СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА И ВЫСОТЫ ВОЛНЕНИЯ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ ОТНОСИТЕЛЬНО ЕЕ РАВНОВЕСНОГО СОСТОЯНИЯ
METHOD OF DETERMINING ANGLE OF INCLINATION AND WAVE HEIGHT ON WATER SURFACE RELATIVE EQUILIBRIUM STATE THEREOF

Изобретение относится к области океанографических измерений, в частности к способам измерения высоты волнения и угла наклона водной поверхности, и может быть использовано в океанологии для изучения волновых процессов на поверхности океана.
Хорошо известен способ определения параметров водной поверхности с помощью сканирующего лазерного волнографа, использующего сканирование лазерного луча по водной поверхности с регистрацией угла прихода и последующим восстановлением угла наклона водной поверхности (E.J.Bock, T.Hara; «Optical measurements of capillary-gravity wave spectra using a scanning laser slope gauge», Journal of Atmospheric and Oceanic Technology, 1995, v.12, N4, 395-403). В лазерном волнографе используют свойство преломления лазерного луча при прохождении границы сред вода - воздух. При этом лазер устанавливают под водой и с помощью специального приспособления изменяют направление луча и таким образом осуществляют сканирование участка морской поверхности размером, например, 0,1×0,1 м с высокой частотой, например в данном устройстве частота равна 69,4 Гц. 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 не полной, что не позволяет определить важные статистические характеристики волнения, например взаимные корреляционные функции наклонов и орбитальных скоростей, необходимые для вычисления доплеровского спектра отраженного радиолокационного сигнала.
Наиболее близким к заявляемому является способ измерения угла наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния, в котором предложено использовать три луча (А.Александров, Э.Вайндруж, В.Легеза «Светолучевой многоканальных волнограф», стр.205-209 в сб. «Неконтактные методы измерения океанографических параметров», М.: Гидрометеоиздат, 1983), который выбран в качестве прототипа. Способ прототип заключается в том, что лазерный луч с помощью размножителя превращают в три луча и лучи направляют вертикально вниз, расстояние между лучами может изменяться в пределах от нескольких сантиметров до десятков сантиметров. Отраженные световые сигналы проектируют под некоторым углом к поверхности воды с помощью стандартного фотообъектива на фотокатод передающей телевизионной трубки. Объектив и трубку располагают так, чтобы вертикали световых лучей проецировались на катод трубки на отстоящие друг от друга вертикальные полосы. Остальную поверхность фотокатода экранируют непрозрачным материалом. Установка экрана в вертикальной плоскости обеспечивает линейную связь аппликат волновых колебаний и регистрируемых координат засветки:
i
i
Z(t)=M·z(t),
i
где M - масштаб изображения, z(t) - текущая координата границы засветки луча на катод трубки.
Блок программного управления осуществляет построчный «просмотр» фотокатода трубки с частотой 25 Гц. В результате в каждом канале определяют число строк засветки, отсчитываемых от первой линии до границ засветки. Дальше информация поступает в регистрирующее устройство.
Недостатком способа прототипа является то, что он не обеспечивает возможность синхронного измерения наклона и высоты волнения в выбранной точке водной поверхности. Это уменьшает восстанавливаемый объем информации о волнении, т.е. теряется информация о взаимной корреляции параметров волнения. Это связано с тем, что не измеряется мгновенный профиль волны с необходимым пространственным разрешением.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа измерения мгновенного профиля водной поверхности с высоким пространственным разрешением для того, чтобы восстановить высоту и наклон водной поверхности в каждой точке.
В результате осуществления способа формируется пространственно-временной массив данных, характеризующих волнение водной поверхности, а в первом частном случае реализации изобретения этих данных достаточно, чтобы с помощью стандартных алгоритмов обработки вычислить двумерный пространственно-временной спектр волнения.
