一种海冰表面温度测量装置及测量设备的制作方法

1.本实用新型实施例涉及极地和海洋监测技术，尤其涉及一种海冰表面温度测量装置及测量设备。


背景技术：

2.在极区，海冰隔离了海洋与大气间的热量和水汽交换，改变了大洋表面的辐射和能量平衡，其冻融过程影响着大洋温、盐环流的形成，对极区乃至全球气象、气候有着重要的影响。作为海冰最基础的物理特征参数，海冰表面温度不仅可以指示海冰表面的冻融，还可作为表面能量通量的积分器，是极区气候的一个关键变量。为改善对极区热量收支的估算，增进对气候变化的理解，我们需要对极区海冰表面温度进行精确测量。
3.多年来，极区海冰表面温度数据的收集一直依赖于船舶、冰站和浮标，这种类型的观测一般为接触性测量，收集的大多为近冰表气温，而非真实的海冰表面温度数据。在某些季节，近冰表气温与海冰表面温度相差可达几k。而且由于极区恶劣的环境，开展这些观测的难度不可估量。卫星遥感技术探测，分辨率通常较低，无法探测海冰小尺度(亚像元尺度)的变化，另外受云的影响，卫星探测海冰表面温度的频率与精度均受限制，目前卫星所反演的海冰表面温度产品的精度最高在1k，时间分辨率为1天，空间分辨率为1km，远无法满足现今海冰精细化观测的需求。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种海冰表面温度测量装置及测量设备，实现了海冰表面特征的特定面积的准确测量，提高了测量精度和空间分辨率
5.第一方面，本实用新型实施例提供了一种海冰表面温度测量装置，包括：测温模块、图像采集模块和数据处理模块。
6.所述测温模块用于测量海冰的表面温度信息。
7.所述图像采集模块用于采集视场范围内海冰的表面图像信息。其中，所述图像采集模块的视场范围覆盖所述测温模块的测量范围。
8.所述数据处理模块分别与所述测温模块和所述图像采集模块连接。所述数据处理模块用于根据所述表面温度信息和所述图像信息获取所述海冰的表面特征。
9.可选的，数据处理模块包括图像处理单元、温度处理单元和数据处理单元。
10.所述图像处理单元用于根据所述表面图像信息进行海冰图像特征识别，并生成图像特征信号。
11.所述温度处理单元用于根据表面温度信息进行海冰温度识别，并生成温度信号。
12.所述数据处理单元分别连接所述图像处理单元和所述温度处理单元。所述数据处理单元用于根据所述图像特征信号和所述温度信号获取所述海冰的表面特征。
13.可选的，所述海冰表面温度测量装置还包括gps模块，所述gps模块连接所述数据处理模块。所述gps模块用于记录所述海冰的位置信息。所述数据处理模块还用于根据所述
海冰的表面特征和所述海冰的位置信息获取当前海冰表面特征。
14.可选的，所述海冰表面温度测量装置还包括数据采集模块，所述数据采集模块分别连接所述测温模块、所述图像采集模块和gps模块，所述数据采集模块用于根据所述海冰表面温度测量装置的运动状态，控制采样频率进行数据采集。还用于根据gps模块的时钟将测温模块和图像采集模块设为同步工作状态。
15.可选的，所述海冰表面温度测量装置，还包括保护外壳。所述测温模块和所述图像采集模块均置于所述保护外壳内部。
16.可选的，所述海冰表面温度测量装置还包括加热模块，所述加热模块置于所述保护外壳的夹层或所述保护外壳的内表面。所述加热模块用于维持所述海冰表面温度测量装置的工作温度。
17.可选的，所述加热模块包括加热电阻丝。
18.可选的，所述海冰表面温度测量装置还包括辅助支架和角度调节器。
19.所述辅助支架与所述保护外壳之间通过所述角度调节器连接。所述辅助支架用于延长所述测温模块和所述图像采集模块的水平测量距离。所述角度调节器用于旋转调整所述测温模块和所述图像采集模块测量角度。
20.可选的，所述测温模块包括红外测温传感器。
21.第二方面，本实用新型实施例提供了一种测量设备，包括本实用新型实施例任意所述的海冰表面温度测量装置。
