+

RU2436040C2 - Method for determination of kinematic characteristics of sea waves by optical panoramas of sea surface - Google Patents

Method for determination of kinematic characteristics of sea waves by optical panoramas of sea surface Download PDF

Info

Publication number
RU2436040C2
RU2436040C2 RU2009140801/28A RU2009140801A RU2436040C2 RU 2436040 C2 RU2436040 C2 RU 2436040C2 RU 2009140801/28 A RU2009140801/28 A RU 2009140801/28A RU 2009140801 A RU2009140801 A RU 2009140801A RU 2436040 C2 RU2436040 C2 RU 2436040C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
images
image
waves
spatio
water surface
Prior art date
Application number
RU2009140801/28A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2009140801A (en
Inventor
Эмма Михайловна Зуйкова (RU)
Эмма Михайловна Зуйкова
Виктор Иванович Титов (RU)
Виктор Иванович Титов
Юлия Игоревна Троицкая (RU)
Юлия Игоревна Троицкая
Original Assignee
Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН filed Critical Учреждение Российской академии наук Институт прикладной физики РАН
Priority to RU2009140801/28A priority Critical patent/RU2436040C2/en
Publication of RU2009140801A publication Critical patent/RU2009140801A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2436040C2 publication Critical patent/RU2436040C2/en

Links

Images

Landscapes

  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Image Processing (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: in the first version the method involves formation of a 2D image of the water surface with the help of an optical system with the horizon line and part of the sky captured at small sight angles. One registers 1D images (that are further converted into a series of numeric values) with the help of a CCD photodiode line. By brightness differential one determines the horizon line position that is taken as the reference. Perspective distortions are corrected by way of transfer to an equidistant range grid. A spatio-temporal image is built of the 1D images. The wave surface kinematic characteristics are determined by the period and slant of such waves displays in the spatio-temporal image of the water surface for using a dispersion equation for surface waves. In the second version one uses two optical systems with varied directions of survey and registers 1D images with the help of two CCD photodiode lines. The wave surface kinematic characteristics are determined by two spatio-temporal images without usage of a dispersion equation for surface waves.
EFFECT: real-time determination of surface waves kinematic characteristics from either a stationary base or a moving carrier.
2 cl, 7 dwg

Description

Способ относится к оптическим способам исследования поверхности акваторий, используется для исследования поверхностного волнения в декаметровом диапазоне длин волн и позволяет определить основные кинематические характеристики длинных волн: направление распространения, скорость и длину волны. Он может быть применим для диагностики подповерхностных процессов, например внутренних волн, течений в океане по их проявлениям на водной поверхности, для изучения влияния рельефа дна на характеристики поверхностного волнения, определения участков загрязнения водной поверхности и т.д. Способ позволяет исследовать групповую структуру поверхностного волнения, которая обуславливает появление очень интенсивных и небезопасных поверхностных волн. Способ может быть применим для исследования волнения как с неподвижного основания (например, с берега, с пирса, с морской платформы), так и с движущегося носителя (с судов, вертолетов).The method relates to optical methods for studying the surface of water areas, is used to study surface waves in the decameter wavelength range and allows you to determine the main kinematic characteristics of long waves: propagation direction, speed and wavelength. It can be used to diagnose subsurface processes, for example, internal waves, currents in the ocean by their manifestations on the water surface, to study the influence of the bottom topography on the characteristics of surface waves, to identify areas of pollution of the water surface, etc. The method allows to study the group structure of surface waves, which causes the appearance of very intense and unsafe surface waves. The method may be applicable for studying waves from a fixed base (for example, from the shore, from a pier, from an offshore platform), or from a moving carrier (from ships, helicopters).

Как известно, большая часть энергии волнового движения в океане сосредоточена в области декаметровых поверхностных волн. Эти волны играют ключевую роль в энергообмене океана и атмосферы, они определяют безопасность судоходства и морских сооружений. Декаметровые волны могут распространяться в океане на сотни километров и нести информацию о штормах и ураганах. Цунами - частный случай таких волн, обусловленных тектоническими процессами в океане или извержением подводного вулкана. Декаметровые волны участвуют в формировании спектров короткомасштабных поверхностных волн путем каскадных процессов передачи энергии.As you know, most of the energy of wave motion in the ocean is concentrated in the region of decameter surface waves. These waves play a key role in the energy exchange of the ocean and the atmosphere, they determine the safety of shipping and offshore structures. Decameter waves can travel hundreds of kilometers in the ocean and carry information about storms and hurricanes. Tsunamis are a special case of such waves caused by tectonic processes in the ocean or the eruption of an underwater volcano. Decameter waves participate in the formation of spectra of short-scale surface waves by cascading energy transfer processes.

