Лазерное устройство для измерения коэффициента ослабления водной среды

Полезная модель относится к системам измерения оптических характеристик водных сред, которое обеспечивает измерение коэффициентов ослабления воды в лабораторных и полевых условиях. Данное оптико-электронное устройство может быть использовано, в частности, при проведении экспериментальных исследований, связанных с подводной связью в оптическом диапазоне длин волн.
Известны различные измерители оптических характеристик воды. Среди них можно привести следующие примеры:
«Способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарных режимов вихревых течений и устройство для его реализации» RU 2498319. Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать потоки жидкости и газа. Изобретение основано на совместном использовании ЛДА и PIV. Устройство включает импульсный лазер с энергией импульса не менее 120 мДж, частотой срабатывания не менее 16 Гц, две CCD камеры с частотным разрешением от 8 до 16 Гц, расположенные под углом 30÷120° друг к другу и под углом 15÷60° к оси канала за ротором, оптические призмы, процессор обработки изображений, лазерный анемометр с оптическим зондом, выполненный на аргоновом лазере и процессоре обработки доплеровских сигналов, и персональный компьютер. Способ включает проведение измерений с помощью ЛДА в двух и более точках нестационарного вихревого потока за ротором ветро- или гидроагрегата для определения временного интервала, освещение потока лазерным ножом, фиксирование изображений засеянных частиц двумя CCD камерами и запись через заданный временной интервал, статистическое осреднение мгновенных полей скорости для n=2÷16 моментов времени внутри полного периода пульсаций вихревой структуры Т выборкой полей скорости, полученных с временной задержкой t=0, T, 2Т, … и (m-1)T, где m - число измерений мгновенных полей скорости для статистического осреднения. Технический результат - существенное уменьшение случайной ошибки измерения и практически полное устранение систематической ошибки, связанной с нестационарными изменениями структуры потока.
К недостаткам можно отнести следующее.
Использую это устройство можно определить направленный коэффициент рассеяния, на основе измеренных характеристик находящихся в потоке частиц. Однако это требует проведения расчетов по теории Ми, и знания оптических характеристик частиц. Измеритель предназначен для измерения характеристик воздушных потоков, содержащих взвешенные в нем частицы.
«Способ бесконтактной оптико-лазерной диагностики нестационарного гидропотока и устройство для его реализации» RU 2523 737.
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и позволяет исследовать кинематические характеристики гидропотоков. Способ, основанный на совместном использовании лазерной доплеровской анемометрии (ЛДА) и цифровой трассерной визуализации (PIV), включает установку CCD камер под углом, вычисленным с помощью корректирующего модуля пробоотбора взвеси калибровочных частиц, определение временного интервала между сериями изображений, фиксирование и запись изображений засеянных частиц и статистическое условное осреднение мгновенных полей скорости, при этом внесение корректировок в параметры пороговой чувствительности CCD камер осуществляют в продолжение исследований при уменьшении регистрируемых событий на 10% или более, либо через каждые 3 часа.
К недостаткам можно отнести следующее.
Используя это устройство можно определить направленный коэффициент рассеяния, на основе измеренных характеристик взвешенных  в потоке воды частиц. Однако это требует проведения расчетов по теории Ми, и задания из каких либо источников оптических характеристик частиц. Кроме того этот измеритель не позволяет определить коэффициент ослабления и его среднеквадратичное отклонение.
«Определение мутности жидкой фазы многофазных сточных вод» RU 2660367.
Изобретение относится к очистке сточных вод. Способ определения мутности жидкой фазы многофазных сточных вод включает: размещение датчика мутности, состоящего из корпуса, содержащего излучатель света и светочувствительный датчик, в многофазной сточной воде. Излучение светового сигнала и прием светочувствительным датчиком этого светового сигнала, отображающего количество света, рассеиваемого или пропускаемого сточными водами. Осуществление выборки сигнала для получения множества выборочных значений сигнала от жидкой фазы сточных вод при отсутствии флокулированных частиц, получая один набор выборочных значений, и когда флокулированные частицы находятся на траектории сигнала, получая второй набор выборочных значений. Сравнение выборочных значений с порогом, основанным на плотности распределения вероятностей, полученного из набора выборочных значений. Установление указанного порога, так что по меньшей мере часть выборочных значений лежит ниже него. Идентификацию выборочных значений, находящихся ниже порога, и определение мутности жидкой фазы сточных вод на основании идентифицированных выборочных значений. Технический результат заключается в повышении точности определения мутности сточных вод и регулировки количества коагулянта.
