Способ определения угла наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния

Изобретение направлено на изучение волновых процессов на поверхности океана. Способ заключается в том, что лазерный луч направляют вертикально вдоль оси Z и визуализируют в виде метки на границе раздела вода - воздух. Лазерный луч формируют в виде лазерного ножа или двух лазерных ножей, ориентированных перпендикулярно друг другу. Визуализируют протяженную метку, которую фиксируют с помощью цифровой видеокамеры, после чего производят пересчет экранных координат в реальные координаты. Восстанавливают высоту волнения в точках или вдоль оси Y или, при использовании двух лазерных ножей, вдоль двух перпендикулярных направлений Х и Y с заданным шагом с последующим формированием реального мгновенного профиля водной поверхности. Угол наклона поверхности определяют по разности высот в двух соседних точках. Технический результат заключается в обеспечении высокого пространственного разрешения для обеспечения возможности восстановления высоты и наклона водной поверхности в каждой точке. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

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:

Z_i(t)=M·z_i(t),

где M - масштаб изображения, z_i(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.

На фиг.2 представлен мгновенный профиль водной поверхности в два последовательных момента времени t₁ и t₂=t₁+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.

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_i волнения водной поверхности 5 в выбранной i-й точке и величину соответствующего мгновенного значения угла наклона θ_yi водной поверхности для той же i-й точки.

В общем случае переход от экранных (y_i, z_i) к реальным координатам (Y_i, Z_i) происходит в два этапа. При вычислении высоты Z_i лучше использовать не коэффициент M, а масштабную функцию M_y, вычисляющую высоту в i-й точке:

Z_i(t)=M_y(y_i, z_i(t)).

На втором этапе с помощью масштабной функции переходим к реальной координате Y_i, в которой эта высота измерена:

Y_i=F_y(y_i).

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_y и F_y 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.

Процедура вычисления масштабных функций M_y и F_y 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:

θ_yi=arctg[(Z_i+1-Z_i)/(Y_i+1-Y_i)],

где Z_i - высота волны в i-й точке, Y_i - координата i-й точки. Отметим, что при дальнейших преобразованиях необходимо помнить, что восстановленный угол наклона фактически относится к средней точке, т.е. Y_i(центр)=0,5×(Y_i+Y_i+1).

Аналогично находится вертикальная скорость движения в i-й точке при сравнении высоты в последовательные моменты времени j и j+1:

где t_j 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:

Z_i(t)=M_x(x_i, z_i(t))

X_i=F_x(x_i)

θ_xi=arctg[(Z_i+1-Z_i)/(X_i+1-X_i)]

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.

1. Способ измерения угла наклона и высоты волнения водной поверхности относительно ее равновесного состояния, заключающийся в том, что лазерный луч направляют вертикально вдоль оси Z, лазерный луч визуализируют в виде метки на границе раздела вода - воздух, одновременно с этим с помощью цифровой видеокамеры фиксируют величины отклонений упомянутой метки относительно нулевой отметки, отличающийся тем, что направляют лазерный луч, сформированный в виде лазерного ножа, или используют два лазерных ножа, ориентированных перпендикулярно друг другу, визуализируют протяженную метку, которую фиксируют с помощью цифровой видеокамеры, после чего производят пересчет экранных координат в реальные координаты, восстанавливают высоту волнения в точках или вдоль оси Y или, при использовании двух лазерных ножей, вдоль двух перпендикулярных направлений Х и Y с заданным шагом с последующим формированием реального мгновенного профиля водной поверхности, затем угол наклона поверхности определяют по разности высот в двух соседних точках.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при использовании двух лазерных ножей определяют двумерный спектр волнения.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерный нож направляют вертикально вверх вдоль оси Z.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что лазерный нож направляют вертикально вниз вдоль оси Z.