Способ дистанционного определения характеристик среды открытого водоема

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния открытых водоемов, вызванного их загрязнением, при проведении экологических и природоохранных мероприятий, а также для мониторинга гидрологических характеристик. Поверхность открытого водоема, например моря, в заданной координате постоянно облучают в надир лидаром, у которого излучатель и фотоприемник совмещены. В моменты регистрации зеркальных бликов по этой же координате осуществляют зондирование в надир среды водоема рамановским лазером. Регистрируют спектр комбинационного рассеяния и по нему определяют характеристики среды. Таким образом, измерение контролируемых по глубине параметров среды водоема осуществляется только при горизонтальном расположении поверхности водоема в зоне его облучения. Технический результат - повышение точности определения вертикальных распределений характеристик среды водоема.

 

Изобретение относится к области океанографических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния открытых водоемов, вызванного их загрязнением, при проведении экологических и природоохранных мероприятий, а также для мониторинга гидрологических характеристик.

В настоящее время лазерное зондирование все более широко применяется для оперативного контроля окружающей среды. Однако методы нелинейной лазерной спектроскопии до сих пор мало используются в натурных условиях, хотя в лабораторных экспериментах они уже давно продемонстрировали свои преимущества в части спектрального и пространственного разрешения, отношения сигнал/шум и т.д. Данные зондирования мощными рамановскими лазерами позволяют по спектрам рассеянного комбинационного излучения (рассеяние на длине волны, отличной от длины волны в зондирующем импульсе) определить физико-химические и биологические характеристики среды, в том числе определить наличие примесей искусственного и естественного происхождения.

Известен способ контроля состояния морской среды на основе регистрации спектра комбинационного рассеяния [1]. Такие признаки аналога, как лазерное зондирование исследуемой среды и регистрация спектра комбинационного рассеяния, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения. Зондирование морской среды в приведенном аналоге осуществляется при больших углах падения, так как зондирующая аппаратура размещена на береговых сооружениях.

Недостатком этого способа является ограниченная точность определения параметров морской среды и узкая область исследования моря - его прибрежная зона.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков, и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ определения вертикальных профилей характеристик среды открытого водоема путем регистрации комбинационного рассеяния при лазерном зондировании в надир [2]. Такие признаки прототипа, как облучение водоема в надир лазером, луч которого проникает под поверхность водоема, и регистрация спектра комбинационного рассеяния, по которому определяют характеристики среды, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.

Недостатком прототипа является следующее.

При зондировании среды водоема через его поверхность, которая вследствие ветрового волнения (или зыби в море) практически всегда неплоская, локальный угол падения в точке, где лазерный луч попадает на поверхность, оказывается неизвестен. Соответственно неизвестным является угол преломленного луча. Поскольку характер изменения по глубине измеряемого параметра определяется по временной развертке регистрируемого импульса, при неизвестном угле падения неизвестным оказывается и угол преломленного луча относительно невозмущенной поверхности. Соответственно невозможно точно определить вертикальное распределение измеряемого параметра.

В основу изобретения поставлена задача создания способа дистанционного определения характеристик среды открытого водоема по зарегистрированному спектру комбинационного рассеяния, в котором за счет особенностей процесса лазерного зондирования исследуемого водоема обеспечивается новое техническое свойство - измерение контролируемых по глубине параметров среды осуществляется при горизонтальном расположении поверхности водоема в зоне его облучения. Это устраняет фактор влияния ветрового возмущения поверхности на результат измерений. Указанное новое свойство особенно проявляется при океанологических исследованиях в условиях сильного волнения и обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение точности определения вертикальных распределений характеристик среды.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения характеристик среды открытого водоема, который заключается в том, что исследуемую среду зондируют в надир рамановским лазером, регистрируют спектр комбинационного рассеяния и по нему оценивают характеристики среды, новым является то, что поверхность исследуемого водоема дополнительно непрерывно облучают в надир маломощным лазером, у которого излучатель и фотоприемник совмещены, регистрируют зеркально отраженные сигналы и именно в моменты регистрации этих бликов выполняют зондирование среды мощным лазером и регистрируют спектр комбинационного рассеяния, причем обеспечивают совмещение координат точек облучения поверхности водоема лидаром и рамановским лазером.

