Погружаемые измерители первичных гидрооптических характеристик морской воды и метрологическое обеспечение измерений тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

/К. — ■ л

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОПТИКО-ФИЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

Не правах рукописи УДК 535.241

ЗЕЛЕНЧУК Василий Сергеевич

ПОГРУЖАЕМЫЕ ИЗМЕРИТЕЛИ ПЕРВИЧШХ ГЩЩООДТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК МОРСКОЙ ВОДЫ И МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

01.04.05 - оптик»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена во Всероссийском научн^сследоватвльском инея туте оптико-физичвсих измерений.

Научный руководитель :

к«иджд«т физико-математических наук Кудрявцев В .В.

Официальные оппонента:

доктор физико-математических иаук,

профессор Трубников Б.Н.

кандидат технических каук Гуреев Б.А.

Ведущая организация - Институт фазам Земля АНРФ имени О.Ю.Шмидта Защита диссертации состоится " 4О "

в часов жа заседании специализированного совета\/^$ все-

российском научно-исследовательском институте оптико-физических измерений по адресу: 103031, Москва, ул. Рождественка, д.27, I тел. 921-19-74).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИОФИ. Автореферат разосла* * ^ ' й^^рЯ^ 1992 г.

Ученый секретарь спеднализнрованного совета кандидат технических наук

Тихомиров С.В.

ГС' • V • • ЗРЧНДГ7

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность проблемы. Изучение и освоение природных ресурсов Ьб1рового Океана и внутренних водоемов, контроль за экологическим состоянием гидросферы и исследование ее биопродуктивности оптическими методами, решение прикладных задач, связанных с распространением электромагнитного излучения оптического диапазона в водной среде: подеодпрй фото- и киносъемкой, дальностью и качеством подводной связи и т.д. предполагает внедрение.коыыексных измерений оптических свойств юрской воды в практику гидрофизических исследований.

Качество и объективность гидрооптических измерений определяются достоверностью исходной информации о собственных оптических характеристиках морской воды (П.Г. X),получаемой с помощью гидрооптической аппаратуры. Однако, при проведении сличений . результатов измерений оптических характеристик, выполняемых синхронно аппаратурой одного типа, наблюдается несопоставимость сравниваемых результатов, причем-раеходдекке измеряемых величин ПГХ, в ряде случаев достигает десятков процентов.

Сложившуюся ситуацию в метрологическом обеспечении гидрооптических измерений в натурных условиях можно объяснить рядом причин:

- отсутствие единых требований к критериям оценки оптических систем приборов, которым они долины удовлетворять для объективного воспроизведения измеряемых единиц, с учетом "фактора исследуемой среды" влияющего на точность натурных измерений:

- недостаточно полным' метрологическим обеспечением измерений ПГХ погружаемыми приборами;

- отсутствием привязки измерительной аппаратуры по нормируемым характеристикам к Государственной поверочной схеме.

Решением этих вопросов неразрывно связано с "практикой высокоточных гидрооптических измерений и является актуальным на данном этапе исследований.

-г-

Дель работы.

- обобщенный анализ систематических погрешностей, характерных для погружаемых измерителей ПГХ и обоснование критериев оценки метрологических параметров гидрооптической аппаратуры с учетом влияния оптических свойств исследуемой среды на точность измерений:

- обоснованный выбор оптимальных геометрических и фотометрических параметров оптических систем для погружаемых измерителей комплекса ПГХ;

- совершенствование методик градуировки измерительной аппаратуры применительно к экспедиционным условиям;

- внедрение результатов исследований в практику гидрооптических измерений.

Реализация работы. Диссертация выполнена в результате исследований, проведенных на базе ВНИИ оптико-физических измерений и ИОАН СССР им. П. П. Ширшова.

Для реализации поставленной цели были использованы материалы, полученные автором при выполнении серии НИР, посвященных разработке погружаемой гидрооптической аппаратуры и средств метрологического обеспечения измерений ПГХ

Разработанный измерительные системы, а также методики натурных измерений ПГХ и градуировки приборов могут быть использованы при проведении комплексных экспедиционных исследований оптических свойств морской воды.

Основные задачи исследований.

1. Цроведение комплексного анализа систематических погрешностей измерений спектральных показателей ослабления (¿а ), поглощения и характеристик расеяния , и О* ) га лучения морской водой

зондирупцзй аппаратурой с учетом влияния оптических свойств исследуемой среды иа метрологические параметры приборов.

2. Габаритный и энергетический расчеты оптических систем измертелей 'С7?/;1 и ш П0СТР°6ННЫХ с учетои обоснованных критериев их оптимизации.

3. Разработка конструкции погружаемых измерителей, «этодек их градуировки и метрологической аттестации, обеспечивающих воспрокзве-дение измеряемых величин ¿а , <э(%) и £а в абсолпгиых единицах с минимальными методическими погрешностями.

4. Отработка штодик градуировки аппаратуры и измерений ПГХ в экспедиционных условиях. Проведение натурных исследований с помощью разработанных приборов.

Научная новизна и практическая значимость работы.

1. Впервые проведен комплексный анализ систематических погрешностей измерений ПГХ и количественная оценка влияния на них оптических свойств исследуемой среды.