Известны способы определения характеристик водного волнения по радиолокационным панорамам водной поверхности, формируемым РЛС бокового обзора (см., например, Benjamin О.Verle, "Directional characteristics of sea-wave scattering observed at low-grazing angles," IEEE Trans. on Antennas and Propagation, V.46, NO. 1, 41-44 (1998)). Недостатком этих способов является то, что элемент разрешения стандартной судовой РЛС на водной поверхности имеет размеры порядка 30 метров. Информативный декаметровый диапазон длин волн не попадает в границы их применения.Known methods for determining the characteristics of water waves from the radar panoramas of the water surface formed by the radar side view (see, for example, Benjamin O. Verle, "Directional characteristics of sea-wave scattering observed at low-grazing angles," IEEE Trans. On Antennas and Propagation V.46, NO. 1, 41-44 (1998)). The disadvantage of these methods is that the resolution element of a standard shipborne radar on the water surface has dimensions of about 30 meters. The informative decameter wavelength range does not fall within the boundaries of their application.

Распространены также способы изучения волнения водной поверхности по «акустическим» панорамам, получаемым с помощью акустического локатора с «ножевой» диаграммой направленности антенны, лоцирующего водную поверхность из-под воды (см., например, Jerome A. Smith, "Observed variability of ocean wave Stokes drift, and the Eulerian Response to passing gropes," Journal of Physical Oceanography, V.36, 1381-1402 (2006)). В этом случае принимаемый сигнал формируется за счет рассеяния акустического излучения на микропузырьках воздуха у поверхности моря. Недостатком таких способов является относительно небольшая дальность и зависимость интенсивности отраженного излучения от состояния водной поверхности.Methods of studying water surface waves by “acoustic” panoramas obtained using an acoustic locator with a “knife” radiation pattern of an antenna locating a water surface from under the water are also common (see, for example, Jerome A. Smith, "Observed variability of ocean wave Stokes drift, and the Eulerian Response to passing gropes, "Journal of Physical Oceanography, V.36, 1381-1402 (2006)). In this case, the received signal is formed due to the scattering of acoustic radiation on air microbubbles near the sea surface. The disadvantage of such methods is the relatively small range and the dependence of the intensity of the reflected radiation on the state of the water surface.

Наиболее близким аналогом по технической сущности к разработанному способу является способ определения характеристик водной поверхности по оптическим изображениям, который выбран в качестве прототипа (см. B.L.Gotwols and G.B.Irani, "Optical Determination of the Phase Velocity of Short Gravity Waves", Journal of Geophysical Research, V.85, No. C7, Pages 3964-3970, July 20, 1980). Способ-прототип включает в себя следующие шаги. Формируют двумерное изображение выбранного участка водной поверхности с помощью объектива CCD-камеры, установленной на неподвижной платформе, и регистрируют его на светочувствительную матрицу камеры. Затем после исправления перспективных искажений, обусловленных визированием поверхности под наклонными углами, из полученного изображения выделяют одномерное изображение и по последовательности таких изображений создают пространственно-временное изображение (изображение в координатах дальность-время) водной поверхности.The closest analogue in technical essence to the developed method is the method of determining the characteristics of the water surface from optical images, which is selected as a prototype (see BLGotwols and GBIrani, "Optical Determination of the Phase Velocity of Short Gravity Waves", Journal of Geophysical Research , V.85, No. C7, Pages 3964-3970, July 20, 1980). The prototype method includes the following steps. A two-dimensional image is formed of a selected section of the water surface using a CCD camera lens mounted on a fixed platform, and it is recorded on the camera’s photosensitive matrix. Then, after correcting the perspective distortions caused by surface sighting at oblique angles, a one-dimensional image is extracted from the resulting image and a spatio-temporal image (image in distance-time coordinates) of the water surface is created.

Недостатком ближайшего аналога является то, что формируется изображение очень небольшого участка поверхности (25 м на 13 м) вблизи платформы, и поэтому этот способ можно применять для получения информации исключительно о коротких поверхностных волнах. Также подобный способ формирования изображения не дает возможности компенсировать искажения, вносимые корабельной качкой, что ограничивает область применения этого способа измерениями только с неподвижного основания. Кроме того, предварительные преобразования проводят с исходным двумерным изображением, что требует существенных временных затрат и больших объемов оперативной компьютерной памяти, что не позволяет строить пространственно-временные изображения водной поверхности в реальном времени.The disadvantage of the closest analogue is that an image is formed of a very small surface area (25 m by 13 m) near the platform, and therefore this method can be used to obtain information exclusively about short surface waves. Also, such a method of image formation does not make it possible to compensate for distortions introduced by ship rolling, which limits the scope of this method to measurements only from a fixed base. In addition, preliminary transformations are carried out with the original two-dimensional image, which requires significant time costs and large amounts of random-access computer memory, which does not allow building spatio-temporal images of the water surface in real time.

