СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННОГО СВЕТА В МОРСКОЙ ВОДЕ "in situ"
METHOD OF DETERMINING SPECTRUM ATTENUATION COEFFICIENT OF COLLIMATED LIGHT IN SEA WATER "in situ"

Изобретение относится к измерительной технике, предназначено для исследования морской воды в натурных условиях и может быть использовано для задач океанографии и контроля окружающей среды.
Известен Прозрачномер морской воды [1], содержащий контейнер с иллюминатором, источник излучения, фотоприемное устройство, коллиматор, светоделительное устройство, объектив, обтюратор, систему синхронизации, отражающую триппель-призму, опорный и измерительный тракты. Способ, заложенный в основу работы этого устройства, наиболее близко подходит к заявленному изобретению по совокупности признаков, поэтому он выбран в качестве прототипа.
Для обеспечения измерений показателя ослабления света морской воды в самом океане, в точке исследования, в прототипе применен метод последовательного измерения световых потоков (измерительного, опорного, темнового потоков и интенсивности внешней засветки). Прозрачномер оснащен измерительными каналами давления, температуры и вакуума, которые не учитываются при измерении показателя ослабления направленного света и не влияют на точность и стабильность измерения. Измерения проводятся в одном спектральном диапазоне (532 нм), что не позволяет в дальнейшем получить данные о распределении компонентного состава морской воды - растворенное органическое вещество (РОВ), общее взвешенное вещество (ОВВ), характеризующие состояние водной экосистемы.
Сходными с существенными признаками заявленного изобретения являются следующие признаки прототипа: в корпусе прибора от источника излучения посылают узконаправленный пучок света и разделяют его на два луча, первый из которых направляют по оптической оси измерительного канала, формируют из него параллельный пучок света и направляют его из корпуса прибора в морскую воду до триппель-призмы, затем - назад по той же оптической оси в корпус прибора и далее - на фотоприемник, а второй луч направляют по оптической оси опорного канала на прямоугольную призму и далее - на фотоприемник, при этом оптическая ось опорного канала находится внутри корпуса прибора и перпендикулярна оптической оси измерительного канала, регистрируют сигналы опорного и измерительного каналов, осуществляют их дифференциальное усиление, определяют вклад внешней засветки на значения полученных сигналов и осуществляют аналого-цифровое преобразование этих сигналов.
Недостатком прототипа является временное разнесение световых компенсирующих потоков (темнового, светового потоков и интенсивности внешней засветки) по отношению к функциональным световым потокам (измерительному - прошедшему и ослабленному водной средой и опорному - отраженному от зеркала), которое при зондировании со скоростью до 1-1,5 м/с приводит к значительной ошибке измерения. Кроме того, не учитывается влияние внешней засветки, которая зависит от флуктуации подводной освещенности, определяемой характеристиками поверхностного волнения, имеет высокочастотные спектральные составляющие и носит случайный характер, что приводит к несоответствию вклада внешней засветки в момент проведения измерения измерительного и опорного световых потоков и измерению внешней засветки как компенсирующего светового потока.
Интенсивность измерительного светового потока зависит как от собственно оптической плотности морской воды, так и от френелевского отражения от граней оптических деталей, находящихся в морской среде. В свою очередь, интенсивность френелевского отражения зависит от показателя преломления морской воды, который изменяется в широком пределе, и неучет изменяющегося вклада в расчет показателя ослабления направленного света приводит к увеличению погрешности его измерения.
В основу изобретения поставлена задача создания способа определения спектрального показателя ослабления направленного света в морской воде «in situ», совокупностью существенных признаков которого обеспечивается новое техническое свойство - возможность учитывать вклад внешней засветки и вклад френелевского отражения при определении спектрального показателя ослабления света. Указанное новое свойство обусловливает достижение технического результата изобретения - повышение точности и быстродействия измерений, а также расширение функциональных возможностей, так как на основе полученных данных о значениях спектрального показателя ослабления направленного света возможно, как продолжение процесса измерений в натурных условиях, дальнейшее определение концентраций оптически активных веществ в море, таких как РОВ и ОВВ, что позволяет судить о состоянии водной экосистемы.
Задача изобретения решается тем, что в способе определения спектрального показателя ослабления направленного света в морской воде «in situ», который заключается в том, что в корпусе прибора от источника излучения посылают узконаправленный пучок света и разделяют его на два луча, первый из которых направляют по оптической оси измерительного канала, формируют из него параллельный пучок света и направляют его из корпуса прибора в морскую воду до триппель-призмы, затем - назад по той же оптической оси в корпус прибора и далее - на фотоприемник, а второй луч направляют по оптической оси опорного канала на прямоугольную призму и далее - на фотоприемник, при этом оптическая ось опорного канала находится внутри корпуса прибора и перпендикулярна оптической оси измерительного канала, регистрируют сигналы опорного и измерительного каналов, осуществляют их дифференциальное усиление, определяют вклад внешней засветки на значения полученных сигналов и осуществляют аналого-цифровое преобразование этих сигналов, новым является то, что используют двухэлементный фотоприемник, на одну светочувствительную площадку которого направляют прошедший по оптической оси измерительного канала первый луч, а на другую светочувствительную площадку - прошедший по оптической оси опорного канала второй луч, используют n-канальный источник излучения и осуществляют модуляцию, обеспечивая заданные частотно-фазовые характеристики первого и второго лучей, определяют вклад внешней засветки на значения сигналов опорного и измерительного каналов путем синхронного детектирования этих сигналов на каждом из n заданных участков спектра и определяют значения спектрального показателя ослабления направленного света с использованием градуировочных коэффициентов, используют размещенный в морской воде датчик солености, регистрируют его сигналы и осуществляют их аналого-цифровое преобразование, с использованием полученных значений сигналов вводят поправочные коэффициенты, обусловленные вкладом изменчивости френелевского отражения света, в полученные значения спектрального показателя ослабления направленного света.
