СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА И ВЫСОТЫ ВОЛНЕНИЯ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО ЕЕ РАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ
METHOD TO MEASURE ANGLES OF INCLINATION AND HEIGHT OF WATER SURFACE ROUGHNESS RELATIVE TO ITS BALANCED CONDITION

Изобретение относится к области океанографических измерений, в частности к способам измерения углов наклона и высоты волнения водной поверхности, и может быть использовано в океанологии для изучения волновых процессов на поверхности океана и в метеорологии для повышения точности долгосрочных прогнозов погоды.
Хорошо известен способ определения параметров водной поверхности с помощью лазерного волнографа, использующего одно приемное устройство - круглую пластину, состоящую из набора фотоэлементов (Р.А.Lange, et al. Comparison between an amplitude-measuring wire and a slope-measuring laser water wave gauge. Rev. Sci. Instrum. V.53, P.651, 1982). В лазерном волнографе используют свойство преломления лазерного луча при прохождении границы сред вода - воздух. При этом лазер устанавливают под водой, а лазерный луч направляют вертикально вверх в выбранную точку водной поверхности. Лазерный луч проходит через водную поверхность, отклоняется и проходит через линзу, за которой на ее фокусном расстоянии расположена упомянутая приемная круглая пластина. Лазерный луч визуализируют в виде метки на упомянутой приемной пластине и по величине отклонения метки определяют (вычисляют) угол наклона водной поверхности в точке выхода луча на эту поверхность. Наличие только одного приемного устройства не позволяет измерить высоту волнения, а для устранения ее влияния на результат используется линза.
К недостаткам данного способа относится то, что в нем не измеряется высота волнения, в результате чего информация о случайном волновом процессе, каким является волнение водной поверхности на открытых водных пространствах, например морях и океанах, получается неполной, что не позволяет определить важные статистические характеристики волнения, например взаимные корреляционные функции наклонов и орбитальных скоростей.
1
1
1
1
x
у
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения углов наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния, в котором используется одна приемная прозрачная диффузная пластина (пат.US reg. number H503 МПК7 G01C 13/00, публ. 02.09.1988 "Wave surface characterization"), который выбран в качестве прототипа. Способ-прототип заключается в том, что лазерный луч с помощью вспомогательного зеркала направляют вертикально вниз вдоль оси Z в выбранную точку водной поверхности. Отраженную от водной поверхности часть лазерного луча визуализируют в виде метки на приемной прозрачной диффузной пластине, расположенной в плоскости XY над водной поверхностью. Одновременно с этим с помощью цифровой видеокамеры с растровым просмотром фиксируют величины отклонений ΔX и ΔY упомянутой метки на приемной прозрачной диффузной пластине относительно нулевой отметки, при этом измеренные отклонения ΔX и ΔY упомянутой лазерной метки используют для восстановления (вычисления) величин мгновенных значений углов наклона α и α водной поверхности в выбранной точке. Для измерения высоты волнения используют струнный емкостной датчик.
Способ-прототип обладает следующими недостатками, связанными с использованием для измерения высоты волнения струнного емкостного датчика:
1) контактный датчик возмущает водную поверхность, генерируя волны при набегании на струну волны, и таким образом искажает волнение, т.е. теряется главное преимущество бесконтактного метода;
2) измерения высоты волнения проводятся не в том месте, где измеряется наклон, т.е. они не являются синхронными по времени и пространству и не могут обрабатываться совместно. Это уменьшает восстанавливаемый объем информации о волнении, т.е. теряется информация о взаимной корреляции параметров волнения;
3) струнные емкостные датчики являются достаточно инерционными и обычно не регистрируют волнение с частотой выше 20-30 Гц. Кроме того, измерения искажаются за счет эффектов смачивания, загрязнения струны;
4) наличие вспомогательного зеркала приводит к невозможности измерения небольших наклонов водной поверхности, т.к. отраженный от нее луч не может попасть на регистрирующую пластину из-за наличия вспомогательного зеркала.
Применяемая в способе прототипе синхронизация излучения и приема сигналов существенно снижает вероятность «ложных» срабатываний или неоднозначность определения координат, связанных с тем, что на приемной прозрачной диффузной пластине будет регистрироваться засветка от других источников света, например от солнца. Однако она не может полностью устранить этот эффект.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа синхронного измерения высоты и наклонов волнения водной поверхности в одной точке.
1
1
1
Технический результат в разработанном способе измерения углов наклона и высоты h волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния достигается тем, что, как и в способе-прототипе, лазерный луч направляют вертикально вдоль оси Z в выбранную точку водной поверхности, лазерный луч визуализируют в виде метки на первой приемной прозрачной диффузной пластине, расположенной в плоскости XY над водной поверхностью на расстоянии H, и одновременно с этим с помощью цифровой видеокамеры фиксируют величины отклонений упомянутой метки на первой приемной прозрачной диффузной пластине ΔX и ΔY относительно нулевой отметки.
