Подводное изображение морской поверхности как источник информации о ветровом волнении и оптических свойствах воды

Мольков, Александр Андреевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Подводное изображение морской поверхности как источник информации о ветровом волнении и оптических свойствах воды
ВАК РФ 25.00.29, Физика атмосферы и гидросферы

Автореферат диссертации по теме "Подводное изображение морской поверхности как источник информации о ветровом волнении и оптических свойствах воды"

На правах рукописи

МОЛЬКОВ Александр Андреевич

ПОДВОДНОЕ ИЗОБРАЖЕНИЕ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ КАК ИСТОЧНИК ИНФОРМАЦИИ О ВЕТРОВОМ ВОЛНЕНИИ И ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ ВОДЫ

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

2 3 ЯНВ 2014

Нижний Новгород 2013

005544642

Работа выполнена в Институте прикладной физики РАН, г. Нижний Новгород

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук JI.C. Долин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

О.В. Копелевич

(Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН)

кандидат физико-математических наук A.C. Тибилов

(Государственный оптический институт им. С.И. Вавилова)

Ведущая организация:

Национальный исследовательский ядерный университет МИФИ

Защита состоится «17» марта 2014 г. в 15:00 час. на заседании диссертационного совета Д 002.069.01 в Институте прикладной физики РАН по адресу: 603950 Нижний Новгород, ГСП-120, ул. Ульянова, 46.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке Института прикладной физики РАН и на его официальном сайте (http://www.ipfran.ru/).

Автореферат разослан « » декабря 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.ф.-м.н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ДИССЕРТАЦИИ

Актуальность темы

В настоящее время оптические средства наблюдения стали играть важную роль в решении задач дистанционного контроля физических параметров Океана и протекающих в нем динамических процессов. Изображения морской поверхности, получаемые со спутников, летательных аппаратов, судов, океанологических платформ и береговых сооружений, используются для получения информации о характеристиках ветрового волнения и факторах, определяющих его изменчивость (ветер, поверхностные течения, внутренние волны, пленки поверхностно-активных веществ). С помощью космических сканеров цвета определяется состав растворенного и взвешенного в воде вещества, оценивается биопродуктивность наблюдаемого района Океана. На основе лидарной, телевизионной и спектрофотометрической технологий создаются самолетные комплексы аппаратуры для картографирования и профилирования мелководных участков дна и контроля мутности воды.

Первые и наиболее известные работы по дистанционному измерению статистических характеристик ветрового волнения были выполнены Коксом и Манком в 50-х годах прошлого столетия [1-3]. Они проводили съемку солнечной дорожки фотокамерами без линз с борта самолета в районе Гавайских островов, где высота Солнца достигала 70 градусов. Авторы получили расфокусированные изображения солнечной дорожки в виде пятна и показали, что путем статистической обработки таких изображений можно измерять функцию распределения уклонов поверхности, которая в первом приближении совпадает с функцией Гаусса, а по параметрам этой функции можно определять скорость и направление приводного ветра. В 80-е годы аналогичные исследования проводились с целью отработки методики определения функции распределения уклонов поверхности, скорости и направления ветра по спутниковым изображениям солнечной дорожки [4-7]. Возможность определения характеристик волнения в ночное время по картине бликов от искусственных источников света была показана в работе [8]. Полученные в ней результаты оказались очень близки к результатам Кокса-Манка. Также для исследования характеристик ветрового волнения стали использоваться изображения волн, которые формируются светом неба за пределами солнечной дорожки. Было установлено, что при правильном выборе направления наблюдения видимая яркость элемента поверхности почти линейно зависит от его уклона, что позволило разработать методику определения пространственного спектра волнения по изображениям участков морской поверхности, свободных от солнечных бликов [9-13].

3 Г\ 1

изображений, алгоритмов решения обратных задач и средств наблюдения. Например, в работе [14] 2002 года приведены результаты восстановления функции распределения уклонов поверхности, полученные путем совместной обработки оптических изображений солнечной дорожки и данных со скаттерометров о направлении ветра. Эти результаты находятся в хорошем соответствии с измерениями Кокса-Манка [1], а небольшая расходимость между ними объясняется, с одной стороны, особенностями волнения, а с другой стороны, иными условиями освещения и наблюдения.

Совершенствование измерительной аппаратуры, размещаемой на борту спутников, самолетов и кораблей, а также увеличение числа самих спутников, способствовало активному развитию оптических методов диагностики более широкого круга явлений, протекающих на поверхности и в приповерхностном слое водоема, таких как поверхностные и внутренние волны, неоднородные течения, слики и т.д. [15-18]. Примером высокоинформативного измерительного средства может служить лазерно-телевизионная самолетная система SHOALS фирмы Optech International Inc. [19, 20], позволяющая формировать карты рельефа и коэффициента отражения морского дна, обнаруживать подводные объекты и формировать трехмерные изображения водной толщи, в которых отображаются пространственные вариации концентрации взвешенных в воде частиц.

Большой вклад в решение этих задач внес коллектив ИПФ РАН. Сотрудниками института были разработаны оптические волнографы, которые на протяжении многих лет успешно применяются в океанологических исследованиях для дистанционного измерения пространственно-временных спектров волнения и кинематических характеристик длинных поверхностных волн [21-29]. Сделаны оценки погрешности оптического метода измерения спектров ветрового волнения, обусловленные нарушением линейной зависимости видимой яркости поверхности от ее уклона при наблюдении волн за пределами зоны солнечных бликов [30]. В работе [31] был предложен метод определения спектрально-энергетических характеристик длинных поверхностных волн по их изображению на периферии солнечной дорожки. Основой для апробации предложенного метода послужили фотографии солнечной дорожки, сделанные авторами во время полетов над Горьковским водохранилищем на вертолете. Оценки точности определения функции распределения уклонов поверхности по солнечным бликам приведены в [32].

Сотрудниками института были предложены модели флуктуаций яркости света, выходящего из водной толщи [33, 34], и оценена их роль как негативного фактора, влияющего на точность определения характеристик волнения по изображениям поверхности. Показана возможность восстановления пространственного распределения вектора уклона морской поверхности по ее «мгновенному» изображению [35, 36], необходимая для реализации адаптивного метода наблюдения через взволнованную водную поверх-

ность [37, 38]. Этот метод позволит устранить искажения изображений морского дна и подводных объектов, обусловленные преломлением света на случайно-неровной границе раздела вода-воздух.

