Способ и устройство измерения распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое водоемов

Название	Способ и устройство измерения распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое водоемов
Разработчик (Авторы)	Суторихин Игорь Анатольевич, Кривобоков Дмитрий Евгеньевич, Соловьев Виталий Андреевич, Каменев Артем Романович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2817043
Дата регистрации	09.04.2024
Правообладатель	федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный университет"
Область применения (класс МПК)	G01N 21/59 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к измерительной технике, преимущественно к измерению распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое воды водоемов по глубине.

Микроорганизмы (фитопланктон) поддерживают пищевую цепь водного объекта. В озерах микроскопические организмы обитают в верхнем, хорошо освещенном, слое воды, который называется фотическим. В нем содержится достаточно необходимой энергией для обеспечения процесса фотосинтеза. Солнце им необходимо для производства пищи из питательных веществ, которые находятся в воде. Длины волн солнечного света, которые сильнее всего поглощаются фитопланктоном при фотосинтезе, находятся в соответствии со спектрами поглощения хлорофилла-а, хлорофилла-б, с-фикоциозина, коротинойдов, R-фитоэритронов и ДР-[1,2]

В целом, этот диапазон укладывается в интервал от 300 до 900 нм. Таким образом, для оценки экологического состояния водоемов и активности гидробионтов важным параметром является измерение динамики спектральной подводной освещенности солнечного света по глубине в фотическом слое воды.

Известен способ измерений [3], в котором от источника излучения посылают пучок света и разделяют его на два луча, первый из которых направляют по оптической оси измерительного канала из корпуса прибора в морскую воду до триппель-призмы, затем назад в корпус прибора и далее на фотоприемник. Второй луч направляют по оптической оси опорного канала на прямоугольную призму и далее на фотоприемник. Регистрируют сигналы каналов, определяют вклад внешней засветки на значения полученных сигналов и осуществляют аналого-цифровое преобразование этих сигналов. Для регистрации используют двухэлементный фотоприемник, на одну светочувствительную площадку которого направляют первый луч, а на другую - второй луч. Вклад внешней засветки на значения сигналов опорного и измерительного каналов осуществляют путем синхронного детектирования этих сигналов на каждом из n заданных участков спектра. Определяют значения спектрального показателя ослабления направленного света с использованием градировочных коэффициентов. Используют датчик солености, регистрируют его сигналы, осуществляют их аналого-цифровое преобразование и с использованием полученных значений сигналов вводят поправочные коэффициенты, обусловленные вкладом изменчивости френелевского отражения света, спектрального показателя ослабления направленного света.

Недостатком способа является невозможность контроля спектрального поглощения света от естественного источника по глубине, что не позволяет контролировать биологическую активность в водоемах.

Наиболее близким является способ и устройство измерения распределения спектральной подводной освещенности, описанный в [4], в котором применяется устройство, состоящее из герметичной измерительной головки и блока обработки данных, связанных между собой гибким кабелем. Измерительная головка состоит из прозрачного окна, сменного светофильтра в диапазоне от 400 до 800 нм и фотодатчика, находящихся на одной оптической оси. Фотодатчик подключен к электронному усилителю, соединенному с блоком обработки данных. Для определения спектральной подводной освещенности водоемов вначале в измерительную головку устанавливается первый светофильтр, после чего измерительная головка погружается прозрачным окном вверх на глубину от 2 до 3 см от поверхности воды до прозрачного окна, при этом, измеренное значение принимается за 100%. Далее измерительная головка погружается, в процессе чего регистрируется глубина погружения и значение измеренной освещенности для установленного светофильтра, вычисляется доля проходящего спектра света от естественного источника относительно значения, принятого за 100%. При достижении требуемой предельной глубины, измерительная головка извлекается из воды, производится замена светофильтра на следующий, с другой полосой пропускания, и действия повторяются. В результате получаются зависимости распределения относительной подводной освещенности естественным источником света от глубины для различных светофильтров. Данный способ позволяет производить измерение подводной освещенности от естественного источника света, однако обладает недостатками.

Во-первых, не измеряется спектральный состав солнечного света над водной поверхностью, который может значительно меняться из-за атмосферных условий (наличии облаков, туч, тумана, дымки), что существенно повышает погрешность.

Во-вторых, применение только одного светофильтра для каждой серии измерений увеличивает время измерений, поскольку для замены светофильтра устройство необходимо извлекать из воды.

