Способ определения оптических характеристик водной среды

 

Использование: измерение оптических характеристик водной среды. Сущность изобретения: одновременно определяют показатель поглощения и коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния.

СОЮЗ СОВЕ ТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 G 01 N 21/85

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (21) 4925376/25 (22) 08.04.91 (46) 15.02.93. Бюл, N 6 (75) Л.С.Долин, И,М.Левин, В.Н.Николаев и

В.И,Фейгельс (73) И.M.Ëåâèí (56) Голубицкий Б.М. и др, Пропускание и отражение слоя фазы с сильно анизотропным рассеянием. Известия АН СССР Физика Атмосферы и океана, АН СССР, т. 16, М

10, М., 1980.

Монин А.С. Оптика океана. Физическая оптика океана, М.; Наука, 1983. с. 13-14, 131-139.

Изобретение относится к измерениям оптических характеристик водной среды, а именно показателя поглощения света и коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния в любой точке водной среды на любой глубине.

Известны способы определения оптических характеристик водной среды с помощью измерений в лаборатории на пробах, с помощью погружаемых приборов и дистанционные.

Дистанционные способы определения показателя поглощения света, основанные на измерениях обратного рассеяния от входящих в воду излучений естественного источника света (солнца) или коротких световых импульсов искусственного источника (лазера), позволяет получить информацию о распределении этой характеристики в пределах всей акватории океана, однако получаемая таким способом характеристика является, усредненной по достаточно толЫЛ» 17Ч 6056 АЭ (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ВОДНОЙ СРЕДЫ (57) Использование: измерение оптических характеристик водной среды. Сущность изобретения: одновременно определяют показатель поглощения и коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния. стому слон воды и не дает определенной информации о конкретном исследуемом объеме на заданной глубине водной среды, Известны лабораторные способы определения показателя поглощения путем возможно более полного измерения света, рассеянного средой, по методу "молочного стекла" или "интегрирующей сферы", Для таких измерений используются сложные приборы, а получаемые характеристики недостаточно достоверны, т.к. в процессе отбора проб, их хранения и транспортировки изменяются физические условия отобранной водной среды, что влечет за собой изменение ее оптических характеристик. Кроме того, лабораторные способы неприменимы для исследования пространственно-временной изменчивости гидро-оптических характеристик, т.к. отбор проб может производиться лишь с определенной глубины в отдельный момент времени.

1796056

Известен способ определения коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния (К), представляющего собой отношение потока света, рассеянного в переднюю полусферу, к потоку, рассеянному в заднюю полусферу, основанный на измерении отно-. сительного углового распределения рассеянного света и последующем интегрировании полученной индикатрисы рассеяния для определения коэффициента асимметрии (К), Недостатком известного способа является низкая точность определения коэффициента асимметрии из-за того, что практически невозможно измерить свет, рассеянный в некоторых малых углах, где находится максимум индикатрисы рассеяния, и, кроме того, реализация этого способа требует сложных и громоздких приборов, а необходимость их перемещения вносит дополнительнуlo погрешность.

Известен способ "изотропного источника" для определения показателя поглощения водной среды "ln situ", состоящий в измерении облученности исследуемой среды на заданном расстоянии от изотропного источника света непосредственно в водной среде, Этот способ применяется для исследования только достаточно мутных сред, т.к. для чистых, например морской воды, реализация способа требует значительного, до 10 м, увеличения "базы" прибора, что практи-. чески неосуществимо.

Известны способы определения показателя поглощения (к) по характеристикам светового поля (Е), Точное определение к по известной расчетной формуле, требует измерения в водной среде величины пространственной облученности Е, однако непосредственное измерение Ео в природных условиях практически невозможно, поскольку для этого необходимо измерять яркость излучения во всех направлениях в телесном угле, равном

4 г, а затем интегрировать ее.

На практике для определения показателя поглощения по характеристикам светового поля используют приближенные расчетные соотношения. Например, известна формула, применяемая лишь для определения кповерхностных слоев водной среды, а именно для оптических толщин г 6-8, Наиболее близким к предлагаемому, принятым за прототип, является способ определения показателя поглощения водной среды по измеренным величинам полупространственной облученности сверху (Е ) о) с использованием следующей расчетной формулы; к=081а (z), 1 где а (z) — показатель вертикального ослабления для полупространственной облучен ности сверху на глубине Z, оп ределяе10 мый следующей формулой:.к (z) - 0,91а (z)(1 - 2,9R(z)), а

45 коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния K(z) определяют иэ соотношения;

50 K(z) = 0,374((E (z) - к (z))/(R(z) a(z))) - 1, Сущность изобретения заключается в возможности достаточно точно определить оптические характеристики водной среды, 55 причем одновременно показатель поглощения и коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния, по измеренным величинам показателя ослабления водной среды (е) и облученности водной среды сверху (Е ) и снизу (Е f ) на разных глубинах (z), испольНедостатком способа прототипа является низкая точность приближенной форму. лы, используемой для расчета показателя поглощения, не отражающей истинных, значительно более сложных связей к .са. По

2р оценке авторов погрешность формулы составляет20 j.

