一種海水生物光學(xué)剖面測量系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種海洋觀測設(shè)備，具體涉及一種海水生物光學(xué)剖面測量系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]海水生物光學(xué)特性，是指海水的光學(xué)特性與生物地球化學(xué)要素(包括葉綠素a濃度、色素組成、懸浮顆粒物、有色溶解有機(jī)物等)的相互關(guān)系特征以及建立在這些規(guī)律基礎(chǔ)上的反演算法。
[0003]海洋生物光學(xué)剖面測量的參數(shù)主要包括海水的吸收系數(shù)、散射系數(shù)、衰減系數(shù)、光合有效輻射等光學(xué)參量，并可加載多學(xué)科傳感器對海水溫度、鹽度、密度等水文參量以及海水PH等進(jìn)行同步測量。海水光學(xué)參量的變化與海水組成成分包括浮游植物、非藻類顆粒物、有色溶解有機(jī)物及其結(jié)構(gòu)等具有密切聯(lián)系，從而可進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對葉綠素a濃度、浮游植物種群結(jié)構(gòu)、懸浮顆粒物濃度及粒級結(jié)構(gòu)、顆粒有機(jī)物濃度、溶解有機(jī)物濃度等生物地球化學(xué)參數(shù)的推算。光合有效輻射數(shù)據(jù)的獲取是深入研究浮游植物光合作用過程、精確估算上層海洋初級生產(chǎn)力的重要參數(shù)。匹配多學(xué)科傳感器獲取的水文參數(shù)及化學(xué)參數(shù)，可為分析海洋生態(tài)參數(shù)的剖面分布特征提供重要的背景參考。
[0004]海洋生物光學(xué)剖面測量具有原位、高垂向分辨率、多學(xué)科參數(shù)同步測量等優(yōu)勢，可以作為海水中關(guān)鍵生物地球化學(xué)參數(shù)(包括葉綠素a濃度、顆粒有機(jī)碳濃度、懸浮顆粒物濃度等)剖面變化信息獲取的重要手段，亦可為多學(xué)科綜合交叉研究海洋生物地球化學(xué)過程提供依據(jù)。
[0005]海洋生物光學(xué)剖面的觀測數(shù)據(jù)可用于研究不同動(dòng)力過程驅(qū)動(dòng)下上層海洋的生物地球化學(xué)過程。
[0006]具體的主要研究內(nèi)容包括，
[0007](I)基于葉綠素a熒光剖面，揭示浮游植物的垂向分布規(guī)律及其對溫躍層、營養(yǎng)鹽躍層變化、光衰減等環(huán)境因素的響應(yīng)，并耦合一維或三維生態(tài)動(dòng)力耦合模型探索其機(jī)制；
[0008](2)基于海水吸收光譜變化剖面，實(shí)現(xiàn)對浮游植物和非藻類物質(zhì)吸收貢獻(xiàn)的分解，從而研究其剖面變化特征及其對動(dòng)力背景過程的響應(yīng);已有些研究可實(shí)現(xiàn)對浮游植物粒級結(jié)構(gòu)的反演，從而為剖面監(jiān)測浮游植物種群結(jié)構(gòu)變化展示了可行性；已有研究應(yīng)用于特殊生態(tài)系統(tǒng)比如珊瑚礁等附近水體組分的調(diào)查分析；
[0009](3)基于海水衰減系數(shù)變化剖面，研究近岸底層水體懸浮顆粒物沉降及粒徑結(jié)構(gòu)分布特征，或基于衰減系數(shù)與顆粒有機(jī)物之間的線性相關(guān)模型，研究顆粒有機(jī)碳的剖面分布規(guī)律;并嘗試對浮游植物碳含量進(jìn)行估算，應(yīng)用于海洋初級生產(chǎn)過程或碳通量的估算；