В-третьих, в этом устройстве отсутствует какая-либо автоматизация, позволяющая регистрировать в память данные измерений.

Положительный технический результат предлагаемого изобретения состоит в уменьшении погрешности и сокращении времени измерений, а также автоматизации регистрации данных.

Это достигается тем, что для измерений распределения солнечной спектральной подводной освещенности применяется устройство, состоящее из двух измерительных головок и блока обработки данных (БОД), связанных между собой гибким кабелем. Первая герметичная измерительная головка на первом этапе измерений находится на малой глубине от поверхности и регистрирует спектральный состав солнечного света, попадающий из атмосферы в воду. Вторая герметическая измерительная головка также погружается в воду на малую глубину. Обе измерительные головки состоят из прозрачного входного окна, фотодатчика, подключеннего к усилителю, соединенного с БОД. В обеих измерительных головках используются одинаковые наборы двух и более узкополосных (интерференционных) светофильтров в диапазоне от 400 до 800 нм, расположенных на вращающихся дисках, приводимым в движение шаговыми двигателями, управляемыми с БОД. Посредством двигателей производится синхронное вращение дисков для установки требуемых светофильтров на одной оптической оси с входными окнами и фотодатчиком.

Способ измерений состоит в следующем. Первоначально обе измерительные головки устанавливают под водной поверхностью с ориентацией входных окон в зенит на глубине от 2 до 3 см, в первой и второй измерительных головках в оптических окнах устанавливаются одинаковые светофильтры для первого спектрального диапазона, определяют сигналы фотодатчиков с каждой измерительной головки, вычисляется их отношение, которое принимается за 1 00% прохождения светового потока для текущего спектрального диапазона. Далее происходит смена светофильтров в обеих измерительных головках для выбора очередного спектрального диапазона и процесс повторяется. После прохождения всех светофильтров глубина погружения первой измерительной головки увеличивается на интервал, равный 10% от глубины видимости диска Секки [5] для текущего водоема, а вторая остается на том же малом уровне от поверхности воды и измерения повторяются. При этом, отношения сигналов фотодатчиков первой и второй измерительных головок соответствует доли прохождения светового потока в выбранном спектральной диапазоне относительно светового потока у поверхности. Процесс измерений завершается, когда на определенной глубине сигналы с фото датчика первой измерительной головки для всех светофильтров на диске становятся равными нулю. В результате, путем измерений определяется зависимость распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое водоемов относительно освещенности того же спектра у поверхности водоема, что исключает влияние на результаты измерений изменения светового потока у поверхности водоема.

Изобретение поясняется рисунком:

Фиг. 1 -Блок-схема устройства измерения распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое водоемов, где 1 - первая герметичная измерительная головка, 2-прозрачное окно, 3 - фотодатчик, 4 - электронный усилитель, 5 - блок обработки данных, 7 -светофильтры, 8 - диск, 9 - двигатель, 11 - датчик положения диска, 13 - вторая герметичная измерительная головка, 14 - прозрачное окно, 15 - фотодатчик, 16 - электронный усилитель, 18 - светофильтры, 19 - диск, 20 - двигатель, 22 - датчик температуры, 24 - датчик глубины погружения, 27 - датчик положения диска, 28 - устройство регистрации данных.

Для определения спектральной подводной освещенности обе измерительные головки устанавливают под водной поверхностью с ориентацией входных окон в зенит на глубине от 2 до 3 см. Посредством БОД и двигателей в первой и второй измерительных головках в оптических окнах устанавливаются одинаковые светофильтры для первого спектрального диапазона, определяют сигналы фотодатчиков с каждой измерительной головки и вычисляется их отношение (1), данные заносятся в память БОД. Далее при помощи БОД и двигателей происходит одновременная смена светофильтров на другой одинаковый спектральный диапазон в обеих измерительных головках и процесс повторяется. В результате значения отношения KOi спектральной подводной освещенности на глубине 2-3 см принимаются за 100%.

где i - номер спектрального диапазона, соответствующего одинаковым светофильтрам в первой и второй измерительных головках;

E01i, E02i - значения освещенности фотодатчиков соответственно в первой и второй измерительных головках при глубине погружения 2-3 см;

β01 - коэффициент ослабления светового потока для первого фотоэлемента;

β02 - коэффициент ослабления светового потока для второго фотоэлемента;

Ф - внешний световой поток;

K0i - коэффициенты отношения значений освещенности фотодатчиков в первой и второй измерительных головках при глубине погружения 2-3 см.

