Способ дистанционного определения показателя поглощения жидких сред

 

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 шззвышений волн. Показатель поглощения определяют по формуле к Lv02 , где m - показатель преломления жидкости. Зил., . . . со с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

fsfis G 01 N 21/17

ННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (fOCflATEHT СССР) ПИСАНИЕ ЙЗОБРЕТЕНИсЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ле м ст то ги че

: Изобретение относится к физической оптике и может быть использовано для дистан ционного определения показателя погло ения жидких сред, напрймер морских и оке нскйх вод.

Известен способ дистанционного определ ния показателя поглощения морской вод . основанный на измерениях коэффицие та яркости моря в различных участках спе тра при естественном солнечном освещехи и и нахождении но известной хорреяяцио ной связи показателя поглощения.

Недостатком способа является низкая точ ость измерений; связанная с ошибками вос тановления спектрального хода поглощен я по спектральному ходу коэффициента яркости и суммарной ошибкой (2 (2 (4 (7 (7 (5 че хл ок в

1

) 4769257/25) 19.12.89

) 07.02.93. Бюл. N. 5

) Институт физики им. Б.И. Степанова

) А.С. Прихач

) Бекасова О.Д. и др. Определение оптиких свойств морской воды, содержания рофилла и взвеси в поверхностном слое ана по спектральным значениям яркости ходящего излучения. — Океанология, 9, вып. 2, с. 233 — 238, Браво-Животовский Д.М. и др, Опредеие показателя поглощения и рассеяния рской воды по некоторым характерикам светового пбля искусственных исников света. — Гидрофиэические и рооптические исследования в Атлантиком и Тихом океанах. М.: Наука, 1974, с.

-156.

„„5g„„1793336 А1

2 (54) СПОСОБ ДИ СТАНЦИОННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПОГЛОЩЕЙИЯ

ЖИДКИХ СРЕД (57) Использование: изобретение может быть использовано для дистанциойного определения показателя поглоЩения жидких сред, например морских и океанских вод.

Сущность: световой импульс направляют в исследуемую жидкость, затем регистрируют спектр плотности простратнсТвенных флуктуаций отраженного с постоянной глубины светового импульса. Определяют частоту тЪ характерного провала в спектре, обустлоаленного корреляцией уклонов и возвышений волн, Показатель поглощения определяют по формуле к= Lv

m где m — показатель преломления жидкости.

3 ил. н определения коэффициента яркости, складывающейся иэ погрешностей измерения трех значений яркости. Результирующая ошибка в определении показателя поглощения может превышать 0,03 м 1 при типичных значениях показателя поглощения = — 0,04—

0;07 .

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.

1793336

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 жид. ких сред, основанном на измерении характеристик обратного рассеяния короткого светового импульса, направляемого в исс ледуемую жидкость, измеряют спектр плотности пространственных флуктуаций отраженного с постоянной глубины L светового импульса, возникающих при двукратном прохождении излучения через взволнованную границу раздела, определяют частоту м, характерного провала в спектре, обусловленного корреляцией уклонов и возвышений волн и вычисляют показатель поглощения по формуле:

K — р — — 1 Vo

m — 1 где m - показатель преломления жидкости.

На фиг. 1 приведены пространственные энергетические спектры возвышейий взволнованной границы раздела при:скорости ветра 10 м/с (кривая 1) и 5 м/с (крйвая 2), а также флуктуаций сигнала, приходящего с глубины L = 3 м, при таких состояниях поверхноСти (кривые 3 и 4 соответственно).

Видно, что на кривых спектральной плотности флуктуаций сигнала обратного рассеяния в области пространственных частот порядка нескольких десятых м 1 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 флуктуаций сигнала, отраженного слоем воды вблизи глубины

L под взволнованной поверхностью, можно записать дс (v, -} — p до (v) <о (v}x х52 (т, L) y 2 (L) Q (1)

G= -с+- +аЕ1Д— о

6 + (VXj2 а

S рi Х1 (o,t)

S (, Ц Х1 (v. I ) t

Здесь P — средняя мощность сигнала на приемнике;

До (v) — энергетический спектр возвышений взволнованной границы раздела;

5 Io(i) — спектр функции чувствительности . приемника, приведенный к плоскости поверхности моря;

S(v, L) — спектр поперечного распределения освещенности, создаваемой точеч"0 ным мононаправленным источником единичной мощности, расположенным под поверхностью раздела;

X<(v, L) — одноточечная характеристическая функция совместного распределения

"5 возвышений и уклонов волн; с — показатель ослабления, с = к + o; о- показатель рассеяния к — показатель поглощения;, а — параметр индикатрисы; . m — показатель преломления воды; а= (m — 1)/m.

