научная статья по теме МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ ПО ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫМ ОПТИЧЕСКИМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ Космические исследования

Текст научной статьи на тему «МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ ПО ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫМ ОПТИЧЕСКИМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ»

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА, 2014, № 5, с. 3-14

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗЕМЛИ ИЗ КОСМОСА

МОНИТОРИНГ СОСТОЯНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МОРЯ ПО ПРОСТРАНСТВЕННО-ВРЕМЕННЫМ ОПТИЧЕСКИМ ИЗОБРАЖЕНИЯМ

© 2014 г. В. И. Титов1, 3*, А. Ю. Артамонов2, 3, В. В. Баханов1, С. А. Ермаков1, 3, А. Г. Лучинин1, И. А. Репина2, 3, И. А. Сергиевская1, 3

Институт прикладной физики РАН, Нижний Новгород 2Институт физики атмосферы им. А.М. Обухова РАН, Москва 3Российский государственный гидрометеорологический университет, Санкт-Петербург

*Е-таИ: titov@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 30.10.2013 г.

Разработаны методы мониторинга поверхности моря по оптическим ДВИ-изображениям (изображения в координатах дальность—время—интенсивность света), конструируемым по оптическим профилям взволнованной водной поверхности. Разработаны методы создания ДВИ-изображений поверхности шириной от десятков метров до десятков километров в зависимости от требуемого пространственного разрешения. На основе линеек ПЗС-фотоприемников создан многоканальный оптический комплекс, состоящий из нескольких синхронизированных оптических приемников для формирования ДВИ-изображений с различной поляризацией света, в различном спектральном диапазоне и с разным направлением наблюдения. Проведены наблюдения приповерхностных ветровых потоков на реках, во внутренних водохранилищах и в прибрежных зонах морей с помощью оптического комплекса. Исследована структура приповерхностных ветровых полей: вихрей, ветровых фронтов, катабатических потоков ветра на расстояниях от сотен метров до десятков километров. Проведены исследования длинных поверхностных волн, корабельных следов, проявлений внутренних волн на морской поверхности. Разработан алгоритм, позволяющий выделять обрушения и пену на изображениях поверхности, а также определять процент площади, занимаемой обрушениями и пеной.

Ключевые слова: морская поверхность, оптика, поверхностные волны, обрушения, ветер, вихри, корабельные волны, внутренние волны, мониторинг, поляризация света

Б01: 10.7868/80205961414050078

ВВЕДЕНИЕ

Как известно, оптические методы широко применяются для исследования моря. В частности, гиперспектральные самолетные и спутниковые изображения поверхности моря позволяют получить данные о содержании биологических веществ в море. Аэрофотоснимки и наземные изображения поверхности моря используются для определения спектров волнения путем спектрального анализа изображений (Лупян, Шарков, 1986; Лупян, 1988; Баханов и др., 2006, 2010).

Для исследования морского волнения в широком диапазоне длин волн в Институте прикладной физики (ИПФ) РАН создан комплекс оптических приборов.

Короткомасштабное волнение анализируется с помощью двумерного оптического спектроана-лизатора на некогерентном свете (ДОСА) (Титов и др., 2010; Зуйкова и др., 2010). Он регистрирует изменчивость двумерных спектров уклонов сантиметровых и дециметровых поверхностных волн в диапазоне длин волн от 4 до 100 см и в угловом

диапазоне направлений распространения ±60° от направления наблюдения.

Для определения параметров длинных волн и мониторинга поверхности моря разработан способ создания крупномасштабных оптических ДВИ-изображений (изображения в координатах дальность—время—интенсивность света) морской поверхности (изображений в координатах дальность—время—интенсивность света), конструируемых по оптическим профилям морской поверхности (Баханов и др., 2009; Титов и др., 2012; Зуйкова и др., 2011), и создан комплекс оптических приборов на основе линеек ПЗС-фотопри-емников. ДВИ-изображения являются как бы оптическим аналогом изображения, формируемого радиолокатором бокового обзора, но с более высоким пространственным разрешением и другим механизмом образования изображения водной поверхности. ДВИ-изображения позволяют "разделить" явления на поверхности моря по их скоростям распространения. В частности, ДВИ-изображения использовались для определения дисперсионного соотношения гравитационных

Волна зыби

волн (Gotwols, Irani, 1980; Vang, Hwang, 2004). Разработан метод формирования ДВИ-изображе-ний для судов или воздушных носителей, позволяющий устранить влияние качки кораблей или самолетов.

В работе приведен обзор явлений на поверхности моря, обнаруженных и проанализированных с помощью оптических ДВИ-изображений морской поверхности. Данные оптического мониторинга морской поверхности, приведенные ниже, получены при наблюдении поверхности под скользящими углами с берега, морской платформы и с судна. Одним из основных механизмов видимости различных объектов на морской поверхности (поверхностных волн, групповой структуры длинных волн, сликов, проявлений внутренних волн, структуры приводного ветрового поля и т.д.) для скользящих углов наблюдения является затенение волн. Таким образом, слик (т.е. область с пониженной шероховатостью) будет выглядеть ярче окружающей морской поверхности, а область с повышенной шероховатостью будет выглядеть темнее. Поверхностные волны на ДВИ-изображениях будут выглядеть полосами, наклон которых будет определяться скоростью волн. Два оптических прибора устанавливаются рядом, чтобы регистрировать два ДВИ-изображения с различным направлением визирования. При обработке изображения "состыковываются" началами, что позволяет идентифицировать объекты на обоих изображениях и определить их лучевые скорости. Два таких изображения позволяют получить полную информацию о кинематических характеристиках различных объектов на морской поверхности (направлении их распространения, скорости), в том числе поверхностных волн независимо от их дисперсионного соотношения (Ба-ханов и др., 2009).

