第五章海洋光学浮标
1.前言
目前建设海洋强国已经是我国的一项基本国策,我国海洋监测高新技术发展的总体目标:
一是提高台风风暴潮和巨浪等海洋灾害的预报和警报能力,最大限度地减少由灾害造成的人民生命财产的损失;
二是提高对海洋生态环境污染和生态环境的监测能力,保护海洋健康;
三是提高海洋资源开发的环境保障能力,支持沿海和海洋经济发展及科技兴海战略;
四是提高国家海上安全防务的海洋监测和环境保障能力,加强国防建设;
五是提高对海洋环境的立体监测和时序数据获取能力,推进中国近海海洋科学的发展。
这五个方面是相互关联的,而当前最主要的是预警海洋灾害和保护海洋健康,即监测技术,其载体就是海洋仪器。
现代海洋监测技术总体上向高技术、高集成度、高时效、多平台、长时间序列、数字化方向发展。
典型海洋监测仪器：
遥感卫星
大面积、同步、近实时、全天候、全天时的对海观测,3 个月飞行获得的数据绘制的全球海面温度场相当于用传统的测温方法花50 年时间才能取得的效果。
机载海洋激光雷达
是一种主动式传感器，灵活性和抗干扰能力较强；
与船载仪器相比，由于飞机能够快速地飞过较长的海水带，因而它能够对探测海域进行大面积的测量；
由于飞机飞行的速度较快，因而它测量海域的结果在时间上变化小，能够真实地反映出临近海域的状况，不易受到较迅速变化的气候条件的影响；
飞行高度一般在几百米左右，因而在有云的天气条件下仍然能够进行测量，而这是星载传感器所不具备的；对于具有较高发射重复频率的激光雷达，其探测海面的水平分辨率远大于星载传感器；时间分辨激光雷达能够实现对海洋剖面信息的探测
船载仪器：
调查船载荷量和机舱空间较大，其携带的仪器设备较多，可对海洋进行全方位的相互印证探测。
海洋浮标
资料浮标的出现实现了长期、定点、连续、多参数的现场实时自动观测,这是调查船不可能做到的;
漂流浮标的出现,实现了大尺度的连续观测,尤其是可以在人或船舶、飞机都不可能到达的海域进行环境参数的观测;
声学多普勒海流剖面测量技术(ADCP) 的出现,把单点测流变为测剖面流,一次可测128 层,且最大剖面深度已达1200m。
全球海洋观测系统
全球海洋观测系统(GOOS)是海洋高技术的大规模集成。
包括海洋遥感遥测、自动观测、水声探测和探查技术，以及卫星、飞机、船舶、潜器、浮标、岸站等制造技术，相互连接形成立体、实时的海洋环境观测及监测系统。
以下4个国际机构发起并组织实施：政府间海洋学委员会(IOC)、世界气象组织、国际科学联合会理事会和联合国环境规划署。GOOS项目办公室设在巴黎IOC总部。
5.1 海洋光学浮标
1、海洋浮标
海洋浮标是一种现代化的海洋观测设施。它具有全天候、全天时稳定可靠的收集海洋环境资料的能力，并能实现数据的自动采集、自动标示和自动发送。海洋浮标与卫星、飞机、调查船、潜水器及声波探测设备一起，组成了探测海洋奥秘的主体监测系统。海洋浮标技术是在传统技术的基础上发展起来的海洋监测新技术。
海洋浮标，一般分为水上和水下两部分。
水上部分装有多种气象要素传感器，分别测量辐照度、风速、风向、气温、气压和温度等气象要素；
水下部分有多种水文要素传感器，分别测量波浪、海流、潮位、海温和盐度等海洋水文要素。
各种传感器将采集到的信号，通过仪器自动处理，由发射机定时发出。地面接收站将收到的信号经过处理后，就得到了人们所需要的资料。通过对这些资料的掌握，会给人们的生产和生活带来极大的便利。如知道了海流流向，航海时便尽可能顺流而行；知道了风暴区域，航海时则可避开绕行；知道了潮位的异常升高，便可及时防备突发事件。
海洋浮标，一般分为水上和水下两部分。
水上部分装有多种气象要素传感器，分别测量辐照度、风速、风向、气温、气压和温度等气象要素；
水下部分有多种水文要素传感器，分别测量波浪、海流、潮位、海温和盐度等海洋水文要素。
