通过简单的仪器组合对近岸水体的光场剖面分布和衰减的测量I系统设计描述.docx
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通过简单的仪器组合对近岸水体的光场剖面分布和衰减的测量I系统设计描述
通过简单的仪器组合对近岸水体的光场剖面
分布和衰减的测量:
I.系统设计描述
马晓鑫、胡传民、李炎、商少凌
摘要
我们组合了一套简单的系统,通过一根光纤将水下的光信号引至水面上的光谱仪,使本来专为水面上使用的光谱仪扩展为能够进行水下光学测量的剖面光谱仪。
系统主要包括:
1)一套测量范围从350nm到1050nm的便携式高光谱仪(GER1500,共512波段);2)一根15m的PCS光纤(芯径0.6mm),并配合一个连接头,使光纤接头能够最近距离地接到GER1500光谱仪的光栅处(信号采集处);3)一套质量轻体积小并具有足够强度的浮子装置,为系统水下部分提供浮力及水下测量所需的动力输出;4)一块水下使用的100%反射率的漫反射板,通过其反射使探头向下的光纤得以测量下行光的信号;5)一台笔记本电脑,用来实时获取水下探头的深度数据和光谱数据。
前期实验数据已证明本系统在0m-1m层内的灵敏度和稳定性。
通过适当操作,这套高光谱系统可以测量水面以上的反射率,水下不同深度的反射率和光吸收系数。
因此,本系统相对于国外昂贵的海洋剖面光学调查仪器而言具有极佳的性价比。
关键词:
遥感,海洋水色,反射,衰减,光纤,校准,近岸水体
介绍
水色(OceanColor)指海洋水体在可见光—近红外波段的光谱特性。
正如人眼看到的不同水体具有不同的颜色一样。
(唐军武,/file/什么是水色遥感卫星.htm)
如众所知,太阳辐射能(图2)入射至海洋表面约占总能量的30%,其余70%被大气吸收或散射返入太空,入射至海面的辐射能中一部分进入海水,另一部分被海面直接反射。
透射入水的辐射光在水体中传播。
由图3可见,入射光谱中只有可见光(0.4um-0.76um)才透射入水,其它波段的入射光要么被大气吸收,要么被海水表层吸收。
海洋水色遥感是基于透射入水的辐射经水体反射离开水面而被遥感器接收的反射辐射,即所谓离水反射辐射。
所以海洋水色遥感本质上是可见光遥感。
图3显示,蓝光(0.4um-0.5um)海水透射性最好,对于清洁水可达几十米,故称为“海窗波段”。
(吴培中,国土资源遥感,1994第2期,中国海洋水色遥感十年)
为什么测量反射率?
在学术上颜色被定义为反射率;对卫星信号较正和确认以及生物光学算法的发展有帮助。
水色遥感是将卫星信号,经大气校正,得到刚好在水面以上的离水辐射率LW或归一化离水辐射率LWN,再由归一化离水辐射率直接反演水体信息,或经由归一化离水辐射率和大气参数得到遥感反射率Rrs或水面以下的辐照度比R反演得到水体信息[Gordon&Morel1983]。
水色遥感以及水体光谱特性相关研究要求表观光谱特性的测量必须能够导出以下几个基本参数:
*离水辐射率LW;
*归一化离水辐射率LWN
LWN=LWF0/Ed(0+),
(1)
其中F0为平均日地距离大气层外太阳辐照度,Ed(0+)为水面入射辐照度。
归一化的目的是使得不同时间、地点、大气条件下的测量结果具有可比性,因为归一化基本消除了入射光场的影响。
*遥感反射率Rrs
Rrs=LW/Ed(0+)=LWN/F0,
(2)
*刚好处于水面以下0-深度的辐照度比R
R(0-)=Eu(0-)/Ed(0-),(3)
其中Eu为向上辐照度,Ed为向下辐照度。
这些量都不是可直接测量的量,必须结合一定的测量方法和相应的数据处理分析才能得到。
(引自水体光谱测量与分析I:
水面以上测量法,唐军武)
为什么测量衰减?
