一种近海表面大气折射率检测装置及检测方法

1.本发明涉及检测装置技术领域，特别涉及一种近海表面大气折射率检测装置及检测方法。


背景技术：

2.蒸发波导是一种在对流层内常见的海上大气波导现象，其产生来源是大气中的温度、湿度、气压等气象因素之间的相互作用。在海面上，海水蒸发导致蒸汽不断扩散，随着扩散高度的增加，大气折射率不断减小。当到达一定高度时，会出现折射率小于地球海面曲率的现象，此时电磁波会被陷在这一大气薄层里，从而实现超视距传播。直接测量法是获取蒸发波导剖面最为准确的方法，需在海表面不同高度安装温湿度传感器、气压传感器、风速风向传感器和海水皮温传感器。在该区域内温湿度的变化最为剧烈，因此温湿度传感器的安装层数也最多。大气折射率的计算需要用到温度、气压和水汽压，目前水汽压是通过温度、相对湿度和饱和水汽压经验公式计算得到。
3.目前，在海面以上2米至几十米的高度安装温湿度传感器不存在太大问题，而在海面以上0米-2米区间，安装温湿度传感器测量海面水汽压遇到了诸多问题。
4.首先，在海洋固定平台安装温湿度传感器、压力传感器等设备，由于海洋潮汐作用的影响，海洋固定平台传感器距离海表面的高度会随着潮汐作用的影响产生变化。现有方案是通过获取观测点的潮位信息，对安装在不同高度处温湿传感器距离海面的高度进行实时修正。获取观测点的潮位信息需安装潮位传感器或使用第三方潮位数据，安装潮位传感器会增加系统复杂度，使用第三方潮位数据存在的误差较大。
5.其次，温湿度传感器是采用薄膜电容测量环境湿度，探头使用烧结的特氟龙过滤器作为保护。当温湿度传感器探头长期暴露在海洋高湿环境或被海水打湿时，特氟龙过滤器内会进入较多水汽，使得温湿度传感器长期处于湿度饱和状态，通常情况下湿度传感器高湿环境褪湿时间会达到数小时或更长，这对海表面湿度测量会产生严重的影响。


