Морские информационно-управляющие системы Май 2014, № 4 | Page 63
Еще одним из возможных вариантов применения лидаров является измерение толщины и температуры льда,
а также изучения состояния воды перед замерзанием.
Оценка толщины и профиля температуры льда играет важную роль при проектировании морских гидротехнических
сооружений, кораблей, расчете ледовых нагрузок на причалы и прибрежные сооружения. На рисунке 11 приведено
изображение полярной нефтяной платформы, при проектировании и эксплуатации которой важны данные о динамике и параметрах ледяных полей. Эти данные необходимо
получать в реальном времени, что на сегодняшний день
с помощью традиционных методов, трудоемкость которых
высока, невозможно.
Эксперименты с использованием лидара упругого
и комбинационного рассеяния предполагали измерение
толщины льда, а также профилирование его температуры.
Определять толщину образца только по упругому рассеянию не представляется возможным, потому что разница
показателей преломления воды и льда очень мала. Если
границу «воздух-лед» можно обнаружить по отраженному сигналу, то на границе «лед-вода» отраженный сигнал
очень слаб. Используя сигнал комбинационного рассеяния,
можно определить границу между льдом и водой, так как
положение центра ОН-полосы сильно зависит от температуры и от физического состояния вещества. Измерения проводились с образцами оргстекла, а также пресного льда,
полученного в лабораторных условиях. Результаты продемонстрировали высокий уровень точности предложенного
метода, при этом выявлен ряд его преимуществ. В частности, толщина льда измеряется бесконтактно, поэтому процесс измерения не влияет на температуру образца.
В качестве образца использовался пресный лед, лежащий на емкости с холодной водой так, чтобы нижняя
грань льда касалась поверхности воды. Размер образца
подбирался исходя из того, что фокусное расстояние линзы должно быть больше, чем образец, чтобы перетяжкой
пройти переднюю и заднюю грани образца. Для определения положения граней использовались спектры упругого и комбинационного рассеяния. По сигналу упругого
рассеяния возможно четко определить переднюю грань
образца.
Для измерения толщины льда использовалась следующая методика. Передняя грань образца определялась по Релеевскому рассеянию. Границу между льдом
0.05
0.10
0.15
2.0
0.0
0.8
0.8
1.6
1.6
Глубина, м
Глубина, м
Результаты исследований льда и снега
Концентрация примесей, о.е.
0.0
2.4
Температура, °С
2.5
3.0
3.5
2.4
3.2
3.2
4.8
4.8
4.8
4.8
Рис. 9. Распределение температуры воды и концентрации хлорофилла по глубине
Глубина,
определенная
сонаром
108
Сигнал, о.е.
необходим контакт излучателя и воды. Для оптических
измерений такого н е требуется, что является важным преимуществом при экспрессном картировании профиля дна
на больших территориях, в частности, при использовании
беспилотных авианосителей в местах со сложной гидрологической обстановкой, например при сильных приливах в местах со сложным рельефом.
107
106
105
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
Глубина, м
Рис. 10. Оптическая батиметрия дна фьорда по упругому рассеянию лазерного излучения
Кильвекторный
след
Направление вдоль борта
Направление
дрейфа льда
Рис. 11. Полярная нефтяная платформа
No. 1 (4) / 2014, Морские информационно-управляющие системы
61