它是海水透明度的指标,是描述有多少光能够被海洋有机体(包括那些居住在海底的,例如海草、珊瑚礁等)吸收的重要参数。
水体光谱特性应该包括两个方面[Kirk1994,Mobley1994]:
表观光学特性(ApparentOpticProperties,AOPs)和固有光学特性(InherentOpticProperties,IOPs)。
所谓表观光学量是指随入射光场变化而变化的水体光学参数,如向上辐亮度Lu、辐照度Ed、漫衰减系数K等;固有光学量是仅与水体成分有关的光学量,如光束衰减系数c,吸收系数a、散射系数b、散射相函数P等,这些量不随入射光场的变化而变化。
(引自水体光谱测量与分析I:
水面以上测量法,唐军武)
Howtomeasurethese–describetheavailabletechniquesandlimitations.Multi-wavelengthversushyperspectral;effectivenessversuscost;above-waterversusunderwater…
如何测量这些?
多波段对高光谱;
目前水色遥感发展要求高光谱,因为二类水体要求波段多,具体可查IOCCG报告…………
性价比;
剖面法的仪器贵,少,定标麻烦,表面法的仪器可选面大,而且也较便宜,但相对没剖面法测量的准。
水上法对水下法:
现场表观光谱的测量从方法上可分为两类:
剖面测量法和水表面以上测量法。
两种方法相对独立,使用范围具有互补性,因为这两种测量方法的误差源及信号过程不一样。
剖面法(Profilingmethod)是由水下光场测量外推得到水表信号,同时可以更好地刻画出水体光场垂直变化,采用的仪器昂贵,仪器操作、布放复杂,且一般只能用于水深大于10m水体。
表面法(Above-watermethod)是采用与陆地光谱测量近似的仪器,在经过严格的定标的前提下,通过合理的观测几何安排和测量积分时间设置,也可以得到上述几个主要的观测量。
在一类水体,剖面法是国际水色遥感界推荐的首选方法;在二类水体,目前唯一有效的方法是表面法。
(引自水体光谱测量与分析I:
水面以上测量法,唐军武)
对发展中国家来讲搞水色遥感最大的困难是:
首先,资金限制-一般要20-70万(例如Satlantic公司的产品);其次是校正的问题,每年都要将仪器送回原厂(一般是国外)再次校正也是件很头痛的事。
目前国内外使用较多的、国外较先进的用于海洋水色遥感的现场测量设备有:
加拿大Satlantic公司、美国Biospherical公司生产的现场测量仪器和美国、日本研制的光学浮标。
Satlantic公司和Bio-spherical公司生产的现场测量仪器情况见下表2。
美国的MOBY光谱测量范围为:
340~900nm,光谱分辨率为1nm,水下在3层深度上(2,5,9m)同时收集光谱向上辐射率、向下辐照度,水面上有一多通道辐射计测向下的光谱辐照度,测得的光学数据经处理后实时传送至岸基接收站。
其采用了光纤传输、高光谱分辨率的光栅分光、CCD接收等新技术(见图1)。
1994年2月,MOBY投放在夏威夷Lanal海岸外。
此外,日本空间发展局(NASDA)研制了一台锚泊光学浮标,布放在日本海的大和滩。
总的来看,目前国内缺乏适用于水色遥感的水中光学测量仪器,特别是表观光学量的测量仪器。
这给卫星遥感数据的同步比测研究、算法导出以及遥感器的辐射校正及遥感数据的真实性检验研究带来很大的困难,也影响国际合作中数据的交换。
现在我们该做什么?
表面光谱仪一般会比水下光谱仪便宜,而且使用也更方便。
我们尝试扩展原本为水表面光谱测量设计的表面光谱仪的使用范围,使之能够在近海进行水下剖面光谱及衰减的测量。
系统设计及制作
Availableinstrument
BrieflydescribetheGER1500(notethatyouarenotdoingadvertisementforthecompany)–wavelengthcoverage,increments,sensitivity(#ofbits),generaluseinthemarket(whohasusedit?
)
光谱仪:
GER1500便携式光谱仪(美国,350nm-1050nm,512波段)
具体再查GER的说明书!