Целью изобретения является повышение точности определения показателя поглощения и определения коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния.

Цель достигается в способе определения оптических характеристик водной среды, при осуществлении которого измеряют естественную облученность водной среды на глубине z сверху Е $ (z) и снизу Е Т (z), благодаря тому, что на глубине z измеряют показатель ослабления водной среды 8 (z), измеряют облученность водной среды сверху на глубинах zt u zz — Е $ (zi) и Е $ (zz), 35 соответственно измеряют интервал hz, равный разности глубин zz и zi, причем z = (Z1+

zz)/2 и zz > zt, по полученным сигналам определяют на глубине z коэффициент диффузного отражения R(z) = Е f (z)/Е $ (z) и

4р показатель вертикального ослабления облученности а (z) = (1/ hz) In(Е $ (z1)/Е $ (zz)), с учетом которых определяют показатель поглощения к (z) по формуле

1796056

20

50

a(Z> ) = — ln

На глубине zz = 5 м зовав для расчетов этих характеристик более точные соотношения. Соотношение для расчета показателя поглощения значительно точнее отражает связь между измеренн ыми значениями облучен ности и показателем поглощения, т,к. в отличие от приближенной формулы способа прототипа учитывает зависимость облученности,не только от показателя поглощения среды, но и от показателя рассеяния и индикатрисы рассеяния, определяющими величину коэффициента диффузного отражения (R), причем определенный по способу изобретения коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния учитывает рассеяние во всех направлениях, в том числе и в малых углах индикатрисы, Необходимые по изобретению измерения осуществляются в естественных условиях облученности солнцем в дневное время, при высоте солнца в пределах 50-65, на исследуемой глубине водной среды в нескольких точках (z; z>, zz) с помощью известных устройств, измеряющих величины облученности и показателя ослабления света водной среды с точностью 2-5%, Максимальная относительная погрешность данного способа при определении показателя поглощения (д к) согласно расчетам не будет превышать 7%, что значительно точнее способа прототипа, точность которого оценивается его авторами в 20%, а при определении коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния водной среды максимальная относительная погрешность (дК) не будет превышать 20%, что для такого трудно измеряемого параметра является достаточно высокой точностью.

Таким образом, отличительные признаки изобретения являются существенными для достижения цели.

Авторам не известны другие технические решения, содержащие отличительные признаки данного изобретения.

Изобретение реализуется с помощью известных, достаточно простых и точных приборов.

С помощью прозрачномера "Катран" может быть измерен показатель ослабления водной среды на разных глубинах, т.е. глубинный профиль показателя ослабления ф).

С помощью измерителя подводной облученности "Геолиос-Е" (2) могут быть измерены величины облученности водной среды сверху и снизу на соответствующих глубинах Е 4 (z) и Е t (z).

Более точные по сравнению с прототипом соотношения для к и К были определены авторами на основании результатов статистического моделирования переноса излучения в водной среде по методу МонтеКарло. Указанным методом получены соотношения, . устанавливающие зависимости между показателем поглощения, показателем вертикального ослабления (a), показателем рассеяния (а), коэффициентом диффузчого отражения (R) и коэффициентом асимметрии индикатрисы рассеяния (К).

Решением системы этих уравнений. относительно к и К с учетом того, что показатель рассеяния 0 = =e — к, были получены следующие расчетные формулы:

gz) = 0,91 аЩ1 - 2,9R(z)) K(z) - 0,374((е (z) - к ())/(R(z) а (z))} - 1

Таким образом, для определения оптических характеристик по предложенным расчетным формулам необходимо измерить показатель ослабления (е), коэффициент вертикального ослабления облучен ности (а) и коэффициент диффузного отражения облученности (R).

Способ осуществляется следующим образом, . Измеряется показатель ослабления на разных глубинах исследуемой водной среды, т.е. глубинный профиль 8 (z), например, с помощью прозрачномера "Катран".

Исходя из степени подробности, с которой мы хотим получить оптические характеристики водной среды, т.е. глубинный профильк(л) и K(z), выбирается величина hz=

= zz - z). Через каждые Л z/2 измеряются одним из известных устройств, например, с помощью измерителя подводной облученности Гелиос-Е" величины горизонтальной облученности сверху Е 1, (z) и снизу Е t (г), например, при Ьг=5мна глубинах zo = 0 м, z1 = 2,5 м, z2 = 5 м, z3 = 7,5 м и т.д.

Коэффициент вертикального ослабления облученности вычисляется по измеренным величинам горизонтальной облучен. ности согласно следующему выражению: где 1 = 0,1,2,3„,.

