Спосіб дистанційного визначення характеристик середовища відкритої водойми

Спосіб дистанційного визначення характеристик середовища відкритої водойми, який полягає в тому, що здійснюють зондування середовища в надир раманівським лазером і одержують спектр комбінаційного розсіювання, за яким визначають характеристики середовища, який відрізняється тим, що додатково безупинно опромінюють у надир поверхню водойми лідаром зі суміщеними випромінювачем і фотоприймачем і реєструють відблиски дзеркального відбиття, при цьому зондування раманівським лазером здійснюють у моменти реєстрації відблисків дзеркального відбиття із забезпеченням суміщення координат точок опромінення поверхні водойми лідаром та раманівським лазером. Винахід відноситься до галузі океанографічних вимірювань і переважно може бути використаний для контролю стану відкритих водойм, спричиненого їх забрудненням, при здійсненні екологічних і природоохоронних заходів, а також для моніторингу гідрологічних характеристик. У даний час лазерне зондування усе більш широко застосовується для оперативного контролю навколишнього середовища. Однак методи нелінійної лазерної спектроскопії дотепер мало використовуються в натурних умовах, хоча в лабораторних експериментах вони вже давно продемонстрували свої переваги в частині спектрального та просторового розрізнення, відношення сигнал/шум і т.д. Дані зондування потужними рамановськими лазерами дозволяють по спектрах розсіяного комбінаційного випромінювання (розсіювання на довжині хвилі, відмінної від довжини хвилі в зондувальному імпульсі) визначити фізикохімічні та біологічні характеристики середовища, у тому числі визначити наявність домішок робленого і природного походження. Відомий спосіб контролю стану морського середовища на основі реєстрації спектра комбіна ційного розсіювання [1]. Такі ознаки аналога, як лазерне зондування досліджуваного середовища і реєстрація спектра комбінаційного розсіювання, збігаються зі суттєвими ознаками заявленого винаходу. Зондування морського середовища в приведеному аналогу здійснюється при великих кутах падіння, тому що зондувальна апаратура розміщена на берегових спорудженнях. Недоліком цього способу є обмежена точність визначення параметрів морського середовища і вузька область дослідження моря - його прибережна зона. Найбільш близьким до винаходу по сук упності суттєвих ознак, і тому обраним як прототип, є спосіб визначення вертикальних профілів характеристик середовища відкритої водойми шляхом реєстрації комбінаційного розсіювання при лазерному зондуванні в надир [2]. Такі ознаки прототипу, як опромінення водойми в надир лазером, промінь якого проникає під поверхню водойми, і реєстрація спектра комбінаційного розсіювання, по якому визначають характеристики середовища, збігаються зі суттєвими ознаками заявленого винаходу. (19) UA (11) 84956 (13) C2 (21) a200701975 (22) 26.02.2007 (24) 10.12.2008 (46) 10.12.2008, Бюл.№ 23, 2008 р. (72) ЗАПЕВАЛОВ ОЛЕКС АНДР СЕРГІЙОВИЧ, U A (73) МОРСЬКИЙ ГІДРОФІЗИЧНИЙ ІНСТИТУТ НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ Н АУК УКРАЇНИ, U A (56) SU 966639, 15.10.1982 RU 2143108, 20.12.1999 RU 99119710, 10.07.2001 US 5450125, 12.09.1995 US 5026999, 25.06.1991 Буриков С.А., Климов Д.В., Ли твинов 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 3 84956 Недоліком прототипу є наступне. При зондуванні середовища водойми через його поверхню, що унаслідок вітрового хвилювання (чи брижі в морі) практично завжди неплоска, локальний кут падіння в точці, де лазерний промінь попадає на поверхню, виявляється невідомий. Відповідно невідомим є кут заломленого променя. Оскільки характер зміни по глибині вимірюваного параметра визначається по часовій розгортці реєстрованого імпульсу, при невідомому куті падіння невідомим виявляється і кут заломленого променя щодо незбуреної поверхні. Відповідно неможливо точно визначити вертикальний розподіл вимірюваного параметра. В основу винаходу поставлена задача створення способу дистанційного визначення характеристик середовища відкритої водойми по зареєстрованому спектрі комбінаційного розсіювання, у якому за рахунок особливостей процесу лазерного зондування досліджуваної водойми забезпечується нова технічна властивість - вимірювання контрольованих по глибині параметрів середовища здійснюється при горизонтальному розташуванні поверхні водойми в зоні його опромінення. Це усуває фактор впливу вітрового збурення поверхні на результат вимірювань. Зазначена нова властивість особливо виявляється при океанологічних дослідженнях в умовах сильного