用于水体光学观测的四段式漂浮设备及测量系统的制作方法

本实用新型涉及光学观测领域，具体涉及水色遥感现场表观光谱观测领域，尤其涉及一种水体原位表观光谱观测设备。

背景技术：

离水辐亮度(Lw)和遥感反射率(Rrs)是海洋光学的核心参量，如固有光学量、叶绿素浓度以及光学浅水底质等其他参量，都可由Rrs反演得到。而且，现场实测的Lw可用于机载或空间传感器的地面标定、真实性检验，以及大气校正中。

现场实测Lw光谱已经有五十多年历史，现有技术中已经开发和实施的有三种测量方法，包括水面以上测量法、水下剖面测量法和水面漂浮测量法，这些方法虽然在测量现场很容易实施，但是它们都没能直接测量水体的Lw，而且通过测量一些相关参量去推导Lw，由于在推导过程中均存在一些不确定的因素，导致这些方法推导得到的Lw具有很大的误差。

如许多研究中所述，使用水面以上测量法估测Lw时，如果海面被波浪粗糙化，无法准确确定气水界面反射率，那么很难准确地去除表面反射光，导致推导Lw时存在巨大的不确定因素；水下剖面测量法中，为了导出到达水面的上行辐亮度，需要通过精密的数据处理获得正确的衰减系数，实际应用时，对于高度混浊的水域或垂直分层的水域，很难准确估算传播的衰减系数，因此最终推导Lw时也存在巨大的不确定因素；对于水面漂浮测量法，则需要将水面以下10-50cm处的上行辐亮度推导成刚好水面以下0cm处的上行辐亮度。而且，对于水下剖面测量法和水面漂浮测量法，都必须通过假定水的折射率和横截面反射率来主观地以刚好水面以下0cm处的上行辐亮度推导出离水辐亮度Lw，因此，即使准确地测量了每个分量，各种程度的不确定性也还是会影响Lw的计算。

目前，水面漂浮测量法已经很少提到，水面以上测量法和水下剖面测量法都有代表性的仪器。如，利用水面以上测量法的代表观测仪器有：加拿大的Satlantic公司的HyperSAS表观光谱观测设备等；利用水下剖面测量法的代表观测仪器有：海洋光学浮标等。

总之，现有技术中，不论那种观测仪器，只要采用以上三种测量方法的，都无法准确测量离水辐亮度，因此，有必要研发一种基于新的观测方法的水体表观光谱观测设备，使用直接测量而不是推导得到离水辐亮度的方法，以最大限度地减少方法缺陷、人为误差、设备投入、降低操作和维护的难度，并且实现更高的观测精确度。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于：针对现有的水体表观光谱观测中存在的问题，提出一种新的水体光学观测设备，不仅能够直接测量水体离水辐亮度Lw，最大限度地减少方法缺陷、人为误差和设备误差，最终观测得到的水体遥感反射率Rrs精度显著提高，而且该设备满足海洋光学测量在阴影、姿态、安全性、布放回收的易操作性以及维护的方便性等方面的技术要求。

本实用新型的上述目的是通过以下技术方案实现的：

首先，提供一种用于水体光学观测的漂浮设备，它包括一个由相同的四段弧形浮体拼接而成的内、外径比值为0.80～0.85的浮体环；每段弧形浮体由中空部和设在中空部两端的实心拼接板构成；相邻弧形浮体间通过所述的拼接板连接，在浮体环的圆周上形成四个等间隔的拼接部；每个所述的拼接部开有垂直于环面的通孔；在所述浮体环同一侧面，每个所述通孔处都固定安装有等规格的水密设备仓；在所述浮体环另一侧面，一组位置相对的所述拼接部之间架设高出浮体环表面的横梁；所述浮体环外侧面任意四个等分点位置分别设有收放环。

本实用新型所述的漂浮设备可以搭载多种仪器设备后用于不同水体的光学观测，例如在所述的横梁上可以搭载各种光学观测仪器，辐亮度探头和辐照度探头等。所述的浮体环带有空腔，用于为整个漂浮设备提供浮力。

在此基础上，本实用新型进一步提供一种四段式水体表观光谱原位测量系统，包括本实用新型所述的漂浮设备及安装在所述漂浮设备上的观测设备；所述的观测设备包括光学数据采集设备、主控电路板和供电设备；所述的光学数据采集设备包括辐照度探头、辐照度分光器、辐照度光谱采集板、辐亮度探头、辐亮度分光器、传导光纤以及辐亮度探头遮光罩；所述的供电设备为电池；

所述的光学数据采集设备和主控电路板集成安装在所述横梁上，其中辐照度探头竖直向上，辐亮度探头竖直向下，辐亮度探头遮光罩呈锥筒型，固定安装在所述辐亮度探头周围，由辐亮度探头位置竖直延伸至所述的浮体环的上表面以下；所述的电池分4组分别放置在所述4个水密设备仓内；所述的4组电池级连后通过导线与所述主控电路板电连接，所述主控电路板进一步通过导线分别连接辐照度分光器及辐照度光谱采集板、辐亮度分光器；所述的辐照度探头与辐照度分光器通过传导光纤连接，所述的辐亮度探头与辐亮度分光器通过传导光纤连接。

