專利名稱：海冰厚度測量系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及海洋監測領域，尤其涉及一種新穎的海水厚度測量系統及利用該 系統實現海冰厚度測量的方法。
背景技術：
海水厚度及其變化是全球變化研究領域中的一個前沿熱點和技術難點，各國 科學家正在致力于尋求解決該問題的技術方法。
海水厚度對大氣-海水-海洋的耦合過程尤為顯著和敏感，并直接決定著海
-氣能量與物質的交換過程和速率；主導著海冰的熱力學和動力學特征，影響海冰 的運動、形變及凍結與消融過程。目前，主要存在以下集中海冰厚度監測技術
衛星遙感技術，隨著衛星技術和星載傳感器技術的快速發展，海冰厚度的遙
感應用進展顯著。但至今沒有一種傳感器可以實現對海冰厚度的直接觀測；
水下仰視聲納技術，仰視聲納技術屬于冰厚觀測的經典方法，將仰視聲納設 備搭載于潛艇或水下機器人平臺上，獲取的海冰厚度資料是科學家廣泛采用的數 據，但該技術的觀測精度受限于水下換能器的位置以及水溫、潮汐和氣壓變化帶來 的影響；
電磁感應技術，該技術具有非接觸式、工作速度快等優點，但至今未出現電 不茲感應水厚探測設備的商用產品。
因此，業界急需一種高精度且結構緊湊的海水厚度測量系統。
發明內容
有鑒于此，本發明提供了一種海冰厚度測量系統，該海冰厚度測量系統包含 一本體，所述本體包括電磁感應器，垂直于海冰發射并接收電磁場信號；聲納器， 垂直于海水發射并接收聲納信號；以及控制單元，與所述電^f茲感應器和所述聲納器 數據連接，其中所述控制單元根據來自所述電磁感應器的電磁場信號計算所述本體 距離海冰和海水之間的界面的第 一 高度，根據所述聲納信號計算所述本體距離所述海冰的上表面的第二高度，并通過將所述第一高度減去所述第二高度獲得所述海水 的厚度。
在上述海水厚度測量系統中，本體還可以包括全球定位系統(GPS )裝置，
與所述控制單元數據連接并用于獲取所述海水厚度測量系統的定位信息。
在上述海冰厚度測量系統中，本體還可以包括存儲裝置，與所述控制單元 數據連接并用于存儲數據。
上述海水厚度測量系統還可以包含一輔助支架，該輔助支架包括豎直桿； 水平桿，與所述豎直桿垂直地固定于所述豎直桿上且所述水平桿的下表面上設置多
個滑輪；拉繩，沿所述多個滑輪布置且遠離所述豎直桿的一端處固定所述海冰厚度 測量系統的本體；以及巻軸升降機，具有一轉軸，所述轉軸上固定所述拉繩的另一 端，以調節所述本體的高度。
上述海水厚度測量系統還可以包括激光器，與所述控制單元數據連接并用于 垂直于海水發射和接收激光信號；其中，所述控制單元根據所述激光器向海水發射 和接收的激光信號計算所述本體距離所述海水的表面的第三高度，并通過將所述第 三高度減去所述第二高度獲得所述海冰的冰舷高度，然后根據阿基米德定律計算所 述海水的厚度。
根據本發明的另 一方面，還提供了 一種海冰厚度測量方法，包括以下步驟 從一位置垂直于海冰發射并接收第一信號；從所述位置垂直于海水發射并接收第二 信號；以及根據所述第 一信號計算所述位置距離海冰和海水之間的界面的第一高 度，根據所述第二信號計算所述位置距離所述海冰的上表面的第二高度，并通過將 所述第一高度減去所述第二高度獲得所述海水的厚度。
上述海水厚度測量方法還可以包括測量所述位置的全球定位(GPS )信息的 步驟。
上述海水厚度測量方法還可以包括根據所述GPS信息檢索所述位置處的積 雪厚度，并將上述獲得的海冰的厚度減去所述積雪厚度，以消除積雪對海水厚度的影像。
