水體光學(xué)剖面測(cè)量系統(tǒng)——C-OPS

C-OPS:便攜式光學(xué)剖面測(cè)量系統(tǒng)
 

C-OPS是什么？

      

C-OPS是一款用于研究海洋光學(xué)特性的輻射測(cè)量系統(tǒng)。它由兩部個(gè)輻射計(jì)組成：其中一個(gè)測(cè)量水體上行輻亮度，另一個(gè)測(cè)量下行輻照度或上行輻照度。兩部輻射計(jì)都有19個(gè)波段并被安裝在可以自由下落的框架上。框架可以進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，使之在加較淺的近海岸水體中以較低的速率沉降，而在較深的開闊洋面以較高的速率沉降。可選的配件包括：測(cè)量水上入射輻照度的參比輻照度傳感器；BioShade，用于測(cè)量漫射的影帶組件；BioGPS，提供坐標(biāo)和時(shí)間的部件。

為什么選擇C-OPS？

老的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)系統(tǒng)并不能很好地解決淺水中的光學(xué)復(fù)雜性，主要是由于較大的儀器體積，過于接近采樣平臺(tái)，或不能很好地控制儀器的沉降速率等。在新的C-OPS系統(tǒng)中，這些問題都不存在。

C-OPS的不同之處？

• 是淺水中海洋水色研究、衛(wèi)星校準(zhǔn)和確認(rèn)的理想儀器
• 在垂直深度剖面上測(cè)量水體的輻亮度和輻照度
• 快速的采樣頻率（15Hz），緩慢的自由下落，可調(diào)節(jié)的浮力，可人工布放，最深達(dá)300米的水下。
• 和NASA一起設(shè)計(jì)研發(fā)
• 基于Biospherical公司*的微型輻射計(jì)技術(shù)制造

C-OPS非常輕便，可以使用人工來(lái)布放。此外，自由下落的系統(tǒng)阻止了船體陰影帶來(lái)的任何的影響。的系統(tǒng)集成使它可以和潛水設(shè)備以及水上設(shè)備一起工作來(lái)測(cè)量輻射參數(shù)（可應(yīng)用于渾濁的近岸帶水體和清澈的大洋水體）

微型輻射計(jì)

這一新的C-OPS輻射剖面測(cè)量系統(tǒng)和它所有的附件的核心部件都是微型輻射計(jì)——一種革命性的光電探測(cè)器集成的新方法。

      

美國(guó)Biospherical儀器研發(fā)集團(tuán)開發(fā)了一種小型的、的光電探測(cè)器，叫做“微型輻射計(jì)”。微型輻射計(jì)由一帶微處理器的過濾光電二極管，一個(gè)可控增益的前置放大器，一個(gè)24-bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串口——所有這些部件集成在一個(gè)只有一支鋼筆大小的小電路板上。黃銅材質(zhì)的外套管為內(nèi)部元件提供保護(hù)，并阻隔外部電子噪音。
 

雖然每一個(gè)微型輻射計(jì)都是一個(gè)單獨(dú)工作的光電探測(cè)器，多個(gè)微型輻射計(jì)可以被組合在一起形成一個(gè)多波段輻射計(jì)。聚合器（左）把幾組微型輻射計(jì)和輔助傳感器集合在一起，它還控制輸入微型輻射計(jì)或從微型輻射計(jì)輸出的數(shù)據(jù)。聚合器同時(shí)控制電源調(diào)節(jié)和附加傳感器如傾角、溫度、輸入電壓和電流以及移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)置（如micro SD卡）。

一個(gè)包含的19支微型輻射計(jì)的組合放置在耐壓艙中，它可以作為單機(jī)的多通道海洋水色傳感器，因其小巧的體形，一支手可以輕松拿起。
 

C-OPS的浮力裝置結(jié)合了空氣填充的浮體和硬質(zhì)泡沫浮體。隨著儀器的下沉，增大的水壓將氣囊壓扁，浮力降低，從而使沉降速率增大。大水表面的沉降速率一般小于3cm/s，10m以下水深處的沉降速率將會(huì)超過30cm/s。

測(cè)量入射球形輻亮度的水上參比傳感器。它的光學(xué)附件包括：用于測(cè)量漫射的影帶組件（Bioshade）；提供坐標(biāo)和時(shí)間的GPS組件（BioGPS）。

由電池供電的甲板控制單元。這一“Microradiometer Master Controller”為Windows系統(tǒng)的筆記本電腦（廠家提供）供電并提供測(cè)量數(shù)據(jù)，當(dāng)然，用戶的其它電腦也可以使用。隨機(jī)提供的還有Biospherical的用戶軟件。甲板單元還包含一個(gè)輸出串口控制器，它允許水上參比傳感器和水下傳感器根據(jù)不同的電纜長(zhǎng)度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，同時(shí)為它們提供的電源供給。打開電源時(shí)甲板單元會(huì)顯示傳感器目錄，這一特性在處理電纜和通訊連接的問題時(shí)非常有用。

