曹文熙;杨跃忠;张敬祥;柯天存;卢桂新;李彩;郭超英;孙兆华
【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%. 【期刊名称】《热带海洋学报》
【年(卷),期】2010(029)002
【总页数】6页(P1-6)
【关键词】海洋光学;光学浮标;水遥感;定标与检验
【作 者】曹文熙;杨跃忠;张敬祥;柯天存;卢桂新;李彩;郭超英;孙兆华
【作者单位】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;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;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;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;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;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;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;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;中国科学院研究生院,北京,100039
【正文语种】中 文
【中图分类】P733.39
自1978年第一台试验性水遥感器“海岸带水扫描仪(CZCS)”成功发射后, 水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遥感的发展。水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遥感的重要课题[1−6]。 海洋浮标
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]。
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。
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,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%[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。
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,BOUSSOLE浮标也采用了这种结构, 并把浮力球置于水下18m深处, 在其上层建筑上安装光学仪器[3]。这一结构虽较好地解决了阴影的影响, 但使得浮标总长度达 25m, 布放和维护难度都很大, 甚至需要借用直升机。在工程样机的设计时, 综合考虑阴影效应、布放维护等多方面因素, 最终采用了单侧伸臂结构, 如图1示。在海面及水下1.5、3.5及5.5m处各安装向下辐照度及向上辐亮度探头, 经光纤传输至光谱仪狭缝, 实现分光谱测量。光谱仪及数据采集系统安装在浮标舱体内, 且位于标体吃水线以下。
图1 光学浮标结构示意图Fig.1 Diagram of the moored optical buoy
Monte Carlo模拟的结果表明, 对直径为2m的浮体, 在水体光束衰减系数 c=2.44m−1、 单次反照率ω=0.87、太阳天顶角为 0°的条件下, 浮标浮体阴影引起的水下 5m深度、水平方向距浮体中心线2.5m 处向上辐亮度阴影误差为 4%; 当水体光束衰减系数c=0.114m−1时, 向上辐亮度阴影误差为1%。光束衰减系数为 2.44m−1和 0.114m−1水体可分别代表近岸和外海水体, 对于水遥感数据的定标检验,一般要求在外海较清洁的水体(光学性质上归为Ⅰ类水体)进行, 因此, 浮体直径小于 2m 时, 伸臂结构可以较好地解决阴影影响, 满足水下光辐射测量的要求。
1.2 浮标体设计及稳性计算
基于上述分析, 光学浮标要求浮标体遮光面积小、随波浪摇摆及升沉小且重心低, 为此, 选择柱状浮标。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, 如图1示。
光辐射测量要求浮标摇摆角小, 尽可能保持铅直状态。在早期的设计中, 借鉴了MOBY的投放方式, 即采用子、母浮标方案, 该方案的缺点是布放和回收难度大。通过研究, 最后采用了马鞍形转臂结构, 如图 1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。该设计的效果将在本文后面的试验结果中给出, 本节主要对浮标的静稳性进行理论分析。
浮标作小倾角倾斜时初稳性回复力矩由下式计算:
其中D为排水量, h为稳性高度。浮标作大倾角倾斜时的静稳性力臂l、动稳性力臂ld由下式计算:
式(2)中前项是浮标形状稳性臂, 后项是重量稳性臂。式中θ是计算静矩积分式的上限角, ϕ是倾角变量, Iϕ是吃水线面面积对转轴的惯性矩, 即:
计算得出浮标的静稳性曲线和动稳性曲线如图2示。由稳性曲线可初步得出以下特点: 浮标的静稳性消失角为 180°(我国《海船稳性规范》(以下简称“规范”)无限航区要求大于 55°); 浮标最大静稳性力臂所对应的倾角为 92°(规范要求大于 30°); 浮标最大静稳性力臂为1.33m(规范要求大于0.2m)。
图2 光学浮标稳性曲线Fig.2 Stability curve of the moored optical buoy
进一步计算了浮标的抗风稳性衡准数。根据有关理论, 抗风稳性衡准数为浮标最小倾覆力臂与风压动倾力臂的比值, 即
其中, Lf、Lq分别为浮标风压动倾力臂与最小倾覆力臂。从稳性曲线作图得知, 浮标的最小倾覆力臂Lq=0.46m。浮标的风压动倾力臂可由下式计算:
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