2
2
2
1
2
1
2
x
у
Новым в разработанном способе является то, что, по крайней мере, один лазерный луч направляют вдоль оси Z вертикально вверх из подводного положения через некоторую толщу воды и водную поверхность, угол наклона которой измеряют в месте выхода луча, при этом отклоненный водной поверхностью лазерный луч визуализируют в виде метки одновременно на упомянутой первой прозрачной и на второй приемной диффузной пластине, установленной параллельно первой на расстоянии Н. С помощью цифровой видеокамеры фиксируют величины отклонений упомянутой метки ΔХ и ΔY относительно нулевой отметки также и на второй приемной диффузной пластине, после чего по одномоментно измеренным отклонениям ΔX, ΔХ, ΔY, ΔY по предлагаемому алгоритму синхронно (одновременно) восстанавливают (вычисляют) величины соответствующих мгновенных значений углов наклона α и α водной поверхности в выбранной точке и высоту h волнения водной поверхности в той же точке.
Таким образом, в разработанном способе в отличие от прототипа для измерения высоты волнения используется не струнный волнограф, а вводится вторая приемная диффузная пластина, расположенная на известном расстоянии от первой пластины. Для нахождения координат меток на приемных диффузных пластинах используются цифровые видеокамеры, соединенные с компьютером. Цифровые видеокамеры позволяют записывать движение меток по первой прозрачной и по второй приемным диффузным пластинам, а для нахождения координат меток используется специальная компьютерная программа обработки, разбивающая непрерывное видеоизображение на последовательность кадров и вычисляющая координаты меток в каждом кадре.
x
y
В разработанном способе предлагается использовать одновременно две приемные диффузные пластины, благодаря чему можно определить высоту волнения h и восстановить  наклон поверхности именно в точке измерения, т.е. производные  или, что то же самое, углы α и α соответственно.
В первом частном случае реализации способа, например в лабораторных условиях, когда нет ветра, в качестве первой приемной прозрачной диффузной пластины целесообразно использовать тонкую прозрачную диффузную пластину, например пленку, толщиной которой в расчетах можно пренебречь, что позволяет существенно упростить вычисление искомых величин.
x
y
Во втором частном случае реализации способа для определения генерального направления распространения волнения целесообразно вдоль оси Z вертикально вверх из подводного положения через некоторую толщу воды и водную поверхность направить не менее трех лазерных лучей разного цвета, разнесенных на требуемое расстояние друг от друга, а отклоненные водной поверхностью лазерные лучи визуализировать на упомянутых первой и второй приемных диффузных пластинах в виде меток разного цвета. При этом вычисление величин мгновенных значений углов наклона α, α и высоты h волнения водной поверхности в месте выхода каждого луча необходимо осуществлять параллельно и независимо друг от друга для каждого луча.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема измерения волнения водной поверхности в соответствии с п.1 формулы изобретения в плоскости XZ.
На фиг.2 представлена схема измерения в плоскости XZ волнения водной поверхности при использовании тонкой прозрачной диффузной пластины, например пленки, в качестве первой приемной пластины (в соответствии с п.2 формулы изобретения).
На фиг.3 представлена иллюстрация преломления лазерного луча взволнованной водной поверхностью.
На фиг.4 представлен действующий макет устройства для выполнения измерений в соответствии с разработанным способом в лабораторных условиях.
На фиг.5 представлена фотография траекторий движения меток лазерного луча на нижней (первой приемной прозрачной диффузной) пластине и на верхней (второй приемной диффузной) пластине макета устройства при выполнении измерений в лабораторных условиях.
0
х
1
1
2
Устройство для реализации предлагаемого способа, представленное схематично на фиг 1, содержит лазер 1, расположенный под водой на глубине Н и установленный таким образом, что лазерный луч 2 выходит вертикально вверх. Проходя через взволнованную водную поверхность, лазерный луч 2 отклоняется от вертикального направления на угол φ и попадает на первую приемную прозрачную диффузную пластину 3, расположенную в плоскости XY на высоте H над водной поверхностью. В общем случае реализации изобретения прозрачная диффузная пластина 3 может иметь толщину Δ, например, может быть выполнена стеклянной с толщиной Δ. Расстояние H измеряется от равновесного состояния жидкости. На высоте Н от верхней плоскости первой приемной прозрачной диффузной пластины 3 параллельно ей расположена вторая приемная диффузная пластина 4.