Задачей, решаемой настоящим изобретением, является разработка способа определения кинематических характеристик поверхностных волн по пространственно-временным изображениям водной поверхности в реальном времени, полученным как с неподвижного основания, так и с движущегося носителя.The problem solved by the present invention is the development of a method for determining the kinematic characteristics of surface waves from spatio-temporal images of the water surface in real time, obtained both from a fixed base and from a moving carrier.

Технический результат в разработанном способе достигается путем определения характеристик волнения водной поверхности, включающего, как и в способе-прототипе, формирование двумерного изображения водной поверхности с помощью оптической системы, выделение одномерных изображений и построение пространственно-временных изображений водной поверхности по выделенным одномерным изображениям.The technical result in the developed method is achieved by determining the characteristics of the waves of the water surface, including, as in the prototype method, the formation of a two-dimensional image of the water surface using an optical system, the allocation of one-dimensional images and the construction of spatio-temporal images of the water surface from the selected one-dimensional images.

Новым в разработанном способе по п.1 является то, что формируют изображение водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования, регистрируют одномерные изображения с помощью линейки ПЗС-фотодиодов и проводят их обработку, преобразуя одномерные изображение в последовательность цифровых значений, определяя положение линии горизонта по перепаду яркости изображения, беря за начало отсчета последовательности цифровых значений одномерных изображений положение 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 пространственно-временное изображение, сформированное из одномерных изображений, и определяют кинематические характеристики поверхностных волн по периоду и наклону отображений этих волн на пространственно-временных изображениях водной поверхности с привлечением дисперсионного уравнения для поверхностных волн.New in the developed method according to claim 1 is that they form an image of the water surface with the capture of the horizon and part of the sky at low viewing angles, register one-dimensional images using a line of CCD photodiodes and conduct their processing, converting a one-dimensional image into a sequence of digital values, determining the position of the horizon line by the difference in brightness of the image, taking the position of the horizon line as the starting point of the sequence of digital values of one-dimensional images, correcting the perspective image distortion by moving to an equidistant grid in range by interpolating the initial brightness values of one-dimensional images with subsequent normalization of the image brightness values to the average brightness value in the image, then a spatio-temporal image formed from one-dimensional images is constructed and the kinematic characteristics of surface waves are determined by the period and the inclination of the images of these waves on spatio-temporal images of the water surface with the involvement of dispersion of equations for surface waves.

Новым в разработанном способе по п.2 является то, что формируют изображение водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования с помощью двух оптических систем с разными направлениями наблюдения, регистрируют одномерные изображения с помощью двух линеек ПЗС-фотодиодов и проводят их обработку, преобразуя одномерное изображение в последовательность цифровых значений, определяя положение линии горизонта по перепаду яркости изображения, беря за начало отсчета последовательности цифровых значений одномерных изображений положение 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 одномерных изображений, и определяют кинематические характеристики поверхностных волн по периоду и наклону отображений этих волн на двух пространственно-временных изображениях водной поверхности без привлечения дисперсионного уравнения для поверхностных волн.New in the developed method according to claim 2 is that they form an image of the water surface with capture of the horizon and part of the sky at low viewing angles using two optical systems with different viewing directions, register one-dimensional images using two lines of CCD photodiodes and conduct them processing, converting a one-dimensional image into a sequence of digital values, determining the position of the horizon line by the difference in brightness of the image, taking as the starting point of the sequence of digital values one measurement images, the position of the horizon line, correcting perspective image distortions by moving to an equidistant grid in range by interpolating the initial brightness values of one-dimensional images, followed by normalizing the image brightness values to the average brightness in the image, then two spatio-temporal images formed from one-dimensional images are constructed , and determine the kinematic characteristics of surface waves by the period and tilt of the images of these waves on two spaces time-domain images of the water surface without involving the dispersion equation for surface waves.

Способ поясняется следующими чертежами.The method is illustrated by the following drawings.

На фиг.1 представлена схема наблюдения водной поверхности с помощью оптической системы, применяемой для формирования и регистрации изображения.Figure 1 presents a diagram of the observation of the water surface using an optical system used for image formation and registration.

На фиг.2 представлено исходное сформированное пространственно-временное изображение, построенное по последовательности одномерных изображений, зарегистрированных с помощью линейки ПЗС-фотодиодов. По вертикали - пикселы ПЗС-фотодиодов (номера последовательности цифровых значений изображения), по горизонтали - время, яркость водной поверхности отображается в полутоновой шкале в условных единицах.Figure 2 presents the original generated spatio-temporal image, constructed from a sequence of one-dimensional images recorded using a line of CCD photodiodes. Vertical - pixels of CCD photodiodes (sequence numbers of digital image values), horizontal - time, brightness of the water surface is displayed in halftone scale in arbitrary units.