设计:
Under-waterinstrumentsrequirecostivewaterproofhousingandelectronics.Toavoidthis,lightmustbecollectedinwaterandtransmittedtotheonboardinstrument,usuallythroughafiberopticcable(ref).Therefore,wecameupwiththefollowingidea:
Tomeasureupwellingradiance:
…..
Tomeasurementdownwellingirradiance:
…..
(Drawasketchforthisdesign)
水下剖面仪一般需要一个带有防水罩的电子余弦积分器。
为了避免掉这个,光信号必须在水下被收集并通过一根光纤传到水面上的光谱仪中,因此我们提出以下方案:
测量上行辐射率:
直接将光纤探头向下伸入水中,收集上行光的信号;
测量下行辐照度:
我们在光纤探头前水平放一块标准漫反射板,通过测量漫反射板某一角度内的辐射率,可以推出整个半球面内的向下辐照度。
制作:
Describehowyoumadeallthepartsandhowyoumadethemworktogether
四、仪器设计详细说明:
2)仪器主要部件:
1.光谱仪:
GER1500便携式光谱仪(美国,350nm-1050nm,512波段)
2.石英光纤:
PCS光纤(南京春辉,芯径0.6mm,数值孔径0.38-0.4,长度15m,两端SMA端子)
3.液位计:
JYB-KB-LVD(昆仑工控,直径:
22mm,测量范围:
100m内,输出信号:
0-5V,供电电压:
24VDC,工作温度:
0-50℃,测量精度:
≤±0.25%,长度:
10m,带COM口输出)
4.浮子系统:
自制(不锈钢)
5.密封减速齿轮马达:
自制(外径:
<50mm)
五、主要技术细节描述:
1、光纤与光谱仪连接:
因为所选用的PCS光纤芯径大、数值孔径大(也就是出射入射光开角大),所以在光纤可以输出足够大范围的信号到光谱仪的接收端。
因为光纤输出端为SMA端子,光谱仪入射端为一非标准的内螺纹孔,所以加工一个全部外螺纹的接头(如图1所示),两端尺寸一端适合光纤的SMA端子,另一端适合光谱仪的入射端非标螺纹,当两端都旋紧时,可以实现光纤与光谱仪的最佳耦合。
图1光纤与光谱仪接头
2、浮子系统:
为了实现测量时测量水层的相对位置不变,我们自己加工了一套浮子系统,浮子随海面上下漂动,即浮子为0m层,以浮子为基准向下释放时可以实现测量层与0m层的深度变化尽可能小(<0.03m),从而实现高深度精度分辨率(0.1m)的目的。
综合考虑了各方面的要求,浮子系统主要连接部分由8mm实心不锈钢制成,这样虽然在重量有会有所增加,但不锈钢硬度、强度大,可以尽可能地使三个浮子远离中心(以免造成阴影影响),同时又不会因为具有弹性太大而导致失去0m的指示作用。
中间连接处制成“U”型,以便尽可能地减小自阴影,每支脚长度0.6m,支脚和浮球都可拆卸折叠,方便携带。
3、水下探头头部分:
分为两部分:
1)白板切换:
利用一个密封的减速齿轮马达,使白板可以在水平面内做圆周运动,再通过时间继电器控制马达的通电时间,可以实现白板在一定范围、一定角度内的切换。
`
2)方向控制:
在中轴线上加一横向伸出的横杆,加装一而小舵,由于水下部分本身的自重,水下探头可以在垂直方向上保持一定范围内的竖直状态,由于水流的冲击,使舵总是指向流的运动方向,因而可以实现光纤探头总是测量同一方向的信号,并且舵和光纤探头的夹角可以任意调整,以避免探头处于自身的自阴影中。
4、整体现场使用方法:
图1剖面仪现场使用示意图
如图1所示,通过硬质连杆使浮子系统远离船体(无阴影一侧),光纤、电缆和液位计电缆捆为一束,经硬质连杆、浮子系统伸到水下,水下探头部分所采集的光信号和深度数据能过光纤电缆束传到船上的光谱仪和笔记本电脑中,从而实现水下剖面光谱测量。
主要技术难点的解决:
首先,因为全部系统(除液位计和马达尺寸稍大,但因远离光纤探头>10cm,所以对表观光学量的采集影响很小)都采用细直径(<10mm)材料制成,所以整个系统总地来说自阴影影响极小。
