水体剖面测量系统

C-OPS:便携式光学剖面测量系统 C-OPS是什么？ C-OPS是一款用于研究海洋光学特性的辐射测量系统。它由两部个辐射计组成：其中一个测量水体上行辐亮度，另一个测量下行辐照度或上行辐照度。两部辐射计都有19个波段并被安装在可以自由下落的框架上。框架可以进行优化调节，使之在加较浅的近海岸水体中以较低的速率沉降，而在较深的开阔洋面以较高的速率沉降。可选的配件包括：测量水上入射辐照度的参比辐照度传感器；BioShade，用于测量漫射的影带组件；BioGPS，提供坐标和时间的部件。为什么选择C-OPS？老的光学测量系统系统并不能很好地解决浅水中的光学复杂性，主要是由于较大的仪器体积，过于接近采样平台，或不能很好地控制仪器的沉降速率等。在新的C-OPS系统中，这些问题都不存在。C-OPS的不同之处？是浅水中海洋水色研究、卫星校准和确认的理想仪器在垂直深度剖面上测量水体的辐亮度和辐照度快速的采样频率（15Hz），缓慢的自由下落，可调节的浮力，可人工布放，最深达300米的水下。和NASA一起设计研发基于Biospherical公司先进的微型辐射计技术制造 C-OPS非常轻便，可以使用人工来布放。此外，自由下落的系统阻止了船体阴影带来的任何的影响。完美的系统集成使它可以和潜水设备以及水上设备一起工作来测量辐射参数（可应用于浑浊的近岸带水体和清澈的大洋水体） 微型辐射计这一新的C-OPS辐射剖面测量系统和它所有的附件的核心部件都是微型辐射计&mdash &mdash 一种革命性的光电探测器集成的新方法。 美国Biospherical仪器研发集团开发了一种小型的、卓越的光电探测器，叫做&ldquo 微型辐射计&rdquo 。微型辐射计由一带微处理器的过滤光电二极管，一个可控增益的前置放大器，一个24-bit的模数转换器和一个串口&mdash &mdash 所有这些部件集成在一个只有一支钢笔大小的小电路板上。黄铜材质的外套管为内部元件提供保护，并阻隔外部电子噪音。 虽然每一个微型辐射计都是一个单独工作的光电探测器，多个微型辐射计可以被组合在一起形成一个多波段辐射计。聚合器（左）把几组微型辐射计和辅助传感器集合在一起，它还控制输入微型辐射计或从微型辐射计输出的数据。聚合器同时控制电源调节和附加传感器如倾角、温度、输入电压和电流以及移动存储设置（如micro SD卡）。一个包含的19支微型辐射计的组合放置在耐压舱中，它可以作为单机的多通道海洋水色传感器，因其小巧的体形，一支手可以轻松拿起。 C-OPS的浮力装置结合了空气填充的浮体和硬质泡沫浮体。随着仪器的下沉，增大的水压将气囊压扁，浮力降低，从而使沉降速率增大。大水表面的沉降速率一般小于3cm/s，10m以下水深处的沉降速率将会超过30cm/s。测量入射球形辐亮度的水上参比传感器。它的光学附件包括：用于测量漫射的影带组件（Bioshade）；提供坐标和时间的GPS组件（BioGPS）。由电池供电的甲板控制单元。这一&ldquo Microradiometer Master Controller&rdquo 为Windows系统的笔记本电脑（厂家提供）供电并提供测量数据，当然，用户的其它电脑也可以使用。随机提供的还有Biospherical的用户软件。甲板单元还包含一个输出串口控制器，它允许水上参比传感器和水下传感器根据不同的电缆长度进行相应的调节，同时为它们提供最佳的电源供给。打开电源时甲板单元会显示传感器目录，这一特性在处理电缆和通讯连接的问题时非常有用。C-OPS所使用的微型辐射计的介绍 每一个微型辐射计都有自己完整的控制和数据采集系统：微处理器、24-bit数据转换器（ADC）、基准电压、温度传感器和前端静电计。静电计组合了三个增益级，以控制电流-电压的转换。多支微型辐射计，测量不同波段的辐射，被集成为一个微型辐射计组，或一个完整的仪器，然后由一个叫做聚合器的电子部件（aggregator）控制从每一个微型辐射计采集数据信号。所有的微型辐射计都被同步，以保证所有波段的数据在同一时刻测量。聚合器同时也包含一个电源调节电路和数据通讯界面，也可能还装备了一个内置的数据存储器（micro SD-1GB）来支持远程数据记录。技术参数微型辐射计参数探测器：Si (13 mm2)，InGaAs (7 mm2)，或GaAsP (7 mm2)光电流&mdash 电压转换：三个增益级的静电计放大器：1，200和40,000模数转换器（ADC）：24-bit双极，4-125Hz数据频率动态范围（可用）：9个十进制数量级线性：使用一个可调节的光源，在信号电流范围为1 x 10-12 - 1 x 10-5 的条件下，对所有的微型辐射计进行测量。通常地，与一个参比静电计对，误差1%速度：ADC采样速率从4-125Hz可调节，通常设为125Hz，每个采样周期内进行平均响应时间：小于0.01s，增益变化所需时间小于0.1s电子灵敏度：在电流分辨率10-15的情况下，ADC分辨率是0.5&mu A。