專利名稱：一種水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及海洋、湖泊水色的測(cè)量領(lǐng)域，特別涉及一種用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量 水面與水面近表層太陽(yáng)光輻射分布的水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)。
技術(shù)背景隨著水色衛(wèi)星海上輻射定標(biāo)和數(shù)據(jù)真實(shí)性檢驗(yàn)、近海海洋環(huán)境、赤潮現(xiàn)場(chǎng) 實(shí)時(shí)觀察和預(yù)警以及海洋多過(guò)程多學(xué)科聯(lián)合診斷的觀測(cè)需要，要求對(duì)海洋或湖 泊水面和水下光譜輻射進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。但針對(duì)海洋光學(xué)浮標(biāo)的特殊性，測(cè)量存 在諸如陰影問(wèn)題、標(biāo)體穩(wěn)定性問(wèn)題、探頭防污染等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題?，F(xiàn)有技術(shù)中 大部分海洋光學(xué)浮標(biāo)掛接錨鏈系統(tǒng)的系留點(diǎn)是在浮標(biāo)底端，海洋對(duì)浮體的曳力 在系留點(diǎn)上產(chǎn)生力矩最大，會(huì)使浮標(biāo)產(chǎn)生傾斜，而且浮標(biāo)狀態(tài)容易隨海流，波 浪變化而變化。但是海上考察或作業(yè)時(shí)某些觀量探頭需要保持平穩(wěn)狀態(tài)，要求 海上浮標(biāo)能在不同海況下保持最小傾角。另外，現(xiàn)有大部分光學(xué)輻射量探頭都是基于在陸地上的天空、大氣、實(shí)驗(yàn) 室進(jìn)行光學(xué)輻射量測(cè)量的設(shè)計(jì)，不具備水下測(cè)量所需要的水密、承受水壓、防 污染功能。 實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種能保持觀測(cè)探頭平穩(wěn)， 且適于在水下長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行光學(xué)輻射測(cè)量觀測(cè)、考察或作業(yè)的水色高光譜輻射實(shí) 時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本實(shí)用新型包括如下技術(shù)特征 一種水色高光譜 輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)、控制裝置、浮標(biāo)體和浮標(biāo)錨鏈；所述光學(xué) 系統(tǒng)包括光譜儀、光纖和光學(xué)傳感器探頭；所述浮標(biāo)體內(nèi)設(shè)有控制裝置和光譜儀，浮標(biāo)體下部與浮標(biāo)錨鏈連接，其特征在于所述浮標(biāo)體包括串聯(lián)的大球浮體和小球浮體，小球浮體下部固定連接有與 水平垂直的主桿，主桿下部設(shè)有重塊和平衡葉片，主桿上設(shè)有能在主桿一側(cè)自 由擺動(dòng)的矩形擺框；矩形擺框下部連接有浮標(biāo)錨鏈；所述浮標(biāo)體側(cè)面設(shè)有探頭桿，探頭桿的頂端固定有光學(xué)傳感器探頭，光學(xué) 傳感探頭與光纖連接，光纖與光譜儀連接，光譜儀與控制裝置連接。所述主桿上垂直連接有水平橫桿，水平橫桿兩端鉸接有矩形擺框，矩形擺 框下部橫桿的中部與浮標(biāo)錨鏈連接，所述主桿通過(guò)限制矩形擺框的下部橫桿， 使得矩形擺框在主桿一側(cè)擺動(dòng)。所述浮標(biāo)體側(cè)面按照水上、水淺表面、水深表面依次設(shè)有三個(gè)探頭桿；所述浮標(biāo)體頂部設(shè)有安裝科學(xué)儀器或通訊設(shè)備的塔架。所述光學(xué)傳感器探頭包括進(jìn)光玻璃窗口、探頭主體圓管和光纖出口；所述 進(jìn)光玻璃窗口通過(guò)密封結(jié)構(gòu)與探頭主體圓管的上管面密封結(jié)合；所述探頭主體 圓管的內(nèi)孔設(shè)計(jì)有由大到小多個(gè)梯級(jí)孔徑；所述光纖出口包括設(shè)于探頭主體圓 管下部的光纖接頭，所述光纖與光纖接頭連接后通過(guò)密封軟管接出。