專利名稱：海冰厚度測量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及海洋監(jiān)測領(lǐng)域，尤其涉及一種新穎的海水厚度測量方法和裝置。
背景技術(shù)：
海冰厚度及其變化是全球變化研究領(lǐng)域中的一個前沿?zé)狳c和技術(shù)難點，各國 科學(xué)家正在致力于尋求解決該問題的技術(shù)方法。
海冰厚度對大氣-海冰-海洋的耦合過程尤為顯著和敏感，并直接決定著海
-氣能量與物質(zhì)的交換過程和速率；主導(dǎo)著海水的熱力學(xué)和動力學(xué)特征，影響海冰 的運動、形變及凍結(jié)與消融過程。目前，主要存在以下集中海水厚度監(jiān)測技術(shù)
衛(wèi)星遙感技術(shù)，隨著衛(wèi)星技術(shù)和星載傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，海水厚度的遙
感應(yīng)用進(jìn)展顯著。但至今沒有一種傳感器可以實現(xiàn)對海水厚度的直接觀測；
水下仰視聲納技術(shù)，仰視聲納技術(shù)屬于水厚觀測的經(jīng)典方法，將仰視聲納設(shè) 備搭載于潛艇或水下機器人平臺上，獲取的海水厚度資料是科學(xué)家廣泛采用的數(shù) 據(jù)，但該技術(shù)的觀測精度受限于水下?lián)Q能器的位置以及水溫、潮沙和氣壓變化帶來 的影響；
電磁感應(yīng)技術(shù)，該技術(shù)具有非接觸式、工作速度快等優(yōu)點，但至今未出現(xiàn)電 磁感應(yīng)冰厚探測設(shè)備的商用產(chǎn)品。
因此，業(yè)界急需一種高精度且結(jié)構(gòu)緊湊的海水厚度測量裝置及其方法。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供了一種海水厚度測量裝置，包含一本體，所述本體包 括聲納器，垂直于海水或海冰發(fā)射并接收聲納信號；激光器，垂直于海水或海冰 發(fā)射和接收激光信號；以及控制單元，與所述聲納器和所述激光器數(shù)據(jù)連接，其中， 所述控制單元根據(jù)來自所述聲納信號和激光信號計算所述本體距離海冰的上表面 的第一高度，根據(jù)所述聲納信號和激光信號計算所述本體距離所述海水的表面的第 二高度，并通過將所述第二高度減去所述第一高度獲得所述海冰的冰舷高度，然后根據(jù)阿基米德定律計算所述海冰的厚度。
在上述海冰厚度測量裝置中，控制單元利用所述聲納信號測量高度，通過分 析所述激光信號的回波信號的波形特征的差異來區(qū)分所述第一高度和第二高度。
在上述海冰厚度測量裝置中，本體還可以包括全球定位系統(tǒng)(GPS )裝置，
與所述控制單元數(shù)據(jù)連接并用于獲取所述海冰厚度測量裝置的定位信息。
在上述海冰厚度測量裝置中，本體還可以包括存儲裝置，與所述控制單元 數(shù)據(jù)連接并用于存儲數(shù)據(jù)。
上述海冰厚度測量裝置還可以包含一輔助支架，該輔助支架包括豎直桿；
個滑輪；拉繩，沿所述多個滑輪布置且遠(yuǎn)離所述豎直桿的一端處固定所述海冰厚度 測量裝置的本體；以及巻軸升降機，具有一轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸上固定所述拉繩的另一 端，以調(diào)節(jié)所述本體的高度。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，還提供了一種海水厚度測量方法，包括以下步驟 從一水平位置垂直于海冰發(fā)射并接收第一組信號；從所述水平位置垂直于海水發(fā)射 并接收第二組信號；以及根據(jù)所述第一組信號計算所述水平位置距離海水的上表面 的第一高度,根據(jù)所述第二組信號計算所述水平位置距離所述海水的表面的第二高 度，并通過將所述第二高度減去所述第一高度獲得所述海冰的冰舷高度，然后根據(jù) 阿基米德定律計算所述海冰的厚度。
根據(jù)一個實施例，在上述海水厚度測量方法中，第一組信號和第二組信號均 包括聲納信號和激光信號，其中根據(jù)所述聲納信號測量高度并根據(jù)所述激光信號的 回波信號的波形特征來區(qū)分所述第一高度和第二高度
