Способ измерения параметров морской поверхности Советский патент 1992 года по МПК G01B11/24 

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для создания эффективных устройств исследования свойств взволнованной морской поверхности дистанционного действия.

Известны способы дистанционного измерения параметров морской поверхности, основанные на анализе изображений зеркальных площадок в разных диапазонах длин волн. В области радиолокации выделяются методы восстановления из радиоголограмм, записанных радарами.

Недостатком метода является ограничение разрешающей способности (1 см) и трудность решения обратной задачи восстановления профиля. Активные лазерные методы обладают рядом достоинств в сравнении с традиционными: аэрофотосъемкой и радиолокацией. Они не накладывают требования на условия естественного освещения, дают возможность за короткое время исследовать большие участки поверхности, позволяют реализовать высокое пространственное разрешение.

Известны два основных способа лазерного зондирования морской поверхности импульсная локация и фазовая профиломет- рия. В основе импульсной локации лежат измерения временной задержки между зондирующим и отраженным импульсами, а также определение искажения формы зондирующего импульса. Импульсная локация позволяет определить средний уровень и наклоны взволнованной поверхности. Точность измерения высоты поверхностных волн составляет несколько метров, что позволяет

N о

00 О

ON

использовать метод лишь для исследования крупномасштабного волнения.

Фазовая профилометрия основывается на модуляции лазерного излучения СВЧ- сигналом и на измерения фазы рассеянного морской поверхностью сигнала. Недостатком метода является способность регистрации только длинноволновой части спектра морского волнения.

Наиболее близкий по технической сущ- ности является способ измерения статистических характеристик морского волнения, основанный на том, что морская поверхность зондируется узким лучом и измеряется среднее число зеркальных площадок и направление пучка зондирования при наблюдении блика изменяют непрерывно таким образом, чтобы энергетический центр светового поля был совмещен с центром приемного объектива, далее измеряют ин- тенсивность рассеянного блика светового поля на оси диаграммы направленности для каждого блика при сканировании угла наблюдения от 0 до 45° и по статистическим характеристикам измеряемой интенсивно- сти восстанавливают статистические параметры наклонов и кривизны поверхности,

Определение кривизны морской поверхности а точке блика осуществляется при помощи регистрации интенсивности рассе- янного светового поля на оси диаграммы направленности и устранении случайного перемещения блика по приемному объективу. Это достигается путем использования адаптивной системы наведения с управле- нием угла наклона излучаемого пучка зондирования. При этом алгоритм работы следящей системы обеспечивает наведение энергетического центра рассеянного светового поля на центр приемного объектива, если требуемая коррекция соответствует динамическому диапазону устройства. В тех случаях, когда последнее не выполняется экспериментальный отсчет не производится (критериям такой ошибки является достижение максимально возможного кор- рекционного сигнала в канале адаптивного управления). Описанный способ является работоспособным в диапазоне углов наклона взволнованной поверхности от 0 до 45°, т.е. в тех случаях, когда отсутствует возможность двухкратного отражения. Недостатком способа является малая информативность из-за невозможности определения скорости поверхности.

Целью изобретения является увеличение информативности путем расширения числа определяемых параметров (скорость перемещения зеркальной площадки).

Это достигается тем, что морская поверхность зондируется узким, сканируемым по кругу лучом, и размер области сканирования выбирается достаточно малым, чтобы в пределах ее могла присутствовать лишь одна зеркальная площадка, далее из всех наблюдаемых бликов выбираются лишь те ситуации, когда блик пересекал границы сканируемой области дважды и при этом энергетический центр светового рассеянного поля был совмещен с приемной апертурой, далее измеряют среднее число бликов и интенсивность рассеянного бликом светового поля на оси диаграммы направленности для каждого такого блика при сканировании угла наблюдения от 0 до 45° и по статистическим характеристикам измеряемой интенсивности восстанавливают статистические параметры наклонов и кривизны поверхности, далее по разности фаз между сигналом сканирования и модуляцией интенсивности рассеянного сигнала определяют направление перемещения блика, а по времени задержки между двумя характерными максимумами и известным диаметром сканируемой области определяют вектор скорости движения зеркальной площадки,

Нафиг.1 приведен вид сигнала сканирования; на фиг.2 - вид аналогового сигнала при регистрации блика.

Способ измерения параметров морской поверхности реализуется следующим образом.

