专利名称：一种水色高光谱辐射实时观测系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及海洋、湖泊水色的测量领域，特别涉及一种用于现场测量 水面与水面近表层太阳光辐射分布的水色高光谱辐射实时观测系统。
技术背景随着水色卫星海上辐射定标和数据真实性检验、近海海洋环境、赤潮现场 实时观察和预警以及海洋多过程多学科联合诊断的观测需要，要求对海洋或湖 泊水面和水下光谱辐射进行实时测量。但针对海洋光学浮标的特殊性，测量存 在诸如阴影问题、标体稳定性问题、探头防污染等关键技术问题。现有技术中 大部分海洋光学浮标挂接锚链系统的系留点是在浮标底端，海洋对浮体的曳力 在系留点上产生力矩最大，会使浮标产生倾斜，而且浮标状态容易随海流，波 浪变化而变化。但是海上考察或作业时某些观量探头需要保持平稳状态，要求 海上浮标能在不同海况下保持最小倾角。另外，现有大部分光学辐射量探头都是基于在陆地上的天空、大气、实验 室进行光学辐射量测量的设计，不具备水下测量所需要的水密、承受水压、防 污染功能。 实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术不足，提供一种能保持观测探头平稳， 且适于在水下长时间进行光学辐射测量观测、考察或作业的水色高光谱辐射实 时观测系统。为了实现上述技术目的，本实用新型包括如下技术特征 一种水色高光谱 辐射实时观测系统，包括光学系统、控制装置、浮标体和浮标锚链；所述光学 系统包括光谱仪、光纤和光学传感器探头；所述浮标体内设有控制装置和光谱仪，浮标体下部与浮标锚链连接，其特征在于所述浮标体包括串联的大球浮体和小球浮体，小球浮体下部固定连接有与 水平垂直的主杆，主杆下部设有重块和平衡叶片，主杆上设有能在主杆一侧自 由摆动的矩形摆框；矩形摆框下部连接有浮标锚链；所述浮标体侧面设有探头杆，探头杆的顶端固定有光学传感器探头，光学 传感探头与光纤连接，光纤与光谱仪连接，光谱仪与控制装置连接。所述主杆上垂直连接有水平横杆，水平横杆两端铰接有矩形摆框，矩形摆 框下部横杆的中部与浮标锚链连接，所述主杆通过限制矩形摆框的下部横杆， 使得矩形摆框在主杆一侧摆动。所述浮标体侧面按照水上、水浅表面、水深表面依次设有三个探头杆；所述浮标体顶部设有安装科学仪器或通讯设备的塔架。所述光学传感器探头包括进光玻璃窗口、探头主体圆管和光纤出口；所述 进光玻璃窗口通过密封结构与探头主体圆管的上管面密封结合；所述探头主体 圆管的内孔设计有由大到小多个梯级孔径；所述光纤出口包括设于探头主体圆 管下部的光纤接头，所述光纤与光纤接头连接后通过密封软管接出。所述光学传感器探头包括进光玻璃窗口、探头主体圆管和光纤出口；所述 进光玻璃窗口与探头主体圆管密封连接，进光玻璃窗口下设有余弦集光器；所 述光纤出口包括光纤接头、密封软件管，光纤接头设于余弦激光器下，光纤接 头连接的光纤通过密封软件管接出。所述光学传感器探头的光玻璃窗口上设有电动刷，所述电动刷与控制装置 连接。所述光谱仪为CCD陈列光电传感器。所述控制装置包括低功耗工控计算机和复合功能板；所述复合功能板包括分电源开关模块包括电子开关和 锁存器，锁存器的信号输入端与低功耗工控计算机连接，锁存器的信号输出端与电子开关控制端相连控制外部设备电源；所述定时器开关模块包括电压变换 器、单片机、电池、日历定时器、总电源开关；电池与日历定时器的电源端相 连提供电源；电压变换器分别与低功耗工控计算机和单片机连接；单片机与日 历定时器连接；日历定时器的定时中断口与总电源开关连接。所述低功耗工控 计算机为嵌入式PC104CPU主板。本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果首先，大小浮标体、重块、 平衡叶片以及矩形摆框的设计，使得水流对平衡叶片的曳力在受力点产生的力 矩，与水流对球体曳力在受力点产生的力矩相等，从而实现了浮体倾斜角度受 海流变化影响小的平稳载体平台。其次，光学传感器探头的设计，结构简单、 抗压强度大，使用连接可靠，海上容易安装；最后，控制系统的设计，使得整 个系统的控制无需人为干预和管理，控制可靠稳定。
