RU2112955C1

RU2112955C1 - Method determining size and number characteristics of particles suspended in water and gear for its implementation

Info

Publication number: RU2112955C1
Application number: RU96117677A
Authority: RU
Inventors: А.И. Жаворонков; Д.Е. Левашов
Original assignee: Всероссийский научно-исследовательский институт морского рыбного хозяйства и океанографии (ВНИРО)
Priority date: 1996-08-27
Filing date: 1996-08-27
Publication date: 1998-06-10

Abstract

FIELD: oceanological investigations. SUBSTANCE: method consists in optical formation of reference volume thanks to transmission of parallel flux of pulse optical radiation of constant intensity in direction specified in advance. Formed reference volume is moved along trajectory perpendicular to direction of radiation flux and bigger side of its rectangular section, particles suspended in water are registered with their appearance in reference volume by reception of optical radiation from reference volume at any angle to it. Optical radiation is converted to electric signals which are analyzed and size and number of particles are estimated by amplitude and duration. It is suggested that relation of dimensions of sides of rectangular section to be equated to relation of maximum and minimum boundaries of size range of registered particles and speed of movement of reference volume to be maintained at level not exceeding relation of length of its smallest side of section to period of repetition of pulses of optical radiation. Gear for implementation of method is fitted with aid forming reference volume of preset configuration, aid determining difference between signal in absence of pulses and signal received during action of pulses and aid forming time interval for time of registration of particle. Optical formation of reference volume and of preset configuration ensure conducting of operations determining size and number characteristics of particles suspended in water without disturbance of their natural distribution and generation of information on distribution of plankton directly in environment. EFFECT: improved authenticity of method. 10 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к океанологическим исследованиям при оценке состава взвеси в водной среде путем измерения оптических характеристик смеси как в пробах, так и при погружении измерительного устройства непосредственно в исследуемую жидкую среду, может найти применение при определении размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц планктона, а именно, при получении информации о пространственно-временных неоднородностях распределения планктона в водной среде в реальном масштабе времени, что может быть полезным при выявлении, например, рыбных скоплений. The invention relates to oceanological research in assessing the composition of a suspension in an aqueous medium by measuring the optical characteristics of a mixture both in samples and when a measuring device is immersed directly in an investigated liquid medium, can find application in determining the dimensional-quantitative characteristics of plankton particles suspended in water, namely , in obtaining information on the spatio-temporal inhomogeneities of the distribution of plankton in the aquatic environment in real time, which can be useful for identifying, for example, fish aggregations.

В настоящее время в методике комплексных океанологических работ возник разрыв между широким внедрением современной гидрологической зондирующей аппаратуры и исследованиями планктона традиционными способами, где для определения размерно-количественных характеристик используется двухступенчатый процесс, согласно которому сначала проводят облов планктона по слоям (например: 0-10, 10-25, 25-50, 50-100 м и т.д. до необходимой глубины) или отбор проб батометром на фиксированных горизонтах, а затем выполняется камерная обработка проб под микроскопом. Этот процесс является чрезвычайно трудоемким и, главное, может затягиваться на длительное время - до нескольких суток на одну пробу. Кроме того, в результате может выясниться, что выбор слоев или горизонтов был произведен неправильно и наиболее важные характеристики были пропущены. Конечно, этот метод ни в какое сравнение не идет с использованием зондов, позволяющих получать в реальном масштабе времени оценки основных гидрофизичесих и гидрохимических параметров воды за какие-то 10-20 мин до глубин в несколько тысяч метров и с разрешением по глубине до долей метра. Currently, a gap has arisen in the methodology of complex oceanological work between the widespread introduction of modern hydrological sounding equipment and plankton studies using traditional methods, where a two-stage process is used to determine the size-quantitative characteristics, according to which plankton is first collected in layers (for example: 0-10, 10 -25, 25-50, 50-100 m, etc. to the required depth) or sampling with a bathometer at fixed horizons, and then chamber processing of samples under a microscope is performed. This process is extremely time-consuming and, most importantly, can be delayed for a long time - up to several days per sample. In addition, as a result, it may turn out that the choice of layers or horizons was made incorrectly and the most important characteristics were omitted. Of course, this method cannot be compared to using probes that make it possible to obtain real-time estimates of the main hydrophysical and hydrochemical parameters of water for some 10-20 minutes to depths of several thousand meters and with a resolution in depth of a fraction of a meter.

Применение различных конструкций автоматических планктонособирателей, модификаций планктонных регистраторов, подводных фотоавтоматов, техники подводного телевидения, а также лабораторных методов исследования планктона с использованием автоматических счетчиков и вычислительной техники несколько сокращает этот разрыв, но не позволяет ликвидировать его полностью. При этом необходимо отметить, что используя все перечисленные методы, в принципе невозможно получать информацию о качественных и количественных характеристиках планктона в реальном масштабе времени. The use of various designs of automatic plankton collectors, modifications of plankton recorders, underwater photo cameras, underwater television technology, as well as laboratory methods for studying plankton using automatic counters and computer technology somewhat reduces this gap, but does not completely eliminate it. It should be noted that using all of the above methods, it is in principle impossible to obtain information on the qualitative and quantitative characteristics of plankton in real time.