上述海水厚度測量方法還可以包括從所述水平位置垂直于海水發射并接收 第三信號；以及根據所述第三信號計算所述水平位置距離所述海水的表面的第三高 度，并通過將所述第三高度減去所述第二高度獲得所述海水的水舷高度，然后根據 阿基米德定律計算所述海水的厚度。應當理解，本發明以上的一般性描述和以下的詳細描述都是示例性和說明性 的，并且旨在為如權利要求所述的本發明提供進一步的解釋。
包括附圖是為提供對本發明進一步的理解，它們被收錄并構成本申請的一部 分，附圖示出了本發明的實施例，并與本說明書一起起到解釋本發明原理的作用。
附圖中
圖1示出了根據本發明一個實施例的海水厚度測量系統的系統結構圖； 圖2示出了根據本發明一個實施例的海冰厚度測量的示意圖。 圖3示出了根據本發明一個實施例的海冰厚度測量系統的輔助支架的示意圖。 圖4示出了根據本發明另一實施例的海冰厚度測量的示意圖。
具體實施例方式
現在將詳細參考附圖描述本發明的實施例。
圖1示出了根據本發明一個實施例的海冰厚度測量系統的結構圖。如圖1所 示，該系統至少可以包括電磁感應器101、聲納器102、激光器103、 GPS裝置104、 電源105、控制單元106和計算機107。以下將結合具體的測量方法的實施例來進 一步說明這些裝置的具體操作及其它技術內容。
實施例1
圖2示出了本發明的測量海冰厚度方法的一個實施例。
將電^f茲感應原理應用于測量海冰厚度的基礎是海冰的電導率與海水的電導率 存在顯著的差異，即海冰電導率的范圍在0 ~ 300mS/m之間而海水的電導率通常在 2000 ~ 3000mS/m之間。電磁感應傳感器發射線圏產生一個低頻磁場(初級場)， 引起海冰感應出渦電流，渦流場引起次級《茲場并由接收線圈4全測。由于海冰層為高 阻、海水層為低阻且兩者的電阻率比值較大，因此在已知各層的電導率值的情況下 可以較為精確地計算出兩者分界面的位置。
如圖2所示，將圖1所示的海水厚度測量系統201設置于海冰上方。上述電 /磁感應器101垂直于海冰發射并接收電^f茲場信號，同時上述聲納器102垂直于海冰發射并接收聲納信號。其中，該聲納器102用于測量系統201距離冰面的準確高度， 即圖2中的高度hi;該電磁感應器101用于基于上述原理測量系統201距離海水 與海水的分界面的高度，即圖2中的高度z。
回到圖1,上述電磁感應器101和聲納器102采集的數據將被傳送到控制單元 103，該控制單元可以根據來自電^f茲感應器101的電^f茲場信號計算系統201距離海 冰和海水的分界面的高度z，并根據來自聲納器102的聲納信號計算系統201距離 海水的高度hl。通過將高度z減去高度hl即可大致獲得海水的厚度。
需要注意的是，如圖2所示，通常海冰表面上會覆蓋一層積雪。在需要考慮 積雪因素的場合，根據一個優選實施例，本發明的海冰厚度測量系統還設置一全球 定位系統(GPS )裝置104。該GPS裝置104可用于測定系統201的地理位置信息。 基于該地理位置信息，可利用現有的NEVISAT極軌平臺對地觀測衛星得到當地的 積雪厚度參數，以消除積雪對海冰厚度的影響。
此外，如圖1所示，控制單元106還與計算機107連接，以便對相關數據進 4亍存卡者和顯示。
在對極地環境進行實地測量的過程中，通常是以船載的方式實施測量作業。 為能在船舷外側懸掛上述海水厚度測量系統，本發明的一優選實施例進一步提供了 一輔助支架301，如圖3所示。
