СУДОВОЙ ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ ПЛАНКТОНА

Полезная модель относится к области морского приборостроения, а более конкретно к конструкциям судовых научных приборов, погружаемых в воду и предназначенных для проведения океанологических (гидробиологических) исследований планктона, и может быть использована при разработке, создании и модернизации научных приборов, применяемых на научно-исследовательских судах рыбопромыслового флота.
Известны устройства, которые по своему назначению являются аналогами заявляемому, например, устройство (см. описание к патенту США №4,637,719 на изобретение «Оптический измеритель морских организмов», кл. G01N 21/85, 1987 г.), предназначенное для определения размеров и концентрации мелких рыб, а также зоопланктона (планктона) непосредственно в водной среде. Указанное устройство включает: средство для генерации параллельного потока оптического излучения, средство для формирования оптическим путем реперного объема прямоугольного сечения, средство для принудительного направления взвешенных в воде частиц в реперном объеме, средство для перемещения реперного объема, средство для приема и преобразования оптического излучения в электрические сигналы и средство для регистрации изменения амплитуды электрических импульсов.
Недостатком указанного аналога является его низкая эффективность при проведении океанологических (гидробиологических) исследований планктона, обусловленная невозможностью сканировать водное пространство, не нарушая естественного распределения планктона в микромасштабе.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому по своему назначению и общей компоновке, принятым за ближайший аналог (прототип) полезной модели, является устройство для определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц (см. описание к патенту РФ №2112955 на изобретение «Способ определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц и устройство для его осуществления», кл. G01N 15/14, 21/85, опуб. 10.06.1998 г.), предназначенное для определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц планктона. Указанный ближайший аналог (прототип) содержит средство для генерации параллельного потока импульсного оптического излучения, средство для формирования оптическим путем реперного (измерительного) объема прямоугольного сечения, средство для перемещения реперного объема, средство для приема и преобразования оптического излучения в электрические сигналы, средство для регистрации изменения амплитуды электрических импульсов, средство для определения разности между сигналом в отсутствии импульсов и сигналом, полученным во время действия импульсов, и средство, формирующее временной интервал на время регистрации частицы планктона.
Недостатком ближайшего аналога (прототипа) является то, что он не в полной мере соответствует современным техническим требованиям в отношении судовых оптоэлектронных измерителей планктона, а именно:
- он имеет линейный фотоприемник, определяющий размер максимальной хорды на тени случайно ориентированной частицы, т.е. измерение частиц планктона выполняется только по одному направлению;
- не имеет возможности запоминания видеоинформации непосредственно в самом приборе при нахождении под водой;
- не имеет возможности работать без внешнего источника электропитания.
Предлагаемая полезная модель направлена на устранение недостатков ближайшего аналога-прототипа, включая, в первую очередь, повышение эффективности работы судового оптоэлектронного измерителя планктона, с одновременным расширением его функциональных возможностей за счет оперативной и качественной идентификации планктона и повышения качества измерений (повышения точности измерений), увеличения объема измеряемой информации, ускорения процесса обработки полученной информации.
При этом решена задача создания принципиально нового экономически высокоэффективного судового оптоэлектронного измерителя планктона, которой в отношении качества, количества и точности одновременно измеряемых параметров планктона в водной среде полностью отвечает всем современным требованиям к научно-техническому оснащению научно-исследовательских судов рыбопромыслового флота.
Это достигается тем, что в конструкции предлагаемого судового оптоэлектронного измерителя планктона, содержащего средство для генерации параллельного потока импульсного оптического излучения, средство для формирования оптическим путем реперного объема прямоугольного сечения, средство для перемещения реперного объема, средство для приема и преобразования оптического излучения в электрические сигналы, средство для регистрации изменения амплитуды электрических импульсов, средство для определения разности между сигналом в отсутствии импульсов и сигналом, полученным во время действия импульсов, и средство, формирующее временной интервал на время регистрации частицы планктона, в отличие от ближайшего аналога -прототипа, в качестве средства для приема и преобразования оптического излучения в электрические сигналы применена цифровая видеокамера, содержащая фотоприемную матрицу для измерения размеров тени планктона в двух взаимно-перпендикулярных направлениях, при этом в состав измерителя включен процессор, управляющий режимами работы измерителя.
