Подводное изображение морской поверхности как источник информации о ветровом волнении и оптических свойствах воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.29, кандидат наук Мольков, Александр Андреевич

• Мольков, Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Мольков, Александр Андреевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

ГЛАВА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ПОДВОДНОГО ОПТИЧЕСКОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯ ВЗВОЛНОВАННОЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

§1.1 Модель мгновенного изображения взволнованной поверхности

Изображение подводной солнечной дорожки в пренебрежении вкладом

рассеянного света в видимую яркость поверхности

Изображение круга Снеллиуса

§1.2 Модель статистически среднего (накопленного) изображения

взволнованной поверхности

Накопленное изображение подводной солнечной дорожки

Накопленное изображение круга Снеллиуса

§ 1.3 Модель коэффициента пространственной корреляции изображения

подводной солнечной дорожки

Основные результаты главы 1

ГЛАВА 2. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОДВОДНЫХ

ИЗОБРАЖЕНИЙ МОРСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ

§ 2.1 Моделирование рельефа взволнованной морской поверхности

§ 2.2 Моделирование мгновенных изображений подводной солнечной дорожки и статистических моментов ее изображения в пренебрежении

вкладом рассеянного света в видимую яркость поверхности

§2.3 Моделирование изображений подводной солнечной дорожки с учетом

многократного рассеяния света в воде

Изображение Солнца, наблюдаемого через гладкую поверхность и толщу

воды

Изображение Солнца, искаженного одномерной синусоидальной

поверхностной волной

Накопленное изображение подводной солнечной дорожки

§2.4 Моделирование изображения круга Снеллиуса

Мгновенное изображение

Накопленное изображение

Основные результаты главы 2

ГЛАВА 3. АЛГОРИТМЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ВЕТРОВОГО ВОЛНЕНИЯ И ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ВОДЫ ПО ПОДВОДНЫМ

ИЗОБРАЖЕНИЯМ ПОВЕРХНОСТИ

§ 3.1 Определение дисперсии уклонов поверхности по накопленному

изображению подводной солнечной дорожки

§ 3.2 Определение дисперсии уклонов поверхности по искажениям границы

круга Снеллиуса

§ 3.3 Определение коэффициента пространственной корреляции уклонов

поверхности

§ 3.4 Определение коэффициента пространственной корреляции кривизны

поверхности и дисперсии ее кривизны

§ 3.5 Определение показателя ослабления воды

§ 3.6 Определение показателя рассеяния воды

Основные результаты главы 3

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПОДВОДНЫХ

ИЗОБРАЖЕНИЙ ПОВЕРХНОСТИ

§ 4.1 Натурный эксперимент на Черном море, г. Геленджик, 20 Юг

§ 4.2 Натурный эксперимент на Горьковском водохранилище, 2011 г

§ 4.3 Натурный эксперимент на Черном море, Крым, 2012г

§ 4.4 Методика обработки натурных изображений

§ 4.5 Определение дисперсии уклонов поверхности по накопленному

изображению подводной солнечной дорожки

§ 4.6 Определение дисперсии уклонов поверхности по величине искажений

границы круга Снеллиуса

§ 4.7 Определение показателя ослабления воды

Основные результаты главы 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. УРАВНЕНИЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ЛУЧА НА ВЗВОЛНОВАННОЙ ВОДНОЙ ПОВЕРХНОСТИ

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГРАНИЦ ПРИМЕНИМОСТИ ЗАКОНА БУГЕРА ДЛЯ ОПИСАНИЯ ОСЛАБЛЕНИЯ ЯРКОСТИ НАКОПЛЕННОГО

ИЗОБРАЖЕНИЯ ПОДВОДНОЙ СОЛНЕЧНОЙ ДОРОЖКИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Подводное изображение морской поверхности как источник информации о ветровом волнении и оптических свойствах воды»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

В настоящее время оптические средства наблюдения стали играть важную роль в решении задач дистанционного контроля физических параметров Океана и протекающих в нем динамических процессов. Изображения морской поверхности, получаемые со спутников, летательных аппаратов, судов, океанологических платформ и береговых сооружений используются для получения информации о характеристиках ветрового волнения и факторах, определяющих его изменчивость (ветер, поверхностные течения, внутренние волны, пленки поверхностно-активных веществ). С помощью космических сканеров цвета определяется состав растворенного и взвешенного в воде вещества, оценивается биопродуктивность наблюдаемого района Океана. На основе лидарной, телевизионной и спектрофотометрической технологий создаются самолетные комплексы аппаратуры для картографирования и профилирования мелководных участков дна и контроля мутности воды.