Определенную информацию о состоянии морской поверхности и оптических свойствах воды можно получать и при наблюдении поверхности снизу, из-под воды. Если глубина резкости оптической системы достаточно велика, то подводное изображение поверхности можно рассматривать как совокупность изображений Солнца и неба, искаженных водной средой1. Искажения возникают вследствие преломления света на взволнованной водной поверхности и его отражения от поверхности, а также в результате рассеяния и поглощения света в воде. В отсутствие волнения влияние водной поверхности на изображение Солнца проявляется только в изменении его видимой яркости, углового размера и полярного угла, а изображение неба выглядит как светлое круглое пятно на морской поверхности с угловым радиусом 48.75°, равным углу полного внутреннего отражения света от границы раздела вода-воздух. Это пятно принято называть кругом Снел-лиуса. Волнение искажает описанную картину. Изображение Солнца превращается в систему бликов - подводную солнечную дорожку, круг Снел-лиуса тоже разрушается: за его пределами появляются светлые пятна, а внутри — темные. В структуре этого изображения и заключена информация о состоянии водной поверхности и оптических свойствах воды.

Использование результатов наблюдения подводной солнечной дорожки и искажений круга Снеллиуса для определения характеристик волнения и оптических характеристик воды невозможно без создания специальной методики, которая должна отвечать на вопросы о том, каким образом и какими средствами целесообразно проводить подводную видеосъемку поверхности, какие статистические характеристики ее изображения могут быть использованы для решения обратных задач, каковы алгоритмы решения этих задач. Ответ на эти вопросы требует в свою очередь разработки моделей подводного изображения поверхности, которые устанавливают зависимость его статистических характеристик от характеристик волнения и оптических свойств воды. Решению указанного круга задач и посвящена диссертационная работа.

Следует сказать, что теоретическому и экспериментальному исследованию флуктуаций световых полей в море и связи этих флуктуаций с характеристиками волнения посвящено большое число публикаций (например, [39-48]). Вместе с тем, задача определения характеристик волнения и воды по подводному изображению поверхности до недавнего времени не ставилась, хотя именно в детальной структуре ее изображения заключена наиболее полная информация об этих характеристиках. Решение указанной зада-

1 Это угверждение справедливо, если при фокусировке оптической системы «на поверхность» и «на бесконечность» получаются одинаковые изображения.

чи представляется важным для выявления возможностей получения количественной информации о характеристиках водной среды с помощью средств подводной видеосъемки и возможностей использования этих средств в системах экологического мониторинга природных водоемов.

Цель и задачи исследования

Цель работы заключалась в создании методической основы для количественной оценки характеристик ветровых волн и мутности воды с помощью оптических средств подводного видения. Достижение этой цели потребовало решения следующих задач:

- построения теоретических моделей случайной реализации и статистических моментов подводного изображения морской поверхности, устанавливающих зависимость характеристик изображения от характеристик волнения и оптических свойств воды;

- поиска алгоритмов решения обратных задач — восстановления характеристик волнения и оптических параметров воды по подводным изображениям поверхности;

- подготовки программного обеспечения для компьютерного моделирования подводных изображений поверхности и апробации алгоритмов решения обратных задач на модельных изображениях;

- экспериментальной проверки методов восстановления характеристик волнения и оптических характеристик воды по подводным изображениям поверхности.

Научная новизна

Исследования, которым посвящена данная работа, носили пионерский характер. При их выполнении впервые были получены следующие результаты:

- Разработана теоретическая модель случайной реализации изображения взволнованной водной поверхности, наблюдаемой из-под воды в условиях естественного освещения. Модель описывает «мгновенную» структуру подводной солнечной дорожки, которая образуется в результате преломления на поверхности прямого света Солнца, и структуру искаженного волнением круга Снеллиуса, формируемого светом неба.

- Получены формулы для расчета статистически среднего (накопленного) изображения подводной солнечной дорожки и пространственно-временной корреляционной функции ее изображения, а также формулы для расчета накопленного изображения круга Снеллиуса.

- Найдены алгоритмы определения дисперсии уклонов и дисперсии кривизны взволнованной водной поверхности, а также спектрально-энергетических характеристик волнения по статистическим моментам подводного изображения поверхности.

- Показана возможность определения показателей ослабления и рассеяния воды по накопленному изображению подводной солнечной дорожки.

- Спроектирована и изготовлена оснастка для наблюдения морской поверхности с глубин до 30 м, с помощью которой выполнена подводная видеосъемка поверхности в водах с различной прозрачностью при различных скоростях ветра и условиях освещения.

- Создано программное обеспечение для моделирования и обработки смоделированных в численном эксперименте и полученных в натурных условиях подводных изображений поверхности.

- Проведена апробация методики восстановления параметров ветрового волнения и оптических характеристик воды по подводным изображениям поверхности с использованием данных численного и натурного экспериментов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Подводная солнечная дорожка отличается от надводной тем, что ее угловые размеры меньше, а блики в ней крупнее. Это делает подводную дорожку менее чувствительной к параметрам волнения, но зато облегчает наблюдение ее тонкой структуры и определение спектрально-энергетических характеристик волнения с помощью средств подводного видения.

2. Информация о волнении, содержащаяся в солнечной дорожке и круге Снеллиуса, «закодирована» по-разному: по солнечной дорожке определяются уклоны поверхности в «бликующих» точках, а картина искаженного волнением круга Снеллиуса в основном воспроизводит контуры участков поверхности, на которых радиальная составляющая уклона поверхности превышает пороговое значение, зависящее от расстояния между точкой поверхности и границей невозмущенного круга Снеллиуса.

3. По накопленному изображению подводной солнечной дорожки и пространственной корреляционной функции ее изображения можно определять дисперсии уклонов и кривизны поверхности и пространственный спектр ее уклонов.

4. По накопленному изображению круга Снеллиуса восстанавливается дисперсия уклонов поверхности.

5. На небольших оптических глубинах показатель ослабления воды может быть определен по ослаблению с глубиной средней яркости центра солнечной дорожки.

6. Показатель рассеяния воды оценивается по энергетическим характеристикам накопленного изображения солнечной дорожки и примыкающего к ней ореола, создаваемого рассеянным светом.

7. Средства подводного видения позволяют наблюдать изменения характеристик волнения под влиянием пленок ПАВ.

Достоверность научных результатов

Достоверность научных результатов подтверждается использованием апробированных методов расчета световых полей при построении статистических моделей подводного изображения морской поверхности, соответствием теоретических результатов с данными численного и натурного экспериментов, а также отсутствием противоречий с основными положениями теории видения в мутных средах.

Научные результаты, изложенные в диссертации, с достаточной степенью полноты опубликованы в ведущих рецензируемых журналах и докладывались на ряде российских и международных конференций.

Научная и практическая значимость работы

Результаты работы составляют научно-методическую основу нового метода дистанционного измерения характеристик ветрового волнения и оптических параметров воды. Метод основывается на статистической обработке изображений нижней стороны морской поверхности и извлечении информации о состоянии поверхности и водной среды из статистических характеристик изображения с помощью специально разработанных алгоритмов. Этот метод может быть практически использован для повышения эффективности работы стационарных систем экологического мониторинга прибрежной зоны морей и внутренних водоемов при условии их оснащения донными оптическими датчиками, регистрирующими изображение водной поверхности.

