海洋光学浮标的设计及应用试验

海洋光学浮标在水色遥感现场辐射定标和数据真实性检验、海洋科学观测、近海海洋环境监测等方面有重要应用价值。采用子母浮标技术设计了海洋光学浮标系统,该系统可同步测量海面和海水近表层及真光层的光谱辐照度和光谱辐亮度分布、水体光谱吸收/散射系数,以及风速风向等辅助参数。浮标利用GPS定位,采用低功耗的PC104嵌入式电脑作为控制核心实现数据的自动采集,采用CDMA/GPRS无线网络与海事卫星两种方式实现数据和指令的实时传输。近海试验表明,设计的子母浮标能较好地满足水下光辐射测量对浮标姿态和稳性的要求,系统的数据采集和远程传输技术可靠,光学仪器防污染技术能确保光学浮标长期有效地工作。     

基于光学浮标的赤潮生消过程半分析监测方法

赤潮爆发时水体叶绿素a质量浓度升高,引起浮游植物吸收系数、光束总吸收系数等水体固有光学性质(IOP)的变化,并导致水体表观光学性质(AOP)的改变。海洋光学浮标可实现水体表观光学性质的定点连续时间序列观测,基于此发展相应的模型方法有望实现赤潮生消全过程的监测。利用一次赤潮生消过程的海洋光学浮标数据,发展了一种赤潮半分析监测方法。该方法首先由光学浮标数据得到的水体光谱漫衰减系数Kd(λ)和遥感反射率rrs(λ),结合经验确定的水下光场平均余弦进行水体光束总吸收系数a(λ)的半分析估算,然后再半分析反演浮游植物吸收系数aph(λ)和叶绿素a质量浓度。经检验,该方法估算a(675),aph(675)和叶绿素a质量浓度的中值相对误差分别为8.6%,34.9%和38.9%。将本方法与半分析方法(QAA)和统计回归方法进行了对比分析,本方法的优势在于反演精度较高,所采用的经验参数大都源自辐射传输理论计算、不依赖于浮标数据且对反演结果的影响有限。     

薄膜层状外延生长的光学原位实时监测方法

综述了几种用于监控薄膜外延生长的光学原位实时监测方法的进展。其中光反射差法／光反射各向异性谱（ＲＤＳ／ＲＡＳ）和ｐ偏振反射谱（ＰＲＳ），表面光吸收（ＳＰＡ），椭偏仪（ＳＥ）等。在外延过程中已观测到了薄膜层状外延周期振荡。     

海洋高光谱辐射实时观测系统的研制

研制了海洋水色高光谱辐射实时观测系统.该系统主要包括用于现场测量海面与海水近表层上行辐亮度和下行辐照度的高光谱光纤辐射计,装载高光谱光纤辐射计及其它辅助设施的海上观测平台,数据采集、实时通讯的控制系统.采用6通道光纤光谱仪解决了多参数测量同步性问题,通过自动调整光谱仪CCD积分时间提高其测量的动态范围;采用光纤光谱仪减小了光接收器的体积,减小了自阴影效应的影响;采用防污染装置解决了光学探头水下防污染问题.对系统的性能进行了室内测试及近海36 d试验.结果表明,光学系统零漂误差小于±5%,光学系统稳定可靠;浮标性能可很好地满足水下光辐射测量对浮标体姿态和稳定性的要求;控制系统的数据采集和通讯可靠有效.     

基于生物光学算法的海洋赤潮监测

机载海洋激光雷达具有高效搜索的能力,已成为海洋环境监测的重要手段。以机载蓝绿激光雷达监测海洋赤潮为研究应用背景,通过检测海洋中叶绿素的质量浓度来实现对海洋赤潮消长信息的获取。在分析海水固有光学性质的基础上,基于生物光学算法,构建了机载蓝绿激光雷达后向散射信号检测的的叶绿素质量浓度监测模型。仿真计算证明该模型能够有效探测出叶绿素质量浓度的大小,为机载海洋赤潮监测增加了一种方法。     

激光光束实时监测与自动准直系统设计

设计了一个激光光斑实时监测与光路自动准直装置,能够实时监测激光光斑并自动准商激光输出方向.基于透镜成像原理,使用CCD探测器获得光斑的二维成像,并根据两点确定一条直线原理和使用压电陶瓷电动调整架实现光路自动准直;监测控制程序采用虚拟仪器开发软件Lab View编写,可以实时监测激光光斑模式与光斑位置抖动情况,并进行反馈控制.经测试,设计装置的调整精度达0.5μrad,反馈控制频率约1 Hz,完全可降低或消除抖动周期在1 s以上的光斑飘移.     