Первые и наиболее известные работы по дистанционному измерению статистических характеристик ветрового волнения были выполнены Коксом и Манком в 50-ых годах прошлого столетия [1-3]. Они проводили съемку солнечной дорожки фотокамерами без линз с борта самолета в районе Гавайских островов, где высота Солнца достигала 70 градусов. Авторы получили расфокусированные изображения солнечной дорожки в виде пятна и показали, что путем статистической обработки таких изображений можно измерять функцию распределения уклонов поверхности, которая в первом приближении совпадает с функцией Гаусса, а по параметрам этой функции можно определять скорость и направление приводного ветра. В 80-е годы аналогичные исследования проводились с целью отработки методики определения функции распределения уклонов поверхности, скорости и направления ветра по спутниковым изображениям солнечной дорожки [4-7]. Возможность определения характеристик волнения в ночное время по картине бликов от искусственных источников света была показана в работе [8]. Полученные в ней результаты оказались очень близки к результатам Кокса-Манка. Также для

исследования характеристик ветрового волнения стали использоваться изображения волн, которые формируются светом неба за пределами солнечной дорожки. Было установлено, что при правильном выборе направления наблюдения видимая яркость элемента поверхности почти линейно зависит от его уклона, что позволило разработать методику определения пространственного спектра волнения по изображениям участков морской поверхности, свободных от солнечных бликов [9-13].

Дальнейшие исследования по этой тематике уже были направлены на повышение информативности оптических методов диагностики состояния водной поверхности за счет совершенствования теории формирования ее изображений, алгоритмов решения обратных задач и средств наблюдения. Например, в работе [14] 2002 года приведены результаты восстановления функции распределения уклонов поверхности, полученные путем совместной обработки оптических изображений солнечной дорожки и данных со скаттерометров о направлении ветра. Эти результаты находятся в хорошем соответствии с измерениями Кокса-Манка [1], а небольшая расходимость между ними объясняется, с одной стороны, особенностями волнения, а с другой стороны, иными условиями освещения и наблюдения.

Совершенствование измерительной аппаратуры, размещаемой на борту спутников, самолетов и кораблей, а также увеличение числа самих спутников, способствовало активному развитию оптических методов диагностики более широкого круга явлений, протекающих на поверхности и в приповерхностном слое водоема, таких как поверхностные и внутренние волны, неоднородные течения, слики и т.д. [15-18]. Примером высокоинформативного измерительного средства может служить лазерно-телевизионная самолетная система SHOALS фирмы Optech International Inc. [19, 20], позволяющая формировать карты рельефа и коэффициента отражения морского дна, обнаруживать подводные объекты и формировать трехмерные изображения водной толщи, в которых отображаются пространственные вариации концентрации взвешенных в воде частиц.

Большой вклад в решение этих задач внес коллектив ИПФ РАН. Сотрудниками института были разработаны оптические волнографы, которые на

протяжении многих лет успешно применяются в океанологических исследованиях для дистанционного измерения пространственно - временных спектров волнения и кинематических характеристик длинных поверхностных волн [21-29]. Сделаны оценки погрешности оптического метода измерения спектров ветрового волнения, обусловленные нарушением линейной зависимости видимой яркости поверхности от ее уклона при наблюдении волн за пределами зоны солнечных бликов [30]. В работе [31] был предложен метод определения спектрально-энергетических характеристик длинных поверхностных волн по их изображению на периферии солнечной дорожки. Основой для апробации предложенного метода послужили фотографии солнечной дорожки, сделанные авторами во время полетов над Горьковским водохранилищем на вертолете. Оценки точности определения функции распределения уклонов поверхности по солнечным бликам приведены в [32].

Сотрудниками института были предложены модели флуктуаций яркости света, выходящего из водной толщи [33, 34], и оценена их роль как негативного фактора, влияющего на точность определения характеристик волнения по изображениям поверхности. Показана возможность восстановления пространственного распределения вектора уклона морской поверхности по ее «мгновенному» изображению [35, 36], необходимая для реализации адаптивного метода наблюдения через взволнованную водную поверхность [37, 38]. Этот метод позволит устранить искажения изображений морского дна и подводных объектов, обусловленные преломлением света на случайно-неровной границе раздела вода-воздух.

Определенную информацию о состоянии морской поверхности и оптических свойствах воды можно получать и при наблюдении поверхности снизу, из-под воды. Если глубина резкости оптической системы достаточно велика, то подводное изображение поверхности можно рассматривать как совокупность изображений Солнца и неба, искаженных водной средой1. Искажения возникают вследствие преломления света на взволнованной водной поверхности и его отражения от поверхности, а также в результате рассеяния и

1 Это утверждение справедливо, если при фокусировке оптической системы «на поверхность» и «на бесконечность» получаются одинаковые изображения.

поглощения света в воде. В отсутствие волнения влияние водной поверхности на изображение Солнца проявляется только в изменении его видимой яркости, углового размера и полярного угла, а изображение неба выглядит как светлое круглое пятно на морской поверхности с угловым радиусом 48.75°, равным углу полного внутреннего отражения света от границы раздела вода-воздух. Это пятно принято называть кругом Снеллиуса. Волнение искажает описанную картину. Изображение Солнца превращается в систему бликов - подводную солнечную дорожку, круг Снеллиуса тоже разрушается: за его пределами появляются светлые пятна, а внутри - темные. В структуре этого изображения и заключена информация о состоянии водной поверхности и оптических свойствах воды.