Для оперативного исследования пространственного распределения планктона необходима аппаратура, позволяющая вести счет и классификацию организмов непосредственно в водной толще. С технической точки зрения автоматизированную классификацию планктона наиболее целесообразно проводить, используя различного типа датчики, позволяющие определять некие стандартные морфологические и физические признаки организмов. Это могут быть размеры, коэффициент формы, прозрачность, люминисценция, проводимость, звукоотражающие свойства, реакции на различные раздражители и т.д. Наиболее просто определяются размерно-количественные характеристики организмов, причем они непосредственно поддаются автоматизированной математической обработке; имеется достаточное число работ, позволяющих определить биомассу отдельных организмов по их длине и коэффициенту формы. Отсутствие точной видовой классификации организмов тут должно компенсироваться возможностью получения в реальном масштабе времени общих объемов информации. For operational research of the spatial distribution of plankton, equipment is needed that allows you to count and classify organisms directly in the water column. From a technical point of view, it is most expedient to carry out automated classification of plankton using various types of sensors, which make it possible to determine certain standard morphological and physical characteristics of organisms. It can be sizes, shape factor, transparency, luminescence, conductivity, sound reflecting properties, reactions to various irritants, etc. The dimensional and quantitative characteristics of organisms are most easily determined, moreover, they directly lend themselves to automated mathematical processing; there is a sufficient number of works that make it possible to determine the biomass of individual organisms by their length and shape factor. The lack of an accurate species classification of organisms here should be compensated by the possibility of obtaining in real time the total amount of information.

В последнее время появились устройства для подобного рода измерений, основанные на использовании кондуктометрических или оптических датчиков. Эти устройства используются в зондирующем или буксируемом режимах. Взвешенный в воде планктон должен принудительно направляться и проходить через специальный проточный канал сечением 1-3 см², являющийся частью конструкции таких датчиков. Так как для получения репрезентативных данных необходим анализ достаточно большого объема воды (не менее 0,01-0,005 м³), а отверстие канала мало, то необходимо для одного отсчета протекание достаточно продолжительного потока воды или использование специальных сетей для предварительной концентрации планктона. В первом случае не обеспечивается необходимое разрешение по глубине при работе в режиме зондирования, а во втором сети быстро засоряются и не позволяют правильно рассчитывать концентрацию планктона. В обоих случаях активные виды планктона распугиваются и стараются избежать попадания в отверстия для их облова. Все это в целом не позволяет получить реальную картину пространственного распределения планктона (особенно в микромасштабе) и его размерно-количественные характеристики.Recently, devices have appeared for this kind of measurement, based on the use of conductometric or optical sensors. These devices are used in probing or towing modes. Plankton suspended in water must be forced to go and pass through a special flow channel with a cross section of 1-3 cm ² , which is part of the design of such sensors. Since the analysis of a sufficiently large volume of water (not less than 0.01-0.005 m ³ ) is necessary to obtain representative data, and the channel opening is small, a sufficiently long flow of water or the use of special nets for preliminary plankton concentration is necessary for a single reference. In the first case, the necessary depth resolution is not provided when operating in the sounding mode, and in the second network they quickly become clogged and do not allow to correctly calculate the concentration of plankton. In both cases, the active species of plankton are frightened and try to avoid getting into the holes for their fishing. All this, on the whole, does not allow us to get a real picture of the spatial distribution of plankton (especially on a microscale) and its size-quantitative characteristics.

Известен способ определения количества планктона, реализованный в устройстве, содержащем проточную измерительную камеру с фотоэлектронным умножителем и индуктивным датчиком, счетчик и средство для индикации (Патент ФРГ N 2049205, кл. 42 L 3/50, 1973). A known method for determining the amount of plankton, implemented in a device containing a flow measuring chamber with a photoelectronic multiplier and an inductive sensor, a counter and means for indicating (German Patent No. 2049205, class 42 L 3/50, 1973).

Этот способ позволяет производить подсчет планктона на заданной глубине, однако несмотря на одновременное использование обоих методов система подсчета достаточно сложна и достоверность показаний невысока, кроме того, здесь также используется проточный канал. This method allows you to count plankton at a given depth, however, despite the simultaneous use of both methods, the counting system is quite complicated and the reliability of the readings is low, in addition, a flow channel is also used here.

Известен способ определения размерно-количественных характеристик взвешенных воде частиц, заключающийся в формировании реперного измерительного объема оптико-механическим путем в проточном канале за счет его пересечения перпендикулярным к нему параллельным потоком оптического излучения прямоугольного сечения и постоянной интенсивности, и принудительном направлении взвешенных в воде частиц в реперном объеме по траектории, перпендикулярной направлению потока излучения и большей стороне его прямоугольного сечения, и регистрации взвешенных в воде частиц (Патент США N 4637719, кл. G 01 N 21/85, 1987). A known method for determining the size-quantitative characteristics of water-suspended particles, which consists in the formation of a reference measuring volume optically-mechanically in a flow channel due to its intersection with a parallel flow of rectangular radiation of constant cross section perpendicular to it and constant intensity, and the forced direction of particles suspended in water in the reference volume along the trajectory perpendicular to the direction of the radiation flux and the larger side of its rectangular cross section, and recording in being revisited particles in water (U.S. Patent N 4,637,719, cl. G 01 N 21/85, 1987).

