Способ определения двумерного распределения уклонов волн на водной поверхности
METHOD OF DETERMINING TWO-DIMENSIONAL DISTRIBUTION OF SLOPES OF WAVES ON A WATER SURFACE

Изобретение относится к области гидрометрии и океанографии, методам измерения формы водной поверхности раздела, например, измерению высоты волнения, спектра волнения, спектра уклонов. Данная информация важна в задачах дистанционного зондирования поверхности.
Известен способ измерения уклонов волн с помощью фотографий солнечной дорожки, состоящей из бликов, отраженных от наклонных участков поверхности [1]. Однако в этом способе солнечная дорожка регистрируется с большой высоты (полета самолета) и не регистрируются капиллярные и гравитационно-капиллярные волны.
Другим аналогом является метод определения уклонов путем сканирования поверхности лазерным лучом в одной из плоскостей, перпендикулярной невозмущенной поверхности, регистрации отраженных бликов и расчет статистики уклонов по вероятности регистрации бликов при разных направлениях сканирования [2]. Недостатком данного метода является низкая точность измерений из-за изменения расстояния до поверхности, которое трудно контролировать.
Существует метод, в котором неподвижный лазерный луч направляется перпендикулярно поверхности волн и регистрируется отраженный блик в некотором диапазоне углов, а по вероятности регистрации блика в данном диапазоне определяется распределение плотности вероятности уклонов [3]. При этом заранее предполагается известным, что закон распределенияплотности вероятности уклонов описывается Гауссовым распределением. Недостатком метода является невысокая точность определения уклонов, поскольку вид распределения на самом деле может сильно отличаться от априорно заданного Гауссового. К тому же оценка распределения уклонов по одной измеренной точке этого распределения является весьма приблизительным.
В наиболее близком аналоге (прототипе) лазерные лучи направляются в заданную точку поверхности, регистрируются отраженные блики под разными углами падения, по вероятности регистрации бликов определяется распределение плотности вероятности уклонов [4]. Недостатком метода является невысокая точность измерений из-за отсутствие регистрации высоты волнения, которая имеет переменное значение и влияет на верояногсть регистрации бликов. Кроме того, оценка распределения уклонов проводится по двум-трем точкам, что требует априорного предположения о виде распределения.
В предлагаемом способе проводится регистрация полного двухмерного распределения уклонов по всем направлениям отражения без каких либо предположений о его форме. При этом регистрируется текущее значение высоты взволнованной поверхности в точке измерений и проводится учет этого фактора при обработке результатов и расчете распределения бликов по углам.
Техническим результатом является повышение точности измерений, возможность получения полного двумерного распределения и дальнейшего вычисления всех моментов распределения по любым осям.
Физические принципы предложенного метода состоят в том, что участок поверхности облучают ярким коллимированным лучом света, отраженные блики регистрируют на матовом экране, расположенном над поверхностью, измеряя освещенность экрана в различных его точках. Одновременно проводится измерение расстояния от поверхности до экрана. Для этого рядом с освещенным участком поверхности натягивают гидрофильную струну, которую освещают другим источником света, и регистрируют положение блика на мениске, который формируется на струне в точке ее пересечения с водной поверхностью. Положение блика на экране однозначно связано с уклоном освещенного участка поверхности и расстоянием от поверхности до экрана. Освещенность экрана суммируют с учетом текущего расстояния от поверхности до экрана и по ней вычисляют полную двумерную плотность вероятностей распределения уклонов.
Метод может быть уточнен. Для того, чтобы освещение струны меньше влияло на освещенность экрана, регистрацию отраженных бликов на экране и регистрацию блика на мениске струны проводят в различных спектральных диапазонах.
Общими признаками предложенного способа с прототипом являются: освещение участка поверхности коллимированным светом, регистрация отраженного блика при различных углах наклона поверхности, расчет плотности вероятности уклонов для различных углов падения на поверхность.
На фиг. 1 представлена схема измерений. Источник коллимированного света 1 направлен вертикально вниз к водной поверхности 2. Отраженный блик падает на матовый экран 3, освещенность которого регистрируется на видеокамеру 4. Рядом с освещенным участком поверхности располагают вертикальную гидрофильную струну 5, струну освещают сторонним источником света 6, на видеокамеру 8 регистрируют блик света 7, отраженный от мениска на струне, по которому определяют высоту поверхности, а плотность вероятности уклонов усредняют по серии видеокадров на камере 4 с учетом изменения текущей высоты водной поверхности.
На фиг. 2 представлен видеокадр блика на мениске, который формируется в точке пересечения водной поверхности и гидрофильной вертикальной струны. Для калибровки фотоматрицы по высоте один видеокадр делают с рулеткой.