2. Разработаны оригинальные оптические системы и конструкция измерителя комплекса ПГХ с оптимальными соотношениями угловых, линейных и фотоиетрических параметров, даицие возмояность практически полностью исключить вероятность разъюсткровки приборов при работе в режиме зондирования и позволяйте существенно повысить надеяность абсолютных измерений ПГХ контактным методом.

3. Выведены аналитические соотношения, позволяпдие рассчитать систематические поправки на эффект переотражения излучения в пакете из нескольких ослабителей. Цредлоетиа доступная штодика градуировки коэффициента пропускания набора с оптимальным числом ослабителей в нйи.

4. Разработана методика градуировки фотоиетрических скал измерителей с?л , и в экспедиционных условиях с помощью набора ослабителей, устанавливаемых в пакет. Предложены выражэния для расчета систематических погрешностей измерений 6л и ^Ц) < позволяемое

объективно оценить точностные возможности измерительной гидрооптической аппаратуры на современном этапе.

Внедрение. Результаты исследований использовались при разработке оптических систем, конструкции, методик градуировки и метрологической аттестации гидрооптической аппаратуры в рамках НИР с Институтом океанологии АН СССР, Институтом термофизики и электрофизики АН ЭССР, Тихоокеанским океанологическим институтом АН СССР.

Разработанная аппаратура внедрена этими организациями в практику гидрооптических измерений.

Дополнительные сведения. Представленная в работе аппаратура создана во ВВИШШ совместно с сотрудниками организаций заказчиков. Личное участие автора заключалось в подготовке ТЗ, разработке методик натурных измерений, расчете оптических систем приборов, конструировании основных оптико-механических узлов, разработке методик сборки, вотировки оптических систем, градуировки и метрологической аттестации аппаратуры, в проведении натурных испытаний измерителей и участии в исследованиях ПГХ. Из публикаций, написанных совместно с другими авторами, в диссертации использовались материалы, подготовленные непосредственно. Автором.

Апробация. Основные результаты диссертационной работы и её отдельные положения докладывались на семинарах лабораторий ВНИЮФИ, на 1-й и 3-й Всесоюзной научно-технической конференции "Фотометрия и ев метрологическое обеспечение", на 3-м Пленуме рабочей группы по оптике океана Комиссии АН СССР по проблемам Мирового океана, на семинарах оптического отдела Ш АН СССР им. П П. Ширшова

Публикации. По основным материалам диссертации опубликовано 14 работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, приложения и библиографии. Работа содержит страниц

машинописного текста, 16 таблиц, 30 рисунков и список литературы, вклчащий 82 наименования.

Теоретические и экспериментальные исследования по теме диссертации проводились во ВНИИОФИ.

Разработанная аппаратура использовалась при исследованиях оптических .характеристик совместно с Институтом океанологии АН СССР в гидрофизических экспедициях в акваториях Тихого, Индийского и Атлантического океанов в 19-м, 28-м, 33-м, 36-м, 39-м рейсах научно-исследовательского судна "Дмитрий Шнделеев", а также 41-м рейсе НИС "Академик Курчатов". Автор непосредственно принимал участие в ходовых испытаниях аппаратура Разработанные приборы использовались так же в ряде экспедиций в акваториях Черного и Средиземного моря.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель работы, показаны научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

ГЛАВА 1. Методы измерения показателя ослабления излучения морской водой.

В первой главе, на основании литературных источников, рассмотрены основные методы измерений. Шкааано, что метрология класса дистанционных измерений непосредственно связана с развитием контактных методов, основанных на использовании закона Бугера. В связи с этим подробно рассматриваются факторы, которые является основной причиной

возникновения "специфических" погрешностей при намерениях базисным методом, носящих, как правило, систеиатический'Таракхер.

Нэ линейность измерительной системы прибора определяется I'-efcttrtF* ном нелинейность!} динамической характеристики фотоприемника и усилительного тракта Основной причиной нелинейности режима работы фотоэлектронной системы является большой диапазон изменения величины фоновой засветки от естественного излучения в сине-зеленой области спектра. Мощность фонового светового потока в измерительных каналах прозрачномера при работе в чистых океанических водах колеблется в

пределах

_ ф -7

2,1 • 10 Вт для глубины 2 - 2 и

0/ур ~ 4,1-Ю*" Вт .для глубины Z - 200 и, что составляет, более 4 порядков изменения сигнала на фотоприемнике прибора.

Погрешность установки "нуля". В силу того, что в чистых океанических водах поток в измерительном кавалер прошедший в среде путь<^ мало отличается от вышедшего в среду потока*?, конструкции прозрач-номеров строятся на двухканальных схемах сравнение ф0 и Фи , общрй особенностью которых является необходимость в "занулении" прибора перед циклом измерений. В раСоте рассматривается причины погрешности установки нуля, заложенные в оптической схеме при раз работ-.не и изготовлении прибора, связанные с технологическими отклонениями в изготовлении оптических деталей и вотировке прозрачномера, которые приводят к некоторой разшстировке каналов фотометра при погружении его в среду с показателем преломления отличным от единицы (&р-1,34)

Наибольшая величина углового смещения светового потока в канале прозрачномера может быть найдена из выражения

jh =(Ое/>-/) Д S'w'goo . (1.1)

где Sign - 'ошибки изготовления элементов оптической системы, соприка-

сзвг&хся с водой;

¿ = 2, 3,......к - число поверхностей оптических элементов,

соприкасаться с водой;

5"- допустимый угод углового СН9ЩЭННЯ.