Устройство для реализации способа включает средство для генерации параллельного потока оптического излучения, средство для формирования оптическим путем реперного объема прямоугольного сечения, средство для принудительного направления взвешенных в воде частиц в реперном объеме, средство для перемещения реперного объема, средство для приема и преобразования оптического излучения в электрические сигналы и средство для регистрации изменения амплитуды электрических импульсов (Патент США N 4637719, кл. G 01 N 21/85, 1987). A device for implementing the method includes means for generating a parallel stream of optical radiation, means for forming an optical reference volume of rectangular cross section, means for forcing particles suspended in water in the reference volume, means for moving the reference volume, means for receiving and converting optical radiation into electrical signals and means for recording changes in the amplitude of electrical pulses (US Patent N 4637719, CL G 01 N 21/85, 1987).

Такой способ определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц и устройство для его осуществления хотя и обеспечивают возможность определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц, но не позволяют сканировать водное пространство, не нарушая естественного распределения планктона в микромасштабе. Although this method of determining the size-quantitative characteristics of particles suspended in water and a device for its implementation, although they provide the possibility of determining the size-quantitative characteristics of particles suspended in water, they do not allow scanning the water space without violating the natural distribution of plankton in the microscale.

Задача изобретения заключается в том, чтобы избежать упомянутых трудностей и предложить такой способ и устойство для его реализации, которые при относительной простоте обеспечивали бы проведение операций по определению размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц, например планктона, без нарушения их естественного распределения в микромасштабе. The objective of the invention is to avoid the aforementioned difficulties and to propose such a method and device for its implementation, which, with relative simplicity, would provide operations to determine the size and quantity characteristics of particles suspended in water, for example plankton, without violating their natural distribution on the microscale.

Это достигается благодаря тому, что в способе определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц, заключающемся в формировании одного или более реперных объемов оптическим путем за счет передачи в заранее установленном направлении параллельного потока прямоугольного сечения импульсного оптического излучения постоянной интенсивности, перемещении реперного объема в природной среде по траектории, перпендикулярной направлению потока излучения и большей стороне его прямоугольного сечения, и регистрации взвешенных в воде частиц при появлении их в реперном объеме путем приема оптического излучения из реперного объема, преобразования его в электрические сигналы и анализе этих сигналов по амплитуде и длительности, предложено отношение размеров сторон прямоугольного сечения приравнять отношению максимальной и минимальной границ размерного диапазона регистрируемых частиц, а скорость перемещения реперного объема удерживать на уровне, не превышающем отношение длины его меньшей стороны сечения ко времени периода частоты следования импульсов оптического излучения. This is achieved due to the fact that in the method for determining the size-quantitative characteristics of particles suspended in water, which consists in the formation of one or more reference volumes in an optical way by transmitting in a predetermined direction a parallel flow of rectangular cross-section of pulsed optical radiation of constant intensity, moving the reference volume in natural medium along a trajectory perpendicular to the direction of the radiation flux and the larger side of its rectangular cross section, and registration of the weight particles in water when they appear in the reference volume by receiving optical radiation from the reference volume, converting it into electrical signals and analyzing these signals by amplitude and duration, it is proposed to equate the aspect ratio of the sides of a rectangular section with the ratio of the maximum and minimum boundaries of the size range of the particles being detected, and keep the speed of the reference volume at a level not exceeding the ratio of the length of its smaller side of the section to the time period of the pulse repetition rate op radiation.

Кроме того, предложено отфильтровывать принимаемые импульсы оптического излучения из реперного объема от постороннего светового излучения путем вычитания амплитуды сигнала, полученного во время отсутствия импульсов излучения, из амплитуды сигнала, полученного во время действия импульса. In addition, it is proposed to filter the received pulses of optical radiation from the reference volume from extraneous light radiation by subtracting the amplitude of the signal obtained during the absence of radiation pulses from the amplitude of the signal obtained during the pulse.

Поставленная задача решается также благодаря тому, что устройство для определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц, включающее средство для генерации параллельного потока импульсного оптического излучения, средство для формирования оптическим путем реперного объема прямоугольного сечения, средство для перемещения реперного объема, средство для приема и преобразования оптического излучения в электрические сигналы и средство для регистрации изменения амплитуды электрических импульсов, снабжено средством для определения разности между импульсным сигналом в отсутствии частиц и импульсным сигналом, полученным во время регистрации частиц, и средством, формирующим временной интервал на время регистрации частицы, при этом отношение размеров сторон прямоугольного сечения реперного объема выбирают равным отношению максимальной и минимальной границ размерного диапазона регистрируемых частиц. The problem is also solved due to the fact that a device for determining the size-quantitative characteristics of particles suspended in water, including means for generating a parallel stream of pulsed optical radiation, means for forming a rectangular volume reference frame optically, means for moving the reference volume, means for receiving and conversion of optical radiation into electrical signals and means for recording changes in the amplitude of electrical pulses, equipped with to determine the difference between the pulsed signal in the absence of particles and the pulsed signal obtained during the registration of particles, and the means forming the time interval for the time of registration of the particles, while the ratio of the sizes of the sides of the rectangular cross section of the reference volume is chosen equal to the ratio of the maximum and minimum boundaries of the size range of the recorded particles.