上述海水厚度測量方法還可以包括測量所述位置的全球定位(GPS )信息的 步驟。
上述海水厚度測量方法還可以包括根據(jù)所述GPS信息檢索所述位置處的積 雪厚度，并將上述獲得的海水的厚度減去所述積雪厚度，以消除積雪對海冰厚度的影像。
應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明以上的一般性描述和以下的詳細(xì)描述都是示例性和說明性 的，并且旨在為如權(quán)利要求所述的本發(fā)明提供進(jìn)一步的解釋。


包括附圖是為提供對本發(fā)明進(jìn)一步的理解，它們被收錄并構(gòu)成本申請的一部 分，附圖示出了本發(fā)明的實施例，并與本說明書 一起起到解釋本發(fā)明原理的作用。
附圖中
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的海冰厚度測量裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖； 圖2示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的海冰厚度測量的示意圖。 圖3示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的海冰厚度測量裝置的輔助支架的示意圖。 圖4示出了根據(jù)本發(fā)明另一實施例的海冰厚度測量的示意圖。
具體實施例方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參考附圖描述本發(fā)明的實施例。
圖1示出了根據(jù)本發(fā)明一個實施例的海冰厚度測量裝置的結(jié)構(gòu)圖。如圖1所 示，該裝置至少可以包括電磁感應(yīng)器101、聲納器102、激光器103、 GPS裝置104、 電源105、控制單元106和計算機107。以下將結(jié)合具體的測量方法的實施例來進(jìn) 一步說明這些裝置的具體操作及其它技術(shù)內(nèi)容。
實施例1
圖2示出了本發(fā)明的測量海冰厚度方法的一個實施例。
如圖2所示，將圖1所示的海冰厚度測量裝置201設(shè)置于海水上方。上述電 磁感應(yīng)器101垂直于海水發(fā)射并接收電磁場信號，同時上述聲納器102垂直于海水 發(fā)射并接收聲納信號。其中，該聲納器102用于測量裝置201距離冰面的準(zhǔn)確高度， 即圖2中的高度hl;該電磁感應(yīng)器101用于基于上述原理測量裝置201距離海冰 與海水的分界面的高度，即圖2中的高度z。
回到圖1，上述電磁感應(yīng)器101和聲納器102采集的數(shù)據(jù)將被傳送到控制單元 103，該控制單元可以根據(jù)來自電磁感應(yīng)器101的電磁場信號計算裝置201距離海 冰和海水的分界面的高度z,并根據(jù)來自聲納器102的聲納信號計算裝置201距離 海冰的高度hl。通過將高度z減去高度hl即可大致獲得海冰的厚度。
需要注意的是，如圖2所示，通常海冰表面上會覆蓋一層積雪。在需要考慮 積雪因素的場合，根據(jù)一個優(yōu)選實施例，本發(fā)明的海水厚度測量裝置還設(shè)置一全球 定位系統(tǒng)(GPS )裝置104。該GPS裝置104可用于測定裝置201的地理位置信息。 基于該地理位置信息，可利用現(xiàn)有的NEVISAT極軌平臺對地觀測衛(wèi)星得到當(dāng)?shù)氐?積雪厚度參數(shù)，以消除積雪對海水厚度的影響。
6此外，如圖1所示，控制單元106還與計算機107連接，以便對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和顯示。
在對極地環(huán)境進(jìn)行實地測量的過程中，通常是以船載的方式實施測量作業(yè)。為能在船舷外側(cè)懸掛上述海冰厚度測量裝置，本發(fā)明的一優(yōu)選實施例進(jìn)一步提供了一輔助支架301，如圖3所示。