На фиг.3 представлено одномерное изображение водной поверхности. По горизонтали - пикселы ПЗС-фотодиодов, по вертикали - яркость поверхности в условных единицах.Figure 3 presents a one-dimensional image of the water surface. Horizontal - pixels of CCD photodiodes, vertical - surface brightness in arbitrary units.

На фиг.4 представлено пространственно-временное изображение, построенное по одномерным изображениям после обработки. По вертикали - дальность в метрах от места установки оптической системы, по горизонтали - время. Яркость - в условных единицах в полутоновой шкале.Figure 4 presents a spatio-temporal image constructed from one-dimensional images after processing. Vertical - range in meters from the installation site of the optical system, horizontal - time. Brightness - in arbitrary units in a grayscale scale.

На фиг.5 представлены пространственно-временные изображения, полученные с двух оптических систем с разными направлениями наблюдения. Изображения «состыкованы» началами по дальности.Figure 5 shows the spatio-temporal images obtained from two optical systems with different directions of observation. Images are “docked” with beginnings in range.

На фиг.6 представлены пространственно-временные изображения, полученные с двух оптических систем, установленных на пирсе, в координатах дальность (70-250 м) - время. Яркость - в условных единицах в полутоновой шкале.Figure 6 presents the spatio-temporal images obtained from two optical systems installed on the pier, in the coordinates range (70-250 m) - time. Brightness - in arbitrary units in a grayscale scale.

На фиг.7 представлены те же пространственно-временные изображения, что и на фиг.6, но в более мелком масштабе по времени и дальности.In Fig.7 presents the same spatio-temporal image as in Fig.6, but on a smaller scale in time and range.

Оптическая схема наблюдения, представленная на фиг.1, состоит из объектива 1 и линейки 2 ПЗС-фотодиодов, расположенных в фокальной плоскости объектива. Этим прибором регистрируются одномерные изображения водной поверхности от места установки прибора до горизонта и часть неба с угловыми размерами несколько градусов. С выхода линейки 2 одномерные изображения с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 3 записываются на диск компьютера 4 для последующей обработки.The optical observation circuit shown in Fig. 1 consists of a lens 1 and a line 2 of CCD photodiodes located in the focal plane of the lens. This device records one-dimensional images of the water surface from the installation site of the device to the horizon and part of the sky with angular dimensions of several degrees. From the output of line 2, one-dimensional images using an analog-to-digital converter (ADC) 3 are recorded on the disk of computer 4 for further processing.

Способ по пункту 1 осуществляется следующим образом.The method according to paragraph 1 is as follows.

С помощью настройки оптической системы, состоящей из объектива 1 и линейки 2 ПЗС-фотодиодов, формируют изображение водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования, что дает возможность сформировать изображение водной поверхности на большом расстоянии, чтобы отобразить декаметровые поверхностные волны, и осуществить привязку к линии горизонта, что позволяет при последующей обработке компенсировать перспективные искажения регистрируемого изображения и искажения, вносимые корабельной качкой. Кроме того, с помощью линейки 2 ПЗС-фотодиодов регистрируются одномерные изображения, что не требует больших вычислительных ресурсов и дает возможность обрабатывать получаемую информацию в режиме реального времени, без обработки двумерных изображений, которая имеет место в способе-прототипе в случае использования CCD-камеры.By adjusting the optical system consisting of a lens 1 and a line 2 of CCD photodiodes, an image of the water surface is formed with capture of the horizon and part of the sky at small viewing angles, which makes it possible to form an image of the water surface at a great distance to display decameter surface waves, and bind to the horizon line, which allows for subsequent processing to compensate for the perspective distortions of the recorded image and the distortions introduced by ship roll. In addition, using a line of 2 CCD photodiodes, one-dimensional images are recorded, which does not require large computational resources and makes it possible to process the received information in real time, without processing two-dimensional images, which occurs in the prototype method in the case of using a CCD camera.

Исходное сформированное оптическое изображение, зарегистрированное с помощью линейки 2 ПЗС-фотодиодов и представленное на фиг.2, значительным образом искажено. Перспективные искажения из-за наклонного визирования превращают фронты волн в кривые линии. Перепады яркости вверху изображения - линия горизонта, которая искривлена из-за качки корабля.The original generated optical image recorded using the line 2 of CCD photodiodes and shown in figure 2, is significantly distorted. Perspective distortions due to oblique sighting turn wave fronts into curved lines. The difference in brightness at the top of the image is the horizon line that is curved due to the rolling of the ship.