各种传感器将采集到的信号，通过仪器自动处理，由发射机定时发出。地面接收站将收到的信号经过处理后，就得到了人们所需要的资料。通过对这些资料的掌握，会给人们的生产和生活带来极大的便利。如知道了海流流向，航海时便尽可能顺流而行；知道了风暴区域，航海时则可避开绕行；知道了潮位的异常升高，便可及时防备突发事件。
海洋浮标，一般分为水上和水下两部分。
水上部分装有多种气象要素传感器，分别测量辐照度、风速、风向、气温、气压和温度等气象要素；
水下部分有多种水文要素传感器，分别测量波浪、海流、潮位、海温和盐度等海洋水文要素。
各种传感器将采集到的信号，通过仪器自动处理，由发射机定时发出。地面接收站将收到的信号经过处理后，就得到了人们所需要的资料。通过对这些资料的掌握，会给人们的生产和生活带来极大的便利。如知道了海流流向，航海时便尽可能顺流而行；知道了风暴区域，航海时则可避开绕行；知道了潮位的异常升高，便可及时防备突发事件。
海洋浮标的种类比较多，有锚定类型浮标和漂流类型浮标。其中前者包括气象资料浮标、海水水质监测浮标、波浪浮标等；后者有表面漂流浮标、中性浮标、各种小型漂流器等。
漂流浮标分为两类：
一类称为表层漂流浮标，浮体位于海面，测量的是浮体下面悬挂的水帆所处深度的海流；
另一类称为次表层漂流浮标，浮体位于水下1000~Z000m 之间某一深度(在该深度上浮体所受的浮力呈中性，故又称中性浮标)，测量的是该深度的海流。
表层漂流浮标历史悠久，但一直到1978年Argos卫星定位和数据收集系统建立之后才获得迅速发展。90年代表层漂流浮标在技术上有两个明显的发展：
(1)过去表层漂流浮标主要用于大洋，不予回收，随着全球定位系统(GPS)的建立，精确定位成为可能，开始出现了一批可供或专供近海使用的表层漂流浮标，并且可以回收(否回收则取决于浮标购置费与船时人工费的权衡比较)；
(2)过去表层漂流浮标测量的参数有限，现在增多了，几乎与常规的锚泊资料浮标相差无几。
锚泊浮标
锚泊浮标的研制始于第二次世界大战以后，到70年代后期、8O年代前期趋于成熟。最近十几年来，锚泊浮标的发展在微观方面主要是随着科学技术的进步不断地更新自身的传感器、数据采集器、通讯手段、电源、浮体和锚系，在宏观方面则有两个引人瞩目的动向
(1)从以海洋气象、水文测量为主扩展至水质监测，出现了一系列的气象／水文／水质并重的或专事水质监测的锚泊浮标。
(2)锚泊浮标测量系统和潜标测量系统合二为一，形成绷紧式锚泊浮标测量系统，即在浮标上进行海面气象水文测量，在绷紧式锚索上悬挂一系列仪器测量各个水层的温度、盐度、海流和某些生物化学参数，水下测量数据利用单芯电缆感应耦合传至浮标，与浮标本身测得的数据一起通过卫星传送给陆地接收站。海岸浮标是一种比较常用的锚定浮标，适合于短期科学实验及环境监控计算，也适全于某些海底的测量工作。浮标的底部如钟摆式长臂，固定于附加装置上。海岸浮标能将测得的数据传给卫星，再由卫星将信号传送到地面接收站和海洋环境监测网。
锚泊海洋资料浮标有大型圆盘浮标，主要用于恶劣条件下的海洋科学试验；
中型浮标主要用于几百米水深的海域；
小型圆盘型浮标，主要用于近海或湖泊及河口的监测。
这些资料浮标系统普遍采用了高可靠性的低功耗微处理机作为数据采集控制的核心，应用卫星传输测量数据。其特点主要表现在：能够增加传感器，扩大浮标的功能；采用先进的数据采集和通讯系统；浮标采用钢、铝、泡沫塑料或玻璃钢混合结构，重量轻、布放回收方便；均采用太阳能电池和蓄电池组合供电；关键部件采取备份，提高浮标的可靠等级。
2、海洋光学浮标
海洋光学浮标技术是20 世纪80 年代中期以后发展起来的一门新技术, 可用于连续观测海面、海水表层、真光层乃至海底的光学特性, 在水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验、海洋科学观测、近海海洋环境监测和海洋军事科学方面有着重要的应用价值。