Результаты работы использовались в проектах Фонда поддержки научных школ (проект Н1Н-1244.2008.2), РФФИ (проекты №08-05-00252, №09-05-97024-р_Поволжье, №10-05-00101, №11-05-97022, №11-05-00384, №1105-97029, №12-05-31237, №12-05-31363, №13-05-00812, №13-05-97038, №13-05-97058, №13-05-97059), Правительства Российской Федерации (договора №11.034.31.0048 и №11.034.31.0078) и Министерства образования и науки РФ (государственный контракт № 02.740.11.0566, соглашение № 8332, договор №14.В25.31.0023).

Апробация результатов работы и публикации

Результаты работы были представлены:

1) на международной конференции "Current problems in optics of natural waters", 2007 г., г. Нижний Новгород;

2) на международных конференциях "Current problems in optics of natural waters", 2009,2011 и 2013 гг., г. Санкт-Петербург;

3) на II международном семинаре "Проблемы взаимодействия атмосферы и гидросферы", 2010 г., г. Нижний Новгород;

4) на семинарах ИПФ РАН.

Результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах [1*-8*], из них 3 [1*-3*] — в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК (Изв. РАН. Физика атмосферы и океана; Изв. Вузов. Радиофизика), 4 [4*7*] — в трудах конференции "Current problems in optics of natural waters, Proceedings", и 1 [8*] - в препринте ИПФ РАН.

Личный вклад автора

Все результаты работы были получены при непосредственном участии автора, включая основной его вклад в разработку теоретических моделей подводного изображения поверхности и методов ее диагностики, проектирование экспедиционной установки для подводной видеосъемки, проведение серии экспериментов на Горьковском водохранилище и Черном море, создание программного обеспечения и обработку данных численного и натурного экспериментов.

Структура п объем работы

Работа состоит из введения, списка обозначений и сокращений, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы, списка опубликованных работ по теме диссертации и приложений. Общий объем диссертации - 127 страниц, включая 70 рисунков, 6 таблиц и список литературы, состоящий из 77 работ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, указана научная новизна, обоснована научная и практическая значимость работы, определен личный вклад автора.

Глава 1 посвящена разработке теоретических моделей подводного оптического изображения взволнованной морской поверхности. В параграфе 1.1 сформулирована постановка задачи, введены основные обозначения, указаны методы и подходы, которые были применены при создании модели мгновенного изображения поверхности, наблюдаемой с определенной глубины через водный слой с известными оптическими свойствами при произвольных условиях освещения, определяемых высотой Солнца и состоянием атмосферы. Эта модель конкретизирована применительно к двум наиболее информативным элементам изображения - подводной солнечной дорожке, которая формируется в результате преломления на поверхности прямого света Солнца, и искаженному волнением кругу Снеллиуса — подводному изображению небосвода (рис. 1).

Рис. 1. Модельные изображения нижней стороны морской поверхности в отсутствие волнения (слева) и при наличии волны зыби (справа)

Механизм искажений круга Снеллиуса поясняет рис. 2, на котором вектор пЯ1 показывает направление на границу невозмущенного круга Снеллиуса, а вектора п+ и п_ - направления на светлое и темное пятна, возникающие в изображении по-

т] <0

77 > О

П /

верхности под влиянием волнения. Как показано на рисунке, светлые пятна за пределами невозмущенного круга Снеллиуса появляются в местах поверхности с положительным радиальным уклоном (уклоном в сторону горизонта), через которые наблюдатель видит фрагменты небосвода. А темные пятна внутри невозмущенного круга Снеллиуса появляются на элементах поверхности с отрицательным радиальным уклоном, через которые небосвод не виден. Наблюдение неба через элемент поверхности с полярным углом > <9Х„ = агсзт(1 / т) становится возможным, если уклон этого элемента удовлетворяет условию 7 > (зт<9+ -гп'1)/соз&+, а проникновение света неба через элемент поверхности с полярным углом 3 < Э8п прекра-

Рис. 2. Траектории лучей, образующих светлые пятна за пределами круга Снеллиуса и темные пятна внутри него

щается при условии —г/>(т 1 - бш >9 ) / соэ . Таким образом, контуры светлых и темных пятен в окрестности границ круга Снеллиуса очерчивают участки поверхности, на которых уклон превышает определенное значение, зависящее от положения пятна, а это открывает возможности для восстановления функции распределения уклонов поверхности или ее параметров по искажениям круга Снеллиуса.

Модели статистически-средних (накопленных) изображений подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса приведены в параграфе 1.2, а в параграфе 1.3 получены соотношения, устанавливающие взаимосвязь между пространственно-корреляционными характеристиками вектора уклонов взволнованной морской поверхности и функцией пространственной корреляции изображения подводной солнечной дорожки, формируемой прямым светом Солнца.

В Главе 2 выполнен анализ статистических характеристик подводного изображения поверхности с использованием результатов их расчета по формулам предыдущей главы и результатов статистической обработки случайных реализаций изображения, которые моделировались на компьютере с помощью специально разработанного программного обеспечения. Результаты проведенного анализа использовались для упрощения моделей статистических характеристик изображения поверхности, анализа погрешности определения этих характеристик в зависимости от числа обрабатываемых случайных реализаций изображения, выработки требований к временам и условиям видеосъемки при выполнении натурных экспериментов.

Глава 3 посвящена поиску и апробации конкретных алгоритмов решения обратных задач — определению параметров волнения и оптических свойств воды по подводным изображениям поверхности. Основой для этого служат аналитические модели статистических моментов изображений подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса из главы 1, а также результаты численного анализа характеристик изображений из главы 2.

В параграфе 3.1 показано, что на основе результатов наблюдения поверхности с небольших оптических глубин при высотах Солнца 40°—90° дисперсию уклонов поверхности в направлении ветра ег* ив поперечном к ветру направлении <ггу можно определить по площади сечения накопленного изображения подводной солнечной дорожки в каждом из этих направлений Бх у:

= 0.5(/и-1)-2 (тХу !л~8в]) , (1)

где т — показатель преломления воды, 289, — угловой размер Солнца. Установлено, что погрешность ее оценки лежит в пределах 15-20% при усреднении 10 ООО изображений и не превышает 10% при усреднении 100 000 изображений.

Параграф 3.2 посвящен методике определения параметров волнения по накопленному изображению круга Снеллиуса. Получено простое соотношение

А, > (2)

устанавливающее связь между значениями среднеквадратичных уклонов поверхности аху и параметров &ху, характеризующих размытие границы круга Снеллиуса в двух его ортогональных сечениях. Коэффициент а определен для трех типичных распределений яркости по небосводу: изотропного, спадающего к горизонту (сплошная облачность) и возрастающего к горизонту (ясный день). Методом численного моделирования установлено, что для достижения тех же погрешностей оценки дисперсии уклонов, что и при наблюдении солнечной дорожки, требуется меньшее на 1-2 порядка число случайных реализаций изображения поверхности.