图1为本实用新型实施例中浮标体的正视图； 图2为本实用新型实施例中浮标体的侧视图； 图3为本实用新型中实施例1的光学传感器探头的结构示意图； 图4为本实用新型中实施例2的光学传感器探头的结构示意图； 图5为本实用新型的控制装置硬件原理图。
具体实施方式
本实用新型一种水色高光谱辐射实时观测系统，包括光学系统、控制装置2， 浮标体3和浮标锚链4。光学系统包括光谱仪、光纤和光学传感器探头，用于对 水下光谱辐亮度进行测量；控制装置2用于自动控制整个测量系统的运行；浮标体3内设有控制装置和光谱仪，其既是本系统的载体，也是本系统浮体；浮标锚链4用于拖拽浮标体，避免浮标体被水流冲走，所述浮标体下部与浮标锚链连接。如图l、图2所示，为本实用新型的浮标体正视图和侧视图，浮标体3包括 小浮球302、大浮球301，两个球形浮体串联成柱状浮标，以提供系统需要的浮 力，浮体上方固定有三脚塔架309，为安装科学仪器和通讯设备的平台，三脚塔 架309由钢管构成，管里布放电缆，在浮标侧面不同处焊接三个探头杆307,探 头杆307的顶端固定有光学传感器探头11，其分别用于测量水上、水浅表面、 水深表面三个位置的光辐亮度。两个球形浮体设有防碰圈，其中一个防碰圈同 时也是吃水线的标志。在小球体302的底部用法兰盘安装固定一条垂直向下的主杆303，主杆303 下端连接有重物304和平衡叶片305，重物304使得浮标重心降低，增高整个稳 心高度，提高浮标的稳定性，不至于浮标翻倒。主杆303上焊接有水平横杆308，水平横杆308与主杆303成十字平衡连接， 横杆308的两端设有转轴，矩形摆框306的两端配有转环，矩形摆框306通过 它的转环和横杆308的转轴铰接并自由摆动，矩形摆框306的下端横杆中间作 为锚链系留点，与浮标锚链系统4相连接，水平横杆308与主杆303的连接点 到主杆303的下端点长度比矩形摆框306长，可以阻止矩形摆框306往另一侧 摆动。其中，水平横杆308与主杆303的连接点按照下列公式设定 L= k (1 ± 10%) [R2 (3R/5+2r+D) +2r2 (r+D) ] 8S叶片公式中的，L为连接点离平衡叶片305中轴中心点的距离，R为大球半径， r为小球半径，D为连接点离小球底部高度，S ^为平衡叶片305在垂直于水流方向的投影面积。该连接点的位置设定基于如下原理，该连接点系锚链拉曳浮标的受力点， 浮标通过锚链软性结构链接锚住海底。由于海流对浮标体产生一种推力即曳力， 使得单系留浮标产生一个力矩，最终与浮标倾斜重力矩平衡，达到某一倾斜角 度，为了使得浮标不受海洋影响保持垂直，要使浮标受力点的上下部分受海流的曳力作用在浮标受力点上产生合力矩为零，即i:fl^，浮标受力点位置的确定和平衡叶片的大小、浮标体的设计形状，球体大小，主杆长短等有关，本实 用新型提供了该连接点的位置设计公式，可以达到使得浮标体受力点的上下部 分受海流的曳力作用在浮标受力点上产生合力矩接近零的目标。图3为本实用新型其中一个实施例的光学传感器探头11，该具体实施例中光学传感器探头11包括进光玻璃窗口 110、探头主体圆管111和光纤出口 112。