热带海洋学报 JOURNAL OF TROPICAL OCEANOGRAPHY
2010年 第29卷 第2期：1?6
http://jto.scsio.ac.cn; http://www.jto.ac.cn
收稿日期：2009-05-06; 修订日期：2009-11-08。孙淑杰编辑
基金项目：国家863计划重大项目(2006AA09A310); 中国科学院重要方向性项目及装备项目(KZCW2-YW-215) 作者简介：曹文熙(1963—), 男, 湖南省郴州市人, 研究员, 博士, 主要从事海洋光学研究。E-mail: wxcao@scsio.ac.cn
* 感谢中山大学詹杰民、苏炜、赵陶等同志协助完成了浮标模型的水池动力试验。南海北部开放航次为光学浮标的海上试验提供了条件, “实验3”号科学考察船船员在浮标的布放和回收中付出了辛勤的劳动, 赵俊、许占堂、周雯、王桂芬、梁少君等参加海上试验, 在此锚泊光学浮标浮体设计及近海试验*
曹文熙1, 杨跃忠1, 张敬祥1, 柯天存1, 卢桂新1, 李彩1, 郭超英1, 孙兆华1,2
(1. 中国科学院南海海洋研究所热带海洋环境动力学重点实验室, 广东 广州 510301; 2. 中国科学院研究生院, 北京 100039)
摘要: 文中设计的光学浮标采用了柱状浮体, 提出了自由旋转的马鞍链结构。理论计算结果表明, 该光学浮标一是初稳性高度大, 二是光学浮标重心位于浮心之下, 浮标的摇摆角较小, 抗倾斜及倾覆能力强。海上试验结果表 明, 对于风力7节、浪高3—4m 以下的海况, 浮标倾角≤5°的次数占总采样次数的 54%, 浮标倾角≤10°的次数占总采样次数的83%, 浮标性能较好地满足了水下光辐射测量的技术要求。为减小阴影效应带来的光辐射测量误差, 文中采用了两种解决方法: 一是伸臂结构解决浮标体阴影的影响, 当太阳天顶角为0°时, 在近岸或者清洁水体中浮标体阴影引起的向上辐亮度测量误差分别不大于4% 和1%; 二是光纤光谱仪测量技术减少仪器自阴影的影响, 设计的光谱辐照度和辐亮度光学探头直径均为0.042m, 当水体光束衰减系数为0.12m ?1, 太阳天顶角为10°时, 自阴影引起的向上辐亮度测量误差仅为1.5%。
关键词: 海洋光学; 光学浮标; 水色遥感; 定标与检验
中图分类号: P733.39 文献标识码: A 文章编号: 1009-5470(2010)02-0001-06
Design and test of moored optical buoy
CAO Wen-xi 1, YANG Yue-zhong 1, ZHANG Jing-xiang 1, KE Tian-cun 1, LU Gui-xin 1, LI Cai 1, GUO Chao-ying 1, SUN Zhao-hua 1,2
(1. LED , South China Sea Institute of Oceanology , Chinese Academy of Sciences , Guangzhou 510301, China ; 2. Graduate Univ. of Chinese Academy of Sciences , Beijing 100039, China )
Abstract: A spar body was considered and a free-rotated saddle was used in a moored optical buoy. Theoretical results indi-cated that the buoy’s high initial stability enables it to be stable. Due to the centre of gravity position being lower than the buoyant centre, the rolling angle of the buoy is small, as it would result in strong ability to resist tilting and capsizing. In situ experiment results indicated that 83% of the buoy’s tilt angles are ≤10° and 54% of the buoy’s tilt angles are ≤5° under the conditions of wind speed less than 7 knots and wave height less than 3?4m, therefore the buoy performance satisfies the tech-nical requirement for underwater light measurements. To minimize the shelf–shading effects on the light measurements, two solutions were found: First of all, stroked-out structures were used to avoid shelf-shading of buoy body, and when the solar zenith angle was 0°, the shelf-shading errors of upwelling radiance were lower than 4% and 1% for coastal and open oceans, respectively; Second, fiber spectrometer was used to avoid shelf-shading of sensors. The diameter of designed optical sensors for irradiance and radiance was 0.042m. When the beam attenuation coefficient was 0.12m ?1 and the solar zenith angle was 10°, the self-shading error was 1.5% for upwelling radiance.
