本實用新型涉及海洋環(huán)境監(jiān)測領域，尤其涉及一種基于浮標的海洋云高長期在線監(jiān)測裝置。

背景技術：

云是一種常見的天氣現象，云是大氣中熱力過程和動力過程的外部表現，同時也是水分循環(huán)的重要環(huán)節(jié)。云不僅是影響日常工作生活的重要天氣現象，也被確認為是威脅空軍系統(tǒng)和任務成功的最顯著限制因素之一。云的觀測在大氣科學研究和氣象業(yè)務中(如分析天氣、氣候環(huán)境變化、水汽相變過程、天氣預報等)起著至關重要的作用。

目前云高觀測的方法主要有人工目測、氣球探測、飛機探測、空基衛(wèi)星觀測和地基觀測等。其中岸上人工觀測人為誤差大，且只能觀測岸上和近岸云高，無法實現遠海云高觀測；氣球觀測時間長，成本高，時空分辨率較低，不能對云進行長時間連續(xù)變化觀測，且在海上更加難以操作；飛機探測一般為機載微波輻射計形式，可靈活機動實現某一區(qū)域的快速觀測，但成本高，受強對流天氣影響大；空基衛(wèi)星觀測主要包括可見光、紅外、微波被動遙感和星載雷達主動遙感，具有空間覆蓋廣等優(yōu)勢，但其對于低云探測效果不夠好，難以對局部特定海域進行精細化觀測，而這恰恰是海上船只航行特別是海上飛機飛行特別關注的，而且空基觀測易受各種大氣物質及地球表面特征的影響；地基觀測主要包括毫米波雷達、激光雷達、微波輻射計和全天空成像輻射儀等方式，其中激光雷達以其簡單便攜、能夠測量多層(3層)云的垂直結構、空間分辨率高等優(yōu)點越來越受到重視，而且適合于海上船載觀測，不過船載云高觀測需要動用船只航行觀測，費用昂貴，而且不能實現海上長期連續(xù)監(jiān)測。

而海洋環(huán)境監(jiān)測浮標是一種錨定于海上，能夠對布放海域進行長期、連續(xù)、實時觀測的現代化自動海洋環(huán)境觀測平臺，具有抗擊臺風等極端惡劣天氣的能力。因此亟需提出一種基于浮標的海洋云高長期連續(xù)監(jiān)測裝置和方法，能夠結合海洋環(huán)境監(jiān)測浮標及激光雷達云高儀的優(yōu)點，實現海上多層(3層)云高、云厚等參數的長期、連續(xù)觀測，為海上氣象科學研究、氣象業(yè)務觀測和預報、船只、飛機航行等提供數據支撐。

技術實現要素：

本實用新型的目的是提供一種基于浮標的海洋云高長期在線監(jiān)測裝置，以克服目前海上云高難以長期連續(xù)監(jiān)測的不足。

一種基于浮標的海洋云高長期在線監(jiān)測裝置，其特征在于包括浮標、該浮標上安裝有激光云高儀，所述的激光云高儀還連接有浮標姿態(tài)測量模塊、云高修正補償模塊、通訊模塊和氣象水文觀測子系統(tǒng)；

所述浮標用于安裝激光云高儀、浮標姿態(tài)測量模塊、氣象水文觀測子系統(tǒng)、通訊模塊，并為各裝置提供電源；

所述激光云高儀的鏡頭前設有濾光片，所述濾光片采用905nm半帶寬2nm的窄帶干涉濾光片，置于激光云高儀的接收透鏡與光電探測器之間；激光云高儀向上空發(fā)射波長為905nm的近紅外波段激光脈沖；

所述激光云高儀包括全密封的殼體，殼體具有傾斜的上表面，且上表面設有兩個透鏡窗口；并在透鏡窗口外設有全自動電刷，以實現按照設定時間對鏡頭進行清理；

所述浮標姿態(tài)測量模塊為高精度姿態(tài)測量儀，用于測量浮標平臺的艏向、橫滾和縱搖的姿態(tài)參數，

所述氣象水文觀測子系統(tǒng)，用于觀測浮標布放海域的包括風速風向、近海面的溫度、濕度、壓強和波浪、海流在內的常規(guī)氣象水文參數，為海上激光云高觀測提供綜合海洋環(huán)境參考；

