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)為導向、集設(shè)計與生產(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)和生物科學用的高品質(zhì)光學儀器的設(shè)計與生產(chǎn)，是目前國際上光學儀器領(lǐng)域的領(lǐng)導者。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)、以及海洋科學和大氣科學使用的多種UV和可見光波段的光學輻射儀。
BSI的儀器從簡單的光合有效輻射（PAR）測量儀，到非常復雜的水體剖面輻射測量系統(tǒng)，以及各種單通道光強測量傳感器，在世界范圍內(nèi)獲得了廣泛的認同。如NASA、NOAA、EPA、WHOI、MBARI、Sea-Bird、RBR、HOBI、McLane、Teledyne、WETLabs、YSI等等都是BSI的忠實用戶。
1988，受美國自然科學基金（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)的運轉(zhuǎn)。直到2009年，這個監(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負責。
2005年，BSI因為研發(fā)成功微型輻射計（Microradiometers）而獲得NASA頒發(fā)的商業(yè)創(chuàng)新獎（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。這套系統(tǒng)被稱之為行星輻射能光學傳感器（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)星遙感的替代校準和算法證實的精度要求。
2009年，BSI與芝加哥大學共同承擔了美國自然科學基金的“極地觀測網(wǎng)絡(luò)”項目，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。
在海洋光學儀器領(lǐng)域，BSI的產(chǎn)品就是行業(yè)標準。這從大量的著名海洋儀器設(shè)備公司從BSI采購光學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剖面測量系統(tǒng)C-OPS一經(jīng)推出就受到了全球科學家的熱烈歡迎，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海洋實驗室（Laboratoire d'Oceanographie de Villefranche）、美國宇航局Goddard太空中心（NASA/Goddard Space Center）、波蘭科學院、加拿大魁北克大學（Universite du Quebec a Rimouski）、美國加州大學圣巴巴拉分校等。
C-OPS是什么？ C-OPS是一款用于研究海洋光學特性的輻射測量系統(tǒng)。它由兩部個輻射計組成：其中一個測量水體上行輻亮度，另一個測量下行輻照度或上行輻照度。兩部輻射計都有19個波段并被安裝在可以自由下落的框架上?？蚣芸梢赃M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”；提供坐標和時間的部件“BioGPS”。 |  |
為什么選擇C-OPS？
老的光學測量系統(tǒng)系統(tǒng)并不能很好地解決淺水中的光學復雜性，主要是由于較大的儀器體積，過于接近采樣平臺，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)星校準和確認的理想儀器
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300米的水下。
l 和NASA一起設(shè)計研發(fā)
l 基于BSI公司先進的微型輻射計技術(shù)制造
微型輻射計 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（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”。微型輻射計由一個帶微處理器的過濾光電二極管，一個可控增益的前置放大器，一個24-bit的模數(shù)轉(zhuǎn)換器和一個串口組成——所有這些部件集成在一個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，并阻隔外部電子噪音。 雖然每一個微型輻射計都是一個單獨工作的光電探測器，多個微型輻射計可以被組合在一起形成一個多波段輻射計。聚合器（左）把幾組微型輻射計和輔助傳感器集合在一起，它還控制輸入微型輻射計或從微型輻射計輸出的數(shù)據(jù)。聚合器同時控制電源調(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存儲設(shè)置（如micro SD卡）。
一個包含的19支微型輻射計的組合放置在耐壓艙中，它可以作為單機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。它的光學附件包括：用于測量漫射的影帶組件“Bioshade”和提供坐標和時間的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)，當然，用戶的其它電腦也可以使用。隨機提供的還有BSI的用戶軟件。甲板單元還包含一個輸出串口控制器，它允許水上參比傳感器和水下傳感器根據(jù)不同的電纜長度進行相應的調(diào)節(jié)，同時為它們提供理想的電源供給。打開電源時甲板單元會顯示傳感器目錄，這一特性在處理電纜和通訊連接的問題時非常有用。 |    | |
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C-OPS所使用的微型輻射計的介紹