轉(zhuǎn)到圖3，該輔助支架301可包括豎直桿302、與該豎直桿垂直地固定于該豎直桿上的水平桿303、設(shè)置于水平桿的下表面上的多個滑輪304、沿該多個滑輪布置且遠(yuǎn)離豎直桿的一端處固定上述海水厚度測量裝置本體的拉繩306以及巻軸升降機305，該巻軸升降機305具有一轉(zhuǎn)軸，其上固定了拉繩的另一端，用以調(diào)節(jié)所述海水厚度測量裝置本體的高度。測量時，可以將本體固定在一特定的木制框架內(nèi)，將該木制框架擺出船舷外側(cè)，儀器的高度可通過巻軸升降機305控制。通常，水平桿304需使本體與船體的最小距離為8m,以使探測結(jié)果不受船體本身影響且也使船對水體破碎的影響降到最低。另外，用兩個拉緊的繩子將木制框架兩側(cè)固定在船上，這樣在船破冰時可有效減少測量系統(tǒng)在空中的擺動。
實施例2
圖4示出了本發(fā)明的另一實施例，該實施例涉及另一種測量海水厚度的方法。該方法主要利用圖1所示的聲納器102和激光器103。根據(jù)該實施例，海冰厚度測量裝置401至少應(yīng)包含聲納器102和激光器103。轉(zhuǎn)到圖4,如實施例1 一樣，將本發(fā)明的海冰厚度測量裝置401,即聲納器102和激光器103,固定于海水上方。按與實施例1中相同的方式可以用聲納器102測量海水表面距離裝置401的高度Hl以及海冰上表面距離裝置401的高度H2。同時，用激光器103也可以按類似的方式測量海水表面距離裝置401的高度Hl以及海水上表面距離裝置401的高度H2,通過將H1-H2就能得到水舷高度H。然后，利用阿基米德浮力定律就能計
算出海水的厚度。
在實踐中，例如上述裝置401沿圖4所示的方向a行進(jìn)，使所述裝置401先測量到高度Hl,進(jìn)而測量高度H2。此時，由于海水與海冰對激光的反射特性存在明顯的區(qū)別，因此上述激光器103所接收的返回的激光信號的回波信號的波形特征會出現(xiàn)劇烈的變化，例如強度出現(xiàn)約三倍的變化。具體地，所述控制單元106可通過檢測返回的回波信號的波形特征(如振幅)來檢測上述回波信號強度的變化。根據(jù)這一變化，所述裝置401就能準(zhǔn)確地區(qū)分根據(jù)上述激光信號測得的高度是H1還是H2?；诩す馄?03的上述特點，在更優(yōu)選的實施例中，上述裝置401可利用聲納器102測量高度并僅將激光器103用于區(qū)分這些高度。
此外，在該實施例中，同樣可以結(jié)合GPS裝置以消除積雪的影響，并借助輔助支架301實施測量。具體的操作步驟和技術(shù)細(xì)節(jié)可參考上述實施例1,因此在此不再贅述。
具體地，海冰厚度T具體可根據(jù)以下公式求得
r- " xy-xr
其中，Av、 A和A分別為海水、海冰和積雪的密度，F(xiàn)為水舷高度(含積雪)，t為積雪的厚度。
本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，在第一實施例中可省略激光器103而不影響該實施例的實現(xiàn)，且在第二實施例中也可省略電磁感應(yīng)器101而不影響該實施例的實現(xiàn)。此外，較佳地，可通過同時包含上述設(shè)備101、 102和103而獲取兩套獨立的海水厚度數(shù)據(jù)，以供相互校驗從而提取出干擾噪聲信號。特別是，在集成上述兩個實施例的情況下，經(jīng)實際海測檢驗，可將平坦水區(qū)的海冰厚度的測量誤差降低到小于10 % ，將冰脊區(qū)的測量誤差降低到小于20 % 。
綜上所述，本發(fā)明實現(xiàn)了大范圍海水的可重復(fù)觀測，并能精確地測量海水厚度。本發(fā)明的海水厚度測量裝置還具有高精度、 一體化和易操作的諸多優(yōu)點。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可顯見，可對本發(fā)明的上述示例性實施例進(jìn)行各種修改和變型而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。因此，旨在使本發(fā)明覆蓋落在所附權(quán)利要求書及其等效技術(shù)方案范圍內(nèi)的對本發(fā)明的修改和變型。
