水體光學剖面測量系統(tǒng)——C-OPS

C-OPS:便攜式光學剖面測量系統(tǒng)
 

C-OPS是什么？

      

C-OPS是一款用于研究海洋光學特性的輻射測量系統(tǒng)。它由兩部個輻射計組成：其中一個測量水體上行輻亮度，另一個測量下行輻照度或上行輻照度。兩部輻射計都有19個波段并被安裝在可以自由下落的框架上?？蚣芸梢赃M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：測量水上入射輻照度的參比輻照度傳感器；BioShade，用于測量漫射的影帶組件；BioGPS，提供坐標和時間的部件。

為什么選擇C-OPS？

老的光學測量系統(tǒng)系統(tǒng)并不能很好地解決淺水中的光學復雜性，主要是由于較大的儀器體積，過于接近采樣平臺，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)星校準和確認的理想儀器
• 在垂直深度剖面上測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300米的水下。
• 和NASA一起設計研發(fā)
• 基于Biospherical公司*的微型輻射計技術制造

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

微型輻射計

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

      

美國Biospherical儀器研發(fā)集團開發(fā)了一種小型的、的光電探測器，叫做“微型輻射計”。微型輻射計由一帶微處理器的過濾光電二極管，一個可控增益的前置放大器，一個24-bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個串口——所有這些部件集成在一個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，并阻隔外部電子噪音。
 

雖然每一個微型輻射計都是一個單獨工作的光電探測器，多個微型輻射計可以被組合在一起形成一個多波段輻射計。聚合器（左）把幾組微型輻射計和輔助傳感器集合在一起，它還控制輸入微型輻射計或從微型輻射計輸出的數(shù)據(jù)。聚合器同時控制電源調(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存儲設置（如micro SD卡）。

一個包含的19支微型輻射計的組合放置在耐壓艙中，它可以作為單機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超過30cm/s。

測量入射球形輻亮度的水上參比傳感器。它的光學附件包括：用于測量漫射的影帶組件（Bioshade）；提供坐標和時間的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）供電并提供測量數(shù)據(jù)，當然，用戶的其它電腦也可以使用。隨機提供的還有Biospherical的用戶軟件。甲板單元還包含一個輸出串口控制器，它允許水上參比傳感器和水下傳感器根據(jù)不同的電纜長度進行相應的調(diào)節(jié)，同時為它們提供的電源供給。打開電源時甲板單元會顯示傳感器目錄，這一特性在處理電纜和通訊連接的問題時非常有用。

C-OPS所使用的微型輻射計的介紹

       每一個微型輻射計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）、基準電壓、溫度傳感器和前端靜電計。靜電計組合了三個增益級，以控制電流-電壓的轉(zhuǎn)換。多支微型輻射計，測量不同波段的輻射，被集成為一個微型輻射計組，或一個完整的儀器，然后由一個叫做聚合器的電子部件（aggregator）控制從每一個微型輻射計采集數(shù)據(jù)信號。所有的微型輻射計都被同步，以保證所有波段的數(shù)據(jù)在同一時刻測量。聚合器同時也包含一個電源調(diào)節(jié)電路和數(shù)據(jù)通訊界面，也可能還裝備了一個內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲器（micro SD-1GB）來支持遠程數(shù)據(jù)記錄。

技術參數(shù)

微型輻射計參數(shù)

