锚泊光学浮标浮体设计及近海试验

Abstract: A spar body was considered and a free-rotated saddle was used in a moored optical buoy. Theoretical results indicated 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 technical 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
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。
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
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 一并致谢。
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,
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%[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 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。
2ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
热带海洋学报
Vol. 29, No. 2 / Mar., 2010
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]。
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-xi1, YANG Yue-zhong1, ZHANG Jing-xiang1, KE Tian-cun1, LU Gui-xin1, LI Cai1, GUO Chao-ying1, SUN Zhao-hua1,2
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
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
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。
(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)
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]。
(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%。
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,