Использование результатов наблюдения подводной солнечной дорожки и искажений круга Снеллиуса для определения характеристик волнения и оптических характеристик воды невозможно без создания специальной методики, которая должна отвечать на вопросы о том, каким образом и какими средствами целесообразно проводить подводную видеосъемку поверхности, какие статистические характеристики ее изображения могут быть использованы для решения обратных задач, каковы алгоритмы решения этих задач. Ответ на эти вопросы требует в свою очередь разработки моделей подводного изображения поверхности, которые устанавливают зависимость его статистических характеристик от характеристик волнения и оптических свойств воды. Решению указанного круга задач и посвящена диссертационная работа.

Следует сказать, что теоретическому и экспериментальному исследованию флуктуаций световых полей в море и связи этих флуктуаций с характеристиками волнения посвящено большое число публикаций (например, [39-48]). Вместе с тем, задача определения характеристик волнения и воды по подводному изображению поверхности до недавнего времени не ставилась, хотя именно в детальной структуре ее изображения заключена наиболее полная информация об этих характеристиках. Решение указанной задачи представляется важным для выявления возможностей получения количественной информации о характеристиках водной среды с помощью средств подводной видеосъемки и

возможностей использования этих средств в системах экологического мониторинга природных водоемов.

Цель работы

Цель работы заключалась в создании методической основы для количественной оценки характеристик ветровых волн и мутности воды с помощью оптических средств подводного видения. Достижение этой цели потребовало решения следующих задач:

- построения теоретических моделей случайной реализации и статистических моментов подводного изображения морской поверхности, устанавливающих зависимость характеристик изображения от характеристик волнения и оптических свойств воды;

- поиска алгоритмов решения обратных задач - восстановления характеристик волнения и оптических параметров воды по подводным изображениям поверхности;

- подготовки программного обеспечения для компьютерного моделирования подводных изображений поверхности и апробации алгоритмов решения обратных задач на модельных изображениях;

- экспериментальной проверки методов восстановления характеристик волнения и оптических характеристик воды по подводным изображениям поверхности.

Научная новизна:

Исследования, которым посвящена данная работа, носили пионерский характер. При их выполнении впервые были получены следующие результаты:

- Разработана теоретическая модель случайной реализации изображения взволнованной водной поверхности, наблюдаемой из-под воды в условиях естественного освещения. Модель описывает «мгновенную» структуру подводной солнечной дорожки, которая образуется в результате преломления на поверхности прямого света Солнца, и структуру искаженного волнением круга Снеллиуса, формируемого светом неба.

- Получены формулы для расчета статистически среднего (накопленного) изображения подводной солнечной дорожки и пространственно-временной корреляционной функции ее изображения, а также формулы для расчета накопленного изображения круга Снеллиуса.

- Найдены алгоритмы определения дисперсии уклонов и дисперсии кривизны взволнованной водной поверхности, а также спектрально-энергетических характеристик волнения по статистическим моментам подводного изображения поверхности.

- Показана возможность определения показателей ослабления и рассеяния воды по накопленному изображению подводной солнечной дорожки.

- Спроектирована и изготовлена оснастка для наблюдения морской поверхности с глубин до 30м, с помощью которой выполнена подводная видеосъемка поверхности в водах с различной прозрачностью при различных скоростях ветра и условиях освещения.

- Создано программное обеспечение для моделирования и обработки смоделированных в численном эксперименте и полученных в натурных условиях подводных изображений поверхности.

- Проведена апробация методики восстановления параметров ветрового волнения и оптических характеристик воды по подводным изображениям поверхности с использованием данных численного и натурного экспериментов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Подводная солнечная дорожка отличается от надводной тем, что ее угловые размеры меньше, а блики в ней крупнее. Это делает подводную дорожку менее чувствительной к параметрам волнения, но зато облегчает наблюдение ее тонкой структуры и определение спектрально -энергетических характеристик волнения с помощью средств подводного видения.

2. Информация о волнении, содержащаяся в солнечной дорожке и круге Снеллиуса, «закодирована» по-разному: по солнечной дорожке определяются уклоны поверхности в «бликующих» точках, а картина

искаженного волнением круга Снеллиуса в основном воспроизводит контуры участков поверхности, на которых радиальная составляющая уклона поверхности превышает пороговое значение, зависящее от расстояния между точкой поверхности и границей невозмущенного круга Снеллиуса.

3. По накопленному изображению и пространственной корреляционной функции изображения подводной солнечной дорожки можно определять дисперсии уклонов и кривизны поверхности и пространственный спектр ее уклонов.

4. По накопленному изображению круга Снеллиуса восстанавливается дисперсия уклонов поверхности.

5. На небольших оптических глубинах показатель ослабления воды может быть определен по ослаблению с глубиной средней яркости центра солнечной дорожки.

6. Показатель рассеяния воды оценивается по энергетическим характеристикам накопленного изображения солнечной дорожки и примыкающего к ней ореола, создаваемого рассеянным светом.

7. Средства подводного видения позволяют наблюдать изменения характеристик волнения под влиянием пленок ПАВ.

Достоверность научных результатов

Достоверность научных результатов подтверждается использованием апробированных методов расчета световых полей при построении статистических моделей подводного изображения морской поверхности, соответствием теоретических результатов с данными численного и натурного экспериментов, а также отсутствием противоречий с основными положениями теории видения в мутных средах.

Научные результаты, изложенные в диссертации, с достаточной степенью полноты опубликованы в ведущих рецензируемых журналах и докладывались на ряде российских и международных конференций.

