СПОСОБ РЕГИСТРАЦИИ ИНТЕГРАЛЬНЫХ РАЗМЕРНО-КОЛИЧЕСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЛАНКТОНА
METHOD OF DETECTING INTEGRAL DIMENSIONAL-QUANTITATIVE CHARACTERISTICS OF PLANKTON

Изобретение относится к океанологическим исследованиям и предназначено для проведения исследований планктона и других частиц в жидкости.
Известен способ определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц. Способ заключается в формировании реперного объема оптическим путем, передачи в заранее установленном направлении параллельного потока прямоугольного сечения импульсного оптического излучения постоянной интенсивности. Сформированный реперный объем перемещают по траектории, перпендикулярной направлению потока излучения и большей стороне его прямоугольного сечения, и регистрируют взвешенные в воде частицы при появлении их в реперном объеме путем приема оптического излучения из реперного объема под любым углом к нему. Оптическое излучение преобразуют в электрические сигналы и анализируют их, по амплитуде и длительности судят о размерах и количестве частиц. При этом скорость перемещения реперного объема необходимо удерживать на уровне, не превышающем отношение длины его меньшей стороны сечения ко времени периода частоты следования импульсов оптического излучения [1].
Таким образом, скорость сканирования является параметром косвенных измерений характеристик частиц, поэтому погрешность ее поддержания сказывается на результатах измерений. Однако поддержание постоянной скорости сканирования в реальных морских условиях является сложной технической задачей, сводящей на нет технический результат. Таким образом, существенный недостаток аналога – необходимость поддержания скорости сканирования для получения результата по определению размерно-количественных характеристик планктона.
Известен способ регистрации планктона с помощью судового оптоэлектронного измерителя планктона. Способ заключается в генерации параллельного потока импульсного оптического излучения, формировании оптическим путем реперного объема прямоугольного сечения, перемещении реперного объема, прием и преобразование оптического излучения в электрические сигналы, регистрацию изменения амплитуды электрических импульсов, определение разности между сигналом в отсутствии импульсов и сигналом, полученным во время действия импульсов, и формирование временного интервала на время регистрации частиц планктона, находящихся в реперном объеме. При этом 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. В состав измерителя включен процессор, управляющий режимами работы измерителя [2].
В этом случае нет необходимости выдерживать скорость сканирования, поскольку способ позволяет производить прямой подсчет планктона на заданной глубине или в точке заданной траекторией сканирования, но он не позволяет получить размерно-количественные характеристики планктона и обладает низкой скоростью получения результата при исследовании интегральных размерно-количественных характеристик распределений планктона.
В качестве ближайшего аналога выбран Способ регистрации планктона [3], по которому, формируют изучаемый объем среды путем передачи в выбранном направлении коллимированного потока импульсного оптического излучения и осуществляют фотоэлектрическую регистрацию теневого изображения этого объема вместе с взвешенными в нем частицами. Теневое изображение регистрируют как цифровую осевую голограмму Габора. При регистрации цифровой голограммы используют приёмную оптическую систему. Затем, цифровым путем, послойно, восстанавливают с голограммы изображение объема с учётом приёмной оптической системы и с обработкой информации в каждом сечении известными численными методами. В результате получают размерные и количественные характеристики частиц, взвешенных в изучаемом объеме.
Недостатки – низкая скорость получения результата при исследовании  интегральных размерно-количественных характеристик планктона.
Задача изобретения заключается в увеличении скорости получения результата при исследовании интегральных размерно-количественных характеристик планктона для последующего построения их пространственно-временных распределений.
Согласно изобретению, эта задача решается за счет того, что, как и в прототипе, способ регистрации планктона включает оптическое формирование изучаемого объема среды с взвешенными в нем частицами. Осуществляют это путем фиксации объёма импульсами когерентного оптического излучения и фотоэлектрической регистрации теневого изображения этого объема вместе с взвешенными в нем частицами.
Получение интегральных размерно-количественных характеристик распределения планктона осуществляют путем обработки информации. Для этого формируют фотометрический сигнал, эквивалентный средней освещенности теневого изображения, как функцию координаты траектории (глубины) и подвергают вейвлет-анализу [4], по результатам которого определяются интегральные характеристики: среднее значение размера частиц, значение пространственной концентрации, значение биомассы.