Еырааэнке (1.1) ыотат быть использовано для ориентировочного расчета допусков на оптические элементы прозрачномэра, при этом величина поперечного смэврния на элементе К в канале определена выражением

д^г ' 8дп (пср-1) % ¿1 £ (1-2)

где I -1, 2,......к - число пространственных промежутков, проходи-

шх погоном после выхода его в среду дсГ элемента к;

¿1 - расстояние от. элемента с до элемента к.

Выраивния (1.1) и (1.2) позволяют оценить величину вероятного ухода светового потока либо от центра входного зрачка приемного объектива - по величине поперечного сшпрния , либо за пределы поля эрэння приемной системы по величине углового сшпрния . Вэличи-т рассматриваемая погрешности входит непосредственно а абсолютные значения <£ и шгэт достигать десятков процентов, псйюму учат факторов, влияших на сизщэние световых пучков дает возможность практически полностью исключить влияние этих ошибок.

Погрешности градуировки. Основная причина - недостаточная точ-еость определения коэффициента пропускания ослабителей, которые вводится в каналы прибора (си. гл. 4). й>угой причиной является влияние неоднородностей оптических элементов по пропусканию или отражению на точность измерений <5 Для значений £ ~0,05 - 0,1 м, этот вид погрешностей составляет <Уйг- = 0,5 -IX.'

Погрешности кз-аа градиента и флуктуаций показателя преломления. Црн работе в реетш зондирования, двютниа прозрачноиера а среде

а .

сопровождается рассеяШЗШ Ш преломлением света на свилях йеоднород-востей АО . приводягцоПс размытию изображения источника на фотоприемнике и возняшщвию дополнительного разбаланса сигналов в канавах прибора.

Рэгрэиность метода. Поскольку область применения закона Еугера распространяется на рассеивающий объем, характерный размер которого .намного мвныв средней длины пробега фотонов, а в реальных прозрач-номерах измерительная база имеет конечные размеры ¿- 0,1 - 2,0 м, при намерениях £ возникает методическая погрешность от аффекта многократного рассеяния фотонов при прохождении ими*исследуемой среди

Кроме того, базисный метод справедлив для параллельного пучка света (с?Уи-*0) и бесконечно малого угла зрения приемной системы (2\Jnp-*0) > 00 этан? измеряемы? значения <£ несколько ниже истинныг в зависимости от доли рассеянного средой излучения (размеров и \flfnp ), зарегистрированного фотоприемником прозрачномера.

Выбор и обоснование оптичаякных геометрических параметров оптической системы прозрачномера проводились при условии, что погрешность метода не должна снижать точность измерений <5 более, чем на IX, с одновременным учетом критериев вероятности разъюстировки прибора, рефракции светового потока на свилях неоднородностей среды и соотношения сигнал/щум при работе в реальных условиях. Показано, что для получения сопоставимых результатов при измерении £ прозрачно-мерами различных конструкций их оптические системы должны удовлетворять основному угловоцу соотношению

1\4 --Л7 (1.3)

Причем, величина угла зрения приемной системы измерителя \jjnp должна быть больше угла расходимости источника , а оптимальным следует считать соотношение

- $ -

^ аг + ъвв (1-4>

где , - диаметры диафрагм и фокуса объективов соответст-

вующих систем, при этом \*/и = б' т б; ^^о = ^

ГЛАВА 2. Методы измерений характеритик рассеяния и поглощения морской воды. Погрешности измерений. Оптимизация оптических систем.

Во второй главе анализируется принципы построения оптических систем, предназначенных для измерений рассеивапиих и поглаеащих свойств морской воды, а также характерны* для этих исследований погрешности.

Рассмотрено влияние конечности угла зрения приемной систвш£?МлА и расходимости 2 У/и светового потока, облучавфго рассеивающий объем нефелометра, на параметры рассеивапдего объема. Оценка погреи-

ности определения геометрического фактора из выражения

дает ошибку измерения для реальных оптических систем Л Кг/Кг II.

Значения погрешностей измерений (5* ( ^ ), связанные с точностью измерения угловых параметров оптической системы в случае выполнения условия линейной интерполяции индикатрисы ЛС ( ^ ) в угле поля зрения приемной системы > при которой значения среднего ^ер я аффективного Vэа> углов рассеяния совпадают определялись из равенства

Г-Яг '

В качестве выражения, аппроксимирующего индикатрису, принято

где К = 5 г 15 ра/?'0- '* - коэффициент, характеризующий вытяну-тость индикатрисы рассеяния.

-iff -

Таблица 2.1

Xcipafa 1 в .15 30 45

20 60 80 180 200

2\J/}f>LijlA.HUHl 10 30 45

Р.7 0,2 0,5 о,в 0,8

В таблице 2.1 приведены оптимальные угловые пара мэтры нефелометра для различных диапазонов jf .

Овибка определения действительного угла рассеяния )fc/> даст по-греиность АХ ifi) при измерении X (ftp).

