Устройство для определения характеристик шероховатой отражающей поверхности

 

Использование: изобретение относится к области океанографических измерений, преимущественно к исследованию статистических свойств мелких структур на поверхности моря в различных условиях, и обеспечивает повышение точности определения характеристик поверхности и повышение информативности измерений. Сущность: оптическая система 4 направляет коллимированный лазерный луч на зеркало 6, вращающееся вокруг горизонтальной оси. Отраженный от зеркала 6 луч попадает на параболическое зеркало 7, которое направляет его на поверхность воды. Отраженный в обратной последовательности луч посредством параболического зеркала 7, подвижного зеркала 6 и оптической системы 4 попадает в фотоприемник 5. Вращением зеркала 6 луч лазера последовательно перемещается в секторе параболического зеркала 7 из точки а в точку б, при этом последовательно направляемые на исследуемую поверхность лучи параллельны оптической оси параболического зеркала 7. 2 ил.

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно к исследованию статистических свойств мелких структур на поверхности моря в различных условиях.

Рябь, которая образует такие структуры, под действием ветра и в результате вязкостных процессов рассеяния энергии волнами не только непосредственно участвует в создании волн, но и отражает и рассеивает акустическую, световую и другие виды волновой энергии, падающей на поверхность воды.

В настоящее время для изучения статистических характеристик волнения получили развитие методы и средства, основанные на локации морской поверхности лазерным лучом. При этом регистрируются зеркальные блики на поверхности и по их характеристикам оцениваются параметры ветровых волн.

Известно устройство [1] как средство того же назначения, содержащее лазер и фотоприемник с круговой апертурой, центр которого совмещен с вертикалью луча. Устройство регистрирует зеркально-отраженные в направлении фотоприемникa световые сигналы (блики). Недостатком устройства является невозможность получения информации о пространственной изменчивости морской поверхности, т.к. луч лазера направлен на одну точку поверхности.

Известен сканирующий прибор для исследования ветровой ряби на поверхности моря [2] выбранный в качестве прототипа как наиболее близкий к заявленному изобретению по совокупности признаков. Прибор содержит коллимированный источник света, оптическую систему излучателя, фотоприемник и зеркала, развертывающие луч света по взволнованной морской поверхности. Прибор позволяет с большой скоростью сканировать поверхность воды, и получаемые при этом данные можно анализировать для нахождения распределений наклонов и кривизны поверхности. Кривизна поверхности оценивается по интенсивности отраженного светового сигнала.

Недостатком прототипа является следующее. Во-первых, устройство не позволяет определять расстояния между ориентированными в одной плоскости зеркальными площадками, создающими блик, что снижает точность измерений. Это объясняется тем, что смещение луча по поверхности происходит за счет изменения его азимутальной ориентации и, зарегистрировав два блика в разных точках исследуемой поверхности, тем самым регистрируют две зеркальные площадки, лежащие в разных плоскостях. Кроме того, возникают ошибки в определении местоположения зеркальных площадок, связанные с тем, что рябь наложена на более длинные волны и фактическое расстояние до поверхности не контролируется, а используется расстояние до невозмущенной поверхности. Этот эффект иллюстрирует фиг.1 (см. также фиг.4 в [2] где принцип работы прототипа показан для лотковых, лабораторных измерений, в которых длинные волны отсутствуют). При расположении прибора на высоте 10 м, отклонении луча от вертикали ϕ = 17° [2] высоте энергонесущих волн 1^oC1,5 м можно оценить погрешность определения положения блика в горизонтальной плоскости (отрезки aa' или бб' фиг.1). Погрешность составляет , что сравнимо с размерами ветровой ряби (сантиметровый диапазон длин волн).

Во-вторых, устройство не обеспечивает достаточной степени информативности определения мелкомасштабных характеристик морской поверхности. Это объясняется тем, что при измерениях пятно лазерного луча описывает на горизонтальной плоскости окружность. Полученные таким путем данные не позволяют определять такие характеристики, как расстояние между соседними зеркальными площадками, скорость и направление их перемещения.

Изобретение обеспечивает повышение точности определения характеристик шероховатой отражающей поверхности и повышение информативности измерений.