Сущность предложенного способа поясняется следующим. Угол θ между направлением распространения преломленного луча и нормалью к границе раздела (угол преломления) связан с углом падения θ₀ (угол между направленным на поверхность лучом и нормалью к поверхности) законом преломления (или законом Снеллиуса),

где n₂₁ - относительный показатель преломления.

Следствием волн на водной поверхности является то, что локальный угол падения

θ₀ меняется во времени. Если известен локальный угол падения, то, зная относительный показатель преломления, мы можем однозначно определить угол луча в воде относительно невозмущенной поверхности.

Применение согласно изобретению дополнительного лидара позволяет определить отклонение от горизонтали площадки поверхности, на которую падает луч. В этом лидаре используется оптическая схема с совмещенными излучателем и фотоприемником, что соответствует моностатической схеме наблюдений. Известно, что в случае вертикального зондирования отраженный от водной поверхности сигнал лидара (блик зеркального отражения) регистрируется, если локальный уклон ξ поверхности не превышает критического значения [3],

где d_F - диаметр апертуры фотоприемника;

h - расстояние от фотоприемника до отражающей поверхности.

Таким образом, если зондирование рамановским лазером проводить в момент регистрации блика, то локальный угол падения в этот момент отклоняется от нуля не более чем на arctgξ_кр. Изменяя диаметр апертуры фотоприемника d_F можно получить заданную точность определения локального угла наклона поверхности.

Для реализации предложенного способа может быть использована, например, описанная в работе [2] установка "Чайка", предназначенная для лазерного аэрозондирования. Размещенная на самолете она успешно прошла натурные испытания, которые проводились лабораторией волновых явлений ИОФАН СССР. В установке "Чайка" задающим генератором служит лазер на кристалле YAG: Nd³⁺, излучение которого после усиления удваивается по частоте в термостабилизированном кристалле. Излучение второй гармоники (длина 532 нм) с помощью формирующего зеркального телескопа, исправляющего расходимость, через фотолюк самолета направляется на поверхность моря. Эхо-сигнал с телескопа принимается спектрометром, с выхода которого на входы фотоприемников через световоды поступают сигналы, отвечающие выбранным участкам спектра регистрируемого излучения.

В качестве лидара может быть применено устройство типа "Феникс", в состав которого входит He-Ne лазер [4]. В указанном устройстве используется оптическая схема с совмещенными фотоприемником и излучателем. Эксперименты с устройством "Феникс" были успешно проведены на океанографической платформе МГИ НАН Украины.

В процессе исследований определяют вертикальное распределение характеристик среды, например температуры, которая рассчитывается по спектру комбинационного рассеяния в области частот валентных колебаний [5].

Использованные источники:

1. Буриков А.С., Климов Д.В., Литвинов П.Н., Маслов Д.В., Фадеев В.В. Лидар берегового базирования для мониторинга прибрежных морских акваторий. // Квантовая электроника. - 2001. - Т.31, №8. - С.745-750.

2. Аброскин А.Г., Бункин А.Ф., Власов Д.В. и др. Натурные эксперименты по лазерному зондированию на установке "Чайка" // Труды ИОФАН. Дистанционное зондирование океана. - 1986. - Т.1. - С.23-39 - прототип.

3. Вильчинская Т.Б., Михайлевич В.Г. Использование метода лазерного зондирования морской поверхности для определения приповерхностной скорости ветра. // Морской гидрофизический журнал. - 1990. - №6. - С.57-61.

4. Бабий В.И., Гайский В.А., Запевалов А.С., Ерошко А.А., Шаповалов Ю.И. Создание позиционных измерительных комплексов. // Развитие морских наук и технологий в Морском гидрофизическом институте НАН Украины за 75 лет. Севастополь, МГИ НАН Украины, 2004, с.657-661.

5. Leonard D., Caputo В., Hoge F. Remote sensing of subsurface water temperature by Raman scattering. Appl. Opt., 1979, Vol.18, №11, p.1732-1745.

Способ дистанционного определения характеристик среды открытого водоема, заключающийся в том, что осуществляют зондирование среды в надир рамановским лазером и получают спектр комбинационного рассеяния, по которому определяют характеристики среды, отличающийся тем, что дополнительно непрерывно облучают в надир поверхность водоема лидаром с совмещенными излучателем и фотоприемником и регистрируют блики зеркального отражения, при этом зондирование среды рамановским лазером осуществляют в моменты регистрации указанных бликов, обеспечив совмещение координат точек облучения поверхности водоема лидаром и рамановским лазером.