基于浮标的海洋云高长期在线监测装置及方法与流程

本发明涉及海洋环境监测领域，尤其涉及一种基于浮标的海洋云高长期在线监测装置及方法。

背景技术：

云是一种常见的天气现象，云是大气中热力过程和动力过程的外部表现，同时也是水分循环的重要环节。云不仅是影响日常工作生活的重要天气现象，也被确认为是威胁空军系统和任务成功的最显著限制因素之一。云的观测在大气科学研究和气象业务中(如分析天气、气候环境变化、水汽相变过程、天气预报等)起着至关重要的作用。

目前云高观测的方法主要有人工目测、气球探测、飞机探测、空基卫星观测和地基观测等。其中岸上人工观测人为误差大，且只能观测岸上和近岸云高，无法实现远海云高观测；气球观测时间长，成本高，时空分辨率较低，不能对云进行长时间连续变化观测，且在海上更加难以操作；飞机探测一般为机载微波辐射计形式，可灵活机动实现某一区域的快速观测，但成本高，受强对流天气影响大；空基卫星观测主要包括可见光、红外、微波被动遥感和星载雷达主动遥感，具有空间覆盖广等优势，但其对于低云探测效果不够好，难以对局部特定海域进行精细化观测，而这恰恰是海上船只航行特别是海上飞机飞行特别关注的，而且空基观测易受各种大气物质及地球表面特征的影响；地基观测主要包括毫米波雷达、激光雷达、微波辐射计和全天空成像辐射仪等方式，其中激光雷达以其简单便携、能够测量多层(3层)云的垂直结构、空间分辨率高等优点越来越受到重视，而且适合于海上船载观测，不过船载云高观测需要动用船只航行观测，费用昂贵，而且不能实现海上长期连续监测。

而海洋环境监测浮标是一种锚定于海上，能够对布放海域进行长期、连续、实时观测的现代化自动海洋环境观测平台，具有抗击台风等极端恶劣天气的能力。因此亟需提出一种基于浮标的海洋云高长期连续监测装置和方法，能够结合海洋环境监测浮标及激光雷达云高仪的优点，实现海上多层(3层)云高、云厚等参数的长期、连续观测，为海上气象科学研究、气象业务观测和预报、船只、飞机航行等提供数据支撑。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于浮标的海洋云高长期在线监测装置及方法，以克服目前海上云高难以长期连续监测的不足。

一种基于浮标的海洋云高长期在线监测装置，其特征在于包括浮标、该浮标上安装有激光云高仪，所述的激光云高仪还连接有浮标姿态测量模块、云高修正补偿模块、通讯模块和气象水文观测子系统；

所述浮标用于安装激光云高仪、浮标姿态测量模块、气象水文观测子系统、通讯模块，并为各装置提供电源；

所述激光云高仪的镜头前设有滤光片，所述滤光片采用905nm半带宽2nm的窄带干涉滤光片，置于激光云高仪的接收透镜与光电探测器之间；激光云高仪向上空发射波长为905nm的近红外波段激光脉冲；

所述激光云高仪包括全密封的壳体，壳体具有倾斜的上表面，且上表面设有两个透镜窗口；并在透镜窗口外设有全自动电刷，以实现按照设定时间对镜头进行清理；

所述浮标姿态测量模块为高精度姿态测量仪，用于测量浮标平台的艏向、横滚和纵摇的姿态参数，

所述气象水文观测子系统，用于观测浮标布放海域的包括风速风向、近海面的温度、湿度、压强和波浪、海流在内的常规气象水文参数，为海上激光云高观测提供综合海洋环境参考；

所述云高修正补偿模块，根据云高仪的姿态参数，实现云高观测的修正和补偿，

所述通讯模块，用于将观测的云高、云厚和常规气象水文环境参数进行编码，并通过常规通讯方式传输到岸上数据接收处理中心，供用户使用。

所述电源采样太阳能电池板和蓄电池相结合的方式。

所述全自动电刷系统包括电刷驱动电机，电机的转轴前端通过铰链部件连接电刷，通过电机驱动电刷在透镜窗口上往复清扫。

所述电刷驱动电机采用36HSY型低功耗步进电机；所述电刷采用小型多功能雨刷。

所述浮标姿态测量模块采用XW-GI5651型高精度姿态测量仪。

利用上述装置进行海洋云高长期在线监测的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、初始化激光云高仪，设置激光云高仪的探测高度、空间分辨率和数据更新率参数；