Анализ вцраления (2.3) для реальных индикатрис показывает, что погрешность фиксации долина быть меньшей Atfi < 0,7'; 1,о'; 1,6'; и 2^5 для углов ¡fefi » l"; 3°; в"; 15" - 30° соответственно, а для jfcp » 45° Д^' может составлять ~ б7.

Характерной особенностью океанских и морских индикатрис рассеяния является значительный першщинтенсивностеа светового тока 10 f • 10 ^ при переходе от измерений в области больших углов J's flo'f 180° к прямому пучку.

Введение в приемную систему жйгражышх ослабителей вносят дополнительные погрешности грмгаювки динамического диапазона в измеряемые значения с? ( у ), вычисляем« из вцяжння.

OW r ■ (Z.4)

Црн измерениях (3* ( /) в области малых углов коэффициент про- -7 пускания фильтра должен составлять -10 -г 10 . Так как серийные спектрофотометры не позволяют намерять указанные с приемле-

мой точностью, предлагается использовать в качестве ослабителей па-кэт нз П одинаковых светофильтров ¿7 Тогда

« А^г/С*. - //(дГ.'/гУ (2.5)

Анализ зависимостей а /¿"г показал, что величина ошибки вотсиэтркрозания резко уменьшается при количестве фильтров/7 гдэ Ъ - ¿д ОГ^ - плотность пакета. При дальнейшем увеличении числа фильтров П >, (.0*2 * / ), погреяность асимптотически приближа-

ется к некоторой минимальной величине (см. табл.2.2)

Таблица 2.2

лП

± Г"/

¿¿г

2 3 4 5 6 7 8

2,0 8,4 6.4 7,1 7,9 8,8 9,6

1.4 2,3 3,1 4,1 5,0 6,0 7,0

1,25 1,89 2,35 2,51 3,75 4,32 5,15

В таблице 2.2 величина погрешности фотометрироваяия принята

дГ; =о,оо1А.е .

Таким образом, за оптимальное количество фильтров в наборе в работе принято

П*3*4 (2.6)

При этом справедлива эмпирическая зависимость, по которой можно заранее оценить погрешность градуировки пакета с суммарной плотностью , располагая фотомэтром с погрепностью ( X ). Число фильтров в пакете должно удовлетворять условию (2. в)

,, лТ-1% - (2-7)

о./

Коэффициент пропускания фильтра в пакете определяется из выраже-

*** -Ж.

П =" №

(2.8)

Очевидно, что величина систематической погрешности с. градуировки светофильтров зависит от их коэффициента пропускания и при оптимальном подборе Т1 в пакете ослабителей составляет = 4 21 X .

Измерение поглощавших свойств морской води В работе проведен сравнительный анализ энергетических возможностей оптико-электронных систем >£. -меров, основанных на методах однократного рассеяния, используя критерий отноаения полезного сигнала к его щумовой составляющей при измерениях сред с различными поглощающими и рассеиваацими свойствами и диапазоне изменения параметра выживания фотона в пределах А - 0,6 г 0,9 .

Предложена оригинальная оптическая система £. -мера, основанная на методе «валового стекла, в которой часть рассеянного назад светового потока также регистрируется фотоприемникоы,а система позволяет получать синхронную информацию об <5 , ¿е"3 и с?"-5 за один цикл измерений. Разработаны методики градуировки оптико-электронной системы и расчета систематических поправок в измеряемые значения и С^

Проведенные оценки показали, что предлагаемые оптическая система и методики позволяет снизить методическую погрешность при измерениях общего показателя рассеяния с л(/с5>- 20 X до - 1,5 г 5 X , а методическая погрешность определения показателя поглощения для различных типов вод с Л = 0,8 - 0,9 будет составлять лг%е.~ 9 т 35 I соответственно.

ГЛАВА 3. Аппаратура для измерения первичных гидрооптических характеристик.

В третьей главе рассмотрены потенциальные метрологические возможности оптико-электронных систем конкретных измерителей ПГХ, которые используется в практике гидрооптических исследований.

На основании проведенного сравнительного анализа различных типов прозрачномеров показаны существенные преимущества предлагаемой в работе оптической системы прозрачномера "Опал" по основнш метрологическим показателям (см. табл. 3.1).

Таблица 3.1

NN Сравниваемая характеристика, Тип прозрачномера

п/п критерий, параметр

Квант-4 Овал Катран

1 2 3 4 5

-2 -г -г

1. Диапазон измеряемых значений 3-10 - 1,0 2»10 г 2,013-10 ^ 1,5

¿Уд/ м-1

2. Спектральный диапазон, нм 350 7 700 380 г 680 400 г 680

3. Полуширина вырезаемого 10 'г 15 3,0 Т 3,5 2,5 7 3,0

участка спектра, нм

4. Основная относительная 3 10 10

погрешность измерения, X

5. Глубина погружения, м 400 250 250

2 3 4 б

Информационная спосЬбность, : 0,2 ! 1,0 0,6

отн. ед. ( Ноп0-*--1)

Скорость передачи информации 1,0 1,0 0,06

У/¿се • отн. ед. 1 !

Геометрический фактор опти- 0,5 1,0 0,02

ческой системы, отн.ед.