В параграфах 3.3-3.4 предложены алгоритмы определения пространственных коэффициентов корреляции уклонов Ях и кривизны Кхх водной поверхности, а также дисперсии ее кривизны ахх по коэффициенту пространственной корреляции ее изображения Кх и дисперсиям уклонов поверхности <у2х , сггу. Наиболее просто взаимосвязь между указанными характеристиками выглядит в случае одномерного волнения:

1+-

-ехр< —

а2 г

< =-2(т-\у2бд;

К2х(р) 2(т-1) т2 /(2(т-1)2 ст2хг2У +К"Х(0)

О)

(4)

^(р) = -^/а2„^Ях(р)/с1рг, (5)

где р - расстояние между двумя точками поверхности, Т - глубина расположения приемника. Установлено, что для достижения хорошей точности решения обратной задачи необходимо обрабатывать не менее 10 ООО изображений (табл. 1 и рис. 3).

Таблица 1. Пример оценки дисперсии кривизны для скорости ветра 4 м/с

Число реализаций / Данные для оценки 1440 14400 144000

Формула Бурцева-Пелевина Г49] 0.624 0.624 0.624

Подводная солнечная дорожка 0.399 0.518 0.575

Относительная погрешность, % 36 17 8

Возможностям определения оптических свойств воды посвящены параграфы 3.5-3.6. На начальном интервале глубин, где изображение поверхности формируется преимущественно прямым светом Солнца, возможно определение показателя ослабления воды с по формуле

с = cos (Z2 - Z,) ' In /, / /2, (6)

где /,,/2 - яркость центра накопленного изображения солнечной дорожки при ее наблюдении с глубин Z, и

Z2 > Zl; - угол, под которым виден центр Солнца из-под воды.

Рассеяние света в воде создает вокруг солнечной дорожки ореол, яркость которого зависит от глубины расположения приемника, бальности волнения и оптических свойств воды. Если дисперсия уклонов поверхности определена, то показатель рассеяния воды можно оценить по какому-либо параметру, характеризующему соотношение между яркостями накопленных изображений солнечной дорожки и ее ореола. В качестве такого параметра мы выбрали величину

0.9 00 07 06 1* 05 04 0i 0? o:i

-..... f i / V ;.......I......1 -

• // 11. \'Г

' // ......: //. У V \ V ........:........Г...........|...... ......^.......}......Хх^

L i i . i i

р,М

Рис. 3. Исходный (пунктирная кривая) и восстановленный (сплошная кривая) коэффициент корреляции уклонов поверхности

00 п°

Пч) = ¡(Jsp (пх,ть))dnx / }(/,„ (пх,х„))dnx,

(7)

где rh=b,Z

оптическая глубина по показателю рассеяния вперед Ь,;

распределение яркости в одном из сечений накопленного

изображения солнечной дорожки; п£х - полуширина этого распределения по заданному уровню ( е), опре-

деляемая из условия

На рис. 4 показаны результаты расчета этого параметра как функции оптической глубины для зенитного расположения Солнца и трех скоростей ветра. Приведенные на рисунке кривые сохраняют свой вид для высот Солнца от 40° до 90°, где полуширина накопленного изображения солнечной дорожки по уровню 0.5 слабо зависит от вы-

2г-- 5 /

1......................... 5 / /z4

3 м/с 6 м/с 9 м/с

ol-

0 2 4 6 8 10

Оптическая глубина Рис. 4. Параметр Р как функция оптической глубины для трех скоростей ветра при е = 0.5

соты Солнца. Ими можно пользоваться для оценки показателя рассеяния воды по измеренному параметру Р, если известна глубина погружения оптического приемника и скорость приводного ветра.

В Главе 4 описаны натурные эксперименты, проводившиеся в период с 2010 г. по 2012 г. на Горьковском водохранилище и Черном море с целью проверки возможностей определения характеристик ветрового волнения и оптических характеристик воды по подводным изображениям морской поверхности. Приводятся примеры наблюдения подводной солнечной дорожки (рис. 5) и фрагментов круга Снеллиуса (рис. 6) с разных глубин в водах с разной прозрачностью при различном состоянии ее поверхности.

Рис. 5. Надводная (слева) и подводная (справа) солнечные дорожки при одинаковом удалении видеокамеры (3.7 м) от морской поверхности

Рис. 6. Фрагмент круга Снеллиуса с изображением волны от капли дождя при наблюдении с глубины 0.5 м (слева) и пример численного моделирования изображения цилиндрических волн на границе круга Снеллиуса и вблизи нее (справа)

Показано, что результаты восстановления дисперсии уклонов поверхности по изображениям солнечной дорожки (рис. 7) и круга Снеллиуса (рис. 8) при наличии и в отсутствие пленки ПАВ хорошо согласуются с оценками дисперсии, выполненными на основе данных о скорости приводного ветра.

Видеозаписи, сделанные на малых глубинах (до 10 м), оказались малоинформативными из-за перегрузки фотоприемника прямым светом Солнца. Поэтому оценка показателя ослабления проводилась на основе результатов видеосъемки водной поверхности с больших глубин (20-30 м), на которых ослабление яркости накопленного изображения солнечной дорожки не описывалось законом Бугера. В соответствии с этим для решения обратной задачи использовалась теоретическая модель накопленного изображения

солнечной дорожки, учитывающая вклад рассеянного света в ее видимую яркость, и корреляционные соотношения между различными гидрооптическими характеристиками [50]. Показатель ослабления оценивался по величине параметра /% представляющего собой отношение яркостей центра накопленных изображений подводной солнечной дорожки на двух различных глубинах. Пример расчета параметра Р как функции показателя ослабления воды для трех скоростей ветра и глубин 2, =24 м, 22=30 м показан на рис. 9. В эксперименте при скорости ветра 6 м/с было получено значение I7 = 2.76, соответствующее значению с =0.3 м"1, которое оказалось близким к оценке показателя ослабления по глубине видимости диска Секки (с = 0.33 м'1).