C-OPS所使用的微型輻射計(jì)的介紹

       每一個(gè)微型輻射計(jì)都有自己完整的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：微處理器、24-bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、基準(zhǔn)電壓、溫度傳感器和前端靜電計(jì)。靜電計(jì)組合了三個(gè)增益級(jí)，以控制電流-電壓的轉(zhuǎn)換。多支微型輻射計(jì)，測(cè)量不同波段的輻射，被集成為一個(gè)微型輻射計(jì)組，或一個(gè)完整的儀器，然后由一個(gè)叫做聚合器的電子部件（aggregator）控制從每一個(gè)微型輻射計(jì)采集數(shù)據(jù)信號(hào)。所有的微型輻射計(jì)都被同步，以保證所有波段的數(shù)據(jù)在同一時(shí)刻測(cè)量。聚合器同時(shí)也包含一個(gè)電源調(diào)節(jié)電路和數(shù)據(jù)通訊界面，也可能還裝備了一個(gè)內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（micro SD-1GB）來(lái)支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄。

技術(shù)參數(shù)

微型輻射計(jì)參數(shù)

• 探測(cè)器：Si (13 mm²)，InGaAs (7 mm²)，或GaAsP (7 mm²)
• 光電流—電壓轉(zhuǎn)換：三個(gè)增益級(jí)的靜電計(jì)放大器：1，200和40,000
• 模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）：24-bit雙極，4-125Hz數(shù)據(jù)頻率
• 動(dòng)態(tài)范圍（可用）：9個(gè)十進(jìn)制數(shù)量級(jí)
• 線性：使用一個(gè)可調(diào)節(jié)的光源，在信號(hào)電流范圍為1 x 10^-12 - 1 x ^10-5 的條件下，對(duì)所有的微型輻射計(jì)進(jìn)行測(cè)量。通常地，與一個(gè)參比靜電計(jì)對(duì)，誤差<1%
• 速度：ADC采樣速率從4-125Hz可調(diào)節(jié)，通常設(shè)為125Hz，每個(gè)采樣周期內(nèi)進(jìn)行平均
• 響應(yīng)時(shí)間：小于0.01s，增益變化所需時(shí)間小于0.1s
• 電子靈敏度：在電流分辨率<10^-15的情況下，ADC分辨率是0.5μA。飽和電流為160μA。三級(jí)增益信號(hào)的范圍為1.6 x 10¹¹，定義為除以最小可分辨信號(hào)的飽和信號(hào)。
• 噪音：當(dāng)ADC以125Hz的頻率采樣，而內(nèi)置微型輻射計(jì)對(duì)每25個(gè)樣品進(jìn)行平均的情況下，數(shù)據(jù)頻率為5Hz，此時(shí)，探測(cè)器的噪音為15-20fA。
• 光學(xué)靈敏度：這一靈敏度取決于光譜范圍和入射光學(xué)系統(tǒng)（輻亮度和輻照度）。它被表達(dá)為輻亮度（μW cm^-2 nm^-1 sr^-1）和輻照度（μW cm^-2 nm^-1）在5Hz的數(shù)據(jù)頻率條件下的噪音等值信號(hào)（Noise Equivalent Signals）：

通道	輻亮度（Radiance）	輻照度（Irradiance）
320nm	2.9x10-6	9.0x10-5
395nm	5.0x10-6	6.9x10-5
490nm	1.8x10-6	2.3x10-5
683nm	9.9x10-7	1.1x10-5
780nm	6.8x10-7	8.0x10-6

注意：輻亮度傳感器已經(jīng)過水下使用的校準(zhǔn)。還要注意的是輻亮度傳感器可以直接指向太陽(yáng)而不會(huì)飽和。

• 暗補(bǔ)償：在為每一個(gè)增益水平校準(zhǔn)時(shí)測(cè)量并設(shè)定暗補(bǔ)償值。在野外補(bǔ)償值也自動(dòng)地測(cè)量并應(yīng)用，以此來(lái)適應(yīng)不同的溫度。
• 微型輻射計(jì)電源：5 V DC，4mA
• 光學(xué)過濾器：10nm全寬
• 光譜范圍：250-1650nm（1100-1650的光譜范圍需要使用InGaAs探測(cè)器）

C-OPS系統(tǒng)參數(shù)