22.本实用新型实施例提供的技术方案，通过测温模块测量海冰的表面温度信息。图像采集模块采集视场范围内海冰的表面图像信息。将图像的采集范围设置为可完全覆盖温度测量的范围，从而保证温度信息完全表征在图像采集范围内，减少图像采集区域外采集温度噪声，进一步提高海冰表面特征的测量精确度。通过控制图像采集的视场和温度采集的范围，可以实现小面积内的精确测量，从而提高了测量空间分辨率。
附图说明
23.图1为本实用新型实施例提供的一种海冰表面温度测量装置的结构示意图。
24.图2为本实用新型实施例提供的又一种海冰表面温度测量装置的结构示意图。
25.图3为本实用新型实施例提供的又一种海冰表面温度测量装置的结构示意图。
26.图4为本实用新型实施例提供的又一种海冰表面温度测量装置的结构示意图。
具体实施方式
27.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
28.卫星遥感技术的发展，实现了对海冰表面温度非接触式、大面积的探测，但卫星遥感数据分辨率通常较低，无法探测海冰小尺度的变化，另外受云的影响，卫星探测海冰表面温度的频率与精度均受限制，目前卫星所反演的海冰表面温度产品的精度最高在1k，时间
分辨率为1天，空间分辨率为1km，远无法满足现今海冰精细化观测的需求。近年随着全球变暖在极地的“放大效应”，海冰各种物理特性，包含表面温度，呈现出明显的空间不均匀性，尤其是夏季，海冰表面特征愈来愈趋于多样，海冰表面温度在短期内的变化量增加，但海冰表面的恒温状态使得这些小分辨率的空间特征难以区分。
29.有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种海冰表面温度测量装置，具有较高的空间分辨率实现海冰表面特征的测量。图1为本实用新型实施例提供的一种海冰表面温度测量装置的结构示意图，参见图1，该装置包括：测温模块120、图像采集模块130和数据处理模块110。
30.测温模块120用于测量海冰的表面温度信息。
31.图像采集模块130用于采集视场范围内海冰的表面图像信息。其中，图像采集模块130的视场范围覆盖测温模块120的测量范围。
32.数据处理模块110分别与测温模块120和图像采集模块130连接。数据处理模块110用于根据表面温度信息和图像信息获取海冰的表面特征。
33.具体的，测温模块120可以利用非接触式温度检测采集海冰表面温度信息，例如通过热辐射进行非接触检测温度。图像采集模块130可以采用摄录设备，例如高分辨ccd摄像机，通过图像采集模块130进行采集冰表面图像信息，图像的采集范围可完全覆盖温度测量的范围，从而保证温度信息完全表征在图像采集范围内，减少图像采集区域外的温度信息或温度噪声对该检测区域的影响，数据处理模块110根据图像信息进行图像识别获取海冰特征，并根据温度信息计算海冰表面温度，然后根据海冰表面温度和海冰特征将两者结合处理后得到海冰的表面特征，其中，海冰的表面特征包括表面温度特征信息和海冰表面水道、融池、冰脊以及冰上积雪等形态特征信息。
34.由于接触式近冰表温度通常与海冰表面温度存在差异，因此测温模块120 利用非接触式温度检测相比于接触性测量近冰表气温，可以减少海冰表面温度数据检测差异。通过设置图像的采集范围完全覆盖温度测量的范围，可以减少图像采集区域外的温度信息或温度噪声对该检测区域的影响，从而进一步提高了海冰表面特征的测量准确性。通过测温模块120和图像采集模块130调整特定面积，可以实现小面积的测量相比于卫星遥感，分辨率更加精细，并且进一步提高了测量的空间分辨率。
35.本实用新型实施例提供的技术方案，通过测温模块测量海冰的表面温度信息。图像采集模块采集视场范围内海冰的表面图像信息。将图像的采集范围设置为可完全覆盖温度测量的范围，从而保证温度信息完全表征在图像采集范围内，减少图像采集区域外采集温度噪声，进一步提高海冰表面特征的测量精确度。通过控制图像采集的视场和温度采集的范围，可以实现小面积内的精确测量，从而提高了测量空间分辨率。
36.图2为本实用新型实施例提供的又一种海冰表面温度测量装置的结构示意图，参见图2，数据处理模块110包括图像处理单元111、温度处理单元 112和数据处理单元113。