Кроме того, устройство предложено дополнительно снабдить средством для регистрации величины сигнала, характеризующего оптические свойства водной среды перед регистрацией взвешенной частицы, и средством для измерения разницы между величиной, характеризующей оптические свойства водной среды, и амплитудой сигнала для каждого импульса в течение сформированного интервала времени. In addition, the device is further proposed to provide a means for recording the magnitude of the signal characterizing the optical properties of the aqueous medium before recording the suspended particle, and means for measuring the difference between the magnitude characterizing the optical properties of the aqueous medium and the amplitude of the signal for each pulse during the generated time interval.

На фиг. 1 показан общий вид погружаемой части устройства для определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц, установленной на СТД-зонде; на фиг. 2 изображен упрощенный поперечный разрез устройства; на фиг. 3 изображен общий вид устройства, установленного на буксируемом носителе; на фиг. 4 изображена электрическая схема, иллюстрирующая работу устройства. In FIG. 1 shows a general view of the immersed part of the device for determining the size and quantity characteristics of particles suspended in water mounted on a STD probe; in FIG. 2 shows a simplified cross-sectional view of a device; in FIG. 3 shows a general view of a device mounted on a towed medium; in FIG. 4 is a circuit diagram illustrating the operation of the device.

Предложенный способ и созданное на его основе устройство для определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц заключаются в формировании реперного объема путем передачи потока прямоугольного сечения импульсного оптического излучения постоянной интенсивности, регистрации взвешенных в воде частиц при появлении их в реперном объеме путем приема оптического излучения из реперного объема, который представляет собой своеобразную световую плоскость шириной 10-30 мм и толщиной 0,5-1 мм. Для формирования прямоугольного сечения возможно использование диафрагм с отверстием соответствующей конфигурации и размеров. Длина световой плоскости зависит от места расположения приемника излучения. The proposed method and a device based on it for determining the size-quantitative characteristics of particles suspended in water consist in forming a reference volume by transmitting a rectangular-section flow of pulsed optical radiation of constant intensity, recording particles suspended in water when they appear in the reference volume by receiving optical radiation from reference volume, which is a kind of light plane with a width of 10-30 mm and a thickness of 0.5-1 mm. To form a rectangular cross-section, it is possible to use diaphragms with a hole of the corresponding configuration and size. The length of the light plane depends on the location of the radiation receiver.

Прием оптического излучения из реперного объема может осуществляться под любым углом к направлению передаваемого излучения. При расположении фотоприемника под каким-либо углом к направлению излучения, не равным 180^o, фотоприемник реагирует на отраженное от частиц излучение - используется режим измерения I - "белого на черном фоне". Большое достоинство этого метода заключается в отсутствии оптических юстировок и возможности компановки всего устройства в едином прочном корпусе. Расположение излучателя и фотоприемника напротив друг друга и на одной оси позволяет получать тень от частицы на фотоприемнике и реализует режим измерения II - "черного на белом фоне".The reception of optical radiation from the reference volume can be carried out at any angle to the direction of the transmitted radiation. When the photodetector is positioned at any angle to the radiation direction, not equal to 180 ^o , the photodetector reacts to radiation reflected from particles - the measurement mode I is used - “white on a black background”. A great advantage of this method is the lack of optical alignment and the ability to line up the entire device in a single rugged case. The location of the emitter and the photodetector opposite each other and on the same axis allows you to get a shadow from a particle on the photodetector and implements measurement mode II - "black on a white background."

В обоих режимах фотоприемник преобразовывает принятое излучение в электрические сигналы, причем излучение, принимаемое в промежутке времени между передаваемыми импульсами, характеризует естественное световое поле исследуемой среды (посторонняя засветка, солнечная освещенность, различного рода люминисценция и др.), а на излучение, принимаемое во время передачи импульсов, дополнительно накладывается часть передаваемого излучения, имеющая переменную величину, степень изменения которой характеризует оптические свойства водной среды и возможное наличие в ней взвешенных частиц. Вычитание сигнала, полученного между импульсами, из сигнала, полученного во время действия импульсов, позволяет выделить сигнал, характеризующий характеризующий только оптические свойства водной среды и возможное наличие в ней взвешенных частиц. In both modes, the photodetector converts the received radiation into electrical signals, and the radiation received in the time interval between the transmitted pulses characterizes the natural light field of the medium under study (extraneous illumination, sunlight, various kinds of luminescence, etc.), and the radiation received during transmission of pulses, an additional part of the transmitted radiation is superimposed, having a variable value, the degree of change of which characterizes the optical properties of the aqueous medium and possible presence of suspended particles in it. Subtraction of the signal received between pulses from the signal obtained during the action of the pulses allows one to isolate a signal that characterizes only the optical properties of the aqueous medium and the possible presence of suspended particles in it.

