СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННОГО СВЕТА В МОРСКОЙ ВОДЕ "in situ" Российский патент 2016 года по МПК G01N21/59 

Описание патента на изобретение RU2605640C2

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.

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-1 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.

Похожие патенты RU2605640C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ФОТОПИГМЕНТОВ ФИТОПЛАНКТОНА, РАСТВОРЁННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА И РАЗМЕРНОГО СОСТАВА ВЗВЕСИ В МОРСКОЙ ВОДЕ IN SITU 2021
  • Ли Михаил Ен Гон
  • Кудинов Олег Борисович
RU2775809C1
ПРОЗРАЧНОМЕР МОРСКОЙ ВОДЫ 2023
  • Ли Михаил Ен Гон
  • Федоров Сергей Вячеславович
RU2814064C1
Способ и устройство измерения распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое водоемов 2022
  • Суторихин Игорь Анатольевич
  • Кривобоков Дмитрий Евгеньевич
  • Соловьев Виталий Андреевич
  • Каменев Артем Романович
RU2817043C1
ПРОЗРАЧНОМЕР МОРСКОЙ ВОДЫ 2006
  • Артемьев Владимир Александрович
  • Буренков Владимир Иванович
  • Вортман Михаил Израильевич
  • Григорьев Анатолий Васильевич
  • Копелевич Олег Викторович
  • Таскаев Валерий Романович
RU2341786C2
ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ 1997
  • Долгих Г.И.
  • Корень И.А.
RU2146354C1
ЭЛЛИПСОМЕТР 2005
  • Спесивцев Евгений Васильевич
  • Рыхлицкий Сергей Владимирович
  • Швец Василий Александрович
RU2302623C2
РАСПРЕДЕЛЕННАЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ ВИБРОАКУСТИЧЕСКИХ СИГНАЛОВ 2011
  • Беловолов Михаил Иванович
  • Дианов Евгений Михайлович
  • Заренбин Алексей Владимирович
  • Туртаев Сергей Николаевич
RU2485454C2
ИНТЕРФЕРОМЕТР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ СКАНЕРА ЗОНДОВОГО МИКРОСКОПА 2015
  • Кузнецов Андрей Петрович
  • Губский Константин Леонидович
  • Казиева Татьяна Вадимовна
RU2587686C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО КОЭФФИЦИЕНТА ЯРКОСТИ И АБСОЛЮТНЫХ ЗНАЧЕНИЙ СПЕКТРАЛЬНОЙ ЯРКОСТИ И ОБЛУЧЕННОСТИ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ 2017
  • Ли Михаил Ен Гон
  • Федоров Серей Вячеславович
RU2659902C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ ОТ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ 2000
  • Леун Е.В.
  • Серебряков В.П.
  • Шулепов А.В.
  • Загребельный В.Е.
  • Рожков Н.Ф.
  • Василенко А.Н.
RU2175753C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 605 640 C2

Реферат патента 2016 года СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СПЕКТРАЛЬНОГО ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ НАПРАВЛЕННОГО СВЕТА В МОРСКОЙ ВОДЕ "in situ"

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. Технический результат - повышение точности и быстродействия измерений. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 605 640 C2

Способ определения спектрального показателя ослабления направленного света в морской воде «in situ», заключающийся 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, отличающийся тем, 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.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2605640C2

ПРОЗРАЧНОМЕР МОРСКОЙ ВОДЫ 2006
  • Артемьев Владимир Александрович
  • Буренков Владимир Иванович
  • Вортман Михаил Израильевич
  • Григорьев Анатолий Васильевич
  • Копелевич Олег Викторович
  • Таскаев Валерий Романович
RU2341786C2
WO 2008090186 A1, 31.07.2008
Rottgers R, McKee D, Utschig C
"Temperature and salinity correction coefficients for light absorption by water in the visible to infrared spectral region" Opt Express, 2014 Oct 20;22(21):25093-108
US 4416542 A, 22.11.1983
CN 101839854 A, 22.09.2010.

RU 2 605 640 C2

Авторы

Латушкин Александр Александрович

Мартынов Олег Викторович

Даты

2016-12-27Публикация

2014-12-24Подача