Научная и практическая значимость работы

Результаты работы составляют научно-методическую основу нового метода дистанционного измерения характеристик ветрового волнения и оптических параметров воды. Метод основывается на статистической обработке изображений нижней стороны морской поверхности и извлечении информации о состоянии поверхности и водной среды из статистических характеристик изображения с помощью специально разработанных алгоритмов. Этот метод может быть практически использован для повышения эффективности работы стационарных систем экологического мониторинга прибрежной зоны морей и внутренних водоемов при условии их оснащения донными оптическими датчиками, регистрирующими изображение водной поверхности.

Результаты работы использовались в проектах Фонда поддержки научных школ (проект НШ-1244.2008.2), РФФИ (проекты №08-05-00252, №09-05-97024-р Поволжье, №10-05-00101, №11-05-97022, №11-05-00384, №11-05-97029, №1205-31237, №12-05-31363, №13-05-00812, №13-05-97038, №13-05-97058, №13-0597059), Правительства Российской Федерации (договора №11.G34.31.0048 и №11.G34.31.0078) и Министерства образования и науки РФ (государственный контракт № 02.740.11.0566, соглашение № 8332, договор №14.В25.31.0023).

Апробация результатов работы и публикации

Результаты работы были представлены:

1) на международной конференции "Current problems in optics of natural waters", 2007, г. Нижний Новгород;

2) на международных конференциях "Current problems in optics of natural waters", 2009, 2011 и 2013, г. Санкт-Петербург;

3) на II международном семинаре "Проблемы взаимодействия атмосферы и гидросферы", 2010г., г.Нижний Новгород;

4) на семинарах ИПФ РАН.

Результаты диссертации опубликованы в 8 печатных работах [1*-8*], из них 3 [1*-3*] - в рецензируемых журналах, входящих в список ВАК (Изв. РАН. Физика атмосферы и океана, Изв. Вузов. Радиофизика), 4 [4*-7*] - в трудах

конференции "Current problems in optics of natural waters, Proceedings", и 1 [8*] -в препринте ИПФ РАН.

Личный вклад автора

Все результаты работы были получены при непосредственном участии автора, включая основной его вклад в разработку теоретических моделей подводного изображения поверхности и методов ее диагностики, проектирование экспедиционной установки для подводной видеосъемки, проведение серии экспериментов на Горьковском водохранилище и Черном море, создание программного обеспечения и обработку данных численного и натурного экспериментов.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, списка обозначений и сокращений, четырех глав, заключения, списка цитированной литературы, списка опубликованных работ по теме диссертации и приложения. Общий объем диссертации - 127 страниц, включая 70 рисунков, 6 таблиц и список литературы, состоящий из 77 работ.

Краткое содержание работы

Во Введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, сформулированы цели и задачи исследования, приведены основные положения, выносимые на защиту, указана научная новизна, обоснована научная и практическая значимость работы, определен личный вклад автора.

Глава 1 посвящена разработке теоретических моделей подводного оптического изображения взволнованной морской поверхности. В параграфе 1.1 сформулирована постановка задачи, введены основные обозначения, указаны методы и подходы, которые были применены при создании модели мгновенного изображения поверхности, наблюдаемой с определенной глубины через водный слой с известными оптическими свойствами при произвольных условиях освещения, определяемых высотой Солнца и состоянием атмосферы. Эта модель конкретизирована применительно к двум ее наиболее информативным

элементам - изображениям подводной солнечной дорожки, формируемой в результате преломления прямого света Солнца на взволнованной водной поверхности, и круга Снеллиуса, представляющего собой искаженное волнением изображение небосвода. Модели статистически-средних (накопленных) изображений подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса приведены в параграфе 1.2, а в параграфе 1.3 получены соотношения, устанавливающие взаимосвязь между пространственно-корреляционными характеристиками вектора уклонов взволнованной морской поверхности и функцией пространственной корреляции изображения подводной солнечной дорожки, формируемой прямым светом Солнца.

В Главе 2 выполнен анализ статистических характеристик подводного изображения поверхности с использованием результатов их расчета по формулам предыдущей главы и результатов статистической обработки случайных реализаций изображения, которые моделировались на компьютере с помощью специально разработанного программного обеспечения. Результаты моделирования наряду с аналитическими моделями изображений использованы для анализа зависимости погрешности определения статистических характеристик изображения от числа его случайных реализаций и определения требований к временам и условиям видеосъемки при выполнении натурных экспериментов.

Глава 3 посвящена поиску и апробации конкретных алгоритмов решения обратных задач - определению параметров волнения и оптических свойств воды по подводным изображениям поверхности. Основой для этого служат аналитические модели статистических моментов изображений подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса из главы 1, а также результаты численного анализа характеристик изображений из главы 2, позволившие упростить некоторые из этих моделей.