На фиг. 1 представлена структурная схема макета устройства, предназначенного для сбора информации об исследуемом планктоне, ее предварительной обработки, сохранения в устройстве записи информации и передачи данных непосредственно на  судовой  персональный компьютер.
На фиг. 2 представлен фрагмент фотометрического профиля, зарегистрированного  в процессе погружения устройства,  как функция нормированного светового потока   , привязанная к глубине (траектории сканирования).
На фиг. 3 представлен результат преобразования фрагмента функции  изображенного на фиг. 2, в виде Фурье-образа этого фрагмента фотометрического сигнала, как функции пространственной частоты  [5].
Устройство (фиг. 1) содержит: 1 – блок формирования освещающего пучка, состоящий из источника света 2, коллиматора 3, оптического окна 4, блок регистрации сигнала 10, состоящий из оптического окна 7, объектива 8, фотоприемника 9, блока управления 11, персонального компьютера 12. Изучаемый объем 5 формируется световым потоком диаметром D на трассе длиной L. В этом объеме находятся исследуемые взвешенные частицы 6.
Устройство работает следующим образом. Световой поток, создаваемый блоком формирования освещающего пучка (1), проходит через изучаемый объем среды с планктоном (6), формируемый апертурой светового пучка D и длиной оптической трассы L. Часть излучения задерживается регистрируемыми объектами (планктоном и другими частицами), а прошедшая собирается объективом (8) и детектируется фотодетектором (9), формируя фотометрический сигнал, эквивалентный средней освещенности теневого изображения объема. Полученный фотометрический сигнал обрабатывается блоком управления (11) и результаты обработки сигнала передаются оператору на персональный компьютер (12). При применении матричного приемника, фотометрический сигнал формируется как сумма сигналов пикселей, нормированная на ту же самую величину, но в отсутствии взвеси планктона и других частиц. При погружении устройства в изучаемую среду осуществляется непрерывная регистрация фотометрического сигнала, как функция глубины погружения. Для этого, в устройстве также использован датчик глубины, позволяющий осуществить привязку результата к траектории перемещения.
При надлежащем выборе параметров АЦП осцилляции сигнала  связаны с входом-выходом частиц за пределы изучаемого объема в процессе погружения и собственного движения частиц (фиг. 2). Функция   подвергается спектральному Фурье-преобразованию с целью извлечения информации об интегральных характеристиках ансамбля взвешенных частиц.
Фурье-преобразование есть частный случай вейвлет-преобразования, облегчающий наглядную интерпретацию (фиг.3). Пространственная частота   связана с временной частотой, с которой частицы входят и выходят из объема. Амплитуда нулевой пространственной частоты Фурье-образа пропорциональна степени затенения  взвешенными частицами изучаемого объема, связанной с биомассой. Амплитуда первой гармоники  пропорциональна значению среднего размера взвешенных частиц, положение первой гармоники   связано с концентрацией частиц. Соответствующие коэффициенты пропорциональности могут быть определены посредством калибровки. Протяженность сигнала , подвергаемого обработке, определяет размер просматриваемого пространства или объем усреднения. Соответственно, качество этой обработки определяется выбором базовых функций вейвлет-преобразования. Если длительность сигнала достаточно большая, чтобы считать ее бесконечной, то можно применить преобразование Фурье, как в рассмотренном примере.
Таким образом, используя вейвлет-образ фотометрического профиля, можно  определить искомые интегральные размерно-количественные характеристики ансамбля частиц.
Список использованных источников:
1. Патент RU № 2112955, МПКG01N15/14, G01N21/85, опубл. 10.06.1998.
2. Патент RU № 131181, МПК G01N15/14, опубл. 10.08.2013.
3. Патент RU № 2623984, МПКG01N15/14, G03H1/00, опубл. 29.06.2017.
4. Штарк Г.-Г. Применение вейвлетов для ЦОС. – М.: Техносфера, 2007. – 192 с.
5. Кольер Р., Беркхарт К., Лин Л. Оптическая голография. – М.: Мир. 1973. – 698 с.