權(quán)利要求
1. 一種海冰厚度測量裝置，包含一本體，所述本體包括聲納器，垂直于海水或海冰發(fā)射并接收聲納信號；激光器，垂直于海水或海冰發(fā)射和接收激光信號；以及控制單元，與所述聲納器和所述激光器數(shù)據(jù)連接，其中，所述控制單元根據(jù)來自所述聲納信號和激光信號計算所述本體距離海冰的上表面的第一高度，根據(jù)所述聲納信號和激光信號計算所述本體距離所述海水的表面的第二高度，并通過將所述第二高度減去所述第一高度獲得所述海冰的冰舷高度，然后根據(jù)阿基米德定律計算所述海冰的厚度。
2. 如權(quán)利要求1所述的海冰厚度測量裝置，其特征在于，所述控制單元利用 所述聲納信號測量高度，通過分析所述激光信號的回波信號的波形特征的差異來區(qū) 分所述第一高度和第二高度。
3. 如權(quán)利要求1所述的海冰厚度測量裝置，其特征在于，所述本體還包括 全球定位系統(tǒng)(GPS )裝置，與所述控制單元數(shù)據(jù)連接并用于獲取所述海冰厚度測量裝置的定位信息。
4. 如權(quán)利要求3所述的海水厚度測量裝置，其特征在于，所述本體還包括 存儲裝置，與所述控制單元數(shù)據(jù)連接并用于存儲數(shù)據(jù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的海冰厚度測量裝置，其特征在于，還包含一輔助支架， 該輔助支架包括豎直桿；設(shè)置多個滑輪；拉繩，沿所述多個滑輪布置且遠(yuǎn)離所述豎直桿的一端處固定所述海冰厚度測 量裝置的本體；以及巻軸升降機，具有一轉(zhuǎn)軸，所述轉(zhuǎn)軸上固定所述拉繩的另一端，以調(diào)節(jié)所述 本體的高度。
6. —種海冰厚度測量方法，包括以下步驟 從一水平位置垂直于海水發(fā)射并接收第一組信號； 從所述水平位置垂直于海水發(fā)射并接收第二組信號；以及 根據(jù)所述第一組信號計算所述水平位置距離海水的上表面的第一高度，根據(jù)所述第二組信號計算所述水平位置距離所述海水的表面的第二高度，并通過將所述 第二高度減去所述第一高度獲得所述海冰的冰舷高度，然后根據(jù)阿基米德定律計算 所述海冰的厚度。
7. 如權(quán)利要求6所述的海冰厚度測量方法，其特征在于，所述第一組信號和 第二組信號均包括聲納信號和激光信號，其中根據(jù)所述聲納信號測量高度并根據(jù)所 述激光信號的回波信號的波形特征來區(qū)分所述第 一 高度和第二高度。
8. 如權(quán)利要求6所述的海冰厚度測量方法，其特征在于，還包括 測量所述位置的全球定位(GPS)信息。
9. 如權(quán)利要求8所述的海冰厚度測量方法，其特征在于，還包括 根據(jù)所述GPS信息檢索所述位置處的積雪厚度，并將上述獲得的海水的厚度減去所述積雪厚度，以消除積雪對海冰厚度的影像。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種海冰厚度測量裝置，包含一本體，所述本體包括聲納器，垂直于海水或海冰發(fā)射并接收聲納信號；激光器，垂直于海水或海冰發(fā)射和接收激光信號；以及控制單元，與所述聲納器和所述激光器數(shù)據(jù)連接，其中，所述控制單元根據(jù)來自所述聲納信號或激光信號計算所述本體距離海冰的上表面的第一高度，根據(jù)所述聲納信號或激光信號計算所述本體距離所述海水的表面的第二高度，并通過將所述第二高度減去所述第一高度獲得所述海冰的冰舷高度，然后根據(jù)阿基米德定律計算所述海冰的厚度。本發(fā)明還相應(yīng)地提供了一種海冰厚度測量方法。本發(fā)明實現(xiàn)了大范圍海冰的可重復(fù)觀測，并能精確地測量海冰厚度。
文檔編號G01B17/02GK101482400SQ20091004607
公開日2009年7月15日 申請日期2009年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2009年2月11日
發(fā)明者唐學(xué)遠(yuǎn), 波 孫, 娜 李, 群 李, 李丙瑞, 郭井學(xué) 申請人:中國極地研究中心