所以在光纤可以输出足够大范围的信号到光谱仪的接收端。因为光纤输出端为SMA端子，光谱仪入射端为一非标准的内螺纹孔，所以加工一个全部外螺纹的接头，两端尺寸一端适合光纤的SMA端子，另一端适合光谱仪的入射端非标螺纹。当两端都旋紧时，可以实现光纤与光谱仪的最佳耦合。

为了实现测量时测量水层的相对位置不变，浮子装置的浮球随海面上下漂动，即浮球为0m层，以浮球为基准向下释放时可以实现测量层与0m层的深度变化尽可能小(＜0.03m)，从而实现高深度精度分辨率(0.1m)的目的。

综合考虑了各方面的要求，浮子装置主要由3个8mm实心不锈钢浮球组成，这样虽然质量会有所增加，但是不锈钢硬度、强度大，可以尽可能地使3个浮球远离中心(以免造成阴影影响)，同时又不会因为具有弹性太大而导致失去0m的指示作用。中间连接件制成“U”形，以便尽可能地减小自阴影，每支脚长度0.6m，支杆和浮球都可拆卸折叠，方便携带。

水下探头装置可分为漫反射板切换和方向控制两部分：

1、漫反射板切换：利用一个密封的减速齿轮电机，使漫反射板可以在水平面内做圆周运动，再通过时间继电器控制电机的通电时间，可以实现漫反射板在一定范围、一定角度内的切换。

2、方向控制：在中轴线上加一横向伸出的横杆，加装一而小舵，由于水下探头装置本身的自重，水下探头可以在垂直方向上保持一定范围内的竖直状态。由于水流的冲击，使舵总是指向流的运动方向，因而可以实现光纤探头总是测量同一方向的信号，并且舵和光纤探头的夹角可以任意调整，以避免探头处于自身的自阴影中。

经试验，本实用新型获得突出的效果，与目前国外产品的比较见表3。

                                              表3

	国外进口仪器	本实用新型	备注
				波段	目前只有单波段，最多到多波段(几十个波段)	高光谱，有512个波段，从350～1050nm	目前国际趋势发展高光谱，单波段已远远无法满足研究需要
体积	大，自身半径大，自阴影大	入水部分体积小，直径小，自阴影小	自阴影是限制水下光学测量的一个很重要的误差
				价格	高，动辄几十万(如Satlantic，20万～70万)	除掉光谱仪只有不到1万元	国外产品价格高，且每年还要送回原厂(国外)校正，也是不菲的一笔花费
适用范围	适合大洋水体	适合近海二类水体	近海二类水体为海洋水色遥感近年来的发展方向
				深度	测量深度深，深度分辨率低(自由落体释放)	水下10m，深度分辨率高(0.1m)	目前还没有仪器能够进行高深度分辨率测量

Claims (4)

1.光纤式高光谱剖面测量仪，其特征在于设有：

光谱仪、计算机和控制箱，光谱仪、计算机和控制箱设于船上；

浮子装置，浮子装置设有至少1个浮子，浮子由连杆与光谱仪、计算机和控制箱连接；

水下探头装置，水下探头装置设有液位计、电机、固定架、转向控制杆、漫反射板、光纤和尾舵，液位计固定在电机上，液位计的数据线接计算机，电机设在固定架上，电机的电缆线接计算机，转向控制杆和尾舵设在固定架上，漫反射板通过连接杆接电机，漫反射板在电机控制下在固定架与转向控制杆之间运动，光纤的一端固定在固定架上，另一端接光谱仪。

2.如权利要求1所述的光纤式高光谱剖面测量仪，其特征在于浮子装置设3个浮子。

3.如权利要求2所述的光纤式高光谱剖面测量仪，其特征在于浮子为不锈钢浮球。

4.如权利要求3所述的光纤式高光谱剖面测量仪，其特征在于浮球之间由U形连接件和支杆连接，支杆设于U形连接件与浮球之间。

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