^ , 5 5.5 6 6.5

Скорость ветра, м/с Скорость ветра, м/с

Рис. 7. Результаты оценки дисперсии уклонов чистой морской поверхности (слева) и поверхности, покрытой пленкой (справа), по натурным изображениям подводной солнечной дорожки. Прямыми линиями показана зависимость Кокса-Манка

Рис. 8. Оценка дисперсии уклонов по- Рис. 9. Параметр Е как функция пока-

верхности по искажениям границы кру- зателя ослабления воды для трех скоро-

га Снеллиуса (точки). Прямой показана стей ветра и глубин 24 м, 30 м зависимость Кокса-Манка

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Разработана модель изображения нижней стороны случайно-неровной морской поверхности. Модель представляет собой совокупность формул для расчета видимой яркости поверхности с заданным рельефом при ее наблюдении с определенной глубины через водный слой с известными оптическими свойствами при произвольных условиях освещения, определяемых высотой Солнца и состоянием атмосферы. Модель справедлива для двумерного анизотропного волнения и учитывает эффекты рассеяния света в воде. Модель конкретизирована применительно к двум наиболее информативным элементам изображения - подводной солнечной дорожке и кругу Снеллиуса. Дано объяснение механизма искажений круга Снеллиуса поверхностным волнением.

2. Построены модели статистически-средних (накопленных) изображений подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса. Предложены алгоритмы определения дисперсии уклонов поверхности по этим изображениям. Определены погрешности ее оценки в зависимости от числа усредняемых изображений.

3. Предложен алгоритм определения коэффициентов корреляции уклонов и кривизны поверхности, а также дисперсии ее кривизны по коэффициенту пространственной корреляции изображения поверхности.

4. Проанализировано влияние рассеянного в воде света на структуру подводного изображения солнечной дорожки. Для гладкой водной поверхности и поверхности, искаженной одномерной синусоидальной волной, продемонстрирована разница в изображениях подводной солнечной дорожки, формируемых прямым, однократно и многократно рассеянным светом. Пояснен механизм формирования светового пятна и лучей, наблюдаемых вблизи отдельного блика в натурных изображениях. Получены оценки оптических глубин, при которых вкладом рассеянного света в видимую яркость солнечной дорожки можно пренебречь.

5. Теоретически обоснована возможность оценки показателя ослабления воды по ослаблению яркости накопленного изображения солнечной дорожки и возможность восстановления показателя рассеяния воды по величине параметра, характеризующего соотношение между световыми потоками, заключенным в солнечной дорожке и в световом ореоле вокруг нее.

6. Разработана оснастка для выполнения видеосъемки нижней стороны морской поверхности с пирса, борта корабля и палубы океанографической платформы. Получены данные о видимости подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса в водах с различной прозрачностью и при различных скоростях ветра. Установлена возможность использования средств подводного видения для контроля процесса цветения воды и наблюдения органических пленок на водной поверхности.

7. Экспериментально подтверждена возможность определения дисперсии уклонов поверхности в направлении ветра и в поперечном к ветру

направлении по изображениям подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса. Установлено, что оценки дисперсии по изображениям чистой морской поверхности и поверхности, покрытой пленкой олеиновой кислоты, хорошо согласуются с оценками дисперсии по формулам Кокса-Манка на основе данных о скорости ветра.

8. В ходе натурных экспериментов продемонстрирована работоспособность предложенных алгоритмов определения показателей ослабления и рассеяния воды по накопленному изображению подводной солнечной дорожки.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Сох, С., Munk. W. Measurements of the Roughness of the Sea Surface from Photographs of the Sun Glitter // J. Opt. Soc. Am. 1954. № 44. P. 838-850.

2. Cox, C., Munk. W. Statistics of the Sea Surface Derived from Sun Glitter //J. Mar. Res. 1954. № 13. P. 198-227.

3. Cox C„ Munk W. Slopes of the sea surface deducted from photographs of sun glitter // Bulletin of the Scripps Institution of Oceanography, C.E. ZoBell, R.A. Arthur and D.L. Fox, Eds. 1956. V. 6, №. 9. P. 401-^188.

4. Soules S.D. Sun glitter viewed from space I I Deep Sea Res. 1970. V. 17. P. 191-195.

5. Levanon. N. Determination of the sea surface slope distribution and wind velocity using sun glitter viewed from a synchronous satellite // J. Phys. Oceanogr. 1971. V. 10. P. 214-220.

6. Webber. D.S. Surface winds from sun glitter measurements from a spacecraft II Proc. Soc. Photo. Opt. Instrum. Eng. 1971. V. 27. P. 93-100.

7. Wald L., Monget J.M. Sea surface winds from sun glitter observations //Journal of Geophysical Research. 1983. V. 88, № 4. P. 2547-2555.

8. Пелевин B.H., Бурцев Ю.Г. Измерение наклонов элементарных площадок поверхности волнующегося моря // Оптические исследования в океане и в атмосфере над океаном. М.: ИОАН СССР. 1975. С. 231-232.

9. Chapman R.D., Irani G.B. Errors in estimating slope spectra from wave images // Appl. Opt. 1981. V. 20, №. 20. P. 3645-3652.

10. Ewingl.A. II J. Marine Res 1969. V.27. №2. P.163.

11. Kasevich R.S. J. Geophys. // Res. 1975. V.80. №33. P.4535.

12. Monaldo F.M., KasevichR.S.//J. Phys. Oceanography. 1981. V.l, №2. P.272.

13. Stihvell D., Pilon R.O. Directional spectra of surface waves from photographs//J. Geophys. Res. 1974. V. 79, № 9. P. 1277-1284.

14. EbuchiN., Kizu S. Probability distribution of surface slope derived using Sun glitter images from geostationary meteorological satellite and surface vector winds from scatterometers // I.Oceanogr. 2002. V. 58. P. 477- 486.

15. Brekke C., Solberg A.H.S. Oil spill detection by satellite remote sensing //Remote Sens. Environ. 2005. V. 95. P. 1-13.

16. Breon F.M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // J. Geophys. Res. 2006. P. 111.

17. Chust G„ Sagarminaga Y. The multi-angle view of MISR detects oil slicks under sun glitter conditions // Remote Sens. Environ. 2007. V. 107. P. 232-239.

18. Мясоедов А.Г., Кудрявцев B.H. Оценка контрастов поверхностных проявлений океанических явлений по изображениям солнечного блика // Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2010. № 16. С. 94-114.

19. Kopilevich Yu.I„ Feygels V.I., Tuell G.H., Surkov A. Measurement of ocean water optical properties and seafloor reflectance with scanning hydro-graphic operational airborne Iidar survey (SHOALS): I. Theoretical background // Proc. of SPIE 5885. 2005. P. 106-114.

20. Tuell G.H., Feygels V.I., Kopilevich Yu.I., Weidemann A.D., Cunningham A.G., ManiR., Podoba V., Ramnath V., ParkJ.Y., AitkenJ. Measurement of ocean water optical properties and seafloor reflectance with scanning hydro-graphic operational airborne lidar survey (SHOALS): II. Practical results and comparison with independent data // Proc. of SPIE 5885.2005. P. 115-127.

21. Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г., Титов В.И, Определение характеристик пространственно-временных спектров волнения по оптическому изображению морской поверхности // Изв. АН СССР. Физ. атм. и'океана. 1985. Т. 21, № 10. С. 1095.

22. Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г., Титов В.И. Оптические методы диагностики океана. Дистанционное исследование поверхностного волнения // Дистанционные методы изучения океана. Горький : ИПФ АН СССР,. 1987. С. 84-125.

23. Баханов В.В., Браво-Животовский Д.М., Зуйкова Э.М., Кемарская О.Н., Титов В.И. Методы диагностики спектрально-кинематических характеристик поверхностного волнения по оптическим изображениям поверхности моря // Проявление глубинных процессов на морской поверхности. Н.Новгород, 2004. С. 102-110.

24. Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Кемарская О.Н., Титов В.И. Определение спектров волнения по оптическому изображению морской поверхности // Изв. вузов. Радиофизика. 2006. Т. 49, № 1. С. 53-63.

25. Баханов В.В., Э.М. Зуйкова, О.Н. Кемарская, В.И. Титов. Диагностика спектрально-кинематических характеристик длинных поверхностных волн по оптическим изображениям поверхности моря: препринт №775 ИПФ РАН. Н.Новгород, 2008. 20 с.

26. Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Кемарская О.Н., Титов В.И, Троицкая Ю.И. Определение спектрально-кинематических характеристик поверхностного волнения по оптическим изображениям поверхности моря // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса. Сборник научных статей. ООО "Азбука-2000". 2009. Т. 6, № 1. С. 303-313.

27. Титов В.И., Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г. Исследование пространственно - временных спектров короткомасштабного волнения оптическим методом. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа // Сб. науч. тр. HAH Украины: МГИ. Севастополь. 2010. Т 21. С. 197-206.

28. Титов В.И., Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г., Троицкая Ю.И. Исследование динамики двумерных спектров морского волнения // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. М.: ООО "ДоМира". 2010. Т. 7, № 1. С. 273 - 285.

29. Титов В.И., Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г. Разработка принципов мониторинга состояния водной поверхности и приводного слоя атмосферы по оптическим изображениям поверхности // Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. М.: ООО "ДоМира". 2012. Т. 9, № 2. С. 273 - 285.

30. Титов В.И. Определение спектра волнения моря путем спектрального анализа аэрофотоснимков // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана 1982 Т. 18, №2. С. 215.

31. Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Титов В.И. Определение параметров волнения по солнечным бликам // Проявления глубинных процессов на морской поверхности. Н. Новгород : ИПФ РАН, 2007.

32. Титов В.И. О точности определения функции распределения склонов морской поверхности по солнечным бликам // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1980. Т. 16, №2. С. 178-185.

33. Лучинин А.Г. Влияние ветрового волнения на характеристики светового поля, обратно рассеянного дном и толщей воды // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1979. Т. 15, № 7. С. 770-775.

34. Вебер В.Л. О статистических характеристиках изображений, полученных при наблюдении через неровную поверхность раздела сред с различными показателями преломления // Изв. Вузов. Радиофизика. 1979. Т 22 №:8. С. 989-1001.

35. Турлаев Д.Г., Долин Л.С. О наблюдении подводных объектов через взволнованную водную поверхность: новый алгоритм коррекции изображений и лабораторный эксперимент // Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2013. Т. 49, № 3. С. 370-376.

36. Turlaev D.G. The advanced algorithm for determining the vector of slopes of the water surface from its image. // Proceedings VII International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters". 2013. P.226-229.

37. Долин Л.С., Лучинин А.Г., Турлаев Д.Г. Алгоритм восстановления изображений подводных объектов, искаженных поверхностным волнением // Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2004. Т. 40, №6. С. 42-850.

38. Лучинин А.Г., Долин Л.С., Турлаев Д.Г. О коррекции изображений подводных объектов при неполной информации о поверхностном волнении // Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2005. Т. 41, № 2. С. 272-277.

39. Якубенко В.Г., Николаев В.П., Прокопов О.И., Жильцов A.A., Не-стеренко JI.M. О флуктуациях яркости подводного светового поля // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1974. Т. 10, № 9.

40. Якубенко В.Г., Николаев В.П. Численное моделирование флуктуа-ций светового поля под взволнованной морской поверхностью // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1977. Т. 13, № 2.

41. Николаев В.П., Якубенко В.Г. О связи статистических характеристик подводного светового поля с характеристиками волнения // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1978. Т. 14, № 1. С. 118-123.

42. Шевернев В.И. Статистическая структура поля освещенности под взволнованной поверхностью моря // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1973. Т. 9, № 6. С. 596-507.

43. Бялко A.B. О связи статистических характеристик отраженного и преломленного света со спектром волнения поверхности // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1975. Т. 11, № 6. С. 655-660.

44. Лучинин А.Г., Сергиевская И.А. О флуктуациях светового поля под взволнованной поверхностью моря // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1982. Т. 18, №6. С. 850-858.

45. Вебер В.Л. О пространственных флуктуациях подводной освещенности // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1982. Т. 18, № 9. С. 953-962.

46. Вебер В.Л., Лучинин А.Г. О дисперсии флуктуации изображений при наблюдении через взволнованную поверхность // Изв. АН СССР. Физ. атм. и океана. 1983. Т. 19, № 6. С. 631-638.

47. Вебер В.Л. О коэффициенте вариаций флуктуаций подводной освещенности //Изв. вузов. Радиофизика. 2010. Т. 53, № 1. С. 14-30.

48. Weber V.L. On the asymmetry coefficient of the probability distribution function of underwater irradiance // Proceedings VII International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters". 2013. P. 333-338.

49. Вебер В.Л. О моделировании одномерной случайной поверхности: препринт №603 ИПФ РАН. Н.Новгород, 2002.

50. Левин И.М., Копелевич О.В. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в области спектра около 550 нм И Океанология. 2007. Т. 47, № 3. С. 344-348.

СПИСОК РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1*. Мольков A.A., Долин JI.C. Информативные свойства подводной солнечной дорожки // Изв. Вузов. Радиофизика. 2009. Т. 52, №1. С. 36-45.

2*. Мольков A.A., Долин JLC. Определение характеристик ветрового волнения по подводному изображению морской поверхности // Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2012. Т. 48, № 5. С. 617-630.

3*. Мольков A.A., Долин JI.C. Определение дисперсии уклонов взволнованной водной поверхности по размытию границы круга Снеллиуса // Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2013. Т. 49, № 5. С. 615-626.

4*. Molkov А.А., Dolin. L.S. Informative properties of the underwater solar path // Proceedings IV International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters". 2007. P. 252-256.

5*. Molkov A.A., Dolin L.S. Determination of wind wave parameters by sea surface image observed from under water // Proceedings V International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters". 2009. P. 305-310

6*. Molkov A.A., Dolin L.S. The underwater image of the sea surface as the source of information of wind roughness // Proceedings VI International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters". 2011. P. 242-247

7*. Molkov A.A., Dolin L.S. The dependence of the characteristics of an underwater solar path image on the water scattering properties // Proceedings VII International Conference "Current Problems in Optics of Natural Waters". 2013 P. 133-138.