饱和电流为160&mu A。三级增益信号的范围为1.6 x 1011，定义为除以最小可分辨信号的饱和信号。噪音：当ADC以125Hz的频率采样，而内置微型辐射计对每25个样品进行平均的情况下，数据频率为5Hz，此时，探测器的噪音为15-20fA。光学灵敏度：这一灵敏度取决于光谱范围和入射光学系统（辐亮度和辐照度）。它被表达为辐亮度（&mu W cm-2 nm-1 sr-1）和辐照度（&mu W cm-2 nm-1）在5Hz的数据频率条件下的噪音等值信号（Noise Equivalent Signals）：通道辐亮度（Radiance）辐照度（Irradiance）320nm2.9x10-69.0x10-5395nm5.0x10-66.9x10-5490nm1.8x10-62.3x10-5683nm9.9x10-71.1x10-5780nm6.8x10-78.0x10-6 注意：辐亮度传感器已经过水下使用的校准。还要注意的是辐亮度传感器可以直接指向太阳而不会饱和。暗补偿：在为每一个增益水平校准时测量并设定暗补偿值。在野外补偿值也自动地测量并应用，以此来适应不同的温度。微型辐射计电源：5 V DC，4mA光学过滤器：10nm全宽光谱范围：250-1650nm（1100-1650的光谱范围需要使用InGaAs探测器）C-OPS系统参数尺寸：13波段或19波段个微型辐射计组成的系统安装在一个防护罩内，如下参数适用于19通道的传感器：直径：2.75 inches（约7cm）应用水深：标准型最大125m水深，还有300m水深的版本可供选择波长选择：波长可以从250-1650nm之间选择速度：一个单独的19波段的光学仪器可以在超过30Hz的频率下工作。包括3个19波段辐射计的完整的系统的操作频率可以大于15Hz。数据频率：使用RS232或RS485的条件下，光学仪器的通讯频率是115,200 baud；使用RS232的条件下，甲板单元的通讯频率为115,200 baud。电源需求：19通道的光学仪器：7.5V，90mA。三个仪器的19通道系统：甲板单元需0.30A的电流。辐亮度仪器的视野：在水中，7° 半角辐照度仪器的Cosine Error：天顶角小于60° 的情况下为± 3%；天顶角60-70° 的情况下为± 5%；天顶角70-80° 的情况下为± 10%自由下落速度：1cm的深度分辨率，可调节的最终速度为6-35cm/s，可手动调节倾角和翻滚。辅助传感器：水温、水压、倾角和翻滚可选配件：BioShade：用于测量漫射的影带配件，测量水上辐照度的参比传感器BioGPS：GPS配件用户自定义长度的电缆，电缆卷轴附件介绍BioSHADEBioSHADE是一个使用在C-OPS水面参比传感器上的影带附件。这一附件可以进行180度的旋转，使它能够在航向不稳定的船只上使用。当在船只上使用时，影带进行平稳连续的扫描；当在陆地上操作时，可以将系统设定为将影带对着太阳直射而相应运动，以此来测量漫射辐照度。操作C-OPS的软件中也包含控制BioSHADE的命令，用户可在软件中开启或关闭影带功能，也可以设置运动的速率。在使用船舶进行走航式测量时，内置的pitch和roll传感器以及高的采样频率在消除船体运动带来的影响方面非常有用。 BioSHADE可以和Bio GPS、一个或多个水面参比传感器一起集成在C-OPS网络中。这一整个集成都由一根电缆连接到远处（最远可达150m）的系统控制单元&ldquo deckbox&rdquo 和电源。Deckbox会根据电缆长度自动地补偿，为系统提供最优的电源供给。BioGPSBioGPS是一个固定在C-OPS水面参比传感器上配合使用的GPS信号接收器。GPS的数据将和C-OPS的数据结合在一起，方便用户无论在定点垂直剖面测量还是在船上走航测量时都能准确地记录测量点的位置。Bio GPS可以和BioSHADE、一个或多个水面参比传感器一起集成在C-OPS网络中。 这一整个集成都由一根电缆连接到远处（最远可达150m）的系统控制单元&ldquo deck box&rdquo 和电源。Deck box会根据电缆长度自动地补偿，为系统提供最优的电源供给。 C-HOIST从船上布放仪器C-HOIST起吊机是一种用于下放和回收仪器的装置，它通常挂在一个固定在船上的吊杆上来作业。C-HOIST装配有一个不锈钢的滑轮和一个2.1马力、12V直流电驱动的电机头。它的总承载力为300磅（约136kg）。这一装置通常使用90Ah的铅酸电池驱动，正常的情况下一次充电可以完成25次（每次约6分钟）的操作。适用绳索的直径为5-20mm，没有长度的限制。C-HOIST将和一个控制单元（deck box）一起工作，允许用户在不同的布放中使用不能的下放速度。电动马达还有刹车功能，用户可以让滑轮在任何需要的时候静止。T-MAST T-MAST伸缩支架，用于水面参比传感器系统。伸缩长度从1.12m到3m。这一系统由美国航天航空管理局（NASA）研发，借助它用户可以将辐射计升高到船舶的高层构架之上，从而消除船体阴影和反射的影响。T-MAST的折叠状态T-MAST的完全展开状态

