ОКЕАНОЛОГИЯ, 2004, том 44, № 1, с. 154-159
ПРИБОРЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
УДК 551.465
ЛАБОРАТОРНО-МОДЕЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕРЕНОСА ИЗЛУЧЕНИЯ И ИЗОБРАЖЕНИЯ ЧЕРЕЗ ВЗВОЛНОВАННУЮ ВОДНУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
© 2004 г. В. Ю. Осадчий, И. М. Левин, В. В. Савченко, О. Н. Французов
Санкт-Петербургский филиал Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН Поступила в редакцию 31.10.2002 г., после доработки 18.06.2003 г.
Описана лабораторно-модельная установка для исследований взаимодействия светового поля с взволнованной водной поверхностью. Приведены примеры экспериментов по переносу изображения через взволнованную поверхность раздела воздух-вода и светорассеивающий слой воды.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из актуальных направлений оптики океана является исследование переноса излучения и изображения через взволнованную водную поверхность. Знание закономерностей этого переноса необходимо в задачах дистанционного определения характеристик водной толщи и поверхности, индикации поверхностных загрязнений, видения шельфа и подводных объектов с воздушных и космических носителей. Если перенос излучения и изображения через толщу воды хорошо изучен теоретически, а эксперименты, необходимые для проверки теории, в последние годы практически заменены моделированием методом Монте-Карло, то перенос излучения и изображения через случайную границу раздела вода-воздух и теоретически изучен мало, и плохо поддается статистическому моделированию. Поэтому для изучения взаимодействия света с взволнованной поверхностью по-прежнему актуальны экспериментальные исследования. Конечно, натурные измерения имеют то неоспоримое преимущество, что они позволяют работать в условиях реального морского волнения. Однако такие измерения, кроме очевидных технических трудностей, связаны с необходимостью учета множества случайно изменяющихся условий эксперимента, среди которых одним из решающих является изменчивость характеристик высокочастотной области ветрового волнения. В то же время в лабораторных условиях сравнительно просто обеспечить неизменность условий эксперимента (стационарность и однородность волнения на водной поверхности, условия освещения и наблюдения объектов, характеристики светорассеяния) и обеспечить измерение всех необходимых параметров, в том числе, что трудно осуществить в морском эксперименте, параметров высокочастотного волнения. Конечно, главной проблемой лабораторных измерений является соответствие
параметров волнения, генерируемого в лабораторных условиях, реальному морскому волнению. Строго говоря, обеспечить такое соответствие в полной мере, по-видимому, невозможно. Тем не менее, лабораторные эксперименты позволяют получить достаточно достоверные результаты моделирования в целом ряде задач. Это исследования связи между флуктуациями подводного светового поля и параметрами волнения, закономерностей формирования изображения подводных объектов, наблюдаемых через взволнованную поверхность, влияния нефтяных пленок на параметры волнения и светового поля на поверхности. Для решения перечисленных задач и была создана описанная ниже лабораторно-мо-дельная установка.
1. Лабораторно-модельная установка (ЛМУ).
Установка разработана и построена в лаборатории оптики океана и атмосферы Санкт-Петербургского филиала Института океанологии им. П.П. Ширшова РАН. Схема устройства и основные составляющие ЛМУ показаны на рис. 1. Основным ее элементом является бассейн (1) с размерами водной поверхности 1.15 х 1.55 м и высотой боковой стенки 30 см. В центре днища бассейна установлен герметичный иллюминатор (6) из оптического стекла толщиной 5 мм и размерами 330 х 350 мм. Волнение генерируется ветровым волнопродуктором, составленным из четырех вентиляторов (16) типа ВЭ-1. Изменение напряжения питания вентиляторов позволяет изменять скорость воздушного потока над поверхностью воды от 1.3 до 4.5 м/с. Над центром водной поверхности на стальной мостовой конструкции закреплено координатно-поворотное устройство (КПУ) (2). Оно, с помощью штанг (14) и (17), позволяет закреплять, перемещать и поворачивать различные источники света (лазер или источник широкого параллельного пучка (4)) и фотоприемники (узкоугольный яркомер или телевизионную камеру (5)). КПУ обеспечивает возможность изме-
Рис. 1. Устройство лабораторно-модельной установки (пояснения см. в тексте).
нения направлении оптических осей излучателей или приемников в пределах зенитного угла от 0° до 80° и азимутального угла от 0° до 360° при сохранении расстояния от перемещаемого устройства до центральной точки поверхности. С помощью узла (15) можно изменять расстояние между приемным устройством и поверхностью воды при наблюдении в надир.
Под днищевым иллюминатором установлен протяженный источник диффузного света (ИДС) (3), предназначенный для освещения различных тест-объектов (черно-белые ступенчатые и синусоидальные миры с различной шириноИ полос, а также черные экраны с отверстиями разных размеров). ИДС состоит из лампы накаливания, помещенной в светозащитныИ кожух (13), узла
сменных светофильтров (12), зеркально-линзового конденсора (11), плоского зеркала (10) и молочного стекла (9).
