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1、李彩等：海洋光学浮标光学窗口防污装置的设计 海洋光学浮标光学窗口防污装置的设计海洋光学浮标光学窗口防污装置的设计 李彩，柯天存，曹文熙，邓崇仁，杨跃忠，卢桂新 （中国科学院南海海洋研究所 LED 实验室，广东，广州，510301） 摘要摘要 设计、 开发并测试了一种用于防止浮标水下光学仪器窗口被污染的装置。 该装置通过 一个一侧带有橡皮清洁刷的铜质保护盖保护浮标的光学窗口不被污染。 在需要光学传感器 采样时， 铜质保护盖携带清洁刷清洁光学窗口若干次后移出光学窗口， 采样结束后又重新转 回光学窗口上方。该装置的可靠性已在我国近海作试验得以验证。 关键字关键字 水色遥感， 光学窗口污染， 海洋光学
2、浮标 0. 引言 水色遥感信息的应用依赖于现场光辐 射测量技术。 海洋光学浮标就是在水色卫星 遥感应用的推动下于上世纪 80 年代才发展 起来的、 用于测量时间系列上海水光学特性 的一种新型装备。 安装在海洋光学浮标上的 光谱辐射计可以提供连续的海水光学特性 参数的测量，为水色遥感卫星提供实时、大 量的校正数据。然而，由于长时间在海水中 连续工作，仪器非常容易受污染，其光学传 感器窗口上面容易附着一些微生物或其它 有机物（如油类）和无机物（如泥沙）1 ，同样的， 无脊椎动物的幼体附着并生长在光 学传感器的玻璃窗口上也是一个普遍存在 的污染问题， 而光辐射测量对上述这些污染 十分敏感， 窗口受污
3、染后的测量误差无法估 计， 污染严重时， 甚至无法进行测量。 因此， 必须寻求一种稳定、 可靠的光学传感器窗口 防污、除污装置，有效的防止因上述污染而 造成的仪器测量误差。 目前适用于光学浮标窗口防污、 除污的 方法主要有以下四种： 防生物附着膜：主要是利用各种有机化 合物，如美国海军研究署研制的OMP-8、 TBT（三丁基锡化合物） 等，但上述方法效果有 限，光学性质不稳定， 对于生物作用具有一定 的选择性1、3，而且，这种方法还会受到仪器 投放时间（即各有机化合物的有效期）的限制，同时，由于上述有 机物都具有一定的毒性， 对海水会造成一定 程度上的污染， 因而没有得到广泛的推广应 用。 蛙
4、人清洗：这种方法就是直接派潜水人 员下水清洗， 美国 MOBY 就采用这一方法。 这种方法处理海水表层的测量仪器还可以 使用， 但对于真光层仪器进行清洗则需配备 特殊的潜水装置，而且，这种方法由于受到 清洗次数的限制， 对仪器的测量精度还是有 一定的影响。 药物缓慢释放法：这种方法我们在大亚 湾实验中采用过，有一定的防污效果。但它 与防生物附着膜法有相同的不足，即：对于 海区和时间的使用范围具有一定的选择性， 同样会对海水造成污染。 自动清洗刷：其基本原理与汽车前玻璃 清洗刷相同，日本的光学浮标NASDA Optical Buoy使用的就是这种防污装置2， 有 较好的效果。 鉴于上述各种方法的
5、特点和不足， 结合 我国海洋光学浮标技术的需要， 我们设计了 一种同时具有防污和清污功能的新型装置， 初步近海试验已经取得了满意的效果。 1. 设计思想 光学浮标需要在海上连续工作 36 个 月。其窗口表面容易受浮游生物（如藻类和 藤壶类）及泥沙的附着，严重影响窗口的通 光性能。光学窗口表面一般采用特氟隆（聚 四氟乙烯）等材料或光学玻璃。特氟隆等本 身有一定的防生物附着能力， 其透光的漫射 性能也很好，因此将它用于辐照度测量窗 国家 863 计划项目（2001AA631010）资助 女，1977 年生，在职博士研究生，研究方向：海洋环境遥感，联系人 高技术通讯 口，但它防生物附着能力有限，使用