技术实现要素：

6.为解决上述技术问题，本发明提供了一种近海表面大气折射率检测装置及检测方法，可以保证激光水汽浓度传感器和气压传感器不受潮汐作用的影响，每个传感器距离海表面的高度是固定的，无需进行传感器高度修正，可以更加准确地测量大气折射率信息，并且可以保证设备长期工作的稳定性和测量数据的有效性。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
8.一种近海表面大气折射率检测装置，包括上固定盘和下固定盘，所述上固定盘和下固定盘之间通过连接杆固定连接，所述连接杆上安装有可在其上自由移动的浮体，所述浮体中心安装有固定杆，所述上固定盘为圆环状，所述固定杆穿过上固定盘；所述固定杆上沿纵向等间距安装有数个激光水汽浓度传感器，所述固定杆上与最顶端的激光水汽浓度传感器同一高度的位置上还安装有气压传感器。
9.上述方案中，所述检测装置通过上固定盘安装于海洋固定平台一侧，且所述浮体的中心位于海面与空气交界处。
10.上述方案中，所述连接杆包括2-3根，所述浮体上开设通孔，所述连接杆穿过浮体上的通孔。
11.上述方案中，所述激光水汽浓度传感器内封装有温度探头。
12.上述方案中，所述激光水汽浓度传感器的光学窗口上设置清洁刷。
13.上述方案中，所述海洋固定平台上安装有数据采集器和数据传输装置。
14.一种近海表面大气折射率检测方法，采用如上所述的一种近海表面大气折射率检测装置，包括如下步骤：
15.(1)系统初始化，激光水汽浓度传感器和气压传感器上电；
16.(2)激光水汽浓度传感器进行光透过率的检测，若光透光率≥50％，则开始工作，测量水汽压，否则启动清洁刷；气压传感器测量气压值为p1，在同等高度上的激光水汽浓度传感器测量得到的水汽压值为e1，通过e
d1
＝p
1-e1得到气压传感器所在高度的静力学气压e
d1
；
17.(3)通过静力学压高方程z
i-z1＝18400*(1+ti/273)*log(e
d1
/e
di
)，求解出不同高度处的静力学气压e
di
；其中，各层激光水汽浓度传感器的海拔高度zi是已知的，各层温度由激光水汽浓度传感器测量得到温度ti，
18.(4)通过pi＝e
di
+ei得到不同高度处的气压值pi，其中，ei为激光水汽浓度传感器在不同高度实测得到的水汽压；
19.(5)根据气象参数与大气折射率之间的关系，通过温度ti、气压pi和水汽压ei的经验公式，求解不同高度的大气折射率ni：
[0020][0021]
(6)对大气折射率进行地球曲率修正，得到不同高度zi处的大气修正折射率mi：
[0022]
mi＝ni+0.157zi。
[0023]
通过上述技术方案，本发明提供的一种近海表面大气折射率检测装置及检测方法具有如下有益效果：
[0024]
1、本发明将激光水汽浓度传感器和气压传感器通过固定杆安装在浮体上，当潮汐作用导致海平面上升或下降时，浮体和固定杆可以沿着连接杆上下运动。这种设置方式，可以保证激光水汽浓度传感器和气压传感器不受潮汐作用的影响，每个传感器距离海表面的高度是固定的，无需进行传感器高度修正，可以更加准确地测量大气折射率信息，提高测量精度。
[0025]
2、本发明采用激光水汽浓度传感器代替传统的湿敏电容型的温湿度传感器，由于水汽在近红外波段有强吸收谱线，激光水汽浓度传感器通过测量特定波段的水汽光谱吸收强度可以直接测量环境中的水汽压参数。由于激光水汽浓度传感器是采用光学测量方式检测水汽压，设备采用开放型吸收气室，无需使用特氟龙过滤器等保护器件，不存在湿敏电容型温湿度传感器固有的褪湿慢的问题，可以应用在近海表面的水汽压测量。
[0026]
3、本发明的激光水汽浓度传感器的光学窗口上设置清洁刷，可根据系统设置定期清洁光学窗口，以保证设备长期工作稳定性。
[0027]
4、本发明的气压传感器安装在上部，可以减小波浪对气压传感器的影响。
附图说明
[0028]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0029]
图1为本发明实施例所公开的一种近海表面大气折射率检测装置示意图；
[0030]
图2为本发明的检测装置安装示意图；
[0031]
图3为本发明实施例所公开的一种近海表面大气折射率检测方法流程图。
[0032]
图中，1、上固定盘；2、下固定盘；3、连接杆；4、浮体；5、固定杆；6、激光水汽浓度传感器；7、气压传感器；8、海洋固定平台；9、安装圈；10、数据采集器；11、数据传输装置。
具体实施方式
[0033]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
[0034]
本发明提供了一种近海表面大气折射率检测装置，如图1所示，包括上固定盘1和下固定盘2，上固定盘1和下固定盘2之间通过2-3根连接杆3固定连接，上固定盘1为圆环状。
[0035]
连接杆3中部安装有可在其上自由移动的浮体4，浮体4上开设通孔，连接杆3穿过浮体4上的通孔。在海水作用下，浮体4可在连接杆3上上下移动。
[0036]
浮体4中心安装有固定杆5，固定杆5穿过上固定盘1；固定杆5上沿纵向等间距安装有数个激光水汽浓度传感器6，固定杆5上与最顶端的激光水汽浓度传感器6同一高度的位置上还安装有气压传感器7。在海水作用下，固定杆5会随着浮体4一起上下运动，进而带动固定杆5上的激光水汽浓度传感器6和气压传感器7一起上下运动。上固定盘1中间开设的圆孔要保证不影响激光水汽浓度传感器6和气压传感器7的上下运动。
[0037]
激光水汽浓度传感器6可采用本人在先申请的授权公告号为cn208313814u中所公开的一种海气界面通量水汽浓度分析仪。该分析仪采用红外光谱法测量海表面的水汽浓度，在近红外波段，水汽有强吸收谱线，通过检测气室入射光强和出射光强的变化，可以测量得到海表面的水汽浓度。然后根据水汽压和水汽浓度之间的换算关系进一步得到所需要的水汽压。
[0038]
水汽压＝水汽浓度
×
101325/106[0039]
