創(chuàng)立于1977年的美國生物球儀器公司（Biospherical Instruments Inc.，簡稱BSI）是一家以研發(fā)為導(dǎo)向、集設(shè)計(jì)與生產(chǎn)為一體的環(huán)境監(jiān)測儀器公司。BSI在從南極到北極、從海洋到飲用水水庫的環(huán)境監(jiān)測中有著悠久的歷史。

30多年來，BSI的生產(chǎn)線聚焦于海洋、大氣、水質(zhì)和生物科學(xué)用的高品質(zhì)光學(xué)儀器的設(shè)計(jì)與生產(chǎn)，是目前國際上光學(xué)儀器領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。BSI的產(chǎn)品包括陸地與海洋的全球紫外線（UV）監(jiān)測系統(tǒng)、飲用水源地的水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)、以及海洋科學(xué)和大氣科學(xué)使用的多種UV和可見光波段的光學(xué)輻射儀。

BSI的儀器從簡單的光合有效輻射（PAR）測量儀，到非常復(fù)雜的水體剖面輻射測量系統(tǒng)，以及各種單通道光強(qiáng)測量傳感器，在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的認(rèn)同。如NASA、NOAA、EPA、WHOI、MBARI、Sea-Bird、RBR、HOBI、McLane、Teledyne、WETLabs、YSI等等都是BSI的忠實(shí)用戶。

1988，受美國自然科學(xué)基金（National Science Foundation, NSF）委托，BSI開始安裝“全球UV監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，并一直由BSI維持全球UV監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)。直到2009年，這個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)才被拆分成兩部分：一部分轉(zhuǎn)到美國海洋與大氣管理局（NOAA）名下，另一部分仍由BSI負(fù)責(zé)。

2005年，BSI因?yàn)檠邪l(fā)成功微型輻射計(jì)（Microradiometers）而獲得NASA頒發(fā)的商業(yè)創(chuàng)新獎(jiǎng)（SBIR）。

2008年，BSI與NASA開始合作開發(fā)新的、現(xiàn)代化的輻射測量傳感器以支持現(xiàn)有的和下一代的海洋水色衛(wèi)星遙感任務(wù)。這套系統(tǒng)被稱之為行星輻射能光學(xué)傳感器（Optical Sensors for Planetary Radiant Energy, OSPREy），主要用于獲得海洋、天空、太陽和月亮的輻射測量數(shù)據(jù)，來滿足對海洋水色衛(wèi)星遙感的替代校準(zhǔn)和算法證實(shí)的精度要求。

2009年，BSI與芝加哥大學(xué)共同承擔(dān)了美國自然科學(xué)基金的“極地觀測網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目，用于長期觀測全球變化對極地環(huán)境特別是紫外線的影響。

在海洋光學(xué)儀器領(lǐng)域，BSI的產(chǎn)品就是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。這從大量的著名海洋儀器設(shè)備公司從BSI采購光學(xué)儀器和傳感器并集成到其自己的產(chǎn)品上就可知道。下面這些代表性的海洋儀器設(shè)備公司都是BSI的忠實(shí)用戶：

l  Sea-Bird Electronics, Inc.

l  RBR Ltd.

l  Falmouth Scientific, Inc.

l  HOBI Labs, Inc.

l  iRobot Corporation

l  Ocean Sensors, Inc.

l  Teledyne RD Instruments, Inc.

l  WETLabs, Inc.

l  YSI Inc.

l  McLane Research Laboratories, Inc.

其中國際上著名的CTD生產(chǎn)商海鳥（Sea-Bird）公司就從BSI購買了幾百套光學(xué)儀器和傳感器，可以說海鳥CTD上的光量子傳感器全部是BSI制造！

BSI新推出的便攜式水體光學(xué)剖面測量系統(tǒng)C-OPS一經(jīng)推出就受到了全球科學(xué)家的熱烈歡迎，目前其代表用戶包括美國Clark University、南非科技與工業(yè)研究院（CSIR）自然資源與環(huán)境研究所（NRE）、法國Villefranche海洋實(shí)驗(yàn)室（Laboratoire d'Oceanographie de Villefranche）、美國宇航局Goddard太空中心（NASA/Goddard Space Center）、波蘭科學(xué)院、加拿大魁北克大學(xué)（Universite du Quebec a Rimouski）、美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校等。

C-OPS是什么？ C-OPS是一款用于研究海洋光學(xué)特性的輻射測量系統(tǒng)。它由兩部個(gè)輻射計(jì)組成：其中一個(gè)測量水體上行輻亮度，另一個(gè)測量下行輻照度或上行輻照度。兩部輻射計(jì)都有19個(gè)波段并被安裝在可以自由下落的框架上?？蚣芸梢赃M(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)，使之在加較淺的近海岸水體中以較低的速率沉降，而在較深的開闊洋面以較高的速率沉降。可選的配件包括：測量水上入射輻照度的參比輻照度傳感器；用于測量漫射的影帶組件“BioShade”；提供坐標(biāo)和時(shí)間的部件“BioGPS”。

為什么選擇C-OPS？

老的光學(xué)測量系統(tǒng)系統(tǒng)并不能很好地解決淺水中的光學(xué)復(fù)雜性，主要是由于較大的儀器體積，過于接近采樣平臺(tái)，或不能很好地控制儀器的沉降速率等。在新的C-OPS系統(tǒng)中，這些問題都不存在。

C-OPS的不同之處？

l  是淺水中海洋水色研究、衛(wèi)星校準(zhǔn)和確認(rèn)的理想儀器

l  完美的系統(tǒng)集成使它可以和潛水設(shè)備以及水上設(shè)備一起工作來測量輻射參數(shù)（可應(yīng)用于渾濁的近岸帶水體和清澈的大洋水體）

l  在垂直深度剖面上測量水體的輻亮度和輻照度

l  快速的采樣頻率（15Hz），緩慢的自由下落，可調(diào)節(jié)的浮力，可人工布放，最深達(dá)300米的水下。

l  和NASA一起設(shè)計(jì)研發(fā)

l  基于BSI公司先進(jìn)的微型輻射計(jì)技術(shù)制造

微型輻射計(jì) 這一新的C-OPS輻射剖面測量系統(tǒng)和它所有的附件的核心部件都是微型輻射計(jì)（Microradiometers）——一種革命性的光電探測器集成的新方法。   BSI開發(fā)了一種小型的、卓越的光電探測器，叫做“微型輻射計(jì)”。微型輻射計(jì)由一個(gè)帶微處理器的過濾光電二極管，一個(gè)可控增益的前置放大器，一個(gè)24-bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個(gè)串口組成——所有這些部件集成在一個(gè)只有一支鋼筆大小的小電路板上。黃銅材質(zhì)的外套管為內(nèi)部元件提供保護(hù)，并阻隔外部電子噪音。 雖然每一個(gè)微型輻射計(jì)都是一個(gè)單獨(dú)工作的光電探測器，多個(gè)微型輻射計(jì)可以被組合在一起形成一個(gè)多波段輻射計(jì)。聚合器（左）把幾組微型輻射計(jì)和輔助傳感器集合在一起，它還控制輸入微型輻射計(jì)或從微型輻射計(jì)輸出的數(shù)據(jù)。聚合器同時(shí)控制電源調(diào)節(jié)和附加傳感器如傾角、溫度、輸入電壓和電流以及移動(dòng)存儲(chǔ)設(shè)置（如micro SD卡）。   一個(gè)包含的19支微型輻射計(jì)的組合放置在耐壓艙中，它可以作為單機(jī)的多通道海洋水色傳感器，因其小巧的體形，一支手可以輕松拿起。   C-OPS的浮力裝置結(jié)合了空氣填充的浮體和硬質(zhì)泡沫浮體。隨著儀器的下沉，增大的水壓將氣囊壓扁，浮力降低，從而使沉降速率增大。表層水的沉降速率一般小于3 cm/s，10 m以下水深處的沉降速率將會(huì)超過30 cm/s   測量入射球形輻亮度的水上參比傳感器。它的光學(xué)附件包括：用于測量漫射的影帶組件“Bioshade”和提供坐標(biāo)和時(shí)間的GPS組件“BioGPS”。 由電池供電的甲板控制單元。這一“Microradiometer Master Controller”為Windows系統(tǒng)的筆記本電腦（廠家提供）供電并提供測量數(shù)據(jù)，當(dāng)然，用戶的其它電腦也可以使用。隨機(jī)提供的還有BSI的用戶軟件。甲板單元還包含一個(gè)輸出串口控制器，它允許水上參比傳感器和水下傳感器根據(jù)不同的電纜長度進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，同時(shí)為它們提供理想的電源供給。打開電源時(shí)甲板單元會(huì)顯示傳感器目錄，這一特性在處理電纜和通訊連接的問題時(shí)非常有用。