После прохождения всех фильтров глубина первой измерительной головки увеличивается на интервал, равный 10% от глубины видимости диска Секки для текущего водоема, а вторая остается на том же малом уровне от поверхности воды, и измерения повторяются. Процесс измерений завершается, когда на определенной глубине сигналы с фотодатчика первой измерительной головки для всех светофильтров на диске становятся равными нулю.

где β2 - коэффициент ослабления светового потока для первого фотоэлемента на глубине погружения, отличной от первоначальной;

α, - коэффициент ослабления светового потока водой на глубине погружения, отличной от первоначальной.

Таким образом, в получаемой зависимости распределения спектральной подводной освещенности по глубине погружения отсутствует влияние изменения интенсивности солнечного светового потока у поверхности водоема, что в результате уменьшает погрешность измерений. Оперативность измерений повышается за счет внесения данных измерений в память БОД. Одновременно, автоматическая установка необходимых светофильтров на входных окнах посредством БОД и двигателей в обеих измерительных головках исключает необходимость извлекать измерительные головки из водоема, что уменьшает время измерений.

Реализация способа может быть выполнена при помощи устройства, состоящего (фиг. 1) из первой герметичной измерительной головки 1, в которой прозрачное окно 2 и фото датчик 3 находятся на одной оптической оси, причем фотодатчик 3 соединен с электронным усилителем 4, который соединен с выводом 6 блока обработки данных 5. Светофильтры 7 с длинами волн максимального пропускания, к примеру 303 нм, 459 нм 361 нм, 590 нм, 655 нм, расположены на диске 8, приводимом во вращение от двигателя 9, подключенного к выводу 10 БОД 5. Причем, посредством вращения диска 8 двигателем 9, на входное окно перед фотодатчиком устанавливается один из светофильтров 7. Датчик положения 11 диска 8 подключен к выводу 12 БОД 5. Состоит из второй герметичной измерительной головки 13, в которой прозрачное окно 14 и фото датчик 15 находятся на одной оптической оси, причем фото датчик 15 соединен с электронным усилителем 16, который соединен с выводом 17 БОД 5, светофильтры 18 расположены на диске 19, приводимом во вращение от двигателя 20, подключенного к выводу 21 БОД 5. Причем, посредством вращения диска 19 двигателем 20, на оптическую ось между окном 14 и фотодатчиком 15 устанавливается один из светофильтров 18. Датчик температуры 22 подключен к выводу 23 БОД 5, датчик глубины погружения 24 соединен с выводом 25 БОД 5, к выводу 26 БОД 5 подключен датчик положения диска 27, устройство регистрации 28 соединено с выводом 29 БОД 5.

Работает устройство следующим образом. Измерительные головки 1 и 13 (фиг. 1) в исходном состоянии погружаются в водоем на глубину 2-3 см между поверхностью воды и прозрачными окнами 2 и 14. Посредством сигналов на выводах 10 и 21 БОД 5, соответственно, двигателей 9 и 20 на оптическую ось прозрачного окна 2 и фотодатчика 3 для измерительной головки 1, и оптическую ось прозрачного окна 14 и фото датчика 15 измерительной головки 13 устанавливаются соответственно светофильтры 7 и 18 первого спектрального диапазона, что определяется сигналом от датчика положения 11 диска 8 измерительной головки 1 и от датчика положения 27 диска 19 измерительной головки 13, которые подаются соответственно на выводы 12 и 26 БОД 5. При этом, солнечный свет попадает на измерительную головку 1, проходит через прозрачное окно 2, светофильтр 7 и преобразуется фотодатчиком 3 в электрический сигнал, поступающий на вход электронного усилителя 4, с выхода которого сигнал подается на вывод 6 БОД 5. Аналогично, солнечный свет попадает в измерительную головку 13 проходит через прозрачное окно 14, светофильтр 18 и преобразуется фото датчиком 15 в электрический сигнал, поступающий на вход электронного усилителя 16, с выхода которого сигнал подается на вывод 17 БОД 5. Посредством датчика температуры 22 происходит преобразование температуры воды в электрический сигнал, поступающий на вывод 23 БОД 5, посредством датчика глубины погружения 24, которым, к примеру, может быть датчик абсолютного давления жидкости, происходит преобразование значения глубины погружения в водоем измерительной головки 13 в электрический сигнал, поступающий на вывод 25 БОД 5. Вычисляется отношение между сигналами на выходах электронных усилителей 4 и 16, соответствующих сигналам фото датчиков 3 и 15 для первого спектрального диапазона светофильтров 7 и 18, согласно (1). При помощи сигналов на выводах 10 и 21 БОД 5, управляющих двигателями соответственно 9 и 20, устанавливаются светофильтры 7 и 18 следующего спектрального диапазона для аналогичного определения отношения сигналов с выходов электронных усилителей 4 и 16, согласно (1).

