Способ дистанционного определения характеристик среды открытого водоема
Владельцы патента RU 2503041:
Морской гидрофизический институт Национальной академии наук Украины (МГИ НАН Украины) (UA)
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.