вітрового збурення і забезпечує досягнення технічного результату винаходу - підвищення точності визначення вертикальних розподілів характеристик середовища. Поставлена задача вирішується тим, що в способі дистанційного визначення характеристик середовища відкритої водойми, який полягає в тому, що досліджуване середовище зондують у надир рамановським лазером, реєструють спектр комбінаційного розсіювання і по ньому оцінюють характеристики середовища, новим є то, що поверхня досліджуваної водойми додатково безупинно опромінюють у надир малопотужним лазером, у якого випромінювач і фотоприймач суміщені, реєструють дзеркально відбиті сигнали і саме в моменти реєстрації цих відблисків виконують зондування середовища потужним лазером і реєструють спектр комбінаційного розсіювання, причому забезпечують суміщення координат точок опромінення поверхні водойми лідаром і рамановським лазером. Сутність запропонованого способу пояснюється наступним. Кут q між напрямом поширення заломленого променя і нормаллю до межі розподілу (кут заломлення) зв'язаний з кутом падіння q0 (кут між спрямованим на поверхню променем і нормаллю до поверхні) законом заломлення (чи законом Снеліуса), sinq0 (1) = n 21, sin q де n21 - відносний показник заломлення. Наслідком хвиль на водній поверхні є то, що локальний кут падіння q0 міняється в часі. Якщо відомий локальний кут падіння, то, знаючи відносний показник заломлення, ми можемо однозначно визначити кут променя у воді щодо незбуреної поверхні. Застосування відповідно до винаходу додаткового лідара дозволяє визначити відхилення від 4 горизонталі площадки поверхні, на яку падає промінь. У цьому лідарі використовується оптична схема зі суміщеними випромінювачем і фотоприймачем, що відповідає моностатичній схемі спостережень. Відомо, що у випадку вертикального зондування відбитий від водної поверхні сигнал лідара (відблиск дзеркального відбиття) реєструється, якщо локальний ухил x поверхні не перевищує критичного значення [3], d (2) xкp = F , 4h де dF - діаметр апертури фотоприймача; h - відстань від фотоприймача до відбиваючої поверхні. Таким чином, якщо зондування рамановським лазером здійснювати в момент реєстрації відблиску, то локальний кут падіння в цей момент відхиляється від нуля не більш, ніж на arctgxкр. Змінюючи діаметр апертури фотоприймача dF, можна одержати задану точність визначення локального кута нахилу поверхні. Для реалізації запропонованого способу може бути використана, наприклад, описана в роботі [2] установка "Чайка", призначена для лазерного аерозондування. Розміщена на літаку, вона успішно пройшла натурні випробування, що здійснювалися лабораторією хвильових явищ ІОФАН СРСР. В установці "Чайка" задавальним генератором служить лазер на кристалі YAG : Nd3+ випромінювання якого після підсилення подвоюється по частоті в термостабілізованом кристалі. Випромінювання другої гармоніки (довжина 532нм) за допомогою формувального дзеркального телескопа, що виправляє розбіжність, через фотолюк літака направляється на поверхню моря. Єхо-сигнал з телескопа приймається спектрометром, з виходу якого на входи фотоприймачів через світловоди надходять сигнали, що відповідають обраним ділянкам спектра реєстрованого випромінювання. Як лідар може бути застосований пристрій типу "Фенікс", до складу якого входить He-Ne лазер [4]. У зазначеному пристрої використовується оптична схема зі сполученими фотоприймачем і випромінювачем. Експерименти з пристроєм "Фенікс" були успішно здійснювані на океанографічній платформі МП Н АН України. У процесі досліджень визначають вертикальний розподіл характеристик середовища, наприклад, температури, яка розраховується по спектрі комбінаційного розсіювання в області частот валентних коливань [5]. Використані джерела: 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 - прототип. 3. Вильчинская Т.Б., Ми хайлевич В.Г. Использование метода лазерного зондирования морской поверхности для определения приповерхностной 5 84956 скорости ветра // Морской гидрофизический журнал. - 1990. - №6. - С. 57-61. 4. Бабий В.И., Гайский В.А., Запевалов А.С., Ерошко А.А., Шаповалов Ю.И. Создание позиционных измерительных комплексов // Развитие морскихнаук и технологий в Морском гидрофизичес Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 6 ком институте НАН Украины за 75 лет, Севастополь, МГИ НАН Украины, 2004, с. 657-661. 5. Leonard D., Caputo В., Hoge F. Remote sensing of subsurface water temperature by Raman scattering. Appl. Opt., 1979, Vol. 18, №11, p. 17321745. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601