Способ определения концентрации люминесцирующих примесей в воде
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ ЛЮМИНЕСП,ИРУЮ1ИХ ПРШЕСЕП В ВОДЕ путем зондирования природных вод монохроматическим излучением лазера, приема излучения природных вод на частоте комбинационного рассеяния воды в участке спектра фотолюминесценции примеси и измерения яркости излучений, о т л и ч а rota и и с я тем, что, с целью повышения точности измерения, зондирование ведут излучением с частотой. меньшей частоты спектра фотолюминесценции примеси на величину частоты стоксовой компоненты комбинационного рассеяния воды 3440 , прием излучения природных вод в участке спектра фотолюминесценции примеси ведут на двух частотах -, и на один фотоприемник при значении частот , где 9)t - частота комбинационного рассеяния воды; Д9
СОЮЗ СОВЕТСНИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК
ЗС58 01 М 21 64
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Н ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВ,/
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР
ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3500460/18-25 (22) 20.07.82 (46) 15.02.84. Бюл. Р 6 (72) В.В.Половинко и Д.A.Ðoìàíoâ (5l3) 535.37 (088. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР
Р 693989, кл. С 01 С 13/00, 1980.
2. Авторское свидетельство СССР
М 575480, кл. G 01 С 13/00, 1978 (прототип) . (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КОНЦЕНTPAltHH ЛЮМИНЕСЦИРУ(ОЦИХ ПРИМЕСЕЙ
В ВОДЕ путем зондирования природных вод монохроматическим излучением лазера, приема излучения природных вод на частоте комбинапионного рассеяния воды в участке спектра фотолюминесценции примеси и измерения яркости излучений, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения точности измерения, зондирование ведут излучением с частотой, меньшей частоты спектра фотолкминесценции примеси на величину ччстоты стоксовой компоненты комбинационного рассеяния воды 3440 см (, прием излучения природных вод в участке спектра фотолюминесценции примеси ведут на двух частотах 1, и 42 на один фотоприемник при значении частот
,1= ч- «, где 9y, — частота комбинационного рассеяния воды; (1 5) a4о р — ширина полосы частот излучения лазерау измеряют сумму яркостей излучения природных вод с частотой1, и 2 и по полученным значениям яркости излучения на частоте комбинационного рассеяния воды и суммы яркостей излучений с частотами 11 и 12, определяют концентрацию примеси в воде.
1 073641
Изобретение относится к технике съемки водных пространств с воздуха и может быть использовано при исследовании загрязнения природных вод нефтью и нефтепродуктами и для определения первичной продуктив ности.
Известен способ определения гидрохимических и гидробиологических
4 характеристик природных вод по измерениям изменения мощности им- 10 пульсного излучения природных вод при облучении их импульсом излучения лазера (1) .
Однако известный способ сложен по своей технической реализации. 15
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определенг<я люминесцирующих примесей в воде путем зондиро, вания природных вод монохроматическим излучением лазера, приема излучения природных в од на частоте комбинационного рассеяния воды и в уча стк е спектра фотолюми несценции примеси и измерения яркости 25 излучений (21 .
Известный способ позволяет определять наличие примесей в воде по отношению яркостей излучения в участках спектра свечения примесей к яркости излучения комбинационного рассеяния воды в ультрафиолетовой областии.
Недостатком способа является невысокая точность определения кон.центрации примесей в подповерхностных слоях природных вод, точность измерений уменьшается с глубиной. Это обусловлено тем, что спектры фотолюминесценции хлорофилла и загряз нителей нефтяного происхождения лежат в видимой области, а прозрачность воды в видимом и ультрафиолетовом диапазонах различна. С увеличением глубины разница в ослаблении излучений увеличивается и спектр излу- 45 чения подповерхностного слоя природных вод исках<ается.
Цель изобретения — повышение точности измерения.
Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения концентрации люминесцирующих примесей в воде путем зондирования природных вод монохроматическим лучом лазера, приема излучения природных вод на частоте комбинационного рассеяния воды и в участке спектра фотолюминесценции примеси и измерения яркости излучений, зондирование ведут излучением с частотой, меньшей часто-60 ты спектра фотолюминесценции примеси на величину частоты стоксовой компоненты комбинационного рассеяния воды
3440 см, прием излучения природных вод в участке спектра фотолю- 65 минесценпни примеси ведут на двух частотах 1< и 9 на один фотоприемник при значении частот t,it = „1 b>, где — частота комбинационного рассеяния воды, Ь = (1-5)ago, Ь->о -шиГина полосы частот излучения лазера, измеряют сумму яркостей излучения природных вод с частотами 1, и и по полученным значениям яркости излучения на частоте комбинационного рассеяния воды и суммы яркостей излучений с частотами 9< и 02 определяют концентрацию примеси в воде °
В общем случае мощность излучения попадающего на фотоприемник оптико-электронного приемного устройcT ва, может быть определена иэ соотношения:
Р ил,Э ° 2 где L — яркость излучения природных вод; — коэффициент пропускания атмосферы и приемной оптической системы; (<< — передний апертурный угол приемной системы.
С учетом оптических характеристик г)риродных вод, характеристик лазерйого излучения и геометрии зондирования соотношение (1) можно преобразовать к виду где Fg мощность излучения на частоте 4 Ф 9о, 4p — частота излучения лазера; С вЂ” скорость света в воде;< < = К<Ч (1, о ); К - коэффициент подобия; V (4,,) — показатель излучения фотолюмйнесценции и коглбинационного рассеяния воды; т (1) функция изменения мощности импульса излучения лазера; W — энергия излучения лазера; ф — коэффициент; 6"= (< w < ) /2; 6»= (E + C7/ 6, E — пока эатели рассеяния и ослабления воды на частоте, 1 о; = о F Eo время излучения природних вод у
Š— расстояние между приемно-передакщей системой и уровнем природных вод в направлении зондирования.
Для малых длительностей импульса излучения лазера
Яж,)о) | ®ê-Еч,)с <" Fg (1) VH o) <- V (9q>, 9<>) к показателю комбинационного рассеяния воды 1(, ) есть функция, зависящая от концентрации примеси в воде. Определяя это отношение Гп по отношению мощности излучения при1073641 (8) 10 Излучение, измеряемое в полосе частот комбинационного рассеяния воды, представляет собой сумму излучения комбинационного рассеяния воды и излучения фотолюминесценции природных вод. нри измерении излучения Фотолюминесценции на двух частотах 1» и 20 4 на один фотоприемник 1(ь%2 12+ ь /2 gaza И/2 р F ltl=Kс(Fsdaivс) Идя= ) Fada,- Ы/2 )2- Ь4/2 . )<- И/2 к+ ьФ/2 -к, I гм = к, <р,.,) „ . 9 Зо + ь42 F-Кс Fed z (6) 35 8-Ь /2 где h4 — полоса пропускания светофильтра; Кс — коэффициент. Анализ уравнений (3) и (5) пока- 40 зывает, что при Е -+ C» козффици= ент К2 †» 1 и разница в ослаблении излучения фотолюминесценции и комбинационного рассеяния воды умены а- ется. Таким образом, для повыщения 45 точности измерения концентрации примесей необходимс зондирование природных вод вести излучением лазера с частотой 1О меньщей частоты р спектра фотолюминесценции примеси 50 на величину ь = 3440 см . В этом случае частота комбинационног рассеяния воды лежит в спектре Фотолюминесценции примеси. 60 родных вод на частоте фотолюминесценции примеси к мощности излучения на частоте комбинационного рассеяния воды, находят концентрацию примеси в воде. Для поверхностного слоя природных вод малой толщины m=к,, (4) F р(n) п = где К вЂ” коэффициент подобиями»п 0. С ростом глубины согласно выражению (3) погрещность определения концентрации примеси в воде растет,, так как растет значение коэффици-,, ента К2, который равен Если частота комбинационного рассеяния воды совпадает с частотой фотолюминесценции примеси, то я « . Ц и к, („, „! = » . При измененйи характеристик излучения природных вод в приемньлс оптико-электронных системах иапользуются интерференционные светофильтры. 