• 探測器：Si (13 mm²)，InGaAs (7 mm²)，或GaAsP (7 mm²)
• 光電流—電壓轉(zhuǎn)換：三個增益級的靜電計放大器：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
• 動態(tài)范圍（可用）：9個十進制數(shù)量級
• 線性：使用一個可調(diào)節(jié)的光源，在信號電流范圍為1 x 10^-12 - 1 x ^10-5 的條件下，對所有的微型輻射計進行測量。通常地，與一個參比靜電計對，誤差<1%
• 速度：ADC采樣速率從4-125Hz可調(diào)節(jié)，通常設為125Hz，每個采樣周期內(nèi)進行平均
• 響應時間：小于0.01s，增益變化所需時間小于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。三級增益信號的范圍為1.6 x 10¹¹，定義為除以最小可分辨信號的飽和信號。
• 噪音：當ADC以125Hz的頻率采樣，而內(nèi)置微型輻射計對每25個樣品進行平均的情況下，數(shù)據(jù)頻率為5Hz，此時，探測器的噪音為15-20fA。
• 光學靈敏度：這一靈敏度取決于光譜范圍和入射光學系統(tǒng)（輻亮度和輻照度）。它被表達為輻亮度（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（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。還要注意的是輻亮度傳感器可以直接指向太陽而不會飽和。

• 暗補償：在為每一個增益水平校準時測量并設定暗補償值。在野外補償值也自動地測量并應用，以此來適應不同的溫度。
• 微型輻射計電源：5 V DC，4mA
• 光學過濾器：10nm全寬
• 光譜范圍：250-1650nm（1100-1650的光譜范圍需要使用InGaAs探測器）

C-OPS系統(tǒng)參數(shù)

• 尺寸：13波段或19波段個微型輻射計組成的系統(tǒng)安裝在一個防護罩內(nèi)，如下參數(shù)適用于19通道的傳感器：
• 直徑：2.75 inches（約7cm）
• 應用水深：標準型125m水深，還有300m水深的版本可供選擇
• 波長選擇：波長可以從250-1650nm之間選擇
• 速度：一個單獨的19波段的光學儀器可以在超過30Hz的頻率下工作。包括3個19波段輻射計的完整的系統(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通道的光學儀器：7.5V，90mA。三個儀器的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：用于測量漫射的影帶配件，測量水上輻照度的參比傳感器
• BioGPS：GPS配件
• 用戶自定義長度的電纜，電纜卷軸

附件介紹

BioSHADE

BioSHADE是一個使用在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。當在船只上使用時，影帶進行平穩(wěn)連續(xù)的掃描；當在陸地上操作時，可以將系統(tǒng)設定為將影帶對著太陽直射而相應運動，以此來測量漫射輻照度。
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閉影帶功能，也可以設置運動的速率。在使用船舶進行走航式測量時，內(nèi)置的pitch和roll傳感器以及高的采樣頻率在消除船體運動帶來的影響方面非常有用。

BioSHADE可以和Bio GPS、一個或多個水面參比傳感器一起集成在C-OPS網(wǎng)絡中。這一整個集成都由一根電纜連接到遠處（最遠可達150m）的系統(tǒng)控制單元“deckbox”和電源。Deckbox會根據(jù)電纜長度自動地補償，為系統(tǒng)提供的電源供給。

BioGPS

BioGPS是一個固定在C-OPS水面參比傳感器上配合使用的GPS信號接收器。GPS的數(shù)據(jù)將和C-OPS的數(shù)據(jù)結合在一起，方便用戶無論在定點垂直剖面測量還是在船上走航測量時都能準確地記錄測量點的位置。Bio GPS可以和BioSHADE、一個或多個水面參比傳感器一起集成在C-OPS網(wǎng)絡中。
       這一整個集成都由一根電纜連接到遠處（最遠可達150m）的系統(tǒng)控制單元“deck box”和電源。Deck box會根據(jù)電纜長度自動地補償，為系統(tǒng)提供的電源供給。 

C-HOIST從船上布放儀器

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

C-HOIST裝配有一個不銹鋼的滑輪和一個2.1馬力、12V直流電驅(qū)動的電機頭。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，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，沒有長度的限制。
C-HOIST將和一個控制單元（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。電動馬達還有剎車功能，用戶可以讓滑輪在任何需要的時候靜止。

T-MAST

       T-MAST伸縮支架，用于水面參比傳感器系統(tǒng)。伸縮長度從1.12m到3m。這一系統(tǒng)由美國航天航空管理局（NASA）研發(fā)，借助它用戶可以將輻射計升高到船舶的高層構架之上，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)