Координата у0 точки в фокальной плоскости объектива, отсчитываемая от оптической оси, связана с ее образом на поверхности уравнением:The coordinate at 0 points in the focal plane of the lens, measured from the optical axis, is related to its image on the surface by the equation:

Figure 00000001
Figure 00000001

где f - фокусное расстояние объектива 1;where f is the focal length of the lens 1;

β - угол визирования;β is the angle of view;

h - высота объектива 1 над уровнем водной поверхности;h is the height of the lens 1 above the water surface;

х - горизонтальная проекция линии наблюдения от объектива 1 до точки на водной поверхности.x is the horizontal projection of the observation line from lens 1 to a point on the water surface.

Координата изображения горизонта:Horizon Image Coordinate:

yh=-ftgβ.y h = -ftgβ.

С учетом условий

Figure 00000002
, β<<1 и того, что высоты волн много меньше высоты оптической системы над средним уровнем водной поверхности, имеем:Subject to conditions
Figure 00000002
, β << 1 and the fact that the wave heights are much less than the height of the optical system above the average level of the water surface, we have:

Figure 00000003
Figure 00000003

Координата у, отсчитываемая от точки горизонта, не зависит от качки судна и обратно пропорциональна расстоянию х точки поверхности от судна.The y coordinate measured from the horizon does not depend on the pitching of the vessel and is inversely proportional to the distance x of the surface point from the vessel.

В разработанном способе для компенсации искажений, вносимых в изображение качкой корабля, предлагается одномерные изображения формировать таким образом, чтобы начало отсчета значений яркости изображения происходило от изображения горизонта. Пример такого одномерного изображения приведен на фиг.3. Таким образом, происходит «выравнивание» одномерных изображений по линии горизонта, при этом определяют положение точки горизонта по перепаду яркости на горизонте, используя амплитудный алгоритм. Исключением, когда этот алгоритм не работает, является полный штиль на водной поверхности, когда отсутствует линия горизонта, водная поверхность «сливается» с небом.In the developed method for compensating for distortions introduced into the image by rolling the ship, it is proposed to form one-dimensional images in such a way that the origin of the image brightness values originates from the horizon image. An example of such a one-dimensional image is shown in figure 3. Thus, one-dimensional images are “aligned” along the horizon, and the position of the horizon is determined by the difference in brightness on the horizon using the amplitude algorithm. An exception when this algorithm does not work is complete calm on the water surface, when there is no horizon line, the water surface "merges" with the sky.

Для устранения перспективных искажений в разработанном способе используется переход к эквидистантной сетке по дальности путем интерполяции значений яркости одномерных изображений в соответствии с формулой (1). Кроме того, при отображении в полутоновой шкале производится нормировка интенсивности одномерного изображения на среднюю интенсивность в изображении за определенное время. При такой нормировке устраняется тренд яркости изображения к горизонту и появляется возможность "вписать" пространственно-временные изображения в динамический диапазон устройства отображения.To eliminate promising distortions in the developed method, a transition to an equidistant grid in range is used by interpolating the brightness values of one-dimensional images in accordance with formula (1). In addition, when displayed in a grayscale scale, the intensity of a one-dimensional image is normalized to the average intensity in the image for a certain time. With this normalization, the image brightness trend to the horizon is eliminated and it becomes possible to “fit” spatio-temporal images into the dynamic range of the display device.

На фиг.4 приведено пространственно-временное изображение водной поверхности, полученное после обработки. Видно, что фронты волн на нем отображены в виде параллельных прямых, что соответствует реальной картине волнения водной поверхности и свидетельствует об эффективности приведенного в способе алгоритма обработки изображений водной поверхности.Figure 4 shows the spatio-temporal image of the water surface obtained after processing. It can be seen that the wave fronts on it are displayed in the form of parallel lines, which corresponds to the real picture of the waves of the water surface and indicates the effectiveness of the algorithm for processing images of the water surface presented in the method.

Длинные декаметровые волны отображаются на получаемых пространственно-временных изображениях водной поверхности в координатах дальность-время с яркостью изображения, представленной в полутоновой шкале, в виде системы полос, период и наклон которых позволяют определить кинематические характеристики длинных волн. Ориентация этих полос в координатах дальность-время (x, t) описывается уравнением:Long decameter waves are displayed on the obtained spatio-temporal images of the water surface in distance-time coordinates with the brightness of the image presented in a grayscale scale, in the form of a system of bands, the period and slope of which allows you to determine the kinematic characteristics of long waves. The orientation of these bands in the distance-time coordinates (x, t) is described by the equation:

x(kl)-ωt=const,x (kl) -ωt = const,

где l - единичный вектор, определяющий направление регистрируемого одномерного изображения на водной поверхности; ω=2πf, k, f - волновой вектор и временная частота волны.where l is the unit vector that determines the direction of the recorded one-dimensional image on the water surface; ω = 2πf, k, f is the wave vector and the time frequency of the wave.

