[发明专利]海水表面温度红外测量系统及测量方法

说明书

技术领域

本发明属于海水温度测量技术领域，针对海水特性低温段(-20℃～60℃)而设计的红外测温系统。

背景技术

海水温度是研究海洋学的一个重要参数，它能直接反映全球气候变化和全球海洋整体特征分布。准确地测量海水表面温度，对研究海洋温度具有决定性的意义。目前海水表面温度测量的方法主要是接触式测量：如固定站位CTD测量仪，测量传感器链等。固定站位CTD测量仪和海水温度测量传感器链设备较为繁琐，测温误差较大，体积庞大，长期浸泡和拖拽，会使其测温准确度降低。

目前的红外测温仪没有针对某一物质的红外波长来进行标定，不同物质的红外辐射波长不定会导致测温准确性的下降。经研究，白天海水的红外辐射亮度最大值在波长为1.06μm处，而夜间海洋的热辐射主要在波长为4μm以上；同时，通过辐射测温仪能测量到的表层500μm水深之内的海水温度，是海洋和大气热交换的主要海水层。针对该水层的红外测温系统可以很好的解决上述困难，从而很好的达到测量海水表面温度的目的。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种可装载在船舶上的非接触式海水表面温度红外测量系统及测温方法。这种方法可以有效的消除环境因素及白昼差异对传感器采集信号的干扰，提高测温精度。

本发明提供的海水表面温度红外测量系统，包括：

光学镜头系统，该系统垂直于海平面，用以获取海水表面辐射的红外信号，包括一个半透半反镜片，一个反射镜片，两个聚焦镜头，两个红外探测器；其中半透半反镜片与水平面成45°夹角倾斜放置，反射面向下，反射镜片与半透半反镜片平行放置，反射面向上，在反射镜片的反射光路上依次设置第一聚焦镜头和第一红外探测器，在半透半反镜片的透射光路上依次设置第二聚焦镜头和第二红外探测器，两个红外探测器分别连接双通道数据处理系统，其中，聚焦镜头在距红外探测器一倍焦距处；

光线强度传感器，用于接受户外光线，识别光线强度，并设定阈值以识别白昼与黑夜，控制光学镜头系统中的两个红外探测器的工作与否；

双通道数据处理系统，用于分别对光学镜头系统中的两个红外探测器输入的电信号进行放大、A/D转换和数据处理，拟合出海水温度与电压信号的变化曲线，并计算出海水表面的准确温度；

键盘，用于定标时输入接触式测量的温度；

显示器，用于对双通道数据处理系统输出的海水表面准确温度数值进行显示。

所述的光学镜头系统中，半透半反镜片可透射波长为8～14μm的红外辐射，反射镜片具有一个反射膜和聚焦镜片，可反射中心波长1.06μm的红外辐射，两个聚焦镜头可将两束红外辐射分别聚焦于两个红外探测器上。

所述的两个红外探测器为两个硅光伏探测器，其中第一硅光伏探测器用于接收白昼1.06μm波长的红外辐射，第二硅光伏探测器用于接收夜晚8～14μm波长红外辐射，从而达到探测红外信号的作用。

本发明同时提供了一种海水表面温度红外测量方法，该方法包括：

第1、定标

使用权利要求1所述的海水表面温度红外测量系统(-20℃～60℃)，采用直接接触式测温和曲线拟合的方法进行定标，绘制出标准的海水表面温度T和电压信号U的对应曲线，具体如下：

一次定标采集某点5个不同温度，CTD采集的标准温度分别为T₁、T₂、T₃、T₄、T₅，对同点同时海水表面温度测量系统所采集的电压信号为U₁、U₂、U₃、U₄、U₅，利用最小二乘法，将T和U对应的曲线描绘出来，得到海水表面温度与电压信号的标准曲线，即定标完成，此曲线就是符合特定时间、特定海域的海水表面温度曲线；

第2、测量

使用权利要求1所述的海水表面温度红外测量系统，进行海水表面温度测量，获得与海水表面温度对应的电压信号U，通过第1步得到的海水表面温度与电压信号的标准曲线查找与电压信号U对应的温度值T，即可测量出海水表面温度的确切值，而不受CTD测温仪限制。

本发明测温方法的原理

实际测量海水温度时，情况往往比较复杂，造成实际测量的信噪比发生变化。为了在计算方法上减小干扰影响，海水表面温度红外测量系统采用直接接触式测温和曲线拟合的方法来定标。其中设：

1)海水表面实际辐射能量为M₀(T)，对应的电压信号为U₀(T)；