Способ определения характеристик аномалий морской поверхности, обусловленных процессами в приповерхностных слоях океана и атмосферы, по ее оптическим изображениям
METHOD FOR DETERMINING CHARACTERISTICS OF SEA SURFACE ANOMALIES CAUSED BY PROCESSES IN THE NEAR-SURFACE LAYERS OF THE OCEAN AND ATMOSPHERE FROM ITS OPTICAL IMAGES

Изобретение относится к средствам диагностики водной поверхности, в частности к дистанционному контролю процессов взаимодействия ветрового волнения и внутренних волн, неоднородных течений и т.п., и может быть использовано для выявления аномалий на морской поверхности и в приповерхностном слое атмосферы, обусловленных неоднородностями подводного рельефа, следов судов.
Основной особенностью, отличающей дистанционные методы исследования океана от контактных, является непрямой характер наблюдения физических процессов и измерения их параметров.
На текущий момент наибольшее распространение получили методы дистанционных исследований в оптическом и радиодиапазонах спектра электромагнитных волн.
Радиолокационные методы наиболее предпочтительны в том смысле, что являются всепогодными, позволяющим зондировать океан сквозь туман и облака, ночью и днем, в любом месте мирового океана и на больших территориях. В настоящее время основным источником регулярной информации о параметрах приповерхностного слоя Мирового океана служат радиолокационные системы космического базирования, однако они нуждаются в калибровке. Спутниковые данные ассимилируются в численные модели, что позволяет их уточнять на основе альтернативных дистанционных или контактных измерений.
Таким образом, существует необходимость разработки методов и аппаратуры измерения данных о состоянии водной поверхности и приводного слоя атмосферы, в том числе и в оптическом диапазоне, которые давали бы возможность дальнейшего развития радиолокационных методов исследования либо служили им альтернативой.
При этом важным становится решение задач разработки эффективных методов анализа оптических и радиолокационных изображений, позволяющих получать информацию о состоянии водной среды с необходимой степенью достоверности.
Так, например, наличие подводных неоднородностей может проявляется в аномальном поведении волнения водной поверхности. Такие аномалии могут быть сильно контрастными, т.е. наблюдаемыми практически невооруженным глазом на анализируемых изображениях, а могут быть слабоконтрастными, и тогда вероятность обнаружения аномалии сильно снижается. В последнем случае возникает необходимость привлечения дополнительных информационных признаков наличия аномалии на водной поверхности.
Процессы волнения водной поверхности и процессы, происходящие в приводном слое атмосферы взаимосвязаны между собой. Индикатором этого взаимовлияния является совпадение масштабов изменчивости очень многих параметров, характеризующих процессы, происходящие на морской поверхности и в приводном слое атмосферы: скорости ветра, интенсивности волнения, скорости течения. Аномалии морской поверхности также проявляются в приводном слое атмосферы. Одновременное наблюдение информационных признаков аномалии на водной поверхности и в приводном слое атмосферы значительно повышает степень достоверности обнаружения аномалии.
Один из старейших оптических способов регистрации состояния поверхности моря на большой площади - стереофотосъемка с борта самолета. С его помощью также возможно обнаружение контрастных аномалий на водной поверхности, но дороговизна и сложность организации измерений и оборудования и трудоемкость обработки получаемой информации не позволяют пользоваться этим способом на регулярной основе. Кроме того, этот способ не предусматривает работы в режиме реального времени.
Предлагаемый способ заключается в синхронном вычислении отношения спектральных яркостей окологоризонтной части неба и текущей относительной площади обрушений морских волн по пространственно-временным изображениям водной поверхности и окологоризонтного участка неба. Эффект основан на проявлении аномалий морской поверхности в атмосфере. Предварительные исследования показали, что отношение спектральных яркостей неба может уменьшить фоновую изменчивость яркостей неба, связанную с временной неоднородностью яркости неба и выделить аномальные участки яркости окологоризонтного участка неба, обусловленные изменчивостью приповерхностного аэрозоля.
Образование приповерхностного аэрозоля может осуществляться за счет различных физических процессов, среди которых можно выделить два наиболее значимых по процентному соотношению аэрозоля: образование аэрозоля за счет его сдувания ветром с гребней волн и взаимодействие растворенных пузырьков газа с поверхностью.