)

р = гшг-л ¿ву/солгл/

Критерий оценки фотоэлектри- 0,02 1,0 0,016

ческой системы фотометра,

отн. ед. / ) г

Световые размеры всех оптических элементов схемы (рис. 3.1) выполнены с учетом вероятных уходов и изменений сечений пучков света при погружении прибора в воду в соответствии с выражениями (1. Г) и (1.2). Суммарный угол>32' , а отношение углов -

= 0,6 исключает вероятность разъпстировки и искажения сигнала при работе в режиме зондирования (см. выражение (1.3) и (1.2)).

На основании энергетического расчета проэрачномера с параметрами соответствующими (1.3), (1.4) и АЯ - 2 нм, ^ проведена количественная оценка отношения полезного сигнала Ус к его щумовой составляю-

9

-лг-

ч

я

8

R

Р" Я Оч СО

о л п

га а о

M

с s

H

К рисунку 3.1

1 - источник света (лампа КГЦ 12 х 40); 2 - конденсор; 3 - диафрагма источника; 4, 5 - объективы коллиматоров опорного и измерительного каналов; 6 - светоделительная призма; 7, 8 - отклонявшие зеркала; 9 - разводящая призма; 10, 11 - иллюминаторы опорного и измерительного каналов; 12, 13 - выносите призмы опорного и измерительного каналов; 14 - сводящая призма; 15 - фокусирующий объектив приемной системы; 16 - диафрагма приемной системы (входная шрль мз-нохроматора); 17 - зеркальный объектив; 18 - вогнутая дифракционная решетка ( Д/ = 600 шт/мм); 19 - входная щель монохроматора; 20 - фотоприемник 6ВУ-84 ; 21 - червячное колесо с прорезью по спирали; 22 - червячный привод с двигателем ДШЬ-20 ; 23 - модулятор (коммутатор канала); 24 - двигатель ДПМ-20.

- и -

ЩЭ® ^Усц в условиях реальных фоновьк засветок, <р для обычных и галогеновых источников света. Из анализа расчетов /Уи/ сделаны

следующие вьшоды (см. табл. 3. 2)

Таблица 3.2

7' = 2500

аснм] &СА1 ;

400 530 630 -/с? 2,4 • 10 1,4 < 1,3 • 10'/0 2,2 • 10 "У 9,2 • 10 ° 1,2 -.10 ,г 7,2 15 110 14 : 1 1 1 I ! 1,1 ! 6,4 90 16

гр = 3200

400 530 630 1,3 мо"" 2,2 • 10"/й 1,2 • 10'л 2,4 • ю"* 3,6 • ю"^ 4,2 • 10"'? 54 60 290 1,8 ! 1.7 ! 0,3 ! ! 25 I 51 4 2

1) фи работе проэрачномера в реальных условиях днем на малых глубинах погрешность определения <5л в фиолетовой области

спектра находится в пределах:

- для обычных ламп накаливания V- 90 X

- для галогеновых х- 2 - 4 X.

2) В случае использования интерференционных фильтров с дЛ = ^10 нм, относительная погрешность измерений уменьшается в фиолетовой области спектра до 20 - 28 7. для обычных и 0,7 Т. галогеновых ламп накаливания.

- а -

Далее рассматриваются оптические системы погружаемых измерителей характеристик рассеяния. Исходные геометрические параметры оптических систем выбирались исходя из конструктивных требований и условия вклада составляющей методической погрешности, имеющей систематический характер, # ^ IX. На рис. 3.2 показана оптическая схема погружаемого нефелометра "Нэптун" предназначенного для проведения спектральных измерений С^ ( ^ ) в широком диапазоне углов ^

Основные технические характеристики нефелометра "Нептун"

Диапазон измеряемых значений показателя

-/ -/ --5". г

рассеяния, м ср................................ 5 10 г 10

$

Угловой диапзон измерений, град................... О f 165

Спектральный диапазон, им.......................... 360 f 680

Полуширина вырезаемого спектрального

участка, нм........................................ 6

Угловая скорость враарния сканирующей призмы:

- для углов Y =0 г 15 , град/мин ........... 60

- для углов- ü = 15 f 165 , град/мин........... 180

Основная относительная погрешность измерений ^ ( Ц ) (без учета погрешности градуировки ослабителя в турели)

- для углов у =5 -30, X....................... 10

- для углов / = 30 - 165 , X..................... 15

Максимальная глубина погружения, м................ 200

Для проведения комплексных измерений <£ , С? ( ^ ) и X ( tf ) была разработана оптическая система и конструкция погружаемого кефе-лометра-прозрачномера "Лангуста" со следующими техническими характеристиками:

, -I -I 2 -¿

Диапазон измеряемых значений о ( Y ,) м. ср..... 10 - 5 10

Оптическая охемя нефелометр« "HenivH1

I-Источник ДКСШ - 120; 2 - конгеноов; ".¡s - яеокяла; 4 - диафратча; 6 - объектив коллиматора; ? - скаш^юцля падзм«; 8 - покзца-иллгминатоо; 9 - турель; 10 - фокусирующий объектив; II + 14 - монохроматор; 15 - Ф.Э.У.

Рис. 3.2.