所述光學(xué)傳感器探頭包括進(jìn)光玻璃窗口、探頭主體圓管和光纖出口；所述 進(jìn)光玻璃窗口與探頭主體圓管密封連接，進(jìn)光玻璃窗口下設(shè)有余弦集光器；所 述光纖出口包括光纖接頭、密封軟件管，光纖接頭設(shè)于余弦激光器下，光纖接 頭連接的光纖通過(guò)密封軟件管接出。所述光學(xué)傳感器探頭的光玻璃窗口上設(shè)有電動(dòng)刷，所述電動(dòng)刷與控制裝置 連接。所述光譜儀為CCD陳列光電傳感器。所述控制裝置包括低功耗工控計(jì)算機(jī)和復(fù)合功能板；所述復(fù)合功能板包括分電源開(kāi)關(guān)模塊包括電子開(kāi)關(guān)和 鎖存器，鎖存器的信號(hào)輸入端與低功耗工控計(jì)算機(jī)連接，鎖存器的信號(hào)輸出端與電子開(kāi)關(guān)控制端相連控制外部設(shè)備電源；所述定時(shí)器開(kāi)關(guān)模塊包括電壓變換 器、單片機(jī)、電池、日歷定時(shí)器、總電源開(kāi)關(guān)；電池與日歷定時(shí)器的電源端相 連提供電源；電壓變換器分別與低功耗工控計(jì)算機(jī)和單片機(jī)連接；單片機(jī)與日 歷定時(shí)器連接；日歷定時(shí)器的定時(shí)中斷口與總電源開(kāi)關(guān)連接。所述低功耗工控 計(jì)算機(jī)為嵌入式PC104CPU主板。本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下有益效果首先，大小浮標(biāo)體、重塊、 平衡葉片以及矩形擺框的設(shè)計(jì)，使得水流對(duì)平衡葉片的曳力在受力點(diǎn)產(chǎn)生的力 矩，與水流對(duì)球體曳力在受力點(diǎn)產(chǎn)生的力矩相等，從而實(shí)現(xiàn)了浮體傾斜角度受 海流變化影響小的平穩(wěn)載體平臺(tái)。其次，光學(xué)傳感器探頭的設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 抗壓強(qiáng)度大，使用連接可靠，海上容易安裝；最后，控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使得整 個(gè)系統(tǒng)的控制無(wú)需人為干預(yù)和管理，控制可靠穩(wěn)定。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例中浮標(biāo)體的正視圖； 圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中浮標(biāo)體的側(cè)視圖； 圖3為本實(shí)用新型中實(shí)施例1的光學(xué)傳感器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4為本實(shí)用新型中實(shí)施例2的光學(xué)傳感器探頭的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5為本實(shí)用新型的控制裝置硬件原理圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型一種水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)、控制裝置2， 浮標(biāo)體3和浮標(biāo)錨鏈4。光學(xué)系統(tǒng)包括光譜儀、光纖和光學(xué)傳感器探頭，用于對(duì) 水下光譜輻亮度進(jìn)行測(cè)量；控制裝置2用于自動(dòng)控制整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的運(yùn)行；浮標(biāo)體3內(nèi)設(shè)有控制裝置和光譜儀，其既是本系統(tǒng)的載體，也是本系統(tǒng)浮體；浮標(biāo)錨鏈4用于拖拽浮標(biāo)體，避免浮標(biāo)體被水流沖走，所述浮標(biāo)體下部與浮標(biāo)錨鏈連接。如圖l、圖2所示，為本實(shí)用新型的浮標(biāo)體正視圖和側(cè)視圖，浮標(biāo)體3包括 小浮球302、大浮球301，兩個(gè)球形浮體串聯(lián)成柱狀浮標(biāo)，以提供系統(tǒng)需要的浮 力，浮體上方固定有三腳塔架309，為安裝科學(xué)儀器和通訊設(shè)備的平臺(tái)，三腳塔 架309由鋼管構(gòu)成，管里布放電纜，在浮標(biāo)側(cè)面不同處焊接三個(gè)探頭桿307,探 頭桿307的頂端固定有光學(xué)傳感器探頭11，其分別用于測(cè)量水上、水淺表面、 水深表面三個(gè)位置的光輻亮度。兩個(gè)球形浮體設(shè)有防碰圈，其中一個(gè)防碰圈同 時(shí)也是吃水線的標(biāo)志。