Технический результат в разработанном способе измерения угла наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния достигается тем, что, как и в способе прототипе, лазерный луч направляют вертикально вдоль оси Z, лазерный луч визуализируют в виде метки на границе раздела вода - воздух в плоскости YZ, одновременно с этим с помощью цифровой видеокамеры фиксируют величины отклонений упомянутой метки относительно нулевой отметки.
Новым в разработанном способе является то, что используют широкий лазерный луч, сформированный в виде лазерного ножа, а в плоскости YZ визуализируют протяженную метку, которую фиксируют с помощью цифровой видеокамеры, после чего по предлагаемому алгоритму производят пересчет экранных координат в реальные координаты, восстанавливают высоту волнения в точках вдоль оси Y с заданным шагом с последующим формированием реального мгновенного профиля водной поверхности, затем угол наклона поверхности в любой точке определяют по разности высот в двух соседних точках по оси Y.
В разработанном способе, в отличие от способа прототипа, высота волнения восстанавливается не в трех точках, а вдоль всей протяженной метки, созданной лазерным ножом, с необходимым для конкретной задачи разрешением.
Благодаря тому, что, с одной стороны, измеряется общая высота волны, а с другой стороны, с хорошим разрешением измеряется спектр коротких волн, расположенных на крупной волне, появляется возможность анализировать модуляцию коротких гравитационно-капиллярных волн крупномасштабным волнением.
В первом частном случае реализации изобретения для получения двумерного спектра волнения используют два лазерных ножа, расположенных под прямым углом друг к другу.
Во втором частном случае реализации изобретения лазерный нож направляют вертикально вверх вдоль оси Z.
В третьем частном случае реализации изобретения лазерный нож направляют вертикально вниз вдоль оси Z.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг.1 приведена схема измерения для реализации предлагаемого способа.
1
2
1
На фиг.2 представлен мгновенный профиль водной поверхности в два последовательных момента времени t и t=t+Δt в плоскости YZ (численное моделирование).
Изобретение осуществляется следующим образом.
Одна из схем измерения для реализаций предлагаемого способа приведена на фиг.1. С помощью расположенных под водой лазера 1 и оптического блока 2, помещенных в водонепроницаемый блок 3, осуществляют формирование лазерного ножа 4. После прохождения лазерного ножа 4 через взволнованную водную поверхность 5 на границе раздела вода - воздух визуализируется протяженная метка 6, изменение положения которой во времени фиксируют с помощью расположенной над водой цифровой видеокамеры 7. Разрешение по пространству определяется разрешением цифровой видеокамеры 7. Например, при длине протяженной метки 0,2 м на поверхности и соответствующих ей 200 точках (пикселях) в цифровой видеокамере 7 разрешение по оси Y будет примерно равно 0,001 м. Фактически, визуализируемая протяженная метка 6 - это измеренный мгновенный профиль водной поверхности, но ввиду того, что он фиксируется с помощью цифровой видеокамеры 7, профиль имеет оптические и масштабные искажения, которые и компенсируются последующей обработкой.
i
yi
С помощью цифровой видеокамеры 7 записывают вертикальное смещение протяженной метки на водной поверхности 5 относительно нулевого уровня, а для нахождения координат используют специальную компьютерную программу обработки, разбивающую непрерывное видеоизображение на последовательность кадров и вычисляющую координаты для i-й точки в каждом кадре (i=1-n), после чего по предлагаемому алгоритму восстанавливают (вычисляют) высоту Z волнения водной поверхности 5 в выбранной i-й точке и величину соответствующего мгновенного значения угла наклона θ водной поверхности для той же i-й точки.
i
i
i
i
i
y
В общем случае переход от экранных (y, z) к реальным координатам (Y, Z) происходит в два этапа. При вычислении высоты Z лучше использовать не коэффициент M, а масштабную функцию M, вычисляющую высоту в i-й точке:
i
y
i
i
Z(t)=M(y, z(t)).
i
На втором этапе с помощью масштабной функции переходим к реальной координате Y, в которой эта высота измерена:
i
y
i
Y=F(y).