- го -

Диапазон углов в которых измеряется С? ( ^ ),град.. 8 г 165 Динамический диапазон измеряемых сигналов

..а

в канале рассеяния................................^10

Время сканирования по углам в диапазоне

углов ^ ■ о"г 165°, мин......................... 5

Диапазон иэмеряешх значений £/>• ,Н~ ............. 0,05-1,0

Длина оптической базы (сменная), м................ О г 0,75

Спектральный диапазон измерений, нм............... 380 г 620

Полуширина исследуемого спектрального участка (определяется установленным

фильтром), нм...................................... 10 гбО

Основная относительная погрешность измерений абсолютных значений <э ($ ) (без учета погрешности градуировки

ослабителей в турели), X.......................... 10.- 14

Основная относительная погрешность

измерений <5 Л , 2................................ < 13

Глубина погружения, м ............................. 200

Разработанная аппаратура и методика натурных измерений ¿Я и & (Ц) нашли применение при проведении экспедиционных исследований на НИС ИО АН СССР и ИГЭФ ЭССР. Представлены примеры регистрации сигналов и расчета абсолютных значений £я и <5* ( ^ ) для различных типов океанских вод.

ГЛАВА 4. Метрологическое обеспечение измерений первичных гидрооптических характеристик. В главе рассматриваются технико-метрологические параметры гидрооптических приборов в соответствии со сложившейся практикой метрологической аттестации и поверки спектрофотометрической аппаратуры. Ввиду того, что в лабораторных условиях невозможно воссоздать всего

многообразия факторов, которые влияет на погрешность измерений ПГХ, при градуировке приборов обычно исследуют основную погрешность измерения. Предлагаемая методика аттестации измерителей ¿А и о ( ^ ) основана на сквозной градуировке фотоэлектрических систем с помощью набора образцовых стеклянных ослабителей со следующими параметрами:

- спектральный диапазон работы 380 - 700 нм;

- диапазон изменения коэффициента пропускания в области ¡алых ослаблений при Т' = 0,93 - 0,70 а. е. с фотометрической погрешностью Л 0,0005 - 0,001 а е.;

_ -5 -Я

- в области значительных ослаблений при с 5 • 10 - 1 • 10 а. е.,

с фотометрической погрешностью ДТ- 0,003 а. е.;

Для диапазона 2" = 0,929 - 0,932 ослабители изготавливались из одной заготовки стекла марки КУ1. фи толщине каждого ослабителя £. = 1 мм , их плотность определяется в основном Фревелевским отражением от поверхностей пластин. Предполагалось, что при измерении коэффициента пропускания пакета из П одинаковых светофильтров на спектрофотометре с фотометрической погрешностью , погрешность определения ?7 -го фильтра из пакета будет

Д27 -- ДГг//7 (4.1),

то есть уменьшится в ~ Л раз.

Ощзнка эффекта "просветления" пакета из Л ослабителей, установленных в измерительный канал спектрофотометра, проявляющегося в увеличении 2х 33 счет многократных переотрадений и рассеяния светового потока на поверхностях пластин, проводилась при условии равенства Тс = ' = ....гС'п) . тогда

2ГР -- Т 0 4- /-/V (4.2) ^

то есть фотометр измеряет не реальный коэффициент пропускания 2"I , а Та от дичащийся на величину ( Кат + )£ Пренебрегая долей рассеянного материалом фильтров света, выведено аналитическое

выражение для рассчета переотраженного светового потока, которое определяется суммой

1 к*

Величину переотраженного от -го фильтра светового потока можно рассчитать из выражения

/Г -- C?tt-J>!*J "'eCf Л (4-4>

L-1 <// >/

где L = 1, 2, 3 ... [) -1; g = 2, 3, 4 ... П

Проведенные экспериментальные исследования коэффициента пропускания пакета из 5-ти и 10-ти кварцевых ослабителей установленных параллельно друг другу на спектрофотометре СФ-8 показали, что в спектральном диапазоне 404 - 656 ни погрешность градуировки одного

фильтра Зля пакета цак 5-ти пластин, с учетом (4.1) и (4.3), состав-V3

ляет д 2/ ~ 0,0005 а. е., что в 5 б раз меньше чувствительности используемого при градуировке спектрофотометра.

фи установке пакета из 10-ти ослабителей, погрешность градуировки увеличивается до 0,0015 - 0,005 а е.

Отклонение расчетного значения коэффициента пропускания одного фильтра из пакета, при внесении поправки по (4.3) от Вренелевского для 5-ти ослабителей составляет A¥f 0,0000 - 0,0005 а. е., а отклонения от коэффициентов пропускания аналогичных фильтров, полученных на ГСЗ по ГОСТ 8.205-75 не более ubu/sQ +0,0002 а. е., что подтверждает справедливость разработанной методики и выражений (4.3), (4.4).

Выражение (4.3) позволяет внести поправки на эффект переотражения i Zz комбинированных из нескольких светофильтров плотных ослабителей, устанавливаемых в терели нефелометра. Расчетная величина этих

fi

поправок колеблется = 0,28 т 0,68 X для наборов с ? = 10~ г

10 S соответственно.

Проведенный точностной анализ и предлагаемая методика градуировки фотометрических шкал измерителей ПГХ позволяет оценить границы неисклсченной систематической погрешности Qz при измерениях £ из выражения

Qz - X -*' (4-5)

где К =1,1- козффщиент, определяема* доверительной вероягЕОсгав Р =0,99; Вц- погрешность регистратора; Вн - 0,5 X - погреиность нелинейности; °<5 z ~ погрешность градуировки из-за неравномерности оптики по пропускание (отражению); - 1 X - погрешность метода; Всд> - погрешость градуировки нейтральных ослабителей; -Во - погрешность установки нулевой линии.