美国于1987 年在马尾藻海区应用深水锚定系统获取了时间系列的海水光学参数。
20 世纪90 年代后期, 第一台海洋光学浮标(MOBY) 在美国诞生,并用于SeaWiFS 和MODIS 的现场辐射定标数据真实性检验。
为配合OCTS 的发射和应用, 日本也独立发展了自己的海洋光学浮标技术( YBOM) 。近年来, 英国、法国先后开展了光学浮标PlyMBODy 和BOUSSOL E 的研制, 其主要目标是为SeaWiFS , MODIS 和MERIS 等水色遥感器的辐射定标、数据和算法真实性检验提供长期的观测平台。
海洋光学浮标涉及的技术面广, 依赖以下关键技术：
高稳性浮标设计
水下光辐射测量
控制系统
电源
数据采集和存储
水下光学仪器的防生物污染等技术。
海洋光学浮标涉及的技术面广, 依赖以下关键技术：
5.2 海洋光学浮标关键技术
海洋光学浮标测量系统主要由浮标、信息中心岸站和用户终端三部份组成。
光学浮标主要用于光辐射测量，不仅要满足耐海水腐蚀性、抗倾覆性、稳性和随波性等性能要求，同时要兼顾浮标海上姿态以及阴影对光辐射测量的影响。
一、浮标体设计：
1、子母浮标体
保证高海况条件下浮标体的稳性, 光学浮标浮体设计由子浮标和母浮标两套水面浮标体构成, 如图1 所示。母浮标为直径2.8 m 的小型锚碇圆盘型浮标体; 子浮标为直径1.5 m 的柱型浮标体,系泊于母浮标。试验结果表明, 在8 m ·s - 1风速的高海况条件下子浮标的倾角平均不超过10°。
母浮标的锚系采用组合式, 自上而下分别由包塑钢丝绳、中间锚链、尼龙缆(聚丙乙烯缆) 、过渡锚链、拖底锚链和锚六部分构成。设置过渡锚链段的作用是为了避免尼龙缆下部与海底的摩擦, 因此在尼龙缆段适当位置加装具备一定浮力的浮球,将过渡锚链段拉起。
由于海洋环境中的风、浪、流对系泊中的子母浮标的作用, 如果两标之间系缆类型和长度选定不当, 很有可能造成两标相撞或跑标。通过理论计算和模型水池试验, 最终采用子浮标通过30 m 零浮力缆系泊于母浮标方案。
优点：技术成熟；
缺点：布放和回收难度大。
2、柱状浮标体
浮标体遮光面积小、随波浪摇摆及升沉小且重心低, 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。
光辐射测量要求浮标摇摆角小, 尽可能保持铅直状态。采用了马鞍形转臂结构, 如图 2 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。
优点: 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), 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%。
小知识
重心：将重力对一个物体（体积不为0）各点的作用，归纳为对一个点的作用，这个点称该物体的重心（质量中心），用它代表地球引力对该物体的作用，这与作用到同一点上不同力（大小、方向不同）的合成（合力）有所不同。至于一个物体的重心，可通过该物体各部分所受重力分析求出。
浮心即浮力中心的概念，即将浸入液体中的物体中各部分所受浮力归纳到一个点上，如果将物体所排开的水产生的浮力上下颠倒来看，各部分的浮力正好相似与该部分液体的重力，浮力归纳到作用与一点正好是所排开的液体部分的重心。稳心：浮力的作用线同船体的中心线相交于M点，M点叫稳心。
如果重心在浮力的下面，船体倾侧后，浮力的力矩一定会使船体回复到正常状态。因此，重心低于浮力的船舶一定是稳定的。当稳心高于重心的时候，船舶是稳定的；当稳心低于重心的时候，船舶是不稳定的。
二、系统集成设计
总体方案光学浮标由母浮标控制系统、子浮标控制系统、标间通讯系统、无线通讯系统、岸站接收中心, 以及所装载仪器和传感器构成。