Одним из оптимальных с точки зрения наиболее эффективной работы судового оптоэлектронного измерителя планктона в процессе его эксплуатации является вариант, при котором он (измеритель) снабжен средством для запоминания видеосигналов с цифровой видеокамеры, преимущественно, съемным USB-накопителем (СД-картой), с возможностью обеспечения последующего анализа и автоматической идентификации планктона «in situ» при подключении к персональному компьютеру со специализированным программным обеспечением.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на фиг.1 которого схематично изображена структурная схема судового оптоэлектронного измерителя планктона.
Примером конкретного выполнения заявляемой полезной модели является один из вариантов конструкции судового оптоэлектронного измерителя планктона, разработанный ОАО «Гипрорыбфлот».
Судовой оптоэлектронный измеритель планктона, содержащий средство для генерации параллельного потока импульсного оптического излучения, выполненное в виде лазера 1, представляющего собой источник когерентного излучения в оптическом диапазоне и предназначенного для просвечивания реперного (измерительного) объема среды с планктоном и создания на фотоприемной матрице (на чертеже не показано), расположенной внутри цифровой видеокамеры 2, теневой картины объектов, находящихся на пути лазерного пучка, т.е. определение размеров частиц планктона производят фотоприемной матрицей (на чертеже не показано), видеокамеры 2, и на которую с помощью лазера 1 проецируют тень частицы планктона, проходящей через реперный объем. Средство для формирования оптическим путем реперного объема прямоугольного сечения представляет собой оптическую часть оптоэлектронного измерителя планктона, состоящую из лазера 1, двух коллимирующих линз (на чертеже не показано), двух иллюминаторов (на чертеже не показано) и цифровой видеокамеры 2, содержащей фото приемную матрицу (на чертеже не показано). Средство для перемещения реперного объема состоит из оптоэлектронного измерителя планктона, океанологического зонда с ограждением (на чертеже не показано), гидрологической лебедки с тросом или кабель-тросом (на чертеже не показано). Размер частиц планктона определяют по количеству экранированных элементов матрицы при прохождении частицы через измерительный объем. При помощи блока центрального процессора 3 осуществляют функции по управлению режимами работы измерителя планктона, синхронизации взаимодействия лазера 1 и видеокамеры 2, а также осуществляют первичную обработку кадров, поступающих с видеокамеры 2 в режиме реального времени. Средство для регистрации изменения амплитуды электрических импульсов представляет собой компаратор (на чертеже не показано), входящий в состав процессора 3. Средство для определения разности между сигналом в отсутствии импульсов и сигналом, полученным во время действия импульсов, представляет собой арифметико-логическое устройство (на чертеже не показано), входящее в состав процессора 3. Средство, формирующее временной интервал на время регистрации частицы планктона, состоит из компаратора (на чертеже не показано), генератора синхроимпульсов (на чертеже не показано) и таймера (на чертеже не показано), входящих в состав процессора 3. В съемном USB-накопителе (СД-карта) 4 записывают результаты произведенных измерений в виде последовательности цифровых снимков, так называемых «видеопроб». Конструктивно измеритель планктона выполнен в виде продольной балки - «оптической скамьи» (на чертеже не показано), по краям которой («оптической скамьи») расположены два герметичных цилиндрических контейнера (на чертеже не показано) с лазером 1 и цифровой видеокамерой 2 соответственно. Во встречно направленных основаниях контейнеров (на чертеже не показано), установлены соосные иллюминаторы (на чертеже не показано) для оптоэлектронной пары (лазера 1 и видеокамеры 2 с фотоприемной матрицей). Блок центрального процессора 3, съемный USB-накопитель (СД-карта) 4 и блок интерфейсов 5 размещены в контейнере (на чертеже не показано) цифровой видеокамеры 2, а блок питания 6 размещен в контейнере (на чертеже не показано) лазера 1.
Предложенную конструкцию судового оптоэлектронного измерителя планктона при его практической эксплуатации используют следующим образом.