复杂海况下海洋生态环境多维度光学监测方法

针对溢油、赤潮等典型海洋生态环境污染和灾害,传统监测手段在海雾、耀斑、复杂光照等复杂海况干扰下存在“看不远”“辨不出”“认不清”三大难题。通过对比多种光学监测手段的优缺点,提出“光谱+偏振+红外探测”的多维度光学监测方法,梳理了典型海洋目标多维特性生成、传输、获取、处理与识别反演方法的现状与不足,提出了海洋目标多维度光学信息获取机制、复杂海况下多维度光学特性生成机理和传输演化机理、海洋目标多维度高分辨信息解混、重构与增强方法,以及目标识别反演方法等5个重点发展方向,指明了技术路线和解决途径,设计了多维度光学监测系统总体方案。最后,在室外开展了5种溢油种类、2种赤潮优势种的定性和定量化可控试验,利用偏振探测实现了油种的分类和赤潮优势种的区分,这为机载多维度高分辨海洋光学监测系统的深入研究与应用奠定了基础。     

城市道路空气质量实时监测系统的设计

传统的空气质量检测仪只能实时显示数据,并不具备数据传输能力;仪器采集的数据取决于传感器的质量高低,而进口的红外线空气质量分析仪价格非常昂贵;为解决这些问题,利用Arduino Uno R3单片机作为控制核心,与多种气体传感器一起组成实时监测终端;传感器采集的数据经过Arduino单片机处理后,通过VANET技术发送给车载单元或手持观测器进行实时显示;同时数据也可以通过Internet传送到控制中心;重点描述了监测终端的硬件结构与软件设计,测试结果表明本系统具有可靠性高、实时性好等优点,具有非常高的实用价值。     

利用Offner光学系统进行图像恢复和光学检测

设计了一种Offner光学系统,用于基于相位差异技术的图像恢复和光学系统波像差的辅助检测。该Offner光学系统采用同轴抛物面反射镜作为Offner反射镜,以高速CCD相机和Shack—Hartmann波前探测器作为接收元件,能完好地消除复色光源在图像恢复过程中带来的色差;设计的RMS波像差小于a／50（A=632．8nm）,结构简单,容易实现。利用该系统分别以分辨率板和光纤光源为目标进行了图像恢复实验,经过恢复后的图像分辨率提高了19％。此外,利用该系统,采用相位差异算法解算了系统波像差,并与Shack—Hartmann波前探测器的测量结果进行了比较。比较显示两者的RMS波像差测量值相差5％,证明该系统同样能够进行光学波前检测。     

用电子俘获材料实现实时图像微分

根据数学形态学的基本思想，采用离焦的卷积光学系统，利用电子俘获材料的饱和特性和图像减法功能实现图像微分，这一方案具有清晰度高、实时性，全并行性的优点，取阀和减法运算都用一片电子俘获薄膜来实现。     

基于水声潜标应用的数据采集及大容量存储系统设计

水声潜标是获取海洋水声信号以及海洋生物声信号的重要技术设备之一。为了满足水声潜标在水下较长时间工作,本文设计并实现了一套基于水声潜标应用的低功耗数据采集及大容量存储系统,在芯片选型和NAND FLASH读写管理等方面对系统进行了低功耗设计。该系统在"标-矢量"综合潜标上应用的试验结果表明,该系统获取的数据有效,满足总体设计技术要求。同时,本系统还具有良好的扩展能力,可适应水声潜标发展的应用需求。     

Developments of GNSS buoy for a synthetic geohazard monitoring system

A global navigation satellite system (GNSS) buoy system for early tsunami warnings has been developed for more than 20 years. The first GNSS buoy system using a real-time kinematic algorithm (RTK) was implemented in the Nationwide Ocean Wave information network for Ports and HArbourS (NOWPHAS) wave monitoring system in Japan in 2008. The records of NOWPHAS were used to update the tsunami alert by the Japan Meteorological Agency (JMA), owing to the tsunami generated by the 2011 Tohoku-oki earthquake (Mw9.0). However, considering that the distance limit is less than 20 km for the RTK algorithm, a new system was designed by introducing a new positioning algorithm and satellite data transmission to place the buoy much farther from the coast. A new technique for the continuous monitoring of ocean-bottom crustal movements was also implemented in the new system. The new buoy system can be used for weather forecasting and ionospheric monitoring as well.     