Хорошо известно, что обрушение поверхностных волн образует пузырьки воздуха в приповерхностном слое моря. Для ветра, скорость которого превышает 6,5-7 м/с, существует непрерывный пузырьковый слой переменной толщины, который может доходить до глубины нескольких метров. Этот слой структурирован в пространстве и во времени и сильно зависит от скорости ветра. При воздействии гидрофизических возмущений происходит движение пузырьков воздуха к поверхности, где они лопаются, образовывая дополнительные частички аэрозоля.
Изменение концентрации хлорофилла и растворенной органики может влиять на процесс образования аэрозоля. В частности, процессы перемешивания слоев с различными гидрооптическими характеристиками, которые обусловлены различным содержанием хлорофилла, могут приводить к изменению приповерхностного аэрозоля.
Изменение концентрации приповерхностного аэрозоля ведет к изменению оптических свойств приповерхностного слоя атмосферы, которые могут быть обнаружены по изменению спектрального состава излучения приповерхностного слоя атмосферы.
В изучении приповерхностного аэрозоля важную роль играют лидарные методы [см., например, Piskozub J. Study of spatial distribution of marine aerosol over sea coast with a multifrequency lidar system. Proc. SPIE vol. 2471, 1995, p. 387-389 и Zielinski A., Piskozub J., Irczuk M. Lidar studies of marine aerosol in the coastal zone. Proc. SPIE vol. 2471, 1995, p. 428-438]. Такие методы позволяют проводить быстрые измерения концентрации аэрозоля и его распределения по размерам одновременно в различных гидрометеорологических условиях. Также они нашли широкое применение при изучении состояния аэрозоля вблизи берега, где приливные волны образуют пену, которая состоит из большого числа воздушных пузырьков. Методы основаны на регистрации излучения лидара, обратно рассеянного из определенного локального объема воздуха. Методы позволяют регистрировать аномалии концентрации приповерхностного аэрозоля, связанные с локальными изменениями состояния морской поверхности, в частности, с изменениями скорости ветра, локальными течениями, бликами на поверхности моря и т.д.
Недостатком этих способов является аппаратурная сложность и дороговизна, а также отсутствие охвата больших площадей: информация о содержании аэрозоля извлекается из небольшого, локального объема воздуха.
Также известен способ определения относительной площади обрушений по видеоизображениям поверхности моря [Alexey S Mironov and Vladimir A Dulov. Detection of wave breaking using sea surface video records. Meas. Sci. Technol. 19 (2008) 015405 (10рр), doi:10.1088/0957-0233/19/l/015405]. Здесь используется вычитание усредненного за 1 минуту изображения для устранения тренда средней яркости отдельных видеоизображений, а затем применяется пороговый алгоритм выделения обрушений по их яркости. Этот способ позволяет регистрировать локальные аномалии относительной площади обрушений в пределах поля зрения видеокамеры и с малым разрешением по времени, обусловленным большим временем усреднения изображений.
Недостатком этого способа является небольшое поле зрения видеокамеры, а также большое время накопления данных, что препятствует применению этого способа с быстро движущихся носителей.
Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к разработанному способу является способ, описанный в патенте РФ на изобретение №2436040 «Способ определения кинематических характеристик поверхностных волн по пространственно-временным изображениям водной поверхности» (Патентообладатель: Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН. Авторы: Зуйкова Э.М., Титов В.И., Троицкая Ю.И. Заявка №2009140801. Дата приоритета: 03.11.2009. Дата регистрации: 10.12.2011). В независимом пункте 2 формулы данного патента описан способ определения характеристик взволнованной водной поверхности по пространственно-временным изображениям водной поверхности, в котором формируют изображение водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования с помощью двух оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с разными направлениями наблюдения, регистрируют одномерные изображения с помощью двух линеек ПЗС-фотодиодов и проводят их обработку, преобразуя одномерное изображение в последовательность цифровых значений, определяя положение линии горизонта по перепаду яркости изображения, беря за начало отсчета последовательности цифровых значений одномерных изображений положение линии горизонта, исправляя перспективные искажения изображения путем перехода к эквидистантной сетке по дальности с помощью интерполяции исходных значений яркости одномерных изображений с последующей нормировкой значений яркости изображения на среднее значение яркости в изображении, затем строят два пространственно-временных изображения, сформированных из одномерных изображений, и определяют кинематические характеристики поверхностных волн по периоду и наклону отображений этих волн на двух пространственно-временных изображениях водной поверхности без привлечения дисперсионного уравнения для поверхностных волн.
