Неконтактный способ определения характеристик природных вод

Неконтактный способ определения характеристик природных вод

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

НЕКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИРОДНЫХ ВОД, включающий зондирование природных вод импульсом лазерного излучения одновременно по меньшей мере на двух длинах волн, измерение временного изменения излучения природных вод на длинах волн лазерного излучения и в области Спектра свечения органических веществ и гйдробионтов и определение по результатам измерения искомых характеристик, отличающийся тем, что, с целью повышения точности одновременного определения гидрооптических, гидрохимических и гидробиологических характеристик природных вод и геометрии ветровых волн, зондирование проводят в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах и дополнительно измеряют временное изме.нение мсяцности составляющих излучения комбинационного рассеяния воды с взаимно перпендикулярными плос (Л костями поляризации.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

„.Я0„„ А

3(59 G 01 N 21 25

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPHTHA

21 ) 3459470/18-25

22) 29.06.82 (46) 15.07.84. Бюл. 9 26 (72) В.В.Половинко, Д.A.Ðoìàíoâ, О.И.Абрамов, В.И.Еремин и Л.И.Лобов (53) 535.24(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 575480, кл. 0 01 N 21/25, 1969.

2. Авторское свидетельство СССР

М 693989, кл. G 01 N 21/25, 1978 (прототип). (54)(57) НЕКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ПРИРОДНЫХ ВОД, включающий зондирование природных вод импульсом лазерного излучения одновременно по меньшей мере на двух длинах волн, измерение временного изменения излучения природных вод на длинах волн лазерного излучения и в области спектра свечения органических веществ и гидробионтов и определение по результатам измерения искомых характеристик, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения точности одновременного определения гидрооптических,.гидрохимических и гидробиологических характеристик природных вод и геометрии ветровых волн, зондирование проводят в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах и дополнительно измеряют временное изме= нение мощности составляющих излучения комбинационного рассеяния воды с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации.

1103119

Изобретение относится к технике съемки открытых водных пространств . с воздуха и может быть использовано при исследованиях гидрооптических, гидробиологических, гидрохимических характеристик природных вод и геометрии ветровых волн.

Известен способ определения характеристик природных вод по измерениям излучения природных вод при облучении их лазером (1) . 10

Такой способ не позволяет проводить измерения характеристик природных вод на разных глубинах.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является не- 15. контактный способ измерения характеристик природных вод, включающий зондирование природных вод импульсом лазерного излучения одновремен- но по меньшей мере на двух длинах волн, измерение временного изменения излучения природных вод на длинах волн лазерного.излучения и в области спектра. свечения органических веществ и гидробионтов и определение по результатам измере-. ния искомых характеристик P) .

Данный способ позволяет определять на разных глубинах наличие органических веществ, концентрацию и физиологическое состояние гидро- З0 бионтов, однако не дает возможности производить комплексные исследования природных вод, включающие измерения гидрооптических характеристик видимого диапазона, гидрохими- 35 ческих и гидробиологических характеристик природных .вод, геометрии ветровых волн.

Это обусловлено тем, что одновременное возбуждение фотолюминес- 40 ценции органических веществ нефтяного происхождения и гидробионтов возможно излучением ультрафиолетового диапазона. B случае, если вторая длина волны излучения лежит в инфракрасной области, определение гидрооптических характеристик возможно только в ультрафиолетовом диапазоне, а для практики океанографических исследований и гидрометеорологических наблюдений необходимо измерение проз- 50 рачности природных вод в сине-зеленой области.

Кроме того, при зондировании природных вод ультрафиолетовым излучением создаются световые помехи в участ-55 ке спектра свечения хлорофилла вследствие свечения в ультрафиолетовых лучах растворенных в воде органических веществ. Световые помехи уменьшают точность измерений.

Если вторая длина волны излучения лежит в видимой области спектра, то соотношение составляющих излучения, отраженного волновой поверхностью и рассеянного водой, соизмеримо, 65 что снижает точность определения прозрачности природных вод и геометрии взволнованной водной поверхности.

Цель изобретения — повышение точности одновременного определения гидрооптических, гидрохимических и гидробиологических характеристик природных вод и геометрии ветрбвых волн. !