Выделение монотонно изменяющейся составляющей из импульсного сигнала, характеризующего только оптические свойства водной среды и определяющего порог регистрации взвешенных частиц, позволяет обнаружить эти частицы при их появлении в реперном объеме путем регистрации скачкообразного изменения амплитуды электрических импульсов по отношению к определенному порогу, сравнивая два последовательно принятых импульса передаваемого оптического излучения. Isolation of a monotonically varying component from a pulse signal, which characterizes only the optical properties of the aqueous medium and determines the detection threshold of suspended particles, allows these particles to be detected when they appear in the reference volume by registering an abrupt change in the amplitude of electric pulses with respect to a certain threshold, comparing two successively received pulses of the transmitted optical radiation.

Предлагаемое устройство предназначено для определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц путем перемещения в море или другом водоеме с помощью СТД-зонда, определяющего глубину его погружения при вертикальном зондировании на дрейфовых станциях (фиг. 1) или при помощи стандартного буксируемого носителя на ходу судна (фиг. 3). The proposed device is designed to determine the size and quantity characteristics of particles suspended in water by moving in the sea or other body of water using a STD probe that determines the depth of its immersion during vertical sounding at drift stations (Fig. 1) or using a standard towed carrier while the ship (Fig. 3).

Устройство, созданное на основе предложенного способа состоит из излучателя 1 (фиг. 1-3) и плат 3 с электронными схемами, расположенными в цилиндрическом контейнере 4, имеющем на одном торце прозрачный иллюминатор 5, а на другом - герморазъем 6, к которому подводится питание и снимается информация в виде сигналов. В контейнере 7, аналогичном контейнеру 4, с иллюминатором 8 и герморазъемом 9 установлен фотоприемник 2 и платы 3 с электронными схемами. A device based on the proposed method consists of a radiator 1 (Fig. 1-3) and circuit boards 3 with electronic circuits located in a cylindrical container 4, having a transparent porthole 5 at one end and a pressure seal 6 at the other, to which power is supplied and information is taken in the form of signals. In the container 7, similar to the container 4, with a window 8 and a pressure seal 9, a photodetector 2 and a circuit board 3 with electronic circuits are installed.

Контейнеры 4 и 7 устанавливаются на раме 10 (фиг. 3) буксируемого носителя либо на элементы 11 ограждения (фиг. 1) конструкции зонда. The containers 4 and 7 are installed on the frame 10 (Fig. 3) of the towed carrier or on the elements 11 of the fence (Fig. 1) of the probe structure.

В качестве излучателя 1 используется импульсный полупроводниковый лазер, работающий в ближнем ИК-диапазоне на длине волны 910 нм. Частота импульсов излучения может быть выбрана в диапазоне 5-50 кГц. Это зависит от минимального размера регистрируемых частиц и максимальной скорости движения устройства. Излучатель расположен в фокусе объективна 12, формирующего параллельный поток излучения, диаметр которого равен диаметру выходного зрачка объектива. As the emitter 1 uses a pulsed semiconductor laser operating in the near infrared at a wavelength of 910 nm. The frequency of the radiation pulses can be selected in the range of 5-50 kHz. It depends on the minimum size of the detected particles and the maximum speed of the device. The emitter is located in the focus of the objective 12, forming a parallel radiation flux, the diameter of which is equal to the diameter of the exit pupil of the lens.

Прямоугольное сечение луча 13, например размером 1х10 мм, обеспечивается диафрагмой 14 с соответствующим отверстием. Поток излучения проходит через иллюминатор 5 - исследуемую среду 15 или 16, иллюминатор 8 и далее попадает на светофильтр 17, который отсекает окружающий свет видимой области. Далее имеется собирающий объектив 18, в фокусе которого расположен фотоприемник 2, в качестве которого может быть использован кремниевый фотодиод. The rectangular cross section of the beam 13, for example, 1x10 mm in size, is provided by a diaphragm 14 with a corresponding hole. The radiation flux passes through the porthole 5 — the medium under study 15 or 16, the porthole 8 and then gets on the filter 17, which cuts off the surrounding light of the visible region. Next, there is a collecting lens 18, the focus of which is the photodetector 2, which can be used as a silicon photodiode.

Оптически сформированный реперный объем для данного устройства будет иметь величину, равную
1 мм х 10 мм х (300-500 мм) х 2 = 6000-10000 мм
При прохождении устройством расстояния величиной в один метр исследуемый объем составит 0,006-0,01 м, что вполне достаточно для репрезентативной оценки концентрации планктона в большинстве районов Мирового океана. В биологически бедных акваториях оцениваемый объем можно увеличивать за счет прохождения большей дистанции для необходимой оценки.The optically formed reference volume for this device will have a value equal to
1 mm x 10 mm x (300-500 mm) x 2 = 6000-10000 mm
When the device passes a distance of one meter, the volume under investigation will be 0.006-0.01 m, which is quite enough for a representative assessment of plankton concentration in most parts of the World Ocean. In biologically poor water areas, the estimated volume can be increased by passing a greater distance for the necessary assessment.