Действия повторяют для всех спектральных диапазонов, соответствующих одинаковым светофильтрам 7 и 18, расположенных на вращающихся дисках 8 и 19.

Глубина погружения измерительной головки 13 увеличивается на интервал, равный 10 % от глубины видимости диска Секки для текущего водоема. Посредством сигналов на выводах 10 и 21 БОД 5 и, соответственно, двигателей 9 и 20 на оптическую ось прозрачного окна 2 и фото датчика 3 для измерительной головки 1, и оптическую ось прозрачного окна 14 и фотодатчика 15 измерительной головки 13 устанавливаются, соответственно, светофильтры 7 и 18 первого спектрального диапазона, что определяется сигналом от датчика положения 11 диска 8 измерительной головки 1 и от датчика положения 27 диска 19 измерительной головки 13, которые подаются соответственно на выводы 12 и 26 БОД 5. Вычисляется значение спектральной подводной освещенности в процентах от падающего на воду и проходящего через светофильтры 7 и 18 при использовании сигналов на выходах электронных усилителей 4 и 16, соответствующих сигналам фото датчиков 3 и 15 для первого спектрального диапазона светофильтров 7 и 18. При помощи сигналов на выводах 10 и 21 БОД 5, управляющих двигателями соответственно 9 и 20, устанавливаются светофильтры 7 и 18 следующего спектрального диапазона для аналогичного определения значения прозрачности (2) при использовании сигналов с выходов электронных усилителей 4 и 16.

Действия повторяют для всех спектральных диапазонов, соответствующих одинаковым светофильтрам 7 и 18, расположенных на вращающихся дисках 8 и 19.

Измеряется значение температуры воды и глубины погружения измерительной головки 13 соответственно датчиком температуры 22 и датчиком глубины 24.

Литература

1. Биологические методы в экологическом мониторинге. Рубин А.Б., 2000 г., Соровский образовательный журнал, Т. 6, стр. 7-13.

2. Попик А.Ю. Динамика спектров лазерной индуцированной флуоресценции хлорофил-ла-а фитопланктона в условиях меняющихся параметров внешней среды Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук. 2015. 145 с.

3. Патент № 2605640 Российская Федерация, МПК G01N21/59 (2006.01). Способ определения спектрального показателя ослабления направленного света в морской воде "insitu": № 2014152767/: заявл. 24.12.2014: опубл. 27.12.2016/ Латушкин А.А., Мартынов О.В.; заявитель ФГБУН "МГИ РАН". -8 с: ил. - Текст: непосредственный.

4. Суторихин И.А., Литвиненко С.А. Изменение спектральной прозрачности и подводной освещенности воды Телецкого озера в летний период и период ледостава. Естественные и технические науки. 2019. № 12. С. 221-224.

5. Гидрооптические характеристики. ГОСТ 10210-73. М., 1974. 10с.

Пример расчета спектральной прозрачности водоема

Пример. Предположим, в каждой измерительной головке 1 и 13, соответственно на дисках 8 и 19, установлено по три светофильтра 7 и 18 (фиг. 1), с длинами волн максимального пропускания 303 нм, 361 нм и 590 нм. В начале измерительные головки устанавливают под водной поверхностью с ориентацией входных окон в зенит на глубине от 2 до 3 см. Посредством БОД 5 и двигателей, в первой и второй измерительных головках в оптических окнах устанавливаются одинаковые светофильтры для первого спектрального диапазона, к примеру 303 нм, определяют сигналы фотодатчиков с каждой измерительной головки, к примеру выраженные в цифровом коде после аналого-цифровых преобразований БОД 5, и вычисляется их отношение (1), данные заносятся в память БОД 5. Далее происходит смена светофильтров в обеих измерительных головках, к примеру на 361 нм, и процесс повторяется. Аналогично для светофильтра 590 нм. В результате значения отношения KOi спектральной подводной освещенности на глубине 2-3 см принимаются за 100%. Примеры результатов измерений и расчетов представлены в таблице 1.

