Неконтактный способ определения характеристик природных вод Советский патент 1984 года по МПК G01N21/25 

с

QO

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 хара теристик природных вод по измерениям излучения природных вод при облучении их лазером ij . Такой способ не позволяет проводить измерения характерист ик природ ных вод на разных глубинах. Наиболее близким по технической сущности к изобретению является неконтактный способ измерения 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 измере-. ния искомых характеристик 2j . Данный способ позволяет определять на разных глубинах наличие органических веществ, концентрацию и физиологическое состояние гидробионтов, однако не дает возможности производить комплексные исследования природных вод, включающие измерения гидрооптических характеристик видимого диапазона, гидрохимических и гидробиологических характеристик природных .вод, геометрии ветровых волн. Это обусловлено тем, что одновременное возбуждение фотолюминесценции органических веществ нефтяного происхождения и гидробионтов возможно излучением ультрафиолетово го диапазона. В случае, если вторая длина волны излучения лежит в инфра красной области, определение гидрооптических характеристик возможно только в ультрафиолетовом диапазоне а для практики океанографических исследований и гидрометеорологическ наблюдений необходимо измерение про рачности природных вод в сине-зелен области. Кроме того, при зондировании при родных вод ультрафиолетовым излучен ем создаются световые помехи в учас ке спектра свечения хлорофилла всле ствие свечения в ультрафиолетовых лучах растворенных в воде органичес ких веществ. Световые помехи уменьшают точность измерений. Если вторая длина волны излучени лежит в видимой области спектра, то соотношение составляющих излучения, отраженного волновой поверхностью и рассеянного водой, соизмеримо. что снижает точность определения прозрачности природных вод и i-еометрии взволнованной водной поверхности. Цель изобретения - повышение точности одновременного определения гидрооптических, гидрохимических и гидробиологическ.их характеристик природных вод и геометрии ветрбвых волн. Указанная цель достигается тем, что согласно способу измерения характеристик природных вод, включающему 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, зондирование проводят в ультрафиолетовом, видимом и инфракрасном диапазонах и дополнительно измеряют временное изменение мощности составляющих излучения комбинационного рассеяния воды с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации. I Изменение мощности импульсьсто излучения природных вод на длине волны излучения лазера Tig описывается соотношением: Тг f Ц f Ct4)t и в диапазоне длин волн Л /l 4ti-c.u,i(t-.MAi: ii :: :i:ie- ,t (2) .i Ч у гЧсЧГ де с- скорость света в воде; - энергия излучения лазера; 1, - коэффициент, учитывающий упругое рассеяние воды; и - показатель преломления воды; расстояние между приемнопередающей лазерной системой и уровнем моря; t - время излучения природных вод;: , - показатель ослабления воды; коэффициент, учитывающий отражение на границе раздела вода - воздух; ч(- дельта-функция Дирака; f(.t) - функция изменения мощности излучения лазера; - коэффициент, учитывающий комбинационное рассеяние или фотолюминесценцию; 4 - ПОСТОЯННЫЙ коэффициент; 6 - показатель рассеяния воды на длине волны Л ; AQ- длина волны излучения лаз ра, ,,,,у.й()/2,(е ео1/2. При зондировании природных вод трехволновым импульсом излучения ла зера природные воды излучают в шире ком спектре, что обусловлено отраже нием лазерного излучения волновой поверхностью, рассеянием излучения водой и фотолюминесценцией.Мощность излучения, отраженного поверхность волн, зависит от коэффициента отраж ния р , изменения которого определяются уклонами волн. Излучение ближн го инфракрасного диапазона, для кот рого существенно возрастает, воспринимается практически только в части, отраженной на границе воздух вода. Измеряя мощность излучения природных вод на длине волны излуче ния лазераА 1,06 мкм, находят разность между мгновенным.значением мощности и средним значением мощности излучения вод для исследуемой акватории и по этой разнице определ ют величину уклона. Согласно выражению Ц), закон и менения мощности излучения,обратно рассеянного водой, определяется показателем ослабления Б. Измеряя зависимость ослабления мощности из лучения природных вод на длинах волн излучения лазера А 0,53 и 0,353 мкм, определяют .показатель ослабления воды в видимом и ультра фиолетовом диапазонах. Излучение лазера с длинами волн Л 0,353 и 6,53 мкм возбуждает фотолюминесценцию природных вод; спектральный орстав и мощность фот люминесценции зависят от содержани в воде загрязняющих веществ (нефти отходов целлюлозно-бумажного произ водства ), желтого вещества, хлорофилла и т.д. Экспериментально установлено, что загрязнители нефтяного происхождения при зондировании природны вод ультрафиолетовым излучением имеют наиболее значительные измене ния мощности индуцированного излучения от концентрации загрязнителя в фиолетово-синем участке спектра свечений.Хролофилл светится наибол интенсивно в красном участке спект Однако в этом участке светятся и растворенные в воде органические вещества под действием ультрафиолетового излучения, что снижает точность измерения концентрации хлорофилла в природных водах. Для уменьшения погрешности измерения ко центрации хлорофилла зондирование хлорофилла дополнительно ведут излучением т 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 поляризационные характеристики принятого из.лучения, -так как исследования показали, что комбинационно рассеянное. излучение в меньшей степени деполяризовано, чем фотолюминесцентное излучение вод. 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 Р и FI , поляризованных в двух взаимно перпендикулярных плоскостях {.FII -излучение поляризованное в плоскости,параллельной плоскости поляризации зондирующего излучения, PI - в перпенди-. кулярной). Известно, что отношение излучения фотолюминесценции элементарного объема воды с примесью к излучению комбинационного рассеяния воды есть функция зависящая от концентрации примесей в воде. Определяя отношение Ftp/ FH по отношению изменения мощности излучения пр:фодных 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: Гф РФ V. так как v F,,,-1(UPHF,,F,,-(1-P,)F, . (4) Мощность излучения на длине волны комбинационного рассеяния воды равняется, (5) где РФ - мощность излучения фотолюминесценции на длине волны комбинационного рассеяния воды. сли определяется отношение 1Т1 р то измеренное отношение равняется