При пересечении реперным объемом частицы 19 (фиг. 2) на фотоприемнике появляется тень от нее. Сигнал с фотодиода будет пропорционален размеру тени вдоль большей стороны В прямоугольного сечения реперного объема (фиг. 2). Время пересечения частицы реперным объемом будет пропорционально размеру тени вдоль меньшей стороны А прямоугольного сечения при постоянной скорости движения всего устройства. When the reference volume of the particle 19 crosses (Fig. 2), a shadow from it appears on the photodetector. The signal from the photodiode will be proportional to the size of the shadow along the larger side B of the rectangular cross section of the reference volume (Fig. 2). The time the particle crosses the reference volume will be proportional to the size of the shadow along the smaller side A of a rectangular cross section at a constant speed of movement of the entire device.

Функциональная электрическая схема обработки сигналов с фотодиода представлена на фиг. 4. Фотоприемный усилитель (ФПУ) 20 имеет управляемый коэффициент усиления, обеспечивающий необходимую чувствительность в широком диапазоне прозрачности, присущей большинству районов Мирового океана. Сигналы с ФПУ 20 поступают на два устройства выборки хранения (УВХ) 21 и 22, управляемые синхроимпульсами запуска лазера. УВХ1 21 выбирает и запоминает сигнал только во время импульса излучения, т.е. этот сигнал несет информацию о возможном наличии и размерах планктона в реперном объеме плюс информацию о световом поле и прозрачности среды (фон). УВХ2 22 обрабатывает сигнал между импульсами и характеризующий только фон. Далее дифференциальный усилитель 23 вычитает из сигнала от УВХ1 21 сигнал УВХ2 22. В результате получается сигнал, независящий от светового поля среды. A functional electrical circuit for processing signals from a photodiode is shown in FIG. 4. The photodetector amplifier (FPU) 20 has a controlled gain that provides the necessary sensitivity in a wide range of transparency inherent in most regions of the oceans. The signals from the FPU 20 are fed to two storage sampling devices (UVC) 21 and 22, controlled by laser start sync pulses. UVX1 21 selects and stores the signal only during the radiation pulse, i.e. this signal carries information about the possible presence and size of plankton in the reference volume plus information about the light field and the transparency of the medium (background). UVX2 22 processes the signal between pulses and characterizes only the background. Next, the differential amplifier 23 subtracts the signal UVX2 22 from the signal from UVX1 21. As a result, a signal is obtained that is independent of the light field of the medium.

Амплитуды сигналов, характеризующих частицы одинаковых размеров, в водах разной прозрачности будут также различны. Для ликвидации этого явления необходима автоматическая регулировка ФПУ 20, следящая за изменениями прозрачности среды. Для выделения сигнала о прозрачности среды служит УВХ3 24. Так как в момент пересечения реперным объемом частицы разница между двумя смежными импульсами изменится скачкообразно, а изменение прозрачности достаточно монотонно (разница такого же порядка для прозрачности может быть на расстоянии тысяч импульсов), то для управления УВХЗ 24 используется компаратор 25, стробируемый синхроимпульсами запуска лазера. На время от импульса до импульса конденсатор (С) 26 поддерживает напряжение предыдущего импульса, которое для компаратора является опорным. Срабатывая при появлении импульса от частицы на выходе усилителя 23, компаратор 25 заставляет УВХЗ 24 запомнить величину предыдущего значения сигнала прозрачности без частицы (напряжение на конденсаторе 26 между импульсами) и поддерживает эту величину вплоть до момента окончания процесса пересечения частицы реперным объемом. Полученный сигнал через усилитель 27 поступает на вход управления чувствительностью ФПУ 20, который изменяет коэффициент усиления. Таким образом реализуется цепь АРЧ, позволяющая поддерживать постоянство величин сигналов от частиц равных размеров в водах различной прозрачности. The amplitudes of the signals characterizing particles of the same size in the waters of different transparency will also be different. To eliminate this phenomenon, automatic adjustment of FPU 20 is required, monitoring changes in the transparency of the environment. To isolate the signal about the transparency of the medium, UVX3 24 is used. Since at the moment of crossing the reference volume of the particle, the difference between two adjacent pulses will change stepwise, and the transparency will be monotonous (the difference of the same order for transparency can be at a distance of thousands of pulses), then to control UVHZ 24, a comparator 25 is used, which is gated by a laser trigger clock. For the period from pulse to pulse, capacitor (C) 26 maintains the voltage of the previous pulse, which is a reference for the comparator. When a pulse occurs from a particle at the output of amplifier 23, comparator 25 forces UVHZ 24 to remember the value of the previous value of the transparency signal without particles (voltage across the capacitor 26 between pulses) and maintains this value until the moment the particle crosses the reference volume. The received signal through the amplifier 27 is fed to the input of the sensitivity control FPU 20, which changes the gain. In this way, an ARC chain is implemented, which allows maintaining the constancy of the values of signals from particles of equal sizes in waters of different transparency.