{.Q„* 1 X при £ 0,1 м ; #»0,5 X при <5 > 0,1 м ); Q^ 0,5 X - погрешность рефракции на д п .

Для проэрачномера "Опал" величина Qz. превышает >■ 2,6 X для диапазона <5 =0,03-0,8 и~' . Сходимость по фотометрической шкале составляет 3(s¡ >, 3,3-10 м*',а соотношение ¿(íj/Qz 0,8 1,5, поэтому границы суммарной погрешности = 3,7 т 5,1 X определяются случайными и систематическими погрешностями в равной степени. Количественный анализ комплекса рассмотренных погрешностей, дабт основание полагать, что нижним пределом основной суммарной погрев-ности измерений для <£ ^ 0,1 ы на данном этапе мохно считать

¿Г ■< -

В работе проведана оценка суммарной погрешности измерения характеристик рассеяния с учетом результатов теоретических и экспериментальных исследований, проведенных во 2-й и 3-й главах (см. таблицу 4.1)

- гч -

Таблица 4.1

NN п/п Диапазон у [град] 1 ! ^ м • 1 1 1 ! & Ш\ 1 1 • 1 Щт А оЩ

1. 5,8 10,2 2,8 11,3

2. 15 < 45 3,9 10,4 2,8 11,3

3. Р 45 3,3 29,6 2,8 30,6

Из таблицы видно, что значительное число составляющих неисключенной систематической погрешности даже без учета погрешности градуировки светофильтров, устанавливаемых в турели нефелометра,, приводит к значениям 5,8 г 3,3 % . Что касается полной составляющей неисключенной систематической погрешности, то её величина определяется в основном 8цр~ 6 г 21 % . и находится в пределах ¿^10-301 .

Границы погрешности измерений характеристик рассеяния, при принятой сходимости результатов измерений по фотометрической шкале нефелометра ^ 1 X , лежат в диапазоне Ас?^ и т 31 X .

& основании результатов проведенного анализа сделан вывод о неудовлетворительном метрологическом обеспечении измерений &Ц) , Х(у) и (з и предложены направления, в которых следует вести работы для повышения достоверности натурных измерений характеристик рассеяния морской воды .

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Оптическая схема и конструкция прозрачномера с оптинАйьныии угловыми и линейными параметрами её элементов, в которой сумма угла расходимости источника излучения и угла поля зрения фотоприемной системы составляет 30 - 35 угловых минут ,■ а соотношения между этими

углами лежат в пределах 0,5 - 0,6 при проведении иследования в режиме зондирования на горизонтах с заметными градиентами плотности практически полностью исключает вероятность разъюстировки прибора, при этом методическая погрешность измерений абсолютных значений показателя ослабления не превышает 1 7. .

2. Для обеспечения спектральных измерений показателя ослабления излучения в условиях интенсивных естественных засветок в диапазоне 380 - 420 нм с разрешением, лучшим 15 нм, при относительной погрешности, не превышающей 4 7. , независимо от параметров оптической схемы прозрачномера, яркостная температура нити накаливания его источника света должна быть не ниже 3200 К .

3. При проведении измерений характеристик рассеяния ^ 1$) и • в чистых океанических водах для получения надёжных энергетических соотношений полезного сигнала к шуму при допустимой погрешности линейной интерполяции не превышапцэй 1 7. , суммарный угол зрения источника излучения и приёмной системы нефелометра должен составлять Ух -10; 30; 40; 80 и 100 угловых минут для диапазонов углов рассеяния, превышающих ^ > Iе ; 6е' ; 15" ; 30" и 45" соответственно, при этом погрешность фиксации угла рассеяния для этих диапазонов не должна превышать 0,5 ; 1,0 ; 2,5 ; 3,5 и 5 угловых минут.

4. Оптическая система й конструкия погружаемого зонда позволяет

'-> „ О

проводить синхронные измерения б (и в углах ^10 - 165 ,

а также в различных режимах. При этом, погрешность измерения

характеристик рассеяния морской воды уменьшена более, чем в два раза по сравнению с традиционными схемами приборов аналогичного назначения .

5. Оптическая система двухканального измерителя о" и с£ позволяет проводить измерения абсолютных значений этих характеристик

контактный методом , а методика расчета систематических поправок для различных типов вод С А в 0,4 т 0,9 даёт возможность снизить методическую погрешость измерений О3 и <£ до величин /сз-1,5 : 5 I и - В г 30 X соответственно .

в. ВДаявние для введения систематической поправки в коэффициент пропускания набора светофильтров, установленных в пакет нормально к направлению распространения излучения, позволяет рассчитать величину поправки для пакета из 10-ти и менее светофильтров с погрешностью 0,0002 а. е. в диапазоне спектра 400 г 880 км.