[0010](4)海水顆粒物的后向散射系數(shù)剖面分布與衰減系數(shù)具有較好的一致性，也可用于初步揭示顆粒有機(jī)物的垂向變化規(guī)律；
[0011 ]現(xiàn)有的海水生物光學(xué)剖面測量儀器主要包括兩大類:
[0012]—類是集成了海水吸收/衰減、后向散射、海水溫鹽等參數(shù)的儀器，可用于船載航次的剖面投放;其核心為美國Wetlabs公司的acs，bb9或美國HobiIabs公司的HS6，自上世紀(jì)末以來，應(yīng)用于全球多個(gè)海區(qū)的調(diào)查觀測，以及耦合沿岸動(dòng)力過程的多學(xué)科交叉研究。這一類剖面觀測儀器一般是用于船載航次中現(xiàn)場投放觀測。
[0013]另一類剖面測量儀器包括單個(gè)波段衰減系數(shù)或后向散射系數(shù)測量儀、下行輻照度傳感器、熒光等光學(xué)儀器、溫鹽以及溶解氧、硝酸鹽等化學(xué)傳感器，可實(shí)現(xiàn)海洋的自動(dòng)剖面測量，比如水下滑翔機(jī)Glider、生物光學(xué)浮標(biāo)B1-Argo等;為我們進(jìn)一步認(rèn)識大洋水體的生物地球化學(xué)過程、理解全球氣候變化提供了新的觀測數(shù)據(jù)。這類儀器可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)剖面觀測，可應(yīng)用于船只難以觀測的海區(qū)，在較大時(shí)間或空間尺度上提供剖面分布數(shù)據(jù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的在于:提供一種新的海水生物光學(xué)剖面測量系統(tǒng)，與現(xiàn)有的測量系統(tǒng)相比，能夠更加準(zhǔn)確、便捷地進(jìn)行海水的生物光學(xué)剖面測量。
[0015]本發(fā)明的上述目的通過以下方案實(shí)現(xiàn):
[0016]—種海水生物光學(xué)剖面測量系統(tǒng)，其包括半開放式的框架和所述框架內(nèi)裝載的測試設(shè)備組成，所述測試設(shè)備包括海水光吸收和衰減系數(shù)測量設(shè)備、光合有效輻射測量設(shè)備、水色三要素測量設(shè)備、海水PH值測量設(shè)備、海水總顆粒物粒徑檢測設(shè)備以及海水壓力、溫度和電導(dǎo)率測量設(shè)備。
[0017]本發(fā)明所述的海水生物光學(xué)剖面測量系統(tǒng)中，所述的海水光吸收和衰減系數(shù)測量設(shè)備用于原位測量海水的光吸收和衰減系數(shù);所述的光合有效輻射測量設(shè)備用于測量海水輻照度;所述的水色三要素測量設(shè)備用于測量海水的葉綠素、有色可溶性有機(jī)物和紅光散射。
[0018]所述海水光吸收和衰減系數(shù)測量設(shè)備包括外部艙體以及安裝于所述外部艙體內(nèi)的機(jī)械及光學(xué)組件，其中，所述機(jī)械及光學(xué)組件包括:發(fā)光單元、采樣單元、探測單元和信號采集分析單元，其中:
[0019]所述發(fā)光單元包括主通道以及在主通道的后端分成的三路分通道，所述主通道和分通道之間相互連通，所述主通道內(nèi)設(shè)置有產(chǎn)生光信號的光源組件，在主通道與分通道的連通處設(shè)置有用于將所述光信號分成三束的分束器，使光信號被分成三束后分別進(jìn)入三路分通道;在三路分通道中，其中第一分通道和第二分通道的終端分別開有封閉的第一窗口和第二窗口；