В Главе 4 приведено описание натурных экспериментов, проводившихся в период с 2010г. по 2012г. на Горьковском водохранилище и Черном море с целью проверки возможностей определения характеристик ветрового волнения и

оптических характеристик воды по подводным изображениям морской поверхности. Приводятся примеры наблюдения подводной солнечной дорожки и фрагментов круга Снеллиуса с разных глубин в водах с разной прозрачностью при различном состоянии ее поверхности. Показано, что результаты восстановления дисперсии уклонов поверхности по изображениям солнечной дорожки и круга Снеллиуса при наличии и в отсутствие пленки ПАВ хорошо согласуются с оценками дисперсии, выполненными на основе данных о скорости приводного ветра. Установлено также, что оценки показателя ослабления воды по ослаблению яркости подводной солнечной дорожки и по глубине видимости диска Секки приводят к близким результатам.

В Заключении сформулированы основные результаты диссертации:

1. Разработана модель изображения нижней стороны случайно-неровной морской поверхности. Модель представляет собой совокупность формул для расчета видимой яркости поверхности с заданным рельефом при ее наблюдении с определенной глубины через водный слой с известными оптическими свойствами при произвольных условиях освещения, определяемых высотой Солнца и состоянием атмосферы. Модель справедлива для двумерного анизотропного волнения и учитывает эффекты рассеяния света в воде. Модель конкретизирована применительно к двум наиболее информативным элементам изображения - подводной солнечной дорожке и кругу Снеллиуса. Дано объяснение механизма искажений круга Снеллиуса поверхностным волнением.

2. Построены модели статистически-средних (накопленных) изображений подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса. Предложены алгоритмы определения дисперсии уклонов поверхности по этим изображениям. Определены погрешности ее оценки в зависимости от числа усредняемых изображений.

3. Предложен алгоритм определения коэффициентов корреляции уклонов и кривизны поверхности, а также дисперсии ее кривизны по коэффициенту пространственной корреляции изображения поверхности.

4. Проанализировано влияние рассеянного в воде света на структуру подводного изображения солнечной дорожки. Для гладкой водной поверхности и поверхности, искаженной одномерной синусоидальной волной, продемонстрирована разница в изображениях подводной солнечной дорожки, формируемых прямым, однократно и многократно рассеянным светом. Пояснен механизм формирования светового пятна и лучей, наблюдаемых вблизи отдельного блика в натурных изображениях. Получены оценки оптических глубин, при которых вкладом рассеянного света в видимую яркость солнечной дорожки можно пренебречь.

5. Теоретически обоснована возможность оценки показателя ослабления воды по ослаблению яркости накопленного изображения солнечной дорожки и возможность восстановления показателя рассеяния воды по величине параметра, характеризующего соотношение между световыми потоками, заключенным в солнечной дорожке и в световом ореоле вокруг нее.

6. Разработана оснастка для выполнения видеосъемки нижней стороны морской поверхности с пирса, борта корабля и палубы океанографической платформы. Получены данные о видимости подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса в водах с различной прозрачностью и при различных скоростях ветра. Установлена возможность использования средств подводного видения для контроля процесса цветения воды и наблюдения органических пленок на водной поверхности.

7. Экспериментально подтверждена возможность определения дисперсии уклонов поверхности в направлении ветра и в поперечном к ветру направлении по изображениям подводной солнечной дорожки и круга Снеллиуса. Установлено, что оценки дисперсии по изображениям чистой морской поверхности и поверхности, покрытой пленкой олеиновой кислоты, хорошо согласуются с оценками дисперсии по формулам Кокса-Манка на основе данных о скорости ветра.

8. В ходе натурных экспериментов продемонстрирована работоспособность предложенных алгоритмов определения показателей ослабления и рассеяния воды по накопленному изображению подводной солнечной дорожки.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

Обозначение Размерность Определение

ел- ' ^у ' е* безразм. единичные орты х, у иг- направлений

2 - взволнованная водная поверхность

м радиус-вектор точки на поверхности

гх м составляющая г£ в плоскости г = 0

Р м составляющая радиус-вектора между двумя точками поверхности в плоскости г = 0

С (г,) м функция возвышений (рельеф) поверхности

безразм. единичная нормаль к поверхности в точке гх

безразм. вектор уклона поверхности в точке

м координата расположения оптического приемника

2 м глубина расположения приемника

безразм. единичный вектор направления падающего на поверхность света

п безразм. единичный вектор направления преломленного поверхностью света

па безразм. горизонтальная составляющая вектора п(

пх безразм. горизонтальная составляющая вектора п

ПУ безразм. х, у - проекции вектора п±

безразм. единичный вектор направления на центр Солнца

безразм. горизонтальная составляющая вектора п5

а безразм. синус локального угла падения света на поверхность

град локальный угол падения света на водную поверхность

3 град локальный угол преломления света водной

поверхностью

9 град азимутальный угол падения света на поверхность

Ь град зенитный угол Солнца

град высота Солнца над горизонтом

25^ град угловой размер Солнца

Вт/м2 освещенность поверхности Солнцем

град угол преломления горизонтально падающего на гладкую поверхность света (угол Снеллиуса)

Ку град средний угол размытия границы круга Снеллиуса в х,у - направлениях

т безразм. показатель преломления воды

Ъ м"1 показатель рассеяния

ъь м-1 показатель обратного рассеяния

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мольков, Александр Андреевич, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Сох, С.; Munk, W. Measurements of the Roughness of the Sea Surface from Photographs of the Sun Glitter. J. Opt. Soc. Am. 1954. №44. P.838-850.