所述进光玻璃窗口 110通过密封结构与探头主体圆管111的上管面密封结合;为 了实现密封，进光玻璃窗口 110设计成"凸"形，该进光玻璃窗口 110通过密 封圈与探头主体圆管lll的上管面密封结合，并由玻璃密封螺母旋压固定形成 平面水密封结构；所述探头主体圆管111的内孔设计有由大到小多个梯级孔径; 起到光栏作用，内孔径镀上黑色，防止光线在内孔径产生多次反射；所述的光 纤出口 112包括光纤接头、引出光纤的软管和软管接头；所述的光纤接头安装 固定在探头主体圆管下部的内孔中，所述的软管接头中具有光纤引出孔，其上 部通过密封圈与探头主体圆管的下管面结合，并由探头主体圆管的密封螺母旋 压固定形成平面水密封结构，其下部柱面通过两个密封圈与引出光纤的软管的 内管面结合，并由水管接头介子和水管接头螺母旋压固定形成柱状水密封结构。 图4为本实用新型另外一个实施例的光学传感器探头11，该具体实施例中， 光学传感器探头包括进光玻璃窗口 110、探头主体圆管lll和光纤出口 112;所述进光玻璃窗口 110与探头主体圆管111密封连接，进光玻璃窗口下设有余弦集 光器113;所述光纤出口 112包括光纤接头、密封软件管，光纤接头设于余弦激 光器113下，光纤接头连接的光纤通过密封软件管接出。上述两总光学传感器探头中，都在光学传感器探头11的光玻璃窗口 110上 设有电动刷，该电动刷与控制装置2连接，并由控制装置控制其工作状态。图5为本实用新型的控制装置硬件原理图。本实用新型的控制装置主要是针对克服现有室内仪器控制功能的不足，提供一种野外应用，无需人为干预的控制和管理电路系统。控制装置包括低功耗工控计算机21和复合功能板；所述低功耗工控计算机21具体为嵌入式PC104CPU主板，包括打印机并行口、电源 口、串口。所述复合功能板包括多路分电源开关模块22和定时器开关模块23。多路分 电源开关模块22包括电子开关221和锁存器222，锁存器222的信号输入端与 PC104CPU主板的打印机并行口连接，锁存器222的信号输出端与电子开关221 控制端相连控制外部设备电源；所述定时器开关模块23包括电压变换器231、 单片机232、电池233、日历定时器234、总电源开关235;电池233与日历定 时器234的电源端相连提供电源组成日历时钟；电压变换器231分别与 PC104CPU主板串口，并同时与单片机232连接起到通讯线电压匹配作用。单 片机232与日历定时器234连接;把要设置时间、定时时间等参数通过PC104CPU 主板串口输出到单片机232，再由单片机232中转给日历定时器234。由日历定 时器234的定时中断口与总电源开关连接，起到控制总电源作用。由单片机232 可以单独控制日历定时器的定时中断，在PC104CPU主板运行"死机"时起到 重新冷启动作用，及"二级看门狗"作用。
权利要求1、一种水色高光谱辐射实时观测系统，包括光学系统(1)、控制装置(2)、浮标体(3)和浮标锚链(4)；所述光学系统(1)包括光谱仪、光纤和光学传感器探头(11)；所述浮标体(3)内设有控制装置(2)和光谱仪，浮标体(3)下部与浮标锚链(4)连接，其特征在于所述浮标体(3)包括串联的大球浮体(301)和小球浮体(302)，小球浮体(302)下部固定连接有与水平垂直的主杆(303)，主杆(303)下部设有重块(304)和平衡叶片(305)，主杆(303)上设有能在主杆(303)一侧自由摆动的矩形摆框(306)；矩形摆框(306)下部连接有浮标锚链(4)；所述浮标体(3)侧面设有探头杆(307)，探头杆(307)的顶端固定有光学传感器探头(11)，光学传感探头与光纤连接，光纤与光谱仪连接，光谱仪与控制装置(2)连接。
2、 根据权利要求1所述的水色高光谱辐射实时观测系统，其特征在于 所述主杆(303)上垂直连接有水平横杆(308)，水平横杆(308)两端绞接 有矩形摆框(306)，矩形摆框(306)下部横杆的中部与浮标锚链(4)连接， 所述主杆(303)通过限制矩形摆框(306)的下部横杆，使得矩形摆框(306) 在主杆(303) —侧摆动。