Кроме поддержки работы УВХЗ 24 выходной сигнал компаратора 25 можно использовать для оценки размеров частиц вдоль направления движения устройства при постоянной скорости движения реперного объема. Искомый размер будет являться функцией числа синхроимпульсов, укладывающихся в сформированный компаратором временной интервал, частоты синхроимпульсов и скорости движения реперного объема. In addition to supporting the operation of the UVHZ 24, the output signal of the comparator 25 can be used to estimate the particle size along the direction of movement of the device at a constant speed of movement of the reference volume. The desired size will be a function of the number of clock pulses that fit into the time interval formed by the comparator, the frequency of the clock pulses and the speed of the reference volume.

Для выделения величины сигнала от частицы служит вычитающий дифференциальный усилитель 28, на второй вход которого также подается сигнал от УВХЗ 24. Дальнейшая обработка полученного сигнала проводится пиковым детектором. Размер частицы вдоль большей стороны прямоугольного сечения будет являться функцией полученной величины и размера большей стороны (В) фиг. 2 прямоугольного сечения. To isolate the magnitude of the signal from the particle, a subtracting differential amplifier 28 is used, the second input of which also receives a signal from UVHZ 24. Further processing of the received signal is carried out by a peak detector. The particle size along the larger side of the rectangular section will be a function of the obtained value and the size of the larger side (B) of FIG. 2 rectangular sections.

Реализация предложенного способа определения размерно-количественных характеристик взвешенных в воде частиц осуществляется следующим образом. Implementation of the proposed method for determining the size-quantitative characteristics of particles suspended in water is as follows.

После формирования реперного объема его перемещают по траектории, перпендикулярной направлению потока излучения и большей стороне его прямоугольного сечения. Для просмотра водного пространства без пропусков необходимо осуществлять продвижение реперного объема со скоростью не более отношения длины меньшей стороны сечения (толщины световой плоскости) ко времени периода частоты следования импульсов оптического излучения. After the formation of the reference volume, it is moved along a trajectory perpendicular to the direction of the radiation flux and the larger side of its rectangular section. To view the water space without gaps, it is necessary to advance the reference volume with a speed of no more than the ratio of the length of the smaller side of the section (the thickness of the light plane) to the time of the repetition rate of the optical radiation pulses.

Использование оптического способа формирования реперного объема позволяет сканировать водное пространство, не нарушая естественное распределение планктона в микромасштабе (в отличие от систем с принудительным отбором части воды с планктоном или концентрации планктона специальной сетью и направление искусственно созданного потока воды с планктоном в проточный канал с датчиком планктона), и не травмируя сами организмы. Применение излучения в ближней ИК-области позволяет не только ликвидировать возможность дневной засветки и исключить последствия любых типов люминисценции, но и предотвратить нарушение физиологического состояния организмов и, как следствие, нежелательные двигательные реакции организмов, т.е. распугивание. Using the optical method of forming the reference volume allows you to scan the water space without violating the natural distribution of plankton at the microscale (unlike systems with forced selection of part of the water with plankton or plankton concentration by a special network and the direction of the artificially created water flow with plankton into the flow channel with a plankton sensor) , and without injuring the organisms themselves. The use of radiation in the near infrared region allows not only to eliminate the possibility of daylight exposure and to eliminate the consequences of any types of luminescence, but also to prevent disturbance of the physiological state of organisms and, as a result, undesirable motor reactions of organisms, i.e. scaring.

В зависимости от конструкции и устройства фотоприемника, а также его места расположения относительно реперного объема и степени сложности электронных схем реализуется ряд возможностей предлагаемого устройства. Depending on the design and device of the photodetector, as well as its location relative to the reference volume and the degree of complexity of electronic circuits, a number of possibilities of the proposed device are realized.

В режиме измерения I предлагаемое устройство предназначено для определения экстремальных значений в количественном распределении планктона для наводки стандартных орудий отбора проб планктона, регистрирует только количество частиц, хотя при наличии измерителя скорости перемещения реперного объема возможно определение размера частиц вдоль траектории движения устройства путем подсчета числа импульсов излучения, укладывающихся в интервал времени регистрации частицы. При этом на время регистрации частицы запоминается величина порога регистрации для определения момента окончания регистрации. In measurement mode I, the proposed device is designed to determine the extreme values in the quantitative distribution of plankton for picking up standard plankton sampling tools, it registers only the number of particles, although with a reference speed meter, it is possible to determine the particle size along the device’s trajectory by counting the number of radiation pulses, fit into the particle registration time interval. In this case, at the time of registration of the particle, the value of the registration threshold is remembered to determine the moment of registration completion.

В режиме II и при использовании оценки разницы между площадью затемнения фотоприемника частицей и общей площади сечения реперного объема как разницы между амплитудами принимаемых сигналов при наличии частицы и без нее можно определять размер частиц вдоль перпендикуляра к направлениям излучения и передвижения устройства. При этом необходимо поддерживать уровень порога на постоянной величине в широком диапазоне изменения прозрачности среды. Для этой цели служит цепь обратной связи, обеспечивающая автоматическую регулировку чувствительности фотоприемника. In mode II and when using the estimate of the difference between the dark area of the photodetector of the particle and the total cross-sectional area of the reference volume as the difference between the amplitudes of the received signals with and without a particle, it is possible to determine the particle size along the perpendicular to the directions of radiation and movement of the device. In this case, it is necessary to maintain the threshold level at a constant value over a wide range of environmental transparency changes. For this purpose, a feedback circuit is used, providing automatic adjustment of the sensitivity of the photodetector.