轉到圖3，該輔助支架301可包括豎直桿302、與該豎直桿垂直地固定于該豎 直桿上的水平桿303、設置于水平桿的下表面上的多個滑輪304、沿該多個滑輪布 置且遠離豎直桿的一端處固定上述海冰厚度測量系統本體的拉繩306以及巻軸升 降機305,該巻軸升降機305具有一轉軸，其上固定了拉繩的另一端，用以調節所 述海冰厚度測量系統本體的高度。測量時，可以將本體固定在一特定的木制框架內， 將該木制框架擺出船舷外側，儀器的高度可通過巻軸升降機305控制。通常，水平 桿304需使本體與船體的最小距離為8m，以使探測結果不受船體本身影響且也使 船對冰體破碎的影響降到最低。另外，用兩個拉緊的繩子將木制框架兩側固定在船
上，這樣在船破水時可有效減少測量系統在空中的擺動，該支架系統還可控制儀器 姿態，并避免船體等導體對電磁場的影響。
實施例2
圖4示出了本發明的另 一實施例，該實施例涉及另 一種測量海水厚度的方法。 該方法主要利用圖1所示的聲納器102和激光器103。根據該實施例，海冰厚度測量系統401至少應包含聲納器102和激光器103。轉到圖4,如實施例1 一樣，將 本發明的海水厚度測量系統401,即聲納器102和激光器103,固定于海水上方。 按與實施例1中相同的方式可以用聲納器102測量海水表面距離系統401的高度 Hl以及海水上表面距離系統401的高度H2。同時，用激光器103也可以按類似的 方式測量海水表面距離系統401的高度Hl以及海水上表面距離系統401的高度 H2，通過將H1-H2就能得到冰舷高度H。然后，利用阿基米德浮力定律就能計
算出海冰的厚度。
在實踐中，例如上述系統401沿圖4所示的方向a行進，使所述系統401先 測量到高度Hl,進而測量高度H2。此時，由于海水與海水對激光的反射特性存在 明顯的區別，因此上述激光器103所接收的反射的激光信號的回波信號波形特征會 出現明顯的變化，例如出現約三倍的變化。具體地，所述控制單元106可通過^r測 反射的激光信號的振幅或頻率信息來檢測上述回波信號的變化。根據這一變化，所 述系統401就能準確地區分根據上述激光信號測得的高度是Hl還是H2。
此外，在該實施例中，同樣可以結合GPS裝置以消除積雪的影響，并借助輔 助支架301實施測量。具體的操作步驟和技術細節可參考上述實施例1，因此在此 不再贅述。
具體地，海水厚度T具體可根據以下公式求得
其中，Av、 A和P,分別為海水、海冰和積雪的密度，F為水舷高度(含積雪)， l為積雪的厚度。
本領域的技術人員可以理解，在第一實施例中可省略激光器103而不影響該 實施例的實現，且在第二實施例中也可省略電磁感應器101而不影響該實施例的實 現。此外，較佳地，可通過同時包含上述設備101、 102和103而獲取兩套獨立的 海冰厚度數據，以供相互校驗從而提取出干擾噪聲信號。特別是，在集成上述兩個 實施例的情況下，經實際海測檢驗，可將平坦冰區的海冰厚度的測量誤差降低到小 于10 % ，將水脊區的測量誤差降低到小于20 % 。
綜上所述，本發明實現了大范圍海水的可重復觀測，并能精確地測量海冰厚 度。本發明的海冰厚度測量系統還具有高精度、 一體化和易操作的諸多優點。
本領域技術人員可顯見，可對本發明的上述示例性實施例進行各種修改和變型而不偏離本發明的精神和范圍。因此，旨在使本發明覆蓋落在所附權利要 求書及其等效技術方案范圍內的對本發明的修改和變型。
權利要求