1ощность излучения после светофильтра MoRHQ описать виражением Рассмотрим условия измерения мощности излучения природных вод, для которых К2 †. Используя теорему о среднем интегрального исчисления, запищем 4+be/2 F.aa a. Hi> (7) 4-ь1/2 где Г() — значение мощности на частоте « промежутка(+ь /2, »ь /Z) В соответствии с выражением (7) при измерении излучения в полосе частот комбинационного рассеяния воды имеем 4Kiь4(2 г„(ц = к (F,a a = K a4 F a „(<) . 4К- b)/2 Практически измерение излучения фотолнминесценции ведется на частоте комбинационного рассеяния воды, а это соответствует случаю, когда коэффициент К2 не зависит от глубины и равен единице. В соответствии с вьраженияЬ»и (8) и (9) для малнх значений 12-9» и полос пропускания светофильтров получаем следующее выражение для определения значения m по глубине аМ ь "к Ж г- (<)=Km, F Þ- »И»,®. (10) ( (ц1 7
Fv (! г )» Для малых значений ср Ю ь4 Cv (t.! F И m()=к . (11) к(! 2 » Полученные выражения (10) и (11) для определения Ф не зависят от изменения первичных гидрооптических харак теристик природннх в од, так как измерение излучения комбинационного рассеяния воды практически ведется на одной частоте. В этой связи измере. ние суммьi ярксстей излучения природных вод с частотами »,г = -)» 1 ь1, тожде ственной яркости излучения фотолюминесценции на частоте комбина1073641 15 Составитель H.Çopaâ Редактор С.Тимохина Техред A,Âàáèíåö Корректор A.Òÿñêo Заказ 319/41 Тираж 823 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Иосква, )-35, Рауиская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, r. Ужгород, Ул. Проектная, 4 ционного рассеяния воды, и одновремен. ное измерение яркости излучения комбинационного рассеяния воды позволяет определять концентрацию примеси в воде с более высокой точностью, Например, для определения первичной продуктивности моря с перемещающегося в пространстве носителя зон дируют природные воды монохроматическими излучениями лазера на растворах органических соединений, гене рирукицим излучение с частотой g = 18140 см » (9 0,55 мкм). С помощью приемной оптической системы импульсного спектроАотометра принимают излучение природных,род в участке спектра фотолюминесценции хлорофилла. В этом участке спектра лежит спектральная составляющая комбинационного рассеяния воды 4g = 14700 см (й =0,68 мкм) . Полупрозрачным зеркалом разделяют принятый световой поток на две составляющие. В ходе двух составляющих светового потока установлены полевые диафрагмы и конденсаторы, которые собирают проыедиее через полевые диафрагмы излучение на чувствительные площадки двух фотоприемников с интерференционньми фильтрами. Светофильтр первого фотоприемника пропускает излучение с частотой =14700 см (=0,68 мкм) . Светофильтр второго фотоприемника состоит иэ двух половинок. Одна часть пропускает -! излучение с частотой » = 15385 см а вторая — с частотой 9y -" 13699 см (1».0,65 мкм; h =0,73 мкм) . С помощью первого фотоприемника измеряют яркость излучения природных вод на частоте комбинационного рассеяния воды, с помощью второго фотоприемника измеряют сумму яркостей излучения природных вод с частотой .9» и QZ и по полученным значениям яркостей определяют концентрацию хлорофилла в воде. Использование предлагаемого способа определения гидробиологических и гидрохимических харак теристик природныхх вод о бе спеч ив ает по срав нению с извести -ми способами повыление точности измерений. Тем самым повыиается эффективность исследования природных ресурсов моря с помощью лазер<ой техники.