37.图像处理单元111用于根据表面图像信息进行海冰图像特征识别，并生成图像特征信号。
38.温度处理单元112用于根据表面温度信息进行海冰温度识别，并生成温度信号。
39.数据处理单元113分别连接图像处理单元111和温度处理单元112。数据处理单元113用于根据图像特征信号和温度信号获取海冰的表面特征。
40.具体的，图像处理单元111根据表面图像信息利用minerror算法进行海冰表面特征的识别。基于目标图像的灰度直方图服从双峰高斯分布的假定，根据最小分类误差思想给出准则函数j(t)，当j(t)最小时求得最佳阈值τ，通过最佳阈值τ检验的目标特征即被标记为海冰特征，并生成图像特征信号。
41.测温模块120采集的海冰表面温度为亮温，需要温度处理单元112根据表面温度信息发射率校正转换为海冰表面实际的热力学温度。其中，转换公式为：
[0042][0043]
其中t
at
为海冰表面实际热力学温度，t
t
为采集模块采集的红外亮温，tb为背景温度。由于极区冰雪表面具有高发射率，背景辐射仅占所测辐射的极小一部分，因而此部分误差可忽略不计。极区冰雪表面的发射率主要受观测视角影响，通过有理切比雪夫近似，采集模块在特定角度处测得的亮温即可转换成海冰表面温度：
[0044][0045]
其中μv为观测视角的反余弦值，c0，c1和d1为系数。
[0046]
数据处理单元113根据图像特征信号和海冰表面温度结合生成包括表面温度特征信息和海冰表面水道、融池、冰脊以及冰上积雪等形态特征信息的海冰表面特征。其中，本实用新型的海冰表面温度测量装置结构简单易操作，实现小面积内的精确测量，提高了极区海冰表面温度测量的空间分辨率。
[0047]
图3为本实用新型实施例提供的又一种海冰表面温度测量装置的结构示意图，参见图3，海冰表面温度测量装置还包括gps模块310，gps模块310 连接数据处理模块110。gps模块310用于记录海冰的位置信息。数据处理模块110还用于根据海冰的表面特征和海冰的位置信息获取当前海冰表面特征。
[0048]
具体的，gps模块310可以同步记录目标的位置信息，还可以根据不同的位置信息将不同要素的观测进行同步。例如，根据定位信息，利用图像采集模块130记录测量路线周边的海冰形态变化。或者根据定位信息，数据处理模块110通过将每一定位区域的海冰的表面特征进行组合拼接，可以得到测量海域内的整体海冰表面特征。
[0049]
基于上述实施例，继续参见图3，海冰表面温度测量装置还包括数据采集模块320，数据采集模块320分别连接测温模块120、图像采集模块 130和gps模块310，数据采集模块320用于根据海冰表面温度测量装置的运动状态，控制采样频率进行数据采集。还用于根据gps模块310的时钟将测温模块120和图像采集模块130设为同步工作状态。
[0050]
具体的，在测量装置开始工作前，数据采集模块320可以分别设置测温模块120、图像采集模块130和gps模块310的采样频率、数据存储格式和数据存储文件大小等参数信息。数据采集模块320还可以利用gps模块310 的时钟，将gps模块310的时钟作为时钟基准设置测温模块120、图像采集模块130与gps模块310设为同步工作状态，从而可以使测温模块120、图像采集模块130与gps模块310的数据采集过程处于相同时间，从而保证了数据在同一时间同一区域检测要素的一致性。其中，数据采集模块320可随时与数据处理模块110进行连接，以便对测量过程进行动态监测，还可以进行测量参数及数据文件的修改等操作。数据采集模块320设置测温模块120、图像采集模块130和gps模块310的采样频率为固定的采
样频率，从而满足检测路线海冰表面特征的自动观测，也可根据不同观测需求对采样频率进行调整。例如检测装置静止时需要设置此时符合要求的采样频率。通过测温模块和图像采集模块调整特定面积和频率，可以实现小面积的高频测量。相比于卫星遥感，时空分辨率更加精细，从而实现高频测量提高了测量时间分辨率。
[0051]
