Способ дистанционного определения показателя поглощения жидких сред Советский патент 1993 года по МПК G01N21/17 

Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для дистанционного определения показателя погло

цения жидких сред, например морских и

оке энских вод.

Известен способ дистанционного опрё- делзния показателя поглощения морской BOfld. основанный на измерениях коэффициента яркости моря в различных участках спе стра при естественном солнечном освещен ии и нахождении по известной корреля- цио -шой связи показателя поглощения.

Недостатком способа является низкая точ1- ость измерений, связанная с ошибками восстановления спектрального хода поглощения по спектральному ходу коэффициента яркости и суммарной ошибкой

определения коэффициента яркости, складывающейся из погрешностей измерения трех значений яркости. Результирующая ошибка в определении показателя поглощения может превышать 0,03 при типичных значениях показателя поглощения 0,04 - 0,07

-1

Наиболее близким по технической сущности является способ дистанционного определения показателя поглощения при помощи импульсного зондирования, основанного на измерениях временной зависимости мощности короткого светового импульса, отраженного толщей воды, после чего по известной формуле рассчитывают показатель поглощения.

sl О СО W СО

о

Недостатком способа является низкая точность измерений.

Относительная погрешность достигает 30-35% в диапазоне значений показателя поглощения, характерном для морских и океанских вод,

Целью изобретения является увеличение точности измерений показателя поглощения.:

Для этого, в способе дистанционного определения показателя поглощения жидких сред, основанном на измерении характеристик обратного рассеяния короткого светового импульса, направляемого в исследуемую жидкость, измеряют спектр плотности пространственных флуктуации отраженного с постоянной глубины Lсветового импульса, возникающих при двукратном прохождении излучения через взволнованную границу раздела, определяют частоту VQ характерного провала в спектре, обусловленного корреляцией уклонов и возвышений волн и вычисляют показатель поглощения по формуле: - :.

- ; ,.т-1, - а

К - -7ГГГ- LVo

-

где т - показатель преломления жидкости.

Нафиг.1 приведены пространственные энергетические спектры возвышений взволнованной границы раздела при скорости ветра 10 м/с (кривая 1) и 5 м/с (кривая 2), а также флуктуации сигнала, приходящего с глубины L 3 м, при таких состояниях поверхности (кривые 3 и 4 соответственно).

Видно, чтр на кривых спектральной плотности флуктуации сигнала обратного рассеяния в области пространственных частот порядка нескольких десятых наблюдается глубокий характерный провал, положение которого не зависит от параметров волнения границы раздела.

Физическая причина его возникновения - корреляция возвышений и уклонов взволнованной границы раздела воздуховода; ::- . ;

Пространственную энергетическую спектральную плотность флуктуации сигнала, отраженного слоем воды вблизи глубины L под взволнованной поверхностью, можно записать

Ac2(,,(L) P2 АО 2 (v) I0 2 (v)x

xS OU.)2 G е+ -

7

(v. L) G а

+ «Lv2

S2 (v.L) Xi 2 (v. L)

10

15

20

25

30

Здесь Р - средняя мощность сигнала на приемнике;

А02( v) - энергетический спектр возвышений взволнованной границы раздела;

lo(v)- спектр функции чувствительности приемника, приведенный к плоскости поверхности моря;

S(v, L)-спектр поперечного распределения освещенности, создаваемой точечным мононаправленным источником единичной мощности, расположенным под поверхностью раздела;

Xt(v, L) - одноточечная характеристическая функция совместного распределения возвышений и уклонов волн;

е-показатель ослабления,

а-показатель рассеяния

к- показатель поглощения;

.а - параметр индикатрисы; - m - показатель преломления воды;

а (т - 1)/т.

Из (1) видно, что на некоторой частоте VQ, не зависящей от вида спектра волнения, сомножитель становится равным нулю.

Следует заметить, что провал до нуля на кривой спектральной плотности флуктуации получен в результате линейного по уклонам и возвышениям волн приближения при выводе (1), Условия применимости линейного приближения в рассматриваемой области частот для не очень больших глубин выполняются достаточно хорошо. В этих же рам- , ках для частоты провала v0 из(1)следует

-Е++ aLv02-K(2)

K(7Lrv0l-aa n

Поскольку (v0 L/a) « 1, то если известна частота v0 для показателя поглощения, из (2) получаем

к

aLv0

(1+6).

(3)

45

л +2кЧ

п 2 «1

2 а зг- ,3

0

5

На фиг. 2 приведены значения величины д в различных водах для глубины L - 3 м. Кривая 5 описывает ситуацию, когда показатель рассеяния ст , поглощения к и параметр индикатрисы а изменяются с ев соответствии с экспериментальными корреляционными соотношениями. При расчете кривой 6 учитывалась связь только показателей ослабления, поглощения и рассеяния, а параметр индикатрисы полагался постоянным (а 7).