C-OPS所使用的微型輻射計(jì)的介紹

每一個(gè)微型輻射計(jì)都有自己完整的控制和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：微處理器、24-bit數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、基準(zhǔn)電壓、溫度傳感器和前端靜電計(jì)。靜電計(jì)組合了三個(gè)增益級，以控制電流-電壓的轉(zhuǎn)換。多支微型輻射計(jì)，測量不同波段的輻射，被集成為一個(gè)微型輻射計(jì)組，或一個(gè)完整的儀器，然后由一個(gè)叫做聚合器的電子部件（aggregator）控制從每一個(gè)微型輻射計(jì)采集數(shù)據(jù)信號。所有的微型輻射計(jì)都被同步，以保證所有波段的數(shù)據(jù)在同一時(shí)刻測量。聚合器同時(shí)也包含一個(gè)電源調(diào)節(jié)電路和數(shù)據(jù)通訊界面，也可能還裝備了一個(gè)內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（micro SD-1GB）來支持遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)記錄。

技術(shù)參數(shù)

微型輻射計(jì)參數(shù)

?  探測器：Si (13 mm²)，InGaAs (7 mm²)，或GaAsP (7 mm²)

?  光電流—電壓轉(zhuǎn)換：三個(gè)增益級的靜電計(jì)放大器：1、200和40,000

?  模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）：24-bit雙極，4-125Hz數(shù)據(jù)頻率

?  動(dòng)態(tài)范圍（可用）：9個(gè)十進(jìn)制數(shù)量級

?  線性：使用一個(gè)可調(diào)節(jié)的光源，在信號電流范圍為1 x 10^-12 - 1 x ^10-5 的條件下，對所有的微型輻射計(jì)進(jìn)行測量。通常地，與一個(gè)參比靜電計(jì)相比，誤差<1%

?  速度：ADC采樣速率從4-125 Hz可調(diào)節(jié)，通常設(shè)為125 Hz，每個(gè)采樣周期內(nèi)進(jìn)行平均

?  響應(yīng)時(shí)間：小于0.01 s，增益變化所需時(shí)間小于0.1 s

?  電子靈敏度：在電流分辨率<10^-15的情況下，ADC分辨率是0.5 mA。飽和電流為160 mA。三級增益信號的范圍為1.6 x 10¹¹。

?  噪音：當(dāng)ADC以125 Hz的頻率采樣，而內(nèi)置微型輻射計(jì)對每25個(gè)樣品進(jìn)行平均的情況下，數(shù)據(jù)頻率為5 Hz，此時(shí)，探測器的噪音為15-20 fA。

?  光學(xué)靈敏度：這一靈敏度取決于光譜范圍和入射光學(xué)系統(tǒng)（輻亮度和輻照度）。它被表達(dá)為輻亮度（mW cm^-2 nm^-1 sr^-1）和輻照度（mW cm^-2 nm^-1）。在5 Hz的數(shù)據(jù)頻率條件下的噪音等值信號（Noise Equivalent Signals）：

注意：輻亮度傳感器已經(jīng)過水下使用的校準(zhǔn)。還要注意的是輻亮度傳感器可以直接指向太陽而不會(huì)飽和。

?  暗補(bǔ)償：在為每一個(gè)增益水平校準(zhǔn)時(shí)測量并設(shè)定暗補(bǔ)償值。在野外補(bǔ)償值也自動(dòng)地測量并應(yīng)用，以此來適應(yīng)不同的溫度。

?  微型輻射計(jì)電源：5 V DC，4 mA

?  光學(xué)過濾器：10 nm全寬

?  光譜范圍：250-1650 nm（1100-1650的光譜范圍需要使用 InGaAs探測器）

C-OPS系統(tǒng)參數(shù)

?  尺寸：13個(gè)或19個(gè)不同波段的微型輻射計(jì)組成的系統(tǒng)安裝在一個(gè)防護(hù)罩內(nèi)，如下參數(shù)適用于19通道的傳感器：

n  直徑：2.75 inches（約7 cm）

n  應(yīng)用水深：標(biāo)準(zhǔn)型最大125 m水深，還有300 m水深的版本可供選擇

n  波長選擇：波長可以從250-1650 nm之間選擇

?  速度：一個(gè)單獨(dú)的19波段的光學(xué)儀器可以在超過30 Hz的頻率下工作。包括3個(gè)19波段輻射計(jì)的完整的系統(tǒng)的操作頻率可以大于15Hz。

?  數(shù)據(jù)頻率：使用RS232或RS485的條件下，光學(xué)儀器的通訊頻率是115,200 baud；使用RS232的條件下，甲板單元的通訊頻率為115,200 baud。

