Способ определения солености морской среды

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК 4 А (19) (11) 4 (51) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ

Н АВТОРСИОИГФ СВИДБТЕЛЬСТБУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3564457/24-25 ,(22) 18.03.83 (46} 23;02.85. Бюл. ¹ 7 (72) А.В. Белинский (53) 535.8(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

¹ 960543, кл. С 01,) 4/04, 1982.

2. "Изв. высш. учеб. заведений. .Геодезия и аэрофотосьемка", ИТИГА и

Ку 1 979 у № 4, се 103 °, (54) (57) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОЛЕНОСТИ

МОРСКОЙ СРЕДЫ, по которому на поверх;ность морской среды направляют пучок монохроматического излучения и принимают провзаимодействовавшее со средой излучение,о т л и ч а ю щ и й-. с я тем, что, с целью обеспечения бесконтактного измерения солености морской среды при взволнованной поверхности, на поверхность морской .среды направляют пучок непрерывного поляризованного излучения под острым углом наклона к поверхности, принимают зеркально отраженный пучок путем сканирования вдоль направления распространения отраженного пучка, разделяют принимаемый пучок на две компоненты со взаимно ортогональными линейными поляризациями, поворачивают плоскость полярио зации одной из компонент на 90, регистрируют их интенсивности и создаваемую ими интерференционную карти. (ну в момент максимальных значений изменения суммарной их интенсивности, в тот же момент измеряют угол накло" на к поверхности принимаемого пучка по мгновенному состоянию сканирующего устройства, с помощью инфракрасного радиометра измеряют температуру морской среды и по полученным значечиям измеренных величин определяют соленость морской среды.

1141314

Изобретение относится к области океанографических исследований, в частности к измерениям гидрооптических характеристик, и может быть использовано, например, при измерении солености морских и океанских вод.

Известен способ определения солености растворов, заключающийся в измерении показателя ослабления раствора, находящегося в кювете, по ко- 10 торому определяют соленость раствоpg 1)

Недостатками способа являются возможность использования его лишь в лабораторных условиях, малая про- 15 изводительность измерений. Кроме того, показатель ослабления в значительной степени зависит от присутствия взвесей, содержащихся в природных водах, что ведет к неоднознач- 20 ,ности определения солености природ-"; ных вод по измеренному показателю ослабления либо требует предварительной их очистки, что еще более снижает производительность измерений 25 и исключает воэможность неконтактных исследований.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения солености морской среды, Зр согласно которому на поверхность морской среды направляют пучок монохроматического излучения и принимают провзаимодействовавшее со средой излучение С 23.

Недостатком известного способа является невозможность бесконтактных измерений солености морской среды при взволнованной поверхности.

Целью изобретения является обес- 40 печение бесконтактного измерения солености морской среды при взволнованной поверхности. !

Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определения солености морской среды, по которому на поверхность морской среды

- направляют пучок монохроматического излучения и принимают провзаимодействовавшее со средой излучение, на 50 поверхность морской среды направляют пучок непрерывного поляризованного излучения под острым углом наклона к поверхности, принимают зеркально отраженный пучок путем сканирования 55 вдоль направления распространения отраженного пучка, разделяют прини- маемый пучок на две компоненты со взаимно ортогональными линейными поляризациями, поворачивают плоскость поляризации одной нз компонент на

90, регистрируют нх интенсивности б и создаваемую ими интерференционную картину в момент максимальных значений изменения суммарной их интенсивности„ в тот же момент измеряют угол наклона к поверхности принимаемого пучка по мгновенному состоянию сканирующего устройства, с помощью инфракрасного радиометра измеряют температуру морской среды и по полученным значениям измеренных величин определяют соленость морской среды.

На чертеже представлена функциональная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

В устройстве передающая система

1 установлена так, что выходящий из нее луч направлен под острым углом к горизонтальной плоскости и к морской поверхности 2. Приемная система содержит сканирующее устройство 3, выполненное, например, в виде вращающегося зеркала, диафрагму 4, поляризатор 5, например, типа

Глана-Фуко, светоделительные кубики

6, фотоприемные системы 7, включающие объектив, полевую диафрагму с малым круглым световым отверстием и светочувствительный элемент, плоское зеркало 8, фазовые пластинки 9 и 10, линейку фотоприемников 11, инфракрасный радиометр 12, направленный на морскую поверхность, систему

13 электронной обработки сигналов.

Устройство реализует способ следующим образом..

Передающая система формирует узкий параллельный пучок монохроматического поляризованного излучения.

