Способ дистанционного определения характеристик среды открытого водоема

Способ относится к области океанографических измерений и может быть использован для контроля состояния открытых водоемов, вызванного их загрязнением, при проведении экологических и природоохранных мероприятий, а также для мониторинга гидрологических характеристик. Поверхность исследуемого водоема непрерывно в надир облучают лазером и регистрируют блики зеркального отражения от поверхности. В моменты регистрации бликов зеркального отражения увеличивают мощность излучения лазера до уровня, позволяющего измерять спектр комбинационного рассеяния из водной толщи. Измеряют спектр комбинационного рассеяния из водной толщи и по нему определяют характеристики среды водоема, например химические, биологические параметры, температуру. Технический результат заключается в повышении точности определения вертикальных распределений характеристик исследуемой водной среды за счет устранения влияния на результат измерений возмущений поверхности, созданных ветровыми волнами и зыбью.

 

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 течение последних десятилетий интенсивно развивается новое направление в океанографии - нелинейная лазерная спектроскопия. Данные зондирования исследуемой среды 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 в ней примесей искусственного и естественного происхождения.

Известны способы контроля состояния морской среды на основе регистрации спектра комбинационного рассеяния [1, 2]. В этих технических решениях осуществляют лазерное зондирование исследуемой среды и регистрируют спектр комбинационного рассеянии. Эти признаки аналогов являются сходными с существенными признаками заявленного изобретения, при этом зондирование морской среды в аналоге [1] осуществляется при больших углах падения, так как зондирующая аппаратура размещена на береговых сооружениях, а в аналоге [2] - осуществляется в надир с борта самолета. Недостатком указанных способов является ограниченная точность определения параметров морской среды. Это поясняется следующим: вследствие ветрового волнения или зыби поверхность водоема практически всегда является возмущенной. Поэтому ориентация площадки, через которую проникает лазерный луч, не является горизонтальной. Поскольку угол наклона площадки не известен, то не известен угол отклонения лазерного луча от вертикали. Характер изменений по глубине измеряемого параметра определяется по временной развертке регистрируемого импульса. Соответственно, невозможно точно определить вертикальную координату измеряемого параметра.

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 [3]. Такие признаки прототипа, как непрерывное облучение поверхности водоема лазером в надир, регистрирование бликов зеркального отражения от поверхности, измерение спектра комбинационного рассеяния из водной толщи и определение по спектру комбинационного рассеяния характеристик исследуемой среды, совпадают с существенными признаками заявленного изобретения.

Недостатком прототипа является следующее. Для определения характеристик водной среды в прототипе используются два лазера, которые должны освещать одну и ту же область водной поверхности. Между характеристиками двух любых физических объектов всегда существует некоторое различие. При использовании двух лазеров различие, в частности, заключается в неабсолютном совпадении двух освещаемых на водной поверхности областей. Несовпадение освещаемых областей приводит к тому, что мощный лазерный импульс проникает в водную среду не через горизонтально ориентированную площадку, а через наклоненную. Поскольку характер изменения по глубине измеряемого параметра определяется по временной развертке регистрируемого импульса, отклонение от горизонтали освещаемой площадки приводит к отклонению от вертикали лазерного луча в толще водной среды. Соответственно появляется погрешность в определении вертикального распределения измеряемого параметра. Этот эффект наиболее заметен на стадии развития ветрового волнения, когда преобладают крутые волны.

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 поверхности исследуемого водоема обеспечивается новое техническое свойство - измерение контролируемых по глубине параметров среды осуществляется при горизонтальном расположении поверхности водоема в зоне его облучения. Это устраняет влияние на результат измерений возмущений поверхности, созданных ветровыми волнами и зыбью. Указанное новое свойство особенно проявляется при океанологических исследованиях в условиях сильного волнения и обеспечивает достижение технического результата изобретения - повышение точности определения вертикальных распределений характеристик исследуемой водной среды.

Поставленная задача решается тем, что в способе дистанционного определения характеристик среды открытого водоема, который заключается в том, что поверхность исследуемого водоема непрерывно в надир облучают лазером, регистрируют блики зеркального отражения от поверхности, измеряют спектр комбинационного рассеяния из водной толщи и по нему определяют характеристики среды, новым является то, что в моменты регистрации бликов зеркального отражения увеличивают мощность излучения лазера до уровня, позволяющего измерять спектр комбинационного рассеяния из водной толщи.