По совокупности операций прототип наиболее близок к предлагаемому способу. Недостатком прототипа является то, что он разработан и адаптирован для решения одной задачи - определения кинематических характеристик поверхностных волн. Однако уже при реализации этого способа стало понятно, что с помощью получаемых пространственно-временных изображений можно наблюдать и некоторые аномальные явления на морской поверхности, обладающие высокой степенью контрастности. Таким образом, уже в прототипе был заложен определенный потенциал, который позволяет путем определенной модификации способа-прототипа получать синхронные данные о различных средах - атмосфере и поверхности моря, и за счет одновременной фиксации аномальных проявлений в обеих взаимосвязанных средах с достаточной степенью достоверности выявлять также и малоконтрастные области аномалий на водной поверхности.
Задачей настоящего изобретения является такая модификация прототипа.
Также, задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа определения аномалий морской поверхности, обусловленных процессами в приповерхностных слоях океана и атмосферы по ее оптическим изображениям при рассеянном небесном освещении (вне зоны солнечных бликов), полученным как с движущегося носителя, так и с неподвижного основания, позволяющего пассивными компактными оптическими средствами в режиме реального времени с большой степенью достоверности выявлять аномалии водной поверхности с пониженной контрастностью.
Технический результат может быть выражен как расширение функциональных возможностей за счет обеспечения возможности обнаружения аномалий, повышении точности и степени достоверности данных.
Технический результат в разработанном способе достигается тем, что формируют изображение водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования с помощью двух оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов, регистрируют одномерные изображения с помощью линеек ПЗС-фотодиодов и проводят их обработку, преобразуя одномерное изображение в последовательность цифровых значений, определяя положение линии горизонта по перепаду яркости изображения, беря за начало отсчета последовательности цифровых значений одномерных изображений положение линии горизонта, затем строят два пространственно-временных изображения, сформированных из одномерных изображений, и по ним определяют особенности состояния водной поверхности.
Новым в разработанным способе является то, что строят пространственно-временные изображения морской поверхности и окологоризонтной части неба из оптических изображений, зарегистрированных с помощью двух синхронизированных между собой единым задающим генератором оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковым направлением наблюдения с установленными на их объективы узкополосными интерференционными фильтрами с полосами пропускания света в ультрафиолетовой и красной областях оптического спектра, вычисляют текущие значения отношений спектральных яркостей окологоризонтной части неба по двум полученным пространственно-временным изображениям в точках неба с угловой высотой в пределах 1-7 градусов путем усреднения отношения спектральных яркостей в пределах «скользящего» временного окна, которое при вычислении текущего отношения сдвигается на половину длительности временного окна, одновременно вычисляют по полученному пространственно-временному изображению в красной области оптического спектра значение текущей величины относительной площади обрушений и принимают решение о наличии аномалии при одновременном отклонении текущих значений этих величин от фоновых значений, вычисленных по фоновым участкам пространственно-временных изображений.
Способ поясняется следующими чертежами (Фигуры 1-5 являются выборочным результатом реально проведенных экспериментов и иллюстрацией реализации предлагаемого способа, Феодосия, 10.08.2015.).
Фиг. 1. Спектральные яркости неба в относительных единицах в двух оптических диапазонах, усредненные в текущем временном окне. (Эксперимент. 11:20-13:27 курс 180, скорость 7 кабельтовых. Начало записи 11:02).
Фиг. 2. Отношения спектральных яркостей окологоризонтной части неба, усредненных в текущем временном окне, для двух оптических длин волн 620 нм (красный свет) и 380 нм (ближний ультрафиолетовый - УФ). Через 20 мин после начала записи наблюдается аномалия (на фигуре обозначена выноской: «Аномалия сигнала»), расположенная над подводной возвышенностью (на фигуре не показана). Черный график - угловая высота точки неба около 3°, серый график - угловая высота точки неба около 4,5°.
Фиг. 3. Пространственно-временное изображение океанской поверхности с обрушением и пеной. Яркость поверхности моря отображается в полутоновой шкале в относительных единицах. Цифры по осям - номера точек (пиксельные координаты) в приведенном фрагменте изображения.