Тест-объекты (7) закрепляются на предметном стекле (8). Весь осветитель ИДС открывается на петлях для установки и замены тест-объектов. Вместо тест-объектов и ИДС перед днищевым иллюминатором может устанавливаться специальный источник света, состоящий из двух светодио-дов типа АЛ-102ВМ с максимумом излучения в зеленой области спектра. Устройство позволяет изменять расстояние между центрами светодиодов от 8 до 150 мм и включать их порознь и одновременно.
2. Измерительные устройства. Для измерения характеристик излучения и изображения, перено-
симого через взволнованную водную поверхность, используются узкоугольныИ яркомер и ТВ камера, соединенные с компьютером. Яркомер позволяет измерять яркость излучения, отраженного и пропущенного взволнованной поверхностью в различных направлениях. ТВ камера снабжена специальным устройством для ввода в компьютер (фреИмграббером), оцифровывающим в реальном времени (с частотоИ 25 кадров/с) аналоговый видеосигнал и сохраняющим полученное цифровое изображение в кадровоИ памяти. Разработанная в Институте телевидения оригинальная программа обработки содержащеИся в памяти фреИмграббера информации позволяет записывать изображение в виде фаИла данных на жестком диске, выводить его на монитор и вести обработку и анализ изображения, получая, например, функции распределения яркости и их статистические моменты, в том числе авто- и взаимно-корреляционные функции, для различных элементов кадра.
Для измерения параметров волнения используется специально разработанныИ контактныИ четырехэлектродныИ волнограф, построенныИ по принципу измерения проводимости воды между параллельными металлическими электродами, опущенными в воду (колебания уровня воды приводят к соответствующим колебаниям проводимости). Волнограф, сопряженныИ с компьютером, позволяет вычислить спектральную плотность возвышениИ и спектральную плотность и функцию распределения уклонов (ФРУ) взволно-ванноИ поверхности. Кроме того, ФРУ может быть определена из наблюдениИ излучателя предельно малых размеров сквозь взволнованную поверхность телевизионноИ камероИ. Известно, что ФРУ в некотором масштабе совпадает с распределением облученности в изображении точечного излучателя, полученном при большом времени накопления. Из простых геометрических соображениИ и закона преломления света границеИ раздела следует простая связь между величиноИ уклона (п) и расстоянием точки изображения от его центра при вертикальном визировании:
П(*о) =
nx0
z ( n-1)'
(1)
где n - показатель преломления воды; z - расстояние от излучателя до поверхности воды; x0 - координата проекции точки изображения на плоскость днища бассейна через плоскую поверхность воды, непосредственно измеряемая в процессе эксперимента.
Для измерения оптических характеристик воды использовался измеритель интегрального показателя рассеяния "Турбидо" [7] и специально разработанный нами и изготовленный по стандартной схеме (с базой 0.25 м) измеритель показателя ослабления. Оба прибора работают in situ.
3. Параметры волнения в бассейне. Во всех экспериментах на лабораторных бассеИнах и ветро-волновых лотках критическим для правильноИ постановки эксперимента является способ генерирования волнения. Как нам известно, не существует строго обоснованноИ методики генерации ветрового волнения с заданными статистическими характеристиками в лабораторных условиях. Это связано как с техническими трудностями, так и с плохим знанием характеристик реального морского волнения в высокочастотноИ области спектра, т.е. в капиллярноИ и гравитационно-капиллярноИ областях. Для некоторых задач, например, для исследования взаимодеИствия волнения с различными сооружениями и плавсредствами, это не является существенным, однако для исследования взаимодеИствия света с взволнованноИ водноИ поверхностью характеристики высокочастотного волнения имеют важное значение. При выборе конфигурации и размеров бассеИна, а также способа генерации волнения мы использовали и имеющиИся в литературе опыт подобных исследованиИ [2, 9].
Критерием "качества" ветрового волнения в нашем лабораторном бассеИне выбрано соблюдение известных для реального морского волнения закономерностей а именно, зависимости дисперсии уклонов волнения от скорости генерирующего его воздушного потока (ветра над реальноИ морскоИ поверхностью), а также вида и параметров его частотного спектра.
Для выбора скорости воздушного потока V мы провели измерение дисперсии уклонов поверхности при различных V. Известно, что дисперсия уклонов морского волнения линеИно связана со скоростью ветра [6]. Измерения в бассеИне в диапазоне V = 2.7-4.5 м/с показали, что при V = 2.7-3.3 м/с дисперсия почти экспоненциально возрастает с ростом V, а начиная со скорости воздушного потока 3.3 м/с, в бассеИне устанавливается режим волнения с линеИноИ зависимостью дисперсии от скорости. Поэтому все эксперименты на ЛМУ проводятся при V = 3.3-4.5 м/с.
Спектральная плотность возвышениИ взволнованноИ вод
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.