Способ определения рельефа уклонов волн морской поверхности по оптическим пространственно-временным изображениям морской поверхности Российский патент 2025 года по МПК G01C13/00 

Изобретение относится к средствам диагностики морской 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, обусловленных неоднородностями подводного рельефа, следами судов, загрязнением морской поверхности, внутренними волнами.

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 радиодиапазоне спектров электромагнитных волн.

Радиолокационные методы наиболее предпочтительны в том смысле, что являются всепогодными, позволяющими 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.

Недостаток радиолокационных методов в «непрямом» способе регистрации уклонов волн морской поверхности (далее просто уклонов волн), что ограничивает точность методов. В частности, вводится так называемая модуляционная передаточная функция (МПФ) – полуэмпирическая функция зависимости сигнала радиолокатора от уклонов волн. Кроме того, в сигнал радиолокатора могут вносить вклад отражения от пены и брызг, образующихся в результате обрушения волн, дифракция радиоволн на заостренных гребнях обрушивающихся ветровых волн, и отражения от зеркальных участков морской поверхности.

Таким образом, существует необходимость разработки методов и аппаратуры измерения данных о состоянии морской поверхности, подповерхностного слоя моря 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 изображений, позволяющих получать информацию о состоянии водной среды с необходимой степенью достоверности.

Оптические методы позволяют получать пространственное распределение уклонов волн «прямым» способом по яркости морской поверхности. При этом вычисляется так называемая оптическая передаточная функция – зависимость яркости изображения от уклонов волн. Здесь в общем случае требуется знание параметров оптического приемника (диафрагмы объектива, чувствительности матрицы фотоприемника) и данные о яркости неба.

Для измерения уклонов волн обычно применяются специально разработанные буи или решетки волнографов, а также используются оптические методы: определяют функцию распределения уклонов волн по солнечной дорожке, используют лазерное зондирование. В основном эти методы регистрируют уклоны волн в точке, например с океанографической платформы, либо с какого-нибудь носителя (корабля, самолета).

В работах (Богатов Н.А., Мольков А.А. Восстановление характеристик ветровых волн в Атлантике по данным судовой стереосъемки. Фундаментальная и прикладная гидрофизика. Т. 14. № 4. С. 90-97. doi: 10.7868/S2073667321040080 (2021 г.), Kosnik (Yurovskaya) M.V. and Dulov V.A. Extraction of short wind wave spectra from stereo images of the sea surface. Measurement Science and Technology. 2011. V. 22(1). 015504. doi:10.1088/0957-0233/22/1/015504) для восстановления топографии морской поверхности и пространственных спектров ветровых волн используются стереоизображения морских волн, полученные с океанографической платформы или с корабля, но дороговизна и сложность организации измерений и оборудования и трудоемкость обработки получаемой информации не позволяют пользоваться этим способом на регулярной основе.

Наиболее перспективным для диагностики состояния водной среды является метод анализа изображения морской поверхности в рассеянном свете неба при наклонном визировании. При наблюдении с корабля, берега, морской платформы и с летательного аппарата возможно охватить большую площадь акватории в течение длительного времени. Такой метод позволяет регистрировать пространственное распределение уклонов волн, то есть рельеф уклонов морской поверхности.

Известна работа (В.И. Титов, А.А. Антонов. Восстановление рельефа морской поверхности и спектра волнения по изображению поверхности моря. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса. 2023. Т. 20. № 5. С. 39-49), в которой излагаются теоретические основы восстановления уклонов волнения по оптическому изображению поверхности моря. Однако приведенный способ применим только при определенном освещении поверхности моря: при пасмурном однородном небе, свет которого не поляризован, что ограничивает возможности данного способа. В предлагаемой заявке излагается новый способ восстановления уклонов волн по градиенту угловой зависимости средней яркости поверхности моря, который применим при широких условиях наблюдения, в том числе при безоблачном небе, что существенно увеличивает его область применения. В работе также не раскрыт способ регистрации относительных флуктуаций яркости поверхности моря, нет описания способа формирования рельефа уклонов волн по пространственно-временному полю уклонов волн. Таким образом, в этой работе не раскрыт способ получения рельефа уклонов волн, что является основным недостатком данной публикации.