Видно, что с погрешностью не больше 5% для вод открытых акваторий морей и

океанов в формуле (3) можно пренебречь величиной 6 и записать

к

Таким образом с высокой точностью значение показателя поглощения определяете я только положением провала на кривой спектральной плотности флуктуации сигнала, значением показателя преломления и глубиной, с которой принимается сигнал об- ратного рассеяния. Примеры..

На фиг. 3 приведены участки кривых платности флуктуации сигнала обратного рассеяния с глубины L 3 м при скорости ветра над поверхностью воды V 5 м/с. Кривая 7 соответствует воде с Ј 0,1 м 1, к 0,0375м 1; кривая 8- е 0, ;к - 0,|044 кривая 9 -Ј 0.4 к- 0,08 м 1. Они описывают следующую эксперимен- тальную ситуацию.

На борту авианосителя на высоте нетьких километров размещена импульс- система видения. Она состоит из

-, y-TVJID Vrlll(.U Ш У14- УСИДУ-П VSl/Dl t-l-Lt ll riV/4s 1 ГI f

чника излучения, диаграмма направ- 25 разрешением Av 0,01 м 1 при V0 0.4

ско. на ист

лен -юсти которого обеспечивает на поверхности воды световое пятно размерами порядка десятков метров, и совмещенного с н1м приемника излучения с элементом раз Схе при в pei

ющ то моменту прихода на приемник сигнал i обратного рассеяния с глубины L 35 Сканирующая система обеспечивает проЭто означает, что для обеспечения погрешности меньше 5% необходимо получить спектр флуктуации освещенности с

ешенйя на поверхности воды 2 м. 30 иа синхронизации пропускает сигнал на ;мник в течение короткого промежутка ени (порядка наносекунд), соответствум Отсюда легко оценить требуемое для обработки количество элементов изображения (длину реализации).

Для нормированной стандартной ошибки 0,3 (такая величина стандартной ошибки вполне достаточна для фиксирования глубокого провала) длина реализации составляет около 1500 точек, что соответствует длине погрешности формулы (4) ошибка в определении показателя поглощения будет меньше 10%.

смо

р участков поверхности моря, отстоя y-TVJID Vrlll(.U Ш У14- УСИДУ-П VSl/Dl t-l-Lt ll riV/4s 1 ГI f

разрешением Av 0,01 м 1 при V0 0.4

щих на расстояние 0,7 м вдоль направления преимущественного распространения волн. Точность измерения амплитуды флуктуации в расчете полагалась 0,1 О0к(т. е. 10% от оь /с- величины, определяющей уровень флуктуации вблизи частоты, соответствующей максимуму в спектре возвышений

волн, Оо -дисперсия возвышений волн).

Оценим точность определения показателя поглощения по соотношению (4) при обработке таких записей.

Поскольку, разброс значений показателя преломления в различных водах очень мал (менее 1%), то точность вычисления показателя поглощения ограничивается в основном погрешностью определения частоты v0 или разрешающей способностью спектра Av.

Из уравнения (4) следует

.. к v0

Это означает, что для обеспечения погрешности меньше 5% необходимо получить спектр флуктуации освещенности с

разрешением Av 0,01 м 1 при V0 0.4

м Отсюда легко оценить требуемое для обработки количество элементов изображения (длину реализации).

Для нормированной стандартной ошибки 0,3 (такая величина стандартной ошибки вполне достаточна для фиксирования глубокого провала) длина реализации составляет около 1500 точек, что соответствует длине погрешности формулы (4) ошибка в определении показателя поглощения будет меньше 10%.

Использование: изобретение может быть использовано для дистанционного определения показателя поглощения жидких сред,; например морских v океанских вод. Сущность: световой импульс направляют ё исследуемую жидкость, затем регистрируют спектр плотности пространствённ х флуктуации отраженного с постоянной глубины Ц .светового импульса. Определяют частоту VQ характерного провала в спектре, обусловленного корреляцией уклонов и шззвыше- ний волн. Показатель поглощения определяют по формуле к Lv02 , где m - показатель преломления жидкости. Зил., . . . со с

Формула изобретения Опособ дистанционного определения показателя поглощения жидких сред, за- клю1 ающийся в том, что регистрируют характеристики излучения, отраженного жидкой средой, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, регистрируют1 спектр плотности пространственных флуктуации отраженного с постоянной глу- бинь| L светового импульса, определяют

значение (v0) частоты провала в спектре, обусловленного корреляций уклонов и возвышений-волн на поверхности среды, и судят о показателе поглощения /сиз соотношения

.

где m - показатель преломления среды.

ОД 0 У«4 4° S V

Ltf

4 4

Ltf