Сущность способа поясняется следующим. При попадании лазерного луча на границу раздела вода-воздух часть энергии отражается в воздушную среду, часть - проникает в водную толщу. Если луч падает на поверхность раздела под углом падения, отличным от нулевого, то и в водной среде он распространяется не вертикально. Поскольку наклон водной поверхности не измеряется, соответственно возникает ошибка в определении вертикальных характеристик водной среды. Ошибка тем больше, чем больше наклон площадки, на которой луч пересекает границу вода-воздух. Предложенный способ позволяет исключить эту ошибку, потому что зондирование водной толщи осуществляется только в момент, когда площадка ориентирована горизонтально.

Способ осуществляют следующим образом. Морскую поверхность непрерывно зондируют в надир лазерным лучом и регистрируют сигналы только обратного отражения. Эти сигналы появляются в моменты времени, когда лазерный луч падает на участки поверхности, ориентированные соответствующим образом - горизонтально. Для зондирования используют прибор с совмещенными излучателем и приемником. В момент регистрации блика зеркального отражения осуществляют существенное увеличение мощности излучения лазера - до уровня, позволяющего измерять спектр комбинационного рассеяния из водной толщи. То есть, лазер, работавший в режиме лидара, переводится в режим рамановского лазера. Может быть использован, например, Nd-лазер, возможности и особенности применения которого описаны в работе [1].

Лазерный луч пересекает горизонтально ориентированную площадку и вертикально проникает в толщу воды. Далее принимают рассеянный из толщи воды сигнал, измеряют его спектр рассеяния. Спектр рассеянного света содержит, кроме спектральных линий, характеризующих падающий на среду свет, дополнительные линии, расположенные с низкочастотной и высокочастотной сторон около спектральных линий первичного света (стоксовская и антистоксовская компоненты рассеяния). Системы этих дополнительных линий различны для различных веществ. Они также зависят от температуры среды. Это явление, обнаруженное в 1928 году В.Раманом и К.Кришнаном, называют рамановским, или комбинационным рассеянием света. Регистрируемый спектр рассеяния называют рамановским или комбинационным. По спектру комбинационного рассеяния определяют химические и биологические характеристики водной среды, а также температуру, как описано, например, в работах [1, 4].

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.

3. Запевалов О.С. Cпосiб дистанцiйного визначення характеристик середовища вiдкритоi водойми // (Приоритет 26.02.07, МПК (2006) G01V 8/00, G01J 3/44, G01S 17/00) Патент Украши, №84956, 10.12.2008, Бюл. №23. - Прототип.

4. 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 поверхность водоема непрерывно облучают лазером в надир, регистрируют блики зеркального отражения от поверхности, измеряют спектр комбинационного рассеяния из водной толщи и по нему определяют характеристики среды, отличающийся тем, что в момент регистрации блика зеркального отражения повышают мощность излучения лазера до уровня, позволяющего измерять спектр комбинационного рассеяния из водной толщи.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к горному делу, а именно к исследованиям горных пород, в частности к способам исследования керна, извлеченного из скважины. Способ включает установку керна на предметный столик, освещение его поверхность направленным потоком видимого диапазона света, прием части света, отраженного от поверхности керна и обработку полученной информации.
Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для поиска месторождений нефти и газа. Сущность: проводят геологическую и сейсмическую съемки, а также дистанционный оптический газовый анализ с помощью дистанционного лидара.

Изобретение относится к нефтедобывающей промышленности и может быть использовано при разведке и управлении разработкой месторождений углеводородного сырья. Техническим результатом является получение объективных данных о физико-химических свойствах добываемой нефти, а именно оптических свойствах для расчета остаточных извлекаемых запасов нефти и определения текущих свойств коллекторов разрабатываемого месторождения, а также данных по обводненности продукции скважин в промысловых условиях.

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для контроля состояния магистральных трубопроводов нефти и газа. .

Изобретение относится к области нефтедобывающей промышленности и предназначено для использования в нефтяных и газоконденсатных скважинах, расположенных в северных районах.

Изобретение относится к способам и устройствам для моноволоконной оптической телеметрии, которая может быть пригодна для облегчения связи между различными скважинными зондами, пересекающими толщу пород, и наземным блоком сбора данных.

