Задача восстановления профиля морской поверхности по видеоизображению лазерных лучей

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

В настоящее время не существует дистанционных методов регистрации мгновенного двумерного профиля морской поверхности Z(x, y, t) в натурных условиях (Z – высота над невозмущённой поверхностью, x, y, t – координаты поверхности и время соответственно). Нет методов регистрации профилей капиллярных волн непосредственно на морской поверхности. Коротковолновая составляющая морского волнения играет весьма важную роль в радиометрии при формировании собственного излучения поверхности и при решении обратных задач радиолокации. В настоящей статье предложена методика оптических измерений, которая позволяет проводить измерения параметров всего спектра волнения, включая капиллярные волны с амплитудой менее 0.1 мм. Однако автору пока не удалось в полной мере решить обратную задачу восстановления двумерного профиля волнения. Автор счёл целесообразным сформулировать эту задачу и привлечь научное сообщество к её успешному решению. Получение профиля морского волнения Z(x, y, t) в натурных условиях с высокой частотой обновления позволит получать полную информацию о характеристиках волнения, временных и пространственных спектрах возвышений, спектрах уклонов, изучать эволюцию волнения при изменении ветра. Особой ценностью является возможность регистрации и исследования коротковолновых компонент волнения, включая капиллярные волны.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

В. В. Стерлядкин

МИРЭА – Российский технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: sterlyadkin@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Антонов В.В., Садовский И.Н. Исследование параметров морского волнения в рамках международного натурного эксперимента CAPMOS05: контактные измерения с использованием пятиструнного волнографа // Современ. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса. 2007. № 1. С. 254–261.
  2. Бадулин С.И., Захаров В.Е. Спектр Филлипса и модель диссипации ветрового волнения // Теорет. и мат. физика. 2020. Т. 202(3). С. 353–363.
  3. Глебова Т.В., Иванов С.Г., Каледин С.Б. и др. Оценка радиусов кривизны поверхностных волн по измеренным амплитудам лазерно-бликовых сигналов в натурных экспериментах // Физические основы приборостроения. 2021. Т. 10. № 2(40). С. 74–80.
  4. Запевалов А.С. Статистические модели морской поверхности в задачах рассеяния акустического и электромагнитного излучения: дис. … физ.-мат. наук. Севастополь: МГИ НАН Украины, 2008. 290 c.
  5. Запевалов А.С., Большаков А.Н., Смолов В.Е. Исследование уклонов морской поверхности с помощью массива волнографических датчиков // Океанология. 2009. Т. 49. № 1. С. 37–44.
  6. Захаров В.Е., Филоненко Н.Н. Спектр энергии для стохастических колебаний поверхности жидкости // Докл. АН СССР. 1966. Т. 170(6). С. 1292–1295.
  7. Захаров В.Е., Филоненко H.H. Слабая турбулентность капиллярных волн // Приклад. механика и теорет. физика. 1967. № 5. С. 62–67.
  8. Иванов С.Г., Каледин С.Б., Носов В.Н. и др. Перспективы применения беспилотных летательных аппаратов для лазерного зондирования морской поверхности // Физические основы приборостроения. 2021. Т. 10. № 1(39). С. 70–81.
  9. Калинин С.А., Лейкин И.А. Измерение уклонов ветровых волн в Каспийском море // Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1988. Т. 24. № 11. С. 1210–1217.
  10. Караев В.Ю., Мешков Е.М. Способ определения угла наклона и высоты волнения водной поверхности относительно её равновесного состояния: патент на изобретение RU2448324 C2. 20.04.2012.
  11. Лебедев Н.Е., Алескерова А.А., Плотников Е.М. Развитие оптических методов измерений уклонов морской поверхности // Современ. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса. 2016. Т. 13. № 3. С. 136–149.
  12. Стерлядкин В.В. Сканирующий оптический волнограф: патент РФ № 2746186. 20.12.2019.
  13. Стерлядкин В.В. Сканирующий лазерный волнограф с регистрацией “мгновенной” формы поверхности: патент РФ № 2749727. 16.10.2020.
  14. Стерлядкин В.В., Куликовский К.В. Измерение капиллярных волн лазерным волнографом // Российский технолог. журн. 2022. Т. 10. № 5. C. 100–110. https://www.rtj-mirea.ru/jour/article/view/571/415
  15. Юровская М.В., Кудрявцев В.Н., Широков А.С., Надоля И.Ю. Натурные измерения спектра поверхностных волн по фотографиям с беспилотного мультикоптера // Современ. проблемы дистанц. зондирования Земли из космоса. 2018. Т. 15. № 1. С. 245–257.
  16. Banner M.L., Jones I.S., Trinder J. Wavenumber spectra of short gravity waves // J. Fluid Mechanics. 1989. V. 198. P. 321–344. https://doi.org/10.1017/S0022112089000157
  17. Bock E.J., Hara T. Optical measurements of capillary-gravity wave spectra using a scanning laser slope gauge // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 1995. V. 12. P. 395–403. https://doi.org/10.1175/1520–0426(1995)0122.0.CO;2
  18. Bréon F.M., Henriot N. Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions // J. Geophysical Research: Oceans. 2006. V. 111. No. 6. Article C06005. https://doi.org/10.1029/2005JC003343
  19. Cox C., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter // J. Optical Society of America. 1954. V. 44. No. 11. P. 838–850.
  20. Hughes B.A., Grant H.L., Chappel R.W.A. Fast response surface-wave slope meter and measured wind components // Deep-Sea Research. 1977. V. 24. P. 1211–1223. https://doi.org/10.1016/0146-6291(77)90524-0
  21. Hwang P.A., Wang D.W., Walsh E.J. et al. Airborne measurements of the wave number spectra of ocean surface waves. Part I: Spectral slope and dimensionless spectral coefficient // J. Physical Oceanography. 2000. V. 30. No. 11. P. 2753–2767.
  22. https://doi.org/10.1175/1520–0485(2001)031<2753: AMOTWS>2.0.CO;2
  23. Shaw J.A., Churnside J.H. Scanning-laser glint measurements of sea-surface slope statistics // Applied Optics. V. 36. P. 4202–4213. https://doi.org/10.1364/AO.36.004202
  24. Sterlyadkin V.V., Kulikovskii K.V., Kuzmin A.V. et al. Scanning laser wave recorder with registration of “instantaneous” sea surface profiles // J. Atmospheric and Oceanic Technology. 2021. V. 38. No. 8. P. 1415–1424. https://doi.org/10.1175/JTECH-D-21-0036.1