在小球體302的底部用法蘭盤(pán)安裝固定一條垂直向下的主桿303，主桿303 下端連接有重物304和平衡葉片305，重物304使得浮標(biāo)重心降低，增高整個(gè)穩(wěn) 心高度，提高浮標(biāo)的穩(wěn)定性，不至于浮標(biāo)翻倒。主桿303上焊接有水平橫桿308，水平橫桿308與主桿303成十字平衡連接， 橫桿308的兩端設(shè)有轉(zhuǎn)軸，矩形擺框306的兩端配有轉(zhuǎn)環(huán)，矩形擺框306通過(guò) 它的轉(zhuǎn)環(huán)和橫桿308的轉(zhuǎn)軸鉸接并自由擺動(dòng)，矩形擺框306的下端橫桿中間作 為錨鏈系留點(diǎn)，與浮標(biāo)錨鏈系統(tǒng)4相連接，水平橫桿308與主桿303的連接點(diǎn) 到主桿303的下端點(diǎn)長(zhǎng)度比矩形擺框306長(zhǎng)，可以阻止矩形擺框306往另一側(cè) 擺動(dòng)。其中，水平橫桿308與主桿303的連接點(diǎn)按照下列公式設(shè)定 L= k (1 ± 10%) [R2 (3R/5+2r+D) +2r2 (r+D) ] 8S葉片公式中的，L為連接點(diǎn)離平衡葉片305中軸中心點(diǎn)的距離，R為大球半徑， r為小球半徑，D為連接點(diǎn)離小球底部高度，S ^為平衡葉片305在垂直于水流方向的投影面積。該連接點(diǎn)的位置設(shè)定基于如下原理，該連接點(diǎn)系錨鏈拉曳浮標(biāo)的受力點(diǎn)， 浮標(biāo)通過(guò)錨鏈軟性結(jié)構(gòu)鏈接錨住海底。由于海流對(duì)浮標(biāo)體產(chǎn)生一種推力即曳力， 使得單系留浮標(biāo)產(chǎn)生一個(gè)力矩，最終與浮標(biāo)傾斜重力矩平衡，達(dá)到某一傾斜角 度，為了使得浮標(biāo)不受海洋影響保持垂直，要使浮標(biāo)受力點(diǎn)的上下部分受海流的曳力作用在浮標(biāo)受力點(diǎn)上產(chǎn)生合力矩為零，即i:fl^，浮標(biāo)受力點(diǎn)位置的確定和平衡葉片的大小、浮標(biāo)體的設(shè)計(jì)形狀，球體大小，主桿長(zhǎng)短等有關(guān)，本實(shí) 用新型提供了該連接點(diǎn)的位置設(shè)計(jì)公式，可以達(dá)到使得浮標(biāo)體受力點(diǎn)的上下部 分受海流的曳力作用在浮標(biāo)受力點(diǎn)上產(chǎn)生合力矩接近零的目標(biāo)。圖3為本實(shí)用新型其中一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)傳感器探頭11，該具體實(shí)施例中光學(xué)傳感器探頭11包括進(jìn)光玻璃窗口 110、探頭主體圓管111和光纖出口 112。所述進(jìn)光玻璃窗口 110通過(guò)密封結(jié)構(gòu)與探頭主體圓管111的上管面密封結(jié)合;為 了實(shí)現(xiàn)密封，進(jìn)光玻璃窗口 110設(shè)計(jì)成"凸"形，該進(jìn)光玻璃窗口 110通過(guò)密 封圈與探頭主體圓管lll的上管面密封結(jié)合，并由玻璃密封螺母旋壓固定形成 平面水密封結(jié)構(gòu)；所述探頭主體圓管111的內(nèi)孔設(shè)計(jì)有由大到小多個(gè)梯級(jí)孔徑; 起到光欄作用，內(nèi)孔徑鍍上黑色，防止光線在內(nèi)孔徑產(chǎn)生多次反射；所述的光 纖出口 112包括光纖接頭、引出光纖的軟管和軟管接頭；所述的光纖接頭安裝 固定在探頭主體圓管下部的內(nèi)孔中，所述的軟管接頭中具有光纖引出孔，其上 部通過(guò)密封圈與探頭主體圓管的下管面結(jié)合，并由探頭主體圓管的密封螺母旋 壓固定形成平面水密封結(jié)構(gòu)，其下部柱面通過(guò)兩個(gè)密封圈與引出光纖的軟管的 內(nèi)管面結(jié)合，并由水管接頭介子和水管接頭螺母旋壓固定形成柱狀水密封結(jié)構(gòu)。 圖4為本實(shí)用新型另外一個(gè)實(shí)施例的光學(xué)傳感器探頭11，該具體實(shí)施例中， 光學(xué)傳感器探頭包括進(jìn)光玻璃窗口 110、探頭主體圓管lll和光纖出口 112;所述進(jìn)光玻璃窗口 110與探頭主體圓管111密封連接，進(jìn)光玻璃窗口下設(shè)有余弦集 光器113;所述光纖出口 112包括光纖接頭、密封軟件管，光纖接頭設(shè)于余弦激 光器113下，光纖接頭連接的光纖通過(guò)密封軟件管接出。