2. Cox, C.; Munk, W. Statistics of the Sea Surface Derived from Sun Glitter. J. Mar. Res. 1954. №13. P. 198-227.

3. Cox C., Munk W. Slopes of the sea surface deducted from photographs of sun glitter. Bulletin of the Scripps Institution of Oceanography, C.E. ZoBell, R.A. Arthur and D.L. Fox, Eds. 1956. V.6. №.9. PP. 401^188.

4. Soules S.D. Sun glitter viewed from space. Deep Sea Res. 1970. V.17. P.191-195

5. Levanon, N. Determination of the sea surface slope distribution and wind velocity using sun glitter viewed from a synchronous satellite. J. Phys. Oceanogr. 1971. V.10. P.214-220.

6. Webber. D.S., Surface winds from sun glitter measurements from a spacecraft. Proc. Soc. Photo. Opt. Instrum. Eng. 1971. V.27. P.93-100.

7. Wald L., Monget J.M. Sea surface winds from sun glitter observations. Journal of Geophysical Research. 1983. V.88. №C4. P.2547-2555.

8. Пелевин B.H., Бурцев Ю.Г. Измерение наклонов элементарных площадок поверхности волнующегося моря. Оптические исследования в океане и в атмосфере над океаном. М.: ИОАН СССР. 1975. С.231-232.

9. Chapman R.D., Irani G.B.Appl. Opt. 1981. V.20. №.20. P.3645.

10.Ewing I.A.J. Marine Res. 1969. V.27. №2. P. 163.

11.Kasevich R.S.J. Geophys. Res. 1975. V.80. №33. P.4535.

12. Monaldo F.M., Kasevich R.S.J. Phys. Oceanography. 1981. V.l 1. №2. P.272.

13. Stilwell D., Pilon R.O.J. Geophys. Res. 1974. V.79. №9. P.1277.

14.Ebuchi N., Kizu S. Probability distribution of surface slope derived using Sun glitter images from geostationary meteorological satellite and surface vector winds from scatterometers, J.Oceanogr. 2002. V.58. PP.477- 486.

15.Brekke C., Solberg A.H.S. Oil spill detection by satellite remote sensing. Remote Sens. Environ. 2005. V.95. P.l-13.

lô.Bréon F.M., N. Henriot Spaceborne observations of ocean glint reflectance and modeling of wave slope distributions. J. Geophys. Res. 2006. P.l 11.

17.Chust G., Sagarminaga Y. The multi-angle view of MISR detects oil slicks under sun glitter conditions. Remote Sens. Environ. 2007. V.107. P.232-239.

18. Мясоедов А.Г., Кудрявцев B.H. Оценка контрастов поверхностных проявлений океанических явлений по изображениям солнечного блика. Ученые записки Российского государственного гидрометеорологического университета. 2010. № 16. С. 94-114.

19. Yu. I. Kopilevich, V. I. Feygels, G. H. Tuell, and A. Surkov, "Measurement of ocean water optical properties and seafloor reflectance with scanning hydrographie operational airborne lidar survey (SHOALS): I. Theoretical background," Proc. of SPIE 5885. 2005. P.106-114.

20. G. H. Tuell, V. Feygels, Yu. Kopilevich, A. D. Weidemann, A. G. Cunningham, R. Mani, V. Podoba, V. Ramnath, J. Y. Park, and J. Aitken, "Measurement of ocean water optical properties and seafloor reflectance with scanning hydrographie operational airborne lidar survey (SHOALS): II. Practical results and comparison with independent data," Proc. of SPIE 5885. 2005. P.l 15-127.

21. Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г., Титов В.И. Определение характеристик пространственно-временных спектров волнения по оптическому изображению морской поверхности. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1985. Т.21. №10. С.1095.

22. Э.М. Зуйкова, А.Г. Лучинин, В.И. Титов Оптические методы диагностики океана. Дистанционное исследование поверхностного волнения. Дистанционные методы изучения океана. Горький: ИПФ АН СССР. 1987. С. 84-125.

23.Баханов В.В., Браво-Животовский Д.М., Зуйкова Э.М., Кемарская О.Н., Титов В.И. Методы диагностики спектрально-кинематических характеристик поверхностного волнения по оптическим изображениям поверхности моря. Сб. Проявление глубинных процессов на морской поверхности. Н.Новгород. 2004. С.102-110.

24.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.

25.Баханов В.В., Э.М.Зуйкова, О.Н. Кемарская, В.И.Титов. Диагностика спектрально-кинематических характеристик длинных поверхностных волн по оптическим изображениям поверхности моря. ИПФ РАН. 2008. № 775. 20С.

26.Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Кемарская О.Н., Титов В.И., Троицкая Ю.И. Определение спектрально-кинематических характеристик поверхностного волнения по оптическим изображениям поверхности моря. Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из Космоса. Сборник научных статей. ООО "Азбука-2000". 2009. Т.6. №1. С.303-313.

27. Титов В.И., Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г. Исследование пространственно -временных спектров короткомасштабного волнения оптическим методом. Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Сб. науч. тр. / HAH Украины: МГИ. Севастополь. 2010. Т21. С. 197-206.