В качестве прототипа был выбран 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 данном патенте описан способ определения кинематических характеристик взволнованной водной поверхности по оптическим пространственно-временным изображениям водной поверхности, в котором формируют одномерные изображения 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 и проводят их обработку, преобразуя одномерное изображение в последовательность цифровых значений, определяя положение линии горизонта по перепаду яркости изображения, взяв за начало отсчета последовательности цифровых значений одномерных изображений положения 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 последовательности одномерных изображений, и определяют кинематические характеристики поверхностных волн по периоду и наклону отображений этих волн на двух пространственно-временных изображениях водной поверхности.

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, в то время как существует необходимость иметь способ, который позволяет получать данные о волнении моря (рельеф уклонов морской поверхности) по оптическим изображениям поверхности моря, формируемым с помощью фотоаппарата или линейки фотоприемников.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка оригинального способа восстановления «рельефа» уклонов волн морской поверхности по оптическому пространственно-временному изображению морской поверхности. Этот способ не требует информации о параметрах оптического приемника и об абсолютных значениях яркости неба.

Новым является то, что из преобразованных в последовательность цифровых значений, полученных оптических пространственно-временных изображений морской поверхности с началом от изображения горизонта формируют безразмерные цифровые пространственно-временные изображения относительных флуктуаций яркости морской поверхности путем вычисления для каждого текущего оптического одномерного изображения среднего одномерного изображения, полученного с помощью нелинейной аппроксимации текущего оптического одномерного изображения и нормировки текущего одномерного изображения поверхности на его аппроксимированное среднее одномерное изображение с вычитанием из частного единичного вектора, переходят к пространственно-временному изображению уклонов волн путем нормировки вектора одномерных изображений флуктуаций яркости поверхности либо на безразмерный вычисляемый вектор, определяемый относительными изменениями коэффициента Френеля и относительной угловой зависимостью яркости «зеркального» участка неба, либо на вектор, определяемый по относительному градиенту средней яркости поверхности моря по зенитному углу наблюдения, формируют пространственно-временной рельеф уклонов волн, исправляя перспективные искажения пространственно-временного изображения уклонов волн путем перехода к эквидистантной сетке по дальности с помощью интерполяции одномерных изображений уклонов волн, определяют временной спектр уклонов волн путем интегрирования по пространственной частоте спектра выбранного фрагмента пространственно-временного изображения уклонов волн в окрестности параболической дисперсионной кривой.

Таким образом, если в прототипе нормировка оптических одномерных изображений поверхности моря с исправленными перспективными искажениями производится на их среднее значение за весь файл (за все сформированное изображение), в предложенном способе для каждого текущего оптического одномерного изображения вычисляется среднее одномерного изображения и вычисляется одномерное изображение относительных флуктуаций яркости поверхности моря.

Способ поясняется следующими фигурами:

Фиг. 1. Пространственно-временное изображение уклонов волн в направлении визирования (наклонные полосы), восстановленное данным способом из изображения поверхности моря при наблюдении под скользящими углами.

Фиг. 2. Плотность вероятности уклонов волн для трех длин волн света: 451 нм, 516 нм и 613 нм.

Фиг. 3. Спектр пространственно-временного изображения уклонов волн в рад²·м·сек.

Фиг. 4. Спектр пространственно-временного изображения уклонов волн, вычисленный интегрированием по пространственной частоте в окрестности параболической кривой как функция временной частоты в Гц.

Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.

С помощью оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов формируем одномерные изображения водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования.

Рассмотрим яркость поверхности моря для случая «однородного» неба (ясное небо или пасмурное небо, или туман). В этом случае в приближении малых уклонов волн яркость поверхности моря можно разложить в ряд по уклонам волн и ограничиться линейным слагаемым:

, (1)

где - средняя яркость поверхности моря, - градиент яркости морской поверхности по уклонам волн, - вектор уклонов волн.

Принцип восстановления уклонов волн заключается в следующем: в каждой точке поверхности моря формируется безразмерный сигнал (относительные флуктуации яркости моря):

(2)

Перед искомым вектором уклонов волн находится безразмерный коэффициент , который не зависит от параметров оптического приемника (диаграммы направленности, оптического фильтра), усиления сигнала и т.д. и зависит только от относительного градиента коэффициента отражения Френеля , т.е. от поляризации регистрируемого излучения и от относительной угловой зависимости яркости неба . Этот коэффициент можно определить путем вычисления по формуле коэффициента отражения Френеля и с помощью модели углового распределения яркости неба.