2
3
Судовой оптоэлектронный измеритель планктона крепят к ограждению опускаемого океанологического зонда (на чертеже не показано) и используют во время гидрологических исследований, выполняемых этим зондом. Судно (на чертеже не показано) находится в дрейфе. Океанологический зонд вместе с измерителем планктона погружают в воду со скоростью примерно 1 м/с. При включении лазера 1 световой пучок от него (1) проходит через водные массы, содержащие планктон, перемещаемые в направлении перпендикулярном оси светового пучка. Реперный (измерительный) объем оптоэлектронного измерителя планктона формируют оптическим путем и он (объем) характеризуется протяженностью параллельного светового потока в воде между иллюминаторами измерителя (на чертеже не показано), равной 350 мм и его сечением, представляющим собой прямоугольник, вписанный в окружность иллюминатора (на чертеже не показано) и являющийся проекцией на него (иллюминатор) фотоприемной матрицы (на чертеже не показано) видеокамеры 2. Проекцию создают с помощью коллимирующей линзы (на чертеже не показано). Стороны спроецированного прямоугольника равны 20 и 30 мм, а площадь составляет 600 мм. Таким образом, величина реперного (измерительного) объема, имеющего вид светового параллелепипеда, составляет 350 мм×600 мм=210000 мм или 0,21 л. Перемещение реперного объема достигают путем опускания в воду с помощью гидрологической лебедки (на чертеже не показано) океанологического зонда (на чертеже не показано) с закрепленным на его ограждении (на чертеже не показано) измерителем планктона. При этом измеритель планктона ориентирован таким образом, чтобы траектория опускания была перпендикулярной световому потоку, проходящему между его (измерителя) иллюминаторами (на чертеже не показано). При появлении в реперном объеме взвешенных частиц планктона происходит скачкообразное изменение амплитуды электрических импульсов, поступающих от видеокамеры 2 в процессор 3. Входящий в состав процессора 3 компаратор (на чертеже не показано) сравнивает два последовательно принятых импульса и выдает сигнал, свидетельствующий об изменении их (импульсов) амплитуды. При этом тень от частиц планктона регистрируют на фотоприемной матрице (на чертеже не показано) в цифровой видеокамере 2, затем размеры тени и количество частиц (теневых изображений) планктона с фотоприемной матрицы (на чертеже не показано), считывают при помощи центрального процессора 3 и при помощи блока интерфейсов 5 передают на океанологический зонд и далее по кабель-тросу (на чертеже не показано) океанологического зонда (на чертеже не показано) на судовой персональный компьютер (на чертеже не показано) со специализированным программным обеспечением.
Опрос состояния выходов фотоприемной матрицы (на чертеже не показано) осуществляют с большей частотой, чем генерация импульсных посылок лазера 1. Поэтому излучение, принимаемое видеокамерой 2 в отсутствие импульсов лазера 1, характеризует естественное световое поле исследуемой среды (посторонняя засветка, солнечная освещенность и др.), а на излучение, принимаемое во время передачи импульсов, дополнительно накладывается составляющая излучения, имеющая переменную величину и характеризующаяся как оптическими свойствами водной среды, так и возможным наличием в ней взвешенных частиц. Арифметико-логическое устройство (на чертеже не показано) процессора 3 осуществляет вычитание сигнала, полученного в отсутствие импульсов лазера 1, из сигнала, полученного во время действия импульсов, что позволяет выделить сигнал, независящий от светового поля среды. Для оценки размеров частиц вдоль направления движения оптоэлектронного измерителя планктона при постоянной скорости движения реперного объема применено средство, формирующее временной интервал на время регистрации частицы планктона. При пересечении частицей нижней по направлению движения линейки пикселей фотоприемной матрицы (на чертеже не показано), т.е. границы реперного объема, компаратор (на чертеже не показано) процессора 3 включает генератор синхроимпульсов (на чертеже не показано) и таймер (на чертеже не показано), также входящие в состав процессора 3. После прохождения частицей нижней линейки пикселей фотоприемной матрицы (на чертеже не показано) компаратор (на чертеже не показано) процессора 3 выключает генератор синхроимпульсов (на чертеже не показано) и таймер (на чертеже не показано). Искомый размер частицы будет являться функцией числа синхроимпульсов, укладывающихся в сформированный компаратором (на чертеже не показано) временной интервал, частоты синхроимпульсов и скорости движения реперного объема.
При работе измерителя планктона в автономном режиме результаты исследований запоминают на съемном USB-накопителе (СД-карте) 4 для последующей обработки на судовом персональном компьютере со специализированным программным обеспечением.
Предлагаемая полезная модель - принципиально новый экономически высокоэффективный судовой оптоэлектронный измеритель планктона, которой в отношении качества и точности одновременно измеряемых параметров планктона в водной среде полностью отвечает всем современным требованиям к научно-техническому оснащению научно-исследовательских судов рыбопромыслового флота.