Оптическая ось системы и главный луч излучаемого пучка лежат в вертикальной плоскости и составляют острый угол с вертикалью, а следовательно, и с морской поверхностью. Излучаемый пучок должен иметь круговую поляризацию или может иметь линейную поляризацию причем плоскость поляризации должна быть наклонена к вертикальной плоскости распространения луча под о углом 45 либо под другим острым углом. На морской поверхности 2 происходит отражение и преломление зондирующего пучка излучения. При этом, в зависимости от оптических характеристик морских вод (показателя пре-.

3 1141314 4 ломления, показателя ослабления и соответствует резкое изменение интен= поглощения) и угла падения, состоя- i сивности регистрируемого сигнала. В ние поляризации и параметры, его ха- последующие моменты времени, соотрактеризующие, у зеркально отражен- ветствующие сканированию вдоль II0 наного и преломленного пучков претер- правлению преломленного и однократно певают изменение. рассеянного водой .излучения, иэмереИнформацию о гидрооптических ха- ний не производится . Повторный цикл рактеристиках поверхностного слоя измерений соответствует следующему вод можно выделить из анализа зер- обороту вращающегося зеркала и т.д. кально отраженного луча.Преломленныи 1р Диафрагмы 4 с малым световым отвар пучок интенсивно рассеивается годой, стием в форме круга вырезают узкий в результате чего часть рассеянного пучок (отраженный луч, направленный излучения может попасть в поле эре- вдоль текущего положения оптической ния приемной системы, вызывая ее оси приемной системы), который раэфоновую засветку, которая по интен- 1g деляется поляризатором 5 на две комсивности сравнима с полезным сигна- поненты с взаимно ортогональными полом. Выделение зеркально отраженного ляризациями. Интенсивность этих комлуча осуществляется путем сканирова- онент после отражения в светоделиния вдоль по направлению распростра- тельных кубиках 6 регистрируется нения зондирующего пучка, формируемого 2О фотоприемными устройствами 7. Входпередающей системой 1, причем переме- ная и выходная грани кубика 6 распощение оптической оси приемной систе- ложены нормально о отношению к оптимы в результате сканирования осу- ческой оси. С помощью плоского зеркаществляется в той же вертикальной ла 8 обе компоненты излучения прошедплоскости (плоскости чертежа), в 25 шего кубики, пространственно сводяткоторой лежат главный луч и оптичес- ся. В одном из каналов установлена кая ось передающей системы 1. полуволновая фазовая.пластинка 9, Сканирование по направлению поворачивающая плоскость поляриза распространения зондирующего пучка ции линейно поляризованного света на осуществляется путем вращения эерка- ЗО 90 . В другом канале (оптические о ла сканирующего устройства.3 (ocb оси обоих каналов находятся в плосвращения зеркала перпендикулярна . кости чертежа) установлена фазовая плоскости чертежа и проходит отра- пластинка 10 (или компенсатор типа женную поверхность зеркала) по часо- . Солейля), компенсирующая искажения вой стрелке. Морская поверхность, состояния поляризации, обусловленные

S в общем случае, фокусирует или расфо- плоским зеркалом 8 и другими возможкусирует отраженное излучение и часть ными причинами, и позволяющая полулучей (узкий пучок) попадает на скани- чить одинаковое направление поляризарующее устройство 3. Прием ведется ции обеих компонент. В результате в узкой области спектра, включающей 40 возникает интерференция первоначально монохроматическое зондирующее излуче- разделенных. поляризатором 5 компо1 ние. нентов излучения.

Измерение параметров принимаемого В плоскости локализации интерфепучка в момент получения максималь- ренционной картины перпендикулярно ного значения изменения его интенсив- 4> .интерференционным полосам .установле1 ности соответствует регистрации зер- на линейка фотоприемников 11, регист.кально отраженного луча, поскольку Рирующая интерференционнчю картину. при сканировании вдоль по направлению для получения области локализации инзондирующего луча до момента отраже- терференционной картины требуемых ния интенсивность принимаемого сигна- б геометрических размеров в каждом кала определяется рассеянием зондиру& нале, в случае необходимости, можно щего излучения в атмосфере и много- установить расширитель пучка предУ

:кратным (по краинеи мере двухкратным) ставляющий собой, например . переверЭ рассеянием в воде, т.е. пренебрежимо нутую (в обратном ходе лучей) з иримала по сравнению с интенсивностью тельную трубку. зеркально отраженного. луча, и момен- Сигналы со сканирующего устройства !