Изобретение относится к технике видеонаблюдения и может быть использовано для оперативного изучения окружающей обстановки в условиях ограниченных возможностей наблюдения из-за наличия естественных и искусственных препятствий.

Изобретение относится к области геофизики и, в частности, к измерению или обнаружению скрытых масс или объектов оптическими средствами, а также к устройствам для наблюдения за оборудованием трубопроводов.

Изобретение относится к экологии морских животных, в частности к способам обнаружения, оценки численности и размерно-возрастного состава популяции тюленевых, в частности гренландских тюленей, и может быть применено в природоохранных целях в рыбохозяйственной и других отраслях.

Изобретение относится к обогащению полезных ископаемых и может быть использовано для контроля качества очистки алмазов. Способ включает отбор контрольной пробы очищенных кристаллов природных алмазов и определение загрязнений и примесей.
Изобретение относится к обогащению полезных ископаемых и может быть использовано для контроля качества очистки алмазов. Способ включает отбор контрольной пробы очищенных кристаллов природных алмазов и определение загрязнений и примесей.

Изобретение относится к способам оперативного диагностирования деталей из полимерных композиционных материалов (ПКМ) в эксплуатации и может быть использовано для выявления появляющихся дефектов изделий, агрегатов, узлов и деталей в авиакосмической, авиационной, судостроительной и других отраслях машиностроения.

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к области неразрушающего контроля параметров полупроводниковых материалов, и может быть использовано для выявления и анализа структурных дефектов в кремниевых слитках перед разрезанием слитков на пластины.

Изобретение относится к устройству для идентификации металлургических изделий, в частности заготовок, полученных непрерывной разливкой, или прокатных изделий, а также к устройству для осуществления способа.

Изобретение относится к оптическим методам контроля качества поверхностей металлов и полупроводников. .

Изобретение относится к оптическому приборостроению, в частности к установкам для определения основных защитных и эксплуатационных показателей защитных очков, применяемых при наличии вредных и опасных для глаз производственных факторов, а именно для определения запотевания смотровых стекол защитных очков в условиях, приближенных к их реальной эксплуатации.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля качества световодов с непрозрачной защитной оболочкой и одним недоступным торцом ввода-вывода излучения.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и, в частности, к методам дефектоскопии оптических материалов по таким показателям, как пузырность, бессвильность, посечки.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для локализации места повреждения оптического волокна. Согласно способу измеряют контрольную и текущую поляризационные характеристики обратного рассеяния оптического волокна. При измерении текущей характеристики с помощью контроллера поляризации изменяют состояние поляризации оптического излучения на входе оптического волокна и рассчитывают коэффициенты корреляции контрольной и текущей поляризационных характеристик вдоль длины оптического волокна. По полученным характеристикам участок с повреждением определяют как участок, на котором коэффициент корреляции изменяется на величину, превышающую пороговое значение. Расстояние до места повреждения определяют как расстояние до точки пересечения характеристик изменения коэффициента корреляции контрольной и текущей поляризационных характеристик обратного рассеяния вдоль длины оптического волокна при максимальном значении коэффициента корреляции на ближнем и дальнем конце, соответственно. Технический результат - исключение погрешностей вносимых изменением состояния поляризации при повторных подключениях оптического рефлектометра и снижение погрешности при определении расстояния до места повреждения волокна. 1 ил.

Способ относится к области океанографических измерений и может быть использован для контроля состояния открытых водоемов, вызванного их загрязнением, при проведении экологических и природоохранных мероприятий, а также для мониторинга гидрологических характеристик. Поверхность исследуемого водоема непрерывно в надир облучают лазером и регистрируют блики зеркального отражения от поверхности. В моменты регистрации бликов зеркального отражения увеличивают мощность излучения лазера до уровня, позволяющего измерять спектр комбинационного рассеяния из водной толщи. Измеряют спектр комбинационного рассеяния из водной толщи и по нему определяют характеристики среды водоема, например химические, биологические параметры, температуру. Технический результат заключается в повышении точности определения вертикальных распределений характеристик исследуемой водной среды за счет устранения влияния на результат измерений возмущений поверхности, созданных ветровыми волнами и зыбью.

Наверх