Далее первая измерительная головка опускается на необходимую глубину, к примеру с шагом 0.5 метра, а вторая остается на том же малом уровне от поверхности воды и измерения повторяются. Для каждой пары светофильтров с одинаковыми длинами волн максимального пропускания вычисляется отношение (2), Процесс измерений завершается, когда на определенной глубине сигналы с фотодатчика первой измерительной головки для всех светофильтров на диске становятся равными нулю (таблицы 1.1, 1.2, 1.3).

В результате, получается зависимость доли проходящего света αi; (2) относительно освещенности поверхности на определенной длине волны от глубины погружения измерительной головки, что исключает влияние на результаты измерений изменения светового потока у поверхности водоема.

Формула изобретения

1. Способ измерения распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое водоемов, включающий размещение измерительной головки под водной поверхностью с ориентацией входного окна в зенит на глубине от 2 до 3 см, на оптической оси которого установлены светофильтры спектра в диапазоне от 400 до 800 нм, измерение и запоминание значения освещенности, после чего измерительную головку опускают на необходимую глубину; измеряют и запоминают значение освещенности и глубины погружения и так продолжают до тех пор, пока измеренное значение освещенности не станет равным нулю, отличающийся тем, что дополнительно используют вторую герметичную измерительную головку, которую устанавливают под водной поверхностью с ориентацией входного окна в зенит на глубине от 2 до 3 см, причем в первой и второй измерительных головках установлен одинаковый набор от двух и более светофильтров на различные длины волн в диапазоне от 400 до 800 нм, устанавливаемых на соответствующие оптические оси первой и второй измерительных головок автоматически, вначале для измерения распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое водоемов обе измерительные головки устанавливают под водной поверхностью с ориентацией входного окна в зенит на глубине от 2 до 3 см, каждой из них измеряют и запоминают значение освещенности для каждого светофильтра, для каждой пары одинаковых светофильтров первой и второй измерительных головок вычисляют отношения измеренных значений и принимают за 100%, вторую измерительную головку оставляют на этом же уровне, а первую измерительную головку погружают на требуемую глубину, повторяют аналогичные измерения спектральной освещенности для всех светофильтров в каждой измерительной головке и вычисляют отношения измеренных значений, которые сравнивают с соответствующими значениями, принятыми за 100%, и вычисляют значение освещенности в процентах для каждой пары фильтров измерительных головок относительно освещенности у поверхности водоема, процесс повторяют до тех пор, пока измеренные значения освещенности для всех светофильтров первой измерительной головки не станут равными нулю.

2. Устройство измерения распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое водоемов, включающее герметичную измерительную головку 1, в которой прозрачное окно 2 и фотодатчик 3 находятся на одной оптической оси, причем фотодатчик 3 соединен с электронным усилителем 4, который соединен с выводом 6 блока обработки данных (БОД) 5, отличающееся тем, что два и более светофильтров 7, каждый из которых имеет определенный спектральный диапазон от 400 до 800 нм, расположены на диске 8, приводимом во вращение от двигателя 9, подключенного к выводу 10 БОД 5, причем, посредством вращения диска 8 двигателем 9, на входное окно перед фотодатчиком устанавливается один из светофильтров 7, датчик положения 11 диска 8 подключен к выводу 12 БОД 5, дополнительно включает вторую герметичную измерительную головку 13, в которой прозрачное окно 14 и фотодатчик 15 соединены с электронным усилителем 16, который соединен с выводом 17 БОД 5, два и более светофильтров 18, каждый из которых имеет определенный спектральный диапазон от 400 до 800 им, расположены на диске 19, приводимом во вращение от двигателя 20, подключенного к выводу 21 БОД 5, причем, посредством вращения диска 19 двигателем 20, на оптическую ось между окном 14 и фотодатчиком 15 устанавливается один из светофильтров 18, датчик температуры 22 подключен к выводу 23 БОД 5, датчик глубины погружения 24 соединен с выводом 25 БОД 5, к выводу 26 БОД 5 подключен датчик положения диска 27, устройство регистрации 28 соединено с выводом 29 БОД 5.

Изобретение "Способ и устройство измерения распределения спектральной солнечной освещенности в фотическом слое водоемов" (Суторихин Игорь Анатольевич, Кривобоков Дмитрий Евгеньевич, Соловьев Виталий Андреевич, Каменев Артем Романович ) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога