Устройство для измерения частотно-контрастной характеристики водного слоя Советский патент 1987 года по МПК G01N21/45 

113

Изобретение относится к физической оптике, а именно к оптике рассеивающих сред, в частности к гидрооптике,, и может быть использовано для синхронного (одновременного) измере- ния показателя рассеяния, показате.чя ослабления и частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) водного слоя, а также для определения вероятности выживания кванта света (альбедо одно- кратного рассеяния),

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей путем обеспечения возможности дополни

тельного измерения показателя ослаб- ки 10 и 11 по аналогии с рабочим каления и рассеяния водного слоя, а так также вероятности выживания кванта света,

На- чертеже показана оптическая блок-схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит источник 1 излучения, за которым последовательно и соосно установлены модулятор 2 и пространственный модулятор в виде пере- Страиваемого интерферометра 3, в качестве которого может быть использован любой из известных интерферометров, позволяющий плавно изменять пространственный период результирующе- 30 качестве которого может быть исполд го интерференционного поля. После перестраиваемого интерферометра установлен коллиматор 45 в качестве козован, например, мощный светодиод, модулируется с помощью модулятора 2. Последний позволяет осуществить зф- фективную фильтрацию полезного сигнаторого может оыть использована, например, труба Галилея. Коллиматор pac-j ла, отделить его от постоянной соста- положен так, что на его входе реали- вляющей фоновой засветки и работать зуется интерференционная картина, с усилителями переменного напряжения сформированная перестраиваемым интер- После модулятора излучение попадает ферометром. Излучение на выходе кол- в перестраиваемый интерферометр 8 лиматора обладает характерным синусо- 40 в котором разделяется на два взаим- идальным пространственным распределением яркости заданного периода и с

№шимальной расходимостью. Далее за коллиматором установлен амплитудный

но когерентных пучка, сходящихся -на входной линзе коллиматора 4, Излучение на выходе коллиматора представля ет собой результат когерентного взаи- светоделитель 5, основное назначение 45 модействия световьк пучков и характе- которого это создание двух идентич - ризуется пространственным синусоидальных оптических каналов равной яркос - ным распределением интенсивности, ти. Прямо прошедшее через амплитудный Пространственная частота л) результи- светоделитель излучение направляется рующего светового поля - есть вели- в исследуемую среду, где проходит ЗО чина, обратная периоду синусоиды, и путь геометрической длины , и попа - зависит от угла схождения световых Дает а приемный объектив 6,, куда также попадает и рассеянное излучение,, появляющееся в исследуемой среде. В плоскости изображения приемного объектива установлены фотоприемники 7 и 8 так„ что расстояние между ними -точно соответствует заданному пространственному периоду интерференциойпучков, а тар:же от фокусных, расстояний линз используемого коллиматора. Изменение пространственной частоты . 55 осуществляется за счет перестройки интерферометра (например, за счет наклонов одного из зеркал интерферометра) . Далее излучение попадает на амплитудный светрделите.тгь 5, который

ной картиныJ, сформированной приамным объективом, а размер светочувствительной площадки фотоприемников не превышает половины пространственного периода. Прошедшее через исследуемую среду излучение с приемным объективом 6 и фотоприемниками 7 и 8 образует рабочий оптический канал устройства. Другая часть излучения, отраженная амплитудным светоделителем, не выходит в исследуемую среду. На ее пути установлен дополнительный приемный объектив 9, а в его плоскости изображения установлены фотоприемниналом, описанным выше. Эта часть излучения с дополнительным приемным объективом 9 и фот оприемниками 10 и 11 образует опорный оптический канал устройства. Сигналы, снимаемые с фотоприемников 7, 8, 10 и 11 разделы но поступают на вход блока 12 регистрации и обработки данных, который собран на базе стандартных радиоэлектронных элементов.

Устройство работает следующим образом.

Излучение от источника 1 света, в

зован, например, мощный светодиод, модулируется с помощью модулятора 2. Последний позволяет осуществить зф- фективную фильтрацию полезного сигнала, отделить его от постоянной соста- вляющей фоновой засветки и работать с усилителями переменного напряжения После модулятора излучение попадает в перестраиваемый интерферометр 8 в котором разделяется на два взаим-

но когерентных пучка, сходящихся -на входной линзе коллиматора 4, Излучение на выходе коллиматора представля ет собой результат когерентного взаи- модействия световьк пучков и характе- ризуется пространственным синусоидальным распределением интенсивности, Пространственная частота л) результи- рующего светового поля - есть вели- чина, обратная периоду синусоиды, и зависит от угла схождения световых

пучков, а тар:же от фокусных, расстояний линз используемого коллиматора. Изменение пространственной частоты . осуществляется за счет перестройки интерферометра (например, за счет наклонов одного из зеркал интерферометра) . Далее излучение попадает на амплитудный светрделите.тгь 5, который

ла: Й-, , 6/2 с/, j . Первый сигнал пропорционален значению освещенности ,. в центре яркой полосы картины интерференции, не искаженной - макс

(1)

искаженной средой:

.

Е.

(2)

313239254

может представлять собой стеклянную вом индикаторе или записью на цифро- пластину, изготовленную так, что 50% печати,

излучения проходит прямо, а 50% из- Таким образом, на вход блока облучения отражается. Прямо прошедшее работки и регистрации поступают с фо- излучение попадает в водный слой, ге- г топриемников четыре измеренных сигна- ометрическая протяженность которого ,Е. Пройдя водный слой, излучение попадает на приемный объектив 6, в плоскости изображения которого формируется картина интерференционного поля с W дои: наложенным на нее фоном, образованным рассеянным на неоднородностях среды излучением,,В плоскости изображения приемного объектива установле- Второй сигнал пропорционален званы по крайней мере два фотоприемника )5 чению освещенности Е°у„ в центре тем- 7 и 8, ориентированных относительно ной полосы картины интерференции, не центра изображения в направлении полос интерференции так, что измеряют значения освещенности в центре яркой и в центре темной полосы картины ин- 20 терференции. Фотоприемники 7 и 8 имеют возможность взаимного перемещения на величину, пропорциональную изменению пространственной частоты V. Излучение, отраженное от светоделителя, 25 через водный слой геометрической про. попадает на дополнительный приемньш тяженности {: объектив 9, в плоскости изображения ,

которого формируется картина интер- c/i-E Е e (3) ференции, не искаженная рассеивающей

средой (слоем воды). В плоскости изоб-зо где - показатель ослабления света. ражения дополнительного приемного Четвертый сигнал пропорционален объектива также установлены по край- значению освещенности Е.. в центре ней мере два фотоприемника 10 и 11, темной полосы картины интерференции, ориентированных относительно центра полученной после прохождения излуче- изображения и направления полос ин- ця через водный слой геометрический терференции так, что измеряют значе- протяженности I:

. ния освещенности в центре яркой и в центре темной тех же полос неискаженной средой картины интерференции. Фотоприемники 10 и 11 имеют возможность Q взаимного перемещения на величину, пропорциональную изменению пространственной частоты - . Сигналы, возника- . ющие на выходе фотоприемников, в виТретий сигнал пропорционален значению освещенности Е в центре яркой полосы картины интерференции. Полученной после прохождения излучения

.НЕ,

Е,е

-а

(4)

Разность логарифмов пары измеренных величин и ot-j или о( и d при геометрической протяженности водного слоя 1 м дает величину, пропор(5)

де напряжений, пропорциональных из- циональную значению показателя ослаб- меренным значениям освещенностей, пения поступают одновременно на пять независимых входов блока 12 регистрации и обработки данных. Блок регистрации и обработки данных представляет собой набор унифицированных электронных узлов, позволяющих осуществлять

S,.) 50

Перестройка интерферометра позволяет получить сигналы в функции пространственной частоты J,-: в,(;) ; над сигналами математические операции °-2( i) j i-t,( выходе с целью получения суммы, разности, блока обработки и регистрации вьфаба- логарифма и отношения двух амплитуд- тываются соответственно сигналы: ных сигналов с последующим аналоге- , / , , / / ,, у ; , цифровым преобразованием и высвечива- f. и i / ь i 4 v i ,./. нием результатов обработки на свето- t,( J / д Ь ( -)

ла: Й-, , 6/2 с/, j . Первый сигнал пропорционален значению освещенности ,. в центре яркой полосы картины интерференции, не искаженной сре Таким образом, на вход блока обработки и регистрации поступают с фо- топриемников четыре измеренных сигна- дои: Второй сигнал пропорционален звачению освещенности Е°у„ в центре тем- ной полосы картины интерференции, не через водный слой геометрической - макс

(1)

аким образом, на вход блока тки и регистрации поступают иемников четыре измеренных с : торой сигнал пропорционален ю освещенности Е°у„ в центре полосы картины интерференции з водный слой геометрической

искаженной средой:

Таким образом, н работки и регистрац топриемников четыре дои: Второй сигнал пр чению освещенности ной полосы картины через водный слой г

.

Е.

