Способ определения концентрации люминесцирующих примесей в воде Советский патент 1984 года по МПК G01N21/64 

00

о: 4

Изобретение относится к технике съемки водных пространств с воздуха и может быть использовано при исследовании загрязнения природных вод нефтью и нефтепродуктами и для определения первичной продуктивности.

Известен способ определения гидрохимических и гидробиологических характеристик природных вод ,по измерениям изменения мощности кмпульсного излучения природных вод при облучении их импульсом излучения лазера ij .

Однако известный способ сложен по своей технической реализации.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения люминесцирую.щих примесей в воде путем зондиро,вания природных вод монохроматичесКИМ излучением лазера,приема излучения природных вод на частоте комбинационного рассеяния воды и в участке спектра фотолюминесценции примеси и измерения яркости излучений 2 .

Известный способ позволяет определять наличие примесей в воде по оношению яркостей излучения в участках спектра свечения примесей к яркости излучения комбинационного рассеяния воды в ультрафиолетовой области.

Недостатком способа является невысокая точность определения кон.центрации примесей в подповерхностн слоях природных вод, точность измерений уменьшается с глубиной. Это обусловлено тем, что спектры фотолю.минесценции хлорофилла и загрязнителей нефтяного происхождения лежат в видимой области, а прозрачность воды в видимом и ультрафиолетовом диапазонах различна. С увеличением глубины разница в ослаблении излучений увеличивается и спектр излучения подповерхностного слоя природных вод искажается.

Цель изобретения - повышение точности измерения.

Поставленная цель достигается те что согласно способу определения концентрации люминесцируюцих примесей в воде путем зондирования природных вод монохроматическим лучом лазера, приема излучения природньос вод на частоте комбинационного рассяния воды и в участке спектра фотолминесценции примеси и измерения яркости излучений, зондирование ведут излучением с частотой, меньоюй част ты спектра фотолю шнесценции примес на величину частоты стоксовой компоненты комбинационного рассеяния вод 3440 , прием излучения природных вод в участке спектра фотолгоминесценпии примеси ведут Нс1 двух частотах Ji и 92 на один фотопри- , емник при значении частот- i,-; г- i i, где -)(; - частота комбинаццонного рассеяния воды, U- (1-5)д9о, -шигина полосы частот излучения лазера, измеряют сумму яркостей излучения природных вод с частотами- и и по полученным значениям яркости излучения на частоте комбинационного рассеяния воды и суммы яркостей излучений с частотами и -0 определяют концентрацию примеси в воде.

В общем случае мо11ность излучения Р; попаданяпего на фотоприемник оптико-электронного приемного устройства, быть определена из соотношения:

F-iTlLSein fli, (1) где L - яркость излучения природных вод; 1; - коэффициент пропускания атмосферы и приемной оптической системы; (U - передний апертурный угол приемной системы.

С учетом оптических характеристик г риродных вод, характеристик лазерйого излучения и геометрии эондирования соотно1чение (1) можно преобразовать к виду

т М-Ч7 сЧ

F4i.,ia-tM,,;Vc4) -со

где F - мощность -излучения на частоте - ; - частота излучения лазера; С - скорость света в воде; q), г к,V (-ч, ) К|- коэффициент подобия; V (- ) - показатель излучения фотолюминесценции и комбинационного рассеяния воды; i(t) функция изменения мощности импульса излучения лазера ;V - энергия излучения лазера; ф - коэффициент;б :()/2,(ео + €)/2 , б, е -показатели рассеяния и ослабления воды на частоте -, л) ,60 ., Е t- время излучения природннх вод; 2 - расстояние между приемно-передающей системой и уровнем природных вод в направлении зондирования.

Для малых длительностей И1мпульса излучения лазера

.o)- F-JyUl

(3) V(k,0orf- f2l 6 c4 f()

Известно, что отношение показателя излучения фотолюминесценции V(-9q),T)o) к показателю крмбинационного рассеяния водн(. ,) есть функция, зависящая от концентрации примеси в воде.

Определяя это отно11ение ITI по отношению мощности излучения природных вод на частоте фотолквиинесценции примеси к мощности излучения на частоте комбинационного рассеяния воды,находят концентрацию примеси в воде. Для поверхностного слоя природных вод малой толщины :

,-)

(4)

г ёт X

где К2- коэффициент подобия;in О. С ростом глубины согласно выражению (3) погрешность определения концентрации примеси в воде растет, так как растет значение коэффицит , ента К2 , который равен

.

(5).

Ь О

Если частота комбинационного рассеяния воды совпадает с частотой фотолюминесценции примеси, то

е -ej и ,,K) i.

При изменении характеристик излучения природных вод в приемных оптико-электронных системах иипользуются интерференционные светофильтры. Мовшость излучения после светофильтра можно описать выражением

:5+ь- /2 F-KCJ ,

Гб)

где Д-5 - полоса пропускания светофильтра; коэффициент.