波浪动力剖面测量系统型号：WIRWALKERTM ------WIRWALKERTM—依靠波浪动力进行剖面测量的系统------ ? 快速垂直剖面，依靠波浪动力，无需电池，全机械构造。? 标准300m深度剖面，最大可选1000m。? 可搭载任何RBR的产品，如RBRconcerto3和RBRmaestro3系列多参数水质仪。? 可搭载用户定制的传感器配置，以及其它制造商的产品。? 系统可锚定进行剖面观测，也可自由漂流进行剖面观测。? 整个系统性能优越，易于使用。? WIREWALKERTM系统可以集成RBR的感应耦合数据传输模块，通过铱星或GSM来实现数据的无线远程传输。-------------------------物理规格------------------------- 尺寸：水下剖面浮体（profiler）：~1600（高）×600（宽）×165（厚）mm海面浮标体（buoy）：~900（高）×740（直径）mm重量：水下剖面浮体：~22kg（空气中）海面浮标体：~16kg（空气中）深度等级：标准300m，最大1000m------------------------可选配置--------------------------? WIREWALKERTM 系统 （标准型）系统组成：1、 海面浮标体1个，带有闪光灯。2、 水下剖面浮体1个，带有仪器安装框架，耐压300m。3、 爬行包塑钢缆1条，直径5mm (3/16") ，带换向止动装置。4、 卸扣、转环和2个20kg的配重。? WIREWALKERTM系统 （集成RBR感应耦合模块）系统组成：1、 海面浮标体1个，带有闪光灯。2、 水下剖面浮体1个，带有仪器安装框架，耐压300m。3、 爬行包塑钢缆1条，直径5mm (3/16") ，带换向止动装置。4、 卸扣、转环和2个20kg的配重。5、 集成RBR感应耦合传输模块。 -----------------WIREWALKERTM系统介绍------------------1、 WirewalkerTM携带测量仪器可获得高质量的2维深度—时间序列观测数据。2、 对于传统的锚系观测来说，垂直锚链上搭载了很多昂贵的测量仪器。有了WirewalkerTM，我们只需要1台仪器就可以实现快速剖面测量。WirewalkerTM利用波浪作为动力沿着锚系钢缆上下爬行，可以获得高质量的剖面数据。3、 WirewalkerTM系统工作原理：海面上有一个小的浮标体，浮标体下方连接一条钢缆，钢缆的下方悬挂配重，使钢缆保持垂直状态，保证整条钢缆可以跟随海面浮标体进行上下起伏运动。Wirewalker™ 依附于钢缆之上，当钢缆在波浪作用下下沉时，Wirewalker™ 内部的凸轮会夹紧钢缆，并跟随钢缆一起下沉，当钢缆在波浪作用下上升时，凸轮会松开钢缆。这样Wirewalker™ 就会在波浪动力下沿着钢缆往下爬行。当Wirewalker™ 到达预期剖面深度底部时，会碰触机械停止装置，此时会彻底释放内部凸轮，Wirewalker™ 就会沿着钢缆自由上升到钢缆顶部，也就是海面浮体下方位置，此时凸轮会进行重置。Wirewalker™ 就会如此反复的沿着钢缆上下爬行。 4、 WirewalkerTM在大部分海况使用过程中，典型的剖面测量速度为10m/min（往返）。5、 与大部分传统的浮标或者电动马达驱动的水下剖面浮体相比，Wirewalker™ 既可以锚系定点观测，又可以随着海流自由漂流（拉格朗日）。在无扰动的水体中Wirewalker™ 剖面测量可到达距离海面1m以内。6、 对于自容式工作的仪器设备，可以非常简单的安装到Wirewalker™ 上，并进行浮力调节。装载压舱物也不必像传统浮力驱动剖面浮体那样精确，只需要增加一些泡沫块，使Wirewalker™ 的上升速度控制在大约0.5m/s即可。7、 Wirewalker™ 不需要电池来进行驱动。其设计操作简单，坚固耐用，可以用于很多恶劣的海洋环境中。Wirewalker™ 借助于海面波浪的起伏来实现其上下爬行，搭载的电池仅仅是为了给仪器设备供电。从电导率、温度和压力观测，到光学、洋流和湍流测量，Wirewalker™ 的平稳自由上升可以从任何快速采样的海洋传感器收集高质量的数据。8、 卓越性能：从南大洋到苏必利尔湖，Wirewalker™ 已证明其自身的卓越性能。部署范围从开放的海洋、自由漂流站到海浪带系泊处。在过去的十年里，Wirewalker™ 在海面波浪的驱动下，已经完成了50多万次剖面任务，18000多公里的垂直剖面距离。