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема измерений волнения с морской платформы. Сканатор 1 направляет игольчатый лазерный луч 2 по заданной траектории 3. Рассеянное поверхностью излучение регистрируется на цифровую видеокамеру 4.

Скачать (322KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Две пары последовательных видеоизображения лазерных лучей, полученные в ночное и дневное время с морской платформы. На нижних фото в дневное время зарегистрированы капиллярные волны.

Скачать (903KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Результаты натурных измерений: а – распределение уклонов поверхности для прямоугольного треугольника со сторонами 283×253 мм [23]; б – спектр возвышений в отдельной точке профиля в логарифмическом масштабе для развивающегося волнения 26.08.2021, Кацивели. Показатели степени на первом, втором и третьем (капиллярном) участках составляют 4.5 ± 0.3, 4.0 ± 0.2 и 2.6 ± 0.3.

Скачать (629KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Ход лучей через взволнованную морскую поверхность: а – вид сбоку, проекции лучей на плоскость xz; б – вид сверху, разрез xy.

Скачать (158KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимость координат точки А в от уклонов морской поверхности: а) кривая 1 – зависимость координаты x светящейся точки А от уклона γx морской поверхности при глубине светодиода zc = 0.2 м и отсутствии уклона по оси y, кривая 2 – то же при γy = 10°; б) зависимость смещения точки А по оси y от уклона γy по оси y. Уклоны по оси x указаны в легенде на графике.

Скачать (441KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Перемещение изображения светящегося диода, расположенного на заданной глубине zc при прохождении гармонической волны λ = 50 см; а – при амплитуде волны 7.5 мм, глубине светодиода zc = 0.3 м и различных направлениях α относительно оси x: 1 – α = 1°, 2 – α = 10°, 3 – α = 45°, 4 – α = 80°, 5 – α = 89°; б – при направлении волны α = 45° и различной амплитуде A волны и глубине светодиода zc (указаны в легенде).

Скачать (544KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Зависимость смещения точки А по оси y от уклона γy: а – для этих графиков A = (0.124, y, 0), наклон γx морской поверхности указан в легенде; б – то же, но координата x в точке А находится дальше – A = (0.187, y, 0)

Скачать (502KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Форма лазерного луча на морской поверхности при капиллярной волне λ = 15 мм, А = 0.2 мм, которая распространяется под углом α = 45° по отношению к оси x.

Скачать (171KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Участки видеокадров с увеличением: а – ночные измерения, масштаб изображения по двум осям представлен отрезками по 50 мм, тонкая вертикальная линия – форма луча при невозмущённой поверхности, кривая ab – средняя форма луча при отсутствии капиллярной волны; б – капиллярные волны, зарегистрированные в дневное время.

Скачать (222KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Геометрия измерений двумерного профиля морской поверхности, вид сверху: 1, 2 – ортогонально расположенные видеокамеры; 3 – два набора лазерных лучей, падающих на поверхность; 4 – область измеряемой морской поверхности.

Скачать (69KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024