7. Штодюса градуировки погружаемых проэрачномеров с помощью наборов тонких кварцевых ослабителей с коэффициентами пропускания

X » 0,03 - 0,70 а. е. позволяет проводить периодическую поверку' фотометрической шкалы приборов и 'контроль га изменением коэффициентов пропускания фильтров в процессе их эксплуатации с составляющей погрешности, вносимой ошибками градуировки ослабителей, в пределах деф^Ъ.Ь4: 1,5 X для значений ¿^ь0,15 -7 о,035 м в видимом диапазоне спектра.

8. Ослабители с плотностью $ «2:8 целесообразно составлять из набора нескольких одинаковых светофильтров с оптимальным количеством их в пакете, численно равным округленному значению плотности плюс единица, при этом величина погрешности определения коэффициента пропускания пакета лежит в пределах 5 -г 25 X .

ОСНОВШЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУЕДИКОВАШ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Зеленчук B.C., Ивановский В.В., Куприна Л.В.

Анализ светЬделительннх устройотв применительно к измерителю показателя о ела б ля тая морской водн. // Тез.докл. Всесоюзн.коиф. Фотометрия а ее иетрологаческое обеспечение. - Ы.: ВНИИОФИ. 1976. С.112.

2. Зеленчук B.C., Ивановский В .В., Кудрявцев В.В., Куйышкин С.А. Изнерятели показатели ослабления света норехой водой. // Тез. докл. Всесоюзн.коаф. Фотометрия я ее петрологическое ойеспечевае, - Ы.: ВНИИОФИ. 1982. C.30I.

3. Звлежчук B.C., Ивановский В.В., Кубышкия С.А., Кудрявцев В.В.

0 метрологическом обеспечении измерений спектральжого показателя ослабления морской водн. // Тез. док л. Вевоосзк.коа$. Фотометрия

1 ее метрологическое обеспечение. - lt.: ВНИИОФИ. 1979. С.388.

4. Зеленчук B.C., Кальбалиханов Б.Ф., Куприна Л.В., Ыатшенко В.А. Ыонохронатичэсхнй источаяг я приемник нзлучемя с перестраиваемой частотой в задавай области спектра. //Тез.докл.Всесоюза.когф, Оптические иеолвдованяя в океаЕэ а в атмосфере над океаном. -U.: ИОАЕСССР. 1975. С.146-151.

5. Еачераков В.В., Зехеичук B.C., Ивановский В.В., Кубышсяя С.А., Кудрявцев В.В. Погружаемый измеритель показателя ослабления а коэффзциента преломления морской воды теневым методом. // Тез. докл. Всесовзн.копф. Высокоскоростная фотография и метрология быстропротекающвх процессов. - Ы.: ВНИИОФИ. 1981. C.I35.

6. Бачернков В.В., Зеленчук B.C., Ивановский В.В., Кудрявцев В.В., Кубышкия С.А. Методы и средства измерения спектрального коэффициента яркости водной среды. // Тез. докл. Всесоюзи.когф. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. - П.: ВНИИ0ФИ.1979. С.387.

7. Зеленчук B.C., Ивановский В.В., Кудрявцев В.В., Кузнецов Е.Я., Локк Я.Ф. Спектральные измерители коэффициента яркости для натурных исследований. // Тез.докл. Всесовзя.ковф. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. - Ы.: ВНИИОФИ. 1984. С.89.

8. Зеленчук B.C., Кудрявцев В.В., Кельбалиханов Б.Ф., Кубышкия С.А. Устройство для измерения индикатрис рассеяния жидких сред.

A.C. ÄII57362. Кл&О! Г//04. 1985.

-2i-

9. Зеленчук B.C., Кузнецов Е.Я., Кубышкин С.А., Глебовская Е.А. Многоходавая оптическая система для измерения индикатрис рассеяния морской воды. // Тез.докл. Всесовзн.коиф. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. - М.: ВНИИОФИ. 1986. С.157.

10. Бачериков В.В., Зеленчук B.C., Кубышкии С.А., Ивановский В.В. Устройство для изиерения показателя преломления прозрачных сред и его флуктуаций. A.C. М054749. кл. (р Ol J62I/4I. 1983.

11. Зеленчук B.C., Кудрявцев В.В. Оптическая схема прозрачномера-нефелометра "Лангуст". // Тез.докл. Всесоюзн.конф» Фотометрия и

ее метрологическое обеспечение. - П.: ВНИИОФИ. 1986. C.I22.

12.Бачериков В.В., Зеленчук B.C., Ивановский В.В., Кудрявцев В.В. Устройство для изиерения показателя поглощения излучения прозрачной средой. A.C. ÄII22897. кл. 0> 015/04. 1984.

ХЗ.Зелеичук B.C., Ивановский В.В., Кудрявцев В.В., Кузнецов Е.Я. Погружаемый спектральный измеритель освещенности. // Тез.докл. ВсесоЕзи.коиф. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. - М.: ВНИИОФИ. 1984. C.I23. 14.3елеичук B.C., Кудрявцев В.В. Метод градуировки импульсного гидрофотоне тра. // Тез.докл. Всесопзн.коиф. Фотометрия и ее метрологическое обеспечение. - М.: ВНИИОФИ . I9BB. С.144.

Тираж 50.экз.

Заказ 1424.

Ротапринт ВНИИОФИ