TriOS RPMS是一款性价比高、轻便、低功耗、下降速度可调的自由落体式剖面高光谱辐射测量系统。该系统能有效的避开船体阴影的影响，获取高精度的水下环境光场（向下辐照度和向上辐亮度），广泛地适用于近岸浑浊水体及清洁大洋水体的漫射衰减系数和遥感反射率的测量。此外，该系统可按用户需求进行定制集成向上辐照度、叶绿素和CDOM荧光传感器等。 软件功能能实时查看设备状态包括实时深度、姿态及辐射值。能及时显示向上辐亮度和向下辐照度随深度变化情况，界面友好，能实时处理所测数据获取漫射衰减系数、光合有效辐射、遥感反射率和归一化离水辐亮度等。性能对比与高性能的美国Biospherical公司生产的多波段C-OPS进行了现场对比测量，性能优异。特点及应用特点轻便，功耗低自由落体式下降，速度可调0.1~1.0 m/s可有效避开船体阴影影响高光谱、高灵敏度辐照度和辐亮度测量精度高，积分时间自适应，也可手动设置模块化系统，用户可根据需求选购最新的纳米涂层技术，防污染耐压深度最大可达300 m应用离水辐亮度、漫射衰减系数和遥感反射率测量海色卫星数据印证光化学、生物光学、海洋生态学研究水下环境光场研究遥感反演模型的建立藻类水华研究技术参数RAMSES传感器参数列表ACC余弦辐照度ARC辐亮度ASC球形辐照度UVUV/VISVISVISVIS波长（nm）280~500280~720320~950320~950320~950检测器256 通道硅光电检测器光谱采样[nm/pixel]2.22.23.33.33.3光谱精度0.20.20.30.30.3实际通道100200190190190ACC余弦辐照度ARC辐亮度ASC球形辐照度UVVISVISVIS波长（nm）280~500320~950320~950320~950典型饱和度 (IT: 4 ms)单位：Wm-2 nm-120 (300 nm)*17 (360 nm)*18 (500 nm)*10 (400 nm)*8 (500 nm)*14 (700 nm)*1Wm-2 nm-1 sr-1 (500 nm)20 (400 nm)*12 (500 nm)*15 (700 nm)*典型NEI (IT: 8 s)单位：μWm-2 nm-10.85 (300 nm)**0.75 (360 nm)**0.80 (500 nm)**0.4 (400 nm)**0.4 (500 nm)**0.6 (700 nm)**0.25 μWm-2 nm-1 sr-10.8(400 nm)**0.6(500 nm)**0.8(700 nm)**收集器类型余弦检测器FOV：空气中7°球形检测2Pi精度优于6~10%（取决于波长范围）优于6%优于5%积分时间4 ms~8 s传感器技术规格测量原理辐照度或辐亮度T100响应时间≤ 10 s （脉冲模式）测量角度40°±10°数据存储-测量间隔≤ 8 s（脉冲模式）外壳材质不锈钢（1.4571/1.4404）或钛合金（3.7035）大小（L x Φ）ACC：260 mm x 48 mmASC：245 mm x 48 mmARC：300 mm x 48 mm重量不锈钢：~ 0.9 kg 钛：~ 0.7 kg数字接口RS-232 （TriOS）系统兼容性RS-232（TriOS协议）电源8~12 VDC （± 3 %）功耗≤ 0.85 W最大压力SubConn：30 bar防水等级IP68采样温度+2~+40 °C环境温度+2~+40 °C保存温度-20~+80 °C流入速度0.1~10 m/s校准/维护间隔24个月选配传感器倾角传感器：±45°压力传感器：0~5 Bar、0~10 Bar、0~50 Bar可选 RAMSES-ACC-VIS RAMSES-ACC-UV RAMSES-ASC-VIS RAMSES-ARC文献资料一、水质研究:叶绿素、蓝藻、TSM、CDOM反演监测1.基于光谱匹配的内陆水体反演算法——《光谱学与光谱分析》20102.水体光谱测量与分析Ⅰ：水面以上测量法——《遥感学报》20043.水下光谱辐射测量技术——《海洋技术》20034.A Novel Statistical Approach for Ocean Colour Estimation of Inherent Optical Properties and Cyanobacteria Abundance in Optically Complex Waters——《Remote Sensing》20175.Atmospheric Correction Performance of Hyperspectral Airborne Imagery over a Small Eutrophic Lake under Changing Cloud Cover——《Remote Sensing》2017二、光学模型研究1.