28. Титов В.И., Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г., Троицкая Ю.И.. Исследование динамики двумерных спектров морского волнения. Сборник научных статей "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". М.: ООО "ДоМира". 2010. Т.7. №1. С.273 - 285.

29. Титов В.И., Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Лучинин А.Г. Разработка принципов мониторинга состояния водной поверхности и приводного слоя атмосферы по оптическим изображениям поверхности. Сборник научных статей "Современные проблемы дистанционного зондирования Земли из космоса". М.: ООО "ДоМира". 2012. Т.9. №2. С.273 -285.

30. Титов В.И. Определение спектра волнения моря путем спектрального анализа аэрофоснимков. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т.18. №2. С.215.

31. Баханов В.В., Зуйкова Э.М., Титов В.И. Определение параметров волнения по солнечным бликам. Материалы конференции "Проявления глубинных процессов на морской поверхности", Н. Новгород. 2007.

32. Титов В.И. О точности определения функции распределения склонов морской поверхности по солнечным бликам. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1980. Т.16. №2. С.178-185.

33.Лучинин А.Г. Влияние ветрового волнения на характеристики светового поля, обратно рассеянного дном и толщей воды. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1979. Т.15. №7. С.770-775.

34.Вебер В.Л. О статистических характеристиках изображений, полученных при наблюдении через неровную поверхность раздела сред с различными показателями преломления. АН СССР. Оптика моря. М.: Наука. 1983.

35.Турлаев Д.Г., Долин Л.С. О наблюдении подводных объектов через взволнованную водную поверхность: новый алгоритм коррекции изображений и лабораторный эксперимент. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т.49. №3. С.70.

36. Turlaev D.G. The advanced algorithm for determining the vector of slopes of the water surface from its image. VII International Conference Current problems in optics of natural waters (ONW 2013), Proceedings. P.226-229.

37. Долин Л.С., Лучинин А.Г., Турлаев Д.Г. Алгоритм восстановления изображений подводных объектов, искаженных поверхностным волнением. Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2004. Т.40. №6. С.42-850.

38. Лучинин А.Г., Долин Л.С., Турлаев Д.Г. О коррекции изображений подводных объектов при неполной информации о поверхностном волнении. Изв. РАН. Физ. атм. и океана. 2005. Т.41. №2. С212-211.

39.Якубенко В.Г., Николаев В.П., Прокопов О.И., Жильцов A.A., Нестеренко Л.М. О флуктуациях яркости подводного светового поля. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1974. Т.10. №9.

40.Якубенко В.Г., Николаев В.П. Численное моделирование флуктуаций светового поля под взволнованной морской поверхностью. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1977. Т. 13. №2.

41. Николаев В.П., Якубенко В.Г. О связи статистических характеристик подводного светового поля с характеристиками волнения. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1978. Т.14. №1. С.118-123.

42.Шевернев В.И. Статистическая структура поля освещенности под взволнованной поверхностью моря. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1973. Т.9. №6. С.596-507.

43.Бялко А.В. О связи статистических характеристик отраженного и преломленного света со спектром волнения поверхности. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1975. Т.П. №6. С.655-660.

44.Лучинин А.Г., Сергиевская И.А. О флуктуациях светового поля под взволнованной поверхностью моря. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. №6. С.850-858.

45.Вебер В.Л. О пространственных флуктуациях подводной освещенности. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1982. Т. 18. №9. С.953-962.

46. Вебер В.Л., Лучинин А.Г. О дисперсии флуктуаций изображений при наблюдении через взволнованную поверхность. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1983. Т.19. №6. С.631-638.

47. Вебер В Л. О коэффициенте вариаций флуктуаций подводной освещенности. Изв. вузов. Радиофизика. 2010. Т.53. №1. С. 14-30.

48. Weber V.L. On the asymmetry coefficient of the probability distribution function of underwater irradiance. V International Conference Current problems in optics of natural waters (ONW 2009), Proceedings. P.333-338.

49.Dolin L., Gilbert G., Levin I., Luchinin A.. Theory of imaging through wavy sea surface. - Nizhny Novgorod: IAP RAS. 2006. 172P.

50.Luchinin A.G. Ocean Optics - Air and Sea Interface. Encyclopedia of Optical Engeneering. Marcel Dekker. 2003.

51. Вебер В Л., Долин Л.С. О флуктуациях изображений при наблюдении через случайно неровную нестационарную границу раздела. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1981. Т. 17. № 11. С. 1168-1177.

52.Вебер В.Л. Критерии качества изображений тест-объектов, наблюдаемых через водную поверхность. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1983. Т. 19. № 10. С. 1095-1098.

53.Лучинин А.Г. Отношение сигнал/шум в изображении дна водоема, наблюдаемого через взволнованную поверхность. Изв. АН СССР. Физика атмосферы и океана. 1986. Т. 22. № 2. С. 195-201.

54.Вебер В.Л. О влиянии волнения на качество изображения подводного объекта, полученного при наблюдении через морскую поверхность. Оптика атмосферы и океана. 1992. Т. 5. № 8. С. 869-875.