激光水汽浓度传感器6的光学窗口设置清洁刷，可根据系统设置定期清洁光学窗口，以保证设备长期工作稳定性。激光水汽浓度传感器6可输出透光率参数，由于激光水汽浓度传感器6距离海表面距离很小，不可避免的会出现波浪打湿传感器等情况，当系统检测到传感器透光率发生突变或光透过率小于50％时，弃用该传感器的测量数据，以保证整套装置测量数据的有效性。
[0040]
激光水汽浓度传感器6内封装有温度探头，温度探头内封装ntc热敏电阻，通过热敏电阻阻值与温度之间的对应关系，利用最小二乘法多项式拟合得到环境温度。
[0041]
如图2所示，检测装置通过上固定盘1安装于海洋固定平台8一侧，海洋固定平台8一侧设置安装圈9，可将上固定盘1牢固地固定住。根据配重设计，可使浮体4中心线处于海表面的海水和空气交界处(浮体4一半在海水中，一半在空气中)。
[0042]
海洋固定平台8上安装有数据采集器10和数据传输装置11，通过数据采集器10定时采集激光水汽浓度传感器6和气压传感器7的监测数据，并计算出海面不同高度处的大气折射率，通过数据传输装置11定期回传到岸上。数据传输装置11可采用北斗或gps等方式进行传输。
[0043]
如图3所示，近海表面大气折射率检测的方法如下：
[0044]
(1)系统初始化，激光水汽浓度传感器6和气压传感器7上电；
[0045]
(2)激光水汽浓度传感器6进行光透过率的检测，若光透光率≥50％，则开始工作，测量水汽压，否则启动清洁刷；气压传感器7测量气压值为p1，在同等高度上的激光水汽浓度传感器6测量得到的水汽压值为e1，通过e
d1
＝p
1-e1得到气压传感器7所在高度的静力学气压e
d1
；
[0046]
(3)通过静力学压高方程z
i-z1＝18400*(1+ti/273)*log(e
d1
/e
di
)，求解出不同高度处的静力学气压e
di
；其中，各层激光水汽浓度传感器的海拔高度zi是已知的，各层温度由激光水汽浓度传感器6测量得到温度ti，
[0047]
(4)通过pi＝e
di
+ei得到不同高度处的气压值pi，其中，ei为激光水汽浓度传感器6在不同高度实测得到的水汽压；
[0048]
(5)根据气象参数与大气折射率之间的关系，通过温度ti、气压pi和水汽压ei的经验公式，求解不同高度的大气折射率ni：
[0049][0050]
(6)对大气折射率进行地球曲率修正，得到不同高度zi处的大气修正折射率mi：
[0051]
mi＝ni+0.157zi。
[0052]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种近海表面大气折射率检测装置，其特征在于，包括上固定盘和下固定盘，所述上固定盘和下固定盘之间通过连接杆固定连接，所述连接杆上安装有可在其上自由移动的浮体，所述浮体中心安装有固定杆，所述上固定盘为圆环状，所述固定杆穿过上固定盘；所述固定杆上沿纵向等间距安装有数个激光水汽浓度传感器，所述固定杆上与最顶端的激光水汽浓度传感器同一高度的位置上还安装有气压传感器。2.根据权利要求1所述的一种近海表面大气折射率检测装置，其特征在于，所述检测装置通过上固定盘安装于海洋固定平台一侧，且所述浮体的中心位于海面与空气交界处。3.根据权利要求1所述的一种近海表面大气折射率检测装置，其特征在于，所述连接杆包括2-3根，所述浮体上开设通孔，所述连接杆穿过浮体上的通孔。4.根据权利要求1所述的一种近海表面大气折射率检测装置，其特征在于，所述激光水汽浓度传感器内封装有温度探头。5.根据权利要求1所述的一种近海表面大气折射率检测装置，其特征在于，所述激光水汽浓度传感器的光学窗口上设置清洁刷。6.根据权利要求2所述的一种近海表面大气折射率检测装置，其特征在于，所述海洋固定平台上安装有数据采集器和数据传输装置。7.一种近海表面大气折射率检测方法，采用如权利要求1所述的一种近海表面大气折射率检测装置，其特征在于，包括如下步骤：(1)系统初始化，激光水汽浓度传感器和气压传感器上电；(2)激光水汽浓度传感器进行光透过率的检测，若光透光率≥50％，则开始工作，测量水汽压，否则启动清洁刷；气压传感器测量气压值为p1，在同等高度上的激光水汽浓度传感器测量得到的水汽压值为e1，通过e
d1
＝p
1-e1得到气压传感器所在高度的静力学气压e
d1
；(3)通过静力学压高方程z
i-z1＝18400*(1+t
i
/273)*log(e
d1
/e
di
)，求解出不同高度处的静力学气压e
di
；其中，各层激光水汽浓度传感器的海拔高度z
i
是已知的，各层温度由激光水汽浓度传感器测量得到温度t
i
，(4)通过p
i
＝e
di
+e
i
得到不同高度处的气压值p
i
，其中，e
i
为激光水汽浓度传感器在不同高度实测得到的水汽压；(5)根据气象参数与大气折射率之间的关系，通过温度t
i
、气压p
i
和水汽压e
i
的经验公式，求解不同高度的大气折射率n
i
：(6)对大气折射率进行地球曲率修正，得到不同高度z
i
处的大气修正折射率m
i
：m
i
＝n
i
+0.157z
i
。

技术总结
本发明公开了一种近海表面大气折射率检测装置及检测方法，装置包括上固定盘和下固定盘，所述上固定盘和下固定盘之间通过连接杆固定连接，所述连接杆上安装有可在其上自由移动的浮体，所述浮体中心安装有固定杆，所述上固定盘为圆环状，所述固定杆穿过上固定盘；所述固定杆上沿纵向等间距安装有数个激光水汽浓度传感器，所述固定杆上与最顶端的激光水汽浓度传感器同一高度的位置上还安装有气压传感器。本发明所公开的检测装置可以保证激光水汽浓度传感器和气压传感器不受潮汐作用的影响，每个传感器距离海表面的高度是固定的，无需进行传感器高度修正，可以更加准确地测量大气折射率信息，并且可以保证设备长期工作的稳定性和测量数据的有效性。和测量数据的有效性。和测量数据的有效性。


技术研发人员：张可可 杨英东 吴玉尚 杨祥龙
受保护的技术使用者：山东省科学院海洋仪器仪表研究所
技术研发日：2023.03.28
技术公布日：2023/7/17