СУДОВОЙ ЛАЗЕРНЫЙ СПЕКТРОМЕТР

Полезная модель относится к устройству для бесконтактного исследования водных сред посредством их облучения лазерным импульсом и может быть использована в области экологии и океанологии при измерении концентраций пигментов, растворенного органического вещества, а также основных химических элементов, которые содержатся в водной среде.
Известен проточный флуориметр, содержащий импульсный источник света, оптически соединенный через объектив со светофильтром возбуждения, кювету, оптически связанную со светофильтром регистрации, и трехканальную систему регистрации, каждый из каналов содержит фотоприемник, соединенный со стробирующим интегратором, выходы которых соединены с аналого-цифровым преобразователем, кроме того, один из фотоприемников соединен через буферный усилитель с аналого-цифровым преобразователем, который через устройство управления соединен с устройством индикации, причем стробирующие интеграторы соединены с формирователем измерительных стробов, который соединен с устройством управления, и введены две светоделительные пластины, одна из которых оптически соединена со светофильтром возбуждения, а вторая с фокусирующей системой (з. WO 99/31487, опубл. 24.06.1999).
Однако конструктивные особенности известного устройства, использование некогерентного источника света не позволяют достигать высокой чувствительности при измерении концентрации пигментов в морской воде, использование светофильтров при регистрации флуоресценции не дает возможности корректно восстановить форму спектральных линий, а использование кюветы, в которую исследуемую воду закачивают насосом, не позволяет измерять оптические параметры воды на различных глубинах.
Известны лидарные устройства для дистанционного исследования биоптических свойств воды с использованием лазерных источников излучения. (Sathyenranath S., Hoge F.E., Appl. Opt., 1994, v.33, р.1081) или судна (Babin M., Morel A., Gentili В., Remote sensing of sea surface Sun-induced chlorophyll fluorescence: consequences of natural variations in the optical characteristics of phytoplankton and the quantum yield of chlorophyll a fluorescence, J. Remote Sens., 1996, 17 (1), 2417-2448., Demidov A.A., Chekaluk A.M., Lapthenkova T.V., Fadeyev V.V., Remote laser monitoring of organic components of seawater from the ship's side. Meteor, i Gidrol., 1988, 6, 62-70).
Однако, например, сигнал флуоресценции от хлорофилла А с использованием лидарных устройств возможно зарегистрировать только с самого верхнего слоя моря, поскольку длина волны линии флуоресценции хлорофилла равна 675 нм. Излучение этого спектрального диапазона значительно поглощается морской водой, что не позволяет провести измерение спектров с глубины, обеспечивающих достоверное измерение пространственного распределения хлорофилла. Кроме того, при регистрации флуоресценции по лидарной схеме имеет место существенное влияние состояния морской поверхности на дисперсию интенсивности сигнала флуоресценции.
Наиболее близким к заявляемому устройству является погружной флуориметр, применяемый для исследования флуоресценции хлорофилла (Маторин Д.Н., Рубин А.Б. «Estimation of the phytoplankton productivity and physiological state with the use of a submersible fluorometer probe» http://www.biophys.msu.ru/personal/konev/PrimProd/Refer/TechSpec_Descr.htm, 22.09.2001).
Известное устройство состоит из погружного зонда, кабель-троса, на котором крепится зонд, и надводной части - компьютера для обработки данных. Погружной зонд представляет собой измерительную кювету, содержащую четыре импульсных некогерентных ламп накачки, излучение которых формируется посредством систем фокусировки, направляется в ячейку, через которую протекает забортная жидкость. Образовавшееся излучение флуоресценции посредством собирающей фокусирующей системы направляется на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), информация с которого в электронной форме поступает в регистрирующую систему, содержащую измерительную электронную схему, которая через передающую схему соединена с компьютером. Зонд также снабжен датчиками давления и температуры.
Использование в известном устройстве в качестве источника излучения ламп накачки не позволяет точно восстановить форму спектра флуоресценции, что приводит к недостаточной точности измерений концентрации пигментов. Кроме того, регистрирующая и оптическая части устройства расположены в погружном зонде, вследствие чего он недостаточно надежен при эксплуатации в натурных условиях, имеет большие габариты и вес.
Технической задачей заявляемой полезной модели является повышение точности измерений оптических параметров водных сред, расширение функциональных возможностей устройства за счет обеспечения возможности измерения как спектров флуоресценции, так и эмиссионных спектров на различной
глубине, а также повышение надежности, помехозащищенности, уменьшение габаритов и веса устройства.