Очевидно, что по одной панораме можно определить только kl и ω. Временной период полос на пространственно-временных изображениях (при постоянном х) T=2π/ω, произведение kl=ω/tgδ, где tgδ - тангенс угла наклона полос к оси времени. Для определения полных кинематических характеристик необходимо привлекать дисперсионное соотношение для волн, которое связывает между собой значения пространственной и временной частот поверхностных волн. Дисперсионное соотношение с учетом глубины водоема имеет следующий вид:Obviously, only kl and ω can be determined from a single panorama. The time period of the bands in spatio-temporal images (at constant x) is T = 2π / ω, the product is kl = ω / tanδ, where tanδ is the tangent of the angle of inclination of the bands to the time axis. To determine the complete kinematic characteristics, it is necessary to use the dispersion relation for the waves, which relates the spatial and temporal frequencies of the surface waves. The dispersion ratio, taking into account the depth of the reservoir, has the following form:

(2πf)2=gk(1+γk2/g)th(kd),(2πf) 2 = gk (1 + γk 2 / g) th (kd),

где γ=α/ρ=70 см32, α=70 дин/см - коэффициент поверхностного натяжения, ρ=1 г/см3 - плотность воды, d - глубина водоема в сантиметрах. В общем случае в дисперсионное соотношение входит также скорость течения на водной поверхности.where γ = α / ρ = 70 cm 3 / s 2 , α = 70 dyne / cm is the surface tension coefficient, ρ = 1 g / cm 3 is the density of water, d is the depth of the reservoir in centimeters. In the general case, the dispersion relation also includes the flow velocity on the water surface.

Таким образом, для получения полных кинематических характеристик декаметровых волн (направление распространения, скорость и длину волны) с высокой точностью необходимо привлекать дополнительную информацию о глубине водоема и скорости течения на поверхности.Thus, to obtain the full kinematic characteristics of decameter waves (propagation direction, velocity and wavelength), it is necessary to use additional information on the depth of the reservoir and the velocity of the current on the surface with high accuracy.

В способе по пункту 2 предлагается другой путь получения полных кинематических характеристик длинных волн - это использование сразу двух оптических пространственно-временных изображений, полученных с двух оптических систем с разным направлением наблюдения.In the method according to paragraph 2, another way is proposed to obtain the full kinematic characteristics of long waves - this is the use of two optical spatio-temporal images obtained from two optical systems with different directions of observation.

Для двух пространственно-временных изображений с направлением визирования l1 и l2 имеем систему уравнений для определения координат волнового вектора:For two spatio-temporal images with a direction of sight l 1 and l 2 we have a system of equations for determining the coordinates of the wave vector:

Figure 00000004
Figure 00000004

Figure 00000005
Figure 00000005

которая позволяет получить полные кинематические характеристики длинной волны без привлечения дополнительной информации. Две оптические системы устанавливаются на баке (или надстройке) судна, чтобы регистрировать изображения водной поверхности для двух направлений наблюдения. На фиг.5 приведены пространственно-временные изображения с двух ПЗС-фотодиодов с разным направлением наблюдения, установленных на движущемся судне. Одна и та же система длинных поверхностных волн отображается на пространственно-временных изображениях полосами с одинаковым временным периодом, но в общем случае с разным наклоном в зависимости от направления распространения волн.which allows you to get the full kinematic characteristics of a long wave without involving additional information. Two optical systems are installed on the tank (or superstructure) of the vessel to register images of the water surface for two directions of observation. Figure 5 shows the spatio-temporal images from two CCD photodiodes with different directions of observation mounted on a moving vessel. The same system of long surface waves is displayed on spatio-temporal images in bands with the same time period, but in the general case with a different slope depending on the direction of wave propagation.

На фиг.6 и 7 приведены пространственно-временные изображения, полученные с оптических систем, установленных на пирсе. На этих изображениях видны темные полосы, которые являются проявлением групповой структуры длинных волн. По этим панорамам можно анализировать характеристики групповой структуры волн (скорость групповой структуры, которая должна совпадать с групповой скоростью волн, статистические характеристики групп: средний период, длительность, протяженность групп и т.д.) и динамику волнения в группах. На пространственно-временных изображениях на фиг.7 видно судно в виде короткой вертикальной белой полоски и светлый след после него, обусловленный «выглаживанием» ряби в следе судна.6 and 7 show spatio-temporal images obtained from optical systems installed on the pier. Dark stripes are visible in these images, which are a manifestation of the group structure of long waves. Using these panoramas, one can analyze the characteristics of the group structure of waves (the speed of the group structure, which should coincide with the group speed of the waves, the statistical characteristics of the groups: average period, duration, length of groups, etc.) and the dynamics of the waves in the groups. In the spatio-temporal images in Fig. 7, the vessel is seen in the form of a short vertical white strip and the light trace after it, due to the “smoothing” of the ripples in the vessel’s wake.

