Способ определения оптических характеристик водной среды Советский патент 1993 года по МПК G01N21/85 

Изобретение относится к измерениям оптических характеристик водной среды, а именно показателя поглощения света и коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния в любой точке водной среды на любой глубине.

Известны способы определения оптических характеристик водной среды с помощью измерений в лаборатории на пробах, с помощью погружаемых приборов и дистанционные.

Дистанционные способы определения показателя поглощения света, основанные на измерениях обратного рассеяния от входящих в воду излучений естественного источника света (солнца) или коротких световых импульсов искусственного источника (лазера), позволяет получить информацию о распределении этой характеристики в пределах всей акватории океана, однако получаемая таким способом характеристика является, усредненной по достаточно толстому слою воды и не дает определенной информации о конкретном исследуемом объеме на заданной глубине водной среды,

Известны лабораторные способы определения показателя поглощения путем возможно более полного измерения света, рассеянного средой, по методу молочного стекла или интегрирующей сферы. Для таких измерений используются сложные приборы, а получаемые характеристики недостаточно достоверны, т.к. в процессе отбора проб, их хранения и транспортировки изменяются физические условия отобранной водной среды, что влечет за собой изменение ее оптических характеристик. Кроме того, лабораторные способы неприменимы для исследования пространственно-временной изменчивости гидро-оптических характеристик, т.к. отбор проб может производиться лишь с определенной глубины в отдельный момент времени.

/У

С

XI

Ю О О

ел о

со

Известен способ определения коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния (К), представляющего собой отношение потока света, рассеянного в переднюю полусферу, к потоку, рассеянному в заднюю полусферу, основанный на измерении относительного углового распределения рассеянного света и последующем интегрировании полученной индикатрисы рассеяния для определения коэффициента асимметрии (К).

Недостатком известного способа является низкая точность определения коэффициента асимметрии из-за того, что практически невозможно измерить свет, рассеянный в некоторых малых углах, где находится максимум индикатрисы рассеяния, и, кроме того, реализация этого способа требует сложных и громоздких приборов, а необходимость их перемещения вносит дополнительную погрешность.

Известен способ изотропного источника для определения показателя поглощения водной среды In situ, состоящий в измерении облученности исследуемой среды на заданном расстоянии от изотропного источника света непосредственно в водной среде.

Этот способ применяется для исследования только достаточно мутных сред, т.к. для чистых, например морской воды, реализация способа требует значительного, до 10 м, увеличения базы прибора, что практически неосуществимо.

Известны способы определения показателя поглощения (к по характеристикам светового поля (Е),

Точное определение к по известной расчетной формуле, требует измерения в водной среде величины пространственной облученности Е0, однако непосредственное измерение Е0 в природных условиях практически невозможно, поскольку для этого необходимо измерять яркость излучения во всех направлениях в телесном угле, равном 4 л, а затем интегрировать ее.

На практике для определения показателя поглощения по характеристикам светового поля используют приближенные расчетные соотношения. Например, известна формула, применяемая лишь для определения кгповерхностных слоев водной среды, а именно для оптических толщин т 6-8.

Наиболее близким к предлагаемому, принятым за прототип, является способ определения показателя поглощения водной среды по измеренным величинам полупространственной облученности сверху (Е J °)

с использованием следующей расчетной формулы:

/c 0,81cU°(z).

где а 4° (z).- показатель вертикального ослабления для полупространственной облученности сверху на глубине Z, определяе- мый следующей формулой:

.a|°(t)- lnEi°(Z)

Недостатком способа прототипа является низкая точность приближенной форму- лы, используемой для расчета показателя поглощения, не отражающей истинных, значительно более сложных связей к.са. По

оценке авторов погрешность формулы составляет 20%.

Целью изобретения является повышение точности определения показателя поглощения и определения коэффициента

асимметрии индикатрисы рассеяния.

Цель достигается в способе определения оптических характеристик водной среды, при осуществлении которого измеряют естественную облученность водной среды

на глубине г сверху Е , (z) и снизу Е t (z), благодаря тому, что на глубине г измеряют показатель ослабления водной среды е (z), измеряют облученность водной среды сверху на глубинах г и гг - Е (zi) и Е , (zz).

соответственно измеряют интервал Дг, равный разности глубин Z2 и zi, причем z (zi + z2)/2 и za zi, no полученным сигналам определяют на глубине z коэффициент диффузного отражения R(z) Е f W/E J (z) и

показатель вертикального ослабления облученности a (z) (1 / Дг)- 1п Е | (zi)/E | (za), с учетом которых определяют показатель по глощения к (z) no формуле

-к (z) 0,91а (z)1 - 2,9R(z), a

коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния K(z) определяют из соотношения:

K(z) 0,374{ е (z) - к (z)(z) o(z)} -1.