第二步、通过浮标姿态测量模块得到固定在浮标上的云高仪的艏向、横滚和纵摇的姿态参数；同时，通过的海洋气象水文观测子系统，获得包括浮标布放海域的风速风向、近海面的温度、湿度、压强和波浪、海流在内的常规气象水文参数；

第三步、激光云高仪发射快速、低能量的激光脉冲到大气中，探测器部分接收上方自云和气溶胶的后向散射激光信号，通过高灵敏度的光电接收器将光信号转换为电信号，被高速光子计数器采集后存入微处理机，进而计算出云高、云厚信息；

第四步、云高修正补偿模块根据第二步得到的激光云高仪的艏向、横滚和纵摇的姿态参数对第三步得到的云量信息进行补偿，进而得到浮标平台上空的实际云高、云厚参数；

第五步、通讯模块将上述的云高、云厚参数及常规海洋气象水文参数进行编码，并通过通信天线发送至岸上数据接收处理中心，供用户使用。

上述步骤三、四中的云高测量与补偿方法如下：

利用下列云高测量公式直接测量云高：

$h^{\′}=\sqrt{\frac{P_t\·A_r\·K_t\·K_r\·\mathrm{\ρ}\·T_a^2\·a_t}{2{\mathrm{\πP}}_r}}$

式中h’—直接测量云高；

P_r—光探测器上的回波功率；

P_t—激光器发射的激光脉冲功率；

A_r—接收光学系统的有效面积；

Kt—发射光学系统的透过率；

Kr—接收光学系统的透过率；

ρ—云体的反射系数；

T_a²—双程大气透过率；

a_T—发射光学系统的发散角损失系数；

对于一台激光云高仪，接收光学系统的有效面积A_r、发射和接收光学系统的透过率Kt和Kr、发射光学系统的发散角损失系数a_T为已知值，激光器发射的激光脉冲功率P_t也可确定，根据激光云高仪使用当地的地理位置和气象情况，可以确定云体的反射系数ρ和双程大气透过率T_a²，并且可以根据浮标上常规气象水文观测子系统的测量值进行修正，因此，只要检测到光探测器上的回波功率P_r，带入公式可以求得云高仪直接测量的云高数值；

由浮标姿态测量模块的横滚、纵摇姿态参数，在三维空间合成激光云高仪激光偏离垂直向上轴的偏移角θ，则浮标晃动时的云高实际值h＝h’×cosθ，实现云高观测的修正和补偿；h表示经过补偿之后的实际云高值。

发明优点

云高仪通常为陆地固定使用，要求垂直或倾斜固定角度安装。浮标是一种锚定于海上，能够对布放海域进行长期、连续、实时观测的现代化自动海洋环境观测平台，是一种随风、浪、流摇摆、俯仰、升沉运动的浮动平台，还有海上盐雾、风浪等恶劣环境影响，而本发明的浮标上云高观测的技术解决了上述诸多问题。

本发明基于浮标的激光雷达云高观测，测量结果准确可靠，可实现远离海岸的长期、连续、实时的高精度、高时空分辨率云高、云厚及常规海洋气象水文的海洋环境监测，为海洋大气科学研究、天气预报、海洋航运、海上军事等提供准确可靠的数据支撑，填补海上长期、连续、实时、高精度云量观测的空白，对海洋经济、海洋科技和海上维权等多个领域的发展具有重要意义。

附图说明

图1本发明的原理示意图

图2本发明的主体结构示意图

图3云高仪清理透镜窗口的示意图(云高仪正视图)。

图4云高仪的滤光示意图(云高仪侧向剖视图)。

图5本发明的云高校正补偿示意图。

图6实时云演变图及原始信号廓线图，

其中，(A)浮标上云高仪测量结果图，(B)岸上云高仪测量结果图。

图7浮标上云高仪与岸上云高仪测量结果比测图，(a)为云高比测，(b)为云厚比测。

其中，1.浮标姿态测量模块、2.激光云高仪、3.云高修正补偿模块、4.浮标、5.海水、6.锚系、7.云、8.通讯模块、9.常规气象水文观测系统；21、转轴，22、透镜窗口，23、光电接收器，24、电机，25、雨刷，26、接收透镜，27、窄带干涉滤光镜。