Сущность изобретения поясняется со ссылкой на чертеж, на котором приведена структурная схема одного из возможных исполнений измерителя, реализующего заявленный способ.
Способ осуществляют следующим образом.
Измеритель содержит герметичный корпус 1, в котором размещен n-канальный источник излучения 2 (в качестве него в данном случае используется 4-цветный светодиод фирмы LEDENGINE), который через коммутатор 3 подключен к источнику питания 4, подключенному к модулятору 5. Формируют узконаправленный пучок света и с помощью светоделительной пластины 6, расположенной по ходу пучка света под углом 45°, разделяют его на два луча, при этом с помощью модулятора 5 обеспечивают заданные частотно-фазовые характеристики этих лучей.
Модуляция этих лучей света позволяет осуществить последующую селекцию измерительного и опорного световых потоков по отношению к случайной внешней засветке и синхронизацию каналов источника излучения, что является отличительной особенностью заявленного способа по сравнению с прототипом (в устройстве по патенту [1] также используется термин «модулятор пучков», поз. 4, однако по своей сути, как это следует из описания прототипа, этот элемент конструкции является обтюратором).
Первый из лучей через светоделительную пластину 6 направляется прямо по оптической оси измерительного канала 7 и проходит через объектив-иллюминатор 8, формирующий из него параллельный пучок света, который направляется из корпуса 1 прибора в морскую воду до триппель-призмы 9, которая отстоит от корпуса 1 на расстоянии выбранной оптической базы. Затем триппель-призма 9 возвращает первый луч, ослабленный исследуемой средой, назад в корпус 1 через тот же объектив-иллюминатор 8 по этой же оптической оси измерительного канала 7.
Второй луч не выходит за пределы корпуса 1 - он отражается от светоделительной пластины 6 и направляется по оптической оси опорного канала 10. Расположение светоделительной пластины 6 под углом 45° к ходу светового пучка обеспечивает перпендикулярность оси опорного канала 10 по отношению к оси измерительного канала 7. Проходя по оптической оси опорного канала 10, второй луч попадает на прямоугольную призму 11, которая возвращает его назад по этой же оптической оси 10.
Измеритель содержит двухэлементный фотоприемник 12 (фотодиод). Первый луч, возвращенный триппель-призмой 9 из исследуемой среды назад в корпус 1, отразившись от светоделительной пластины 6, фокусируется в центре диафрагмы (позицией не обозначена) и попадает на одну из светочувствительных площадок, 12.2, двухэлементного фотодиода 12. Второй луч, прошедший по оптической оси опорного канала 10, через другую диафрагму (также позицией не обозначена) попадает на другую светочувствительную площадку, 12.1, двухэлементного фотодиода 12.
Регистрируют сигналы опорного 10 и измерительного 7 каналов и осуществляют их дифференциальное усиление с помощью усилителей 13 и 14 соответственно. Затем, на каждом из 4-х заданных участков спектра (например, 380, 530, 590 и 660 нм) определяют вклад внешней засветки на значения сигналов опорного 10 и измерительного 7 каналов при помощи синхронного детектора 15. Многоспектральность обеспечивает возможность уточнения спектра ослабления света в морской воде, что повышает точность измерений. После этого сигналы подаются на аналого-цифровой преобразователь 16 МК (микроконтроллер) ADuC814. Микроконтроллером 16 осуществляется оцифровка аналоговых сигналов и формирование кадра в последовательном коде. Для передачи данных по кабелю в компьютер уровни выходных сигналов микроконтроллера 16 преобразуются в уровни стандарта RS-232C. Расчет спектрального показателя ослабления света, визуализация хода измерений в реальном режиме времени осуществляются персональным компьютером с помощью программы, разработанной в среде LabVIEW. Расчет спектрального показателя ослабления света осуществляют с использованием градуировочных коэффициентов, которые определяются по известной методике, например [2].
Используют размещенный в морской воде датчик солености 17. Предварительно в лабораторных условиях проводят ряд измерений, регистрируют сигналы спектрального показателя ослабления света при различных концентрациях морской соли и получают регрессионные уравнения, их связывающие. В натурных условиях регистрируют сигналы датчика солености и осуществляют их аналого-цифровое преобразование с помощью микроконтроллера 16. С использованием полученных значений сигналов вводят поправочные коэффициенты, обусловленные вкладом изменчивости френелевского отражения света, в полученные значения спектрального показателя ослабления направленного света.
-1
Проведение измерений в нескольких участках спектра дает также возможность расчета оптически активных компонент, например концентрации РОВ и ОВВ. По данным измерений спектрального показателя направленного света в м и концентрации ОВВ (РОВ) определяются регрессионные уравнения, их связывающие [3]. По полученным уравнениям определяются коэффициенты для расчета РОВ и ОВВ по данным, полученным заявленным способом.
Источники информации
1. Патент RU №2341786, кл. G01N 21/59, опубл. 20.12.2008. Бюл. №35 - прототип.
2. Sea Tech inc. Transmissometer manual. Serial number 212D.
3. Маньковский В.И., Соловьев M.B. Связь показателя ослабления излучения с концентрацией взвеси в водах Черного моря // Морской гидрофизический журнал. 2003 №2. С. 60-65.