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

Следует заметить, что провал до нуля на кривой спектральной плотности флуктуаций получен в результате линейного по уклонам и возвышениям волн приближения при выводе (1), Условия применимости линейного

30 приближения в рассматриваемой области частот для не очень больших глубин выполняются достаточно хорошо. В этих же рам. ках для частоты провала ио из (1) следует

35 -e+ +aLvъ -ко г

6 +(1 0 )2

KGL(o L)2 0 (2)

3 а

Поскольку (vú L/à) «1, то если известна частота vp для показателя поглощения, из (2) получаем

2 к = (1 +д). (3)

45 д = — (1+ — ). и(. 2 к1.

2ааг 3

На фиг. 2 приведены значения величины д в различных водах для глубины L - 3 м.

Кривая 5 описывает ситуацию, когда показа50 тель рассеяния о, поглощения к и параметр индикатрисы а изменяются с св соответствии с экспериментальными корреляционными соотношениями. При расчете кривой 6 учитывалась связь только показа55 телей ослабления, поглощения и рассеяния, а параметр индикатрисы полагался постоянным (а = 7).

Видно, что с погрешностью не больше

5% для вод открытых акваторий морей и

1793336

5 ок анов в формуле (3) можно пренебречь ве ичиной д и записать

«m — 1(г о Таким образом с высокой точностью 5 эн чение показателя поглощения определяет я только положением провала на кривой сп ктральной плотности флуктуаций сигнала, значением показателя преломления и гл биной, с которой принимается сигнал об- 10 ра1ного рассеяния. . I

Примеры.

На фиг. 3 приведены участки кривых пл тности флуктуаций сигнала обратного ра сеяния с глубины L = 3 м при скорости 15 . ве а над поверхностью воды V = 5 м(с.

Кр вая 7 соответствует воде с е - 0,1 м к = 0,0375 м; кривая 8 — е = 0,35 м 1; к =

-1.

=О, 44м1;кривая9 — я=0,4м1; к=0,08м".

Он описывают следующую зксперимен- 20 тал ную ситуацию.

На борту авианосителя на высоте неско ьких километров размещена импульсна система видения. Она состоит иэ ист чника излучения, диаграмма направ- 25 лен ости которого обеспечивает на поверхнос и воды световое пятно размерами порядка десятков метров, и совмещенного с н м приемника излучения с элементом раз ешения на поверхности воды = 2 м, 30

Схе а синхронизации пропускает сигнал на при мник в течение короткого промежутка вре ени(порядка наносекунд), соответствующ го моменту прихода на приемник сигнал обратного рассеяния с глубины L. 35

Ска ирующая система обеспечивает просмо р участков поверхности моря, отстоящих на расстояние = 0,7 м вдоль направления преимущественного распространения волн. ТочностЬ измерения амплитуды флуктуаций в расчете полагалась 0,1 ос к(т. е.

10% от сго к — величины, onðåäåëÿ ющей уровень флуктуаций вблизи частоты, соответствующей максимуму в спектре возвышений волн, o> — 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 и, или разрешающей способностью спектра Лу.

Из уравнения (4) следует

Лк 2hv

1 о

Это означает, что для обеспечения погрешности меньше 5% необходимо получить спектр флуктуаций освещенности с разрешением Ли= 0,01 м" при 1О = 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%.

- I пок клю

° ° ормула изобретения пособ дистанционного определения зателя поглощейия жидких сред, заающийся в том, что регистрируют хаеристики излучения, отраженного р жидкой средой, отличающийся тем, что, с целью повывения точности, регистрируют спектр плотности пространственных флуктуаций отраженного с постоянной глубинь L светового импульса, определяют

I ! значение (vo) частоты провала в спектре, обусловленного корреляций уклонов и возвышений -волн на поверхности. среды, и судят о показателе поглощения. киз соотношения п1 1 согде m — показатель преломления среды.

1793336

Фиг. 1

1793336. Е® рО

ЪО а4 05

3,и

Фкг, 3!

t ! !

Ред ктор E.Ñàâèíà

Составитель Н.Назарова

Техред М.Моргентал

КоРРектор М.Керецман

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 500 Тираж Подписное НИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., 4/5