1、通讯系统
当子母浮标控制系统控制所搭载的仪器和传感器测量数据后, 两标之间通过超短波电台通讯, 将数据汇总于子浮标, 然后由装载于子浮标的无线通讯系统实时发送回岸站接收中心, 进行进一步处理、分析。浮标在近海使用时, 无线通讯系统基于CDMA 和GPRS 两种网络与岸站接收中心通讯; 在CDMA/ GPRS 网络信号覆盖不到的海域(如大洋) 使用时, 使用海事卫星与岸站接收中心通讯。
2、浮标控制系统
浮标控制系统采用低功耗的PC104 嵌入式电脑作为控制核心, 1G的CF 卡作为存储介质, 在高稳定性、低资源占有的DOS 平台上开发控制软件。
3、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Ed(λ)、向上光谱辐亮度Lu(λ)以及海面入射光谱辐照度Es(λ)。
其中Es(λ)用于监测入射到海面的光谱辐照度的变化。由实测的Es(λ)、Ed(λ)和Lu(λ)可以推导出离水辐亮度Lw(λ)、归一化离水辐亮度Lwn(λ)和遥感反射率Rrs(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Kd(λ)和向上光谱辐亮度漫射衰减系数KL(λ)。为得到Kd(λ)及KL(λ), 原则上需要同步测定两个不同深度的Ed(λ)和Lu(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Ed(λ)和Lu(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, Ed(λ)是水平面上的光谱辐照度, 而Lu(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%, 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Ed(λ)和Lu(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。
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Gordon 等的理论研究, 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。
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%。
母浮标装载了光谱吸收/ 散射系数测量仪, 测量海水的固有光学特性, 在中间锚链挂有真光层多光谱辐射计; 子浮标用于海水表层和海面光辐射的测量, 装载有海面光谱辐射计、海水表层高光谱辐射计; 同时子母浮标均装载有一些辅助传感器, 如经纬度、倾角、方位角、风速、风向、水温等。
海面光谱辐射计测量海面入射光谱辐照度Es , 海水表层高光谱辐射计可以快速同步测量水下3 , 5 , 7 和9 m四个水层的下行光谱辐照度( Ed ) 和上行光谱辐亮度(Lu) , 每个探头都集成白光L ED , 用于对辐射计的光谱响应和波长漂移进行现场监测。
真光层多光谱辐射计是低功耗、用于探测深层海水中微弱光信号的高灵敏度仪器, 母浮标中间锚链不同深度处共挂有三台该辐射计, 测量的真光层的下行光谱辐照度、上行光谱辐亮度、深度、方位角和倾角等数据, 自容式存储后, 利用感应式调制解调器技术实时传输给母浮标, 进而实时传回岸站接收中心
4、光学窗口防污染装置
由于光学浮标一般要被放置在海水中几天到几十天进行长时间的测量，所以其辐射传感器的光学窗口长时间暴露在海水中就很容易受到水中的生物、有机物(如油类)和无机物(如泥沙)的污染。而光辐射测量对这种污染十分敏感，窗口受污染后测量误差无法估计，甚至无法进行测量。
设计思路：
