УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ВОДЫ

Устройство относится к технике оптико-физических измерений, в частности, для дистанционного определения изменения показателя преломления морской воды в условиях океана (по его глубине).
Известно много устройств (например, свидетельство на полезную модель РФ №5650, МПК G01N 21/41, опубл. 16.12.1997, Устройство контроля показателя преломления жидкости; патент РФ №2292038, МПК G01N 21/41, опубл. 20.08.2006, Способ измерения показателя преломления и устройство для его реализации), которые не могут быть использованы для дистанционных измерений в условиях океана.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство, описанное в авторском свидетельстве СССР №1553887, МПК G01N 21/41, Способ измерения показателя преломления плоских объектов. Устройство содержит последовательно расположенные на оптической оси источник света, оптическую систему, первую растровую решетку, исследуемый объект, вторую растровую решетку, регистратор освещенности и плоскопараллельную пластину для изменения длины оптического пути между исследуемым объектом и второй растровой решеткой.
Обязательное условие реализации такого устройства: угол α поворота параллельных штрихов одной решетки относительно другой вокруг оптической оси должен лежать в пределах -14°<α<14°. Ориентацию штрихов при этом выбирают исходя из того, что измеряемый градиент направлен перпендикулярно биссектрисе угла α между штрихами первой и второй решетки. Это условие исключает возможность применения такого устройства для дистанционных измерений и, тем более, при контроле изменения величины показателя преломления морской воды в условиях океана как функции глубины n=f(H), где Н - глубина исследуемого слоя.
Задача - создание устройства, позволяющего дистанционно контролировать изменение показателя преломления морской воды в условиях океана.
экс
Технический результат предлагаемого устройства - оперативность, надежность и достоверность дистанционного снятия характеристики изменения показателя преломления морской воды по глубине океана и, в частности, определения глубины слоя (Н), где характеристика n=f(H) имеет точку экстремума (которая, например, совпадает с осью подводного звукового канала), а также визуализация такой характеристики n=f(H) в ходе измерений.
Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве дистанционного контроля изменения показателя преломления воды, включающем последовательно расположенные на оптической оси источник света, оптическую систему, первую растровую решетку, прозрачную камеру с водой исследуемого слоя океана, вторую растровую решетку и регистрирующее устройство, определяющее относительную площадь тени на фоточувствительной поверхности многоэлементного матричного фотоприемника (ФПУ), на первой растровой решетке параллельные штрихи нанесены с линейно увеличивающимся периодом за счет увеличения шага штрихов или их толщины, при этом регистрирующее устройство фиксирует глубину, на которой происходит экстремальное изменение относительной площади тени, что соответствует аналогичному изменению показателя преломления морской воды.
Для минимизации влияния случайных оптических неоднородностей, попавших в слой воды между решетками, регистратор освещенности состоит из нескольких идентичных ФПУ, при этом считывание результатов измерений производится с наиболее освещенного, где затемнения (включая муаровый эффект) носят регулярный характер.
Сущность предлагаемого устройства поясняется следующим описанием и прилагаемыми фигурами.
Источник света, оптическая система, растровые решетки, камера, заполняемая водой исследуемого слоя океана, и многоэлементное фотоприемное устройство, фиксирующее относительную площадь затенения, жестко связаны между собой в погружаемом датчике таким образом, чтобы расстояние между решетками и толщина слоя воды в камере, расположенной между ними, было постоянным в ходе всего цикла контроля изменения показателя преломления.
На фиг.1 приведена блок-схема предлагаемого устройства, которое содержит:
1 - монохроматический источник света в видимом диапазоне, например, лазер;
2 - оптическая система для создания параллельного пучка лучей любым из известных способов, например, может включать линзы или параболические зеркала, цветные фильтры и ограничивающую изображение источника свет щель;
3 - первая растровая решетка с переменным периодом параллельных штрихов, нанесенных на прозрачную пластину;
4 - камера, заполняемая морской водой очередного исследуемого слоя океана;
5 - вторая растровая решетка с постоянным периодом штрихов;
6 - многоэлементное фотоприемное устройство (ФПУ);
7 - дистанционно удаленный регистратор, обрабатывающий сигналы с ФПУ;
8 - блок визуализации.
Устройство дистанционного контроля изменения показателя преломления воды работает следующим образом. По заданной программе датчик погружается в океан, камера 4 заполняется водой каждого из исследуемых слоев, свет, испускаемый источником 1, формируется оптической системой 2 в параллельный пучок, который, пройдя через первую растровую решетку 3, попадает в камеру с водой 4, где отклоняется в соответствии с величиной показателя преломления на исследуемой глубине. Длина оптического пути изменяется, и в соответствии с этим изменением на поверхности ФПУ 6 меняется суммарная относительная площадь тени, которая складывается из муаровых полос, образовавшихся после прохождения света через вторую решетку 5, и тени от самих штрихов первой и второй решеток. При этом площадь тени от штрихов второй решетки 5 не меняется при изменении показателя преломления n в течение всего цикла измерений по глубине Н, а площадь тени от первой решетки меняется в зависимости от n, поскольку в соответствии с его изменением меняется число штрихов первой решетки, участвующих в тенеобразовании, как это показано на фиг.2, где 1 - тень от штрихов первой решетки, 2 - тень от штрихов второй решетки. Сигнал с ФПУ 6 поступает в дистанционно удаленные регистратор 7 и блок визуализации 8.
экс
Предлагаемое устройство позволяет получить характеристику n=f(H) до любой доступной для датчика глубины океана в течение одного цикла измерений. Возможен также непрерывный контроль за изменением n=f(H), в любом слое океана, представляющем интерес (например, в зоне оси подводного звукового канала Н, которая совпадает с минимумом характеристики n=f(H)). Это иллюстрирует фиг.3, где: кривая 1 - зависимость скорости звука С от глубины; кривая 2 - зависимость n=f(H); кривая 3 - соответствующая зависимость относительной площади затенения S на поверхности ФПУ.
Если целью исследования является лишь качественный контроль изменения показателя преломления с глубиной n=f(H), предлагаемое устройство может быть существенно упрощено за счет использования источника света, отвечающего лишь требованиям габаритов (например, матричного светодиода); отпадает необходимость в использовании оптической системы, создающей параллельные пучки света (2 на фиг.1). При этом можно увеличить толщину слоя воды в камере 4, что в свою очередь позволяет увеличить чувствительность контроля за кривой n=f(H) или существенно уменьшить габариты датчика предлагаемого устройства.