Изменение мощности импульсисго излучения природных вод на длине волны излучения лазера описывается соотношением: и в диапазоне длин волн А Ф Я

F(t)=C И

:де С

W скорость света в воде; энергия излучения лазера; коэффициент, учитывающий упругое рассеяние воды; показатель преломления воды; расстояние между приемнопередающей лазерной системой и уровнем моря; время излучения природных вод; показатель ослабления воды; коэффициент, учитывающий отражение на границе раздела вода — воздух; дельта-функция Дирака; функция изменения мощности излучения лазера; коэффициент, учитывающий комбинационное рассеяние или фотолюминесценцию; постояннь)й коэффициент;

Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения характеристик природных вод, включающему зондирование природных вод импульсом лазерного излучения одновремен— но по меньшей мере на двух длинах волн, измерение временного изменения излучения приропных вод на длинах волн лазерного излучения и в области спектра свечения органических веществ и гидробионтов и определение по результатам измерения искомых характеристик, зондирование проводят в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах и дополнительно измеряют временное изменение мощности составляющих излучения комбинационного рассеяния воды с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. !

1103119 б — показатель рассеяния воды на длине волны h; h — длина волны излучения лазера, 40

При зондировании природных вод трехволновым импульсом излучения лазера природные воды излучают в широком спектре, что обусловлено отражением лазерного излучения волновой поверхностью, рассеянием излучения водой и фотолюминесценцией.Мощность излучения, отраженного поверхностью волн, зависит от коэффициента отражения р, изменения которого определяются уклонами волн. Излучение ближнего инфракрасного диапазона, для которого E существенно возрастает, воспринимается практически только в 20 части, отраженной на границе воздухвода. Измеряя мощность излучения природных вод на длине волны излучения лазера h =1,06 мкм, находят разность между мгновенным. значением 25 мощности и средним значением мощности излучения вод для исследуемой акватории и по этой разнице определяют величину уклона.

Согласно выражению (1), закон из- 30 менения мощности излучения, обратно рассеянного водой, определяется показателем ослабления Е,. Измеряя зависимость ослабления мощности из,— лучения природных вод на длинах волн излучения лазера h =0,53 и

0,353 мкм, определяют. показатель ослабления воды в видимом и ультрафиолетовом диапазонах.

Излучение лазера с длинами волн

Ъ =0,353 и 0,53 мкм возбуждает фотолюминесценцию природных вод; спектральный <-остав и мощность фотолюминесценции зависят от содержания в воде загрязняющих веществ (нефти, отходов целлюлозно-бумажного произ- 45 водства ), желтого вещества, хлорофилла и т.д.

Экспериментально установлено, что загрязнители нефтяного происхождения при зондировании природных 50 вод ультрафиолетовым излучением имеют наиболее значительные изменения мощности индуцированного излучения от концентрации загрязнителя в фиолетово-синем участке спектра свечений. Хролофилл светится наиболее интенсивно в красном участке спектра.

Однако в этом участке светятся и растворенные в воде органические вещества под действием ультрафиолетового излучения, что снижает 60 точность измерения концентрации хлорофилла в природных водах. Для уменьшения погрешности измерения концентрации хлорофилла зондирование хлорофилла дополнительно ведут иэ- 65

-Ю лучением > =0,53 мкм, которое почти не возбуждает фотолюминесценцию растворенных органических веществ.

При наличии волн изменяется коэффициент пропускания излучения границей раздела вода-воздух, что изменяет мощность принятого приемной оптической системой излучения природных вод. Для определения оптических характеристик природных вод, независимых от геометрии поверхности,. в соответствии с выражением (2)мощность фотолюминесцентного излучения природных вод нормируют на значение мощности комбинационного рассеяния воды. На этой длине волны обычно присутствует излучение фотолюминесценции природных вод. Для разделения этих составляющих используются поляриза> ционные характеристики принятого из.— лучения, так как исследования показали, что комбинационно рассеянное излучение в меньшей степени деполяриэовано, чем фотолюминесцентное излучение вод.