Анализ уравнений (3) и (5) пока зывает, что при Е

Г

коэффици « ент К и разница в ослаблении излучения фотолюминесценции и комбинационного рассеяния воды умены ается. Таким образом, для повыгчения точности измерения концентрации примесей необходимо зондирование природных вод вести излучением лазера с частотой меньшей частоты спектра фотолюминесценции примеси на величину ь 3440 см . В этом случае частота комбинационного рассеяния воды лежит в спектре фотолюминесценции примеси.

Рассмотрим условия измерения мсяцности излучения природных вод, для которых К 1. Используя теорему о среднем интегрального исчисления, запишем

(7

J f-).-f(%},

где )- значение мощности на

частоте проме)хутка(-). + ),

В соответствии с выражением (7) при измерении излучения в полосе частот комбинационного рассеяния воды имеем

(8)

).Kcj F.,

Излучение, измеряемое в полосе частот комбинационного рассеяния воды, представляет собой сумму излучения комбинационного рассеяния зоды и излучения фотолюминесценции

ip-иродных вод.

при измерении излучения фотолюминесценции на двух частотах TI и на один фотоприемник

}((/2--Jj+i-J/

F-)c3- + VCcj Рл),-b-J/2 2-& /2- -h n

ft,IZ

-KcJ Kc-(,).(9)

J-j,:)|2

Практически измерение излучения фотолюминесценции ведется на

5частоте комбинационного рассеяния воды, а это соответствует случаю, когда коэффициент К не зависит от глубины и равен единице.

В соответствии с выражениями

0 (8) и (9) для малих значений92 - S и полос пропускания светофильтров получаем следуюс;ее выражение для определения значения m по глубине

Рц.и 2--i

, . (10)

1-S),

Для мальлх значений ) ьЧ)

FK.U 2-, Fv

Til)

m(,

,(.i-} Полученные выражения (10) и (11) для определения Ui не зависят от изменения первичнь-в гидрооптических характеристик природньгх вод, так как измерение излучения комбинационного рассеяния воды практически ведется на одной частоте. В этой связи измерние суммь яркостей излучения природных вод с частотами 9(,2 -)t,±A, тождественной яркости излучения фо толюмиресценции на частоте комОинационного рассеяния воды, и одновре ное измерение яркости излучения комбинационного рассеяния воды позволяет определять концентрацию примеси в, воде с более высокой точ ностью. -Например, для определения перви ной продуктивности моря с переме1ча квдегося в пространстве носителя зо дируют природные воды монохроматическими излучениями лазера на раст ворах органических соединений, гене рирукжцим излучение с частотой 9о 18140 см , 55 мкм). С помощью приемной оптической системы импульсного спектрофотометра принимают излучение природных од в участке спектра фотолюминесценции хлорофилла. В этом участке спектра лежит спектральная составлягацая комбинационного рассеяния воды ; 14700 см (,68 мкм). Полупрозрачным зеркалом разделяют принятый световой поток на две составлягание. В ходе двух составляю щих светового потока установлены по вые диафрагмы и конденсаторы, котор собирают прошедмее через полевые диафрагмы излучение на чувствительные площадки двух фотоприемников с интерференционными фильтрами. Светофильтр первого фотоприемника пропускает излучение с частотой - 14700 (j(rO,68 мкм). Светофильтр второго фотоприемника состоит из двух половинок. Одна часть пропускает излучение с частотой i 15385 см , а вторая - с частотой 9/j -Г 13699 см ((0,65 мкм;Л2 0,73 мкм). С помощью первого фотоприемника измеряют яркость излучения природных вод на частоте комбинационного рассеяния воды, с помощью второго фотоприемника измеряют сумму яркостей излучения природных вод с частотой 4) и 92 и по полученным значениям яркостей определяют концентрацию хлорофилла в воде. Использование предлагаемого способа определения гидробиологических и гидрохимических характеристик природных вод обеспечивает по сравнению с известнр-тии способами повышение точности измерений. Тем самым повышается эффективность исследования природных ресурсов моря с помощью лазерюй техники.

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЮМИНЕСП,ИРУЮ1ИХ ПРШЕСЕП В ВОДЕ путем зондирования природных вод монохроматическим излучением лазера, приема излучения природных вод на частоте комбинационного рассеяния воды в участке спектра фотолюминесценции примеси и измерения яркости излучений, о т л и ч а rota и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения, зондирование ведут излучением с частотой. меньшей частоты спектра фотолюминесценции примеси на величину частоты стоксовой компоненты комбинационного рассеяния воды 3440 , прием излучения природных вод в участке спектра фотолюминесценции примеси ведут на двух частотах -, и на один фотоприемник при значении частот , где 9)t - частота комбинационного рассеяния воды; Д9