所述云高修正補償模塊，根據云高儀的姿態(tài)參數，實現云高觀測的修正和補償，

所述通訊模塊，用于將觀測的云高、云厚和常規(guī)氣象水文環(huán)境參數進行編碼，并通過常規(guī)通訊方式傳輸到岸上數據接收處理中心，供用戶使用。

所述電源采樣太陽能電池板和蓄電池相結合的方式。

所述全自動電刷系統(tǒng)包括電刷驅動電機，電機的轉軸前端通過鉸鏈部件連接電刷，通過電機驅動電刷在透鏡窗口上往復清掃。

所述電刷驅動電機采用36HSY型低功耗步進電機；所述電刷采用小型多功能雨刷。

所述浮標姿態(tài)測量模塊采用XW-GI5651型高精度姿態(tài)測量儀。

發(fā)明優(yōu)點

云高儀通常為陸地固定使用，要求垂直或傾斜固定角度安裝。浮標是一種錨定于海上，能夠對布放海域進行長期、連續(xù)、實時觀測的現代化自動海洋環(huán)境觀測平臺，是一種隨風、浪、流搖擺、俯仰、升沉運動的浮動平臺，還有海上鹽霧、風浪等惡劣環(huán)境影響，而本實用新型的浮標上云高觀測的技術解決了上述諸多問題。

本實用新型基于浮標的激光雷達云高觀測，測量結果準確可靠，可實現遠離海岸的長期、連續(xù)、實時的高精度、高時空分辨率云高、云厚及常規(guī)海洋氣象水文的海洋環(huán)境監(jiān)測，為海洋大氣科學研究、天氣預報、海洋航運、海上軍事等提供準確可靠的數據支撐，填補海上長期、連續(xù)、實時、高精度云量觀測的空白，對海洋經濟、海洋科技和海上維權等多個領域的發(fā)展具有重要意義。

附圖說明

圖1本實用新型的原理示意圖

圖2本實用新型的主體結構示意圖

圖3云高儀清理透鏡窗口的示意圖(云高儀正視圖)。

圖4云高儀的濾光示意圖(云高儀側向剖視圖)。

圖5本實用新型的云高校正補償示意圖。

圖6實時云演變圖及原始信號廓線圖，

其中，(A)浮標上云高儀測量結果圖，(B)岸上云高儀測量結果圖。

圖7浮標上云高儀與岸上云高儀測量結果比測圖，(a)為云高比測，(b)為云厚比測。

其中，1.浮標姿態(tài)測量模塊、2.激光云高儀、3.云高修正補償模塊、4.浮標、5.海水、6.錨系、7.云、8.通訊模塊、9.常規(guī)氣象水文觀測系統(tǒng)；21、轉軸，22、透鏡窗口，23、光電接收器，24、電機，25、雨刷，26、接收透鏡，27、窄帶干涉濾光鏡。

具體實施方式

如圖2-4，一種基于浮標的海洋云高長期在線監(jiān)測裝置，其特征在于包括浮標4、該浮標4上安裝有激光云高儀2，所述的激光云高儀2還連接有浮標姿態(tài)測量模塊1、云高修正補償模塊3、通訊模塊8和氣象水文觀測子系統(tǒng)9；

所述浮標4用于安裝激光云高儀2、浮標姿態(tài)測量模塊1、氣象水文觀測子系統(tǒng)9、通訊模塊8，并為各裝置提供電源；電源采樣太陽能電池板和蓄電池相結合的方式；浮標平臺采用帶點系留方式，具有抵御海上臺風等惡劣海洋環(huán)境的能力；

安裝在浮標4上的激光云高儀2，由于浮標4的搖擺晃動，不可避免的存在太陽光直射云高儀的情況，為了解決太陽直射對儀器的損害，設計合適的濾光環(huán)節(jié)，當太陽直射時，濾除大量太陽光；其他情況時，盡量減少濾光片對云高測量信號的衰減；所述激光云高儀2的光電接收器23鏡頭前設有窄帶干涉光鏡27(簡稱濾光片)，所述濾光片采用905nm半帶寬2nm的窄帶干涉濾光片，置于激光云高儀2的接收透鏡26與光電接收器23之間；