(2)

аким образом, на вход блока тки и регистрации поступают иемников четыре измеренных с торой сигнал пропорционален ю освещенности Е°у„ в центре полосы картины интерференции з водный слой геометрической

Таким образом, на вход блока обработки и регистрации поступают с фо- топриемников четыре измеренных сигна- дои: Второй сигнал пропорционален звачению освещенности Е°у„ в центре тем- ной полосы картины интерференции, не через водный слой геометрической проТретий сигнал пропорционален значению освещенности Е в центре яркой полосы картины интерференции. Полученной после прохождения излучения

.НЕ,

Е,е

-а

(4)

Разность логарифмов пары измеренных величин и ot-j или о( и d при геометрической протяженности водного слоя 1 м дает величину, пропор(5)

ную значению показателя о

S,.)

50

5

Кроме тогоsобработка сигналов .0 (V- ) и 0 ( г). ) позволяет получить величину, которая с точностью до постоянного множителя пропорциональна показателю рассеяния (э :

13

.(V.)(.)j

consi г 6

(7)

Постоянный множитель учитывается при обработке сигналов с помощью отдельного устройства, включенного в состав блока обработки и регистрации данных. Устройство вырабатывает амплитудные сигналы, пропорциональные значениям универсальной функции пространственной частоты.

Поскольку измер ;ние величины показателя рассеяния и показателя ослабления осуществляется практически одновременно для одного и того же объема водной среды, то вправе взять их отношения и достаточно корректно оценить величину вероятности выживания фотона

(().)((A)j)j

fn d

U,

-

(U)

--

Таким образом., на световом индикаторе практически эдновременно высвечиваются значения показателя ослабления , показателя рассеяния (:,, вероятности выживания фотона Л и час30 стратором данных, причем пространственный модулятор выполнен в виде перестраиваемого интерферометра, а коллиматор и амплитудный светоделитель расположены последовательно.и соосно

Тотно-контрастной характеристики К(-.,. ).з5 пути излучения между пространстВ устройстве значительно расширя- венным модулятором и приемным объек- етск диапазон пространственных час- тивом, при этом дополнительный прием- тот. Например., если использовать фо- ный объектив установлен на пути отра топриемник с лннейным размером 0,1 мм, женного от амплитудного светоделите- диапазон пространственных: частот уве- 40 ля излучения, а фотоприемники уста- личивается в 10 раз, что значительно новлены попарно в фокальных плоскос- расяиряет область измеряемых знача- тях приемных: объективов- с возмож- ний как ЧКХ водного слоя, так и по- ностью взаимного перемещения в напре казателя рассеяния. Последнее объяс- влении распространения излучения.

Составитель С, Голубев Редактор А. Лежника Техред А ,. Кравчук

Корр Подп

2957/47 Тираж 776

ВНИИПИ Государстве:нного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, , Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4

3239256

няется следующим образом. Для определения показателя рассеяния измеренные значения К()) и К(0. ) должны попадать в область основного перепада ЧКХ водного слоя,. Чем слабее рассей- . вающие свойства среды (более чистая вода), тем сильнее происходит смещение основного перепада ЧКХ в сторону высоких пространственных частот. Следовательно, тем дальше должны отстоШ

ять друг от друга частоты и что реализуется в устройстве.

i

Формула изобретения

Устройство для измерения частотно- контрастной характеристики водного слоя, содержащее источник излучения и расположенные по ходу излучения

пространственный модулятор, приемный объектив и фотоприемник, электрически соединенный с регистратором данных, отличающееся тем, что, с целью расширения функциональных

возможностей, в устройство введены коллиматор, амплитудный светоделитель, дополнительный приемник, объектив и три дополнительных фотоприемника, электрически соединенных с регистратором данных, причем пространственный модулятор выполнен в виде перестраиваемого интерферометра, а колиматор и амплитудный светоделитель расположены последовательно.и соосно

Корректор С.Черни Подписное

Изобретение относится к оптике ра;ссеивающихся сред, в частности к гидрооптике. Целью изобретения является обеспечение возможности синхронного измерения показателя рассеяния, показателя ослабления, частотно-контрастной характеристики водного слоя, а также для определения вероятности выживания фотона (альбедо однократного рассеяния). Излучение от источника 1 света модулируется с помощью модулятора 2, затем разделяется с помощью интерферометра 3 на два взаимно когерентньЕХ пучка, сходящихся на входной линзе коллиматора 4. Далее излучение проходит через светоделитель 5, при этом 50% излучения отражается, 50% проходит прямо. На пути отраженного от светоделителя излучения установлен дополнительный приемный объектив 9, а Б каждой из плоскостей изображение приемных объективов 6 и 9 установлено по крайней мере 2 фотоприемника 7, 8, 10, 11с возможностью взаимного перемещения вдоль линии, проходящей через центр изображения в направлении, перпендикулярном полосам интерференции, 1 ил. / с & (Л с со ю со со ND СЛ