При вычислении относительных флуктуаций яркости моря проблема состоит в определении средней яркости моря . В данном способе вычисляем среднюю яркость путем нелинейной аппроксимации исходных одномерных изображений. При этом формирование безразмерных пространственно-временные изображения относительных флуктуаций яркости морской поверхности производим путем вычисления для каждого текущего оптического одномерного изображения среднего одномерного изображения и нормировки текущего одномерного изображения поверхности на его аппроксимированное среднее одномерное изображение с вычитанием из частного единичного вектора.

Определим на средней поверхности моря систему координат, причем ось 1 - в направлении визирования. Тогда для наклонных углов наблюдения относительные флуктуации яркости моря будут определяться формулой:

, (3)

где - зенитный угол наблюдения, -яркость неба, - уклон волн по оси 1. Здесь имеются два механизма, обусловливающие контрасты поверхностных волн: коэффициент отражения света Френеля и угловой градиент яркости неба (подповерхностным излучением пренебрегаем при наблюдении под скользящими углами).

Переходим к пространственно-временному изображению уклонов волн путем нормировки одномерных изображений относительных флуктуаций яркости поверхности моря на безразмерные вычисляемые вектора, определяемые относительной угловой зависимостью коэффициентами Френеля и относительной угловой зависимостью яркости «зеркального» участка неба.

Выражение для коэффициента Френеля известно и зависит от поляризации регистрируемого света, отношение можно взять из модельного выражения для яркости неба, либо определить по фотоснимку неба. Заметим, что для пасмурного неба отношение имеет знак, противоположный отношению из-за того, что яркость пасмурного неба убывает к горизонту, что уменьшает оптический контраст волн. С другой стороны, для безоблачного неба яркость к горизонту растет, и, соответственно, повышаются оптические контрасты волн по сравнению с пасмурным небом.

Данный пример приведен для пасмурного, однородного неба, свет которого неполяризован. При безоблачном небе, свет, которого поляризован, для определения коэффициента перед уклонами волн в формуле для относительных флуктуаций яркости моря необходимо считать параметры Стокса отраженного излучения неба, что является сложной задачей. В этом случае предлагается способ оценивания этого коэффициента, основанный на определении относительного градиента средней яркости поверхности моря по зенитному углу наблюдения . Средняя яркость будет определяться формулой:

., (4)

Относительный градиент средней яркости поверхности моря будет равен:

. (5)

Отсюда можно определить искомый коэффициент перед уклонами волн в формуле для относительных флуктуаций яркости моря с точностью до отношения .

Переходим к пространственно-временному изображению уклонов волн путем нормировки одномерных изображений относительных флуктуаций яркости поверхности моря на вектор, вычисляемый по относительному градиенту угловой зависимости средней яркости поверхности моря

Предлагаемый способ восстановления уклонов волн является как бы «самосогласованным». Он позволяет учесть как поляризацию света неба, так и возможное наличие поляроидов на объективе.

В принципе при скользящих углах наблюдения для оценки уклонов волн в направлении визирования можно пренебречь яркостью неба и приближенная формула для уклонов волн в направлении визирования будет иметь вид:

(6)

Таким образом, разработанный способ определения рельефа уклонов волне не требует знания абсолютных значений яркости неба, чувствительности и параметров оптического приемника, так как в формулах фигурируют только относительные величины. Для неполяризованного света (при пасмурном небе) отношение можно принять равным 5.

Описание фигур:

На фиг. 1 приведено пространственно-временное изображение длинных волн (или «рельеф» уклонов длинных волн), восстановленное данным способом согласно формуле изобретения из изображения поверхности моря при наблюдении под скользящими углами. Интенсивность изображения пропорциональна уклонам волн в направлении визирования в радианах (см. врезку справа). По вертикали отложено расстояние от наблюдателя в метрах, по горизонтальной оси – время в секундах. Уклоны длинных волн можно оценить в несколько градусов, что соответствует по порядку величины литературным данным.

При известном «рельефе» уклонов волн можно вычислить функцию распределения уклонов волн. На фиг. 2 приведены плотности вероятности уклонов волн для трех длин волн света: 451 нм, 516 нм и 613 нм. Красная кривая – плотность вероятности, вычисленная по ПВИ при зенитном угле наблюдения 75 град., синяя кривая – вычислена по ПВИ при зенитном угле наблюдения 82,5 град.

