專利名稱：海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)及測量方法
海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)及測量方法技術領域
本發(fā)明屬于海水溫度測量技術領域，針對海水特性低溫段(_20°C 60°C )而設計的紅外測溫系統(tǒng)。
背景技術：
海水溫度是研究海洋學的一個重要參數(shù)，它能直接反映全球氣候變化和全球海洋整體特征分布。準確地測量海水表面溫度，對研究海洋溫度具有決定性的意義。目前海水表面溫度測量的方法主要是接觸式測量如固定站位CTD測量儀，測量傳感器鏈等。固定站位CTD測量儀和海水溫度測量傳感器鏈設備較為繁瑣，測溫誤差較大，體積龐大，長期浸泡和拖拽，會使其測溫準確度降低。
目前的紅外測溫儀沒有針對某一物質的紅外波長來進行標定，不同物質的紅外輻射波長不定會導致測溫準確性的下降。經研究，白天海水的紅外輻射亮度最大值在波長為 1. 06 μ m處，而夜間海洋的熱輻射主要在波長為4 μ m以上；同時，通過輻射測溫儀能測量到的表層500 μ m水深之內的海水溫度，是海洋和大氣熱交換的主要海水層。針對該水層的紅外測溫系統(tǒng)可以很好的解決上述困難，從而很好的達到測量海水表面溫度的目的。發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在于提供一種可裝載在船舶上的非接觸式海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)及測溫方法。這種方法可以有效的消除環(huán)境因素及白晝差異對傳感器采集信號的干擾，提高測溫精度。
本發(fā)明提供的海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)，包括
光學鏡頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)垂直于海平面，用以獲取海水表面輻射的紅外信號，包括一個半透半反鏡片，一個反射鏡片，兩個聚焦鏡頭，兩個紅外探測器；其中半透半反鏡片與水平面成45°夾角傾斜放置，反射面向下，反射鏡片與半透半反鏡片平行放置，反射面向上， 在反射鏡片的反射光路上依次設置第一聚焦鏡頭和第一紅外探測器，在半透半反鏡片的透射光路上依次設置第二聚焦鏡頭和第二紅外探測器，兩個紅外探測器分別連接雙通道數(shù)據處理系統(tǒng)，其中，聚焦鏡頭在距紅外探測器一倍焦距處；
光線強度傳感器，用于接受戶外光線，識別光線強度，并設定閾值以識別白晝與黑夜，控制光學鏡頭系統(tǒng)中的兩個紅外探測器的工作與否；
雙通道數(shù)據處理系統(tǒng)，用于分別對光學鏡頭系統(tǒng)中的兩個紅外探測器輸入的電信號進行放大、A/D轉換和數(shù)據處理，擬合出海水溫度與電壓信號的變化曲線，并計算出海水表面的準確溫度；
鍵盤，用于定標時輸入接觸式測量的溫度；
顯示器，用于對雙通道數(shù)據處理系統(tǒng)輸出的海水表面準確溫度數(shù)值進行顯示。
所述的光學鏡頭系統(tǒng)中，半透半反鏡片可透射波長為8 14 μ m的紅外輻射，反射鏡片具有一個反射膜和聚焦鏡片，可反射中心波長1. 06 μ m的紅外輻射，兩個聚焦鏡頭可將兩束紅外輻射分別聚焦于兩個紅外探測器上。所述的兩個紅外探測器為兩個硅光伏探測器，其中第一硅光伏探測器用于接收白晝1. 06 μ m波長的紅外輻射，第二硅光伏探測器用于接收夜晚8 14 μ m波長紅外輻射，從而達到探測紅外信號的作用。本發(fā)明同時提供了一種海水表面溫度紅外測量方法，該方法包括第1、定標使用權利要求1所述的海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)(_20°C 60°C )，采用直接接觸式測溫和曲線擬合的方法進行定標，繪制出標準的海水表面溫度T和電壓信號U的對應曲線，具體如下一次定標采集某點5個不同溫度，CTD采集的標準溫度分別為1\、T2, T3、T4、T5,對同點同時海水表面溫度測量系統(tǒng)所采集的電壓信號為U” u2、u3、u4、u5，利用最小二乘法，將 T和U對應的曲線描繪出來，得到海水表面溫度與電壓信號的標準曲線，即定標完成，此曲線就是符合特定時間、特定海域的海水表面溫度曲線；第2、測量使用權利要求1所述的海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)，進行海水表面溫度測量，獲得與海水表面溫度對應的電壓信號U，通過第1步得到的海水表面溫度與電壓信號的標準曲線查找與電壓信號U對應的溫度值T，即可測量出海水表面溫度的確切值，而不受CTD測溫儀限制。