Key words: ocean optics; optical buoy; ocean color remote sensing; calibration and validation
自1978年第一台试验性水色遥感器“海岸带水色扫描仪(CZCS)”成功发射后, 水色遥感已取得长足的进展, 并逐步成为海洋环境监测、渔业评估和科学研究的重要手段。目前, 海洋初级生产力、海
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洋生物地球化学循环、海洋环流与海-气交换等科学问题的研究都有赖于水色遥感的发展。水色遥感数据的利用率及产品精度受多方面因素(如数据质量、数据解译和反演水色要素的生物光学模型)的影响。经过大气校正后的离水辐亮度数据必须真实地反映海面离水辐亮度, 但由于受大气辐射、遥感器随时间的飘逸等因素的影响, 遥感数据可能并不准确, 因此需要对遥感器进行现场定标并对遥感数据进行真实性检验。定标与检验依赖于现场实测的海洋光学数据, 并且定标检验需涵盖遥感器的整个寿命期, 以确保遥感数据的质量满足应用要求, 水色要素反演模型的开发和产品数据的解译同样需要现场实测的海洋光学数据, 定标检验和算法开发成为水色遥感的重要课题[1?6]。
遥感数据的定标通常通过离水辐亮度来实现。离水辐亮度是遥感器获得的基本物理量, 依据该参量并结合生物光学模型可提取其他的相关信息。离水辐亮度通常由水下辐照度和辐亮度的剖面数据进行推导, 相应的光学测量可借助船舶、浮标或水面平台等观测平台来实现[7?13]。基于船基的水下光辐射测量的主要缺点是难以获得大量的与遥感数据同时相的高质量现场数据。光学浮标可以获取长时间序列的观测数据, 因此被认为是最适合用于遥感数据定标检验的现场数据获取平台[3,5,14]。一个最成功的例子是海洋光学浮标MOBY[5?6], MOBY由NOAA 和 NASA联合资助研制, 布放于夏威夷近海, 成为SeaWiFS和MODIS定标检验计划的核心设备。另外两个用于水色遥感定标的光学浮标是PlyMBODY [13]以及NASDA buoy[14]。最近, 用于MERIS定标检验的光学浮标 BOUSSOLE已投入应用[2?3]。
在海洋科学观测和近海海洋环境监测方面, 近十年来, 海洋光学浮标或以光学观测为主的综合浮标也得到了普遍应用。值得指出的是, BTM、LEO-15、HYCODE等计划目前都是SIMBIOS现场观测的一部分, 其光学浮标数据与MOBY浮标数据一起构成了SeaWiFS和MODIS数据真实性检验的强大现场数据网。
本文分析了水下光辐射测量对光学浮标平台的基本要求, 并提出了一种新的浮体设计方案。理论分析、水池模型试验和海上现场试验结果表明, 浮体具有良好的抗风浪性能, 在高海况下具有良好的稳性, 符合水色遥感数据定标检验现场光辐射测量的技术要求。1 设计的理论基础及总体方案
1.1主要观测量及传感器布局
光学浮标的一个重要目标是获取离水辐亮度, 为此需要同步测量向下光谱辐照度E d(λ)、向上光谱辐亮度L u(λ)以及海面入射光谱辐照度E s(λ), 其中E s(λ)用于监测入射到海面的光谱辐照度的变化。由实测的E s(λ)、E d(λ)和L u(λ)可以推导出离水辐亮度L w(λ)、归一化离水辐亮度L wn(λ)和遥感反射率R rs(λ)等物理量。在推导这些物理量时还需要一个重要光学参数, 即向下光谱辐照度漫射衰减系数K d(λ)和向上光谱辐亮度漫射衰减系数K L(λ)。为得到K d(λ)及K L(λ), 原则上需要同步测定两个不同深度的E d(λ)和L u(λ), 并根据指数衰减率进行计算。但是在实际问题中, 水面波纹的聚焦效应可引起水下光辐射场的涨落, 为便于在数据处理时尽可能地消除波纹聚焦效应的影响, 水下E d(λ)和L u(λ)的测量设置为3层。由于传感器所处的深度会随浮标体的升沉而变化, 因此应实时同步测定各层光学传感器所处的深度。
根据海洋光学理论, E d(λ)是水平面上的光谱辐照度, 而L u(λ)是天地点的光谱辐亮度, 因此, 要求辐照度及辐亮度探头处于铅直位置。根据水下光辐射传输理论, 考虑到水下光辐射场的角度分布, 倾角为10°时向上辐亮度测量的误差小于3%[15], 倾角为5°时向上辐亮度测量的误差小于2%。SeaWiFS 定标制定的海洋光学规范要求测量E d(λ)和L u(λ)时仪器的倾角小于10°, 这就要求浮标体尽可能保持铅直状态。