继续参见图3，海冰表面温度测量装置还包括保护外壳330。测温模块 120和图像采集模块130均置于保护外壳330内部。
[0052]
具体的，保护外壳330可以采用金属外壳，示例性的采用铝制材料。保护外壳330形状可以为长方体箱状。可以将电子设备均集成放置在保护外壳 330内，从而保护电子设备受外力损坏。其中电子设备包括测温模块120、图像采集模块130、gps模块310和数据采集模块320等。保护外壳330还设置对应孔位，可以将测温模块120和图像采集模块130采集镜头放置在对应孔位固定，可以保证测温模块120和图像采集模块130的测量位置固定。
[0053]
继续参见图3，海冰表面温度测量装置还包括加热模块340，加热模块 340置于保护外壳330的夹层或保护外壳330的内表面。加热模块340用于维持海冰表面温度测量装置的工作温度。
[0054]
具体的，保护外壳330夹层或保护外壳330内表面可以设置加热模块340，利用加热模块340维持设备工作温度，当温度低于预设温度时，加热模块340 开始工作进行加热，维持设备正常工作温度，并且可以避免极地低温的环境条件引起采集模块的镜头结冰结霜等问题，从而避免影响采集的数据精度与准确度。
[0055]
可选的，加热模块340包括加热电阻丝。具体的，若保护外壳330采用铝制材料，考虑良好的导热性可以在四周设有电阻丝进行加热，可有效避免极地气候条件引起的结冰等对测量装置的损害，适用于极地低温工作环境。另外，采用电阻丝成本低，并且结构简单，还可以根据该实际加热需要进行铺设，从而保证均匀加热或局部加热。
[0056]
基于上述实施例，图4为本实用新型实施例提供的又一种海冰表面温度测量装置的结构示意图，参见图4，海冰表面温度测量装置还包括辅助支架 410和角度调节器420。
[0057]
辅助支架410与保护外壳330之间通过角度调节器连接。辅助支架410 用于延长测温模块120和图像采集模块130的水平测量距离。角度调节器420 用于旋转调整测温模块120和图像采集模块130测量角度。
[0058]
具体的，辅助支架410放置在测试设备上，通过辅助支架410对提供一定距离的延长支撑测温模块120和图像采集模块130的采集镜头，辅助支架 410一端连接角度调节器420，辅助支架一般采用不易形变材料，可以保证水平将测温模块120和图像采集模块130的采集镜头水平放置，从而可以确保测量角度与测量距离。角度调节器420与保护外壳330连接，可以通过角度调节器420调节保护外壳330的位置即调节镜头采集位置，当开展海冰表面温度测量时，将辅助支架410伸出测量设备一段距离，利用角度调整器420 调整镜头采集位置，通过角度调整改变测量视角，从而保证测量视场不受测量设备影响。
[0059]
在极地进行实地观测的过程中，示例性的以船载的方式实施测量作业，为能在船舷外侧固定，辅助支架410还可以包括水平支架411，水平支架411 作为辅助支架410的延长杆，提高伸出的距离。在水平支架411远离船体一端连接角度调节器420。通常辅助支架410一端固定于船舶船舷合适位置，另一端伸出船舷长度》0.5m，镜头的位置与支架间的夹角θ为观测视角，可通过角度调节器420调整，在保证测量装置探测范围和能力的前提下，将船
体对视场的影响最小化。在本实施例中，测温模块120镜头距冰面10m，镜头轴线离开船体最外边缘0.5m，在测量装置与水平支架间夹角θ取45
°
时，测温模块120的测量范围中心点离船外侧10.5m，观测视场r半径约5.2m。通过将镜头的采集位置设置在海冰上方，利用测温模块120接收测量范围内目标辐射温度，图像采集模块130采集视场范围内海冰图像，根据测温模块120 与海冰间的热辐射平衡获得海冰的表面温度，然后利用发射率校正结合从图像采集模块130的海冰图像中识别出的海冰特征，从而得到包括海冰表面温度的海冰表面特征。
[0060]
可选的，测温模块120包括红外测温传感器。具体的，红外测温传感器是一种利用红外手段来测量温度的设备，利用与目标间的红外辐射平衡获得目标的红外温度，实现非接触温度测量，避免接触式测量近冰表气温与海冰表面温度产生的测量误差。