Сущность изобретения заключается в возможности достаточно точно определить оптические характеристики водной среды, причем одновременно показатель поглощения и коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния, по измеренным величинам показателя ослабления водной среды (Б) и облученности водной среды сверху (Е i) и снизу (Е | ) на разных глубинах (z), использовав для расчетов этих характеристик более точные соотношения. Соотношение для расчета показателя поглощения значительно точнее отражает связь между измерен- ными значениями облученности и показателем поглощения, т.к. в отличие от приближенной формулы способа прототипа учитывает зависимость облученности .не только от показателя поглощения среды, но и от показателя рассеяния и индикатрисы рассеяния, определяющими величину коэффициента диффузного отражения (R), при: чем определенный по способу изобретения коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния учитывает рассеяние во всех на- правлениях, в том числе и в малых углах индикатрисы.

Необходимые по изобретению измерения осуществляются в естественных условиях облученности солнцем в дневное время, при высоте солнца в пределах 50-65°, на исследуемой глубине водной среды в нескольких точках (z; zi, Z2) с помощью известных устройств, измеряющих величинй облученности и показателя ослабления све- та водной среды с точностью 2-5%. Максимальная относительная погрешность данного способа при определении показателя поглощения (д к) согласно расчетам не будет превышать 7%, что значительно точ- нее способа прототипа, точность которого оценивается его авторами в 20%, а при определении коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния водной среды максимальная относительная погрешность ((5К) не будет превышать 20%, что для такого трудно измеряемого параметра является достаточно высокой точностью.

Таким образом, отличительные признаки изобретения являются существенными для достижения цели.

Авторам не известны другие технические решения, содержащие отличительные яризнаки данного изобретения.

Изобретение реализуется с помощью известных, достаточно простых и точных приборов.

С помощью прозрачномера Катран может быть измерен показатель ослабления водной среды на разных глубинах, т.е. глубин- ный профиль показателя ослабления ф).

С помощью измерителя подводной облученности Геолиос-Е 2 могут быть измерены величины облученности водной среды сверху и снизу на соответствующих глуби- нах Е i(z) и Е f (z).

Более точные по сравнению с прототипом соотношения для к и К были определены авторами на основании результатов

статистического моделирования переноса излучения в водной среде по методу Монте- Карло. Указанным методом получены соотношения, устанавливающие зависимости между показателем поглощения, показателем вертикального ослабления (а), показате- л.ем рассеяния (о), коэффициентом диффузного отражения (R) и коэффициентом асимметрии индикатрисы рассеяния (К). Решением системы этих уравнений относительно к и К с учетом того, что показатель рассеяния сг е-к, были получены следующие расчетные формулы:

.

к(г) 0,91ф)Г-2,9Р(2) K(z) - 0,374{ е (z) - к (z)(z) a (z)} - 1

Таким образом, для определения оптических характеристик по предложенным расчетным формулам необходимо измерить показатель ослабления (Б), коэффициент вертикального ослабления облученности (а) и коэффициент диффузного отражения облученности (R).

Способ осуществляется следующим образом.

Измеряется показатель ослабления на разных глубинах исследуемой водной среды, т.е. глубинный профиль е (z), например, с помощью прозрачномера Катран.

Исходя из степени подробности, с которой мы хотим получить оптические характеристики водной среды, т.е. глубинный профильл:(2)и K(z), выбирается величина Дг Z2 - ZL Через каждые Л z/2 измеряются одним из известных устройств, например, с помощью измерителя подводной облученности Гелиос-Ё величины горизонтальной облученности сверху Е J, (z) и снизу Е | (z), например, при Дг 5 м на глубинах z0 0 м, zi 2,5 м, Z2 5 м, гз 7,5 м и т.д.

Коэффициент вертикального ослабления облученности вычисляется по измеренным величинам горизонтальной облученности согласно следующему выражению:

« -Е #1тт}:

где 1 0,1,2,3,...

Например, при Дг 5 м на глубине zi 2,5м:

, ч 1 . Е, ( z0 0 м )

«(zO slnE;(,/) На глубине Z2 5 м

, s 1, E|(.5MJ ) 51П EJ(.5M)

и т.д.

Коэффициент диффузного отражения вычисляют согласно следующему выражению:

КГгЛ-ЕИ)

Р(2|)щ

Оптические характеристики к (z) и K(z) рассчитываются на основании полученных величин с помощью указанных выше формул.