1. 一種海冰厚度測量系統，包含一本體，所述本體包括電磁感應器，垂直于海冰發射并接收電磁場信號；聲納器，垂直于海冰發射并接收聲納信號；以及控制單元，與所述電磁感應器和所述聲納器數據連接，其中，所述控制單元根據來自所述電磁感應器的電磁場信號計算所述本體距離海冰下表面的第一高度，根據所述聲納信號計算所述本體距離所述海冰的上表面的第二高度，并通過將所述第一高度減去所述第二高度獲得所述海冰的厚度。
2. 如權利要求1所述的海水厚度測量系統，其特征在于，所述本體還包括 全球定位系統(GPS )裝置，與所述控制單元數據連接并用于獲取所述海冰厚度測量系統的定位信息。
3. 如權利要求2所述的海冰厚度測量系統，其特征在于，所述本體還包括 存儲裝置，與所述控制單元數據連接并用于存儲數據。
4. 如權利要求1所述的海冰厚度測量系統，其特征在于，還包含一輔助支架， 該輔助支架包括豎直桿；設置多個滑輪；拉繩，沿所述多個滑輪布置且遠離所述豎直桿的一端處固定所述海水厚度測 量系統的本體；以及巻軸升降機，具有一轉軸，所述轉軸上固定所述拉繩的另一端，以調節所述 本體的高度。
5. 如權利要求1所述的海水厚度測量系統，其特征在于，還包含 激光器，與所述控制單元數據連接并用于垂直于海水發射和接收激光信號；其中，所述控制單元根據所述激光器向海水發射和接收的激光信號計算所述 本體距離所述海水的表面的第三高度，并通過將所述第三高度減去所述第二高度獲 得所述海冰的水舷高度，然后根據阿基米德定律計算所述海冰的厚度。
6. —種海水厚度測量方法，包括以下步驟 從一水平位置垂直于海水發射并接收第一信號； 從所述水平位置垂直于海水發射并接收第二信號；以及根據所述第一信號計算所述位置距離海冰和海水之間的界面的第一高度，根 據所述第二信號計算所述位置距離所述海水的上表面的第二高度，并通過將所述第 一高度減去所述第二高度獲得所述海冰的厚度。
7. 如權利要求6所述的海冰厚度測量方法，其特征在于，還包括 測量所述位置的全球定位(GPS)信息。
8. 如權利要求7所述的海冰厚度測量方法，其特征在于，還包括 根據所述GPS信息檢索所述位置處的積雪厚度，并將上述獲得的海水的厚度減去所述積雪厚度，以消除積雪對海冰厚度的影像。
9. 如權利要求6所述的海冰厚度測量方法，其特征在于，還包括 從所述水平位置垂直于海水發射并接收第三信號；以及 根據所述第三信號計算所述水平位置距離所述海水的表面的第三高度，并通過將所述第三高度減去所述第二高度獲得所述海水的冰舷高度，然后根據阿基米德 定律計算所述海冰的厚度。
全文摘要
本發明提供了一種海冰厚度測量系統，包含一本體，所述本體包括電磁感應器，垂直于海冰發射并接收電磁場信號；聲納器，垂直于海冰發射并接收聲納信號；以及控制單元，與所述電磁感應器和所述聲納器數據連接，其中所述控制單元根據來自所述電磁感應器的電磁場信號計算所述本體距離海冰和海水之間的界面的第一高度，根據所述聲納信號計算所述本體距離所述海冰的上表面的第二高度，并通過將所述第一高度減去所述第二高度獲得所述海冰的厚度。本發明還相應地提供了一種海冰厚度測量方法。本發明實現了大范圍海冰的可重復連續走航觀測，并能精確地測量海冰厚度。
文檔編號G01B7/06GK101476864SQ20091004607
公開日2009年7月8日 申請日期2009年2月11日 優先權日2009年2月11日
發明者唐學遠, 波 孫, 娜 李, 群 李, 李丙瑞, 郭井學 申請人:中國極地研究中心