Г9 сф Гр

> > 7

Fk Fi) N FJê (3) так как Fy =Föê F ê и" 2 (4 Рк) Р Fll< (1- Р Гк . (4)

Мощность излучения на длине волны комбинационного рассеяния воды равняется

F = Fф „, (5) При линейной поляризации зондирующего излучения степень поляризации излучения, комбинационно рассеянного водой Р„, больше степени поляризации фотолюминесцентного излучения вод. Общая мощность излучения, принимаемая приемной оптической системой, представляет собой сумму двух составляющих излучений F l и >.1, поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях(Рц -излучение поляризованное в плоскости,параллельной плоскОсти поляризации зондирующего излучения, — в перпендикулярной). Известно, что отношение излучения фотолюминесценции F+ элементарного объема воды с примесью к излучению комбинационного рассеяния воды есть функция, зависящая от концентрации примесей в воде. Определяя.отношение>ф/Рк по отношению изменения мощности излучения природных вод на длине волны фотолюминесценции примеси к изменению мощности излучения на длине волны комбинационного рассеяния воды, находят концентрацию примеси в воде. Для определения концентрации примеси в воде могут быть использованы следующие тождественные соотношения:

1103119 (9) Cq, /Рк 45M F< Р Я

q к (+ ф к (б) i0

1 или,.

ИЗМ о "Р к <Р н

F (Р„„Г,к) 15

Р 1 ч Ц

k или (10) Г,Р Р / як (1 Рк) "к

Рф

Р Ь

1 ф ЧЕМ "+

1iP или

1<Р

Ьг= 6i

" "к

Fq ГР l Fik чъм о (1 Р 1Fo (1- РкЪ Рк

1-Р, " м р

1- к или

55 где F - мощность излучения фотолюминесценции на длине волны комбинационного рассеяния воды.

«F чели определяется отношение щ= то измеренное отношение равняется ". о где Ь с * <Р I x °

В этом равенстве второй член в круГлых скобках Ь,описывает относительную ошибку метода определения в по измеренному отношению мощности излучения фотолюминесценции примеси к мощности излучения на длине волны коМбинационного рассеяния воды.

Г

При определении отношения кк

Относительная методическая ошибка

Ь определения а = F /F> по отношению мощностй излучения фотолюминесценции примеси к мощности излучения на длине волны комбинационного рассеяния воды, поляризованного в плоскости 40 поляризации зондирующего излучения

1 равна

При. определении отношения R*F@(F>„

Относительная методическая ошибг,„ ка Ь определения м = — по отно.3 ii ше нию мощности излучения фотолюми нес.ценции примеси к мощности излучения на длине волны комбинационного рассеяния воды, поляризованного в плоскости,перпендикулярной плоскости поля- 65 риэации зондирующего излучения, равна

1 — Р

Ь = ------ Ь

1 (1 — Є

Если определять отношение

ill м к

Относительная методическая ошибКа 61ОПРЕДЕЛЕНИЯ rn = Гф((Р„к-F „) по отношению мощности излучения фотолюминесценции примеси к разности составляющих мощности излучения на длине волны комбинационного расI сеяния воды, поляризованного в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, равна

При Рк >р Р справедливо неравенство

Ь 6 Ьг>ь р (12) из которого следует, что при измере нии разности составляющих излучения природных вод на длине волны комбинационного рассеяния воды поляри зованчого в двух перпендикулярных плокостях, уменьшается ошибка опре деления гидрохимических и гидробиологических характеристик.

Для повышения точности измерения характеристик природных вод измерение мощности излучения природных вод ведут на длине волны комбинационного рассеяния воды в двух плоскостях поляризации, в участках спектра органических вешеств и гидробионтов и по полученным данным определяют гидрохимические и гидробиологические характеристики.

Для определения характеристик природных вод с перемещающегося в пространстве: носителя, например с летательного аппарата, зондируют природные воды трехволновым импульсом излучения лазера на иттрий-алюминиевом гранате, генерирующем

1,2 и 3 гармоники. Спектральные и временные характеристики излучения природных вод измеряют с помощью импульсных спектрофотометров.

Использование предлагаемого способа определения характеристик

1103119

Составитель С.Боинский

Редактор H.Øâüùêàÿ Техред A.Áàáèíeö Корректор A.Íçÿòêî б

Заказ 4970/32 Тираж 823 . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП "Патент",г. Ужгород, ул, Проектная,4 природных эод обеспечивает по сравнению с существующими способами воз можность одновременного определения химических, биологических, оптических характеристик, геометрии поверхности э одном пространственно-временном измерении с более высокой точностью.

При увеличении числа одновременно определяемых характеристик природных вод в одном пространственновременном измерении повышается ценность информации и эффективность ис5 пользования подвижных носителей для исследования морских и океанических акваторий.