所述激光云高儀2用于觀測激光傳播路徑上的云高、云厚信息，所述激光云高儀2向上空發(fā)射激光脈沖，所述激光波長為905nm、且受自然環(huán)境光影響小的近紅外波段，所述激光云高儀2通過接收大氣對激光脈沖的后向散射實現探測分析大氣在不同高度的組成成分，因水汽成分對光的后向散射的貢獻很大，從而可以分析出云高信息。激光云高儀的工作過程為：儀器發(fā)射快速、低能量的激光脈沖到大氣中，探測部分接收上方自云和氣溶膠的后向散射激光信號，通過高靈敏度的光電接收器23將光信號轉換為電信號，被高速光子計數器采集后存入處理機，進而計算出云高、云厚等信息。

所述激光云高儀2包括全密封的殼體，殼體具有傾斜的上表面，且上表面設有兩個透鏡窗口22；采用全密封外殼以實現海上防潮、防霉、防鹽霧，并在透鏡窗口22外配備全自動電刷系統(tǒng)，以實現按照設定時間對鏡頭進行清理；

所述全自動電刷系統(tǒng)包括電刷驅動電機24，電機24的轉軸21前端通過鉸鏈部件連接電刷25，通過電機24驅動電刷在透鏡窗口22上往復清掃；所述電刷驅動電機24采用36HSY型低功耗步進電機，控制簡單，外形尺寸36×36mm，額定功率5W；所述電刷25采用小型多功能雨刷，可有效刮去雨、雪灰塵，保持云高儀鏡頭整潔；

所述浮標姿態(tài)測量模塊1用于測量浮標平臺的艏向、橫滾和縱搖的姿態(tài)參數，由于云高儀2固定安裝在浮標平臺上，這也是云高儀2的姿態(tài)參數，以實現云高觀測的修正和補償；

所述浮標姿態(tài)測量模塊1為高精度姿態(tài)測量儀，采用XW-GI5651型高精度姿態(tài)測量儀，采用多傳感器數據融合技術將衛(wèi)星定位與慣性測量相結合，航向測量精度可達0.1°，姿態(tài)測量精度可達0.1°，數據更新速率可達100Hz，可實現云高儀姿態(tài)的快速準確測量；

所述氣象水文觀測子系統(tǒng)9，用于觀測浮標布放海域的風速風向、近海面的溫度、濕度、壓強和波浪、海流等常規(guī)氣象水文參數，為海上激光云高觀測提供綜合海洋環(huán)境參考。由浮標觀測的海洋風速風向環(huán)境參數，可以判斷出云的運動方向，再結合云高云厚等信息，進而計算出天空中云量多少；因此，云高數據根據常規(guī)的氣象水文觀測子系統(tǒng)9觀測的風速風向統(tǒng)計計算云量信息；

所述云高修正補償模塊3，根據云高儀2的姿態(tài)參數，通過對測云結果的校準、數據質量控制和反演算法，實現云高觀測的修正和補償，消除浮標運動平臺對云高觀測的影響；

所述通訊模塊8，用于將觀測的云高、云厚和常規(guī)氣象水文環(huán)境參數進行編碼，并通過一定的通訊方式傳輸到岸上數據接收處理中心，供用戶使用。

如圖1所示，使用本實用新型的上述裝置進行海洋云高長期在線監(jiān)測的方法，其特征在于包括以下步驟：

第一步、初始化激光云高儀2，設置激光云高儀2的探測高度、空間分辨率和數據更新率參數；

第二步、通過浮標姿態(tài)測量模塊1得到固定在浮標上的云高儀2的艏向、橫滾和縱搖的姿態(tài)參數；同時，通過的海洋氣象水文觀測子系統(tǒng)9，獲得包括浮標布放海域的風速風向、近海面的溫度、濕度、壓強和波浪、海流在內的常規(guī)氣象水文參數；

第三步、激光云高儀2發(fā)射快速、低能量的激光脈沖到大氣中，探測器部分接收上方自云和氣溶膠的后向散射激光信號，通過高靈敏度的光電接收器23將光信號轉換為電信號，被高速光子計數器采集后存入微處理機，進而通過已有的方法計算出云高、云厚信息；

