一种任意位置的冰层双向反射率测量装置

摘要

本发明为一种任意位置的冰层双向反射率测量装置。包括半圆拱形轨道、地面圆形轨道和仪器架；所述半圆拱形轨道垂直竖立设置，半圆拱形轨道底部与地面圆形轨道相配合连接，使半圆拱形轨道能沿地面圆形轨道转动；所述仪器架设于半圆拱形轨道上，并能沿着半圆拱形轨道滑动；仪器架上设有两个传感器探头，每个传感器探头的光轴与水平线夹角相等，并且水平线下的传感器探头指向半圆拱形轨道圆心。本发明能对不同太阳方位角和不同天顶角下的反射辐亮度进行测量，具有稳定可靠、精确度高的特点，特别适合野外长时间下的冰层的光学数据测量。

说明书

技术领域

本发明涉及海洋、湖泊水色的测量领域，特别涉及能在球面上任意位置的冰层双向反射率测量装置。

背景技术

海冰是地球气候系统中一个关键的要素，对大规模的海冰进行模拟，结果显示海冰不仅对气候的变化具有很强的敏感性，同时它也是促使气候产生变化的因素之一。气温的变化会引起海冰表面特性与厚度的变化，从而在区域上影响着大气与海洋的能量、湿度和动力的交换。短波辐射是冰盖与太阳进行能量交换的主要波段，因此了解太阳短波辐射与海冰的相互作用，冰盖物理特性变化对气候变化潜在的放大作用是非常有意义的。另外，冰盖所透过的紫外与可见光的组分对海冰下层初级生产力和生物活性也具有很大的影响，所以，为了研究全球的气候变化和极地区域的生态系统，需要了解紫外光波段、可见光波段和近红外波段在海冰中的分布。

为了研究海冰的光学特性，目前国内还没有相关的用于测量海冰光学特性仪器的报道。传统的双向发射率装置只能采用某个特定的角度，固定在某个点测量，无法实现任意位置，任意角度的实时测量。为了测量需要移动光学传感器探头，而移动的过程中难以保持入射角与反射角与水平夹角一致，照成测量误差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种能在半圆面上任意点，任意角度对冰层双向反射率进行测量的任意位置的冰层双向反射率测量装置。

为了实现上述发明目的，本发明包括如下技术特征：一种任意位置的冰层双向反射率测量装置，包括半圆拱形轨道、地面圆形轨道和仪器架；所述半圆拱形轨道垂直竖立设置，半圆拱形轨道底部与地面圆形轨道相配合连接，使半圆拱形轨道能沿地面圆形轨道转动；所述仪器架设于半圆拱形轨道上，并能沿着半圆拱形轨道滑动；仪器架上设有两个传感器探头，每个传感器探头的光轴与水平线夹角相等，并且水平线下的传感器探头指向半圆拱形轨道圆心。

更进一步的，所述半圆拱形轨道的两个底端设有“n”形槽，所述“n”形槽与地面圆形轨道紧密配合，使得半圆拱形轨道能沿地面圆形轨道滑动。

为了保证在任意位置下每个传感器探头的光轴与水平线夹角相等，所述仪器架包括滑动蜗杆、上转动涡轮和下转动涡轮；上转动涡轮和下转动涡轮相同并各分别设置在滑动蜗杆的上、下位置；上转动涡轮连接有上臂，下转动涡轮连接有下臂；调整上臂能使得上转动涡轮、滑动蜗杆和下转动涡轮配合涡轮传动，当滑动蜗杆水平时，上臂和下臂与水平线夹角相等；上臂上设有传感器探头；下臂上设有传感器探头，下臂通过滑轨与半圆形轨道连接，下臂指向半圆拱形轨道的圆心。

更进一步的，所述半圆拱形轨道由若干圆弧拼接而成，所述滑动蜗杆上设有水平气泡仪，所述地面圆形轨道和半圆拱形轨道上设有角度刻度，下臂上设有电子罗盘。所述滑轨与半圆拱形轨道通过螺丝固定。

本发明的有益效果在于：在实际的测量过程中，能在一个球面上的任意点进行测量，而且能保证在移动到不同点后两个传感器探头的光轴与水平线夹角相等，保持测量精度。本发明可以转动以便对不同太阳方位角和不同天顶角下的反射辐亮度进行测量，由于仪器可靠稳定，使得通过该装置进行长期测量得以实现，在实际的测量中往往可以将测量探头通过光纤连接光谱仪和控制系统，实现在野外环境下冰层光学数据的长期测量。