Для «визуализации» точек прохождения (меток) лазерного луча 2 через стекло необходимо, чтобы одна из поверхностей пластины 3 была шероховатой, чтобы обеспечивать диффузное рассеяние, и в то же время пропускала бы луч на вторую пластину 4. При прохождении луча 2 через пластину 3 и попадании его на пластину 4 визуализация лазерного луча на пластинах 3 и 4 осуществляется в виде меток 5 (см. фиг.1 и фиг.5).
1
2
1
2
1
1
2
3
2
Координату метки 5 на нижней стороне пластины 3 обозначим x. Смещение луча в самой пластине 3 обозначим x (см. фиг.1). Координату метки 5 на верхней стороне пластины 3 обозначим x+x=ΔX. Координату метки 5 на нижней стороне пластины 4 обозначим x+x+х=ΔX.
1
1
3
2
Эти метки 5 движутся в зависимости от времени, реагируя на движение поверхности воды (см. фиг.5), и находятся на некотором расстоянии (х, ΔX, х, ΔX,) от «нулевых меток» (см. фиг.1). За «нулевые метки» принимаем точки, через которые проходит луч, когда вода находится в спокойном, невозмущенном состоянии, т.е. когда луч распространяется вертикально вверх вдоль оси Z. Для записи траектории движения меток 5 на пластинах 3 и 4 в общем случае используются две скоростные цифровые видеокамеры, соединенные с компьютером (см. фиг.4).
В общем случае реализации способа в качестве пластины 3 может быть использована любая прозрачная пластина с толщиной Δ, например стеклянная. В качестве цифровых видеокамер могут быть использованы, например, видеокамеры Philips SPC 900NC с частотой 90 кадров в секунду, разрешение 640×480 точек. В качестве лазера 1 может быть использован любой полупроводниковый лазер непрерывного действия.
Устройство для реализации предлагаемого способа по п.2 формулы изобретения, представленное схематично на фиг.2, содержит те же элементы, что и устройство по фиг.1. Отличие состоит в том, что в этом частном случае реализации способа, например, в лабораторных условиях, когда нет ветра, в качестве пластины 3 может быть использована тонкая прозрачная пленка, толщиной которой в расчетах можно пренебречь.
В другом частном случае реализации способа по п.3 формулы изобретения (на чертеже не указан) используют не менее трех лазеров 1 с лучами разного цвета, установленных на требуемое расстояние друг от друга, определяемое минимальной длиной волны исследуемого волнения. В этом случае отклоненные водной поверхностью лазерные лучи 2 разного цвета одновременно визуализируют на упомянутых первой и второй приемных диффузных пластинах 3 и 4 в виде меток разного цвета.
Разработанный способ реализуют следующим образом.
x
Посредством устройства, представленного схематически на фиг.1 в плоскости XZ, лазерный луч 2 от лазера 1 направляют вдоль оси Z вертикально вверх из подводного положения через некоторую толщу воды и взволнованную водную поверхность, угол наклона α и высоту h которой в месте выхода луча необходимо определять (восстанавливать по измеренным величинам).
x
х
Более подробно прохождение луча 2 через взволнованную водную поверхность показано на фиг.3. В воде лазерный луч распространяется прямолинейно, и только на поверхности воды происходит его преломление, и формулы для угла преломления β луча 2 и угла между направлением луча 2 и вертикальной осью Z φ имеют следующий вид:
1
2
x
где n - коэффициент преломления воды; n - коэффициент преломления воздуха; α - угол падения луча в плоскости XZ.
x
Угол падения луча α равен углу наклона водной поверхности в данной точке, т.е. это тот угол, который необходимо определять.
1
1
2
Отклоненный водной поверхностью лазерный луч 2 визуализируют в виде меток 5 одновременно на упомянутой первой прозрачной приемной диффузной пластине 3 и на второй приемной диффузной пластине 4 (см. фиг.1). Пример траектории движения метки 5 во времени за счет реакции на движение поверхности воды на нижней (первой) и верхней (второй) приемных пластинах 3 и 4 показан на фиг.5. Поскольку в общем случае реализации способа пластина 3 выполнена прозрачной с толщиной Δ, то лазерный луч 2 при прохождении через нее испытывает преломление на входе и выходе из пластины. Смещение метки 5 по оси Х на верхней поверхности первой приемной пластины 3 ΔX будет равно сумме смещений (х+х), где
1
2
3
x
где x - смещение координаты луча на нижней поверхности пластины 3, х - смещение координаты луча в самой пластине 3; n - коэффициент преломления материала пластины 3; Δ - толщина пластины 3; γ - угол преломления луча в материале пластины 3, например в стекле.