8*. Мольков A.A., Долин JI.C. Подводное изображение морской поверхности как источник информации о ветровом волнении: препринт №807 ИПФ РАН. Н. Новгород, 2010. 28 с.

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Введение.............................................................................. 5

Список обозначений.............................................................. 18

Глава 1. Теоретические модели подводного оптического изображения взволнованной морской поверхности................................................23

§ 1.1 Модель мгновенного изображения взволнованной поверхности..........................................................................................................................................23

Изображение подводной солнечной дорожки в пренебрежении вкладом рассеянного света в видимую яркость поверхности... 31

Изображение круга Снеллиуса......................................... 34

§ 1.2 Модель статистически среднего (накопленного) изображения

взволнованной поверхности................................................... 39

Накопленное изображение подводной солнечной дорожки...... 40

Накопленное изображение круга Снеллиуса........................ 40

§ 1.3 Модель коэффициента пространственной корреляции

изображения подводной солнечной дорожки.............................. 41

Основные результаты главы 1................................................ 45

Глава 2. Компьютерное моделирование подводных изображений

морской поверхности.............................................................. 47

§ 2.1 Моделирование рельефа взволнованной морской поверхности.................................................................................. 47

§ 2.2 Моделирование мгновенных изображений подводной солнечной дорожки и статистических моментов ее изображения в пренебрежении вкладом рассеянного света в видимую яркость поверхности..................................................................... 52

§2.3 Моделирование изображений подводной солнечной дорожки

с учетом многократного рассеяния света в воде................................................57

Изображение Солнца, наблюдаемого через гладкую поверхность и толщу воды..............................................................................................59

Изображение Солнца, искаженного одномерной синусоидальной поверхностной волной............................................................62

Накопленное изображение подводной солнечной дорожки............63

§2.4 Моделирование изображения круга Снеллиуса........................................66

Мгновенное изображение................................................................................................66

Накопленное изображение............................................................................................67

Основные результаты главы 2................................................................................................69

Глава 3. Алгоритмы определения характеристик ветрового волнения и оптических свойств воды по подводным изображениям поверхности........................................................................................................................................................................72

§ 3.1 Определение дисперсии уклонов поверхности по накопленному изображению подводной солнечной дорожки............................................72

§ 3.2 Определение дисперсии уклонов поверхности по искажениям

границы круга Снеллиуса..........................................................................................................74

§ 3.3 Определение коэффициента пространственной корреляции

уклонов поверхности.................................................................................81

§ 3.4 Определение коэффициента пространственной корреляции

кривизны поверхности и дисперсии ее кривизны..................................................84

§ 3.5 Определение показателя ослабления воды..................................................86

§ 3.6 Определение показателя рассеяния воды......................................................86

Основные результаты главы 3............................................................................88

Глава 4. Экспериментальное исследование подводных изображений

поверхности................................................................................................................................................90

§ 4.1 Натурный эксперимент на Черном море, г. Геленджик, 2010 г. 90 § 4.2 Натурный эксперимент на Горьковском водохранилище,

2011 г............................................................................................................................................................94

§ 4.3 Натурный эксперимент на Черном море, Крым, 2012 г....................96

§ 4.4 Методика обработки натурных изображений..........................................103

§ 4.5 Определение дисперсии уклонов поверхности по накопленному изображению подводной солнечной дорожки..................................................105

§ 4.6 Определение дисперсии уклонов поверхности по величине

искажений границы круга Снеллиуса............................................................................107

§ 4.7 Определение показателя ослабления воды..................................................108

Основные результаты главы 4................................................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ........................................................................................................................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ 1....................................................................................................................................117

ПРИЛОЖЕНИЕ 2....................................................................................................................................119

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..............................................................................................................121

МОЛЫСОВ Александр Андреевич

Автореферат

Подписано к печати 24.12.2013 г. Формат 60 х 90 Vi6. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 100 экз. Заказ №97(2013).

Отпечатано в типографии Института прикладной физики РАН, 603950, г. Н. Новгород, ул. Ульянова, 46

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата физико-математических наук, Мольков, Александр Андреевич, Нижний Новгород

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ ПРИКЛАДНОЙ ФИЗИКИ РАН (ИПФ РАН)

На правах рукописи

МОЛЬКОВ Александр Андреевич

25.00.29 - физика атмосферы и гидросферы

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: к.ф.-м.н., Долин Л.С.

Нижний Новгород - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................................5

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ...............................................................................................18

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПОДВОДНОГО ОПТИЧЕСКОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯ ВЗВОЛНОВАННОЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ....................23

§1.1 Модель мгновенного изображения взволнованной поверхности.............23

Изображение подводной солнечной дорожки в пренебрежении вкладом

рассеянного света в видимую яркость поверхности........................................31

Изображение круга Снеллиуса..........................................................................34

§1.2 Модель статистически среднего (накопленного) изображения

взволнованной поверхности..................................................................................39

Накопленное изображение подводной солнечной дорожки...........................40

Накопленное изображение круга Снеллиуса...................................................40

§ 1.3 Модель коэффициента пространственной корреляции изображения

подводной солнечной дорожки.............................................................................41

Основные результаты главы 1...............................................................................45

ГЛАВА 2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДВОДНЫХ

ИЗОБРАЖЕНИЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ...........................................................47

§ 2.1 Моделирование рельефа взволнованной морской поверхности...............47

§ 2.2 Моделирование мгновенных изображений подводной солнечной дорожки и статистических моментов ее изображения в пренебрежении

вкладом рассеянного света в видимую яркость поверхности............................52

§2.3 Моделирование изображений подводной солнечной дорожки с учетом

многократного рассеяния света в воде.................................................................57

Изображение Солнца, наблюдаемого через гладкую поверхность и толщу

воды......................................................................................................................59

Изображение Солнца, искаженного одномерной синусоидальной

поверхностной волной........................................................................................62

Накопленное изображение подводной солнечной дорожки...........................63

§2.4 Моделирование изображения круга Снеллиуса..........................................66

Мгновенное изображение...................................................................................66

Накопленное изображение.................................................................................67

Основные результаты главы 2...............................................................................69

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ И ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ ПО ПОДВОДНЫМ

ИЗОБРАЖЕНИЯМ ПОВЕРХНОСТИ..............................................................................72

§ 3.1 Определение дисперсии уклонов поверхности по накопленному

изображению подводной солнечной дорожки.....................................................72

§ 3.2 Определение дисперсии уклонов поверхности по искажениям границы

круга Снеллиуса......................................................................................................74

§ 3.3 Определение коэффициента пространственной корреляции уклонов

поверхности.............................................................................................................81