具体实施方式

如图2-4，一种基于浮标的海洋云高长期在线监测装置，其特征在于包括浮标4、该浮标4上安装有激光云高仪2，所述的激光云高仪2还连接有浮标姿态测量模块1、云高修正补偿模块3、通讯模块8和气象水文观测子系统9；

所述浮标4用于安装激光云高仪2、浮标姿态测量模块1、气象水文观测子系统9、通讯模块8，并为各装置提供电源；电源采样太阳能电池板和蓄电池相结合的方式；浮标平台采用带点系留方式，具有抵御海上台风等恶劣海洋环境的能力；

安装在浮标4上的激光云高仪2，由于浮标4的摇摆晃动，不可避免的存在太阳光直射云高仪的情况，为了解决太阳直射对仪器的损害，设计合适的滤光环节，当太阳直射时，滤除大量太阳光；其他情况时，尽量减少滤光片对云高测量信号的衰减；所述激光云高仪2的光电接收器23镜头前设有窄带干涉光镜27(简称滤光片)，所述滤光片采用905nm半带宽2nm的窄带干涉滤光片，置于激光云高仪2的接收透镜26与光电接收器23之间；

所述激光云高仪2用于观测激光传播路径上的云高、云厚信息，所述激光云高仪2向上空发射激光脉冲，所述激光波长为905nm、且受自然环境光影响小的近红外波段，所述激光云高仪2通过接收大气对激光脉冲的后向散射实现探测分析大气在不同高度的组成成分，因水汽成分对光的后向散射的贡献很大，从而可以分析出云高信息。激光云高仪的工作过程为：仪器发射快速、低能量的激光脉冲到大气中，探测部分接收上方自云和气溶胶的后向散射激光信号，通过高灵敏度的光电接收器23将光信号转换为电信号，被高速光子计数器采集后存入处理机，进而计算出云高、云厚等信息。

所述激光云高仪2包括全密封的壳体，壳体具有倾斜的上表面，且上表面设有两个透镜窗口22；采用全密封外壳以实现海上防潮、防霉、防盐雾，并在透镜窗口22外配备全自动电刷系统，以实现按照设定时间对镜头进行清理；

所述全自动电刷系统包括电刷驱动电机24，电机24的转轴21前端通过铰链部件连接电刷25，通过电机24驱动电刷在透镜窗口22上往复清扫；所述电刷驱动电机24采用36HSY型低功耗步进电机，控制简单，外形尺寸36×36mm，额定功率5W；所述电刷25采用小型多功能雨刷，可有效刮去雨、雪灰尘，保持云高仪镜头整洁；

所述浮标姿态测量模块1用于测量浮标平台的艏向、横滚和纵摇的姿态参数，由于云高仪2固定安装在浮标平台上，这也是云高仪2的姿态参数，以实现云高观测的修正和补偿；

所述浮标姿态测量模块1为高精度姿态测量仪，采用XW-GI5651型高精度姿态测量仪，采用多传感器数据融合技术将卫星定位与惯性测量相结合，航向测量精度可达0.1°，姿态测量精度可达0.1°，数据更新速率可达100Hz，可实现云高仪姿态的快速准确测量；

所述气象水文观测子系统9，用于观测浮标布放海域的风速风向、近海面的温度、湿度、压强和波浪、海流等常规气象水文参数，为海上激光云高观测提供综合海洋环境参考。由浮标观测的海洋风速风向环境参数，可以判断出云的运动方向，再结合云高云厚等信息，进而计算出天空中云量多少；因此，云高数据根据常规的气象水文观测子系统9观测的风速风向统计计算云量信息；

所述云高修正补偿模块3，根据云高仪2的姿态参数，通过对测云结果的校准、数据质量控制和反演算法，实现云高观测的修正和补偿，消除浮标运动平台对云高观测的影响；

所述通讯模块8，用于将观测的云高、云厚和常规气象水文环境参数进行编码，并通过一定的通讯方式传输到岸上数据接收处理中心，供用户使用。

如图1所示，使用本发明的上述装置进行海洋云高长期在线监测的方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步、初始化激光云高仪2，设置激光云高仪2的探测高度、空间分辨率和数据更新率参数；