ДВИ-изображения обладают определенной "гибкостью", в зависимости от требуемого пространственного разрешения можно формировать изображения различной ширины от сотен метров до десятков километров. Например, для высоты над уровнем моря около 100 м ширина изображения может достигать двух десятков километров с пространственным разрешением порядка 10—20 м (рис. 11). Для сравнения, спутниковые оптические

системы MODIS и MERIS имеют полосы обзора шириной 2300 и 1150 км с разрешением 250 м и 1 км (в зависимости от режима работы) и 300 м соответственно (Jackson, 2007). Развитие метода ДВИ-изображений представляется перспективным с точки зрения дополнения к имеющимся спутниковым радио- и оптическим изображениям для мониторинга и интерпретации явлений на поверхности моря в шельфовой зоне. Как известно, спутниковые оптические системы обладают определенными ограничениями: для них необходимо либо ясное небо, либо наличие "просветов" в облачности. Данные оптические приборы устанавливаются ниже уровня облачности и могут регистрировать ДВИ-изображения весь световой день.

ОПТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ РЕГИСТРАЦИИ ДВИ-ИЗОБРАЖЕНИЙ

В состав оптического комплекса входят четыре оптических прибора на основе линеек ПЗС-фото-приемников для записи изображений морской поверхности в координатах дальность-время. Эти приборы синхронизированы между собой и позволяют одновременно регистрировать ДВИ-изобра-жения с разным направлением наблюдения и различной поляризацией света. Каждый оптический прибор состоит из объектива и линейки фотодиодов, расположенных в фокальной плоскости объектива. Технические характеристики прибора приведены в таблице.

Сигналы с линеек регистрируются в цифровом виде на жестком диске компьютера для дальнейшей обработки. Эта обработка включает в себя исправление перспективных искажений, создание и отображение ДВИ-изображений на мониторе в условных цветах, совместный анализ данных различных оптических приборов.

ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ВОЛН ЗЫБИ ПО ДВИ-ИЗОБРАЖЕНИЯМ

Регистрация волнения с помощью ПЗС-лине-ек производилась во время рейса НИС "Академик Менделеев" (09.10.2012-19.11.2012). На рис. 1 приведена схема наблюдения. Линейки ПЗС под номерами 2, 3 "смотрели" по курсу судна. Угол между направлениями наблюдения линеек 2, 3 и 1, 4 составлял 45°. Высота над уровнем моря составляла 17 м. Судно находилось в дрейфе. Для компенсации качки корабля использовался метод "привязки" к горизонту, описанный в работах (Titov et al., 2009a, 2009б; Зуйкова, 2010).

В Атлантическом океане в отличие от внутренних морей наблюдались волны зыби, которые характеризовались большой длиной волны, достигающей нескольких сотен метров. Для наблюдения таких волн необходимо формировать изображение большой ширины.

На рис. 2 представлено ДВИ-изображение взволнованной поверхности моря за 28.10.2012,

100 200 300

5! 400 е,

в 500 я

о

У 600

а Р

700 800 900 1000

1.10

- 1.05

- 1.00

0.95

0.90

100 200 300 400

Время, с

500

600

Рис. 2. Оптическое ДВИ-изображение взволнованной поверхности моря, полученное с ПЗС 4. По горизонтали отложено время, с; по вертикали — расстояние от судна, м.

0

1/м 0.02

0.01

0 Н

0.01 н

-0.02-10

45 40 35 30 25 20 15 10 5

0.15 Гц

Рис. 3. Спектр изображения поверхности на рис. 8. Горизонтальная ось — временная частота, вертикальная — пространственная частота. По осям отложены спектральные точки. Разрешение по горизонтальной оси равно 1/645 Гц, по вертикальной оси 1/1000 1/м. Яркое пятно в середине — спектр волн зыби.

полученное в дрейфе с линейки 4. По горизонтали отложено время в секундах, по вертикали — расстояние от судна в метрах. Ширина изображения 1000 м, что соответствует углу скольжения в 1°. Вверху изображения видны ветровые длинные волны, а в середине — волны зыби. Направление

распространения волн зыби противоположно направлению распространения ветровых волн (полосы, отображающие ветровые волны, имеют противоположную ориентацию, чем полосы от волн зыби). На рис. 3 представлен спектр изображения поверхности, показанной на рис. 2. Горизон-

тальная ось — временная частота, вертикальная — пространственная частота. По осям отложены спектральные точки. Разрешение по горизонтальной оси равно 1/645 Гц, по вертикальной оси 1/1000 1/м. На спектре выделяется максимум, соответствующий волне зыби, с временной частотой, равной 52/645 Гц, и пространственной частотой, равной 3.5/1000 1/м. Период волн зыби составлял 12.4 с, длина волны 240 м.

КОРАБЕЛЬНЫЕ СЛЕ

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Космические исследования»