Фиг. 4. Фрагмент, изображенный на рис. 3, после обработки. На фрагменте выделены обрушения и пена, интенсивность которых отображается в полутоновой шкале в относительных единицах. Цифры по осям - номера точек (пиксельные координаты) в приведенном фрагменте изображения.
Фиг. 5. Зависимость относительной площади обрушений в процентах от времени (В эксперименте с начала дня дул сильный ветер, наблюдались обрушения волн).
Как известно, спектральная яркость неба описывается с помощью двухкомпонентной спектральной модели рассеяния света в атмосфере (аэрозольное и молекулярное рассеяние света). Яркость безоблачного (чистого) неба для непоглощающей атмосферы в приближении однократного рассеяния вдоль направления наблюдения определяется формулами [Лившиц Г.Ш. Рассеянный свет дневного неба. "Наука", Алма-Ата, 1973, 148 с.]:
λ
n
rn
an
где πS - табулированная спектральная солнечная постоянная, f - нормированная индикатриса рассеяния, которая является функцией угла рассеяния, и состоит из суммы нормированных молекулярной (релеевской) f и аэрозольной f индикатрис рассеяния:
ϕ - угол рассеяния (угол между направлением на солнце и направлением наблюдения). Причем для УФ области спектра индикатриса рассеяния будет в основном определяться молекулярной индикатрисой, а в ближней ИК области спектра - аэрозольной индикатрисой.
Функция П(z) описывает ослабление света в результате рассеяния:
r
a
s
Здесь τ=τ+τ - оптическая толща атмосферы, равная сумме молекулярной и аэрозольной толщин, z и z - зенитные угловые расстояния точки неба и солнца. Значения оптических толщин атмосферы и форма индикатрисы рассеяния зависят от длины волны света.
s
При зенитных углах точки неба, близких к 90° (наблюдение около горизонта, как в нашем случае) будем считать τ/cosz→∞ и тогда функция П(z)≈exp(-τ/cosz) будет описывать ослабление солнечного света в атмосфере до трассы рассеяния. Так как в ослаблении света участвует вся толща атмосферы, то эта функция не должна зависеть от локальных приповерхностных вариаций аэрозоля.
В этом случае отношение спектральных яркостей неба для двух оптических длин волн (в формуле ниже цифровые индексы 1 и 2) будет определяться отношением индикатрис рассеяния вдоль трассы рассеяния
и, в принципе, это отношение может меняться при изменении приповерхностного аэрозоля.
a
r
Пусть имеем яркость неба в красной области спектра и в ближней УФ области спектра. В этом случае τ≈τ и отношение яркостей
будет зависеть от отношения аэрозольной и молекулярной оптических толщин и можно ожидать изменения отношения яркостей неба для двух указанных спектральных областей при наличии аномалии на поверхности моря, которая может менять содержание приповерхностного аэрозоля.
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Сначала получают пространственно-временные изображения водной поверхности и окологоризонтной части неба из оптических изображений, зарегистрированных с помощью двух синхронизированных между собой единым задающим генератором оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов с одинаковым направлением наблюдения с установленными на их объективы узкополосными интерференционными фильтрами с полосами пропускания света в ультрафиолетовой и красной областях оптического спектра. Затем вычисляют значения текущих отношений спектральных яркостей окологоризонтной части неба по двум полученным пространственно-временным изображениям в разных световых диапазонах в точках неба с угловой высотой в пределах 1-7 градусов путем усреднения отношения спектральных яркостей в пределах «скользящего» временного окна, которое при вычислении текущего отношения сдвигается на половину длительности временного окна. В зависимости от скорости носителя и пространственного разрешения, которое необходимо получить, размер временного окна может варьироваться, но должен быть относительно небольшим, чтобы не пропустить пространственные аномалии на морской поверхности. На приведенных фигурах размер временного окна составлял 5 с. Ширина спектральных диапазонов составляла 10-12 нм. В данном случае использовались узкополосные интерференционные фильтры на 620 нм (красный свет) и 380 нм (ближний ультрафиолетовый свет).
На фиг. 1 приведены в условных единицах яркости неба для двух спектральных диапазонов (черный график - 380 нм, серый - 620 нм) и на фиг. 2 приведено их отношение в зависимости от времени, полученное при прохождении корабля над подводной возвышенностью. На этих графиках не видно выраженной аномалии по сравнению с фоновой изменчивостью яркости неба.