Определение кривизны морской поверхности в точке блика осуществляется при помощи регистрации интенсивности рассеянного светового поля на оси диаграммы направленности. Эта величина определяется радиусом кривизны взволнованной поверхности в окрестности зеркальной площадки. Поэтому, определив статистические характеристики интенсивности светового поля на оси диаграммы направленности рассеянного излучения можно восстановить статистические характеристики кривизны взволнованной морской поверхности. Определение интенсивности на оси диаграммы направленности достигается путем использования сканирующей системы. При круговом маршруте сканирования светового пучка диаметр сканируемой области должен быть достаточно мал (2-3 см), чтобы исключить попадание в эту область двух и более бликов одновременно. В случае прохождения зеркальной площадки в окрестностях области сканирования возможны две ситуации: пересечение бликов границ сканируемой области дважды и касание бликов области

сканирования. При статистической обработке информативной является лишь первая ситуация (фиг.2). Максимальная амплитуда А пропорциональна в этом случае интенсивности светового поля на оси диаграммы направленности рассеянного зеркальной площадки светового поля. Разность фаз между сигналом сканирования (фиг.1) и модуляционным сигналом в каждом из максимумов дает информацию о точках входа и выхода блика через круговую область сканирования. Так как радиус сканирования постоянен и известен, по этой информации и временной задержке между максимумами может быть определен вектор скорости перемещения зеркальной площадки. Описанный способ является работоспособным в диапазоне углов наклона взволнованной поверхности от 0 до 45°, т.е. в тех случаях, когда отсутствует возможность двухкратного отражения. Описанный способ был экспериментально осуществлен во время 4-го рейса научно-исследовательского судна Академик Сергей Вавилов (август-ноябрь 1989 года).

По сравнению с прототипом и другими известными способами исследования взволнованной поверхности предлагаемый способ является более информативным, так как позволяет определять для заданного угла наблюдения и кривизну поверхности в окрестностях зеркальной площадки. Решение задачи восстановления параметров модельного спектра волнения, включающего пять независимых параметров, может быть осуществлено по ограниченному числу измерений. Кроме того, могут быть восстанов- лены совместные статистические

характеристики флуктуации наклона и кривизны поверхности, а также вектора скорости перемещений бликов.

Формула изобретения

Способ измерения параметров морской поверхности, заключающийся в том, что направляют зондирующий луч вертикально на морскую поверхность, отклоняют его последовательно в двух ортогональных направлениях на угол а , определяемый неравенством 0 , для каждого положения зондирующего луча регистрируют блики, отраженные от морской поверхности, измеряют среднее число бликов в единицу

времени и интенсивность излучения на диаграмме направленности блика, осуществляют статистическую обработку измеренных величин, по которым определяют параметры морской поверхности, о т л ичающийся тем, что, с целью повышения информативности измерений за счет измерения также направления и скорости перемещения участков морской поверхности, одновременно с направлением зондирующего пучка вертикально на морскую поверхность и его отклонениями на угол а сканируют зондирующим пучком по окружности, для регистрации выбирают только те блики, которые пересекают линию сканирования дважды, а перед статистической обработкой измеренных величин измеряют разность фаз между сигналами зондирующего и отраженного лучей и время задержки между двумя характерными максимумами

интенсивности в отраженном блике, по которым судят о направлении и скорости перемещения морской поверхности.

k

Ј

4j

I1

4i xj

fc

Ss

4i o

1

Q

f j

4:

o

Й1

X(

1

Изобретение относится к технической физике и может быть использовано для создания эффективных устройств исследования свойств взволнованной морской поверхности дистанционного действия. Целью изобретения является увеличение информативности путем расширения числа определяемых параметров (скорость перемещения зеркальной площадки) и упрощение способа. Сущность изобретения состоит в том, что морская поверхность зондируется узким, сканируемым по кругу лучом, и размер области сканирования выбирается достаточно малым, чтобы в пределах ее могла присутствовать лишь одна зеркальная площадка, далее из всех наблюдаемых бликов выбираются лишь те ситуации, когда блик пересекал границы сканируемой области дважды, далее по разности фаз между сигналом сканирования и модуляцией интенсивности рассеянного сигнала определяют направление перемещения блика, а по времени задержки между двумя характерными максимумами и известным диаметром сканируемой области оп- ределяют вектор скорости движения зеркальной площадки. 2 ил. СО