Устройство не позволяет определить значения оптических характеристик водной среды, а позволяет на основе сравнения с эталоном оценить степень ее мутности.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели считаем «Способ определения спектрального показателя ослабления света в морской воде "in situ"» RU 2605640. Изобретение может быть использовано для задач океанографии и контроля окружающей среды. От источника излучения посылают пучок света и разделяют его на два луча, первый из которых направляют по оптической оси измерительного канала и направляют его из корпуса прибора в морскую воду до триппель-призмы, затем назад в корпус прибора и далее на фотоприемник. Второй луч направляют по оптической оси опорного канала на прямоугольную призму и далее на фотоприемник. Регистрируют сигналы каналов, определяют вклад внешней засветки на значения полученных сигналов и осуществляют аналого-цифровое преобразование этих сигналов. Для регистрации используют двухэлементный фотоприемник, на одну светочувствительную площадку которого направляют первый луч, а на другую второй луч. Вклад внешней засветки на значения сигналов опорного и измерительного каналов осуществляют путем синхронного детектирования этих сигналов на каждом из n заданных участков спектра. Определяют значения спектрального показателя ослабления направленного света с использованием градуировочных коэффициентов. Используют датчик солености, регистрируют его сигналы, осуществляют их аналого-цифровое преобразование и с использованием полученных значений сигналов вводят поправочные коэффициенты, обусловленные вкладом изменчивости френелевского отражения света, в полученные значения спектрального показателя ослабления направленного света.
Недостатком прототипа является его конструктивная сложность, использование датчика солености, триппель-призмы, прямоугольной призмы, необходимость осуществления аналогово-цифрового преобразования двух сигналов и двухэлементного фотоприемника.
При проведении полевых экспериментов, связанных, например, с подводной оптической связью в искусственных и естественных водоемах (озера, реки, морские акватории) для выбора режима работы источников и приемников информационного оптического излучения необходим оперативный контроль таких оптических характеристик, как коэффициент ослабления водной среды. Для прогноза работоспособности оптической подводной связи необходимо знать эту характеристику только для двух диапазонов длин волн: «синего» (424-490 нм) и «зеленого» (490-550 нм) и нет необходимости знать оптические свойства воды в широком спектральном диапазоне. В зависимости от значения этой характеристики можно определить возможность осуществления оптической связи в этих условиях.
Задачей является создание устройства для определения коэффициента оптического ослабления водной среды в лабораторных и в полевых условиях (открытые водоемы, покрытые льдом). Для решения этой проблемы измеритель должен быть малогабаритным, способным работать от аккумуляторов в полевых условиях на открытых водоемах и покрытых льдом.
Поставленная задача решается за счет применения в устройстве  одного лазера, одноэлементного фотоприемника, отсутствует необходимость установки датчика солености и прямоугольной триппель-призмы.
0
1
В основе создания измерителя лежит закон Бугера, который связывает интенсивность излучения I  на входе в исследуемую среду с интенсивностью I  в точке ее регистрации, удаленной от источника на расстояние r:
1
0
ext
I    =   I (-r × β),                          (1)
ext
где β-  искомая величина.
1
1
Этот закон справедлив для нерассеянного излучения. В нем не учтено влияние многократного рассеяния на I. В водной среде этот процесс имеет место. Его влияние на Iможно значительно снизить, уменьшая угол поля зрения приемной системы.
ext
Для определения коэффициента ослабления  β следует измерить интенсивность излучения (или функционал от нее) в точках входа излучения в водную среду и в точке размещения фотоприемника, тогда, используя (1) получим:
ext
1
0
β = - ln ( I / (I × r)).                   (2)
На фиг.1  приведена блок схема измерительного устройства.
Лазерное измерительное устройство состоит из следующих блоков:
1 -  лазерный источник,
2 -  оптический приемник,
3 - блок регистрации, индикации измерений и обработки результатов измерений,
4 – телескопический канал связи блока 2 с блоком 3,
5 - платформа, на которой фиксируются блоки 1 и 2.
Создано и прошло лабораторные и полевые испытания устройство для измерения коэффициентов ослабления водной среды, работающего по схеме, изображенной на фиг. 1.
Устройство работает следующим образом.
0
Перед погружением устройства в воду осуществляется измерение I и сохранение результата с помощью программы на микроконтроллере STM32F207 в блоке 3.
Измерительное устройство погружается в воду, за исключением блока 3. Лазерное излучение из блока 1 поступает в водную среду и, ослабляясь, распространяется в направлении фотоприемника (блок 2).
Сигнал с фотодиода усиливается операционным усилителем, оцифровывается и с помощью интерфейса Ethernet передается по каналу связи 4 на блок 3 (блок регистрации, индикации и обработки результатов измерений). Все блоки и элементы конструктивно связаны. Блоки 1 и 2 крепятся на платформе 5, блок 2 связан с блоком 3 каналом 4. Расчет коэффициентов ослабления осуществляется на микроконтроллере STM32F207 с помощью программы, реализующей формулу (2).
ext
1
ext
При измерениях в поле зрения приемника может попадать различное количество гидрозолей, что может приводить к вариациям значений β. Для получения среднего и СКО коэффициентов ослабления за период измерений используется импульсный режим работы лазера. Измеренные значения I записываются с частотой 1кГц. Средние и СКО β определяются стандартным способом.