Технический результат достигается за счет того, что в устройстве для определения характеристик шероховатой отражающей поверхности, содержащем подвижное первое зеркало с приводом, второе зеркало и лидар, а также включающем лазер с коллиматором и оптическую систему, направляющую свет на исследуемую поверхность, воспринимающую отраженный свет и направляющую его на фотоприемник, первое зеркало выполнено с возможностью вращения вокруг горизонтальной оси и расположено в фокусе второго зеркала, выполненного параболическим.

Указанные преобразования, предписываемые изобретением и характеризуемые отличительными от прототипа существенными признаками, обеспечивают достижение технического результата вследствие того, что световое пятно перемещается по поверхности моря вдоль прямой линии, причем падающий на исследуемую поверхность луч смещается параллельно самому себе. Меняя азимутальную ориентацию прямой, вдоль которой перемещается луч, можно проводить исследования угловых характеристик ветровых волн. Определяя последовательно характеристики вдоль отрезка прямой, можно определять средние расстояния между зеркальными площадками и скорость их перемещения.

Проведенные патентно-информационные исследования показали, что из известного уровня техники не выявлено влияние предписываемых заявленным изобретением преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками на достижение технического результата, т.е. повышение точности и информативности измерений.

Таким образом, изобретение не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники и соответствует требованию изобретательского уровня.

На фиг. 2 изображена общая схема устройства для определения статистических параметров морской поверхности.

Устройство содержит лидар 1, включающий лазер 2, коллиматор 3, оптическую систему 4 и фотоприемник 5. Устройство содержит также подвижное первое зеркало 6 с приводом, который на чертеже не показан, и второе зеркало 7.

Оптическая система 4, направляющая и воспринимающая луч лазера, выполнена любым известным образом, например в виде светоделителя, как в [2] В качестве подвижного зеркала 6 с приводом может быть использовано оптическое зеркало площадью 1 см², закрепленное на оси электродвигателя, работающего со скоростью вращения вала 3000 об/мин. Зеркало 7 выполнено параболическим, и в качестве него может быть использовано, например, зеркало, аналогичное зеркалам судовых прожекторов. Подвижное зеркало 6 установлено в фокусе параболического зеркала 7. В точках а и б параболического зеркала 7 могут быть установлены фотоэлектрические датчики, сигнализирующие о начале и конце цикла измерений.

Устройство работает следующим образом.

Оптическая система 4 направляет коллимированный лазерный луч на зеркало 6, вращающееся вокруг горизонтальной оси. Отраженный от зеркала 6 луч попадает в точку а параболического зеркала 7, которое направляет его в точку а поверхности воды. Отраженный от поверхности воды луч в обратной последовательности отражается от точки а параболического зеркала 7, подвижного зеркала 6 и через оптическую систему 4 попадает в фотоприемник 5. Вращением зеркала 6 луч лазера последовательно перемещается в секторе параболического зеркала 7 из точки а в точку б, что соответствует перемещению светового пятна на поверхности воды из точки a' в точку б'.

Частота вращения зеркала 6 составляет 50 Гц, т.е. один оборот за 0,02 с. Поскольку интервал времени, в течение которого лазерный луч попадает с зеркала 6 на параболическое зеркало 7, менее 1/4 периода вращения зеркала 6, то горизонтальное смещение луча по поверхности воды на расстояние d за цикл измерений происходит менее чем за 0,005 с. При d 0,5 м перемещение луча по морской поверхности происходит со средней скоростью порядка 100 м/с.

Энергонесущие океанские волны с характерными длинами около 100 м имеют фазовую скорость порядка 10 м/с. Волны Черного моря, соответственно, с длинами около 30 м имеют фазовую скорость порядка 4 5 м/с. Фазовые скорости более высокочастотных волн еще ниже.

Следовательно, в течение 0,005 с, пока происходит смещение луча на расстояние d 0,5 м, можно считать структуру морской поверхности "замороженной", т. е. за цикл измерений можно пренебречь изменениями структуры. Параллельное движение лазерного луча вдоль прямой позволяет оценивать пространственные распределения характеристик бликов на морской поверхности.

Формула изобретения

Устройство для определения характеристик шероховатой отражающей поверхности, содержащее лидар, включающий излучатель света в виде лазера с коллиматором, и приемопередающую систему со сканирующей системой, отличающееся тем, что сканирующая система выполнена в виде зеркала, установленного с возможностью вращения вокруг оси, лежащей в его плоскости, и расположенного в фокусе дополнительно введенного зеркала в форме параболоида вращения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2