?  電源需求：19通道的光學(xué)儀器：7.5 V，90 mA。三個(gè)儀器的19通道系統(tǒng)：甲板單元需0.30 A的電流。

?  輻亮度儀器的視野：在水中，7°半角

?  輻照度儀器的Cosine Error：天頂角小于60°的情況下為±3%；天頂角60-70°的情況下為±5%；天頂角70-80°的情況下為±10%

?  自由下落速度：<1 cm的深度分辨率，可調(diào)節(jié)的速度為6-35 cm/s，可手動(dòng)調(diào)節(jié)傾角和翻滾。

?  輔助傳感器：水溫、水壓、傾角和翻滾

?  可選配件：

n  BioShade：用于測量漫射的影帶配件，測量水上輻照度的參比傳感器

n  BioGPS：GPS配件

n  用戶自定義長度的電纜，電纜卷軸

附件介紹

BioSHADE

BioSHADE是一個(gè)使用在C-OPS水面參比傳感器上的影帶附件。這一附件可以進(jìn)行180度的旋轉(zhuǎn)，使它能夠在航向不穩(wěn)定的船只上使用。當(dāng)在船只上使用時(shí)，影帶進(jìn)行平穩(wěn)連續(xù)的掃描；當(dāng)在陸地上操作時(shí)，可以將系統(tǒng)設(shè)定為將影帶對著太陽直射而相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，以此來測量漫射輻照度。

操作C-OPS的軟件中也包含控制BioSHADE的命令，用戶可在軟件中開啟或關(guān)閉影帶功能，也可以設(shè)置運(yùn)動(dòng)的速率。在使用船舶進(jìn)行走航式測量時(shí)，內(nèi)置的pitch和roll傳感器以及高的采樣頻率在消除船體運(yùn)動(dòng)帶來的影響方面非常有用。

BioSHADE可以和Bio GPS、一個(gè)或多個(gè)水面參比傳感器一起集成在C-OPS網(wǎng)絡(luò)中。這一整個(gè)集成都由一根電纜連接到遠(yuǎn)處（最遠(yuǎn)可達(dá)150m）的系統(tǒng)控制單元“deckbox”和電源。Deckbox會(huì)根據(jù)電纜長度自動(dòng)地補(bǔ)償，為系統(tǒng)提供理想的電源供給。

T-MAST

T-MAST伸縮支架，用于水面參比傳感器系統(tǒng)。伸縮長度從1.12 m到3 m。這一系統(tǒng)由美國NASA研發(fā)，借助它用戶可以將輻射計(jì)升高到船舶的高層構(gòu)架之上，從而消除船體陰影和反射的影響。

BSI在科研系統(tǒng)和政府部門的部分典型用戶

l  NASA（美國宇航局）

l  NOAA（美國海洋與大氣管理局）

l  US EPA（美國環(huán)保局）

l  Woods Hole Oceanographic Institution (WHOI，Woods Hole海洋研究所)

l  Monterey Bay Aquarium Research Institute (MBARI，蒙特雷海洋研究所)

l  Australia EPA

l  World Meteorological Organization

l  Yale University

l  University of California, Berkeley

l  University of California, Davis

l  University of California, Irvine

l  University of California, Riverside

l  University of California, Santa Barbara

l  University of california, San Diego

l  Stanford University

l  University of Chicago

l  Massachusetts Institute of Technology

l  Arizona State  University

l  Australian Antarctic Division

l  Australian Institute of Marine Sciences

l  Bedford Institute of Oceanography

l  Bigelow Laboratory for Ocean Science

l  Boston University Marine Program

l  Bowling   Green  State University

l  British Antarctic Survey

l  Center for Coastal Physical Oceanography

l  Virginia’s Center for Innovative Technology

l  French Governmental Research Agency

l  Centre d’Oceanologe de Marseille, Campus de Luminy

l  Colorado State University

l  University of Copenhagen

l  California State University, Long Beach

l  California State University, San Marcos

l  Danish Meteorological Institute

l  National Environmental Research Institute,Denmark

l  Duke University

l  Florida Gulf  Coast University

l  Finnish Institute of Marine Research

l  Florida State  University

l  University of Georgia

l  Goteborg University

l  Hawaii Institute of Marine Biology, SOEST

l  Hong   Kong  University of Science and Technology

l  Polish Academy of Sciences

l  University of Maine

l  University of Maryland

l  MAX-PLANCK-INSTETUT fur Marine Mikrobiologie

l  Unviersity fo Michigan

l  University of Minnesota

l  University of Mississippi

l  Moss Landing Marine Labs

l  Michigan State University

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