秋季太湖水下光场结构及其对水生态系统的影响——《湖泊科学》20092.A model to predict spatial spectral and vertical changes in the average cosine of the underwater light fields: Implications for Remote sensing of shelf-seawaters——《Continental Shelf Research》20163.A practical model for sunlight disinfection of a subtropical maturation pond——《Water Research》20174.A spectral model for correcting sun glint and sky glint——《Conference paper: Ocean Optics》20165.Absorption correction and phase function shape effects on the closure of apparent optical properties——《Applied Optics》2016三、卫星数据验证1.Assessment of Atmospheric Correction Methods for Sentinel-2 MSI Images Applied to Amazon Floodplain Lakes——《Remote Sensing》20172.Impact of spectral resolution of in situ ocean color radiometric data in satellite matchups analyses——《Optics Express》20173.Response to Temperature of a Class of In Situ Hyperspectral Radiometers——《Journal of Atmospheric and Oceanic technology》20174.The impact of the microphysical properties of aerosol on the atmospheric correction of hyperspectral data in coastal waters——《Atmos. Meas. Tech.》20155.The Potential of Autonomous Ship-Borne Hyperspectral Radiometers for the Validation of Ocean Color Radiometry Data——《Remote Sensing》2016四、光合作用研究1.Basin-scale spatio-temporal variability and control of phytoplankton photosynthesis in the Baltic Sea: The first multiwavelength fast repetition rate fluorescence study operated on a ship-of-opportunity——《Journal of Marine Systems》20172.Chlorophyll a fluorescence lifetime reveals reversible UV?induced photosynthetic activity in the green algae Tetraselmis——《Eur Biophys J》20163.Physiological acclimation of Lessonia spicata to diurnal changing PAR and UV radiation: differential regulation among downregulation of photochemistry, ROS scavenging activity and phlorotannins as major photoprotective mechanisms——《Photosynth Res》20164.Primary production calculations for sea ice from bio-optical observations in the Baltic Sea——《Elementa: Science of the Anthropocene》20155.The Use of Rapid Light Curves to Assess Photosynthetic