上述兩總光學(xué)傳感器探頭中，都在光學(xué)傳感器探頭11的光玻璃窗口 110上 設(shè)有電動(dòng)刷，該電動(dòng)刷與控制裝置2連接，并由控制裝置控制其工作狀態(tài)。圖5為本實(shí)用新型的控制裝置硬件原理圖。本實(shí)用新型的控制裝置主要是針對(duì)克服現(xiàn)有室內(nèi)儀器控制功能的不足，提供一種野外應(yīng)用，無(wú)需人為干預(yù)的控制和管理電路系統(tǒng)?？刂蒲b置包括低功耗工控計(jì)算機(jī)21和復(fù)合功能板；所述低功耗工控計(jì)算機(jī)21具體為嵌入式PC104CPU主板，包括打印機(jī)并行口、電源 口、串口。所述復(fù)合功能板包括多路分電源開(kāi)關(guān)模塊22和定時(shí)器開(kāi)關(guān)模塊23。多路分 電源開(kāi)關(guān)模塊22包括電子開(kāi)關(guān)221和鎖存器222，鎖存器222的信號(hào)輸入端與 PC104CPU主板的打印機(jī)并行口連接，鎖存器222的信號(hào)輸出端與電子開(kāi)關(guān)221 控制端相連控制外部設(shè)備電源；所述定時(shí)器開(kāi)關(guān)模塊23包括電壓變換器231、 單片機(jī)232、電池233、日歷定時(shí)器234、總電源開(kāi)關(guān)235;電池233與日歷定 時(shí)器234的電源端相連提供電源組成日歷時(shí)鐘；電壓變換器231分別與 PC104CPU主板串口，并同時(shí)與單片機(jī)232連接起到通訊線電壓匹配作用。單 片機(jī)232與日歷定時(shí)器234連接;把要設(shè)置時(shí)間、定時(shí)時(shí)間等參數(shù)通過(guò)PC104CPU 主板串口輸出到單片機(jī)232，再由單片機(jī)232中轉(zhuǎn)給日歷定時(shí)器234。由日歷定 時(shí)器234的定時(shí)中斷口與總電源開(kāi)關(guān)連接，起到控制總電源作用。由單片機(jī)232 可以單獨(dú)控制日歷定時(shí)器的定時(shí)中斷，在PC104CPU主板運(yùn)行"死機(jī)"時(shí)起到 重新冷啟動(dòng)作用，及"二級(jí)看門(mén)狗"作用。
權(quán)利要求1、一種水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)(1)、控制裝置(2)、浮標(biāo)體(3)和浮標(biāo)錨鏈(4)；所述光學(xué)系統(tǒng)(1)包括光譜儀、光纖和光學(xué)傳感器探頭(11)；所述浮標(biāo)體(3)內(nèi)設(shè)有控制裝置(2)和光譜儀，浮標(biāo)體(3)下部與浮標(biāo)錨鏈(4)連接，其特征在于所述浮標(biāo)體(3)包括串聯(lián)的大球浮體(301)和小球浮體(302)，小球浮體(302)下部固定連接有與水平垂直的主桿(303)，主桿(303)下部設(shè)有重塊(304)和平衡葉片(305)，主桿(303)上設(shè)有能在主桿(303)一側(cè)自由擺動(dòng)的矩形擺框(306)；矩形擺框(306)下部連接有浮標(biāo)錨鏈(4)；所述浮標(biāo)體(3)側(cè)面設(shè)有探頭桿(307)，探頭桿(307)的頂端固定有光學(xué)傳感器探頭(11)，光學(xué)傳感探頭與光纖連接，光纖與光譜儀連接，光譜儀與控制裝置(2)連接。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，其特征在于 所述主桿(303)上垂直連接有水平橫桿(308)，水平橫桿(308)兩端絞接 有矩形擺框(306)，矩形擺框(306)下部橫桿的中部與浮標(biāo)錨鏈(4)連接， 所述主桿(303)通過(guò)限制矩形擺框(306)的下部橫桿，使得矩形擺框(306) 在主桿(303) —側(cè)擺動(dòng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，其特征在于 所述浮標(biāo)體(3)側(cè)面按照水上、水淺表面、水深表面依次設(shè)有三個(gè)探頭桿(307);所述浮標(biāo)體(3)頂部設(shè)有安裝測(cè)量?jī)x器或通訊設(shè)備的塔架(309)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，其特征在于 所述光學(xué)傳感器探頭(11)包括進(jìn)光玻璃窗口 (110)、探頭主體圓管(lll)禾口 光纖出口(112);所述進(jìn)光玻璃窗口 (110)通過(guò)密封結(jié)構(gòu)與探頭主體圓管(lll)的上管面密封結(jié)合；所述探頭主體圓管(lll)的內(nèi)孔設(shè)計(jì)有由大到小多個(gè)梯級(jí)孔徑；所述光纖出口(112)包括設(shè)于探頭主體圓管下部的光纖接頭，所述光纖與光纖接頭連接后通過(guò)密封軟管接出。