СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УКЛОНОВ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ
METHOD OF DETERMINING SLOPES OF WATER SURFACE

Изобретение относится к области океанологических измерений и преимущественно может быть использовано для контроля состояния поверхности океана.
Анализ оптических и радиолокационных изображений и их интерпретация требуют детальной информации о топографической структуре морской поверхности [1]. Основным физическим параметром морской поверхности, определяющим рассеяние радиоволн и света, являются ее уклоны [2, 3]. Наибольший вклад в дисперсию уклонов дают короткие поверхностные волны, измерение которых в натурных условиях представляет технически сложную задачу [4].
Физической основой предлагаемого метода определения уклонов морской поверхности путем индикации бликов зеркального отражения является следующее. При лазерном зондировании морской поверхности лидаром с совмещенным источником и приемником оптического сигнала блики регистрируются при попадании луча на площадки поверхности, ориентированные перпендикулярно лазерному лучу. При вертикальном зондировании это площадки, ориентация которых близка к горизонтальной.
k
При вертикальном зондировании уклон площадки ξ, при которой происходит зеркальное отражение, не должен превышать некоего критического значения ξ, т.е. должно выполняться условие
k
Критическое значение ξ определяется высотой Н лидара над водной поверхностью и диаметром d апертуры фотоприемника [5]
Вероятность того, что уклон морской поверхности лежит в диапазоне (1), определяется отношением суммарной длительности бликов зеркального отражения τ, зарегистрированных в течение сеанса измерений, к длительности сеанса измерений Т. Таким образом, получаем
где Р - вероятность уклонов.
При выводе выражений (1)-(3) учтено, что в поле поверхностных волн математическое ожидание уклона равно нулю. Аналогичным образом можно получить условие для наклонного зондирования морской поверхности.
Одним из аналогов заявленного технического решения является способ определения уклонов морской поверхности по бликам зеркального отражения, регистрируемым при сканировании водной поверхности лучом лазера [6]. Сканирование осуществляется в одной плоскости, перпендикулярной невозмущенной водной поверхности. Сходными с признаками заявленного изобретения являются такие признаки аналога: облучение морской поверхности лазером, регистрация бликов зеркального отражения, расчет по статистике бликов характеристик уклонов. Недостатком аналога является низкая точность определения уклонов водной поверхности, поскольку в процессе сканирования расстояние от лидара до точки водной поверхности, от которой происходит зеркальное отражение, постоянно меняется.
Наиболее близким к изобретению по совокупности признаков и поэтому выбранным в качестве прототипа, является способ [5] определения характеристик уклонов по бликам зеркального отражения при вертикальном зондировании морской поверхности. При реализации этого способа предполагается, что уклоны поверхности имеют Гауссово распределение. Распределение Гаусса является двухпараметрическим: зависит от математического ожидания случайной величины, которое в нашем случае равно нулю, и от ее дисперсии. Поэтому, зная вероятность попадания уклонов в интервал (1), мы однозначно определяем их распределение.
Такие признаки прототипа, как зондирование водной поверхности неподвижным вертикально ориентированным лазерным лучом, регистрация бликов зеркального отражения, расчет плотности вероятностей компоненты уклонов водной поверхности и определение статистических моментов уклонов, являются сходными с существенными признаками заявленного технического решения.
Недостатком прототипа является низкая точность определения характеристик уклонов морской поверхности. Этот недостаток является следствием того, что априори предполагается, что распределение является Гауссовым и изотропным, а измерение длительности бликов осуществляется только при вертикальном зондировании. В то же время известно, что нелинейные эффекты в поле поверхностных волн приводят к отклонению распределений уклонов поверхностных волн от распределения Гаусса [7], что существенно влияет на характеристики бликов зеркального отражения при лазерном зондировании морской поверхности [8]. Установлено, что при углах зондирования, близких к нулевым, в реальном волновом поле вероятность бликов зеркального отражения выше, чем рассчитанная для Гауссовой поверхности, превышение может достигать 29%. При углах зондирования 10°-15° реальная вероятность ниже, расхождение может достигать 40% [9].
В основу изобретения поставлена задача создания способа определения уклонов водной поверхности, в котором учитываются отклонения распределений уклонов от распределения Гаусса.
Техническим результатом является повышение точности определения характеристик уклонов водной поверхности. Это достигается путем проведения одновременных измерений бликов зеркального отражения, создаваемых площадками с разными уклонами, что позволяет строить плотность вероятностей уклонов не по одной, как в прототипе, а по нескольким точкам.