y
y
Необходимость использовать не простой коэффициент пересчета, как в прототипе, а функции обусловлена наличием геометрических искажений, свойственных оптическим системам, в частности цифровой видеокамере 7. Функции M и F можно построить исходя из геометрических соображений, однако намного проще для вычисления использовать шаблон, размещенный в месте проведения измерений (ожидаемом месте появления линии) до начала измерений. В качестве шаблона можно использовать вертикально расположенную прозрачную пленку, на которой нанесена равномерная сетка с известным шагом, например 2 мм.
y
y
Процедура вычисления масштабных функций M и F состоит в съемке калибровочной сетки и пересчете экранных координат (пикселов) сетки в реальные координаты. Сосчитанная матрица запоминается и используется для пересчета колебаний водной поверхности 5 из экранных координат в реальные координаты. В ходе преобразований корректируется высота волнения и положение выбранной точки (узла сетки).
Для нахождения нулевого уровня можно, например, воспользоваться способом, основанным на том, что колебание водной поверхности 5 происходит около среднего уровня и среднее значение должно быть равно нулю. Поэтому вычисляется среднее значение для реализации за достаточно продолжительный период времени и полученное значение вычитается из исходной реализации.
Угол наклона поверхности проще всего найти по следующей формуле:
yi
i+1
i
i+1
i
θ=arctg[(Z-Z)/(Y-Y)],
i
i
i
i
i+1
где Z - высота волны в i-й точке, Y - координата i-й точки. Отметим, что при дальнейших преобразованиях необходимо помнить, что восстановленный угол наклона фактически относится к средней точке, т.е. Y(центр)=0,5×(Y+Y).
Аналогично находится вертикальная скорость движения в i-й точке при сравнении высоты в последовательные моменты времени j и j+1:
j
где t обозначает j-й момент времени.
Именно такой подход для вычисления наклонов и вертикальной составляющей орбитальной скорости используется при обработке данных струнных волнографов. Однако струны не могут располагаться ближе 5-7 мм, т.к. появляются искажения. Предлагаемая схема измерений не обладает таким недостатком, и расстояние между соседними точками может быть намного меньше.
Таким образом, в процессе реализации изобретения происходит измерение мгновенного профиля водной поверхности с высоким пространственным разрешением с последующим восстановлением высоты и наклона волнения.
В способе по п.2 формулы для получения двумерного спектра волнения используют два лазерных ножа 4, расположенных под прямым углом друг к другу. В отличие от классической схемы расположения датчиков при измерении волнения, когда используют небольшое число датчиков, в данном случае количество точек, в которых измеряется высота волнения, ограничивается только разрешением цифровой видеокамеры 7.
Соответственно необходимо дополнительно вычислить еще две масштабные функции. Формулы будут того же вида:
i
x
i
i
Z(t)=M(x, z(t))
i
x(
i)
X=Fx
xi
i+1
i
i+1
i
θ=arctg[(Z-Z)/(X-X)]
В результате формируется пространственно-временной массив данных, достаточный для вычисления с помощью стандартных алгоритмов обработки (см., например, К.Коняев, «Спектральный анализ случайных океанологических полей», Л.: Гидрометеоиздат, 1981, 208 с.) двумерного пространственно-временного спектра волнения водной поверхности.
В способе по п.3 формулы лазерный нож 4 направляют вертикально вверх вдоль оси Z. Этот вариант реализации способа может быть осуществлен, когда лазер 1 и оптический блок 2, помещенные в водонепроницаемый блок 3, расположены под водной поверхностью 5, т.е. либо при использовании уже приведенной выше схемы измерений либо при использовании схемы, когда, например, в лабораторных условиях цифровая видеокамера 7 размещена под лотком с водой и съемка ведется через прозрачное дно или боковую стенку.
В способе по п.4 формулы лазерный нож 4 направляют вертикально вверх вдоль оси Z. Этот частный случай реализации способа может быть осуществлен, когда и лазер 1 и оптический блок 2, помещенные в водонепроницаемый блок 3, и цифровая видеокамера 7 размещены над водной поверхностью 5.