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便携式水体光学剖面测量系统C-OPS

来源:大发 | 时间:2018-11-03 人气:7701
  •   创立于1977年的美国生物球仪器公司(Biospherical Instruments Inc.,简称BSI)是一家以研发为导向、集设计与生产为一体的环境监测仪器公司。BSI在从南极到北极、从海洋到饮用水水库的环境监测中有着悠久的历史。

      30多年来,BSI的生产线聚焦于海洋、大气、水质和生物科学用的高品质光学仪器的设计与生产,是目前国际上光学仪器领域的领导者。BSI的产品包括陆地与海洋的全球紫外线(UV)监测系统、饮用水源地的水质监测系统、以及海洋科学和大气科学使用的多种UV和可见光波段的光学辐射仪。

      BSI的仪器从最简单的光合有效辐射(PAR)测量仪,到非常复杂的水体剖面辐射测量系统,以及各种单通道光强测量传感器,在世界范围内获得了广泛的认同。如NASA、NOAA、EPA、WHOI、MBARI、Sea-Bird、RBR、HOBI、McLane、Teledyne、WETLabs、YSI等等都是BSI的忠实用户。

      1988,受美国自然科学基金(National Science Foundation, NSF)委托,BSI开始安装“全球UV监测网络系统”,并一直由BSI维持全球UV监测网络的运转。直到2009年,这个监测网络才被拆分成两部分:一部分转到美国海洋与大气管理局(NOAA)名下,另一部分仍由BSI负责。

      2005年,BSI因为研发成功微型辐射计(Microradiometers)而获得NASA颁发的商业创新奖(SBIR)。

      2008年,BSI与NASA开始合作开发新的、现代化的辐射测量传感器以支持现有的和下一代的海洋水色卫星遥感任务。这套系统被称之为行星辐射能光学传感器Optical Sensors for Planetary Radiant Energy, OSPREy),主要用于获得海洋、天空、太阳和月亮的辐射测量数据,来满足对海洋水色卫星遥感的替代校准和算法证实的精度要求。(

      2009年,BSI与芝加哥大学共同承担了美国自然科学基金的“极地观测网络”项目,用于长期观测全球变化对极地环境特别是紫外线的影响。

      在海洋光学仪器领域,BSI的产品就是行业标准。这从大量的著名海洋仪器设备公司从BSI采购光学仪器和传感器并集成到其自己的产品上就可知道。下面这些代表性的海洋仪器设备公司都是BSI的忠实用户:

      其中国际上最著名的CTD生产商海鸟(Sea-Bird)公司就从BSI购买了几百套光学仪器和传感器,可以说海鸟CTD上的光量子传感器全部是BSI制造!

      C-OPS是一款用于研究海洋光学特性的辐射测量系统。它由两部个辐射计组成:其中一个测量水体上行辐亮度,另一个测量下行辐照度或上行辐照度。两部辐射计都有19个波段并被安装在可以自由下落的框架上。框架可以进行优化调节,使之在加较浅的近海岸水体中以较低的速率沉降,而在较深的开阔洋面以较高的速率沉降。可选的配件包括:测量水上入射辐照度的参比辐照度传感器;用于测量漫射的影带组件“BioShade”;提供坐标和时间的部件“BioGPS”。

      老的光学测量系统系统并不能很好地解决浅水中的光学复杂性,主要是由于较大的仪器体积,过于接近采样平台,或不能很好地控制仪器的沉降速率等。在新的C-OPS系统中,这些问题都不存在。

      ? 完美的系统集成使它可以和潜水设备以及水上设备一起工作来测量辐射参数(可应用于浑浊的近岸带水体和清澈的大洋水体)

      ? 快速的采样频率(15Hz),缓慢的自由下落,可调节的浮力,可人工布放,最深达300米的水下。

      这一新的C-OPS辐射剖面测量系统和它所有的附件的核心部件都是微型辐射计(Microradiometers)一种革命性的光电探测器集成的新方法。

      BSI开发了一种小型的、卓越的光电探测器,叫做“微型辐射计”。微型辐射计由一个带微处理器的过滤光电二极管,一个可控增益的前置放大器,一个24-bit的模数转换器和一个串口组成所有这些部件集成在一个只有一支钢笔大小的小电路板上。黄铜材质的外套管为内部元件提供保护,并阻隔外部电子噪音。

      虽然每一个微型辐射计都是一个单独工作的光电探测器,多个微型辐射计可以被组合在一起形成一个多波段辐射计。聚合器(左)把几组微型辐射计和辅助传感器集合在一起,它还控制输入微型辐射计或从微型辐射计输出的数据。聚合器同时控制电源调节和附加传感器如倾角、温度、输入电压和电流以及移动存储设置(如micro SD卡)。

      一个包含的19支微型辐射计的组合放置在耐压舱中,它可以作为单机的多通道海洋水色传感器,因其小巧的体形,一支手可以轻松拿起。

      C-OPS的浮力装置结合了空气填充的浮体和硬质泡沫浮体。随着仪器的下沉,增大的水压将气囊压扁,浮力降低,从而使沉降速率增大。表层水的沉降速率一般小于3 cm/s,10 m以下水深处的沉降速率将会超过30 cm/s。