[0061]
本实用新型实施例提供了一种测量设备，包括本实用新型实施例任意的海冰表面温度测量装置。
[0062]
具体的，测量设备包括船舶、无人机和直升机等可用于科学测量的移动工具，通过搭载不同的移动工具可以扩大测量距离及测量视场。因其包括本实用新型任一实施例提供的海冰表面温度测量装置，因而也具有相同的有益效果，在此不再赘述。
[0063]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种海冰表面温度测量装置，其特征在于，包括：测温模块、图像采集模块和数据处理模块；所述测温模块用于测量海冰的表面温度信息；所述图像采集模块用于采集视场范围内海冰的表面图像信息；其中，所述图像采集模块的视场范围覆盖所述测温模块的测量范围；所述数据处理模块分别与所述测温模块和所述图像采集模块连接；所述数据处理模块用于根据所述表面温度信息和所述图像信息获取所述海冰的表面特征。2.根据权利要求1所述的海冰表面温度测量装置，其特征在于，所述数据处理模块包括图像处理单元、温度处理单元和数据处理单元；所述图像处理单元用于根据所述表面图像信息进行海冰图像特征识别，并生成图像特征信号；所述温度处理单元用于根据表面温度信息进行海冰温度识别，并生成温度信号；所述数据处理单元分别连接所述图像处理单元和所述温度处理单元；所述数据处理单元用于根据所述图像特征信号和所述温度信号获取所述海冰的表面特征。3.根据权利要求1所述的海冰表面温度测量装置，其特征在于，还包括gps模块，所述gps模块连接所述数据处理模块；所述gps模块用于记录所述海冰的位置信息；所述数据处理模块还用于根据所述海冰的表面特征和所述海冰的位置信息获取当前海冰表面特征。4.根据权利要求3所述的海冰表面温度测量装置，其特征在于，还包括数据采集模块，所述数据采集模块分别连接所述测温模块、所述图像采集模块和gps模块，所述数据采集模块用于根据所述海冰表面温度测量装置的运动状态，控制采样频率进行数据采集；还用于根据所述gps模块的时钟将测温模块和图像采集模块设为同步工作状态。5.根据权利要求1所述的海冰表面温度测量装置，其特征在于，还包括保护外壳；所述测温模块和所述图像采集模块均置于所述保护外壳的内部。6.根据权利要求5所述的海冰表面温度测量装置，其特征在于，还包括加热模块，所述加热模块置于所述保护外壳的夹层或所述保护外壳的内表面；所述加热模块用于维持所述海冰表面温度测量装置的工作温度。7.根据权利要求6所述的海冰表面温度测量装置，其特征在于，所述加热模块包括加热电阻丝。8.根据权利要求1所述的海冰表面温度测量装置，其特征在于，还包括辅助支架和角度调节器；所述辅助支架与保护外壳之间通过所述角度调节器连接；所述辅助支架用于延长所述测温模块和所述图像采集模块的水平测量距离；所述角度调节器用于旋转调整所述测温模块和所述图像采集模块测量角度。9.根据权利要求1所述的海冰表面温度测量装置，其特征在于，所述测温模块包括红外测温传感器。10.一种测量设备，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的海冰表面温度测量装置。

技术总结
本实用新型公开了一种海冰表面温度测量装置及测量设备。其中装置包括：测温模块、图像采集模块和数据处理模块；所述测温模块用于测量海冰的表面温度信息；所述图像采集模块用于采集视场范围内海冰的表面图像信息；其中，所述图像采集模块的视场范围覆盖所述测温模块的测量范围；所述数据处理模块分别与所述测温模块和所述图像采集模块连接；所述数据处理模块用于根据所述表面温度信息和所述图像信息获取所述海冰的表面特征。本实用新型提供技术方案实现了海冰表面特征的特定面积的准确测量，提高了测量精度和空间分辨率。提高了测量精度和空间分辨率。提高了测量精度和空间分辨率。


技术研发人员：李娜 雷瑞波 李丙瑞 窦银科 袁卓立 左广宇
受保护的技术使用者：中国极地研究中心（中国极地研究所）
技术研发日：2021.08.30
技术公布日：2022/5/25