- ту попадания зеркально отраженного . 3, характеризующие текущее угловое луча в поле зрения приемной системы положение вращающегося .зеркала с пе11 13-1 4 редающей системы 1 характеризующие состояние поляризации излучаемого пучка и угловое положение передающей системы, с ИК-радиометра 12, характеризующие текущую температуру водной поверхности, с фотоприемных устройств

7„ характеризующие интенсивности компонент отраженного излучения, и с линейки фотоприемников 11, характеризующие распределение интенсивности 10 интерференционной картины, поступают . в систему 13 электронной обработки сигналов.

В момент приема зеркально отраженного луча измеряется угловое положе- 15 ние вращающегося зеркала сканирующего устройства 3 относительно некоторого фиксированного направления, связанного с приемной системой. По этому измеренному значению, зная угло- 20 вое положение оптической системы передающей системы относительно этого же фиксированного направления, однозначно определяют угол падения зондирующего луча к морской поверхности.25

Измерение интенсивностей взаимно ортогональных компонент поляризации отраженного луча и одновременное измерение интенсивностей определенных точек их интерференционной карти-gg ны, несущей информацию как о интенсивностях, так и о разности фаз этих взаимно ортогональных компонент, при известном угле падения позволяет определить оптические характеристики морской среды. В частности, при зондировании видимым излучением, погло:щение которого водой сравнительно

;.невелико, определение показателя преломления по этим измеренным величинам в первом приближении можно осуществить с помощью формул Френеля, Показатель преломления морской воды значительно изменяется с изменением солености. Неконтактное измерение температуры водной поверхности и определение показателя преломления таким способом позволяют произвести

1 неконтактное измерение солености морских вод.

Выявление более точной связи между соленостью воды и измеряемыми величинами может быть осуществлено экспериментально. При этом нужно брать в расчет не абсолютные значения интен- 55 сивностей принимаемых взаимно ортогональных компонент поляризации зеркаль. но отраженного луча, а их отношение либо одна к другой, либо к суммарной интенсивности, поскольку абсолютные значения интенсивностей и их суммарное значение зависят от мгновенной пространственной формы водной поверхности в зоне отражения, т.е. отраженный пучок может либо фокусировать- ся, либо расфокусироваться, что влияет на абсолютные значения интенсивностей. Интенсивности точек интерференционной картины по этой же причине также должны быть пронормированы либо по интенсивности одной из компонент взаимн ортогональной поляризации, либо по суммарной интенсивнос- ти.При этом нормировка интенсивностей взаимно ортогональных составляющих поляризации и интенсивностей интерфеI ренционной картины должна осуществляться по одной и той же величине, например по одной и той же компоненте ортогональной поляризации. В результате сравнения измеренных величин (отношение интенсивностей взаимно ортогональных компонент поляризации, пронормнрованное распределение. интенсивностей интерференционной картины, угол падения луча, температура морской поверхности) с эталонными значениями, полученными эксперимен-, тально для различных концентраций морских солей, определяют соленость поверхностного слоя водной среды.

Промежуточными данными при этом являются гидрооптические характеристики.

Измерение в момент получения максимального значения суммарной интенсивности за цикл, определение отношений интенсивностей, нормировка распределения интенсивностей интерференционной картины, определение угла падения, определение поправок к измеренным величинам, обусловленных иска>кениями состояния поляризации при отражении от вращающегося зеркала сканирующего устройства, и вывод результатов на самописец (или другой

Регистратор информации) производится системой 13 электронной обработки сигналов.

Измерения могут производиться при взволнованной под действием ветровой нагрузки морской поверхности и в условиях качки (при работе, например, с борта теплохода). Важно -.îëüêî, чтобы измерение углового положения излучаемого и зеркально отряженного

1141314

Составитель В. Котелев

Редактор А. Шишкина Техред Т.Маточка Корректор А. Ильин

Заказ 488/32 Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 лучей производилось относительно одного и того же фиксированного относи. тельно приемной системы направления, которое в результате качки может пространственно перемещаться. Курс теплохода при этом следует выбирать вдоль направления ветра, однако ветровая нагрузка не должна превышать некоторую предельную, нри которой начинается пенообразование.

Использование предлагаемого способа определения концентрации веществ в морской среде обеспечивает по сравнению с известными способами возможность неконтактного измерения солености морской среды (например, с борта теплохода или вертолета) и возможность работы при взволнованной морской поверхности и в условиях качки.