第二步、通过浮标姿态测量模块1得到固定在浮标上的云高仪2的艏向、横滚和纵摇的姿态参数；同时，通过的海洋气象水文观测子系统9，获得包括浮标布放海域的风速风向、近海面的温度、湿度、压强和波浪、海流在内的常规气象水文参数；

第三步、激光云高仪2发射快速、低能量的激光脉冲到大气中，探测器部分接收上方自云和气溶胶的后向散射激光信号，通过高灵敏度的光电接收器23将光信号转换为电信号，被高速光子计数器采集后存入微处理机，进而通过已有的方法计算出云高、云厚信息；

第四步、云高修正补偿模块3根据第二步得到的激光云高仪的艏向、横滚和纵摇的姿态参数对第三步得到的云量信息进行补偿，进而得到浮标平台上空的实际云高、云厚参数；

第五步、通讯模块8将上述的云高、云厚参数及常规海洋气象水文参数进行编码，并通过通信天线发送至岸上数据接收处理中心，供用户使用。

如图5所示，上述步骤三、四中的云高测量与补偿方法如下：

利用下列云高测量公式直接测量云高：

$h^{\′}=\sqrt{\frac{P_t\·A_r\·K_t\·K_r\·\mathrm{\ρ}\·T_a^2\·a_t}{2{\mathrm{\πP}}_r}}$

式中h’—直接测量云高；

P_r—光探测器上的回波功率；

P_t—激光器发射的激光脉冲功率；

A_r—接收光学系统的有效面积；

Kt—发射光学系统的透过率；

Kr—接收光学系统的透过率；

ρ—云体的反射系数；

T_a²—双程大气透过率；

a_T—发射光学系统的发散角损失系数；

对于一台激光云高仪，接收光学系统的有效面积A_r、发射和接收光学系统的透过率Kt和Kr、发射光学系统的发散角损失系数a_T为已知值，激光器发射的激光脉冲功率P_t也可确定，根据激光云高仪使用当地的地理位置和气象情况，可以确定云体的反射系数ρ和双程大气透过率T_a²，并且可以根据浮标上常规气象水文观测子系统的测量值进行修正，因此，只要检测到光探测器上的回波功率P_r，带入公式可以求得云高仪直接测量的云高数值；

由浮标姿态测量模块1的横滚、纵摇姿态参数，在三维空间合成激光云高仪2激光偏离垂直向上轴的偏移角θ，则浮标晃动时的云高实际值h＝h’×cosθ，实现云高观测的修正和补偿；h表示经过补偿之后的实际云高值。

对于云厚信息进行补偿的原理与云高信息补偿相仿，同样是利用了浮标姿态测量模块1得到的偏移角，并且基于现有的云厚测量方法不难得出如何利用上述偏移角进行补偿。

实施例

如图2所示，一种基于浮标的海洋云高长期在线监测装置，包括激光云高仪2安装于浮标上气象观测平台上，对镜头无遮挡，也有效避免海浪飞溅对云高仪的影响，浮标姿态测量模块1安装于浮标上气象观测平台上的不锈钢支架上，有效避免钢制标体对姿态传感器的电磁影响，云高修正补偿模块3安装于浮标仪器舱内，常规气象水文观测子系统9安装在浮标上气象观测平台上，用于常规海洋环境的观测，云高观测结果连同常规海洋环境观测结果通过通讯模块8发送至岸上数据接收处理中心，供用户使用。

如2016年3月5日海试过程中，由上式云高仪直接测量云高数值h’为3500米，姿态测量模块测得激光偏离垂直向上轴偏移角θ＝6.3°，则云高实际值h＝3500×cos6.3°＝3478米。

本发明与岸基云高仪实时云演变图及原始信号廓线图如图6所示，本发明的浮标上云高仪(A)与岸基云高仪(B)测量结果比测图如图7所示，虚线表示岸上云高仪测量曲线，实线表示浮标上云高仪测量曲线，可见本发明的效果同现有的岸基云高仪相比，两者云高和云厚测量结果一致性很好，从而说明本发明的基于浮标的设计应用在海洋中是有效、可靠的。