Геометрия формирования отраженного блика на экране показана на фиг. 3. Координаты блика обозначены х и у. Отклонение блика от вертикали по углу обозначено 2α в плоскости оси х и 2β в плоскости оси у. Направление нормали к поверхности отклонено на углы α и β в плоскости осей х и у, соответственно.
x
y
Изолинии распределения уклонов, полученные в лабораторном эксперименте с искусственными волнами, представлены на фиг. 4. По осям отложены ξ=tg(α) - уклон по оси X, и ξ,=tg(β) - уклон по оси Y. Анизотропия распределения связана с несимметричной формой бассейна.
i
Примером определения уклонов может служить лабораторный эксперимент, в котором коллимированный свет 1 от светодиода направлен в бассейн 2 перпендикулярно поверхности, фиг. 1. Видеокамера 4 регистрировала освещенность матового экрана 3. Рядом с пятном на водной поверхности была расположена гидрофильная вертикальная струна 5 из гидрофильной хлопковой нити, которая освещалась светодиодным фонариком 6 под углом падения 60°, при этом отраженный от поверхности свет фонарика не попадал на экран. Светящийся блик 7 на струне, фиг. 2, регистрировался второй видеокамерой 8. Видеокамеры синхронизовались по времени, поэтому каждому i-му кадру камеры 4 соответствовал кадр камеры 8, по которому проводилось измерение высоты поверхности Н.
Термин распределение уклонов волн означает вычисление вероятности всех возможных уклонов волн, что подразумевает усреднение либо по значительной площади, либо в течение значительного времени. Поскольку коллимированный пучок света имел диаметр пучка 3 см, и освещал небольшую площадку, то усреднение отраженных бликов проводилось в течение длительного времени, превышающего несколько самых длинных периодов волн, что возможно путем регистрации бликов на видеокамеру.
i
Для заданной высоты H координата блика на экране связана с наклоном поверхности следующим соотношением, фиг. 3:
i
0
Это означает, что изображение блика на экране масштабируется по координатам х и у пропорционально высоте H, при которой сделан видеокадр. Поэтому интегрирование видеокадров во времени можно проводить при условии учета масштабов, то есть приведения всех кадров к единой высоте, например, высоте невозмущенной поверхности Н.
0
i
0
i
0
0
2
Каждый i-тый кадр видеокамеры 4 с изображением отраженного блика обрабатывался с целью нормировки изображения к единой высоте, а именно средней высоте поверхности Н. При этом размеры кадра по осям уменьшались в Н/Н раз, а интенсивность увеличивалась в (Н/Н) раз. Затем все кадры видеокамеры 4 интегрировались. Полученное интегральное изображение соответствовало сумме кадров, «приведенных» к одинаковой высоте поверхности Н.
x
y
Традиционно уклоном поверхности называют тангенс угла отклонения нормали к поверхности от вертикали: ξ=tg(α) - уклон по оси X, и ξ=tg(β) - уклон по оси Y, фиг. 4. Из соотношений (1) и (2) следует, что уклоны однозначно связаны с координатой х, у на интегральном кадре:
х
у
x
у
x
у
Поскольку освещенность I(х,у) каждой точки интегрального изображения пропорциональна плотности вероятности соответствующих уклонов ξ, ξ, то этот факт позволил получить двумерное распределение плотности вероятности уклонов Р(ξ,ξ). На фиг. 4 представлены изолинии Р(ξ,ξ) полученные в лабораторном эксперименте. Поскольку бассейн с искуственными волнами был не симметричен, то и распределение уклонов получилось анизотропным.
Предложенный метод является прямым, в нем непосредственно по освещенности интегрального изображения определяется двумерное распределение уклонов или доля водной поверхности, имеющая то или иное значение уклона. При этом не требуется никаких предположений о форме этого распределения. По полному двумерному распределению можно определить все моменты этого распределения, анизотропию и другие характеристика поверхности раздела.
Изобретательский уровень подтверждается отличительной частью формулы изобретения.
Литература
1. Сох С., Munk W. Slopes of the sea surface deduced from photographs of sun glitter, J. Optical. Soc. America, 1954, Vol. 44, No. 11, pp. 838-850.
2. Христофоров Т.Н., Запевалов A.C., Смолов B.E., Фельдман Ю.Р. Лазерная локация топографических неоднородностей на шероховатой морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. - 1993. - №6. - С. 64-73.
3. Александров А.П., Легеза В.П. Лазерный измеритель среднеквадратичных наклонов взволнованной морской поверхности // Морской гидрофизический журнал, 1988, №6, С. 51-56.
4. Запевалов А.С. Способ определения уклонов морской поверхности. Патент RU 2598400 С2, 24.12.2014 - https://findpatent.ru/patent/259/2598400.html (прототип).