3、 根据权利要求2所述的水色高光谱辐射实时观测系统，其特征在于 所述浮标体(3)侧面按照水上、水浅表面、水深表面依次设有三个探头杆(307);所述浮标体(3)顶部设有安装测量仪器或通讯设备的塔架(309)。
4、 根据权利要求1所述的水色高光谱辐射实时观测系统，其特征在于 所述光学传感器探头(11)包括进光玻璃窗口 (110)、探头主体圆管(lll)禾口 光纤出口(112);所述进光玻璃窗口 (110)通过密封结构与探头主体圆管(lll)的上管面密封结合；所述探头主体圆管(lll)的内孔设计有由大到小多个梯级孔径；所述光纤出口(112)包括设于探头主体圆管下部的光纤接头，所述光纤与光纤接头连接后通过密封软管接出。
5、 根据权利要求1所述的水色高光谱辐射实时观测系统，其特征在于所述光学传感器探头(11)包括进光玻璃窗口 (110)、探头主体圆管(lll)和光纤出口(112);所述进光玻璃窗口 (110)与探头主体圆管(lll)密封连接，进光玻璃窗口 (110)下设有余弦集光器(113);所述光纤出口(112)包括光纤接头、 密封软件管，光纤接头设于余弦激光器(113)下，光纤接头连接的光纤通过密封软件管接出。
6、 根据权利要求4或5所述的水色高光谱辐射实时观测系统，其特征在 于所述光学传感器探头(11)的光玻璃窗口上设有电动刷，所述电动刷与 控制装置连接(2)。
7、 根据权利要求6所述的水色高光谱辐射实时观测系统，其特征在于 所述光谱仪为CCD陈列光电传感器。
8、 根据权利要求7所述的水色高光谱辐射实时观测系统，其特征在于 所述控制装置(2)包括低功耗工控计算机(21)和复合功能板；所述复合功能板包括多路分电源开关模块(22)和定时器开关模块(23); 多路分电源开关模块(22)包括电子开关(221 )和锁存器(222)，锁存器(222) 的信号输入端与低功耗工控计算机(21)连接，锁存器(222)的信号输出端 与电子开关(221)控制端相连控制外部设备电源；所述定时器开关模块(23) 包括电压变换器(231)、单片机(232)、电池(233)、日历定时器(234)、总电源开 关(235);电池(233)与日历定时器(234)的电源端相连提供电源；电压变换器(231) 分别与低功耗工控计算机(21)和单片机(232)连接；单片机(232)与日历定时器(234)连接；日历定时器(234)的定时中断口与总电源开关(235)连接。
9、根据权利要求8所述的水色高光谱辐射实时观测系统，其特征在于所述低功耗工控计算机(21)为嵌入式PC104CPU主板。
专利摘要一种水色高光谱辐射实时观测系统，包括光学系统、控制装置、浮标体和浮标锚链；所述光学系统包括光谱仪、光纤和光学传感器探头；所述浮标体内设有控制装置和光谱仪，浮标体下部与浮标锚链连接，所述浮标体包括串联的大球浮体和小球浮体，小球浮体下部固定连接有与水平垂直的主杆，主杆下部设有重块和平衡叶片，主杆上设有能在主杆一侧自由摆动的矩形摆框；摆框下部连接有浮标锚链；所述浮标体侧面设有探头杆，探头杆的顶端固定有光学传感器探头，光学传感探头与光纤连接，光纤与光谱仪连接，光谱仪与控制装置连接。该系统稳定可靠，浮标性能可以很好的满足水下光辐射测量对浮标体姿态和稳定性的要求，控制系统的数据采集可靠有效。
文档编号G01C13/00GK201378079SQ20092005601
公开日2010年1月6日 申请日期2009年5月5日 优先权日2009年5月5日
发明者卢桂新, 曹文熙, 杨跃忠, 柯天存, 郭超英 申请人:中国科学院南海海洋研究所