• 尺寸：13波段或19波段個(gè)微型輻射計(jì)組成的系統(tǒng)安裝在一個(gè)防護(hù)罩內(nèi)，如下參數(shù)適用于19通道的傳感器：
• 直徑：2.75 inches（約7cm）
• 應(yīng)用水深：標(biāo)準(zhǔn)型125m水深，還有300m水深的版本可供選擇
• 波長(zhǎng)選擇：波長(zhǎng)可以從250-1650nm之間選擇
• 速度：一個(gè)單獨(dú)的19波段的光學(xué)儀器可以在超過30Hz的頻率下工作。包括3個(gè)19波段輻射計(jì)的完整的系統(tǒng)的操作頻率可以大于15Hz。
• 數(shù)據(jù)頻率：使用RS232或RS485的條件下，光學(xué)儀器的通訊頻率是115,200 baud；使用RS232的條件下，甲板單元的通訊頻率為115,200 baud。
• 電源需求：19通道的光學(xué)儀器：7.5V，90mA。三個(gè)儀器的19通道系統(tǒng)：甲板單元需0.30A的電流。
• 輻亮度儀器的視野：在水中，7°半角
• 輻照度儀器的Cosine Error：天頂角小于60°的情況下為±3%；天頂角60-70°的情況下為±5%；天頂角70-80°的情況下為±10%
• 自由下落速度：<1cm的深度分辨率，可調(diào)節(jié)的最終速度為6-35cm/s，可手動(dòng)調(diào)節(jié)傾角和翻滾。
• 輔助傳感器：水溫、水壓、傾角和翻滾
• 可選配件：
• BioShade：用于測(cè)量漫射的影帶配件，測(cè)量水上輻照度的參比傳感器
• BioGPS：GPS配件
• 用戶自定義長(zhǎng)度的電纜，電纜卷軸

附件介紹

BioSHADE

BioSHADE是一個(gè)使用在C-OPS水面參比傳感器上的影帶附件。這一附件可以進(jìn)行180度的旋轉(zhuǎn)，使它能夠在航向不穩(wěn)定的船只上使用。當(dāng)在船只上使用時(shí)，影帶進(jìn)行平穩(wěn)連續(xù)的掃描；當(dāng)在陸地上操作時(shí)，可以將系統(tǒng)設(shè)定為將影帶對(duì)著太陽(yáng)直射而相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，以此來(lái)測(cè)量漫射輻照度。
操作C-OPS的軟件中也包含控制BioSHADE的命令，用戶可在軟件中開啟或關(guān)閉影帶功能，也可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)的速率。在使用船舶進(jìn)行走航式測(cè)量時(shí)，內(nèi)置的pitch和roll傳感器以及高的采樣頻率在消除船體運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的影響方面非常有用。

BioSHADE可以和Bio GPS、一個(gè)或多個(gè)水面參比傳感器一起集成在C-OPS網(wǎng)絡(luò)中。這一整個(gè)集成都由一根電纜連接到遠(yuǎn)處（最遠(yuǎn)可達(dá)150m）的系統(tǒng)控制單元“deckbox”和電源。Deckbox會(huì)根據(jù)電纜長(zhǎng)度自動(dòng)地補(bǔ)償，為系統(tǒng)提供的電源供給。

BioGPS

BioGPS是一個(gè)固定在C-OPS水面參比傳感器上配合使用的GPS信號(hào)接收器。GPS的數(shù)據(jù)將和C-OPS的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，方便用戶無(wú)論在定點(diǎn)垂直剖面測(cè)量還是在船上走航測(cè)量時(shí)都能準(zhǔn)確地記錄測(cè)量點(diǎn)的位置。Bio GPS可以和BioSHADE、一個(gè)或多個(gè)水面參比傳感器一起集成在C-OPS網(wǎng)絡(luò)中。
       這一整個(gè)集成都由一根電纜連接到遠(yuǎn)處（最遠(yuǎn)可達(dá)150m）的系統(tǒng)控制單元“deck box”和電源。Deck box會(huì)根據(jù)電纜長(zhǎng)度自動(dòng)地補(bǔ)償，為系統(tǒng)提供的電源供給。 

C-HOIST從船上布放儀器

C-HOIST起吊機(jī)是一種用于下放和回收儀器的裝置，它通常掛在一個(gè)固定在船上的吊桿上來(lái)作業(yè)。

C-HOIST裝配有一個(gè)不銹鋼的滑輪和一個(gè)2.1馬力、12V直流電驅(qū)動(dòng)的電機(jī)頭。它的總承載力為300磅（約136kg）。這一裝置通常使用90Ah的鉛酸電池驅(qū)動(dòng)，正常的情況下一次充電可以完成25次（每次約6分鐘）的操作。適用繩索的直徑為5-20mm，沒有長(zhǎng)度的限制。
C-HOIST將和一個(gè)控制單元（deck box）一起工作，允許用戶在不同的布放中使用不能的下放速度。電動(dòng)馬達(dá)還有剎車功能，用戶可以讓滑輪在任何需要的時(shí)候靜止。

T-MAST

       T-MAST伸縮支架，用于水面參比傳感器系統(tǒng)。伸縮長(zhǎng)度從1.12m到3m。這一系統(tǒng)由美國(guó)航天航空管理局（NASA）研發(fā)，借助它用戶可以將輻射計(jì)升高到船舶的高層構(gòu)架之上，從而消除船體陰影和反射的影響。

T-MAST的折疊狀態(tài)

T-MAST的展開狀態(tài)