[0020]所述探測單元包括三路接收通道，其中，第一接收通道和第二接收通道的始端分別開有封閉的第三窗口和第四窗口，第三接收通道與第二接收通道相連通；
[0021 ]所述采樣單元包括用于連接第一窗口和第三窗口的第一水樣通道以及用于連接第二窗口和第四窗口的第二水樣通道；
[0022]所述信號采集分析單元設(shè)有光譜分析儀；
[0023]第三分通道的終端通過光纖與第三接收通道的終端相連，在第三接收通道與第二接收通道的連通處安裝一合束器，所述合束器用于將第三分通道中的光信號經(jīng)第三接收通道后與第二分通道中的光信號經(jīng)第二接收通道后進(jìn)行合分，然后再傳送至第二接收通道的終端，所述第一分通道中的光信號傳送至第一接收通道的終端;所述第一接收通道的終端以及第二接收通道的終端均通過光纖與光譜分析儀連接。
[0024]所述的海水光吸收和衰減系數(shù)測量設(shè)備中，發(fā)光單元為海水參數(shù)測量提供光譜豐富性能穩(wěn)定的光源;采樣單元主要實(shí)現(xiàn)水體樣品的采樣;探測單元實(shí)現(xiàn)光輻射信號的探測，該信號中攜帶著海水的參數(shù)信息；信號采集分析單元可以對探測到的信息進(jìn)行光譜分析，為海水的光衰減和吸收參數(shù)計(jì)算提供基礎(chǔ)參數(shù)數(shù)據(jù)。
[0025]所述外部艙體包括第一艙體、第二艙體以及連接所述第一艙體和第二艙體的連接件構(gòu)成，所述第一艙體和第二艙體均分別由柱狀艙體及其兩端的端蓋組成，所述第一艙體和第二艙體正向相對并呈直線排列，所述發(fā)光單元安裝于第一艙體中，所述探測單元以及信號采集分析單元安裝于第二艙體中。
[0026]所述第一至三分通道為吸收通道、衰減通道和參考通道，所述第一至三接收通道分別為吸收接收通道、衰減接收通道和參考接收通道，所述第一至四窗口分別為第一吸收窗口、第一衰減窗口、第二吸收窗口和第二衰減窗口。
[0027]所述主通道的后端延伸形成衰減通道，所述參考通道與衰減通道直接連通，所述吸收通道與主通道直接連通，所述分束器包括設(shè)置于吸收通道與主通道的連通處的第一分束器、以及設(shè)置于參考通道與衰減通道的連通處的第二分束器。
[0028]所述第一吸收窗口、第一衰減窗口、第二吸收窗口和第二衰減窗口均為同一高度和方向，它們均通過藍(lán)寶石進(jìn)行封閉；所述第一吸收通道包括與主通道垂直并連通的垂直吸收通道以及與所述垂直吸收通道垂直并連通的平行吸收通道，在所述垂直吸收通道與平行吸收通道的連通處安裝一直角棱鏡。
[0029]所述光源組件包括按空間順序從主通道的前端至其后端依次設(shè)置的光源、聚光組件、衰減組件、光闌組件和第一快門組件。
[0030]在所述光源安裝于一開口朝向聚光組件的聚光罩中，在第一分束器與第一快門組件之間的光路上還安裝一準(zhǔn)直鏡組，在參考通道中、合束器與衰減接收通道的終端之間的衰減接收通道中、以及合束器與參考接收通道的終端之間的參考接收通道中分別安裝有第一匯聚鏡組、第二匯聚鏡組和第三匯聚鏡組;所述吸收接收通道中安裝有勻化器和能量收集器，所述勻化器位于第二吸收窗口側(cè)。
[0031 ]在合束器與第二衰減窗口之間的衰減接收通道中、以及第三匯聚鏡組遠(yuǎn)離合束器一側(cè)的參考接收通道中分別安裝有第二快門組件和第三快門組件。
[0032]光合有效輻射測量設(shè)備為PAR光量子傳感器；所述水色三要素測量設(shè)備為ECOTriplet-w水色三要素測量儀;所述海水pH值測量設(shè)備為SBE18pH傳感器;所述海水總顆粒物粒徑檢測設(shè)備為LISST-100X激光粒度儀;所述海水壓力、溫度和電導(dǎo)率測量設(shè)備為OS304Pl