2
1
3
Смещение метки 5 по оси Х на нижней поверхности второй приемной пластины 4 ΔX равно сумме смещений (ΔX+x), где
1
2
x
Из формул {2-4) видно, что смещения ΔX и ΔX, зависят от параметров водной поверхности: угла наклона α и высоты h волнения водной поверхности.
x
Таким образом, как установлено авторами, разработанный способ позволяет в каждом кадре видеокамеры одномоментно измерить две величины (координаты меток 5 луча 2 на пластинах 3 и 4), которые позволяют найти однозначное решение обратной задачи и определить угол наклона α и высоту h волнения водной поверхности.
Высоту h волнения находят из следующего соотношения:
x
Угол наклона α водной поверхности находят, решая следующее трансцендентное уравнение с помощью известных методов, например с помощью метода деления пополам:
у
Повторив приведенные выше рассуждения для смещения метки 5 в плоскости YZ, получим формулы для угла наклона α водной поверхности вдоль оси Y:
1
2
1
2
1
2
Высоту волны можно найти следующим образом, зная у+у=ΔY, ΔY, H, Н:
x
у
Таким образом, как следует из формул 5-8, наличие двух приемных диффузных пластин 3 и 4, на которых одновременно фиксируют метки 5 луча 2, позволяет синхронно восстанавливать углы наклона α, α и высоту h волнения водной поверхности в точке прохождения луча через водную поверхность.
1
1
2
2
x
y
В общем случае реализации с помощью одной цифровой видеокамеры фиксируют величины отклонений ΔХ и ΔY упомянутой метки 5 на первой приемной прозрачной диффузной пластине 3 относительно нулевой отметки. С помощью второй цифровой видеокамеры фиксируют величины отклонений ΔХ и ΔY упомянутой метки 5 на второй приемной диффузной пластине 4 относительно нулевой отметки. После чего с помощью компьютера вычисляют координаты метки 5 в каждом кадре видеоизображения и численным методом по указанному алгоритму (формулам 5-8) определяют искомые величины углов наклона α и α водной поверхности в выбранной точке и высоту h волнения водной поверхности в той же точке, что позволяет решить поставленную задачу по синхронному (одновременному) определению требуемых параметров волнения в одной точке.
На практике способ реализован с помощью устройства, представленного на фиг.4, по схеме, приведенной на фиг.2, в соответствии с п.2 формулы изобретения.
Проведенные эксперименты показали правильность и работоспособность предлагаемого алгоритма восстановления параметров волнения.
x
у
В реализованном на практике способе (в лабораторных условиях) в качестве первой приемной прозрачной диффузной пластины 3 была использована тонкая прозрачная пленка, толщиной которой можно пренебречь в расчетах. Формулы для расчета высоты h и углов наклона α и α волнения в этом случае значительно упрощаются:
x
Таким образом, по смещению меток 5 луча 2 вдоль оси Х восстанавливают угол наклона α по оси Х и высоту h.
у
Для тонких пленок формулы для расчета высоты h и угла наклона α имеют следующий вид:
x
у
Из формул (9 и 11) видно, что высота h может быть восстановлена двумя способами (по измерениям вдоль оси Х или оси Y). Это помогает преодолеть недостаток, свойственный вертикальной схеме измерения. Дело в том, что для плоской поверхности (α=0, α=0) высоту h восстановить невозможно и при обработке для восстановления высоты волнения необходимо использовать соседние точки, строя по ним аппроксимацию. Однако вероятность того, что углы наклона по осям Х и У одновременно будут равны нулю, существенно ниже, следовательно, высота h волнения в разработанном способе будет измеряться в подавляющем большинстве случаев.
Особенностью реализации разработанного способа по п.3 формулы является то, что одновременное использование лазеров 1 разных цветов, например трех, установленных на требуемое расстояние друг от друга, позволяет расширить возможности способа. Расстояние между лазерами 1 определяется минимальной длиной волны исследуемого волнения, параметры которой требуется определить.
В этом случае отклоненные водной поверхностью лазерные лучи 2 разного цвета одновременно визуализируют на упомянутых первой и второй приемных диффузных пластинах 3 и 4 в виде меток разного цвета. Расположив три лазера 1 по схеме, например, треугольником, можно измерять пространственное распределение наклонов и двумерный спектр высот и наклонов, т.е. работать с двумерным волнением и определять угловое распределение волнения, как это делают известным способом с помощью решетки из струнных волнографов, но не искажая при этом в отличие от струнных волнографов исследуемое волнение.
Предлагаемый способ измерения предоставляет новые возможности для исследования параметров волнения океанологам, а также специалистам, разрабатывающим новые алгоритмы обработки данных для современной измерительной радиолокационной аппаратуры.