Квазигауссовы распределения, к классу которых относятся распределения уклонов, описываются распределением Грама-Шарлье. Как правило, при определении распределения уклонов используются модели, в которых учитываются кумулянты до четвертого порядка. Поэтому для построения распределения уклонов в форме Грама-Шарлье необходимо знать минимум три кумулянта (еще один кумулянт известен априори, поскольку среднее значение уклонов равно нулю). Таким образом, одновременное измерение бликов зеркального отражения необходимо проводить минимум при трех углах падения.
Поставленная задача решается тем, что в способе определения уклонов водной поверхности, согласно которому заданная точка поверхности облучается с высоты Н лазером, луч которого неподвижен и ориентирован вертикально, регистрируются блики зеркального отражения, по ним рассчитывается плотность вероятностей компоненты уклонов, по которой определяют статистические моменты уклонов, новым является то, что определяют или одну, или две компоненты уклонов водной поверхности, при определении каждой из компонент одновременно с зондированием вертикальным лучом заданную точку водной поверхности зондируют при ненулевых углах падения неподвижными лучами двух или более лидаров, каждый из которых расположен на расстоянии Н от заданной точки водной поверхности и лучи которых лежат в одной плоскости с вертикальным лучом, регистрируют всеми лидарами блики зеркального отражения и рассчитывают плотность вероятностей соответственно или одной, или двух компонент уклонов водной поверхности, при этом при определении двух компонент плоскости расположения лучей лидаров, предназначенных для определения каждой из компонент, взаимно перпендикулярны.
Заявленный способ позволяет определять одну компоненту уклонов водной поверхности, как в прототипе, или получать двумерное распределение уклонов водной поверхности.
Способ осуществляют следующим образом.
Для реализации предложенного способа могут быть использованы лидары, аналогичные лидару, описанному в работе [6]. В качестве источника оптического излучения используется He-Ne лазер типа ЛГИ-203 мощностью 4 мВт.
Рассмотрим пример определения одной компоненты уклонов (вторая компонента определяется аналогично). Используют лидар для вертикального зондирования морской поверхности, который расположен на высоте Н от заданной точки поверхности, и два лидара для наклонного зондирования, каждый из которых расположен также на расстоянии Н от заданной точки поверхности и так, что лучи всех трех лидаров, направленные в заданную точку, лежат в одной вертикальной плоскости.
Заданную точку морской поверхности одновременно зондируют всеми лидарами. По измерениям, выполняемым каждым лидаром, регистрируют блики зеркального отражения и по этим данным рассчитывают плотность вероятностей компоненты уклонов морской поверхности. Далее, зная плотность вероятностей, рассчитываются статистические моменты компоненты уклонов, такие как дисперсия, асимметрия и эксцесс.
При этом в случае определения двух компонент уклонов морской поверхности плоскость расположения лучей лидаров, предназначенных для определения первой компоненты, перпендикулярна плоскости расположения лучей лидаров, предназначенных для определения второй компоненты.
Источники информации
1. Пустовойтенко В.В. Спутниковые средства дистанционного зондирования в системе экологического мониторинга морских акваторий // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон. - 2003. - Т. 9. - С. 125.
2. Запевалов А.С. Зависимость статистики бликов зеркального отражения при лазерном зондировании морской поверхности от характеристик ее локальных уклонов // Оптика атмосферы и океана. - 2000 - Т. 13, №12. - С. 1123-1127.
3. Басе Ф.Г., Брауде С.Я., Калмыков А.И., Мень А.В., Островский И.Е., Пустовойтенко В.В., Розенберг А.Д., Фукс И.М. Методы радиолокационных исследований морского волнения (радиоокеанография) // Успехи физических наук. - 1975. - Том 116. - С. 741-743.
4. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е. Контактные измерения спектра ветровых волн в широком диапазоне частот // Экспериментальные методы исследования океана, Севастополь: МГИ АН УССР. - 1978. - С. 43-48.
5. Александров А.П., Легеза В.П. Лазерный измеритель среднеквадратичных наклонов взволнованной морской поверхности // Морской гидрофизический журнал, 1988, № 6, С. 51-56. - прототип.
6. Христофоров Г.Н., Запевалов А.С., Смолов В.Е., Фельдман Ю.Р. Лазерная локация топографических неоднородностей на шероховатой морской поверхности // Морской гидрофизический журнал. - 1993. - №6. - С. 64-73.
7. Запевалов А.С. Статистические модели взволнованной морской поверхности. Для задач дистанционного зондирования // Saarbrücken: LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2012. - 69 с.
8. Запевалов А.С., Ратнер Ю.Б. Эффекты квазигауссового характера распределения уклонов морской поверхности при лазерном зондировании // Оптика атмосферы и океана. - 2002. - Т. 15. - №10. - С. 958-928.
9. Запевалов А.С. Вероятность бликов зеркального отражения при наклонном зондировании морской поверхности // Океанология, 2005, т. 45, №1, С. 16-20.