55.Вебер В.JI. Наблюдение подводных объектов через бликовые участки морской поверхности. Изв. вузов. Радиофизика. 2005. Т. XLVIII. № 1. С. 38-52.

56.Долин Л.С., Левин И.М. Справочник по теории подводного видения. Гидрометеоиздат. 1991.

57.Walker R.E. Marine Light Field. Statistics John Wiley and Sons, Inc.: New York. 1994. 675P.

58. Доронин Ю.П. Физика океана. Санкт-Петербург. 2010. 274С.

59.Борн М., Вольф Э. Основы оптики. Наука. Москва. 1973.

60.Оптика океана. Т.1. Физическая оптика океана. (Ред. А.С.Монин.) М.: Наука. 1983. 372С.

61. Долин Л.С. О рассеянии светового пучка в слое мутной среды. Известия вузов. Радиофизика. 1964. Т. VII. № 2. С. 380-382.

62. Иванов А.П. Физические основы гидрооптики. Минск. Наука и техника. 1975. 504С.

63.Darula S., KittlerR. CIE general sky standart defining luminance distributions -Slovak Academy of Sciences. 2000.

64.CIE DS 01 l.l/E-2001. Spatial distribution of daylight - CIE standard general sky. Draft standard. CIE Central Bureau Vienna. 2001.

65.Darula S., Kittler R. A catalogue of fifteen sky luminance patterns between the CIE standard skies. Proc. 24th of the CIE Session, Warsaw, CIE Publ. 133. 1999. V.l. Part 2. P.7 - 9.

66.Moon, P., Spencer. Illumination from a non-uniform sky. Ilium Eng. 1942. V.37. №10. P.707-726.

67.Kittler, R., Perez, R. and Darula S. A new generation of sky standards, Proc. Conf. Lux Europa, 1997. P.359-373.

68. Kittler R., Perez R. and Darula S. A set of standard skies characterizing daylight conditions for computer and energy conscious design, US SK 92 052 Final Report, ICA SAS Bratislava, Polygrafia Bratislava. 1998.

69.Kittler R., Darula S. Determination of sky types from global illuminance, Lighting Res. Technol. 2000. V.32. №4. P.187-193.

70.Kittler R., Darula S. Daylight nomograms applying new cloudy and clear sky standards. Building Res. Journ. 2000. V.48. №2. P.73-86.

71.Вебер B.JI. О моделировании одномерной случайной поверхности. ИПФ РАН. 2002. № 603.

72.Караев В.Ю., Каневский М.Б., Баландина Г.Н. Численное моделирование поверхностного волнения и дистанционное зондирование. ИПФ РАН. 2000. № 522.

73.Hwang P. Airborne Measurements of the Wavenumber Spectra of Ocean Surface Waves. Part I: Spectral Slope and Dimensionless Spectral Coefficient. JOURNAL OF PHYSICAL OCEANOGRAPHY. 2000. VOL.30. P. 2753-2767.

74.Hwang P. Airborne Measurements of the Wavenumber Spectra of Ocean Surface Waves. Part II: Directional Distribution. JOURNAL OF PHYSICAL OCEANOGRAPHY. 2000. VOL.30. P. 2768-2787.

75.Долин Л.С., Савельев B.A.. Новая модель размытия светового пучка в среде с сильно анизотропным рассеянием. Известия РАН. Физика атмосферы и океана. 2000. Т. 36. № 6. С. 794-801.

76. Левин И.М., Копелевич О.В. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в области спектра около 550 нм. Океанология. 2007. Т.47. №3. С. 344-348.

77.3еге Э.П., Иванов А.П., Кацев И.Л. Перенос изображения в рассеивающей среде. Минск: Наука и техника. 1985. 327С.

Список опубликованных работ по теме диссертации

1*.Мольков А.А., Долин Л.С. Подводное изображение морской поверхности как источник информации о ветровом волнении. ИПФ РАН. 2010. №807.

2*.Molkov А.А., Dolin. L.S. Informative properties of the underwater solar path. IV International Conference Current problems in optics of natural waters (ONW 2007), Proceedings. P.252-256.

3*.Мольков А. А., Долин Л.С. Информативные свойства подводной солнечной дорожки. Изв. Вузов. Радиофизика. 2009. Т.52. №1. С.36-45.

4*.Мольков А.А., Долин Л.С. Определение характеристик ветрового волнения по подводному изображению морской поверхности. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2012. Т.48. №5. С.617-630.

5*.Molkov A.A., Dolin L.S. The underwater image of the sea surface as the source of information of wind roughness. VI International Conference Current problems in optics of natural waters (ONW 2011). Proceedings. P.242-247 6*.Molkov A.A., Dolin L.S. Determination of wind wave parameters by sea surface image observed from under water. V International Conference Current problems in optics of natural waters (ONW 2009). Proceedings. P.305-310 7*.Molkov A.A., Dolin L.S. The dependence of the characteristics of an underwater solar path image on the water scattering properties. VII International Conference Current problems in optics of natural waters (ONW 2013). Proceedings. P.133-138. 8*.Мольков A.A., Долин JI.C. Определение дисперсии уклонов взволнованной водной поверхности по размытию границы круга Снеллиуса. Изв. РАН. Физика атмосферы и океана. 2013. Т.49. №5.