      测量入射球形辐亮度的水上参比传感器。它的光学附件包括:用于测量漫射的影带组件“Bioshade”和提供坐标和时间的GPS组件“BioGPS”。

      由电池供电的甲板控制单元。这一“Microradiometer Master Controller”为Windows系统的笔记本电脑(厂家提供)供电并提供测量数据,当然,用户的其它电脑也可以使用。随机提供的还有BSI的用户软件。甲板单元还包含一个输出串口控制器,它允许水上参比传感器和水下传感器根据不同的电缆长度进行相应的调节,同时为它们提供最佳的电源供给。打开电源时甲板单元会显示传感器目录,这一特性在处理电缆和通讯连接的问题时非常有用。

      每一个微型辐射计都有自己完整的控制和数据采集系统:微处理器、24-bit数据转换器(ADC)、基准电压、温度传感器和前端静电计。静电计组合了三个增益级,以控制电流-电压的转换。多支微型辐射计,测量不同波段的辐射,被集成为一个微型辐射计组,或一个完整的仪器,然后由一个叫做聚合器的电子部件(aggregator)控制从每一个微型辐射计采集数据信号。所有的微型辐射计都被同步,以保证所有波段的数据在同一时刻测量。聚合器同时也包含一个电源调节电路和数据通讯界面,也可能还装备了一个内置的数据存储器(micro SD-1GB)来支持远程数据记录。

      ? 速度:ADC采样速率从4-125 Hz可调节,通常设为125 Hz,每个采样周期内进行平均

      的情况下,ADC分辨率是0.5 mA。饱和电流为160 mA。三级增益信号的范围为1.6 x 10

      ? 噪音:当ADC以125 Hz的频率采样,而内置微型辐射计对每25个样品进行平均的情况下,数据频率为5 Hz,此时,探测器的噪音为15-20 fA。

      ? 光学灵敏度:这一灵敏度取决于光谱范围和入射光学系统(辐亮度和辐照度)。它被表达为辐亮度(mW cm

      )。在5 Hz的数据频率条件下的噪音等值信号(Noise Equivalent Signals):

      注意:辐亮度传感器已经过水下使用的校准。还要注意的是辐亮度传感器可以直接指向太阳而不会饱和。

      ? 暗补偿:在为每一个增益水平校准时测量并设定暗补偿值。在野外补偿值也自动地测量并应用,以此来适应不同的温度。

      ? 光谱范围:250-1650 nm(1100-1650的光谱范围需要使用 InGaAs探测器)

      ? 尺寸:13个或19个不同波段的微型辐射计组成的系统安装在一个防护罩内,如下参数适用于19通道的传感器:

      ? 速度:一个单独的19波段的光学仪器可以在超过30 Hz的频率下工作。包括3个19波段辐射计的完整的系统的操作频率可以大于15Hz。

      ? 数据频率:使用RS232或RS485的条件下,光学仪器的通讯频率是115,200 baud;使用RS232的条件下,甲板单元的通讯频率为115,200 baud。

      ? 电源需求:19通道的光学仪器:7.5 V,90 mA。三个仪器的19通道系统:甲板单元需0.30 A的电流。

      ? 辐照度仪器的Cosine Error:天顶角小于60的情况下为3%;天顶角60-70的情况下为5%;天顶角70-80的情况下为10%

      ?自由下落速度:1 cm的深度分辨率,可调节的最终速度为6-35 cm/s,可手动调节倾角和翻滚。

      BioSHADE是一个使用在C-OPS水面参比传感器上的影带附件。这一附件可以进行180度的旋转,使它能够在航向不稳定的船只上使用。当在船只上使用时,影带进行平稳连续的扫描;当在陆地上操作时,可以将系统设定为将影带对着太阳直射而相应运动,以此来测量漫射辐照度。

      操作C-OPS的软件中也包含控制BioSHADE的命令,用户可在软件中开启或关闭影带功能,也可以设置运动的速率。在使用船舶进行走航式测量时,内置的pitch和roll传感器以及高的采样频率在消除船体运动带来的影响方面非常有用。

      BioSHADE可以和Bio GPS、一个或多个水面参比传感器一起集成在C-OPS网络中。这一整个集成都由一根电缆连接到远处(最远可达150m)的系统控制单元“deckbox”和电源。Deckbox会根据电缆长度自动地补偿,为系统提供最优的电源供给。

      BioGPS(右图最左边的白色圆筒)是一个固定在C-OPS水面参比传感器上配合使用的GPS信号接收器。GPS的数据将和C-OPS的数据结合在一起,方便用户无论在定点垂直剖面测量还是在船上走航测量时都能准确地记录测量点的位置。BioGPS可以和BioSHADE、一个或多个水面参比传感器一起集成在C-OPS网络中。

      这一整个集成都由一根电缆连接到远处(最远可达150m)的系统控制单元“deck box”和电源。Deck box会根据电缆长度自动地补偿,为系统提供最优的电源供给。

      C-HOIST起吊机是一种用于下放和回收仪器的装置,它通常挂在一个固定在船上的吊杆上来作业。

      BSI的国内用户主要有中国海洋大学、香港科技大学、中科院海洋研究所、中科院过程工程研究所、上海海洋大学、上海海事大学、华中农业大学、暨南大学、宁波环境监测站、中国城市规划设计研究院等等。

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