6、时间一 般不能超过两周。对于辐亮度的测量，其窗 口为光学玻璃，有效使用时间更短，如果不 采取措施，仪器在海水中放置数天，生物附 着已很明显，测量数据不能使用，甚至根本 无法完成测量。 细菌、 藻类等颗粒物在水下物体上的附 着需要两个条件， 第一是有稳定的不受干扰 的生长点，第二就是有适合的温度、光照等 生长环境条件。因此，本防污染装置设计的 主要思想就是破坏海水中藻类等各种微粒 物在光学窗口上的附着条件， 使光学窗口受 到最低限度的生物附着， 在此基础上对光学 窗口定时清扫，达到清洁效果。 铜是一种生物微量元素， 在海水中受外 界因素而被腐蚀时， 其氧化部分将大量释放 到海水中，在高浓度下会变
7、得有毒。它会干 涉细胞膜上酶的产生进而阻止细胞的分裂， 对细菌、 浮游植物和无脊椎动物造成一定的 毒性，抑制藻类、细菌等的生长。因此，铜 被广泛用于水下装置的防生物污染。 本文研制的防污染装置的基本出发点 就是利用铜板的毒性抑制藻类在光学窗口 上的生长。在仪器的非测量期间，如果光学 窗口的光照很低，也有利于抑制藻类生长， 因此，铜板与光学窗口之间的间隙极小，以 保证非测量期间光学窗口处于 “黑暗” 状态。 在此基础上， 采用一个类似于日本光学浮标的自动清扫装置， 定期清扫光学窗口。 总之， 本设计拟从增强毒性、降低光照、自动清扫 三个方面来实现光学窗口的防污、除污目 的。 2. 防污染装置结构
8、与工作原理 图1所示为光学传感器及其光学窗口防 污、除污装置的硬件结构示意图。该防污、 除污装置主要是由一个直流驱动马达、 一减 速齿轮、一马达转轴、一用于支撑保护盖的 支撑臂、一个铜质的保护盖、固定在保护盖 一侧的橡皮清洁刷、 两个定位传感器及其相 应的控制电路组成。 驱动马达和外壳之间经 钢板固连。 保护盖支撑臂的一端固定在驱动 马达的转轴上， 马达转轴通过马达外壳的上 盖深入水中。 固定在支撑臂上的保护盖将在驱动马 达的驱动下，跟随马达转轴成逆时针转动； 两个定位传感器的核心任务就是用来探测 保护盖当前所处的位置， 在其控制电路的控 制下， 根据实际需要将保护盖准确的定位在 需要其定位的
9、地方。 用来控制该防污装置的 软件是用汇编语言编写的一个子程序， 当需 要该防污、 除污装置工作时， 调用该子程序。 子程序使用一个输出控制位和两个输入状 态位与光学窗口防污装置中的定位传感器 及其控制电路通讯，用来控制马达的停止/ 启动以及保护盖当前所处的位置和转过的图 1 窗口防污染装置硬件结构图 控 制 中 心马达控制 调节与分配 RS-232 电源控制 传 数 据 至 接收站 电源系统 通讯口 开关定位传感器减速 齿轮直流 马达光学探头 李彩等：海洋光学浮标光学窗口防污装置的设计 角度。 在光学窗口的上方， 固定在支撑臂一侧 的、 面积稍大于光学窗口的铜质保护盖与光 学窗口之间留有 0
10、.51mm 的间隙， 为了定 期的清扫光学窗口， 利用光学窗口的光滑和 平整性， 通过一橡皮压条在铜质保护盖的一 端固定一刮板橡皮， 其长度与保护盖的直径 相同， 橡胶片的下侧与光学窗口接触处作成 一均匀的楔型， 楔型的高度较光学窗口表面 和铜质保护盖之间的间隙长 0.51mm，使 楔型的最低面紧贴光学窗口。 正常情况下，每一次仪器开始采样之 前，保护盖均处于光学窗口的正上方，即： 由图 1 所示的“关”定位传感器所确定的位 置， 因对细菌等微生物的生长具有抑制作用 的铜质保护盖略大于光学窗口， 且两者之间 的间隙极小， 这样就可以在仪器不采样时保 护光学窗口处于“无光” 、有毒的状态，尽 可
11、能的保护光学窗口不被污染，但是，也有 少数生物，可以在微光、无光、外界生存环 境恶劣的条件下生长， 从而污染浮标的光学 窗口， 这时利用固定在保护盖一侧的清洁刷 逆时针清洗保护盖若干次就可以清除由于 上述原因引起的窗口污染。 开始采样时，图 1 所示的“控制中心” 首先通过两根状态线读取保护盖当前所处 的位置，并将其记录在数据存储器当中，然 后， 通过输出通道控制驱动马达驱动保护盖 及其一侧的橡皮清洁刷逆时针转动 N 圈 （实 际试验中，我们选择 N=3，可以根据海水的 不同情况， 选取不同的 N 值） ， 在此过程中， 清洁刷将会紧贴光学窗口表面不停的刮走 残留在光学窗口表面的微生物种子及其