本發(fā)明測溫方法的原理實際測量海水溫度時，情況往往比較復雜，造成實際測量的信噪比發(fā)生變化。為了在計算方法上減小干擾影響，海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)采用直接接觸式測溫和曲線擬合的方法來定標。其中設1)海水表面實際輻射能量為Mtl(T)，對應的電壓信號為Utl(T)；2)太陽輻射能量為M1(T),對應的電壓信號為UnoiseJT)；3)由于地域和環(huán)境變化引起的海水表面變化產生的噪聲干擾電壓信號為 Unoise2(T)；4)由紅外測溫設備本身電路引起的噪聲干擾對應的電壓信號為Unoisetl(T)。對于某一環(huán)境(天氣情況、地理位置等)下的白晝，Unoise1(T)和Unoise2(T)是穩(wěn)定的，那么可以認為它們是一個定值，而Unoisetl(T)也是穩(wěn)定的，是一個定值。所以，如果設U1(T) = Unoise1 (T) +Unoise2 (T) +Unoise0 (T)則在同樣的外界條件下，U1(T)就可以看作是一個定值，它不隨海水表面溫度的變化而變化。由此，在光電轉換器得到的電壓為U (T) = U0 (T) +U1 (T)式中，只有Utl(T)是隨海水表面溫度而變化的。只要用接觸式的測溫設備測出海水表面的真實溫度T，就可確定U(T)與T的對應關系。根據數(shù)理實驗的推導，這種關系是一一對應的，通過曲線擬合，就能找到這個一一對應的關系。根據維恩公式，當紅外測溫儀采用的測溫中心波長λ為1.06μπι時，其海水表面的紅外輻射能E1和溫度T的關系可以表示為
E1 = λτλ
其中C1 = 2 Jihc2 = 3. 74X 108(Wgym4/m2)，c2 = hc/KB = 1. 44X IO4(PmgK)
通過此關系式可擬合出溫度變化曲線，并計算出海水表面的準確溫度。
對于某一環(huán)境(天氣情況、地理位置等)下的黑夜，沒有Unoise1(T)，Unoise2(T) 是穩(wěn)定的，那么可以認為它是一個定值，而Unoisetl(T)也是穩(wěn)定的，是一個定值。所以，如果設
U1(T) = Unoise2 (T)+Unoise0 (T)
則在同樣的外界條件下，U1(T)就可以看作是一個定值，它不隨海水表面溫度的變化而變化。由此，在光電轉換器得到的電壓為
U (T) = U0 (T) +U1 (T)
式中，只有Utl(T)是隨海水表面溫度而變化的。只要用接觸式的測溫設備測出海水表面的真實溫度T，就可確定U(T)與T的對應關系。根據數(shù)理實驗的推導，這種關系是一一對應的，通過曲線擬合，就能找到這個一一對應的關系。根據瑞利-普金公式，當紅外測溫系統(tǒng)采用波長為8 14 μ m紅外輻射，其海水表面紅外輻射能&和T之間的關系為廠C1 T
E2 = ^g-JC2 Λ
通過此關系式可擬合出溫度變化曲線，并計算出海水表面的準確溫度。
本發(fā)明的優(yōu)點和積極效果
本發(fā)明光學鏡頭系統(tǒng)中采用半透半反鏡片與反射鏡片結合的設計，這樣有選擇性的避開其他物質所發(fā)射的紅外能量的干擾，達到提高測溫準確性的目的，同時區(qū)分白晝和夜晚光線強弱對測溫準確度的影響。
本發(fā)明選擇兩個硅光伏探測器作為紅外探測元件，其中一個用于接收白晝 1. 06 μ m波長的紅外輻射，另外一個接收夜晚8 14 μ m波長紅外輻射，從而達到探測紅外信號的作用。并且硅光伏探測元件的價格低廉，利用硅光伏探測元件作為紅外探測器可以降低該測溫系統(tǒng)的成本。
本發(fā)明測溫系統(tǒng)中加入光線強度傳感器進行閾值設定，通過光線傳感系統(tǒng)感受光線亮度的強弱，劃分白晝與夜晚的，從而控制紅外傳感器的工作與否。
本發(fā)明可實時監(jiān)測海水表面的溫度，克服了目前流行的接觸式測溫儀在測量海水溫度時所存在的弊端，增強紅外測溫系統(tǒng)的抗干擾能力，提高測量準確度。


圖1為海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)裝置示意圖2為海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)結構示意圖3為海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)信號流程圖4為海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)某次測量擬合曲線。具體實施方案