ИшИ + ЬИ--,

или i

. t I г

где 4 Гф/Рк.

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

р;

и к

При определении отношения

fcp/F,,

rrt

М1(М

,

()Рк

1+р«

/ ф

--Гттк О

или

Относительная методическая ошибка

Л2 определения i F P/l;i« по отношению мощности излучения фотолюминесценции примеси к мощности излучения на длине волны комбинационного рассеяния воды, поляризованного в плоскости поляризации зондирующего излучения, равна

1+ РЖ

(8)

ь„

bPw

При. определении отношения ,|Fj

ipl ik

%.. (

f.

4,

или

Ч(,м 1 -:ррг

Относительная методическая ошиб12 fik

ка й опрёделения

m

по отношению мощности излучения фотолюминес.ценции примеси к мощности излучения на длине волны комбинационного рассеяния воды, поляризованного в плоскости, перпендикулярной плоскости поляриэна Ь.

P/CPn,)

po

F F c r

-cp

4lq IIH--iep

I Pm

и%м| -р-ьО

ИЛИ

(10)

Относительная методическая ошибка U4 определения т Fqj/Cf iiK iKlno отношению мощности излучения фотолюминесценции примеси к разности составляющих мощности излучения 25 на длине волны комбинационного расI сеяния воды, поляризованного в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, равна

,

(11)

При Р| справедливо неравенство

4i(U2U4,

(12)

из которого следует, что при измереНИИ разности составляющих излучения природных вод на длине волны комбинационного рассеяния- воды, поляризованного в двух перпендикулярных плокостях, уменьшается ошибка определения 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 веществ и гидробионтов л и по полученным данным определяют гидрохимические и гидробиологические х эрактеристики.

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 ации зондирующего излучения, рав1 - p Д, . 1 - PK Если определять отношение F«,

природных вод обеспечивает по сравнению с существующими способами возможность одновременного определения химических, биологических, оптических характеристик, геометрии поверхности в одном пространственно-временном измерении с более высокой точностью.

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

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.