12、它 一些污染物， 从而达到对光学窗口除污的目 的。 保护盖逆时针旋转 N 圈后经图 1 的 “开” 定位传感器及其控制电路将其精确的定位 在与光学窗口中心位置成 180的位置，使 光学窗口不被保护盖遮住， 这样光谱辐射计 就可以精确的采集海水的光学特性数据。 一 旦采样结束， “控制中心”将立即控制驱动 马达携带保护盖再逆时针旋转 180，通过 “关” 定位传感器及其控制电路将保护盖准 确的定位在光学窗口的正上方， 从而使光学 窗口在仪器不采样时基本处于无光状态。 保护盖所处的位置通过两根状态线传送到 “控 制中心” ， 通过对这两根状态线上位的判断， “控制中心”就可以经输出通道发送启动/
13、停止等控制命令给驱动马达及各定位传感 器的控制电路，确保保护盖的精确定位。浮 标每天定点采样 8 次， 每次采样都会重复上 述工作。 开始图 1 中的“电源控制”主要用来设置精 确的窗口清洁及采样时间， 实质是用来控制 整个系统电源供电的， 其核心元件是一具有 星期、日、时、分等报警中断功能的时钟芯 片， 通过其报警中断输出来控制系统的供电P1.4 置 0Y N P1 50INT1 1？ N0，P1.4 置 1 采集数据并存储 清除 T089C51 向时钟芯片写下一 报警时间，关当前中断 结束采数结束 与 PC 机 通 讯读 INT1、INT0 并存储NY N=N+1 N=3?INT0=1?通
14、 讯 结 束NY NNY YNY 图 2 防污染装置系统软件流程 高技术通讯 情况4，时钟芯片的一次报警中断就意味着仪器的一次除污、采样时间点。也就是系统 电源开始供电的时刻；在每次采样结束后， “控制中心”会清除时钟的报警中断，从而 断开由时钟中断输出控制的系统供电电源。 时钟芯片的功耗极低， 其电源是采用纽扣电 池单独、不间断的供给的。 “ 控 制 中 心 ” 的 核 心 组 成 是 一 C8051F020 单片机，它接收所有外界的状态 或数据信息， 并发出各种控制命令给其它组 件。其软件流程如图 2 所示。其中，INT1、 INT0 分别为“开” 、 “关”定位传感器的状 态标志位；N
15、为保护盖转过光学窗口的次 数；P1.4 控制驱动马达的转动；P1.5 用来选 择 C8051F020 单片机的通讯对象。 3. 小结 该防污、除污装置具有以下一些特点： 体积小，安装方便； 仪器自带电池，自主供电，完全实现自 动化； 克服了海区和时间的限制， 具有一定的 通用性； 铜质保护盖和橡皮清洁刷的双重防污、 除污，全方位防止光学窗口被污染； 在马达带动保护盖和清洁刷转动时其 工作电流仅为 100mA（典型值） ； 低功耗直流马达的使用（功率为 4W， 工作电压为 924V） ； 在除污结束仪器采样期间其工作电流 仅为 40mA（典型值） ； 在采样点到来之前， 具有极低功耗 （3V，0
16、.25A，仅为时钟工作耗电） ； 大工作电压范围：924V。 经过初步的海上试验证明， 该装置具有 很好的防污、除污效果。由于该装置具有体 积小，功耗低、安装方便、全自动化操作等 特点，因此，只要稍作改动，它同样可以用 于其它工作于水下易受污染仪器的防污、 除 污。 参考文献： 1 McLean, S., B. Schofield, G. Zibordi, M. Lewis, S. Hooker, and A.Weidemann, 1996: Field evaluation of anti-biofouling compounds on optical instrumentation. SPIE(Ocean Optics XIII).34,868-881. 2 J.ISHIZAKA, I.ASANUMA, N.EBUCHI, H.FUKUSHIMA, etc., 1997: Time Series of Physical and Optical