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)傳感器探頭(11)包括進(jìn)光玻璃窗口 (110)、探頭主體圓管(lll)和光纖出口(112);所述進(jìn)光玻璃窗口 (110)與探頭主體圓管(lll)密封連接，進(jìn)光玻璃窗口 (110)下設(shè)有余弦集光器(113);所述光纖出口(112)包括光纖接頭、 密封軟件管，光纖接頭設(shè)于余弦激光器(113)下，光纖接頭連接的光纖通過(guò)密封軟件管接出。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，其特征在 于所述光學(xué)傳感器探頭(11)的光玻璃窗口上設(shè)有電動(dòng)刷，所述電動(dòng)刷與 控制裝置連接(2)。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，其特征在于 所述光譜儀為CCD陳列光電傳感器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，其特征在于 所述控制裝置(2)包括低功耗工控計(jì)算機(jī)(21)和復(fù)合功能板；所述復(fù)合功能板包括多路分電源開(kāi)關(guān)模塊(22)和定時(shí)器開(kāi)關(guān)模塊(23); 多路分電源開(kāi)關(guān)模塊(22)包括電子開(kāi)關(guān)(221 )和鎖存器(222)，鎖存器(222) 的信號(hào)輸入端與低功耗工控計(jì)算機(jī)(21)連接，鎖存器(222)的信號(hào)輸出端 與電子開(kāi)關(guān)(221)控制端相連控制外部設(shè)備電源；所述定時(shí)器開(kāi)關(guān)模塊(23) 包括電壓變換器(231)、單片機(jī)(232)、電池(233)、日歷定時(shí)器(234)、總電源開(kāi) 關(guān)(235);電池(233)與日歷定時(shí)器(234)的電源端相連提供電源；電壓變換器(231) 分別與低功耗工控計(jì)算機(jī)(21)和單片機(jī)(232)連接；單片機(jī)(232)與日歷定時(shí)器(234)連接；日歷定時(shí)器(234)的定時(shí)中斷口與總電源開(kāi)關(guān)(235)連接。
9、根據(jù)權(quán)利要求8所述的水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，其特征在于所述低功耗工控計(jì)算機(jī)(21)為嵌入式PC104CPU主板。
專利摘要一種水色高光譜輻射實(shí)時(shí)觀測(cè)系統(tǒng)，包括光學(xué)系統(tǒng)、控制裝置、浮標(biāo)體和浮標(biāo)錨鏈；所述光學(xué)系統(tǒng)包括光譜儀、光纖和光學(xué)傳感器探頭；所述浮標(biāo)體內(nèi)設(shè)有控制裝置和光譜儀，浮標(biāo)體下部與浮標(biāo)錨鏈連接，所述浮標(biāo)體包括串聯(lián)的大球浮體和小球浮體，小球浮體下部固定連接有與水平垂直的主桿，主桿下部設(shè)有重塊和平衡葉片，主桿上設(shè)有能在主桿一側(cè)自由擺動(dòng)的矩形擺框；擺框下部連接有浮標(biāo)錨鏈；所述浮標(biāo)體側(cè)面設(shè)有探頭桿，探頭桿的頂端固定有光學(xué)傳感器探頭，光學(xué)傳感探頭與光纖連接，光纖與光譜儀連接，光譜儀與控制裝置連接。該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，浮標(biāo)性能可以很好的滿足水下光輻射測(cè)量對(duì)浮標(biāo)體姿態(tài)和穩(wěn)定性的要求，控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集可靠有效。
文檔編號(hào)G01C13/00GK201378079SQ20092005601
公開(kāi)日2010年1月6日 申請(qǐng)日期2009年5月5日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月5日
發(fā)明者盧桂新, 曹文熙, 楊躍忠, 柯天存, 郭超英 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院南海海洋研究所