MEMS矢量水听器用于潜标系统的可行性（英）

提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000 Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176 dB,且具有良好的8字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS 矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。     

无线/水声通信浮标技术研究及其实现

本文研究并设计实现了一种用于浅海水声信道多速率通信的无线/水声通信(racom)浮标,介绍了其水声通信和无线通信技术方案和工程设计与实现。本文设计的浮标综合了水声通信、DSP信号处理和无线电通信等技术,也可以用作水声通信/传感网络中的无线/水声通信(racom)网关节点。海上试验验证了本浮标总体设计方案的可行性。海上试验中,浮标无线通信距离达到15.2 km,误码率不大于10 6;除2 kbps速率外,浮标各种速率的水声通信数据传输误码率都小于1%,最大通信作用距离达到9.6 km;同时,试验也验证了浮标与水下运动平台之间的通信功能。     

近红外成像光学系统设计

为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力,设计了一个光谱为0.75 m ~1 m,焦距12.002 mm,F/1.8,视场1515的光学系统,其结构为改进型的双高斯结构。实验结果表明:设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内,焦移量最大为4.9 m,球差约为1 m,垂轴像差最大为3 m,MTF接近衍射极限。对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制,得到了杂散光抑制前后的点源透射比。分析结果表明:与未加遮光罩相比,加入遮光罩的光学系统PST值下降了76.6%~87.5%。     

微光全景光学系统设计

根据微光像增强器成像特性,设计了微光全景光学系统,采用反射式前组与透射式后组结构。重点阐述反射式前组的设计方法,并据此设计优化得到了性能优良的成像系统。该系统有效焦距2.43 mm,工作波段0.4 m～0.9 m,有效工作F数1.5,水平视场360,垂直视场30～100。设计结果表明,系统全视场f 畸变小于6%,调制传递函数在24 lp/mm处大于0.3,系统指标满足成像要求。     

远距离多源图像融合系统实时配准设计

为了实现全天候多波段远距离实时图像监控,设计了具有微光、红外和可见光融合的光学前端,对多源图像进行实时配准研究。在平行光轴的基础上,通过计算不同视场图像的成像视差,计算仿射变换需要的参数,采用双线性内插算法弥补红外在成像方面与可见光图像的差别,将红外图像的变换制作成查找表存储在图像处理器DM642中,系统通过硬件查找表可以快速实现不同图像的配准变换,实现同步视频的实时配准与融合。实验表明:该设计能够准确地实现多源图像的实时配准,系统经过图像配准、图像融合和伪彩变换处理后的时间约为24.3 ms,系统探测距离大于3 km。     

水下声学浮标南中国海海洋环境噪声实测分析

海洋环境噪声是多种自然噪声和人为噪声的复杂组合,其谱级大小和频率组成是影响声呐系统探测性能的重要参数,鉴于海洋环境噪声时空域特性非常复杂,需要对海洋环境噪声进行长时间和大范围的观测才足以分析其特性。该文通过在多剖面水下浮标平台基础上集成声学测量系统,研制了一种具有海洋环境噪声监测能力的水下声学浮标平台,该浮标平台可多次上浮、下潜,具备原位坐底和定深漂流两种工作模式,能连续观测海洋环境噪声时长多达数月。利用2019年8月在南中国海海区组织的多台水下声学浮标试验某一天的数据,给出了20 Hz、63 Hz、100 Hz、200 Hz、400 Hz、800 Hz、1.6 kHz和3.15 kHz 8个频点中心处海洋环境噪声谱级随时间变化,讨论了附近航船噪声对其的干扰影响。试验表明,水下声学浮标可作为一种潜在的优势水下漂流移动平台,用于监测关注海域海洋环境噪声特性。     

长焦距大口径连续变焦光学系统的设计

根据某探测设备可见光通道光学系统的特点和技术指标要求，详细介绍长焦距大口径连续变焦光学系统结构形式选择、初始结构参数计算及像差平衡的方法，给出运用该方法设计的采用正组机械补偿形式的长焦距大口径连续变焦光学系统的设计结果。对连续变焦光学系统进行了像质检测、实景成像及环境试验考核，其结果表明：该光学系统能满足某探测设备的性能要求。