Performance of Different Ice- Algal Communities——《Norwegian University of Science and Technology》2017五、光学参数测量1.A novel method of measuring upwelling radiance in the hydrographic sub-hull——《J. Eur. Opt. Soc.》20162.Pelagic effects of offshore wind farm foundations in the stratified North Sea——《Progress in Oceanography》20173.Penetration of Visible Solar Radiation in Waters of the Barents Sea Depending on Cloudiness and Coccolithophore Blooms——《Oceanology》20174.Physical structures and interior melt of the central Arctic sea ice/snow in summer 2012——《Cold Regions Science and Technology》20166.Role of Climate Variability and Human Activity on Poopó Lake Droughts between 1990 and 2015 Assessed Using Remote Sensing Data——《Remote Sensing》2017六、光胁迫研究1.A (too) bright future? Arctic diatoms under radiation stress——《Polar Biol》20162.Comparison of bacterial growth in response to photodegraded terrestrial chromophoric dissolved organic matter in two lakes——《Science of the Total Environment》20173.Effects of halide ions on photodegradation of sulfonamide antibiotics: Formation of halogenated intermediates——《Water Research》20164.Effects of light and short-term temperature elevation on the 48-h hatching success of cold-stored Acartia tonsa Dana eggs——《Aquacult Int》20165.Effects of light source and intensity on sexual maturation, growth and swimming behaviour of Atlantic salmon in sea cages——《Aquacult Environ Interact》2017七、水下光场研究1.Effects of an Arctic under-ice bloom on solar radiant heating of the water column——《Journal of Geophysical Research: Oceans》20162.Influence of snow depth and surface flooding on light transmission through Antarctic pack ice——《Journal of Geophysical Research: Oceans》2016八、藻类水华监测1.A Novel Statistical Approach for Ocean Colour Estimation of Inherent Optical Properties and Cyanobacteria Abundance in Optically Complex Waters——《Remote Sensing》20172.Empirical Model for Phycocyanin Concentration Estimation as an Indicator of Cyanobacterial Bloom in the Optically Complex Coastal Waters of the Baltic Sea——《Remote Sensing》2016