實施例1、海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)
如圖1所示，為海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)(_20°C 60°C )裝置示意圖，該裝置可架于船舷之上，其中，A為光學鏡頭系統(tǒng)，它垂直于海平面，用以獲取海水表面輻射的紅外信號；B為光線強度傳感器，用以控制紅外探測器的工作與否；C為顯示器，用以顯示測量的海水溫度數(shù)值；D為數(shù)據處理系統(tǒng)，用以信號處理及計算；E為支架，用于固定該設備。光學鏡頭系統(tǒng)的設計如圖2所示，F(xiàn)為海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)的光學鏡頭系統(tǒng)，其中G為8 14 μ m波長半透半反鏡片，可透射8 14 μ m的紅外信號，反射其他波長信號，I2為第二聚焦鏡頭，可將通過G的紅外光線聚焦于第二紅外探測器J2上；圖2中H為 0. 96 1. 16 μ m波長反射鏡片，它可反射0. 96 1. 16 μ m的紅外信號，濾除其他波長信號， I1為第一聚焦鏡頭，可將H反射的紅外光線聚焦于第一紅外探測器J1上。其中鏡片G、H平行，按反射面相對，并以與水平面斜45°夾角放置，I1和I2在一個平面上分別距Λ、J2為一倍焦距。紅外探測器的設計如圖2所示F中，J1, J2分別為第一和第二硅光伏探測器，其作用是將紅外信號轉化為電壓信號，并傳輸給雙通道數(shù)據處理系統(tǒng)，其中J1用于接收并轉化 (0.96 1. 16 μ m)白晝紅外信號，J2用于接收并轉化(8 14 μ m)夜間紅外信號；紅外探測器Λ、J2的工作與否受光線傳感器M的控制。光線傳感器的設計如圖2所示，選擇合適的光線傳感器M，并為其設置一定閾值， 用以區(qū)分白晝與黑夜，并且控制紅外探測器JpJ2W工作與否，例如設置閾值為32. 5cd(坎德拉)，當戶外光線高于32. 5cd時，視為白天，則J1工作；可見光強度達不到32. 5cd,視為黑夜，則J2工作。雙通道數(shù)據處理系統(tǒng)的選用如圖2所示，圖中K為雙通道數(shù)據處理系統(tǒng)，其中包含信號放大器、A/D轉換器以及運算器。具體可選用大容量FIFO芯片UPD42280及高性能浮點型數(shù)字信號處理器TMS320C32。具體信號流程如圖3所示，經過硅光伏探測器J1或J2, 紅外信號轉化為電信號，分別經由兩條通路進入數(shù)據處理系統(tǒng)，經放大器、A/D轉換，再通過鍵盤N將接觸式所測溫度信號輸入，進行計算、擬合，得出準確的溫度數(shù)值，由顯示器進行顯不。實施例2、海水表面溫度紅外測量方法采用直接接觸式測溫和曲線擬合的方法進行定標，繪制出標準的海水表面溫度T 和電壓信號U的對應曲線；于某船舶，將海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)(_20°C 60°C )架于船舷之上，將該測溫系統(tǒng)鏡頭對準海面某點，并于該點放置CTD接觸式測溫儀。第1、定標海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)采用直接接觸式(CTD)測溫和曲線擬合的方法來定標。一次定標采集某點5個不同溫度(見表1)，CTD采集的標準溫度分別為I\、T2、T3、T4、T5， 將所測溫度依次輸入海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)，對同點同時海水表面溫度測量系統(tǒng)所采集的電壓信號為Ui、U2、U3、U4、U5 (具體信號流程如圖3所示)，利用最小二乘法，將T禾Π U對應的曲線描繪出來，得到海水表面溫度與電壓信號的標準曲線，即定標完成，此曲線就是符合特定時間、特定海域的海水表面溫度曲線，見圖4。第2、測量使用權利要求1所述的海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)，進行海水表面溫度測量，獲得與海水表面溫度對應的電壓信號U6 = 56. 34mV、U7 = 60. 59mV，通過第1步得到的海水表面溫度與電壓信號的標準曲線查找與電壓信號U6、U7對應的溫度值T6 = 20. 23°C，T7 = 27. ^TC，即為測量出海水表面溫度的確切值，而不受CTD測溫儀限制，測量完成。