Точность определения показателя поглощения водной среды и коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния зависит от точности измерений величин облученности (Е и Е f ) и величины показателя ослабления (е), а также от точности задания коэффициентов Ci и С2 в рассчетных соотношениях:

( к, К, е) R C2F(/c, К, е)

Подводная облученность сверху и снизу и показатель ослабления измеряются известными приборами с высокой точностью, не ниже5%. Расчеты методом Монте-Карло показали, что коэффициенты Ci и Сг, зависящие от условий освещения водной среды и глубины измерения, изменяются при высоте солнца в пределах 50-65°, т.е. в дневное время, в воде любой мутности и на любой глубине в следующих пределах;

. Ci-1,1 ±0,5 С2 0,34 ± 0,03

Относительная погрешность определения показателя поглощения (б к) .складывается из погрешностей, обусловленных ошибками в измерении R и а и погрешностями выбора Ci и С2, т.е.

(5 /с лг2 + (fo/c2 + 5С1 боа я2 При этом:

лAR

Л-, JL ---- n...-ци°R С2 - R 5ci/c 5Ci

и /f-AC2R 0с2 /с - Сг R

Выражения для погрешностей получены дифференцированием формулы, определенной авторами в результате статистического моделирования переноса излучения в водной среде по методу Монте-Карло:

К--2-М- к сЛ

С2

В указанных выше выражениях погрешностей, полученных дифференцированием последовательно по R, a, Ci, C2,

AR, AC2 - абсолютные погрешности измерения R и задания Cz,

. да, 3Ci - относительные погрешности измерения а и задания CL Поскольку относительная погрешность измерения Е ниже 5%, то Е 5%, а относительная погрешность измерения R, поскольку R E|/Ei, равна . В реальной морской и океанской воде величина R меняется от 0,005 до 0,05, поэтому максимальное значение AR 0,1 R 0,005. При АС2 0,03 и 5Ci 0,05/1,1 0,045 получим

5R /с с 0,005/(0,34 - 0.05) 1,7%

бак 5%

5ci к 4,5%

дс2к 0,03 -0,05/(0,34 - 0,05) - 0,5% Суммарная ошибка определения к будет

д к П ,72 + 52 + 4,52 + 0,52 7%

Аналогично для относительной погрешности определения К, имея в виду, что в реальных морских и океанских водах параметр индикатрисы рассеяния Ъ меняется от 0,01 до 0,1, а К {1 - уъ)/ (ро. дифференцированием формулы, полученной авторами в результате статистического моделирования переноса излучения в водной среде по методу Монте-Карло: (fh R a/CiC2(e-K), и с учетом формулы для к, получаем:

(1-pb)(5R 5е#Ъ 1/Лбе 5ci 1/Л(5С1

5 С2( 1 -фо ) 6Cz

где Л (Ј-)/Ј - вероятность выживания фотона в воде, которая находится в пределах 0.6 - 0,9.

Общая оценка определения (.

дъ$ +даро +6&$ +дс $ + 5с2#э

V102-M/A2-52+1/A2-52+1/A2-4,52+92

Для .6 Для Л 0,9 (

0

При Л- 0,6 -0,9 и ро 0,01 -0,1(ЗК 5yW(1™ - узь) 16-21%.

Таким образом, точность определения к, примерно, в 3 раза выше точности прототипа и точность определения К значительно выше, поскольку данный способ учитывает рассеяние в малых углах, однако в литературе отсутствуют сведения о точности других способов определения К. Предложенный способ обладает дополнительным преимуществом, т.к. реализуется с помощью простых и достаточно точных устройств.

Использование: измерение оптических характеристик водной среды. Сущность изобретения: одновременно определяют показатель поглощения и коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния.

Формула изобретения Способ определения оптических характеристик водной среды, при осуществлении которого измеряют естественную облученность водной среды на глубине z сверху Е | (z) и снизу Ef(z), отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения показателя поглощения и определения коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния, на глубине z измеряют показатель ослабления водной среды e(z), измеряют облученность водной среды сверху на глубинах zi и za - Е 4 (zi) и Е f (22) соответственно, измеряют интервал A z, равный разности глубин гг и zi. причем z

(zi + zi)/2 и Z2 zi. no полученным сигналам определяют на глубине z коэффициент диффузного отражения R(z) Е (z)/E (z) и показатель вертикального ослабления облученности a(z) 1 /Az) -ln Е (zi)/ Е (z2), с учетом которых определяют показатель поглощения к (z) по формуле

W-0,9 .9R(z),

а коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния K(z) определяют из соотношения

K(z) 0.374 Ј (z) - к (z)(z) ф) - 1.