創(chuàng)立于1977年的美國(guó)生物球儀器公司（Biospherical Instruments Inc.，簡(jiǎn)稱(chēng)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(cè)儀器公司。BSI在從南極到北極、從海洋到飲用水水庫(kù)的環(huán)境監(jiān)測(cè)中有著悠久的歷史。
30多年來(lái)，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(guó)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(cè)系統(tǒng)、飲用水源地的水質(zhì)監(jiān)測(cè)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(jiàn)光波段的光學(xué)輻射儀。
BSI的儀器從簡(jiǎn)單的光合有效輻射（PAR）測(cè)量?jī)x，到非常復(fù)雜的水體剖面輻射測(cè)量系統(tǒng)，以及各種單通道光強(qiáng)測(cè)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(guó)自然科學(xué)基金（National Science Foundation, NSF）委托，BSI開(kāi)始安裝“全球UV監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)”，并一直由BSI維持全球UV監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)轉(zhuǎn)。直到2009年，這個(gè)監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)才被拆分成兩部分：一部分轉(zhuǎn)到美國(guó)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(kāi)始合作開(kāi)發(fā)新的、現(xiàn)代化的輻射測(cè)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(chēng)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(yáng)和月亮的輻射測(cè)量數(shù)據(jù)，來(lái)滿足對(duì)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(guó)自然科學(xué)基金的“極地觀測(cè)網(wǎng)絡(luò)”項(xiàng)目，用于長(zhǎng)期觀測(cè)全球變化對(duì)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(gòu)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(guó)際上著名的CTD生產(chǎn)商海鳥(niǎo)（Sea-Bird）公司就從BSI購(gòu)買(mǎi)了幾百套光學(xué)儀器和傳感器，可以說(shuō)海鳥(niǎo)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(cè)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(guó)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(guó)Villefranche海洋實(shí)驗(yàn)室（Laboratoire d'Oceanographie de Villefranche）、美國(guó)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(guó)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(cè)量系統(tǒng)。它由兩部個(gè)輻射計(jì)組成：其中一個(gè)測(cè)量水體上行輻亮度，另一個(gè)測(cè)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(kāi)闊洋面以較高的速率沉降?？蛇x的配件包括：測(cè)量水上入射輻照度的參比輻照度傳感器；用于測(cè)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(cè)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(guò)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(wèn)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(lái)測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)器集成的新方法。
BSI開(kāi)發(fā)了一種小型的、卓越的光電探測(cè)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(guò)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(cè)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(guò)30 cm/s
測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(kāi)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(wèn)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(jí)，以控制電流-電壓的轉(zhuǎn)換。多支微型輻射計(jì)，測(cè)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(hào)。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(cè)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(lái)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(cè)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(jí)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(jí)
? 線性：使用一個(gè)可調(diào)節(jié)的光源，在信號(hào)電流范圍為1 x 10-12 - 1 x 10-5 的條件下，對(duì)所有的微型輻射計(jì)進(jìn)行測(cè)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(jí)增益信號(hào)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(duì)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(cè)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(hào)（Noise Equivalent Signals）：
通道 | 輻亮度（Radiance） | 輻照度（Irradiance） |
320nm | 2.9x10-6 | 9.0x10-5 |
395nm | 5.0x10-6 | 6.9x10-5 |
490nm | 1.8x10-6 | 2.3x10-5 |
683nm | 9.9x10-7 | 1.1x10-5 |
780nm | 6.8x10-7 | 8.0x10-6 |
注意：輻亮度傳感器已經(jīng)過(guò)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(yáng)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(cè)量并設(shè)定暗補(bǔ)償值。在野外補(bǔ)償值也自動(dòng)地測(cè)量并應(yīng)用，以此來(lái)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(guò)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(cè)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(zhǎng)選擇：波長(zhǎng)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(guò)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(cè)量漫射的影帶配件，測(cè)量水上輻照度的參比傳感器
n BioGPS：GPS配件
n 用戶自定義長(zhǎng)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(duì)著太陽(yáng)直射而相應(yīng)運(yùn)動(dòng)，以此來(lái)測(cè)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(kāi)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(cè)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(lái)的影響方面非常有用。
BioSHADE和BioGPS一起安裝在水面參比傳感器上 |
BioSHADE安裝在一條小船上 |
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(zhǎng)度自動(dòng)地補(bǔ)償，為系統(tǒng)提供理想的電源供給。
BioGPS BioGPS（右圖最左邊的白色圓筒）是一個(gè)固定在C-OPS水面參比傳感器上配合使用的GPS信號(hào)接收器。GPS的數(shù)據(jù)將和C-OPS的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，方便用戶無(wú)論在定點(diǎn)垂直剖面測(cè)量還是在船上走航測(cè)量時(shí)都能準(zhǔn)確地記錄測(cè)量點(diǎn)的位置。BioGPS可以和BioSHADE、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“deck box”和電源。Deck box會(huì)根據(jù)電纜長(zhǎng)度自動(dòng)地補(bǔ)償，為系統(tǒng)提供理想的電源供給。 |
BioGPS安裝在水面參比傳感器上 |
C-HOIST C-HOIST起吊機(jī)是一種用于下放和回收儀器的裝置，它通常掛在一個(gè)固定在船上的吊桿上來(lái)作業(yè)。
C-HOIST裝配有一個(gè)不銹鋼的滑輪和一個(gè)2.1馬力、12 V直流電驅(qū)動(dòng)的電機(jī)頭。它的總承載力為300磅（約136 kg）。這一裝置通常使用90 Ah的鉛酸電池驅(qū)動(dòng)，正常的情況下一次充電可以完成25次（每次約6分鐘）的操作。適用繩索的直徑為5-20 mm，沒(méi)有長(zhǎng)度的限制。
C-HOIST將和一個(gè)控制單元（deck box）一起工作，允許用戶在不同的布放中使用不能的下放速度。電動(dòng)馬達(dá)還有剎車(chē)功能，用戶可以讓滑輪在任何需要的時(shí)候靜止。 |
C-HOIST從船上布放儀器 |
T-MAST
T-MAST伸縮支架，用于水面參比傳感器系統(tǒng)。伸縮長(zhǎng)度從1.12 m到3 m。這一系統(tǒng)由美國(guó)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。
T-MAST的折疊狀態(tài) |
T-MAST的完全展開(kāi)狀態(tài) |
BSI在科研系統(tǒng)和政府部門(mén)的部分典型用戶
l NASA（美國(guó)宇航局）
l NOAA（美國(guó)海洋與大氣管理局）
l US EPA（美國(guó)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
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,
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
l<span style="font