Отношение спектральных яркостей окологоризонтной части неба (фиг. 2) «сглаживает» фоновую изменчивость и позволяет выявить аномалию в предполагаемой области над подводной возвышенностью по сравнению с фоновыми значениями отношения спектральных яркостей. Тренд оптических сигналов связан с движением солнца по небосводу во время галса.
В конце записи ветер усилился, появились обрушения волн. Отношение спектральных яркостей окологоризонтной части неба стало расти, что может свидетельствовать об относительном увеличении красного света, то есть увеличении вклада аэрозольного рассеяния. Это может быть обусловлено генерацией водного аэрозоля при опрокидывании волн и лопании пузырьков газа на поверхности.
Далее синхронно вычисляют по полученному пространственно-временному изображению в красной области оптического спектра значение текущей величины относительной площади обрушений в течение этого же «скользящего» временного окна в каждом элементе дальности в направлении наблюдения (фиг. 3). В отличие от прототипа при этом можно не исправлять перспективные искажения. Скользящее временное окно сдвигают с перекрытием в 50%. Так как оптические изображения могут регистрироваться при разных условиях освещения, для приведения изображений к единому формату используют нормализацию изображений в пределах временного окна для каждого элемента дальности, которая включает в себя приведение к нулевому среднему (устранение тренда) и единичной дисперсии. При этом из-за небольшого временного окна тренд вычисляют путем аппроксимации полиномом временной зависимости яркости в каждом элементе дальности в течение временного окна. Затем формируют порог и на основе порогового алгоритма формируют изображение с одними обрушениями (фиг. 4). Далее определяют суммарную площадь обрушений в пределах выбранного расстояния вдоль направления наблюдения (обычно это расстояние составляет от 30 м от корабля, чтобы уменьшить влияние корабля на волнение моря, до 100 м; это расстояние и «скользящее» временное окно формируют так называемое пространственно-временное окно), включающую в себя как сами обрушения, так и пенные образования, остающиеся после обрушений (активную и пассивную части обрушений). Для определения относительной площади обрушений используют нормировку вычисленной суммарной площади обрушений на площадь пространственно-временного окна. Разработанный алгоритм для вычисления текущей площади обрушений позволяет регистрировать изменение относительной площади обрушений во времени. Масштабы усреднения обрушений (временное и пространственное разрешение) могут меняться программно.
И, наконец, принимают решение о наличии аномалии при одновременном отклонении текущих значений отношений спектральных яркостей окологоризонтной части неба в обоих спектральных диапазонах и значения текущей величины относительной площади обрушений в красной области оптического спектра от фоновых значений, вычисленных по фоновым участкам пространственно-временных изображений.
На фиг. 5 представлена зависимость относительной площади обрушений в процентах от времени. Площадь обрушений вычислялась за время равное 5 секундам. Длинный галс на юг (от берега в море). Феодосия 10.08.2015. С начала дня: сильный ветер, наблюдаются обрушения волн. Текущая площадь обрушений имеет нестационарный, «пиковый» характер.
Через 20 минут после начала записи во время прохода над подводной горой на фиг. 5 наблюдается аномалия, выражающаяся в уменьшении относительной площади обрушений по сравнению с фоновыми значениями относительной площади обрушений до и после этой аномалии, причем эта аномалия наблюдается синхронно с аномалией коэффициента спектральной яркости окологоризонтного участка неба (фиг. 2).
Таким образом, из приведенных рисунков видно, что предлагаемым способом была обнаружена малоконтрастная аномалия, обусловленная изменением рельефа дна, признаки которой отсутствовали на первоначально полученных пространственно-временных изображениях.
Преимущества предлагаемого способа заключаются в том, что он позволяет обнаруживать аномалии морской поверхности по их одновременным проявлениям на морской поверхности и в атмосфере. Способ позволяет обнаруживать аномалии за счет использования двух механизмов образования контрастов в аномалиях, то есть использования двух различных по физической природе информативных признаков аномалии. Привлечение дополнительных информативных признаков особенно существенно в тех случаях, когда один информативный признак не позволяет выделить аномалии с достаточной достоверностью.
Предлагаемый способ позволяет за счет использования сразу двух информативных признаков с большой достоверностью обнаруживать аномалии с помощью компактных и относительно дешевых пассивных оптических средств в режиме реального времени за счет одновременного сбора информации с достаточно большого участка водной поверхности и атмосферы, и небольшого времени накопления при вычислении относительной площади обрушений.