В режиме II также при наличии измерителя скорости перемещения реперного объема возможно определение размера частиц вдоль траектории движения устройства аналогично режиму I. In mode II, also in the presence of a speed meter for moving the reference volume, it is possible to determine the particle size along the path of the device, similar to mode I.

Совместное использование перечисленных конструктивных решений для режима II позволяет определять площадь сечения частиц, плоскость сечения которой параллельна плоскости прямоугольного сечения оптического излучения. The joint use of the above design solutions for mode II allows you to determine the cross-sectional area of particles, the plane of the cross section of which is parallel to the plane of a rectangular cross section of optical radiation.

Используя фотоприемную матрицу и число строк более двух, можно осуществлять непосредственную классификацию частиц по размерным группам, количество которых равно числу задействованных строк, которые, в свою очередь, определяют число параллельных реперных объемов. При этом дистанции от первого по пути движения пачки реперных объемов объема, считывающего сигнальным, до каждого из последующих (классификационных), являются границами размерных групп. Результатом измерения будет определение старшего классификационного объема, регистрирующего частицу в момент окончания ее регистрации сигнальным объемом, размер этой частицы будет меньше дистанции от сигнального объема до определенного объема и больше дистанции до предыдущего объема. Using a photodetector matrix and the number of rows more than two, it is possible to directly classify particles by size groups, the number of which is equal to the number of rows involved, which, in turn, determine the number of parallel reference volumes. In this case, the distances from the first along the path of the movement of the pack of reference volumes of the volume that is read as the signal volume to each of the subsequent (classification) ones are the boundaries of the size groups. The result of the measurement will be the determination of the highest classification volume registering the particle at the moment of its registration with the signal volume, the size of this particle will be less than the distance from the signal volume to a certain volume and more than the distance to the previous volume.

Claims

1. A method for determining the size-quantitative characteristics of particles suspended in water, which consists in forming a reference volume by transferring, in a predetermined direction, a parallel flow of a rectangular section of pulsed optical radiation of constant intensity, moving the reference volume along a path perpendicular to the direction of the radiation stream and the larger side of its rectangular section , and registration of particles suspended in water when they appear in the reference volume by receiving optical radiation and the reference volume, converting it into electrical signals and analyzing these signals in amplitude and duration, characterized in that the aspect ratio of the sides of the rectangular section is chosen equal to the ratio of the maximum and minimum boundaries of the size range of the detected particles, and the speed of moving the reference volume is chosen no more than the ratio of its smaller length side of the section to the time period of the pulse repetition rate of the optical radiation.

2. The method according to p. 1, characterized in that the received optical radiation pulses from the reference volume are filtered out from extraneous light radiation by subtracting the amplitude of the signal obtained during the absence of radiation pulses from the amplitude of the signal obtained during the action of the pulse.

3. The method according to p. 2, characterized in that the optical properties of the aqueous medium are determined before the moment of registration of the suspended particle by recording the amplitude of the pulse received and filtered radiation in the absence of particles.

4. The method according to p. 3, characterized in that the registration of the particles is carried out when the amplitude of the received radiation pulse is changed in comparison with the previously recorded value characterizing the optical properties of the aqueous medium, by registering an abrupt change in the amplitude of two consecutive electrical pulses.

5. The method according to p. 4, characterized in that the size of the detected particles along the trajectory of movement of the reference volume is determined by counting the number of consecutive pulses, the amplitude of which differs from the previously recorded value characterizing the optical properties of the medium.

6. The method according to p. 5, characterized in that the direction of the optical radiation flux is changed by using reflective surfaces that can reduce the length of the reference volume without changing its value.

7. A device for determining the size-quantitative characteristics of particles suspended in water, including means for generating a parallel stream of pulses of optical radiation, means for forming an optical reference volume of a rectangular cross section, means for moving a reference volume, means for receiving and converting optical radiation into electrical signals and means for recording changes in the amplitude of the electrical pulses, characterized in that it is provided with means for determining the difference ezhdu signal in the absence of pulses and a signal obtained during the pulses, and means for forming the time interval at the time of registration of the particles, wherein the aspect ratio of the sides of a rectangular section equal to the ratio of reference volume maximum and minimum boundaries detected particle size range.

8. The device according to p. 7, characterized in that it is equipped with a means for storing the magnitude of the signal characterizing the optical properties of the aqueous medium before registering the suspended particle.

9. The device according to p. 8, characterized in that it is equipped with reflective surfaces that serve to change the direction of the transmitted optical radiation and reduce its overall dimensions.

10. The device according to p. 9, characterized in that it has a means for measuring the difference between the value characterizing the optical properties of the aqueous medium, and the amplitude of the signal for each pulse during the generated time interval.