§ 3.4 Определение коэффициента пространственной корреляции кривизны

поверхности и дисперсии ее кривизны.................................................................84

§ 3.5 Определение показателя ослабления воды.................................................85

§ 3.6 Определение показателя рассеяния воды....................................................86

Основные результаты главы 3...............................................................................88

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДВОДНЫХ

ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ.................................................................................90

§ 4.1 Натурный эксперимент на Черном море, г. Геленджик, 20 Юг.................90

§ 4.2 Натурный эксперимент на Горьковском водохранилище, 2011 г.............94

§ 4.3 Натурный эксперимент на Черном море, Крым, 2012г.............................96

§ 4.4 Методика обработки натурных изображений...........................................103

§ 4.5 Определение дисперсии уклонов поверхности по накопленному

изображению подводной солнечной дорожки...................................................105

§ 4.6 Определение дисперсии уклонов поверхности по величине искажений

границы круга Снеллиуса....................................................................................107

§ 4.7 Определение показателя ослабления воды...............................................108

Основные результаты главы 4.............................................................................113

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..................................................................................................................114

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. УРАВНЕНИЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЛУЧА НА ВЗВОЛНОВАННОЙ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ.......................................................116

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ПРИМЕНИМОСТИ ЗАКОНА БУГЕРА ДЛЯ ОПИСАНИЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ЯРКОСТИ НАКОПЛЕННОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОДВОДНОЙ СОЛНЕЧНОЙ ДОРОЖКИ..................................118

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................................120

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В настоящее время оптические средства наблюдения стали играть важную роль в решении задач дистанционного контроля физических параметров Океана и протекающих в нем динамических процессов. Изображения морской поверхности, получаемые со спутников, летательных аппаратов, судов, океанологических платформ и береговых сооружений используются для получения информации о характеристиках ветрового волнения и факторах, определяющих его изменчивость (ветер, поверхностные течения, внутренние волны, пленки поверхностно-активных веществ). С помощью космических сканеров цвета определяется состав растворенного и взвешенного в воде вещества, оценивается биопродуктивность наблюдаемого района Океана. На основе лидарной, телевизионной и спектрофотометрической технологий создаются самолетные комплексы аппаратуры для картографирования и профилирования мелководных участков дна и контроля мутности воды.

Первые и наиболее известные работы по дистанционному измерению статистических характеристик ветрового волнения были выполнены Коксом и Манком в 50-ых годах прошлого столетия [1-3]. Они проводили съемку солнечной дорожки фотокамерами без линз с борта самолета в районе Гавайских островов, где высота Солнца достигала 70 градусов. Авторы получили расфокусированные изображения солнечной дорожки в виде пятна и показали, что путем статистической обработки таких изображений можно измерять функцию распределения уклонов поверхности, которая в первом приближении совпадает с функцией Гаусса, а по параметрам этой функции можно определять скорость и направление приводного ветра. В 80-е годы аналогичные исследования проводились с целью отработки методики определения функции распределения уклонов поверхности, скорости и направления ветра по спутниковым изображениям солнечной дорожки [4-7]. Возможность определения характеристик волнения в ночное время по картине бликов от искусственных источников света была показана в работе [8]. Полученные в ней результаты оказались очень близки к результатам Кокса-Манка. Также для

исследования характеристик ветрового волнения стали использоваться изображения волн, которые формируются светом неба за пределами солнечной дорожки. Было установлено, что при правильном выборе направления наблюдения видимая яркость элемента поверхности почти линейно зависит от его уклона, что позволило разработать методику определения пространственного спектра волнения по изображениям участков морской поверхности, свободных от солнечных бликов [9-13].

Дальнейшие исследования по этой тематике уже были направлены на повышение информативности оптических методов диагностики состояния водной поверхности за счет совершенствования теории формирования ее изображений, алгоритмов решения обратных задач и средств наблюдения. Например, в работе [14] 2002 года приведены результаты восстановления функции распределения уклонов поверхности, полученные путем совместной обработки оптических изображений солнечной дорожки и данных со скаттерометров о направлении ветра. Эти результаты находятся в хорошем соответствии с измерениями Кокса-Манка [1], а небольшая расходимость между ними объясняется, с одной стороны, особенностями волнения, а с другой стороны, иными условиями освещения и наблюдения.

Большой вклад в решение этих задач внес коллектив ИПФ РАН. Сотрудниками института были разработаны оптические волнографы, которые на

протяжении многих лет успешно применяются в океанологических исследованиях для дистанционного измерения пространственно - временных спектров волнения и кинематических характеристик длинных поверхностных волн [21-29]. Сделаны оценки погрешности оптического метода измерения спектров ветрового волнения, обусловленные нарушением линейной зависимости видимой яркости поверхности от ее уклона при наблюдении волн за пределами зоны солнечных бликов [30]. В работе [31] был предложен метод определения спектрально-энергетических характеристик длинных поверхностных волн по их изображению на периферии солнечной дорожки. Основой для апробации предложенного метода послужили фотографии солнечной дорожки, сделанные авторами во время полетов над Горьковским водохранилищем на вертолете. Оценки точности определения функции распределения уклонов поверхности по солнечным бликам приведены в [32].

1 Это утверждение справедливо, если при фокусировке оптической системы «на поверхность» и «на бесконечность» получаются одинаковые изображения.

поглощения света в воде. В отсутствие волнения влияние водной поверхности на изображение Солнца проявляется только в изменении его видимой яркости, углового размера и полярного угла, а изображение неба выглядит как светлое круглое пятно на морской поверхности с угловым радиусом 48.75°, равным углу полного внутреннего отражения света от границы раздела вода-воздух. Это пятно принято называть кругом Снеллиуса. Волнение искажает описанную картину. Изображение Солнца превращается в систему бликов - подводную солнечную дорожку, круг Снеллиуса тоже разрушается: за его пределами появляются светлые пятна, а внутри - темные. В структуре этого изображения и заключена информация о состоянии водной поверхности и оптических свойствах воды.

возможностей использования этих средств в системах экологического мониторинга природных водоемов.

Цель работы

- поиска алгоритмов решения обратных задач - восстановления характеристик волнения и оптических параметров воды по подводным изображениям поверхности;

Научная новизна:

- Спроектирована и изготовлена оснастка для наблюдения морской поверхности с глубин до 30м, с помощью которой выполнена подводная видеосъемка поверхности в водах с различной прозрачностью при различных скоростях ветра и условиях освещения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Подводная солн�

Информация о работе

Мольков, Александр Андреевич
кандидата физико-математических наук
Нижний Новгород, 2013
ВАК 25.00.29

Диссертация

Подводное изображение морской поверхности как источник информации о ветровом волнении и оптических свойствах воды - тема диссертации по наукам о земле, скачайте бесплатно

Автореферат

Похожие работы