創(chuàng )立于1977年的美國生物球儀器公司（Biospherical Instruments Inc.，簡(jiǎn)稱(chēng)BSI）是一家以研發(fā)為導向、集設計與生產(chǎn)為一體的環(huán)境監測儀器公司。BSI在從南極到北極、從海洋到飲用水水庫的環(huán)境監測中有著(zhù)悠久的歷史。
30多年來(lái)，BSI的生產(chǎn)線(xiàn)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)儀器的設計與生產(chǎn)，是目前國際上光學(xué)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(xiàn)（UV）監測系統、飲用水源地的水質(zhì)監測系統、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）測量?jì)x，到非常復雜的水體剖面輻射測量系統，以及各種單通道光強測量傳感器，在世界范圍內獲得了廣泛的認同。如NASA、NOAA、EPA、WHOI、MBARI、Sea-Bird、RBR、HOBI、McLane、Teledyne、WETLabs、YSI等等都是BSI的忠實(shí)用戶(hù)。
1988，受美國自然科學(xué)基金（National Science Foundation, NSF）委托，BSI開(kāi)始安裝“全球UV監測網(wǎng)絡(luò )系統”，并一直由BSI維持全球UV監測網(wǎng)絡(luò )的運轉。直到2009年，這個(gè)監測網(wǎng)絡(luò )才被拆分成兩部分：一部分轉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(kāi)始合作開(kāi)發(fā)新的、現代化的輻射測量傳感器以支持現有的和下一代的海洋水色衛星遙感任務(wù)。這套系統被稱(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)和月亮的輻射測量數據，來(lái)滿(mǎn)足對海洋水色衛星遙感的替代校準和算法證實(shí)的精度要求。
2009年，BSI與芝加哥大學(xué)共同承擔了美國自然科學(xué)基金的“極地觀(guān)測網(wǎng)絡(luò )”項目，用于長(cháng)期觀(guān)測全球變化對極地環(huán)境特別是紫外線(xiàn)的影響。
在海洋光學(xué)儀器領(lǐng)域，BSI的產(chǎn)品就是行業(yè)標準。這從大量的著(zhù)名海洋儀器設備公司從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備公司都是BSI的忠實(shí)用戶(hù)：
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(zhù)名的CTD生產(chǎn)商海鳥(niǎo)（Sea-Bird）公司就從BSI購買(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)剖面測量系統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(hù)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。它由兩部個(gè)輻射計組成：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)化調節，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(shí)間的部件“BioGPS”。 |  |
為什么選擇C-OPS？
老的光學(xué)測量系統系統并不能很好地解決淺水中的光學(xué)復雜性，主要是由于較大的儀器體積，過(guò)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、衛星校準和確認的理想儀器
l 完美的系統集成使它可以和潛水設備以及水上設備一起工作來(lái)測量輻射參數（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，可調節的浮力，可人工布放，最深達300米的水下。
l 和NASA一起設計研發(fā)
l 基于BSI公司先進(jìn)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(kāi)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(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的模數轉換器和一個(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)的外套管為內部元件提供保護，并阻隔外部電子噪音。 雖然每一個(gè)微型輻射計都是一個(gè)單獨工作的光電探測器，多個(gè)微型輻射計可以被組合在一起形成一個(gè)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據。聚合器同時(shí)控制電源調節和附加傳感器如傾角、溫度、輸入電壓和電流以及移動(dòng)存儲設置（如micro SD卡）。
一個(gè)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的浮力裝置結合了空氣填充的浮體和硬質(zhì)泡沫浮體。隨著(zhù)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系統的筆記本電腦（廠(chǎng)家提供）供電并提供測量數據，當然，用戶(hù)的其它電腦也可以使用。隨機提供的還有BSI的用戶(hù)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不同的電纜長(cháng)度進(jìn)行相應的調節，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的介紹