附图说明

图1为本发明双向反射率支架整体示意图；

图2为本发明双向反射率支架的仪器架结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明为一种冰层反射率测量装置，其由地面圆形轨道5、半圆拱形轨道3、仪器架2组成。为了野外作业运输方便，地面圆形轨道5由六截圆弧组成，连接处为6，半圆拱形轨道3由三截弧形组成，连接处1。半圆拱形轨道3两边底座4显“n”形，“n”形底座搭架或套设在地面圆形轨道5上，使半圆拱形轨道3能沿着地面圆形轨道5滑动。地面圆形轨道5标有角度刻度值，同样，半圆拱形轨道3有角度刻度。仪器架4能在半圆拱形轨道3滑动和固定，轨道角度刻度能读出仪器架倾斜度和方向。仪器架4上装有两个光学探头，向下的探头指向轨道圆心的地面。

图2是放在拱形轨道上的仪器架2。目的是测量来自天上入射光和地面的反射光，达到两探头光轴与水平线夹角相等。为了在移动过程达到入射光与反射光与水平线夹角一致，设计采用滑动蜗杆26和两个一样的转动涡轮的结构，即上转动涡轮24和下转动涡轮28。上转动涡轮24和下转动涡轮28分别设置在滑动蜗杆26的上、下位置。上转动涡轮24连接上臂23，下转动涡轮28连接下臂212。上臂23与滑动蜗杆26的夹角等于下臂212与滑动蜗杆26的夹角。调整上臂23能使得上转动涡轮24、滑动蜗杆26和下转动涡轮28配合涡轮传动，当滑动蜗杆26水平时，上臂23和下臂212与水平线夹角相等。测量时，滑轨会带动下臂212移动到位固定之后，由于下臂212是指向半圆拱形轨道3圆心的，因此移动后滑动蜗杆26水平角度发生变化，为了将滑动蜗杆26调整水平进行测量，同时又保证上臂212与滑动蜗杆26的夹角等于滑动蜗杆26与下臂212的夹角，采用滑动蜗杆26和两个一样的转动涡轮传动结构，测量人员只需调整上臂23，使得滑动蜗杆26保持水平即可。

仪器主要两个光学探头21和214，分别用探头固定夹具22固定在上臂23和下臂212上。滑轨29是仪器的一部分，与下臂212联在一块。它带动仪器在拱形轨道上滑动，到位后用蝴蝶螺丝把仪器固定在拱形轨道上。反射光探头214始终保持朝向拱形轨道的圆心，在臂212上装有电子罗盘213，能精确测量探头214朝向的方位角与双向倾斜角。滑动蜗杆26上安装有水平气泡仪25，通过水平气泡仪25可以判断滑动蜗杆26是否水平。在滑轨带动下臂212移动到位固定之后，调整上臂23，使得滑动蜗杆26在水平位置即可。

本发明的工作原理为：通过发明中的拱形支架围绕底部转动以便对不同太阳方位角和不同天顶角下的反射辐亮度进行测量。传感器探头为光谱辐亮度探测头，用以测量光场分布和散射特性。探测器安装在双向反照率支架上，光谱辐亮度探测头可以围绕底部转动以便对不同太阳方位角和不同天顶角下的反射辐亮度进行测量。测量选取的探头方位角有0度(探头位于太阳入射面内，正面向着太阳入射方向)、45度、90度、135度和180度，设置探头天顶角有0度、20度、30度、40度、60度和80度。如在在方位角0度的情况下，测量天顶角为0度、30度和60度的双向反射因子，双向反射因子定义如下：

R_f(θ₀，θ，φ₀，φ，λ)＝πdI_r(θ₀，θ，φ₀，φ，λ)/dEs(λ)

其中θ为仪器探头的天顶角，φ为仪器探头的方位角，θ₀为太阳的天顶角，φ₀为太阳的方位角，I_r(θ₀，θ，φ₀，φ，λ)为反射光的辐亮度，E_s(λ)为天空下行辐照度。

辐照度探头包括有余弦集光器；所述光纤出口包括光纤接头、密封软件管，光纤接头连接的光纤通过密封软件管接出。