Способ определения солености морской среды

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 1 п 1 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕ Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ дений 1 ТИГА ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТЙРЦТИ(56) 1. Авторское свидетельство СССР У 960543, кл, С 01 д 4/04, 1982,2. "Изв. высш. учеб. заве Геодезия и аэрофотосьемка", 1 и К, 1979, Р 4, с. 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 картину 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 инфракрас- фд ного радиометра измеряют температуру морской среды и по полученным , (, значечиям измеренных величин определяют соленость морской среды.Изобретение относится к области океанографических исследований, в частности к измерениям гидрооптичгских 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 О торому определяют соленость раствоНедостатками способа являются возможность использования его лишь в лабораторных условиях, малая про изводительность измерений, Кроме того, показатель ослабления в значительной степени зависит от присутствия взвесей, содержащихся в природных водах, что ведет к неоднознач ,ности определения солености природ-", ных вод по измеренному показателю ослабления либо требует предварительной их очистки, что еще более снижает производительность измерений 25 и исключает возможность неконтактных исследований.Наиболее близким техническим решением к изобретению является способ определения солености морской среды, ЗО согласно которому на поверхность морской среды направляют пучок моно- хроматического излучения и принимают провзаимодействовавшее со средой излучение С 23.35Недостатком известного способа является невозможность бесконтактных измерений солености морской среды при взволнованной поверхности.Целью изобретения является обес печение бесконтактного измерения солености морской среды при взволнованной поверхности.Поставленная цель достигается тем, что согласно способу определе ния 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 их интенсивности 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 , 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 образомПередающая 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 1 причем плоскость поляризации должна быть наклонена к вертикальной плоскости распространения луча подоуглом 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-сивносги регистрируемого сигнала. В ние поляризации и параметры, его ха- последующие моменты времени, соотрактеризующие, у зеркально отражен- ветствующие сканированию вдоль по наного и преломленного пучков претер-правлению преломленного и однократно певают изменение, рассеянного водой .излучения, измереИнформацию 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. преломленный .10 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 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- нонент после отражения в светоделиния вдоль по направлению распростра- тельных кубиках 6 регистрируется нения зондирующего пучка, формируемого 2 О Фотоприемными устройствами 7. Вход- передающей системой 1, причем переме- ная и выходная грани кубика 6 распощение оптической оси приемной систе- ложены нормально но 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 щего кубики, пространственно сводят- которой 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 (оптическиеола сканирующего устройства 3 (ось 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, обусловленные35в общем случае, фокусирует или расфо- плоским зеркалом 8 и другими возможкусирует отраженное излучение и часть ными причинами, и позволяющая полу- лучей (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 компо 1ние.нентов излучения.Измерение параметров принимаемого В плоскости локализации интерфепучка в момент получения максималь- ренционной картины перпендикулярно ного значения изменения его интенсив .интерференционным полосам .установле 1ности 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 сигнаО геометрических размеров в каждом кала определяется рассеянием зондирую- нале, в случае необходимости, можно щего излучения в атмосфере и много- установить расширитель пучка предчУ кратным (по краинеи мере двухкратным) ставляющий собой, например . переверЭ рассеянием в воде, т.е. пренебРежимо нутую (в обратном ходе лучей) з и- римала по сравнению с интенсивностьютельную 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 пе 11 Ь 13-1 4редающей системы 1 характеризующиесостояние поляризации излучаемогопучка и угловое положение передающейсистемы, с ИК-радиометра 12, характеризующие текущую температуру воднойповерхности, с фотоприемных устройств7 характеризующие интенсивности компонент отраженного излучения, и с линейки фотоприемников 11, характеризующие распределение интенсивности 10интерференционной картины, поступают.в систему 13 электронной обработкисигналов,В момент приема зеркально отраженного луча измеряется угловое положение вращающегося зеркала сканирующего устройства 3 относительно некоторого фиксированного направления, связанного с приемной системой. По этому измеренному значению, зная угловое положение оптической системы передающей системы относительно этогоже фиксированного направления, однозначно определяют угол падения зондирующего луча к морской поверхности,25Измерение интенсивностей взаимноортогональных компонент поляризацииотраженного луча и одновременноеизмерение интенсивностей определенных точек их интерференционной карти-щны, несущей информацию как о интенсивностях, так и о разности фаз этихвзаимно ортогональных компонент, приизвестном угле падения позволяетопределить оптические характеристикиморской среды. В частности, при зондировании видимым излучением, погло:щение которого водой сравнительно; невелико, определение показателяпреломления по этим измеренным величинам в первом приближении можноосуществить с помощью формул Френеля,Показатель преломления морской водызначительно изменяется с изменениемсолености. Неконтактное измерениетемпературы водной поверхности и определение показателя преломлениятаким способом позволяют произвести1неконтактное измерение соленостиморских вод. ИВыявление более точной связи между соленостью воды и измеряемыми величинами может быть осуществлено экспериментально. При этом нужно брать в расчет не абсолютные значения интен сивностей принимаемых взаимно ортогональных компонент поляризации зеркаль но отраженного луча, а их отнощение 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 взаимно ортогональной поляризации, либо по суммарной интенсивнос-ти.При этом нормировка интенсивностей взаимно ортогональных составляющих поляризации и интенсивностей интерфе ренционной картины должна осуществляться по одной и той же величине, например по одной и той жекомпоненте ортогональной поляризации, В результате сравнения измеренных величин (отношение интенсивностей взаимно ортогональных компонент поляризации, пронормнрованное распределение. интенсивностей интерференционной картины, угол падения луча, температураморской поверхности) с эталоннымизначениями,полученными эксперимен-,тально для различных концентрацийморских солей, определяют соленостьповерхностного 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 углападения, определение поправок к измеренным величинам, обусловленных искажениями состояния поляризации приотражении от вращающегося зеркаласканирующего устройства, и вывод результатов на самописец (или другойрегистратор информации) производитсясистемой 13 электронной обработкисигналов,Измерения могут производиться привзволнованной под действием ветровойнагрузки морской поверхности и вусловиях качки (при работе, например,с борта теплохода), Важно только,чтобы измерение углового положениякраж 897осударствеам изобретМосква, ЖПодписимитета СССР ого откры и Раушская наб., д. Патент", г. Ужгород, ул. Проектная илиал лучей производилось относительно одного и того же фиксированного относительно приемной системы направления,которое в результате качки можетпространственно перемещаться. Курстеплохода при этом следует выбиратьвдоль направления ветра, однако ветровая нагрузка не должна превышатьнекоторую предельную, нри которойначинается пенообразование. Использование предлагаемого способа определения концентрации веществ в морской среде обеспечивает по сравне нию 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.1