每一個(gè)微型輻射計都有自己完整的控制和數據采集系統：微處理器、24-bit數據轉換器（ADC）、基準電壓、溫度傳感器和前端靜電計。靜電計組合了三個(gè)增益級，以控制電流-電壓的轉換。多支微型輻射計，測量不同波段的輻射，被集成為一個(gè)微型輻射計組，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)微型輻射計采集數據信號。所有的微型輻射計都被同步，以保證所有波段的數據在同一時(shí)刻測量。聚合器同時(shí)也包含一個(gè)電源調節電路和數據通訊界面，也可能還裝備了一個(gè)內置的數據存儲器（micro SD-1GB）來(lái)支持遠程數據記錄。
技術(shù)參數
微型輻射計參數
? 探測器：Si (13 mm2)，InGaAs (7 mm2)，或GaAsP (7 mm2)
? 光電流—電壓轉換：三個(gè)增益級的靜電計放大器：1、200和40,000
? 模數轉換器（ADC）：24-bit雙極，4-125Hz數據頻率
? 動(dòng)態(tài)范圍（可用）：9個(gè)十進(jìn)制數量級
? 線(xiàn)性：使用一個(gè)可調節的光源，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(jìn)行測量。通常地，與一個(gè)參比靜電計相比，誤差<1%
? 速度：ADC采樣速率從4-125 Hz可調節，通常設為125 Hz，每個(gè)采樣周期內進(jìn)行平均
? 響應時(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ADC以125 Hz的頻率采樣，而內置微型輻射計對每25個(gè)樣品進(jìn)行平均的情況下，數據頻率為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（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的數據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(guò)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(yáng)而不會(huì )飽和。
? 暗補償：在為每一個(gè)增益水平校準時(shí)測量并設定暗補償值。在野外補償值也自動(dòng)地測量并應用，以此來(lái)適應不同的溫度。
? 微型輻射計電源：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探測器）
C-OPS系統參數
? 尺寸：13個(gè)或19個(gè)不同波段的微型輻射計組成的系統安裝在一個(gè)防護罩內，如下參數適用于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(cháng)選擇：波長(cháng)可以從250-1650 nm之間選擇
? 速度：一個(gè)單獨的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波段輻射計的完整的系統的操作頻率可以大于15Hz。
? 數據頻率：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：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，可調節的速度為6-35 cm/s，可手動(dòng)調節傾角和翻滾。
? 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(hù)自定義長(cháng)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，使它能夠在航向不穩定的船只上使用。當在船只上使用時(shí)，影帶進(jìn)行平穩連續的掃描；當在陸地上操作時(shí)，可以將系統設定為將影帶對著(zhù)太陽(yáng)直射而相應運動(dòng)，以此來(lái)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(hù)可在軟件中開(kāi)啟或關(guān)閉影帶功能，也可以設置運動(dòng)的速率。在使用船舶進(jìn)行走航式測量時(shí)，內置的pitch和roll傳感器以及高的采樣頻率在消除船體運動(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處（最遠可達150m）的系統控制單元“deckbox”和電源。Deckbox會(huì )根據電纜長(cháng)度自動(dòng)地補償，為系統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信號接收器。GPS的數據將和C-OPS的數據結合在一起，方便用戶(hù)無(wú)論在定點(diǎn)垂直剖面測量還是在船上走航測量時(shí)都能準確地記錄測量點(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處（最遠可達150m）的系統控制單元“deck box”和電源。Deck box會(huì )根據電纜長(cháng)度自動(dòng)地補償，為系統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(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直流電驅動(dòng)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(cháng)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(hù)在不同的布放中使用不能的下放速度。電動(dòng)馬達還有剎車(chē)功能，用戶(hù)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。伸縮長(cháng)度從1.12 m到3 m。這一系統由美國NASA研發(fā)，借助它用戶(hù)可以將輻射計升高到船舶的高層構架之上，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在科研系統和政府部門(mén)的部分典型用戶(hù)
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
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