Например, при hz = 5 м на глубине z> =

2;5м:

1796056 а(г. г) = — In

5 к= — Ñ1- — ) а R

С1 Сг

Е 2 ) 0= C1F(к, К, в)

R = СгГ(к, К, е) дак < 5

30 дс1к 4,5%

С1 1,1+ 05

Сг = 0 34 = -003 дк=

При этом: даръ =1/Лда

ЛR д С-R дик =да дсi к — д С1

ЛСгй

С-R

55 д р, =1/Лде д,1УЪ =1/Лд С1 и т,д.

Коэффициент диффузного отражения вычисляют согласно следующему выражению;

Оптические характеристики к (х) и K(z) рассчитываются на основании полученных величин с помощью указанных выше формул.

Точность определения показателя поглощения водной среды и коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния зависит от точности измерений величин облученности (Е ) и Е f ) и величины показателя ослабления (е), а также от точности задания коэффициентов С1 и C2 s рассчетных соотношениях:

Подводная облученность сверху и снизу и показатель ослабления измеряются известными приборами с высокой точностью, не ниже 5%. Расчеты методом Монте-Карло показали, что коэффициенты С1 и Сг, зависящие от условий освещения водной среды и глубины измерения, изменяются при высоте солнца в пределах 50-65О, т.е. в дневное время,.в воде любой мутности и на любой глубине в следующих пределах;

Относительная погрешность определения показателя поглощения (д к) .складывается из погрешностей, обусловленных ошибками в измерении R и а и погрешностями выбора С1 и Сг, т,е.

Выражения для погрешностей получены дифференцированием формулы, определенной авторами в результате статистического моделирования переноса излучения в

5 водной среде по методу Монте-Карло:

10 В указанных выше выражениях погрешностей, полученных дифференцированием последовательно по R, а, С1, Сг, hR, ЛСг — абсолютные погрешности измерения R и задания Сг, 15 . да, дС1 — относительные погрешности измерения а и задания С1.

Поскольку относительная погрешность измерения Е ниже 5%, то д а =д Е 5%, а относительная погрешность измерения R, поскольку Й = Е f/Е, равна дй=2дЕ 10 . В реальной морской и океанской воде величина R меняется от

0,005 до 0,05, поэтому максимальное значение М - 0,1 R = 0,005. При ЛСг = 0,03 и дС1=

= 0,05/1,1 = 0,045 получим дик 0,005/(0,34-0,05) = 1,7% дсг к 0,03 0,05/(0,34 - 0,05) = 0,5%

Суммарная ошибка определения к будет

40 Аналогично для относительной погрешности определения К, имея в виду, что в реальных морских и океанских водах параметр индикатрисы рассеяния р меняется от 0,01 до 0,1, а К = (1 - р>)/ р,, дифференцировани45 ем формулы, полученной авторами в результате статистического моделирования переноса излучения в водной среде по методу Монте-Карло: уЪ= R а/С Сг(е-к), и с учетом формулы для к, получаем:

DR@, =дя(1-<р,) дв

D cy po = д Сг (1 — p) ) - - д Сг

1796056 где Л = (я — к)/я — вероятность выживания фотона в воде, которая находится в пределах 0,6- 0,9.

Общая оценка определения

pú:даръ =

= Жфо+дафо+д@4 Я4+дс1ф о + дс2у4 =

1 02+1 Л2.52+1 / 2.52+1 / 2,4 52+92

Для Л=0,6 д рь-19

Для Л- 0,9 д ро- 16$

15 (к)-0,9 а (1-2,9 R(z)), а коэффициент асимметрии индикатрисы рассеяния K(z) определяют из соотношения

К(г) = 0,374 (е (г) - к (г))/(К(г) а(г))-1.

Составитель И,Левин

Тех ред M. Moðãåí Tàë

Корректор Э.Лончакова

Редактор Т.Иванова

Заказ 446 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Формула изобретения

Способ определения оптических характеристик водной среды, при осуществлении которого измеряют естественную облученность водной среды на глубине z сверху

Е J (z) и снизу Е t (z), о т л и ч à ю шийся тем, что, с целью повышения точности определения показателя поглощения и определения коэффициента асимметрии индикатрисы рассеяния, на глубине г измеряют показатель ослабления водной среды е(г), измеряют облученность водной среды сверху на глубинах г1и zz- Е J (z1) и Е f (zz) соответственно, измеряют интервал Л z, равный разности глубин гг и zt. причем гПри Л- 0,6- 0,9 и рь- 0,01 — 0,1 д К = д у о/(1— фо) = 16-21 .

Таким образом, точность определения л, примерно, в 3 раза выше точности прототи5 па и точность определения К значительно выше, поскольку данный способ учитывает рассеяние в малых углах, однако в литературе отсутствуют сведения о точности других способов определения К, Предложенный

10 способ обладает дополнительным преимуществом, т.к, реализуется с помощью про стых и достаточно точных устройств. (г1+ г1)/2 и zz > zl, по полученным сигналам

20 определяют на глубине z коэффициент диффузного отражения R(z) = Е t (z)/Å $ (z) и показатель вертикального ослабления облученности а(г) - 1/hz) .In(Е $ (г1)/ Е f (г2)), с учетом которых определяют показатель по25 глощения к (z) по формуле