光学浮标需要考虑的另一重要问题是阴影效应对光辐射测量的影响。阴影包括浮标体的阴影和仪器自阴影。根据Gordon等[16]的理论研究, 仪器自阴影误差大小随仪器直径与水体光束衰减系数的乘积按指数率变化, 因此, 仪器直径越小越好。为减小自阴影误差, 采用了传光光纤, 辐照度和辐亮度光学探头的直径均为0.042m[17]。理论计算结果表明, 当水体光束衰减系数为0.12m?1、太阳天顶角为10°时, 自阴影引起的水下10m处向上辐亮度测量误差为1.5%, 具体计算方法见文献[18]。浮标体阴影与浮体结构、太阳高度角及方位角、水体光衰减系数等有关, 原则上要求浮标体遮光面积尽可能小。根据曹文熙等[19]的理论计算, 对称伸臂结构可以较好地解决阴影效应的影响, 因此, 在光学浮标的早期设计时我们采用了对称伸臂结构。最近的报道表明,
曹文熙等: 锚泊光学浮标浮体设计及近海试验 3
BOUSSOLE 浮标也采用了这种结构, 并把浮力球置于水下18m 深处, 在其上层建筑上安装光学仪器[3]。这一结构虽较好地解决了阴影的影响, 但使得浮标总长度达25m, 布放和维护难度都很大, 甚至需要借用直升机。在工程样机的设计时, 综合考虑阴影效应、布放维护等多方面因素, 最终采用了单侧伸臂结构, 如图1示。在海面及水下1.5、3.5及5.5m 处各安装向下辐照度及向上辐亮度探头, 经光纤传输至光谱仪狭缝, 实现分光谱测量。光谱仪及数据采集系统安装在浮标舱体内, 且位于标体吃水
线以下。
图1 光学浮标结构示意图
Fig. 1 Diagram of the moored optical buoy
Monte Carlo 模拟的结果表明, 对直径为2m 的浮体, 在水体光束衰减系数c =2.44m ?1、 单次反照率ω=0.87、太阳天顶角为0°的条件下, 浮标浮体阴影引起的水下5m 深度、水平方向距浮体中心线2.5m 处向上辐亮度阴影误差为4%; 当水体光束衰减系数c =0.114m ?1
时, 向上辐亮度阴影误差为1%。光束衰减系数为2.44m ?1和0.114m ?1水体可分别代
表近岸和外海水体, 对于水色遥感数据的定标检验, 一般要求在外海较清洁的水体(光学性质上归为Ⅰ类水体)进行, 因此, 浮体直径小于2m 时, 伸臂结构可以较好地解决阴影影响, 满足水下光辐射测量的要求。
1.2 浮标体设计及稳性计算
基于上述分析, 光学浮标要求浮标体遮光面积小、随波浪摇摆及升沉小且重心低, 为此, 选择柱状浮标。浮标体设置安装传感器的伸臂杆架, 以减小浮体阴影的影响, 如图1示。
光辐射测量要求浮标摇摆角小, 尽可能保持铅直状态。在早期的设计中, 借鉴了MOBY 的投放方式, 即采用子、母浮标方案, 该方案的缺点是布放和回收难度大。通过研究, 最后采用了马鞍形转臂结构, 如图1示, 即在水下长杆架的适当位置安装可旋转的转臂, 锚链挂于转臂底端而不是直接挂于长杆底端, 同时在水下长杆架下端设有4个阻尼叶片以平衡浮体海流作用。在海流作用下, 转轴以上部分与转轴以下部分产生方向相反的转动力矩, 抵消或减少浮标倾斜力矩。该设计的效果将在本文后面的试验结果中给出, 本节主要对浮标的静稳性进行理论分析。
浮标作小倾角倾斜时初稳性回复力矩由下式 计算:
sin M Dh θ= (1)
其中D 为排水量, h 为稳性高度。浮标作大倾角倾斜时的静稳性力臂l 、动稳性力臂l d 由下式计算:
120
cos cos d sin sin d ()I I V V l V
θθ
??θ??θ??η
+??=
?∫∫
sin a θ
(2)
d 0
d l l θ
θ=∫ (3)
式(2)中前项是浮标形状稳性臂, 后项是重量稳 性臂。式中θ是计算静矩积分式的上限角, ?是倾 角变量, I ?是吃水线面面积对转轴的惯性矩, 即:
/233/2
(1/3)()d l l I a b x ?+?=+∫
。
计算得出浮标的静稳性曲线和动稳性曲线如图
2示。由稳性曲线可初步得出以下特点: 浮标的静稳性消失角为180°(我国《海船稳性规范》(以下简称
“规范”)无限航区要求大于55°); 浮标最大静稳性力臂所对应的倾角为92°(规范要求大于30°); 浮标最大静稳性力臂为1.33m(规范要求大于0.2m)。
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图2 光学浮标稳性曲线