表1某日16:00 19:00渤海灣海水表面某點溫度及電壓
權利要求
1.一種海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)，其特征在于該系統(tǒng)包括光學鏡頭系統(tǒng)，該系統(tǒng)垂直于海平面，用以獲取海水表面輻射的紅外信號，包括一個半透半反鏡片，一個反射鏡片，兩個聚焦鏡頭，兩個紅外探測器；其中半透半反鏡片與水平面成45°夾角傾斜放置，反射面向下，反射鏡片與半透半反鏡片平行放置，反射面向上，在反射鏡片的反射光路上依次設置第一聚焦鏡頭和第一紅外探測器，在半透半反鏡片的透射光路上依次設置第二聚焦鏡頭和第二紅外探測器，兩個紅外探測器分別連接雙通道數(shù)據處理系統(tǒng)，其中，聚焦鏡頭在距紅外探測器一倍焦距處；光線強度傳感器，用于接受戶外光線，識別光線強度，并設定閾值以識別白晝與黑夜， 控制光學鏡頭系統(tǒng)中的兩個紅外探測器的工作與否；雙通道數(shù)據處理系統(tǒng)，用于分別對光學鏡頭系統(tǒng)中的兩個紅外探測器輸入的電信號進行放大、A/D轉換和數(shù)據處理，擬合出海水溫度與電壓信號的變化曲線，并計算出海水表面的準確溫度；鍵盤，用于定標時輸入接觸式測量的溫度；顯示器，用于對雙通道數(shù)據處理系統(tǒng)輸出的海水表面準確溫度數(shù)值進行顯示。
2.根據權利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的光學鏡頭系統(tǒng)中，半透半反鏡片可透射波長為8 14 μ m的紅外輻射，反射鏡片具有一個反射膜和聚焦鏡片，可反射中心波長 1. 06 μ m的紅外輻射，兩個聚焦鏡頭可將兩束紅外輻射分別聚焦于兩個紅外探測器上。
3.根據權利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于所述的兩個紅外探測器為兩個硅光伏探測器，其中第一硅光伏探測器用于接收白晝1. 06 μ m波長的紅外輻射，第二硅光伏探測器用于接收夜晚8 14 μ m波長紅外輻射，從而達到探測紅外信號的作用。
4.一種海水表面溫度紅外測量方法，其特征在于該方法包括第1、定標使用權利要求1所述的海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)(_20°C 60°C )，采用直接接觸式測溫和曲線擬合的方法進行定標，繪制出標準的海水表面溫度T和電壓信號U的對應曲線， 具體如下一次定標采集某點5個不同溫度，CTD采集的標準溫度分別為1\、T2, T3> T4, T5,對同點同時海水表面溫度測量系統(tǒng)所采集的電壓信號為U” U2, U3、U4、U5,利用最小二乘法，將T和 U對應的曲線描繪出來，得到海水表面溫度與電壓信號的標準曲線，即定標完成，此曲線就是符合特定時間、特定海域的海水表面溫度曲線；第2、測量使用權利要求1所述的海水表面溫度紅外測量系統(tǒng)，進行海水表面溫度測量，獲得與海水表面溫度對應的電壓信號U，通過第1步得到的海水表面溫度與電壓信號的標準曲線查找與電壓信號U對應的溫度值T，即可測量出海水表面溫度的確切值，而不受CTD測溫儀限制。
全文摘要
一種非接觸式海水表面溫度(-20℃~60℃)紅外測量系統(tǒng)及測量方法。本發(fā)明可架于船舶之上，并以垂直傾角指向海面。本發(fā)明可區(qū)分白晝和黑夜，針對不同環(huán)境進行紅外信號提取，采用8~14μm半透半反膜提取夜間海水表層紅外信號，用1.06μm中心波長反射膜提取白晝紅外信號，利用光線傳感器控制兩路硅光伏探測元件分別工作，將所獲取的紅外信號轉化為電信號，再經過信號處理系統(tǒng)，曲線擬合的方法，直接計算出海水表面的準確溫度，并顯示。本發(fā)明可實時監(jiān)測海水表面的溫度，克服目前流行的接觸式測溫儀在測量海水溫度時所存在的弊端，增強紅外測溫系統(tǒng)的抗干擾能力，提高測量準確度。
文檔編號G01J5/10GK102494779SQ201110403689
公開日2012年6月13日 申請日期2011年12月7日 優(yōu)先權日2011年12月7日
發(fā)明者李冰, 王茂榕, 萇浩, 趙彩敏, 趙思寧, 邢志廣, 魏臻 申請人:天津理工大學