本实用新型优选的所述的水体表观光谱原位测量系统中，所述的漂浮设备上进一步搭载通讯设备和定位设备；所述的通讯设备包括设置在所述浮体环表面的无线防水通讯天线和设置在所述主控电路板上的无线通讯模块，所述的定位设备包括设置在所述横梁上的姿态传感器、设置在所述主控电路板上的GPS模块和设置在所述浮体环表面的GPS防水天线；所述的无线防水通讯天线和GPS防水天线分别固定安装在所述横梁两侧的浮体环连接部；所述的无线防水通讯天线和所述主控电路板上的无线通讯模块通过导线电连接；所述的GPS防水天线和所述主控电路板上的GPS模块通过导线电连接；所述的姿态传感器与所述的主控电路板通过导线电连接。

进一步优选的所述的水体表观光谱原位测量系统中，通过安装台、第一筒形水密仪器仓和第二筒形水密仪器仓将光学数据采集设备和主控电路板集成安装在所述横梁上；其中，所述的安装台水平固定安装在所述横梁中部，所述的第一筒形水密仪器仓与所述的第二筒形水密仪器仓安装在所述安装台上且与安装台垂直；所述的第一筒形水密仪器仓顶部开有透明视窗，所述的第二筒形水密仪器仓底部开有透明视窗；所述的第一筒形水密仪器仓内透明视窗处安装辐照度探头，其余空间设置辐照度分光器、光谱采集板和控制电路；所述的第二筒形水密仪器仓内透明视窗处安装辐亮度探头，其余空间设置辐亮度分光器、姿态传感器和主控电路板。

野外长期工作的光学探头受环境的影响，镜头很容易被污染，导致测量数据不准确。为了降低由于污染导致的测量误差，因此本实用新型进一步优选的所述的水体表观光谱原位测量系统中，所述第一筒形水密仪器仓和第二筒形水密仪器仓内分别在所述透明视窗附近设置一组光学探头电动清洁装置；每一组所述的光学探头电动清洁装置均包括舵机和刮擦件，所述的舵机包括电路和电机；所述的舵机分别固定安装在第一和第二筒形水密仪器仓的透明视窗附近内侧壁上，所述的电路分别在第一和第二筒形水密仪器仓内通过导线连接的相应的控制电路；所述的电机连接转轴，所述的转轴一端在相应的透明视窗旁边突出仓外并套接所述的刮擦件；所述的条形刮擦件整体与所述透明视窗表面平行紧密接触，并可以在电机的带动下在所述透明视窗表面做往复转动。所述的舵机接收控制电路发出的控制信号，进而控制电机转动和刮擦件的往复运动。所述的光学探头电动清洁装置保障了双通道光学探头镜头的清洁，使其不受溅水、尘垢、生物附着等的影响。

本实用新型优选的方案中，所述的辐亮度探头遮光罩为哑光黑色非极性硬质材料制成的锥筒；所述的锥筒为圆锥筒，其轴线与母线呈10-15°角，以最大程度地减少锥筒自身阴影带来的影响。

优选的所述的水体表观光谱原位测量系统中，所述的辐亮度探头位置高于所述的漂浮设备的吃水线，其高度差在4-8cm，优选5-6cm，以确保探头既可以测得水平面处的辐亮度，又不至于被水淹没。

本实用新型所述的水体表观光谱观测系统可以实现水体原位表观光谱的直接观测。实际使用时，由母船将本实用新型所述的水体表观光谱观测系统运载至待观测海域、通过所述漂浮设备外侧环面的收放环用缆绳投放至合适位置，待观测系统漂浮至远离母船阴影的区域后，远程启动观测程序；在观测过程中，辐亮度探头处于横梁上，在浮力作用下始终处于水面以上的位置，窗口正对水面测量向上辐亮度；同时遮光罩锥筒下缘始终刚好置于水面以下，能够完全屏蔽辐亮度探头下方所观测区域的天空杂散光；在向上辐亮度测量的同时，辐照度探头处于漂浮设备的顶端，在浮力作用下始终处于水面以上的位置对准天空采集入射太阳辐照度Es数据；如果同时搭载了姿态传感器的话也可同步采集的漂浮设备的姿态数据。因此，辐亮度探头所观测到的水面以上的向上辐亮度值没有引入其他干扰因素，无需通过复杂的推导来去除水体表面反射光的影响，实际上就是纯粹的Lw，因此本实用新型的观测设备能够实现现有技术未能实现的直接测量Lw的目标，使得观测得到的Rrs比现有技术在精确度上获得了显著的提升。再进一步根据得到的姿态数据甄别出异常姿态的同步数据予以剔除，最终可以得到更高精度的水体遥感反射率Rrs。

本实用新型的设备中，光学探头和姿态传感器采集到的数据可以通过现有的多种无线传输方式传输到控制中心，比较合适的传输方式主要包括无线电数传和卫星通讯，例如，可以在母船上的控制中心设置信号收发器，同时在可漂浮支架上设置无线电天线，以此实现无线电数传。