Fig. 2 Stability curve of the moored optical buoy
进一步计算了浮标的抗风稳性衡准数。根据有关理论, 抗风稳性衡准数为浮标最小倾覆力臂与风压动倾力臂的比值, 即
q f
L K L = (4)
其中, L f 、L q 分别为浮标风压动倾力臂与最小倾覆力臂。从稳性曲线作图得知, 浮标的最小倾覆力臂
L q =0.46m 。浮标的风压动倾力臂可由下式计算:
f
f M L D
=
, 且f 0.001M P A E =×× (5) 式中, M f 为风压动倾力矩, P 为风压强度, A 为受风投
影面积, E 为风力作用力臂。当风速为42m·s ?1时, 计算得出: M f =229.31Nm, L f =0.1636m 。故抗风稳性衡准数4.5。
同样的方法计算得出其他风速条件下抗风稳性衡准数(表1)。按规范要求, 抗风稳性衡准数必须满足K >1。由上述初步估算, 浮标理论上可抗风速为
70m·s ?1
。
表1 抗风稳性衡准数
Tab. 1 Wind-resistant stability criterion
风速/m·s ?1
风压动倾
力矩/Nm
风压动倾力臂/m
最小倾覆力臂/m
抗风稳性衡准数
33 1416.2 0.1011 0.46 4.55 42 1763.9 0.1258 0.46 2.81 60 4680.9 0.3344 0.46 1.37 70 6371.3 0.4551 0.46 1.01
2 试验结果分析
2.1 水池试验结果
根据几何相似及动力相似原则, 制作了12.5:1的缩比浮标模型。利用该模型在海洋工程水池中进行了模拟试验。试验时将浮标体模型置于船模试验水池, 在池中造一系列不同波长的规则波, 用装于
浮标体模型内部的电子罗盘测出浮标体在每一规则波上的摇摆角?, 根据相应的浪高、
浪周期计算出波倾角α0以及相应于这一波浪周期的横摇放大因子
?/α0, 最后对不同的波浪频率绘成放大因子?/α0曲线, 即?/α0随圆频率ω变化的频率响应曲线。然后将浮标体模型由水池拖车以不同的速度牵引, 做静水拖曳试验, 测出在不同流速下模型的阻力大小及倾角, 计算得出模型的航速阻力曲线、航速倾角曲线。实验中, 浮标体摇摆角用TCM2.5型电子倾角仪测量, 波浪由2000型波高采集系统电容式波高计测量, 浮标所受水流阻力由电测阻力仪测量, 数据由电脑记录并分析处理。
图3给出了水池试验测得的浮标倾角随流速的 变化曲线以及浮标横摇放大因子?/α0随波频率变化
曲线。在没有马鞍结构的情况下的浮标倾角明显大于有马鞍结构时的浮标倾角, 当流速为 3.5 节时, 前者的倾角达20°, 但后者的倾角大约只有10°, 即马鞍结构明显改善浮标抗海流倾斜的性能。同样地, 有马鞍结构时, 浮标横摇放大因子?/α0也较小, 即浮标的随波横荡较小、稳定性较好。
2.2 现场试验结果
2006年9月、2007年8月分别在珠江口进行了
21天和16天的连续观测试验, 浮标布放于担杆岛附近(114.2891°E, 22.0623°N)。2006年试验期间, 最大风速为15.58m·s ?1(由安装在浮标上的风速仪实测)。对倾角数据的分析表明, x 方向倾角平均值8.5°, 倾角小于10°的次数占68.5%, 倾角小于5°的次数占
42.3%; y 方向倾角平均值7.3°, 倾角小于10°的次数占74.2%, 倾角小于5°的次数占44.7%。
结果进一步验证了采用马鞍结构时浮标良好的
稳性。海上试验共获得约9000组倾角数据, 图4a 给出了实测倾角的散点图, 无论是倾角的x 方向还是y 方向分量, 大部分落在10°以内。试验期间, 实测的风速最大达到15.58m·s ?1, 相当于7节风力, 目视浪高达3—4m, 在这样的气象环境下, 浮标仍然可以保持较好的铅直状态, 其倾角大部分落在10°以内。图4b 给出了现场试验时不同倾角的频率分布。统计结果表明, 浮标倾角≤5°的次数占总次数的 54%, 浮标倾角≤10°的次数占总次数的83%。由于浮标体的倾角与光辐射量同步测量, 在实际数据处理中可视浮标倾角大于10°的数据为无效数据, 确保由倾角引起的测量误差控制在3%之内。因每次测量大约可采集25帧数据, 一般来说, 剔出倾角大于10°的数据后还有约20帧有效数据。
曹文熙等: 锚泊光学浮标浮体设计及近海试验 5
图3 浮标模型水池试验结果