Также на таких изображениях проявляются разливы нефти и пленок поверхностно-активных веществ (ПАВ), которые на фоне водной поверхности обычно имеют вид светлых пятен или полос (так называемых сликов). Относительное увеличение яркости загрязненных участков поверхности обусловлено понижением интенсивности короткомасштабных волн в сликах из-за вязкости пленок нефти и ПАВ.Also, oil spills and films of surface-active substances (SAS) appear on such images, which usually have the appearance of light spots or stripes (the so-called slicks) against the background of the water surface. A relative increase in the brightness of contaminated surface areas is due to a decrease in the intensity of short-scale waves in slicks due to the viscosity of oil and surfactant films.

Claims (2)

1. Способ определения кинематических характеристик поверхностных волн по пространственно-временным изображениям водной поверхности, включающий формирование двумерного изображения водной поверхности с помощью оптической системы, выделение одномерных изображений и построение пространственно-временных изображений водной поверхности по выделенным одномерным изображениям, отличающийся тем, что формируют изображение водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования, регистрируют одномерные изображения с помощью линейки ПЗС-фотодиодов и проводят их обработку, преобразуя одномерные изображения в последовательность цифровых значений, определяя положение линии горизонта по перепаду яркости изображения, беря за начало отсчета последовательности цифровых значений одномерных изображений положение 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 пространственно-временное изображение, сформированное из одномерных изображений, и определяют кинематические характеристики поверхностных волн по периоду и наклону отображений этих волн на пространственно-временных изображениях водной поверхности с привлечением дисперсионного уравнения для поверхностных волн.1. A method for determining the kinematic characteristics of surface waves from spatio-temporal images of a water surface, comprising generating a two-dimensional image of a water surface using an optical system, extracting one-dimensional images, and constructing spatio-temporal images of a water surface from selected one-dimensional images, characterized in that they form an aqueous image surfaces with the capture of the horizon and part of the sky at small viewing angles, register one-dimensional images images using a line of CCD photodiodes and carry out their processing, converting one-dimensional images into a sequence of digital values, determining the position of the horizon line by the difference in brightness of the image, taking the position of the horizon line as the starting point of the sequence of digital values of one-dimensional images, correcting perspective image distortions by switching to equidistant range grid by interpolating the initial brightness values of one-dimensional images with subsequent normalization of the brightness values and siderations the average luminance value in the image, and then build the spatial-temporal image formed from one-dimensional images, and determining the kinematic characteristics of surface waves over the period and the slope maps of these waves on the spatio-temporal images water surface involving the dispersion relation for surface waves. 2. Способ определения кинематических характеристик поверхностных волн по пространственно-временным изображениям водной поверхности, включающий формирование двумерного изображения водной поверхности с помощью оптической системы, выделение одномерных изображений и построение пространственно-временных изображений водной поверхности по выделенным одномерным изображениям, отличающийся тем, что формируют изображение водной поверхности с захватом линии горизонта и части неба под малыми углами визирования с помощью двух оптических систем с разными направлениями наблюдения, регистрируют одномерные изображения с помощью двух линеек ПЗС-фотодиодов и проводят его обработку, преобразуя одномерные изображения в последовательность цифровых значений, определяя положение линии горизонта по перепаду яркости изображения, беря за начало отсчета последовательности цифровых значений одномерных изображений положение линии горизонта, исправляя перспективные 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 одномерных изображений, и определяют кинематические характеристики поверхностных волн по периоду и наклону отображений этих волн на двух пространственно-временных изображениях водной поверхности без привлечения дисперсионного уравнения для поверхностных волн. 2. A method for determining the kinematic characteristics of surface waves from spatio-temporal images of a water surface, comprising generating a two-dimensional image of a water surface using an optical system, extracting one-dimensional images, and constructing spatio-temporal images of a water surface from selected one-dimensional images, characterized in that they form an aqueous image surfaces with capture of the horizon and part of the sky at small viewing angles using two optical systems In different observation directions, one-dimensional images are recorded using two lines of CCD photodiodes and processed, converting one-dimensional images into a sequence of digital values, determining the position of the horizon line by the difference in brightness of the image, taking the position of the horizon line as the starting point of the sequence of digital values of one-dimensional images , correcting perspective images by moving to an equidistant grid in range by interpolating the original brightness values of one images with subsequent normalization of the image brightness values to the average brightness value in the image, then two spatio-temporal images are formed from one-dimensional images, and the kinematic characteristics of surface waves are determined by the period and slope of the images of these waves on two spatio-temporal images of the water surface without attracting the dispersion equation for surface waves.
RU2009140801/28A 2009-11-03 2009-11-03 Method for determination of kinematic characteristics of sea waves by optical panoramas of sea surface RU2436040C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009140801/28A RU2436040C2 (en) 2009-11-03 2009-11-03 Method for determination of kinematic characteristics of sea waves by optical panoramas of sea surface