第四步、云高修正補償模塊3根據第二步得到的激光云高儀的艏向、橫滾和縱搖的姿態(tài)參數對第三步得到的云量信息進行補償，進而得到浮標平臺上空的實際云高、云厚參數；

第五步、通訊模塊8將上述的云高、云厚參數及常規(guī)海洋氣象水文參數進行編碼，并通過通信天線發(fā)送至岸上數據接收處理中心，供用戶使用。

如圖5所示，上述步驟三、四中的云高測量與補償方法如下：

利用下列云高測量公式直接測量云高：

$h^{\′}=\sqrt{\frac{P_t\·A_r\·K_t\·K_r\·\mathrm{\ρ}\·T_a^2\·a_t}{2{\mathrm{\πP}}_r}}$

式中h’—直接測量云高；

P_r—光探測器上的回波功率；

P_t—激光器發(fā)射的激光脈沖功率；

A_r—接收光學系統(tǒng)的有效面積；

Kt—發(fā)射光學系統(tǒng)的透過率；

Kr—接收光學系統(tǒng)的透過率；

ρ—云體的反射系數；

T_a²—雙程大氣透過率；

a_T—發(fā)射光學系統(tǒng)的發(fā)散角損失系數；

對于一臺激光云高儀，接收光學系統(tǒng)的有效面積A_r、發(fā)射和接收光學系統(tǒng)的透過率Kt和Kr、發(fā)射光學系統(tǒng)的發(fā)散角損失系數a _T為已知值，激光器發(fā)射的激光脈沖功率P_t也可確定，根據激光云高儀使用當地的地理位置和氣象情況，可以確定云體的反射系數ρ和雙程大氣透過率T_a²，并且可以根據浮標上常規(guī)氣象水文觀測子系統(tǒng)的測量值進行修正，因此，只要檢測到光探測器上的回波功率P_r，帶入公式可以求得云高儀直接測量的云高數值；

由浮標姿態(tài)測量模塊1的橫滾、縱搖姿態(tài)參數，在三維空間合成激光云高儀2激光偏離垂直向上軸的偏移角θ，則浮標晃動時的云高實際值h＝h’×cosθ，實現云高觀測的修正和補償；h表示經過補償之后的實際云高值。

對于云厚信息進行補償的原理與云高信息補償相仿，同樣是利用了浮標姿態(tài)測量模塊1得到的偏移角，并且基于現有的云厚測量方法不難得出如何利用上述偏移角進行補償。

實施例

如圖2所示，一種基于浮標的海洋云高長期在線監(jiān)測裝置，包括激光云高儀2安裝于浮標上氣象觀測平臺上，對鏡頭無遮擋，也有效避免海浪飛濺對云高儀的影響，浮標姿態(tài)測量模塊1安裝于浮標上氣象觀測平臺上的不銹鋼支架上，有效避免鋼制標體對姿態(tài)傳感器的電磁影響，云高修正補償模塊3安裝于浮標儀器艙內，常規(guī)氣象水文觀測子系統(tǒng)9安裝在浮標上氣象觀測平臺上，用于常規(guī)海洋環(huán)境的觀測，云高觀測結果連同常規(guī)海洋環(huán)境觀測結果通過通訊模塊8發(fā)送至岸上數據接收處理中心，供用戶使用。

如2016年3月5日海試過程中，由上式云高儀直接測量云高數值h’為3500米，姿態(tài)測量模塊測得激光偏離垂直向上軸偏移角θ＝6.3°，則云高實際值h＝3500×cos6.3°＝3478米。

本實用新型與岸基云高儀實時云演變圖及原始信號廓線圖如圖6所示，本實用新型的浮標上云高儀(A)與岸基云高儀(B)測量結果比測圖如圖7所示，虛線表示岸上云高儀測量曲線，實線表示浮標上云高儀測量曲線，可見本實用新型的效果同現有的岸基云高儀相比，兩者云高和云厚測量結果一致性很好，從而說明本實用新型的基于浮標的設計應用在海洋中是有效、可靠的。