Поставленная задача решается устройством для измерения оптических параметров водных сред, состоящим из надводной и погружаемой частей, соединенных друг с другом посредством двух световодов, обеспечивающих передачу излучаемого и принимаемого оптических сигналов, при этом надводная часть включает источник излучения, в качестве которого установлен двухчастотный лазер, систему согласования излучаемого сигнала со световодом излучаемого сигнала, и систему регистрации и обработки данных, включающую последовательно соединенные полихроматор, электронно-оптический преобразователь, цифровую видеокамеру и персональный компьютер, а погружаемая часть снабжена кабель-тросом и выполнена в виде кюветы, состоящей из системы формирования излучаемого сигнала, соединенной со световодом излучаемого сигнала, проточной измерительной ячейки и системы согласования принимаемого сигнала со световодом принимаемого сигнала.
На фиг. приведена блок-схема заявляемого устройства, где 1 - источник лазерного излучения, 2 - система согласования излучаемого сигнала; 3 - световод излучаемого сигнала, 4 - световод принимаемого сигнала; 5 - кювета; 6 - проточная измерительная ячейка, 7 - оптическая система формирования лазерного излучения, 8 - система согласования принимаемого сигнала, 9 - система регистрации и обработки данных, в которой 10 - полихроматор, 11 - ЭОП, 12 - цифровая камера, 13 - персональный компьютер. Кабель-трос, служащий для погружения кюветы 5, на фиг. не показан.
Для повышения эффективности сбора светового сигнала устройство может быть дополнительно снабжено собирающей оптической системой согласования принимаемого сигнала (на фиг. не показана), устанавливаемой перед системой 9 регистрации и обработки.
Кювета 5 в зависимости от поставленной задачи измерений может быть дополнительно снабжена датчиками давления, солености и температуры воды.
Устройство работает следующим образом. Излучение, генерируемое лазером 1, через систему 2 согласования излучаемого сигнала направляется в световод 3 и далее в кювету 5, где через систему 7 формирования сигнала поступает в проточную измерительную ячейку 6, пройдя через которую излучение посредством системы 8 согласования принимаемого сигнала поступает в световод 4 и затем в систему 9 регистрации и обработки данных, включающую полихроматор 10, который
обеспечивает разрешение излучения оптического сигнала по длинам волн, электронно-оптический преобразователь (ЭОП) 11, который производит усиление полученного в полихроматоре 10 светового сигнала, и цифровой камеры 12, которая преобразует сигнал в цифровую форму, после чего сигнал поступает на персональный компьютер 13
В качестве источника излучения используют лазерный источник, например, Nd-YAG - лазер, излучающий на двух длинах волн: 532 нм - для возбуждения спектров флуоресценции и 1064 нм - для возбуждения спектров лазерной плазмы.
В режиме работы 532 нм, лазер инициирует флуоресценцию пигментов, клеток фитопланктона и растворенного органического вещества, а в режиме работы 1064 нм система формирования сигнала инициирует диэлектрический пробой в исследуемом растворе, что позволяет определять концентрацию химических элементов исследуемого раствора.
В качестве световода 3, соединяющего систему 2 согласования и систему 7 формирования, используют оптоволоконный кабель, например QQ-UV (диаметр ядра 600 мкм), а в качестве световода 4, соединяющего систему 8 согласования принимаемого сигнала и систему 9 регистрации - оптоволоконный кабель POF (диаметр ядра 1000 мкн). Оба световода могут быть прикреплены к кабель - тросу.
Системы согласования и формирования светового излучения представляют собой стандартную систему линз, которые служат для ввода лазерного излучения в световод (согласующая система), для формирования расходимости лазерного излучения (формирующая система)
Для системы регистрации используют стандартные регистрирующие приборы: полихроматор, например, МДП-1, электронно-оптический преобразователь, например, ЭПМ-41Г, цифровая камера, например, Pixefly.
В отличие от прототипа, где для возбуждения спектров флуоресценции используют четыре некогерентных лампы накачки, в заявляемой модели используют когерентный двухчастотный источник света с высокой плотностью мощности светового импульса, что дает возможность увеличить четкость спектральных линий и таким образом увеличить точность измерений концентрации пигментов при длине волны 532 нм и химических элементов при длине волны 1064 нм. Кроме того, в прототипе регистрирующая система с набором оптических и электронных устройств расположена в погружаемом зонде и информационный сигнал от нее поступает на борт судна в электрическом виде. В заявляемом же устройстве регистрирующая система находится на борту судна. Такая компоновка позволяет уменьшить вес
погружаемой части устройства в несколько раз по сравнению с прототипом, а также увеличить надежность работы и помехозащищенность погружаемой части устройства.
В заявляемом устройстве в качестве регистрирующей системы используют связку полихроматор-ЭОП-цифровая камера в отличие от прототипа, где применяют для этой цели используют фотоэлектронный умножитель. Такая компоновка позволяет более корректно восстанавливать форму спектров флуоресценции, увеличить точность измерений концентраций пигментов и органических веществ. Кроме того, заявляемое устройство позволяет измерять концентрацию основных химических элементов в водной среде.