每一個微型輻射計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）、基準電壓、溫度傳感器和前端靜電計。靜電計組合了三個增益級，以控制電流-電壓的轉(zhuǎn)換。多支微型輻射計，測量不同波段的輻射，被集成為一個微型輻射計組，或一個完整的儀器，然后由一個叫做聚合器的電子部件（aggregator）控制從每一個微型輻射計采集數(shù)據(jù)信號。所有的微型輻射計都被同步，以保證所有波段的數(shù)據(jù)在同一時刻測量。聚合器同時也包含一個電源調(diào)節(jié)電路和數(shù)據(jù)通訊界面，也可能還裝備了一個內(nèi)置的數(shù)據(jù)存儲器（micro SD-1GB）來支持遠程數(shù)據(jù)記錄。
技術(shù)參數(shù)
微型輻射計參數(shù)
? 探測器：Si (13 mm2)，InGaAs (7 mm2)，或GaAsP (7 mm2)
? 光電流—電壓轉(zhuǎn)換：三個增益級的靜電計放大器：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
? 動態(tài)范圍（可用）：9個十進制數(shù)量級
? 線性：使用一個可調(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進行測量。通常地，與一個參比靜電計相比，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，每個采樣周期內(nèi)進行平均
? 響應時間：小于0.01 s，增益變化所需時間小于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ADC以125 Hz的頻率采樣，而內(nèi)置微型輻射計對每25個樣品進行平均的情況下，數(shù)據(jù)頻率為5 Hz，此時，探測器的噪音為15-20 fA。
? 光學靈敏度：這一靈敏度取決于光譜范圍和入射光學系統(tǒng)（輻亮度和輻照度）。它被表達為輻亮度（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）：
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)過水下使用的校準。還要注意的是輻亮度傳感器可以直接指向太陽而不會飽和。
? 暗補償：在為每一個增益水平校準時測量并設(shè)定暗補償值。在野外補償值也自動地測量并應用，以此來適應不同的溫度。
? 微型輻射計電源：5 V DC，4 mA
? 光學過濾器：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個或19個不同波段的微型輻射計組成的系統(tǒng)安裝在一個防護罩內(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 應用水深：標準型最大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：一個單獨的19波段的光學儀器可以在超過30 Hz的頻率下工作。包括3個19波段輻射計的完整的系統(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通道的光學儀器：7.5 V，90 mA。三個儀器的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。當在船只上使用時，影帶進行平穩(wěn)連續(xù)的掃描；當在陸地上操作時，可以將系統(tǒng)設(shè)定為將影帶對著太陽直射而相應運動，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)置運動的速率。在使用船舶進行走航式測量時，內(nèi)置的pitch和roll傳感器以及高的采樣頻率在消除船體運動帶來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、一個或多個水面參比傳感器一起集成在C-OPS網(wǎng)絡(luò)中。這一整個集成都由一根電纜連接到遠處（最遠可達150m）的系統(tǒng)控制單元“deckbox”和電源。Deckbox會根據(jù)電纜長度自動地補償，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）是一個固定在C-OPS水面參比傳感器上配合使用的GPS信號接收器。GPS的數(shù)據(jù)將和C-OPS的數(shù)據(jù)結(jié)合在一起，方便用戶無論在定點垂直剖面測量還是在船上走航測量時都能準確地記錄測量點的位置。BioGPS可以和BioSHADE、一個或多個水面參比傳感器一起集成在C-OPS網(wǎng)絡(luò)中。 這一整個集成都由一根電纜連接到遠處（最遠可達150m）的系統(tǒng)控制單元“deck box”和電源。Deck box會根據(jù)電纜長度自動地補償，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起吊機是一種用于下放和回收儀器的裝置，它通常掛在一個固定在船上的吊桿上來作業(yè)。
C-HOIST裝配有一個不銹鋼的滑輪和一個2.1馬力、12 V直流電驅(qū)動的電機頭。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，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，沒有長度的限制。
C-HOIST將和一個控制單元（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。電動馬達還有剎車功能，用戶可以讓滑輪在任何需要的時候靜止。 |
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的完全展開狀態(tài) |
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)
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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
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