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2009140801/28A RU2436040C2 (en) 2009-11-03 2009-11-03 Method for determination of kinematic characteristics of sea waves by optical panoramas of sea surface

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2009140801A RU2009140801A (en) 2011-05-10
RU2436040C2 true RU2436040C2 (en) 2011-12-10

Family

ID=44732306

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2009140801/28A RU2436040C2 (en) 2009-11-03 2009-11-03 Method for determination of kinematic characteristics of sea waves by optical panoramas of sea surface

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2436040C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737595C1 (en) * 2020-01-28 2020-12-01 Павел Александрович Бимбереков Method of finding position of fictitious points of point pressure sources of wave systems in moving or streamlined object on and/or near boundary of media
RU2794871C1 (en) * 2022-04-13 2023-04-25 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Method for determining characteristics of sea surface anomalies caused by processes in the near-surface layers of the ocean and atmosphere from its optical images

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112880645A (en) * 2021-02-20 2021-06-01 自然资源部第一海洋研究所 Sea wave surface three-dimensional model construction system and method based on three-dimensional mapping mode

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JOURNAL OF GEOPHYSICAL RESEARCH, 1980, VOL. 85, NO. C7, PP. 3964-3970. БАХАНОВ В.В., ЗУЙКОВА Э.М., КЕМАРСКАЯ О.Н., ТИТОВ В.И. Определение спектров волнения по оптическому изображению морской поверхности.: Изв. вузов. Радиофизика, 2006, т.49, №1, с.53-63. *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2737595C1 (en) * 2020-01-28 2020-12-01 Павел Александрович Бимбереков Method of finding position of fictitious points of point pressure sources of wave systems in moving or streamlined object on and/or near boundary of media
RU2794871C1 (en) * 2022-04-13 2023-04-25 Российская Федерация, от имени которой выступает ФОНД ПЕРСПЕКТИВНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ Method for determining characteristics of sea surface anomalies caused by processes in the near-surface layers of the ocean and atmosphere from its optical images
RU2837976C1 (en) * 2024-12-02 2025-04-07 Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова Российской академии наук" (ИПФ РАН) Method of determining sea surface slope relief from optical space-time images of sea surface

Also Published As

Publication number Publication date
RU2009140801A (en) 2011-05-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Kasvi et al. Comparison of remote sensing based approaches for mapping bathymetry of shallow, clear water rivers
CA2802375C (en) Methods for mapping depth and surface current
De Vries et al. Remote sensing of surf zone waves using stereo imaging
Benetazzo et al. Offshore stereo measurements of gravity waves
Dugan et al. Water depth and surface current retrievals from airborne optical measurements of surface gravity wave dispersion
Vousdoukas et al. The role of combined laser scanning and video techniques in monitoring wave-by-wave swash zone processes
Holman et al. cBathy: A robust algorithm for estimating nearshore bathymetry
KR102523451B1 (en) Devices and Methods for Measuring Flow Velocity of River Based on Drone Imaging
Bechle et al. Virtual wave gauges based upon stereo imaging for measuring surface wave characteristics
Rutten et al. Accuracy of nearshore bathymetry inverted from ${x} $-band radar and optical video data
Aarninkhof et al. Video observations and model predictions of depth-induced wave dissipation
Shand et al. Automated detection of breaking wave height using an optical technique
Pearre et al. Quantifying seasonal shoreline variability at Rehoboth Beach, Delaware, using automated imaging techniques
Sun et al. Imaging-based nearshore bathymetry measurement using an unmanned aircraft system
RU2436040C2 (en) Method for determination of kinematic characteristics of sea waves by optical panoramas of sea surface
Pawlowicz Quantitative visualization of geophysical flows using low-cost oblique digital time-lapse imaging
Salmon et al. The use of video systems to measure run-up on beaches
Vos Remote sensing of the nearshore zone using a rotary-wing UAV
Sallam et al. Stereo vision based systems for sea-state measurement and floating structures monitoring
Grünthal et al. Monitoring of coastal processes by using airborne laser scanning data
RU2474788C1 (en) Method of measuring tilt angle and wave height of water surface relative equilibrium state thereof
Bae et al. Experiments on unmanned aerial vehicle survey for detection of micro beach features
Webster Results from 3 seasons of surveys in maritime Canada using the Leica Chiroptera II shallow water topo-bathymetric lidar sensor
Hasan et al. Observation of a stormy wave field with X-band radar and its linear aspects
Colvin et al. Extracting nearshore wave properties from video: A new method for coastal estuaries

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20171104

点击 这是indexloc提供的php浏览器服务,不要输入任何密码和下载