本实用新型的表观光谱观测设备可以无限制地应用在全球范围的各种水域，尤其适用于海洋光学观测中。在海洋光学观测中，可以通过至少两种形式应用本实用新型的设备：一种形式是仅使用一套设备由母船在某个固定观测点反复投放和回收，在同一海域进行长期、多次观测；另一种形式是将大量相同的本实用新型设备在全球范围内的海域一次性投放，同时在多点进行1年以上的长期观测。

附图说明

图1是实施例1所述的漂浮设备的整体结构示意图。

图2是实施例2所述的水体表观光谱原位测量系统整体结构示意图。

图3和图4是实施例2所述的水体表观光谱原位测量系统中横梁搭载观测设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

实施例1

一种用于水体光学观测的四段式漂浮设备，如图1所示，它包括一个浮体环1，浮体环1 由相同的四段弧形浮体11拼接而成，浮体环1的内、外径比值为0.80～0.85；如图2所示，每段弧形浮体11包括中空部111和设在中空部两端的实心拼接板112构成；如图1所示，相邻弧形浮体间通过拼接板112连接，在浮体环1的圆周上形成四个等间隔的拼接部12；每个拼接部12开有垂直于环面的通孔；在浮体环1的底面，每个通孔处都固定安装有等规格的水密设备仓13；在浮体环1的上面，一组位置相对的拼接部12之间架设高出浮体环1表面的横梁14；浮体环1外侧面任意四个等分点位置分别设有收放环15。

实施例2

一种四段式水体表观光谱原位测量系统，包括实施例1所述的漂浮设备，及安装在所述漂浮设备上的观测设备；所述的观测设备包括辐照度探头、辐照度分光器、辐照度光谱采集板、辐亮度探头、辐亮度分光器、传导光纤、辐亮度探头遮光罩、主控电路板和电池。

如图3、4所示，横梁14两侧的浮体环拼接部12上，固定安装无线防水通讯天线23和 GPS防水天线24；横梁14中部水平固定安装一安装台20，第一筒形水密仪器仓21与第二筒形水密仪器仓22通过箍紧件安装在安装台20两侧且与安装台20垂直；第一筒形水密仪器仓 21顶部开有透明视窗211，仓内透明视窗211处安装辐照度探头，其余空间设置辐照度分光器、光谱采集板和控制电路；第二筒形水密仪器仓22底部开有透明视窗，仓内透明视窗处安装辐亮度探头，其余空间设置辐亮度分光器、姿态传感器和主控电路板，仓顶部向外伸出三个连接器222，分别用于连接电池、第一筒形水密仪器仓21内的辐照度探头和天线(即无线防水通讯天线23和GPS防水天线24)；第二筒形水密仪器仓22下端位置高于漂浮设备的吃水线，其高度差在5-6cm，以确保仓内的辐亮度探头既可以测得水平面处的辐亮度，又不至于没入水面以下；辐亮度探头遮光罩25呈两端开口的圆锥筒型，其窄口一端固定安装在第二筒形水密仪器仓22下方端头外围，阔口一端伸至浮体环1的上表面以下位置，其轴线与母线呈10-15°角，以最大程度地减少锥筒自身阴影带来的影响；电池分4组分别放置在4个水密设备仓13内；4组电池经导线及水密连接头级连，然后通过导线与第二筒形水密仪器仓22 内的主控电路板电连接，主控电路板进一步通过导线分别连接辐照度分光器及辐照度光谱采集板、辐亮度分光器；辐照度探头与辐照度分光器通过传导光纤连接，辐亮度探头与辐亮度分光器通过传导光纤连接。无线防水通讯天线23和第二筒形水密仪器仓22内的主控电路板上的无线通讯模块通过导线电连接；GPS防水天线24和第二筒形水密仪器仓22内的主控电路板上的GPS模块通过导线电连接；在第二筒形水密仪器仓22内还有姿态传感器与主控电路板通过导线电连接。

第一筒形水密仪器仓21和第二筒形水密仪器仓22内分别在透明视窗附近设置一组光学探头电动清洁装置；每一组光学探头电动清洁装置均包括舵机和刮擦件，舵机包括电路和电机；舵机分别固定安装在第一和第二筒形水密仪器仓的透明视窗附近内侧壁上，电路分别在第一和第二筒形水密仪器仓内通过导线连接的相应的控制电路；所述的电机连接转轴，所述的转轴一端在相应的透明视窗旁边突出仓外并套接所述的刮擦件；所述的条形刮擦件整体与所述透明视窗表面紧密接触，并可以在电机的带动下在所述透明视窗表面做往复转动。所述的舵机接收控制电路发出的控制信号，进而控制电机转动和刮擦件的往复运动。所述的光学探头电动清洁装置保障了舱外安装的双通道光学探头镜头的清洁，使其不受溅水、尘垢、生物附着等的影响。

本实施例的设备中，除光学探头外，其他所有组件内外表面均涂覆哑光黑色非极性涂层。