a. 浮标倾角随流速的变化曲线, 图中○虚线为未采用马鞍结构的结果, ●实线为采用马鞍结构的结果;
b. 1.5节航速时浮标横摇放大因子?/α0
频率响应曲线, 图中○虚线为采用马鞍结构顺流拖航的结果, ●实线为采用马鞍结构逆流拖航的结果
Fig. 3 Experiment results of testing the optical buoy model in the pool. (a) Curves of optical buoy’s tilt angle versus flow
velocity, the dotted line with open circles is for the buoy without using a saddle structure, while the solid line with filled dots
is for that using a saddle structure. (b)Frequency response curve of the buoy’s r olling amplification factor ?/α0 at 1.5-knot
speed; the dotted line with open circles is in the case that the buoy with a saddle structure is towed in the direction of water
flow, while the solid line with filled dots is in the case of being towed in the reverse direction
图4 现场布放实测浮标倾角分布及频次直方图
a. 倾角x方向和y方向分量的分布散点图, 黑色点代表倾角x轴方向分量, 灰色点代表倾角y轴方向分量;
b. 倾角的频次直方图
Fig. 4 Variation in optical buoy’s tilt angles measured in situ. (a) The scatter plot of the tilt at x axis direction and tilt in y
axis direction; the black dots represent the tilt in x axis direction, and gray dots represent the tilt in y axis direction. (b) The
frequency histogram of tilt
最近的报道表明[3], BOUSSOLE浮标海上布放期间, 约85%的倾角小于10°, 可见本文设计的光学浮标在浮标铅直姿态特性与BOUSSOLE相当。
3 结论
本文设计的光学浮标采用了柱状浮体, 提出了自由旋转的马鞍链结构。理论计算结果表明, 与传统碟形浮标相比, 本文设计的光学浮标有2个明显的特点: 一是初稳性高度(稳心与重心之间的距离称为初稳性高度)大, 能自行恢复到原平衡位置的能力也大; 二是光学浮标重心位于浮心之下(传统的碟形浮标浮心位于重心之下), 由横摇放大因子频率响应曲线可以看到, 光学浮标的摇摆角较小, 抗倾斜及倾覆能力强。海上试验结果表明, 对于风力7节、浪高3—4m以下的海况, 浮标倾角≤5°的次数占总采样次数的 54%, 浮标倾角≤10°的次数占总采样次数的83%。浮标性能较好地满足水下光辐射测量的技术要求。
为减小阴影效应带来的光辐射测量误差, 设计的浮标采取了两方面的有效措施。一是采用了伸臂结构, 在太阳天顶角为0°的条件下, 对于近岸水体(c=2.44m?1), 浮标体阴影引起的向上辐亮度测量误差不大于4%, 对于海外清洁水体(c=0.114m?1), 浮标体阴影引起的向上辐亮度测量误差不大于1%,
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较好地解决浮标体阴影的影响。二是采用光纤光谱仪测量技术, 设计了小型化的光辐射接收器, 设计的光谱辐照度和辐亮度光学探头直径均为0.042m, 当水体光束衰减系数为0.12m?1、太阳天顶角为10°时, 自阴影引起的向上辐亮度测量误差为1.5%, 有效减小了仪器自阴影误差。
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