На фиг. 3 приведен двумерный спектр пространственно-временного рельефа уклонов длинных волн в координатах пространственная частота в 1/м и временная частота в Гц. Как известно, длинные волны подчиняются следующему дисперсионному соотношению:

(7)

где - временная частота, - пространственная частота, - угол между направлением визирования оптического приемника и направлением распространения длинной волны.

Соответственно, спектр длинных волн группируется около так называемой параболической дисперсионной кривой, определяемой данной формулой (фиг. 3, белая кривая в нижней полуплоскости). Временной спектр состоит из спектра волн зыби (частота 0,2-0,3 Гц) и спектра длинных ветровых волн (частота 0,4-0,6 Гц).

Определим спектр уклонов длинных волн путем интегрирования по пространственной частоте двумерного спектра пространственно-временного рельефа уклонов длинных волн в окрестности параболической кривой как функцию временной частоты.

Такой способ вычисления временного спектра уклонов длинных волн позволяет выделить длинные волны, которые подчиняются дисперсионному соотношению, и избавиться от лишних «шумов», которые могут содержаться в оптическом пространственно-временном изображении моря (полосы, обрушения, групповая структура волн, слики, нелинейные искажения передаточной функции яркость поверхности моря – уклон волн и т.д.).

Спектр уклонов длинных волн, вычисленный интегрированием по пространственной частоте в окрестности параболической кривой как функция временной частоты в Гц, приведен на фиг. 4, верхний график.

Временной спектр состоит из спектра волн зыби (частота 0,2-0,3 Гц) и спектра длинных ветровых волн (частота 0,4-0,6 Гц). Вычисления с помощью дисперсионного соотношения показывают, что спектр зыби соответствует волнам длиной 20-24 м, спектр ветровых волн соответствует волнам длиной 6-7 м.

Изобретение относится к способам диагностики морской поверхности. Сущность способа определения рельефа уклонов морской поверхности состоит в том, что формируют одномерные изображения водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования и проводят их обработку, преобразуя одномерное изображение в последовательность цифровых значений, определяя положение линии горизонта по перепаду яркости изображения, формируют безразмерные пространственно-временные изображения относительных флуктуаций яркости морской поверхности, переходят к пространственно-временному изображению уклонов волн путем нормировки одномерных изображений относительных флуктуаций яркости поверхности на безразмерные вычисляемые векторы и формируют пространственно-временной рельеф уклонов волн, исправляя перспективные искажения пространственно-временного изображения уклонов волн путем перехода к эквидистантной сетке по дальности с помощью последовательной интерполяции текущих одномерных изображений уклонов волн. Техническим результатом является восстановление рельефа уклонов волн без использования информации о параметрах оптического приемника и о значениях яркости неба. 4 ил.

Способ определения рельефа уклонов морской поверхности по оптическим пространственно-временным изображениям морской поверхности, заключающийся в том, что формируют одномерные изображения водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования с помощью оптических систем на основе линеек ПЗС-фотодиодов и проводят их обработку, преобразуя одномерное изображение в последовательность цифровых значений, определяя положение линии горизонта по перепаду яркости изображения, взяв за начало отсчета последовательности цифровых значений одномерных изображений положения линии горизонта, временная последовательность которых образует пространственно-временное изображение, отличающийся тем, что формируют безразмерные пространственно-временные изображения относительных флуктуаций яркости морской поверхности путем вычисления для каждого текущего оптического одномерного изображения среднего одномерного изображения, полученного с помощью нелинейной аппроксимации текущего оптического одномерного изображения, и нормировки текущего одномерного изображения поверхности на его аппроксимированное среднее одномерное изображение с вычитанием из частного единичного вектора, переходят к пространственно-временному изображению уклонов волн путем нормировки одномерных изображений относительных флуктуаций яркости поверхности на безразмерные вычисляемые вектора, определяемые либо относительной угловой зависимостью коэффициентов Френеля и относительной угловой зависимостью яркости «зеркального» участка неба, либо относительным градиентом угловой зависимости средней яркости поверхности моря, формируют пространственно-временной рельеф уклонов волн, исправляя перспективные искажения пространственно-временного изображения уклонов волн путем перехода к эквидистантной сетке по дальности с помощью последовательной интерполяции текущих одномерных изображений уклонов волн.