采用保护盖与清洗刷相结合的工作原理来实现对光学仪器窗口防污、除污。
保护盖由铜做成，和光学窗口之间的间隙为0.5~1mm，在保护盖的一侧装一柔软橡胶做成的清洗刷。需要采样时，保护盖携带清洁刷转动(2N ＋1)×180°后停止(N为保护盖转过光学窗口的次数)，并从光学窗口上方移开。采样结束后将保护盖旋转180°重新遮住光学窗口，由于保护盖与光学窗口之间间隙极小，从而使光学窗口基本处于无光照状态；又由于保护盖由铜做成，而铜又有抑制生物胚胎和幼芽生长的作用，这样就可以破坏海水中大多数生物生长所需的光照条件和生存环境，在一定程度上防止了光学窗口被污染。
还有少数生物，可以在微光、无光、外界生存环境恶劣的条件下生长，从而污染了光学窗口，为此，在每次将保护盖从光学窗口上方移开的过程中，让保护盖携
带橡皮刷紧贴光学窗口表面均匀的清扫光学窗口N 次这样即使在不采样时有少量污染物附着在光学窗口上面，也可以通过此方法清洁干净，从而双重保护光学窗口的清洁。
5.3 海洋光学浮标(MOBY)
投放海洋光学浮标有二个目的,
一是为卫星仪器如地球观测卫星、空投抛弃式海洋遥感器等光学仪器提供各种传感器的检验数据。
该浮标的第二个目的是测量进入海洋和从海洋反射出的可见光和近红外辐射。可见光区反射出的辐射变化称之为海洋水色的变化, 从海洋水色的变化可推导出其它的量值, 如海洋浮游植物的富集度等。浮游植物是海洋食物链中极重要的标志, 它直接影响大气层内全球二氧化碳的平衡。而二氧化碳直接影响全球的温度和海洋生物的生产力, 因此, 的使用具有极重要的意义。
二、MOBY的结构及原理设计
该浮标主要由6个部件组成
双光谱仪, 光纤多路转换器, 位于浮标上部的太阳板和控制软件、具有数据采集软件的通信操作环境卫星数据中继系统、光纤辐射和辐照度收集器、双光谱仪的水分光反射镜。MOBY约50英尺长, 是世界上最大的海洋光学装置。在海上, 仅仅天线、太阳板、频闪灯、表面浮标包括计算机和传输数据用的蜂窝电话在水面
以上。纤维玻璃桅杆延伸到水下40英尺, 直至仪器舱。在6、16、28英尺深处分别有9英尺长的横架向外、向垂直于桅杆的方向延伸。
光学系统采用有二个水分光反射镜的、有高光谱分辨率和消除杂散光的光谱仪。该水分光反射镜是用来发射红光630一900nm, 反射兰光580一600nm光谱段, 从而完成590一650nm间从反射到透射比的过渡。因此在开始吸收水区, 可见光谱的分离大大减小了杂散光三种光谱范围和积分次数对二个不同光谱区的测量达到最佳, 内部定标和辅助传感器温度、倾斜角, 压力等均包括在内。
光学采集器照度和辐射位于横架的末端, 也位于海面上的浮标顶部, 收集进入海中的光, 和从海中返回的光, 从海中返回的光受到颗粒的影响如悬浮在各种深度的浮游植物粒子, 从而改变了卫星传感器的所获信号。在采集器中的透镜聚焦光, 进入光纤电缆, 光纤电缆
将光传输给仪器舱内的光纤多路转换器。该多路转换器采用测量光谱能量的探测器将光信号中转到双光谱仪中。这些信号用微机进行数字化处理和中转, 并传送到海面浮标中的主计算机中。这些信息储存到硬盘装置上, 通过蜂窝电话存入或寄存起来, 用于工作实验室的后处理。
三、定标
根据美国国家标准技术研究所制定的标准, 在设放以前, 应对其定标。用Optronix积分球对辐射收集器定标, 用1000W自由电子激光器对辐照度采集器定标。用更亮的漫散射光的灯定标辐射收集器, 因为通过水的向上后向反射光是一种漫散射光。
MOBY也包括内定标系统。船上二个发光二极管的灯(绿和红)光照射到目标上, 该目标在某一波长吸收光, 在其它波长反射光。该目标反射到内部镜上处于定标状态时, 然后反射到双光谱仪的中转光学部件上。从而用于系统的光谱和绝对强度的定标检验.
另外, 夏威夷大学的潜水员每月一次潜入现场, 用与采集器相连的潜水定标灯来监视系统性能。
中国海洋光学浮标