其次,因为水下探头部分相对于光纤电缆束本身的自重较大而阻力相对较小,所以在水下即使流速较大,光纤电缆束漂移很严重的情况下,仍会保持相对竖直,所以保证了测量上行光和下行光的正确性;加装小舵,使探头能够与流向在水平面内呈一定夹角,下水前判断太阳入射角度与流向的关系,调整好好角度,则能够保证水下光纤探头始终保持朝向太阳一面,不会受到自阴影的影响。
实验:
Describehowyoudidtheexperimentinthelakes,andshowtheresults–shouldbeeasyforyoubecauseyoualreadyhadthosegraphsetc.Simplyneedtopolishthemabitandputtogether
2005年1月2日于厦门大学芙蓉湖畔的实验。
场地描述:
芙蓉湖为厦门大学校内一淡水湖畔,因水体交换不好,长年水色呈绿色,一般叶绿素高达40-50毫克/升。
下图为芙蓉湖地理位置图。
测量仪器为本套组合仪器,在空气中视场角<8度,漫反射板为100%反射率白板,光纤为PCS光纤,光谱仪为GER1500。
因数据主要关心相对值(如遥感反射率Rrs,水下反射率R),故不再做视场角较正,仅关心相对值,所以不再列出能量单位。
利用唐军武建议的表面光谱观测几何对芙蓉湖水进行光谱测量,计算公式为
反射率Rrs=Lw/Ed=ρ(Lu–0.028Lsky)/(πLplaque)
其中ρ为25%(25%反射率漫反射板)
如下图:
可以看出叶绿素的荧光峰平移至710nm处,因芙蓉湖水为典型叶绿素高值区,故选取710nm波段处进行展示。
下图为剖面光谱710波段随深度上行光Lu与下行光Ld衰减图
由上图可以看出光谱能量随深度明显呈指数线性下降。
下图为水下各水水层反射率R,计算公式为:
反射率R=Lw/Ed=(ρ*Lu)/(πLplaque)
其中ρ为100%*(反射率为100%的漫反射板)
由于海表面波动的影响,刚好处于水表面以下0深度的值是无法直接测量的,必须用某一深度z处的值,或更一般地用某一层水体外推出0深度(恰好水面下0-)的值。
实测数据的处理采用Smith&Baker局部线性回归法,即将Kd(λ,z)(下标d表示下行辐照度,λ为波长,z为深度)看作是z±△z深度范围内的相应辐射量对数变换后的回归直线对深度的斜率。
(张清凌,陈楚群,施平.南沙群岛海域水体漫衰减系数Kd(490)的特性研究.热带海洋学报.2003年1月,Vol.22,No.1)(SmithRC,BakerKS.Thebio-opticalstateofoceanwatersandremotesensing[J].LimnologyandOceanography.1978.10:
1-12.)倒推出水下各深度的衰减系数K,如下图
各水深衰减系数Kd如下图
下图以些法倒推出0深度反射率R0-,
转换纵轴为对数坐标,R0-与Rrs比较如下:
可以看出水下反射率R0-与水面遥感反射率Rrs相比较极为相似,为了更好地比较R0-与Rrs,我们将R0-乘以0.63后与Rrs进行相减,如下图。
可以看出差别极小,符合剖面光谱与表面光谱的理论,更好地证明了本仪器测出的数据的真实性。
之所以是乘以0.63而不是n/t2=0.543,我想是因为漫反射白板在水下的反射率变小了,不再是100%所至,估算大约应为86%。
DISCUSSIONANDCONCLUSION
Discusstheadvantagesanddisadvantagesofthesystem.Concludewithyourfindings.Saysomethingaboutwhat’snext…
AKNOWLEDGEMENT
Fundingsource.Thankallpeopleexplicitlythathelpedyouexceptthosecoauthors.
REFERENCE
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- 通过 简单 仪器 组合 近岸 水体 剖面 分布 衰减 测量 系统 设计 描述